引用本文
孙业君, 赵小艳, 黄耘, 杨浩, 李锋. 云南地区震源机制及应力场特征[J]. 地震地质, 2017,39(2): 390-407.
SUN Ye-jun, ZHAO Xiao-yan, HUANG Yun, YANG Hao, LI Feng. CHARACTERISTICS OF FOCAL MECHANISMS AND STRESS FIELD OF YUNNAN AREA[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(2): 390-407.  
Doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.02.009
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云南地区震源机制及应力场特征
孙业君1, 赵小艳2,*, 黄耘1, 杨浩1, 李锋1
1.江苏省地震局, 南京 210014
2.云南省地震局, 昆明 650041
*通讯作者: 赵小艳, 女, 副研究员, E-mail:47535120@qq.com。

〔作者简介〕 孙业君, 男, 1979年生, 2015年于东南大学获软件工程硕士学位, 高级工程师, 主要从事数字地震学与地震预测等研究工作, E-mail:syj_4116@126.com.

收稿日期: 2015-11-11
基金项目: 江苏省科技支撑-社会发展项目(BE2016804,BE2011814)、 中国地震局地震科技星火计划项目(XH15020Y)、 中国地震局震情跟踪青年课题项目(2016010121)与江苏省地震局青年基金重点项目(201402)共同资助
摘要

利用云南和四川区域台网记录的地震波形资料, 采用CAP方法计算得到了云南地区1999年1月至2014年8月268次 ML≥4.0地震的震源机制解, 结合收集的哈佛大学1976年以来109次地震的震源机制解, 分析了云南地区震源机制解分类及其区域特征。基于上述震源机制解资料, 采用区域应力张量阻尼反演方法计算了云南地区每个网格的最佳拟合构造应力张量, 并利用最大主应力计算方法计算得到了云南地区最大水平主应力的方向。结果表明: 1)研究区地震震源类型以走滑型为主, 其次为正断型, 逆断型相对较少, 震源机制空间分布特征明显, 反映了研究区不同区域受力源及其作用方式的差异性; 2)云南地区应力场方向呈现一定的空间连续性, 最大水平主压应力方向由北向南呈顺时针旋转, 由西向东呈逆时针旋转, 同时应力场方向表现出空间的不均匀性, EW和SN方向分别存在2个应力转换区。应力场反演结果显示, 云南地区应力场较为复杂, 主应力方向变化很大, 不同区域存在明显差异。

关键词: 震源机制解; CAP方法; 应力张量阻尼反演; 应力场; 云南地区
中图分类号:P315.72+7 文献标识码:A 文章编号:0253-4967(2017)02-0390-18
CHARACTERISTICS OF FOCAL MECHANISMS AND STRESS FIELD OF YUNNAN AREA
SUN Ye-jun1, ZHAO Xiao-yan2, HUANG Yun1, YANG Hao1, LI Feng1
1.Earthquake Administration of Jiangsu Province, Nanjing 210014, China
2.Earthquake Administration of Yunnan Province, Kunming 650041, China
Abstract

Using the seismic waveform data recorded by regional seismic network of Yunnan and Sichuan and the method of CAP, we calculate and obtain the focal mechanism of 268 earthquakes with the magnitude of ML≥4.0 occurring in Yunnan during Jan. 1999 to Aug. 2014; then, we analyze the types and the regional feature of the focal mechanism of earthquakes in Yunnan, on the basis of the focal mechanism of 109 earthquakes analyzed by Harvard University. Based on the data of the above focal mechanism solutions, we adopt the method of damped regional-scale stress inversion to calculate the best-fitting tectonic stress tensor of every grid in Yunnan; and adopt the method of maximum principal stress to calculate the direction of maximum horizontal principal stress in Yunnan. The result shows that: (1)the strike-slip type is the most principal type of the earthquake focus in the study area and the second is the normal faulting type; while, the reverse-fault type is relatively small. The spatial distribution of focal mechanism is obvious. This reflects that the dynamic source and acting force are different in different parts of the study area. (2)The direction of the stress field in Yunnan shows a certain spatial continuity. Maximum horizontal principal compressive stress is mainly clockwise from north to south and counterclockwise from the west to the east. The direction of stress field shows inhomogeneity in space. There exist two stress conversion zones respectively in EW and NS direction. The inversion result of stress field shows that the stress field in Yunnan is complex and the principal stress direction changes greatly; and there are obvious differences in different regions.

