引用本文
侯正阳, 王成虎, 王璞, 江英豪, 杨汝华. 基于火山口排列调查法的腾冲地区古地应力场反演[J]. 地震地质, 2019,41(4): 1042-1059.
HOU Zheng-yang, WANG Cheng-hu, WANG Pu, JIANG Ying-hao, YANG Ru-hua. INVERSION RESEARCH OF PALEOSTRESS FIELD IN TENGCHONG AREA BASED ON VENT ALIGNMENT SURVEY METHOD[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(4): 1042-1059.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.04.015
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基于火山口排列调查法的腾冲地区古地应力场反演
侯正阳1,2), 王成虎1,*), 王璞1), 江英豪3), 杨汝华1,2)
1) 中国地震局地壳应力研究所, 地壳动力学实验室, 北京 100085
2) 中国地质大学(北京), 工程技术学院, 北京 100083
3) 龙芯中科技术有限公司, 北京 100095
*通讯作者: 王成虎, 男, 1978年生, 研究员, 主要从事地应力与地质力学方面的研究工作, E-mail: huchengwang@163.com。

〔作者简介〕 侯正阳, 男, 1995年生, 2017年于山东科技大学获资源勘查专业学士学位, 中国地质大学(北京)地质工程专业在读硕士研究生, 主要从事地应力测量方向的研究, 电话: 18810610225, E-mail: 116106611@qq.com。

收稿日期: 2018-09-21
基金项目: 国家自然科学基金(41574088, 41672289)资助
摘要

古地应力数据的获取一直以来是构造地质学和地壳动力学领域中的重点和难点问题, 研究表明火山岩脉的分布和火山口的线性排列可以较好地反映火山喷发时期的主应力方向。 文中以腾冲地区全色高分辨率卫星遥感图像和数字高程模型数据(DEM)为基础, 结合前人对该区域地质构造、 火山活动的研究成果和地质勘查资料, 将火山口排列调查法应用于腾冲地区不同时期的古地应力研究中, 分别对腾冲地区新近纪以来各个火山喷发时期的古地应力场进行了反演。 反演得到的古地应力场数据显示: 早更新世和晚更新世的最大水平主应力方向分别为39°和37°; 根据Paulsen可靠度评估体系评估得出2时期地应力反演结果的可靠度等级均为B级。 利用火山口排列调查法反演所得的地应力方向与通过震源机制解和非弹性应变恢复等方法得到的现今区域地应力场方向基本一致, 与腾冲地区新近纪以来构造历史反映的地应力变化状况相吻合。 研究结果表明, 火山口反演调查法是一种有效的古地应力反演方法, 此方法在腾冲火山地区古地应力反演中的应用对中国其它火山地区古地应力场研究具有重要的借鉴意义。

关键词: 腾冲火山群; 火山口排列调查法; 线性排列; 古地应力反演; 地应力方向
中图分类号:P553 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)04-1042-18
INVERSION RESEARCH OF PALEOSTRESS FIELD IN TENGCHONG AREA BASED ON VENT ALIGNMENT SURVEY METHOD
HOU Zheng-yang1,2), WANG Cheng-hu1), WANG Pu1), JIANG Ying-hao3), YANG Ru-hua1,2)
1) Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
2) School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
3) Loongson Technology Co., Ltd., Beijing 100095, China
Abstract

The acquisition of paleostress data has always been a key and difficult problem in the field of tectonics and crustal dynamics. Previous findings show that the distribution of dykes and the alignment of volcano vents can indicate the direction of major principal stresses during the volcanic eruption period. The extension direction of underground dyke is generally parallel to the linear arrangement direction of vent and both of them give the direction of maximum horizontal principal stress in this period. This law has similar mechanical principle to hydraulic fracturing. Vent alignment survey method is a kind of geostress inversion method based on volcanic linear mode. In this paper theoretical basis of vent alignment survey method and the linear model of volcanic array are introduced. Based on the panchromatic high-resolution remote sensing image and digital elevation model(DEM)data in the Tengchong area, combining the geological exploration data about lithologic distribution of igneous rocks and the past research results of volcanic activities in the area, the research divides the volcanoes in this area, according to the age of volcanic eruption, into Holocene, late Pleistocene, early Pleistocene and Pliocene. Nakamura model was established based on the morphological characteristics and spatial distribution of the crater, and volcanic eruption period to evaluate the linear degree of the volcano in different age, and to carry out inversion of the paleostress field of the four volcanic eruption periods in Tengchong area. The reliability of the inversion results is evaluated according to Paulsen’ s data reliability assessment system. The data from inverting the paleostress of each show that maximum horizontal principal stress directions in the early Pleistocene period and late Pleistocene period are 39° and 37° respectively and reliability grades of inverted paleostress results in the two eras all belong to grade B; Inverted paleostress results in Holocene and Pliocene are not reliable because of the poor linearity of volcanic arrangement. The geostress direction determined by the vent alignment survey method is fairly consistent with the current geostress field obtained by the focal mechanism solution and the anelastic strain recovery(ASR method)and matches the tectonic history of Tengchong area since Neogene. The research findings demonstrate that the vent alignment survey method is an effective paleostress inversion method. The application of this method in the paleostress inversion of the Tengchong volcanic area is of important reference significance for the study of paleostress field in other volcanic areas in China.

