利用小震震源机制解研究宁夏南部及邻区构造应力场

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　　摘要：利用垂直向Pg和Sg波振幅比方法计算了2003年1月至2009年10月问宁夏南部及邻区的40个巾小地震的震源机制解，然后对计算所得的40个地震的震源机制解进行系统聚类及应力场分析，利用格点尝试法研究灵武吴忠地区（I区）和宁夏南部地区（II区）的平均震源机制解。结果表明：该区域主要受北东东向压应力作用而形成右旋走滑型断层，同时又带有张性分量；I区域构造应力场主压应力方向以水平作用为主，地震产生的震源区构造变形是北东向发生压缩，北西向发生相对扩张；II区域构造应力场主压应力方向以水平作用为主，地震产生的震源区构造变形是北东东向发生压缩，北北西向发生相对扩张。
　　关键词：宁夏南部及邻区；巾小地震；震源机制；构造应力场；系统聚类法
　　中图分类号：P315. 727 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2015）01-0051-07
　　0 引言
　　地壳构造应力场是地球动力学研究的核心问题之一（陈连旺等，1999），对其研究将有助于探讨地震的成因、分析断层的活动方式和活动性质（武敏捷，2006；李瑞莎，2008）。震源机制解是研究构造应力场的基本资料，可以反映震源断层的力学性质和动力学特征，揭示地震破裂的力学机制，给出地震的等效释放应力场。在双力偶点源模式的震源机制解中，P、N和T轴一直被用来作为推断地下应力场状况的主要依据之一。但单个地震的P、N和T轴并不一定代表地震所在区域的构造应力场（McKenzie，1969；Yamakawa，1971），许多学者利用多个地震的震源机制解结果或多个断层面滑动方向来反演地震分布区域的构造应力场（Ellsworth，Xu，1980；许忠淮等，1983； Michael，1987；曹颖等，2013）。
　　随着宁夏及邻区震源机制资料的积累，自20世纪80年代以来，对该地区区域构造应力场的研究逐渐丰富（李玉龙，1979；陈爱玲等，1981；李孟銮，赵知军，1986；赵知军，刘秀景，1990）。但以往研究成果大多基于模拟测震台站记录的资料，相对于数字地震观测资料，前者记录频带窄、动态范围小，震相识别及振幅量取的可靠性均较后者要差。宁夏测震台站数字化改造后，产生了海量的数字化地震观测资料，这部分资料的利用程度还很低，更鲜用于计算宁夏地区中小地震的震源机制解。而对于计算中小地震震源机制解的方法，较多地采用两种方法。一种采用P波初动，该方法对台站布局和台站数量依赖性较强；另一种采用初动符合与垂直向SV/P的振幅比结合（梁尚鸿等，1984），或初动符合与水平向SH/P的振幅比结合（吴大铭等，1989），或者利用P、SV和SH波的初动和振幅比联合的Snoke方法（Snoke et al.，1984； Snoke，1989），抑或利用P波初动极性和S/P振幅比联合的HASH方法（Hardebeck，Shearer，2002，2003）。第二种方法相对于第一种方法大大降低了对台站布局和大量P波初动的依赖程度。本文拟采用初动符号和垂直向SV/P的振幅比联合方法（梁尚鸿等，1984）计算2003～2009年宁夏南部及邻近地区数字测震台站运行期间记录的中小地震的震源机制解。该时间段正好是“九五”数字测震台站运行期间，台站数较少（只有7个），之后增至13个，因此，本文仅分析该时间段内的计算结果。然后通过系统聚类方法（刁桂苓等，1992）分区分析该地区震源机制解的时空特征，并采用格点尝试法（许忠淮等，1983；许向彤等，1995）求取分区多个地震的平均节面解，据此推断该区域的平均构造应力场方向。
　　l 方法与原理
　　梁尚鸿等（1984）提出利用区域地震台网垂直分量的Pg和Sg波位移振幅比资料测定小震震源机制。仪器记录的直达P波和S波垂直分量最大值振幅比（Ql）的对数可以表示为
　　2 资料处理
　　利用垂直向直达波初动和波振幅比计算中小地震震源机制解的过程中，要求所选取的地震至少有4个台的资料可以提供计算，并且至少可以查到一个台站记录有清楚的P波初动方向。由此，本文选取2003年1月至2009年10月宁夏数字地震台网记录到的宁夏南部及邻区40个Mi≥3地震（图1），利用穿过宁夏地区的4条人工地震测深结果（杨明芝等，2007）抽取计算所需的地壳速度模型（表1），然后量取垂直向直达P、S波最大振幅。此处需要说明的是，为避免将Pn震相误识为Pn震相，资料选取震中距小于200 km的记录波形；为避免P11等震相混入Pg震相，只需在Pg和Sg到达的前几个周期内量取最大振幅即可。最后计算各地震震源机制解，震源机制类型及分布见图2（下半球投影）。
　　根据I级活动地块（邓起东等，2002）划分结果和宁夏地区区域地质构造分布情况，将研究范围（35°～39°N，104°～108°E）划分为两个区（图1），分别为灵武一吴忠地区（I区，图l中虚线所围区域）和宁夏南部地区（Ⅱ区，图l中下虚线以南区域，东、西以I级活动地块边界为界，粗实线为I级活动地块边界，细黑线为断层），并分别研究两个分区内P轴、T轴的优势分布方向以及各分区构造应力场的特点。