Keyword: focal mechanism solution; the method of CAP; damped regional-scale stress inversion; stress field; Yunnan area
0 引言

构造地震的震源机制解可以反映区域构造应力场和构造运动特征, 是研究断层及块体的运动特性、 构造活动样式及其动力来源的重要资料(罗钧等, 2014)。单次地震震源机制解中的P、 T、 B轴方向只与该地震的释放应力有关系(许忠淮, 1985), 不能当作地下实际作用的构造应力方向, 而大量的震源机制解资料则可以推断出某区域构造应力场特征。国内外学者已经发展了多种经典的利用震源机制解资料反演应力场方法(Ellsworth et al., 1981; Gephart et al., 1984; 许忠淮, 1985; Michael, 1987; Gephart, 1990; 杜兴信等, 1999; 崔效锋等, 2006; 钟继茂等, 2006)。在研究1个区域应力空间非均匀特征时, 常用的方法是将研究区域划分为若干个小区, 再对每个小区进行应力张量反演(Hardebeck et al., 2001; 康英等, 2008; 张红艳等, 2009; 郝平等, 2012)。分区方式的不同和区内震源机制样本量的多少均可能影响应力张量反演结果(Maury et al., 2011)。在反演过程中, 由于每个小区都是独立反演, 相邻分区应力方向的差异可能反映了实际应力场的真实变化, 也可能是由于震源机制数据的误差或反演的约束较差造成的假象(郑建常等, 2013)。由于地壳中的应力分布存在连续性, 为了解决空间应力场特征研究中依赖于分区的问题, 并且能更准确地得到区域范围内的应力变化特征, 近几年, 国外一些学者通过增加阻尼、 应用概率信息准则等数学手段对反演进行约束, 实际应用结果表明可以得到更加真实可靠的反演结果(Hardebeck et al., 2006; Arnold et al., 2007; Terakawa et al., 2008)。

云南位于印度板块与欧亚板块碰撞带东部, 地处青藏高原东南缘(邓起东等, 2002)。特殊的构造位置、 强烈的地壳变形与断裂活动作用使得该地区成为中国大陆地震活动最强烈的地区之一(罗钧等, 2014), 也是动力学研究的热点地区, 取得了诸多震源机制及构造应力场方面的研究成果。吴建平等(2004)、 刘平江等(2007)、 马文涛等(2008)、 钱晓东等(2011)等研究认为川滇地区地震以走滑型为主, 并根据震源机制的空间分布特征, 探讨了不同分区受力方式及其动力来源的差异性。阚荣举等(1977)、 许忠淮等(1987)、 徐纪人等(1995)、 谢富仁等(1993, 1999)、 崔效锋等(1999, 2006)利用震源机制解、 断层滑动数据、 水压致裂测量数据等不同资料研究了川滇地区构造应力场特征, 结果表明川滇地区总体特征为: 北部以EW向水平挤压为主, 南部以SN向水平挤压为主, 不同构造分区应力场特征差异明显(徐纪人等, 1995), 川滇地区被2条NNW向近似平行的应力转换带分成3个应力分区, 东、 西部地区应力场方向完全不同(崔效锋等, 2006)。