Keyword: volcanoes in Tengchong area; vent alignment survey method; linear alignment; paleostress inversion; in-situ stress orientation
0 引言

古地应力场是一种具有确定时间、 确定主应力方向、 半定量的空间应力场(万天丰, 1988), 是区域地质构造研究中的重要内容。 目前比较常见的古地应力重建方法根据其研究尺度可分为2类。 一种是以断裂、 褶皱和小构造等构造的迹线为研究对象, 通过统计其构造走向和夹角来反演地应力的方位。 这类方法通常通过遥感解译、 野外实地勘察和对基础地质资料的分析即可进行古地应力的恢复工作, 是经济实用的古应力研究方法, 已得到广泛的应用(万天丰, 1995; 乐光禹等, 1996; 张寿庭等, 1999; 宁飞等, 2009), 特别是近一、 二十年, 通过断层擦痕矢量对古应力进行反演的研究取得了突破性的进展后, 如今用断层擦痕数据反演构造应力场已经成为目前恢复古构造应力场最为有效且广泛使用的方法(朱光等, 2011)。 但构造迹线常常因其多期构造活动的扰动发生变形而失去应力分析的可靠性, 导致反演结果出现偏差。 另一种方法以岩石矿物样本为研究对象, 利用数值模拟、 显微组构分析、 古地磁及电子背散射衍射等技术手段通过分析样本的物理特性对古应力场进行重建(曾佐勋等, 1992; 刘强等, 2000; 曾联波等, 2008; 闫淑玉等, 2016)。 此类方法在一定程度上避免了多期构造活动对反演结果的影响, 但样品的采集定位过程依然会产生一定的误差, 同时较高的实验研究成本也制约了这类方法的应用。

在火山喷发的初始阶段, 中央通道内低黏度岩浆压力持续增高会导致围岩的拉伸破坏, 产生透镜状的张性裂隙(Opheim et al., 1989), 此过程与水压致裂具有相同的力学机制(Hubbert et al., 1957; Haimson, 1975)。 由于火山喷发活动在空间上常沿地下岩脉注入的裂隙分布, 在台地火山和多成火山的侧面火山口常呈线性分布(MacDonald, 1972; Settle, 1979; Delaney et al., 1982)。 Nakamura(1977)以此为理论基础提出了火山口排列调查法, 认为同期火山岩脉的延伸可以反映该时期地壳水平最大主应力方向(Anderson, 1951; Nakamura, 1977; Zoback, 1992), 此方法为地应力历史信息的获取提供了新的思路与途径。 火山口排列调查法提出之后, Chadwick等(1991)、 Tibaldi(1995)、 Paulsen等(2010)对此方法进行了一系列理论与技术上的完善与修正, 如今火山口排列调查法已作为一种行之有效的地应力估算方法, 成为获取古地应力数据的重要手段(Bosworth et al., 2003)。

腾冲地区位于印度板块与欧亚板块大陆碰撞的前缘, 怒江断裂带的东侧, 是中国著名的火山、 地震活动区, 查明该研究区域地应力状态的演化历史, 对火山和地震活动的研究具有重要意义。 王绍晋等(2000)通过对腾冲火山区强震和中小地震震源机制解的分析, 反演得到该区域的应力场为NNE— NE— NEE向接近水平的压应力场; 王连捷等(2016)利用非弹性应变恢复法(简称ASR法)进行了腾冲科学钻探孔三维地应力测量, 获得了720~1i098m深度范围的地应力状态: 最大和中间主应力近水平, 最小主应力近铅直, 最大水平主应力方向为30° ~45° 。 本文结合较成熟的火山口排列调查法, 以云南腾冲火山群为研究对象, 反演区域构造应力历史, 填补了腾冲地区古应力研究的空白。

