孫業(yè)君 黃耘 江昊琳 詹小艷 葉碧文 丁燁

江蘇省地震局，南京市衛(wèi)崗3號 210014

0 引言

地震的孕育和發(fā)生除與深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)（范小平等，2009a、2009b、2011）外，與區(qū)域作用力的方式、震源區(qū)內(nèi)斷面的幾何學(xué)和力學(xué)性質(zhì)等亦密切相關(guān)（徐錫偉等，2002）。研究小震震源機(jī)制解有助于了解斷層的構(gòu)造特性及震源區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，是理解中強(qiáng)震孕育過程的重要途徑。

20世紀(jì) 80年代以來，一些學(xué)者（Kisslinger et al，1981；Snoke et al，1984；梁尚鴻等，1984）提出了利用P波、S波振幅比資料反演中小地震震源機(jī)制解的方法，進(jìn)一步發(fā)展了震源機(jī)制解的求解技術(shù)。Snoke在2002年國際地震學(xué)和地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會（International Association of Seismology and Physics of the Earth）百年紀(jì)念時推出的利用P波、SV波、SH波的初動和振幅比聯(lián)合計算震源機(jī)制解的程序，由于其廣泛的實用性而受到了諸多學(xué)者的關(guān)注（于海英等，2003；劉杰等，2004；胡新亮等，2004；劉麗芳等，2009；屠泓為等，2012；孫長虹等，2012）。Snoke方法在 P波初動方向數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上加入 SH波、SV波初動方向和 SV/P、SH/P或SV/SH振幅比數(shù)據(jù)后，能使震源機(jī)制解得到更有效的約束，提高了解的可信度（孫長虹等，2012）。該方法也成為目前較為常用的中小地震震源機(jī)制求解方法。

單次地震震源機(jī)制解中的P、T、B軸方向只與該地震的釋放應(yīng)力有關(guān)系，而不能表征實際的構(gòu)造應(yīng)力方向（許忠淮，1985），而多個地震的 P、T、B軸方向卻可反映某區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的平均最大、中等和最小主壓應(yīng)力方向。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種經(jīng)典的利用震源機(jī)制解資料反演應(yīng)力場方法（Angelier，1979；Ellsworth et al，1980；Michael，1984、1987a、1987b；Gephart et al，1984；Gephart，1990；許忠淮，1985；杜興信等，1999；崔效鋒等，2006；鐘繼茂等，2006），這些方法的共同之處是以多個斷層面作為反演資料，因而能剔除局部介質(zhì)的不均勻性，突出區(qū)域應(yīng)力場信息，較單個地震更能代表應(yīng)力分析結(jié)果。

本文利用2001年1月～2014年4月江蘇及鄰近省市數(shù)字地震臺網(wǎng)的地震波形資料，采用P波、S波初動和振幅比聯(lián)合求解的方法（Snoke et al，1984；Snoke，1989）計算了茅山斷裂帶及附近地區(qū)中小地震的震源機(jī)制解，并利用震源機(jī)制解資料，采用自助線性應(yīng)力反演（Linear Stress Inversion with Bootstrapping）方法（Michael，1984、1987a、1987b、1991；Michael et al，1990）反演了研究區(qū)應(yīng)力張量。

1 構(gòu)造背景

圖1 研究區(qū)及外圍歷史地震及斷裂分布

研究區(qū)位于中國東部地區(qū)，主要受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖而形成的方位為70°的擠壓應(yīng)力以及從貝加爾經(jīng)大華北直到琉球海溝的大范圍的方位為170°的引張應(yīng)力場的共同控制，地震發(fā)生類型多為右旋走滑型或右旋走滑正斷層型地震（徐紀(jì)人等，2006a、2006b、2007）。