随着数字地震波形资料的不断积累, 震源机制解求取、 应力场反演方法的不断改进, 使得进一步推进震源机制应用于应力场的研究成为可能。本文在获得近期云南地区大量中强地震可靠的震源机制解的基础上, 研究了云南地区构造应力场特征。首先利用CAP方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996)计算了1999— 2014年云南地区ML≥ 4.0地震震源机制解, 并收集了哈佛大学1976— 2014年MW≥ 4.8地震震源机制解, 从而得到研究区较为完备的中强地震震源机制解资料, 分析了其空间分布特征, 进而利用上述震源机制解资料, 采用区域应力张量阻尼反演方法(Hardebeck et al., 2006), 反演了云南地区的构造应力场特征。

1 方法
1.1 震源机制解反演方法

本文采用CAP(Cut and Paste)方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996)求取研究区地震震源断层面解和震源深度。该方法将宽频带数字地震记录分为体波部分(Pnl)和面波部分, 分别计算它们的合成波形与真实记录的误差函数, 在相关参数空间中搜索最佳矩张量解。与其他求解震源机制解的方法相比, CAP方法完整地利用了观测波形, 并在反演的过程中允许它们在适当的时间变化范围内相对移动, 因而可以得到可靠的、 反映整个破裂过程的震源信息。另外, 该方法通过赋予Pnl部分更大的权重来避免面波在反演过程中权重过大的影响, 对地震深度及机制解有更好地约束。计算过程中对Pnl波和面波进行不同频段的滤波, 并改变震源深度, 求取观测波形和理论波形之间的最小拟合误差, 取误差函数达到最小值时的参数作为最佳震源机制解。一些研究结果(吕坚等, 2008; 郑勇等, 2009; 韦生吉等, 2009; 罗艳等, 2010; 龙锋等, 2010; 韩立波等, 2012; 张致伟等, 2015a, b; 郑建常等, 2015)充分证明了采用CAP方法计算中等地震的震源机制解具备有效性与可靠性。

1.2 应力场反演方法

用大量的震源机制解来估计区域构造应力特征, 实际上就是通过震源错动为构造应力张量在错动面上的剪切分量这一约束条件来构建应力张量与震源机制的几何关系, 并搜索出在所选取的时空范围内与之相符的应力模型。Michael(1984, 1987)提出了自助线性应力反演(LSIB)方法, 该方法将非线性应力反演问题转化为线性化处理, 通过线性及最小二乘法相结合的应力张量反演方法来求得应力张量。该方法建立在自助(Bootstrap)统计方法基础上, 使用自助方法来估计置信区间范围。

本文所采用的区域应力张量阻尼反演方法(Hardebeck et al., 2006)是在自助线性应力反演(LSIB)方法(Michael, 1984, 1987)基础上引入阻尼参数, 用以控制理论值与观测数据之间的错配值和模型复杂程度的相对权重, 通过两者拟合误差之间的权衡曲线构建1组可调整的阻尼参数模型, 并采用平滑约束来抑制相邻单元之间应力模式的差异, 从而得到稳定解。该方法具体通过以下步骤实现: 首先确定反演中的最佳阻尼参数(阻尼系数起到控制反演误差的作用); 其次对预先设定的网格进行反演, 确定每个网格的应力张量方向和相对应力大小值R; 再采用Bootstrap对每个网格的数据进行重采样, 进行不确定性评价, 最终得到应力场的反演结果。

2 地震震源机制解资料及计算分析
2.1 震源机制解计算及实例

本文采用的地震波形数据来源于云南区域台网46个台站及四川区域台网6个台站的观测记录, 所有仪器均为宽频带地震仪, 采样率为100Hz。为保证求解结果的可靠性, 地震事件和波形记录的选取尽可能满足以下条件: 台站的震中距≤ 250km、 台站方位角分布较为均匀、 3分量波形信噪比高。反演前, 首先对观测波形进行了去除仪器响应、 垂直、 东西、 南北3分量旋转至r-t-z方向, 并对波形进行0.08s的重新采样。在震源机制解求解的网格搜索过程中, 设定走向、 倾角、 滑动角的网格搜索步长为5° 。反演过程中, 对Pnl波和面波分别进行不同频率的带通滤波, 以求得误差最小的震源机制解。