1 火山口排列调查法的理论与模型
1.1 放射性岩脉与侧翼喷发机制

根据火山机构的喷发次数, 可将火山分为只经历过一次喷发事件的单成火山和经历过多次反复喷发的多成火山(Rittmann, 1962)。 由于单成火山只经历过一次喷发, 其岩浆通道形成初期呈裂隙形态, 随着岩浆在裂隙中上升, 深度较浅的岩浆通道逐渐熔成圆筒形态(Wyllie, 1967)。 与单成火山相反, 多成火山由大致呈现周期规律的多次喷发形成, 圆管形的垂直通道为岩浆提供了稳定的上升通道。 多成火山喷发之前, 中央通道的岩浆压力持续增加, 当岩浆压力与上覆围岩的静岩应力差达到围岩的破裂强度时, 将在中央通道产生新的垂直径向破裂以释放岩浆超压, 其起裂机制可以用水压致裂机制来解释(Hubbert et al., 1957; Haimson, 1975)。 在相对较低的偏应力条件下, 随着岩浆压力的增加, 寄主岩将沿着垂直于最小主应力面的方向破裂, 裂隙通道中的岩浆逐渐冷却, 形成延伸方向与最大水平主应力方向平行的放射状岩脉(Acocella et al., 2009)。

岩浆沿生长的裂隙通道第1次喷出地表便出现了侧面喷发, 形成一个或几个单成火山, 与之前存在的多成火山共同组成了复合火山系统。 一般来说, 裂隙和侧面喷发均被认为是在多成因火山垂直中央圆筒通道周围的放射状岩脉作用下产生的地面构造。 在多成因火山侧面和平部火山区, 由于喷发在空间上沿着地下岩脉注入的裂缝分布, 多成因火山口(火山锥)呈线性排列, 而火山口的线性排列方向与岩脉延伸方向一致, 间接揭示了区域应力的方向, 即火山口线性排列方向与地壳最大水平主应力平行, 与最小水平主应力方向垂直。

图 1展示了差应力条件下岩脉在平行于最大水平主应力的方向延伸, 同时火山锥也呈椭圆形, 其长轴方向同样与最大水平主应力方向一致。

图 1 在水平差应力下的放射状岩脉和多成因侧面火山口Fig. 1 Radial veins and multi-genetic lateral craters under horizontal differential stress.

1.2 火山口线性排列模型

Nakamura(1977)对阿留申群岛的火山弧进行了研究, 提出了根据火山口线性排列反演最大与最小水平主应力方向的火山口排列调查法, 将火山口的形状、 岩脉的分布方式、 同期次火山的排列和断层活动的分布作为反演需要的调查参数。 Opheim等(1989)证明了拉伸断裂会形成中间宽、 两边窄的 “ 透镜状” 张性裂隙。 火山口受拉伸作用在裂缝方向延伸, 形成典型的线性模式。 Wadge等(1998)引入统计学方法客观地阐释了火山口的线性排列, 利用计算数据择优选择火山口, 但是此方法忽视了火山口的延伸性等关键因素, 因此并没有得到推广。 Heidbach等(2008)依据呈线性排列的火山口的数目及线性平行程度划分等级, 定量评估反演结果的精度。 Paulsen等(2010)对Heidbach等(2008)的模型进行了修正, 相继引入了火山口数量、 线性排列长度、 火山口与最佳拟合线垂距的标准差、 延伸性火山口(火山口长短轴比值> 1.2)数目、 延伸性火山口长轴方向与最佳拟合线偏离角的标准差以及火山平均间距等6个影响线性排列的参数, 成为目前公认的最优的火山口排列的模型。

随着反演模型的不断修正, 利用火山口排列调查法获得的结果已成为世界应力图的重要数据源, 极大地补充了应力数据库中数据的空白(Heidbach, 2008)。

2 利用火山口反演地应力的方法

在火山图的绘制过程中, 遥感是目前获取地形数据最有效的来源, 但通过遥感图像绘制火山图存在诸多不确定的情况, 如人类活动或地质运动对火山口的破坏和侵蚀、 植被覆盖导致火山口识别困难等。 为了解决该问题, 需要对绘制和识别的火山口及其火山形状进行重新分类, 根据其识别的确定程度分为精确、 可能和不可利用3个等级。