茅山斷裂帶及附近地區(qū)位于蘇南隆起的北部（圖1），區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育數(shù)條切割深度達(dá)下地殼的大斷裂，且沿斷裂發(fā)育了多個古近紀(jì)盆地。其中茅山斷裂帶是該區(qū)域最為大型的斷裂，對該地區(qū)構(gòu)造活動有控制作用。該斷裂帶北起金壇市石門塘，向SSW經(jīng)金壇致和、陶家洼，溧陽竹簀煤礦、曹山林場、芳山林場、溧水陸家、高淳種桃山、茨山頭，繼而進(jìn)入安徽鄭村和宣城的敬亭山東麓。該斷裂是由一系列相互平行且呈階梯狀錯落的斷層組成，其長度約134km，總體走向NNE，傾向 SE，傾角35°～85°，局部向 NW陡傾。地震地質(zhì)、測量及物探資料均顯示茅山東緣斷裂屬第四紀(jì)晚更新世活動斷裂。斷裂對中、新生代地層和構(gòu)造的形成和發(fā)展具明顯的控制作用，在地貌上構(gòu)成了不同地貌單元的分界線，為丘陵山區(qū)與平原區(qū)的分界斷裂。斷裂帶東西兩側(cè)為句容盆地和直溪橋盆地，且被NW走向的板橋-南渡斷裂所切割（胡連英等，1997）。另外，研究區(qū)還包括NW走向的無錫-蘇州斷裂、NE走向的陳家堡-小海斷裂等。

江蘇陸地有記載以來共發(fā)生MS≥5.0地震19次，其中茅山斷裂帶及附近地區(qū)（圖1中的虛線框內(nèi)）共12次，包括2次6級地震，分別是1624年2月10日揚(yáng)州6.0級、1979年7月9日溧陽6.0級地震，這2次6.0級地震是有記載以來江蘇陸地所發(fā)生的最大地震，可見，茅山斷裂帶及其附近地區(qū)是江蘇陸地中強(qiáng)地震最為活躍的區(qū)域。1970年以來該區(qū)域共記錄到ML≥3.0的中小地震124次，中小地震的發(fā)生與局部構(gòu)造關(guān)系明顯。

2 方法及資料處理

2.1 震源機(jī)制計算方法

本文采用 focmec程序（Snoke et al，1984；Snoke，1989），使用 P波、S波的初動方向以及振幅比聯(lián)合搜索震源機(jī)制解。在震源球極坐標(biāo)系中，雙力偶震源輻射的遠(yuǎn)場地震波位移在觀測點P（γ，θ，φ）處的分量為（笠原慶一，1984）

式中，ρ為巖石密度；vP和vS分別為P波、S波傳播速度；γ為表達(dá)位移的點至震源的距離；t為時間，t=0為力矩開始作用的時間（即斷層開始錯動的時間）；為雙力偶中一個力偶強(qiáng)度隨時間變化的微商；uγ為P波的表達(dá)式；uθ、uφ分別為SV、SH波的表達(dá)式。

根據(jù)P、S波輻射花樣的固有特征：愈靠近節(jié)面，P波的振幅越接近零，初動方向愈難以辨認(rèn)，斷層面和輔助面45°夾角處最大；S波在節(jié)面附近能量最大，振幅最大，在斷層面和輔助面45°夾角處最?。ㄍ楞鼮榈?，2006）。由此可看出，震源球面上分布的初動方向數(shù)據(jù)只能顯示該點應(yīng)處在P波的正象限或負(fù)象限，但不能提供節(jié)面與此觀測點間的角距離的信息。震源球面上某點觀測到的波的振幅大小含有節(jié)面距該點遠(yuǎn)近的信息，因而振幅數(shù)據(jù)比初動方向數(shù)據(jù)對2個節(jié)面的約束作用更顯著；所以，如果在計算震源機(jī)制解時附加SV、SH波的初動資料以及振幅比資料，則更能精確地確定節(jié)面的空間位置。

2.2 資料及處理

江蘇數(shù)字地震臺網(wǎng)經(jīng)歷了“九五”、“十五”期間的改造和建設(shè)，目前共有41個觀測臺站，遍布全省，平均臺距為40～50km，蘇南地區(qū)平均臺距為20～30km，同時共享山東、安徽、浙江及上海數(shù)字地震臺網(wǎng)30個臺站的記錄數(shù)據(jù)。圖2給出了研究區(qū)地震及研究區(qū)外圍臺站分布，研究區(qū)及外圍共有臺站57個，臺站密度較大且分布較為均勻。相對于江蘇中、北部地區(qū)而言，研究區(qū)地震監(jiān)測能力相對較強(qiáng)，一般而言，研究區(qū)內(nèi)發(fā)生ML≥2.0地震均會有15個以上的臺站記錄到。為了增大方位角范圍，除了使用共享的鄰省臺站資料外，還進(jìn)一步收集了安徽、浙江和上海的一些波形資料，良好的臺站分布及波形記錄狀況為準(zhǔn)確地計算震源機(jī)制解奠定了基礎(chǔ)。