云南壳幔速度横向变化剧烈, 前人运用多种方法对云南地区地壳速度结构进行了大量的研究, 其中人工测深方法能给出测点较精确的速度结构。云南地区近20多年来先后实施过滇深82、 滇深86、 腾深99等人工测深工程, 得到了一批人工地震测深剖面的观测结果(胡鸿翔等, 1986; 阚荣举等, 1986; 林中洋等, 1993)。本文根据测深数据来构建云南地区地壳速度模型, 对于缺少人工测深资料的地区, 如南定河断裂、 红河断裂带南段, 选用全球Crust2.0分层速度结构模型计算其分层速度。研究中共建立了25个速度模型参考点, 这25个速度模型参考点基本覆盖了整个研究区域(由于篇幅有限, 未一一列出)。CAP 方法对地壳速度模型的要求不高, 但1个较准确的地壳速度模型仍然可以在一定程度上提高结果的准确性(郑勇等, 2009)。在作者以往计算过程中, 分别采用Crust2.0模型和依据测深结果重建的模型对同一地震进行了试算, 发现依据重建模型的波形拟合度要高于依据通用模型的。本文在震源机制实际计算中, 对位于不同区域的台站, 分别采用邻近参考点的速度结构, 采用频率-波数积分(F-K)的方法(Zhu et al., 2002)计算台站与震源位置之间的格林函数, 最大限度地减小了速度模型对结果的影响。

经过上述CAP方法计算得到了1999年1月至2014年8月云南地区268次ML≥ 4.0地震震源机制解, 空间分布见图1。为了说明不同区域、 不同震级地震的震源机制解的求解过程, 图2分别给出了研究区西部、 西北部、 中部和西南部4次典型中小地震的震源机制结果及波形拟合情况(图2)。4次地震的平均相关系数分别为78%、 75%、 78%和78%, 表明理论地震图与观测地震图拟合较好, 反映了模型选择及理论地震图的合理性, 反演结果是可信的。但也有个别台站某个波段的相关系数较低, 而其余波段拟合较好, 如图2a中TeC台和图2b中MaS台。在CAP以往的计算过程中也出现过类似的情况(赵小艳等, 2012; 罗钧等, 2014), 在不断调整滤波频段后, 上述拟合较差的情况依然存在, 分析认为是局部复杂的速度结构所引起的, 即简单一维速度结构模型不能很好地近似于真实地壳速度结构。

图1 研究区断裂、 台站及CAP所得震源机制解示意图Fig. 1 Faults, stations and focal mechanisms obtained by CAP method in study region.

由于在反演过程中从足够多的台站中挑选了信噪比较高且均匀分布的台站数据, 因此, 体波和面波部分波形拟合结果均较好, 平均相关系数 > 75%, 其中相当一部分波形的相关系数在90%以上。

图2 部分地震波形和震源深度拟合图
a 2009年9月20日盈江MW4.6地震; b 2010年1月1日剑川MW4.1地震; c 2010年5月12日老挝MW4.2地震; d 2010年2年25日元谋MW5.1地震Fig. 2 The examples of the waveform fitting and focal mechanism solutions of some events.

表1 研究区域震源机制解类型统计表 Table1 Statistical table of focal mechanism type in study region
2.2 震源机制解总体特征

为了得到较完备的地震震源机制解资料, 我们还收集了哈佛大学1976— 2014年共计109次MW≥ 4.8地震的震源机制。最终, 共得到了377次地震的震源机制。根据Zoback(1992)对震源机制的分类标准, 对上述震源机制进行了分类统计(表1), 结果显示, 377次地震震源机制中, NF或NS型61次, SS型253次, TF或TS型51次, 其他型12次, 可见云南地区震源类型主要以SS型为主, 其次为NF或NS型, TF和TS也占一定的比例。这与前人的研究结果基本一致(吴建平等, 2004; 钱晓东等, 2011; Zhao et al., 2013; 罗钧等, 2014)。