Paulsen等(2010)引入了延伸性火山口的概念, 当无法判定直线走向的合理性时, 修正后的线性模型利用单个火山口的延伸性从可能的线性排列中筛选出合理的走向。 因此, 为了提取能够反映火山机构延伸性的各种参数, 需要绘制出所有火山系统的位置和形状, 包括圆形火山锥、 断裂脊部的痕迹和轮廓、 延伸性火山边缘以及火山穹顶的外边缘, 并构造符合火山口形状的最佳拟合椭圆, 以便提取火山机构的延伸方位及延伸程度。 对于无法描述边缘的火山锥(火山丘及火山岩颈), 将其最高位置绘制成点状。 延伸性火山口的质量通过火山口长轴与短轴之比来表示, Paulsen等(2010)将长短轴之比> 1.2的火山口定义为延伸性火山口(图2)。

图 2 火山线性参数示意图(改自Paulsen等, 2010)Fig. 2 Sketch of vent alignments parameter(after Paulsen et al., 2010).

为了选取与火山系统的延伸和排列特点具有较高相关性的合理路径, 首先要通过最佳拟合椭圆识别出那些接近或沿着裂脊走向、 裂缝火山和延伸火山长轴的火山口(图3b), 在此基础上绘制出一定数目的延伸火山长轴的直线。 有着相近地质年代和岩性并具有相似延伸方向的椭圆形火山口更能反映地下岩脉的走向特征。 当存在2个或2个以上可能的地下岩脉走向时, 通过延伸性火山可在模糊线性排列模型中剔除不可靠解。 在不存在延伸性火山的情况下, 主要基于火山的间距和聚合关系绘制线性走向: 选择距其它火山口间距较小的一些火山, 沿其中心位置画1条直线, 由此将这些火山聚合成一个线性排列。

图 3 修正前后的Nakamura模型(改自Paulsen等, 2010)
a 基于火山锥位置的线性模糊排列; b 基于火山口形状作出的线性排列Fig. 3 The Nakamura model before and after correction(after Paulsen et al., 2010).

3 腾冲火山群的地质背景

腾冲火山区位于中国西南边陲云南省保山市腾冲县境内, 东被横断山脉东南段高黎贡山阻隔, 西与缅甸接壤, 其内火山主要分布于和顺、 马站一带, 是中国著名的第四纪火山群分布区。 由于此区域地处滇缅弧形构造带东缘, 印度板块与欧亚板块碰撞、 俯冲的交界地带, 构造活动强烈, 地震、 地热活动相当频繁。

在宏观地壳运动方面, 自新生代以来, 印度板块向N的强烈运动受到稳定的塔里木地块阻挡, 使青藏高原山脉、 冈底斯山脉、 念青唐古拉山脉受到近SN向的挤压, 导致青藏高原东、 西两端做延展运动, 使川滇西部地区派生出近EW向的挤压应力场(王铠元等, 1983; 王东振等, 2017)。 然而研究表明, 在中国西南地区至缅甸中深源地震带, 受大板块位移挤压以及由此造成的地壳物质流动的影响, 康滇菱形断块等板内断块向SSE— SE方向运动, 由此产生的多层次动力作用过程使得该地区成为一个现代构造应力场空间分布非常复杂的地区(阚荣举等, 1977)。 腾冲地区位于该复杂应力板块的西部边界处, 又属于中国西南地区区域构造应力场分区边界之一的腾冲— 龙陵地震带, 主要受到NE向区域应力场作用, 同时还可能受到东侧应力场分区的SSE向压应力场作用, 成为可能受到多组方向构造应力场作用的地区(谢富仁等, 1993; 郭祥云等, 2014; 孙尧等, 2014)。 因此, 腾冲区域形成了以SN向为主的活动架构, 火山活动及地貌形态主要受南北构造控制, 断裂主要有SN向断裂及配套的NW向、 NE向断裂。 火山群则基本上呈SN向分布, 既有黑空山、 打鹰山及马鞍山等一系列晚第四纪全新世火山, 也有早更新世以来发生过喷发活动的大六冲、 余家大山及来凤山等老火山。 研究区北部区域火山喷发以粗安质熔岩溢流为主, 形成的火山多为截顶圆锥状的中心式单成因火山, 时代较新; 而中东部及南部的火山喷发则相对复杂, 从大六冲、 青龙坡头、 长坡及象塘至南部热海一带的广大范围内分布着巨量的英安质火山碎屑岩, 火山碎屑喷发物占据了腾冲盆地一半以上的面积, 达数千km2, 此区域可能存在多期次火山喷发, 喷发时代相对较老, 其岩相主要为火山爆发相。