圖2 研究區(qū)地震及臺站分布

一些研究者（劉麗芳等，2009；屠泓為等，2006）在使用 Snoke方法時均采用了國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會于1991年推薦的IASPEI91地殼速度結(jié)構(gòu)模型。但倪紅玉等（2011）在對比了分別采用IASPEI91與研究區(qū)域地殼速度結(jié)構(gòu)模型計算所得的震源機(jī)制解結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，地殼速度結(jié)構(gòu)模型對結(jié)果影響較大，使用區(qū)域地殼速度模型可以得到更為準(zhǔn)確的震源機(jī)制解。因此，本文計算過程中使用的分層速度模型為黃耘等（2011）給出的區(qū)域模型。該模型分為 7層，每層的頂界面深度分別為 0、2、5、10、15、20、25km，對應(yīng)的層速度分別為 3.70、5.10、5.44、6.03、6.34、6.52、7.02km/s。

4）對2股滲瀝液進(jìn)行中試試驗，結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水氨氮為1 700 mg/L時，塔釜液最終出水氨氮濃度低于75 mg/L，滿足設(shè)計值；塔頂出料濃度最高為67 875 mg/L，未達(dá)到設(shè)計值。當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度為3 500 mg/L時，最終出水氨氮濃度低于45 mg/L，滿足設(shè)計值，塔頂出料濃度最高為138 830 mg/L，未達(dá)到設(shè)計值。分析原因，主要為原水濃度未滿足要求，2股滲瀝液均為項目現(xiàn)場新鮮滲瀝液，未額外添加氮源調(diào)配至5 500 mg/L的設(shè)計濃度。然而塔釜液濃度隨著原水氨氮濃度的升高反而降低，說明該中試裝置設(shè)計實際運(yùn)行中可達(dá)到設(shè)計值。

震源機(jī)制反演過程中，我們首先計算臺站的方位角、離源角和出射角；其次根據(jù)地震與臺站間的方位角，對水平記錄的2個方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到徑向和切向分量；最后分別在垂直向、徑向和切向上，讀取P波、SV波與SH波振幅，主要讀取初動及初動后1～2s內(nèi)的最大振幅。為了保證計算結(jié)果的穩(wěn)定性及可靠性，盡量選取初動清晰的所有臺站的P、S波初動資料，同時量取近臺直達(dá)P、S波初動的振幅，盡可能從地震波形資料中獲取更多的震源信息，以對震源機(jī)制解加以限制。實際計算過程中，ML2.0地震一般會用到10個P波初動、5個SH初動和振幅、3個SV波的初動和振幅數(shù)據(jù)。

Snoke方法雖然已經(jīng)得到了眾多研究者的認(rèn)可（劉杰等，2004；屠泓為等，2006；孫長虹等，2012），但在實用中也存在一些困難，主要是直達(dá)S波的識別和結(jié)構(gòu)影響的校正。這是因為對于近震而言，確定初至S波振幅常常比較困難，特別是當(dāng)使用垂直向的SV波初動振幅時，測量更困難些。從實際操作來看，P波、SH波受自由表面反射影響較小，SV波受影響較大（特別是在出射角大于全反射角時）。因此，在實際計算過程中設(shè)定矛盾數(shù)時，P波、SH波矛盾符號應(yīng)盡可能小，而SV波的則應(yīng)相對寬泛一些。另外，振幅比受介質(zhì)影響程度比較大，因此從約束機(jī)制解上看，初動比振幅比的矛盾數(shù)要少。

3 震源機(jī)制結(jié)果及分析

通過以上計算方法，共得到研究區(qū) 2001～2014年 149次地震的震源機(jī)制解，其中ML2.0～2.9地震129次，ML3.0～3.9地震17次，ML≥4.0地震3次。震級最大的為 2012年7月20日高郵-寶應(yīng)4.9級地震。不同的地震破裂方式顯示了不同的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)破裂方式的不同，地震可以分為NF型（正斷層型）、TF型（逆沖斷層型）和SS型（走滑斷層型）等3個主要類型以及NS型（正斷層為主兼走滑型）、TS型（逆沖斷層為主兼走滑型）等復(fù)合類型。本文根據(jù)Zoback（1992）研究全球應(yīng)力場的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了震源機(jī)制解的分類，統(tǒng)計結(jié)果顯示（表1），149次地震的震源機(jī)制中，NF或NS型為 30次，TF或 TS型為 18次，SS型為 101次?？梢?，研究區(qū)域內(nèi)主要以走滑型地震為主，正斷層型也占一定比例，逆斷層型相對較少。將分類結(jié)果繪于圖3中，可以看出各類型的分布較為離散，未見集中分布。