为了进一步分析研究区震源机制空间分布特征, 将震源机制按照表1中的分类标准进行区分(图3), 并将每个地震的P, T轴绘于图4中, 由此可见震源机制在空间上存在着明显的区域特征。

图3 研究区地震震源机制解空间分布
Ⅱ 1 川西北次级块体, Ⅱ 2 滇中次级块体, Ⅱ 3 大凉山次级块体, Ⅲ 1 保山次级块体, Ⅲ 2 景谷次级块体, Ⅲ 3 勐腊次级块体, Ⅳ 密支娜-西盟块体; F1 红河断裂带, F2 小江断裂带, F3 则木河断裂带, F4安宁河断裂带, F5 鲁甸-昭通断裂带, F6 荥经-马边-盐津断裂带, F7 金沙江断裂带, F8 丽江-小金河断裂带, F9 营盘山断裂带Fig. 3 Spatial distribution of focal mechanism in study region.

图4 P、 T轴空间分布
线段的方向代表方位角; 线段的长短表示倾角大小, 越短倾角越大, 越长倾角越小Fig. 4 Spatial distribution of P axes and T axes.

滇西北地区位于川滇菱形块体的西边界, 主要分布着NNW向和NE向2组断裂, NNW向的金沙江断裂带与NE向的丽江-小金河断裂带交会附近地区多为正断型, T轴NEE向、 近EW向, 近水平分布, P轴NNW向、 近SN向, 高倾角分布。在以往研究中, 沿NNW向这1组断裂向北地区缺乏足够的震源机制结果, 应力场变化的细节特征还很难确定(吴建平等, 2004)。本文获得了2013年8月香格里拉-得荣震群序列的9次地震震源机制解, 使得该地区资料得到进一步丰富, 9次震源机制解均为正断型, 分析认为此次震群活动可能是德钦-中甸-大具断裂在近SN向、 NNE-SSW向拉张作用下错动的结果, 这与吴微微等(2015)的研究结果一致。震源机制特征表明滇西北地区是川滇地区拉张作用最为显著的区域, 但香格里拉附近地区北部和南部地区拉张作用力方向明显不同, 分别呈NNE向、 近SN向和NEE向、 近EW向, 作用力方向的差异显示了NE向丽江-小金河断裂带附近位于应力场转换交界地带。

滇西地区地处青藏高原东南边缘, 主要分布着NE向的大盈江断裂带、 龙陵-瑞丽断裂带和近SN向的怒江断裂带、 龙陵-澜沧断裂带等, 2组断裂交会于NE向断裂的东端。该地区地震震源机制主要以走滑型为主, P轴和T轴分别呈NNE向和NW向低倾角分布, 其中, NW向断裂带NW段地震震源机制以走滑型为主, 少量为正断型, 逆断层极少, 而NE向与近SN向2组构造交会处区域地震类型则较为复杂, 虽然以走滑型为主、 正断型为辅的格局未发生变化, 但逆断层地震数量明显增多。

滇东北与川西大凉山地区位于川滇交界东侧, 区内主要有NE向的莲峰断裂和鲁甸-昭通断裂, NW向的马边-盐津断裂带南段的多条断裂, 以及南段的多条断裂, 2个方向的断裂在大关、 盐津一带交会, 交会区震源机制解类型较为复杂, 逆断层比例较高, P轴水平, T轴较为直立, 分别呈NW向和NE向分布, 震源机制解特征显示该区域受到较强烈的挤压作用。