4 腾冲火山群反演应力场

火山口排列调查法是在遥感图像资料处理分析、 提取火山形状与空间排布信息的基础上, 根据火山年代、 岩性分布和地质构造等地质资料对线性路线加以修正, 从而获取地应力数据的反演方法。 通过搜集与研究火山口排列调查法相关的文献资料, 本文对该反演方法进行归纳总结, 将应力的反演工作分为前期数据收集、 遥感图像分析、 地质资料分析与火山分组、 绘制火山图、 建立线性模型和地应力反演这6个步骤。 通过以上6个步骤即可分析出该地区的地应力方向, 最后与震源机制解的结果进行对比, 以证明所反演的地应力信息的有效性。

在对腾冲火山群进行调查分析的过程中, 数据源主要为: 1)腾冲地区的遥感卫星资料; 2)腾冲地区岩性分布和火山测年数据, 地形地质图等地质资料; 3)震源机制解等补充资料。

4.1 遥感图像分析

在对火山地貌特征、 椎体形态和火山机构参数的提取与解译过程中, 图像的分辨率及清晰度将直接影响地貌的识别和区分。 本文选用美国Digital Globe公司的Quick Bird高分辨率商业卫星拍摄的0.61m空间分辨率全色波段(0.45~0.9μ m)遥感图像和ASTER GDEM(V1)数字高程模型数据, 结合腾冲地区火山调查资料, 首先对火山机构的位置分布和形态特征进行了识别, 并根据其形状完整程度、 可识别性、 受人为和自然扰动的影响以及植被及建筑物遮挡等因素, 将识别出的火山机构分为精确、 可利用和不可利用3个等级, 并在遥感图像中标明了前2个等级的火山机构的空间位置。 如图 4所示, 红色标志为精确火山机构, 黄色为可利用火山机构。 卫星图像上标明的64座有较明显山体的火山机构(14个精确火山机构, 40个可利用火山机构)呈明显的线性模式排列。

图 4 腾冲火山群遥感图像Fig. 4 Remote sensing image of Tengchong volanoes.

4.2 火山分组

为了利用火山口排列调查法反演腾冲火山区域各时期的古地应力, 本文以火山喷发期次划分研究资料为主要依据, 结合新生代以来的火成岩分布、 岩石结构和岩相特征(皇甫岗等, 2000; 张传杰等, 2017), 对研究区域的火山进行合理分组, 并对各组对应时期的古地应力分别进行反演。

关于火山活动分期及各期火山岩时代归属问题, 前人曾进行过大量的研究工作, 但所给出的结论存在差异。 皇甫岗等(2000)总结了前人在此方面的研究成果, 根据火山喷发物类型、 性质、 岩石化学组分变化、 沉积间断和地层之间的披盖关系等, 参考火山岩同位素年龄测定结果, 将腾冲新生代火山活动分为4个活动期、 9个亚期。 本文以此为基础将64座火山机构划分为上新世组、 早更新世组、 晚更新世组和全新世组, 分别对应4个活动期, 并给出了各组火山的分布情况(图5), 以蓝色、 绿色、 黄色和红色标识分别对其进行了标注, 同时整理了每组火山的分布情况、 岩性特征等地质特点(表1)。

图 5 腾冲地区新生代岩性分布及其火山机构分组Fig. 5 Cenozoic lithology distribution and volcanoes grouping in Tengchong area.

