对断层应力状态进行分析有助于理解断层力学性质及其上发生的地震活动。 文中搜集了青藏高原东南边缘地区的中小地震震源机制结果, 反演了区域地壳水平应力场, 并进一步基于摩尔-库仑准则分析了区域主要断裂带的稳定性。 结果表明: 青藏高原东南缘地区地壳水平应力场主要表现为剪切型应力状态, 龙门山地区表现为压缩型应力状态, 而川西高原地区主要表现为拉张型应力状态; 区域地壳最大主压应力方位近平行于地形高程梯度方向, 最大主张应力的方位近平行于地形高程等值线的切线方向, 反映了青藏高原重力扩展作用对区域水平应力场的控制作用; 基于应力的断裂带稳定性分析结果表明, 青藏高原东南缘地区的14条主要断裂带中, 莲峰-昭通断裂在2014年前后稳定性最低, 应力状态最接近于破裂状态。
为了研究青藏高原东南缘地区现今地壳应力场与强震活动的关系, 本文首先搜集了区域已有的中小地震震源机制结果, 利用这些数据反演区域地壳水平应力场的基本特征。 在此基础上, 基于摩尔-库仑破裂准则, 采用蒙特· 卡罗方法(Monte Carlo method)反演主要断裂带的应力状态, 分析青藏高原东南缘地区主要断裂带的稳定性。
黑点代表岩石的破裂状态时的应力状态, 灰点代表给定方向的断层上的应力状态
计算断层不稳定参数I的具体公式如下:
假设归一化的主应力值为
那么
其中,
上述公式表明, I值是一个介于0~1之间的数值, 它由摩擦系数μ 、形状因子R(R=(σ 1-σ 2)/(σ 1-σ 3))和给定断层面的方向向量(n1, n2, n3)确定, 其值与主应力值的绝对值无关。当I=0时, 给定的断层面处于最稳定的状态; 当I=1时, 给定的断层面与最易破裂面平行, 断层稳定性最差。
首先基于表1中收集的1 086个震源机制解, 研究青藏高原东南缘地区的地壳应力场基本特征。
图 2给出了青藏高原东南缘地区不同类型震源机制的空间分布。 图中显示, 该地区地壳应力场较复杂, 正断、 走滑、 逆冲型地震均广泛分布, 且不同类型的断层存在分区集中的特征。 正断型地震主要发生在川西高原及其周边地区; 逆断层型地震主要发生在青藏高原与华南块体接触的边界带上, 包括龙门山-马边断裂带一线; 而走滑型地震则主要集中分布于滇中和滇南地区。
图 5给出了根据单个震源机制解计算得到的青藏高原东南缘地区的P轴、 T轴方位。 可以看出, 在主要活动断裂带上的主应力轴方位一致性较差, 而块体内部的主应力轴方位存在相对较好的一致性。 在华南块体内部, 主压应力方位主要为SE向。 在青藏高原东南缘地区, 主压应力轴的方位则具有绕喜马拉雅东构造结旋转的特征。 川西高原地区的主压应力轴方位近EW向; 滇南块体地区的主压应力轴方位近SN向; 滇中地区的主压应力轴方位呈现出从近EW向向近SN向旋转的模式。 与主压应力轴方位的空间分布相比, 主张应力轴的方位变化更加离散。 川西高原地区的主张应力轴方位近SN向, 滇南地区的主张应力轴方位近EW向。 滇中地区的主张应力轴则表现为从近SN向向近EW向转变的过渡。
形状因子R的空间分布给出了区域地壳应力场主应力的相对大小分布。 图6b显示, 在四川盆地西边缘的龙门山-马边断裂带一线, R的均值达到0.70, 表明这些区域地壳应力以压应力为主。 而在川西高原地区, R的均值为0.27, 表明这些区域地壳应力以张应力为主。 青藏高原东南缘地区另外一个以张应力为主的区域是滇西地区, 该区域位于红河断裂带的西段, 拉张效应明显。 该地区其它区域的R均在0.5左右波动。
表3给出了利用蒙特· 卡罗方法计算得到的断层不稳定参数I及其不确定性分布。 可以看出, 断层走向和倾向变化对断层不稳定参数I的影响并不相同。 变化范围同样是[-10° , 10° ], 倾向的变化对断层不稳定性参数I的影响相对较大。 另外, 青藏高原东南缘地区川滇块体东边界带的断层稳定性相差较大。 例如, 大凉山断裂带、 马边断裂带、 莲峰断裂带和昭通断裂带的不稳定性参数I≥ 0.50, 而其他大多数的断层不稳定性参数I< 0.4。 特别要注意的是, 根据2014年前震源机制结果计算的应力状态显示昭通断裂是该区域断层稳定性最差的断层, 其不稳定性参数I达到了(0.70± 0.03)。
本文基于收集的中小地震震源机制解结果, 反演了青藏高原东南缘地区水平地壳应力状态, 并且分析了区域主要活动断裂带的断层稳定性, 得到了如下主要结论:
青藏高原东南缘地区震源机制解的空间分布表现出区域水平应力的分区性特征。 整个区域主要表现为剪切型应力状态, 龙门山地区表现为压缩型应力状态, 而川西高原地区主要表现为拉张型应力状态。
青藏高原东南缘地区水平应力的最大主压应力方位近平行于区域地形的梯度方向, 最大主张应力的方位近平行于地形的等值线方向, 反映了青藏高原重力扩展作用对该区域地壳水平应力场的控制作用。
基于地壳应力场的分析结果表明, 2004年前青藏高原东南缘地区莲峰-昭通断裂上的最优应力方位最接近断层破裂方向, 该断裂带的稳定性最低。 随着地震资料的进一步积累, 利用震源机制资料分析断层稳定性的方法值得进一步探讨与应用。
致谢 审稿专家对完善本文提供了宝贵意见; 闻学泽教授提供了部分区域震源机制解资料。 在此一并表示感谢!