沿川滇菱形块体东南边界分布着一系列近SN向的断裂, 如则木河断裂带、 小江断裂带等, 断裂带附近地震主要为走滑型为主, 这主要是上述断裂左旋剪切位移和作用的结果; 而沿西南边界的红河断裂带等NW向断裂附近地区, 地震主要以右旋走滑型为主, 体现了这1组构造体系的右旋剪切变形特征; 近SN向和NW向2组构造交会处区域地震类型较为复杂, 可能是上述2组构造共同作用的结果, 显示了局部地区构造运动的差异性。

研究区内不同构造分区及断裂带震源机制空间分布的不同特征, 反映了云南地区应力场的非均匀性及构造活动差异性。

3 构造应力场反演及分析
3.1 阻尼系数

在使用区域应力张量阻尼反演方法时, 阻尼参数е 的取值对反演结果起着重要的作用。由于该参数控制着理论值与观测数据之间错配值和模型长度(即模型复杂程度)的相对权重, 简化模型, 则错配值升高, 反演误差增大; 反之提高错配的相对权重, 则反演误差减小, 而模型逐渐变得复杂化, 甚至失去了阻尼约束的意义。因此, 通常是根据权衡曲线来选择最佳阻尼参数。由图5可知, 权衡曲线的曲率е =0.9时, 意味着实现了1个最佳模型长度和数据错配之间的妥协, 采取该阻尼参数可以获得最佳应力场。

图5 模型长度与数据拟合误差之间的权衡曲线Fig. 5 Trade-off between misfit and model length for different values of the damping parameter.

3.2 应力场特征分析

将云南地区(21.0° ~29.0° N, 97.0° ~106.0° E)划分为0.5° × 0.5° 的网格, 使用区域应力张量阻尼反演方法(Hardebeck et al., 2006)计算每个网格的最佳拟合构造应力张量, 然后使用最大主应力方法(Lund et al., 2007)计算得到最大水平主应力的方向。最终共得到78个网格的构造应力张量结果(图6), 为了平滑地震空白的区域, 没有数据的格点也包括在反演中, 但这些点上的结果在图中没有显示。结果显示, 应力场结果较为均匀地分布于云南大部分区域, 但川滇菱形块体东南边界以东的滇东地区和滇西北地区的香格里拉至云龙一带未被覆盖, 主要是这2个区域地震较少, 获取的地震震源机制解资料较少所致。

图6 研究区背景应力场反演结果
a 最大主压应力方向; b 最大主张应力方向Fig. 6 Inverted stress results for the study region with damping parameter.

云南地区应力场方向总体表现出空间连续性的特征, 最大水平主压应力方向由北向南呈顺时针旋转, 由西向东呈逆时针旋转(图6a), 而最大水平主张应力方向由北向南呈逆时针旋转, 由西向东则为逆时针旋转(图6b)。其中, 最大水平主压应力方向在滇西地区呈NE向, 向东逐渐发生逆时针旋转, 至滇东地区呈现为NW向; 最大水平主压应力方向在滇西北和川滇交界地区呈NWW向, 向南逐渐发生顺时针旋转, 至滇南地区则呈现为NNE向和近SN向。

云南地区应力场方向除表现出空间总体上连续性特征外, 还表现出明显的趋势性旋转, 一些构造带构成旋转转换的边界地段。滇西地区最大水平主压应力方向为NE向, 在一系列NE向断裂与近SN向的怒江断裂带交会处区域(腾冲至保山一带), 最大水平主压应力方向经历了明显的逆时针旋转, 逐渐转为NNW向和近SN向, 并一直持续至川滇菱形块体的东边界, 最大水平主压应力方向再次发生了小幅的逆时针旋转, 转为NW向。滇西北地区最大水平主压应力方向为NWW向, 由于中甸至丽江一带中等地震活动较弱, 地震震源机制解资料缺乏, 应力张量结果未覆盖此地区。但参考东侧的丽江-小金河断裂带附近地区应力场反演结果看, 最大水平主压应力方向在此经历了大幅的顺时针旋转, 旋转至NNW向, 并一直延续至红河断裂带以南和营盘山断裂带以北地区, 在此区域, 最大水平主压应力方向再次发生较为明显的顺时针旋转, 转为NNE向和近SN向。总体来说, 沿云南地区EW和SN方向最大水平主压应力方向均经历了2次明显的转换, 旋转幅度有所差异, 滇西和滇西北最大水平主压应力方向转变较大, 显示了这2个区域构造应力场的复杂性。