表1 腾冲区域火山分组及其地质特征(皇甫岗等, 2000) Table1 The volcanoes grouping in Tengchong area and its geological characteristics(after HUANGFU Gang et al., 2000)
4.3 绘制火山图并建立线性模型

根据Nakamura理论模型, 火山口的线性排列方向指示最大水平主应力方向。 因此, 反演的关键是找到正确的线性走向。 根据修正后的Nakamura模型进行处理, 处理中考虑2个关键因素: 1)火山口的年代数据。 一般情况下, 对年代相近的火山口作分组处理。 2)火山口长轴方向。 一般单个火山口的长轴延伸方向与应力影响下的线性排列方向平行, 因此长轴走向是选择线性走向的一个重要参考因素。

根据上文中的火山分组, 对各组火山排布分别进行线性处理。 由于研究区晚更新世火山的活动性较弱, 但该时期形成的火山机构保存较为完好, 故以晚更新世组火山为例对火山图与线性模型的建立过程进行详细展示。

根据前人对腾冲火山活动期次的总结研究资料(皇甫岗等, 2000), 晚更新世可分为第一、 第二和第三3个亚活动期, 喷发时间为0.3~0.5MaiBP前, 每个亚期又由2~4次喷发活动组成。 距今最近的第三亚期的火山机构保存最为完好, 主要分布于固东— 马站一带, 形成大空山、 小空山、 营空山、 松峰山、 龙虎口、 小箐坡、 铁锅山、 黑龙潭、 大团山和小团山10座火山, 具有明显的线性分布特征, 岩性主要为玄武质浮岩、 火山集块岩; 第二亚期为爆发-喷溢相复合式火山活动, 熔岩主要为橄榄玄武岩和安山玄武岩, 仅分布于马耳山和交椅凹周围, 火山口隐约可见。 第一亚期经历了4次火山喷发活动, 分别形成城子楼、 焦山、 大姊妹湖、 小姊妹湖和金竹坡5座火山, 岩性分布比较复杂, 主要由玄武岩、 安山玄武岩、 玄武安山岩、 橄榄安山岩和凝灰岩组成, 仅城子楼和焦山的火山形态保存较为完好。

首先利用Nakamura线性模型的建立方法, 根据精确和可利用2种等级的火山口在空间上的分布情况和该区域新近纪火山岩岩性分布特征, 对区域内18座火山口进行了初步的定向排列(图6b), 共选出6条排列路径。 本文对初步建立的6条排列路径进行修正筛选工作时, 参考Paulsen模型建立方法, 考虑了火山口延伸指向性与火山喷发期次的关键性因素, 通过Arcgis平台以30m分辨率栅格高程数据为基础建立研究区的高程数字模型, 分析各个火山的形态和火山口边缘轮廓, 并以全色波段(0.45~0.9μ m)高分辨率遥感图像(图6a)为底图绘制了火山锥边缘分布图(图6c)。 为了便于观察, 对每个火山机构的边缘线以火山口中央为中心进行了3倍放大, 并用圆圈表示不具备清晰完整边缘线(金竹坡)或边缘线可能发生较大扰动的火山口(黑龙潭), 可看出其边缘线具有明显的排布规律, 大致向NNW向延伸。 图6d展示了火山口长短轴比> 1.2的6个边缘清晰的火山口的拟合椭圆。

图 6 腾冲地区火山机构线性排列示意图
a 晚更新世组火山分布区域数字高程模型图像; b 晚更新世组火山区域岩性分布和火山口初步线性排列; c 火山锥边缘图; d 火山口椭圆和利用火山机构形状优化后的火山口线性排列Fig. 6 Sketch of arrangement of vent alignments in Tengchong area.

在第三亚期喷发的大空山、 小空山、 营空山、 小箐坡、 铁锅山、 黑龙潭、 大团山和小团山这10座火山中, 大团山、 小团山火山口椭圆均表现出大体一致的方向性, 而图6b中路线1和路线3的方向与大团山、 小团山火山口所指方向明显不一致, 故路径1~3之中只保留路径2; 路径4途经的8座火山中, 马耳山与金竹坡为仅有的第二亚期喷发的2座火山, 其余6座火山均在第三亚期喷发, 火山口指向方向一致, 故将路径4分为2段(图6d中路径2和路径5); 龙虎口在第三亚期喷发, 其西南100m存在一寄生火山, 火山口长轴指向铁锅山, 同时铁锅山、 松峰山火山口也有与其相似的指向性, 且均为第三亚期喷发火山, 因此保留路径6(图6d中路径4); 在第一亚期喷发的5座火山中, 焦山具有明显的指向性, 在与其指向性一致的路径4中, 焦山、 城子楼、 长坡和金竹坡呈线性排列, 故在路径5和路径7中保留路径7(图6d中路径3), 大姊妹湖、 小姊妹湖由于其火山口缺乏明显的指向性, 同时空间上距离过近, 两者之间连接而成的路径缺乏可靠性, 因此不予考虑。 最后得到的5条火山口的线性排列优化路径如图6d所示。