　　3 结果分析
　　3.1 系统聚类分析
　　采用最长距离法（刁桂苓等，1992），对宁夏南部及邻区的40个地震震源机制解进行聚类分析，聚类后主要划分为3类（图3，表2），有2个地震的震源机制解较难聚类，且样本量较少，此处不予讨论。类型（a）和类型（c）均为走滑型，但主压应力的方向成90。左右夹角，而且后者所包含的震源机制解数目仅为前者的1/3。因此，类型（a）所代表的断层错动类型和应力场的方向占主导地位。从图3a震源机制平均解结果看，走滑型地震主要受北东东向近水平的主压应力和北北西向近水平的主张应力作用。类型（b）显示为正断兼走滑型，平均解给出的主压应力P轴方位和主张应力T轴方位分布为358°和112°，仰角前者大后者小，表明区域断层受近南北向的近垂直压力和近东西向的水平张力作用，但正断型应力结构所包含的震源机制解数目仅占总数的25%，为走滑型应力结构所包含的震源机制解数目的1/3强。综合来看，该区域主要受北东东向压应力作用而形成右旋走滑型断层，同时又带有张性分量。 　　3.2 分区构造应力场分析
　　把所求区域内每个小震震源机制解的P、T轴分别当成是向下和向上的“初动符号”（范俊喜等，2003），利用格点尝试法（许忠淮等，1983）求解各研究区内的平均震源机制解和相应的P、N、T轴参数，具体结果列于表3。
　　3.2.1 灵武一吴忠地区（I区）
　　将灵武一吴忠研究区内有节面解的12个地震不分震级大小，采用统计分析方法，按每10°间隔进行归一化频数计算，分别绘制震源机制P、T、N轴方位和仰角以及节面走向、倾角和滑动角玫瑰图（图4）。该研究区内节面优势方向分布近南北向。由滑动角分布看，该区域发生地震以正断错动类型为主。节面倾角分布表明发震断层倾角主要分布在40°～60°之间。由图4可知，主压应力P轴总体优势方向为NNE50°～60°，P轴仰角主要分布在50°～60°之间；主张应力T轴总体优势方向为SSE30°～40°和NNW60°～70°，T轴仰角较小，主要分布在0°～30°之间；中间主应力N轴有两个明显的优势分布方向，分别为近北东向和近北西向，N轴仰角主要分布在30°～40°之间。由此说明，该区域地震产生的震源区构造变形是近北东向发生压缩，近北西向发生相对扩张。
　　笔者利用格点尝试法求解灵武一吴忠地区12个地震的平均震源机制解（图5），P轴方位为NE向，T轴方位为SE向，N轴近垂直。由此推断，该区域构造应力场主应力方向以水平作用为主，地震产生的震源区构造变形是北东向发生压缩，北西向发生相对扩张。
　　3.2.2 宁夏南部地区（II区）
　　以同样的方法对宁夏南部地区有节面解的28个地震，分别绘制震源机制P、T、N轴方位和仰角以及节面走向、倾角和滑动角玫瑰图（图6）。该研究区内节面有3个较明显的优势分布方向，分别为近南北向、近东西向和近北东向。由滑动角分布看，该区域发生地震以正断错动类型为主，也有逆断错动。节面倾角分布表明发震断层多为近垂直向。由图6可以看出，主压应力P轴总体优势方向为近东西向SSW30°～40°，P轴仰角主要分布在20°～40°之间；主张应力T轴总体优势方向为近北东向，T轴仰角主要分布在30°～40°之间；中间主应力N轴有两个明显的优势方向，N轴仰角主要分布在30°～60°之间。由此说明，该区域地震产生的震源区构造变形是近北东向发生压缩，近北西向发生相对扩张。
　　利用格点尝试法求解宁夏南部地区28个地震的平均震源机制解（图7），P轴方位为NEE向，T轴方位为NNW向，N轴近垂直。由此推断，该区域构造应力场主应力方向以水平作用为主，地震产生的震源区构造变形是北东东向发生压缩，北北西向发生相对扩张。
　　4 结论与讨论
　　本文首先利用垂直向Pg和Sg波振幅比方法计算了2003年1月至2009年10月间宁夏南部及邻区的40个中小地震震源机制解，然后对计算所得的40个地震震源机制解进行系统聚类及应力场分析，并利用格点尝试法分区研究不同区域的平均震源机制解。本文给出的结果与前人对该区域的研究结果（陈爱玲等，1981；李孟銮，赵知军，1986；赵知军，刘秀景，1990）基本一致。本文具体结论如下：（1）系统聚类显示该区域走滑型应力结构所包含的震源机制解数目占总数的75%，为正断型应力结构所包含的震源机制解数目的3倍。综合来看，该区域主要受北东东向压应力作用而形成右旋走滑型断层，同时又带有张性分量。（2）灵武一吴忠地区（I区域）构造应力场主压应力方向以水平作用为主，地震产生的震源区构造变形是北东向发生压缩，北西向发生相对扩张。（3）宁夏南部地区（II区域）构造应力场主压应力方向以水平作用为主，地震产生的震源区构造变形是北东东向发生压缩，北北西向发生相对扩张。
　　河北省地震局冯向东高级工程师提供了计算软件，格点尝试使用了许忠淮教授编写的程序，两位评审专家提出了建设性的修改意见，在此一并致谢。
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