在以往的构造应力场研究中, 部分学者通过对川滇地区进行应力分区讨论, 徐纪人等(2008)的结果显示西部受NE-SW向的主压应力控制, 而东部则受NW-SE向主压应力的控制; 陈化然等(2004)给出了以经纬度划分的结果, 认为30° N以北的区域应力场方向为近EW向; 30° N以南则以100° E为分界线, 以东和以西地区应力场方向分别为NW-SE向和NE-SW向; 崔效锋等(2006)指出东西2条NNW向近似平行的应力转换带将川滇地区分成3个应力区, 东边的应力转换带为川滇菱形块体的东边界, 西边的应力转换带沿金沙江断裂带至营盘山断裂带展布。本文得到的连续应力分布特征进一步证实了前人的研究结果, 同时又避免了以往分区讨论中带来的不确定性。另外一些学者(许忠淮等, 1989; Wan, 2010; Zhao et al., 2013; 王晓山等, 2015)利用不同资料反演得到了不同空间尺度的应力场结果, 均对本文研究区域有所涉及。本文给出的主应力空间分布特征与以上学者的研究结果总体上较为一致, 这也在一定程度上佐证了本文结果具有可靠性。但依据经纬度网格进行仔细比对, 发现本文与许忠淮等(1989)、 Wan(2010)等结果存在一定差异, 主要为个别地区主应力方位存在一定偏差, 尤其在应力方向转换较大的地区(如云南北部、 西部地区)偏差略明显, 分析认为这可能主要由于网格划分方式及网格内资料等差异引起的。Zhao 等(2013)利用CAP方法反演了云南及附近地区2008年1月至2011年3月174次MW≥ 3.5地震震源机制解, 并收集得到了287次地震震源机制解, 进而反演了该地区的应力场。本文结果与Zhao等(2013)得到的震源机制解类型统计及空间分布和应力场总体特征较为一致, 但本文增加了2011年3月至2014年8月期间的70多次震源机制解结果, 一方面增加了样本量, 进一步避免了某些网格内资料偏少的问题; 另一方面提升了对局部地区应力特征的认识, 例如2013年8月香格里拉-得荣震群序列等结果填补了该地区震源机制解资料缺失的空白, 对进一步揭示该地区处于强烈拉张作用下起到了至关重要的作用。

图7 研究区相对应力大小R值空间分布Fig. 7 The spatial distribution of the relative stress R value in the study area.

图8 研究区最大水平主压应力方向不确定性空间分布Fig. 8 Spatial distribution of uncertainty in the direction of maximum horizontal principal compressive stress in the study area.

在应力场反演过程中, 得到最佳应力模型3个主应力轴σ 1、 σ 2和σ 3(σ 1≥ σ 2≥ σ 3)的方位角和倾角的同时, 还得到了相对应力大小值R, R=(σ 2-σ 1)/(σ 3-σ 1), 相对应力大小是中等主应力轴σ 2接近最大主应力轴σ 1或者接近最小主应力轴σ 3的度量, 有助于区分应力场的类型。 图7给出了云南地区相对应力大小R值空间分布图。

对阻尼反演应力方向的不确定性, 采用自助(Bootstrap)方法重复采样1, 000次进行计算, 每个网格节点的不确定性被视为该节点的应力方向的范围模型。图8直观地给出了78个节点的最大水平主压应力方向的不确定性, 多数在10° 以内。