4.4 火山机构线性排列统计

使用同样的方法对上新世组、 早更新世组和全新世组火山进行线性构造, 共得到了20组优化后的火山排列路径(图7), 同时根据Paulsen等(2010)提出的线性火山等级评估体系对线性路径进行了评估。 为便于进行后期的线性走向反演, 本文统计了路径走向的相关参数(走向、 线性长度、 火山口数目、 延伸性火山口数目、 火山口平均间距、 偏离最佳拟合线平均垂距和标准差以及火山口长轴方向偏离最佳拟合线角标准差)和火山口椭圆的相关参数(长轴长度、 短轴长度、 长短轴比例和长轴走向), 如表2和表3所示。

图 7 火山线性路径分布Fig. 7 Distribution of vent alignments.

表2 火山口椭圆参数 Table2 Parameter of craters ellipse
表3 火山线性参数 Table3 Parameter of vent alignments

在Paulsen等(2010)给出的火山应力调查数据评估体系中, 被评为D级别的线性路径并不具备应用的可靠性, 然而全新世和上新世不存在C级和优于C级的线性路径, 因此判定这2个时期不具备应力反演的条件。

在腾冲火山区早更新世地应力反演数据中, 除不可用的5条D级路径外, 其余为1条B级和4条C级路径, 其平均方位为39° , 标准差为12° 。 根据Paulsen等(2010)的火山口线性评估方法, 该区域早更新世应力反演数据的可靠度被评定为B级(至少需要3条线性排列, 其中1条优于B级, 标准差≤ 20° ), 根据2008年世界应力图项目(Heidbach, 2008)的评估方法, 则评价为A级(至少需要5条线性排列, 标准差≤ 12° ); 晚更新世的4条(2条B级, 2条C级)NE向可用路径的平均方位则为37° , 标准差为19° , 按照以上的评估方法均可被评价为B级。

统计腾冲火山区新近纪以来所有C级以上的应力反演路径(3条B等级, 6条C等级), 得到的平均方位为38° , 标准差为15° , 为B级应力数据。 图 8为此9条C级及以上反演路径线性走向的玫瑰图和火山口长轴方位的玫瑰图。

如图8a所示, 线性走向主要为NNE, 走向为30° ~40° 的线性路径数量最多, 其次为50° ~60° ; 图8b中, 火山口长轴走向主要为NNE向, 长轴指向30° ~40° 的火山最多。 此结果与之前得到的该地区的地应力反演的结果一致。

图 8 新近纪火山线性玫瑰图
a 新近纪C级及以上火山线性方位玫瑰图; b 火山口长轴方位玫瑰图Fig. 8 Rose diagram of volcanic path in Neogene.

5 讨论
5.1 应力场分析讨论

腾冲火山群为典型的火山群, 国内很多学者运用震源机制解等测量方法对该地区的现代地应力做了反演研究。 王绍晋等(2000)通过对1975— 1997年分布在24° 15'~24° 50'N, 98° ~99° E范围内M≥ 2.5的近200个地震进行震源机制解分析, 39个中小地震和24个大地震的震源机制解聚类分析结果表明腾冲火山区构造应力场主要为NNE— NE— NEE向。 姜朝松等(2005)在2002年6— 9月腾冲马鞍山— 热海地区的448条地震监测记录中筛选出了16个P波初动清晰可靠的地震事件, 图 9为根据此16个地震事件的震源机制解P轴走向绘制的玫瑰图, 其优势方位为40° ~50° 。

图 9 P轴方向玫瑰图
数据引自文献(姜朝松等, 2005)Fig. 9 Rose diagram of P-axis direction.

