由震源机制解反演中国大陆现代构造应力场_杜兴信

　第21卷　第4期地　震　学　报Vol.21,No.4 1999年7月　(354～360)ACT A SEISM OLOGICA SIN ICA Jul.,1999　

由震源机制解反演中国大陆

现代构造应力场

杜兴信　邵辉成

(中国西安710068陕西省地震局)

摘要　使用1920～1996年的震源机制资料,分区反演了中国现代构造应力场.结果表明,最

大主压应力e1轴在西藏高原和中国西部成近南北向,华北成近东西向.在中国中部,e1轴在

北段成北北东-南南西向,中部成近东西向,南部成北北西-南南东向.最小主压应力e3轴水

平投影除在中国西部与e1轴为斜交外,大多数地方为正交.中等主应力e2相对大小R值在

西藏高原最低,为0.10～0.30,并很快地向东北过渡到0.60～0.90高值区.实测和反演的断

层破裂面多分成共轭的两组.结合主应力方向和R值,把中国构造运动特征分为7类.断裂

类型大多数为具有中等R值的走滑型,主要分布在华北和中国东部以及西藏高原内部;

少数为逆断型,分布在中国西部和西藏高原北缘.正断层分布在西藏高原的南缘,

相应R值也较小.

关键词 震源机制　平均应力场　应力方向　构造运动特征

引言

近一二十年发展起来的区域应力场反演,提供了研究区域平均应力场的重要方法(Ang elier,1979;Ellswo rth,1981;许忠淮,戈树谟,1984).由于它使用的是多个断层面而不是单个断层作反演资料,因而能去除局部介质的不均匀性,突出区域应力场信息,较单个地震更能代表应力分析结果.此外,这种方法还能计算出中等主应力相对大小R值[(e2-e1)/(e3-e1)],在一定程度上给出了应力的量值.这里,e1,e2和e3分别为最大、中等和最小主应力.

最初的区域应力场反演使用的是滑动矢量法(Ellsw o rth,1981),利用的资料仅限于野外的地质断层面和断层面上的擦痕,多数地震资料因不知哪个震源机制解节面是断层面而不能作为原始数据使用.为充分利用地震资料,一些学者通过定义断层面,使得可以利用任意震源机制解确定平均应力场.如Gephar t和Forsyth(1984)定义:当两个节面围绕任一轴旋转,以达到对某一给定应力理论剪应力方向与滑动方向一致时,转角较小的节面为断层面.换言之,由该方法可同时确定平均应力场和理论断层面.

本文首先利用具有已知断层面的地震资料研究中国平均应力场,然后利用震源机制资

中国地震局95-04-04-02-03课题资助.

1998-10-19收到初稿,1999-02-02收到修改稿并决定采用.

料研究中国平均应力场.对于第1种情况,我们直接使用Ellswo rth (1981)的区域应力场反演方法;对于第2种情况,我们先由Gephar t 和Fo rsy th (1984)方法确定理论断层面,然后应用确定的理论断层面,使用Ellsw or th(1981)区域应力场反演方法研究平均应力场.中国被分成若干大小相等的子区域,每个子区域的平均应力场通过上述方法得到,从而获得整个中国的主应力场方向、R 值和断层破裂面方向等分布的特征,以及由这些因素组合反映的中国现代构造应力场特征.

1　区域平均应力场反演方法简述

区域应力场反演是根据下述假设进行的,即在研究区内应力场是均匀的,并且对于每一个断层面来说,滑动矢量是与计算的剪切应力方向同向的.

Ellsw or th(1981)的区域应力场反演方法原理是,假设存在m 个具有不同走向的断层面,作用在其中第i 个断层面上的作用力是

f i =S n i

(1)

作用在断层面上的剪切应力为

τi =f i -f n i n i

(2)

这里,f n i =f i ·n i ,S 是应力张量,n i 是断层面上的法向单位矢量.目的是寻找一个适当的

应力张量S ,使其作用在每个断层面上的剪切应力f i 和断层面上的滑动矢量u i 夹角T i 尽可能地小.换言之,使

Q =

∑m

i =1

cos T

i

(3)

达到极大.由于该问题是非线性的,改用下式线性问题代替之:

Q =

∑

m

i =1

f

2

u

i

-

∑

m

i =1

f 2b i

(4)

这里,f u i 和f b i 分别为u i 方向和u i ×n i 方向的f i 分量.

Gephart 和Fo rsy th (1984)的区域应力场反演方法由两步组成:第1步用格点法搜寻由R 值及3个欧勒角构成的应力张量,该张量满足

R =(e

2-e 1)/(e 3-e 1)=-(B 13 B 23)/(B 12 B 22)(5)另外,为避免出现τi 和u i 夹角接近180°的解,还需要考虑

u i τ

i >0(6)

这里,B ij 是直角坐标下的两个矢量集余弦夹角.其中一个矢量与主应力方向有关,另一个

与断层面参数有关.对于每一个震源机制节面作围绕3个轴的旋转.这3个轴分别与n ,u ×n 和u 的方向平行.每次旋转都使u 和理论上的τ最终达到方向一致.取3个旋转轴中转角最小的为结果.比较两个节面旋转角,其中转角较小且满足式(6)的节面被认为是断层破裂面.对所有地震旋转角求和,以旋转角和最小对应的应力张量为要寻找的区域平均应力场.由于格点计算耗时大,因此步长不能取得太小,因而计算精度较低.为此,只将其作为近似解,且以求出的平均应力场解和断层面结果作为初值,第二步继续用Ang elier (1979)的微分法求精确平均应力场解.

由上可见,Ellswo rth (1981)的平均应力场反演方法,事先需知道震源机制解中哪个节

3554期 杜兴信等:由震源机制解反演中国大陆现代构造应力场