4 讨论与结论
4.1 讨论

最为通用的展现构造应力方位的方法是绘制最大水平压应力方位图, 在此过程中, 常用近于水平的主应力中量值较大的1个主应力的方位近似, 该情况只有当应力张量中的其中1个主应力轴严格垂直时是适用的。否则, 这种近似就引入了可避免的误差, 误差方向上可能存在最大数十度的偏差, 误差大小主要与主应力轴的倾角和应力分量大小有关(Lund et al., 2007)。因此, Lund等(2007)推导了由应力张量严格计算 “ 真正” 最大水平主压应力方向的方程式, 并使用冰岛北部的雪内斯断裂带上的震源机制应力反演结果来说明σ Hmax 的方位和σ Pmax的方位的差异, 结果显示最大差值达60° , 平均差值为24° 。

本文计算过程中考虑到研究区不同区域主应力轴倾角的差异, 为了避免以往研究中出现的可能误差, 采用了Lund等(2007)的计算方法, 并比较了σ Hmax 的方位和σ Pmax 的方位的差异, 最大差值为69° , 平均差值为11° 。将σ Hmax 的方位和σ Pmax 的方位同时绘于图9中, 由图可见, 差异最为显著的区域为金沙江断裂与丽江-小金河断裂交会附近地区, 该区域为拉张作用最为显著的区域, 差异次显著区域为川滇菱形块体东边界向盆地过渡区域, 该地区挤压作用强烈。

图9 云南地区应力反演数据显示的σ Hmax 和σ Pmax差异Fig. 9 The difference of stress inversion data σ Hmax and σ Pmax in Yunnan region.

4.2 结论

本文使用CAP方法计算得到的云南地区268次ML≥ 4.0地震的震源机制, 结合收集到的哈佛大学的震源震源机制, 共计377次地震的震源机制, 分析了这些地震的震源机制统计特征和空间分布特征, 采用区域应力张量阻尼反演方法计算云南地区每个网格的最佳拟合构造应力张量, 并利用主应力计算方法得出最大水平主应力的方向, 研究了云南地区应力场特征。结论如下:

(1)震源机制特征表明, 研究区地震震源类型以走滑型为主, 其次为正断型, 逆断层类型较少。震源机制呈现出空间分布差异性, 滇西北地区地震震源机制解多为正断型; 滇西地区地震震源机制解主要以走滑型地震为主; 滇东北地区在断裂交会区震源机制解类型较为复杂, 逆断层比例较高。

(2)云南地区应力场方向总体表现出空间连续性的特征, 最大水平主压应力方向由北向南呈顺时针旋转, 由西向东呈逆时针旋转, 而最大水平主张应力方向由北向南则呈逆时针旋转, 由西向东则为逆时针旋转。

(3)云南地区应力场表现出空间的非均匀性特征, EW向和SN向最大水平主压应力方向均经历了2次明显的转换: 由西向东, 经历了2次明显的逆时针旋转, 在腾冲至保山一带, 由NE向转为NNW向和近SN向; 在川滇菱形块体的东边界, 由NNW向或近SN向转为NW向; 由北向南, 则经历了2次明显的顺时针旋转, 在香格里拉至丽江一带由NWW向转为NNW向; 在红河断裂带以南和营盘山断裂带以北地区, 由NWW向转为NNE向和近SN向。总体来说, 滇西和滇西北最大水平主压应力方向转变较大, 显示了这2个区域构造应力场的复杂性。

研究区域内不同区域及断裂带震源机制解空间分布的不同特征, 应力场的非均匀性特征, 反映了云南地区应力场及构造活动差异性。

致谢 在本文完成过程中, 郑建常博士给予了悉心指导; 万永革教授和刘红桂研究员提出了重要建议; 阮祥高级工程师、 江昊琳工程师和毛培同志提供了诸多帮助; 云南和四川省数字地震台网中心提供了相关震相数据; 文中图件利用GMT绘制; 审稿专家对本文给出了宝贵的意见和建议: 在此一并表示衷心的感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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