王连捷等(2016)用非弹性应变恢复法(简称ASR法)进行了腾冲科学钻探孔地应力测量, 在腾冲县以北约20km处的火山、 地热和地震活动区域采集了深度分别为720m、 970m、 1i020m、 1i070m和1i098m的5个岩心样品(样品长10~20cm), 通过测量得到了各深度的三维应力状态, 其中最大主应力方位角分别为36° 、 32° 、 43° 、 52° 和30° , 平均方位为38° 36', 标准差为8° 。

本文通过火山口排列调查法反演得到腾冲地区早更新世和晚更新世的地应力方向分别为39° 和37° , 与腾冲地区震源机制解以及非弹性应变恢复法的地应力反演结果基本一致。

王绍晋等(2000)和姜朝松等(2005)综合区域地质和古地磁的研究成果, 重建并得到了腾冲地区区域构造的演化过程。 新近纪以来, 印度板块一直以5.0cm/a的速度向W推移, 产生的E向侧压力深刻地影响着腾冲、 缅甸一带的火山活动, 这也说明新近纪以来地应力的方向并没有出现较为明显的变化, 这完全符合上文得到的古应力和现代地应力反演数据的对比结论, 由此证明通过火山口排列调查法可以获得的可靠有效的地应力反演结果。

5.2 方法应用问题与讨论

在火山区域古地应力研究中, 与其它传统应力重建方法相比, 火山口排列调查法不需要进行野外实地调查和极容易造成数据误差的样品采集工作, 同时也避免了实验仪器、 测量设备和经济上的制约, 反演机制简单, 有着成熟的可靠度评估机制, 是一种有效的地应力反演方法。 但是, 一方面此方法很容易受到火山排列线性程度、 火山数量和火山机构完整性的制约, 在火山数量较少(腾冲地区全新世火山)或火山分布线性程度差(腾冲地区上新世火山)的区域, 很难建立高可靠度的线性模型, 且调查火山口的延伸性也需要火山口具有较高的完整性; 另一方面, 通过火山口排列调查法对古地应力进行反演有着很强的时间限制, 只有在火山喷发较为频繁的火山活动时期才能获得相应的古地应力数据。 总而言之, 利用火山口排列调查法反演古地应力需要满足几个条件: 1)反演涉及的时期内发生了较为频繁的火山活动; 2)现今保存有一定数量的该时期内形成的火山机构; 3)反演区域内的火山机构在空间上呈较为明显的线性分布。 此外, 如果要得到可靠度较高的应力反演数据, 还需要一定数量的完整度较高的延伸性火山口。 作者认为, 要想在一定程度上消除以上条件对该方法在古地应力反演研究中的制约, 需要将通过构造迹线重建古应力的理论融入到此方法中, 在线性模型中加入断层、 褶皱等可通过遥感技术和地质资料获取其分布和形态信息的构造因素, 这些数据在一定程度上可对该方法的反演数据进行补充, 同时也降低了获取高质量地应力数据的难度。

利用火山口排列调查法古反演地应力的工作难点依然在于火山口排列路径的选择, 在线性模型建立的过程中, 对火山期次资料和岩性分布、 地貌特征等基础地质资料的分析尤为重要。 另一方面, 利用DEM和激光雷达技术(LiDAR)对火山口的形态特征进行细致分析, 可对破坏程度不高的火山口形态进行一定程度的还原, 对线性模型的建立同样有很大的帮助。 火山口排列调查法在中国古地应力研究中的应用还十分有限, 需要开展更加深入的研究与更为广泛的应用。

6 结论

本文以腾冲地区遥感卫星图像和数字高程模型数据(DEM)为基础, 结合前人对该地区构造、 火山活动的研究成果和地质勘查资料, 利用较为成熟的火山口排列调查法分别对腾冲地区各个火山喷发时期的古地应力进行了反演, 并与震源机制解地应力反演结果进行了对比分析, 得到以下结论:

(1)通过火山口排列调查法反演, 得到腾冲地区早更新世和晚更新世的地应力方向分别为39° 和37° , 根据Paulsen等(2010)提出的地应力反演可靠度评估体系, 两者的可靠性均被评估为B级。 由于缺乏可靠的火山线性排列, 无法通过此方法反演获得上新世与全新世的地应力数据。

(2)本文将反演的古地应力结果与通过传统的地应力测试方法(震源机制解)所得的现代地应力数据进行对比, 发现两者基本一致, 与腾冲地区新近纪以来的构造历史反映出的地应力变化状况相吻合, 表明该方法获得的地应力结果具有可靠性。

(3)火山口排列调查法可以有效反演出火山地区的古地应力数据, 这对古应力场的分析研究具有重要意义。 在缺乏应力资料、 应力实测困难的火山区域, 可将火山口排列调查法作为一种行之有效的地应力反演方法开展相关研究。

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