基于所得震源機(jī)制解，給出了P、T軸參數(shù)玫瑰圖（圖4）。由圖4可見，震源機(jī)制P軸方位一致性較好，以NEE-SWW為優(yōu)勢方向，T軸的優(yōu)勢方向則主要集中在NNW-SSE向。研究區(qū)呈現(xiàn)出NEE-SWW向主壓、NNW-SSE向主張的應(yīng)力格局。

表1 震源機(jī)制解類型統(tǒng)計表

4 應(yīng)力場特征分析

為了進(jìn)一步分析研究區(qū)應(yīng)力場特征，我們利用149次地震的震源機(jī)制解作為輸入數(shù)據(jù)，采用自助線性應(yīng)力反演（LSIB）方法（Michael，1984、1987a、1987b、1991；Michael et al，1990）反演了應(yīng)力張量。自助線性應(yīng)力反演（LSIB）方法不僅可以確定最佳應(yīng)力張量，而且采用自助（bootstrap）方法通過重復(fù)采樣模擬原始數(shù)據(jù)來估計最佳解的置信度，反演過程是在2000次重復(fù)采樣迭代條件下進(jìn)行，置信度為95%，結(jié)果如圖5（a）所示。結(jié)果顯示，研究區(qū)最大主應(yīng)力S1方位角為254.2°，俯角為 2.6°；最小主應(yīng)力S3方位角為 163.9°，俯角為 9.5°；中間主應(yīng)力S2方位角為347.7°，俯角為80.4°。

圖3 茅山斷裂帶及附近地區(qū)地震震源機(jī)制解空間分布

圖4 震源機(jī)制解應(yīng)力軸參數(shù)玫瑰圖

圖5 茅山斷裂帶及附近地區(qū)應(yīng)力張量

圖6 茅山斷裂帶及附近地區(qū)M L≥3.5地震震源機(jī)制解空間分布

區(qū)域內(nèi)較大地震更為明顯地受控于區(qū)域應(yīng)力場，較大地震震源機(jī)制從一定程度上反映了區(qū)域應(yīng)力場特征。本文進(jìn)一步收集整理了研究區(qū)1970年以來22次ML≥3.5地震震源機(jī)制解（圖6），這22次地震的時間跨度為1972～2013年，最大地震為1979年7月 9日溧陽6.0級地震，其中還包括了1974年4月22日溧陽5.5級地震和2012年7月20日高郵-寶應(yīng)4.9級等地震。統(tǒng)計結(jié)果表明，22次地震的震源機(jī)制解中，SS型18次，TF或TS型2次，NF或NS型2次。利用22次ML≥3.5地震震源機(jī)制解，采用自助線性應(yīng)力反演（LSIB）方法再次反演了研究區(qū)應(yīng)力張量（圖5（b））。結(jié)果顯示，最大主應(yīng)力S1方位角為252.4°，俯角為8.4°；最小主應(yīng)力S3方位角為 160.4°，俯角為 12°；中間主應(yīng)力S2方位角為 16.4°，俯角為75.3°。

表2 應(yīng)力張量結(jié)果

比較2組不同震源機(jī)制解資料的反演結(jié)果可以看出（表2），最大和最小主應(yīng)力方位角分別相差1.8°、3.5°，最大和最小主應(yīng)力俯角分別相差 5.8°、2.5°，中等主應(yīng)力方位角相差28.7°，而俯角相差5.1°?？梢姡?組不同震源機(jī)制解資料得到的應(yīng)力張量結(jié)果十分接近，這也在一定程度上印證了所得應(yīng)力張量結(jié)果的可靠性。

由應(yīng)力方向看，研究區(qū)最大主應(yīng)力呈NEE-SWW向，而最小主應(yīng)力呈SSE-NNW向。從應(yīng)力結(jié)構(gòu)看，研究區(qū)中間主應(yīng)力俯角大，近直立，而最大、最小主應(yīng)力俯角小，近水平。應(yīng)力張量反演結(jié)果表明，茅山斷裂帶及附近地區(qū)處于NEE-SWW向水平壓應(yīng)力和SSE-NNW向水平張應(yīng)力為主的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場中。

張紹治等（1989）分析了1973～1987年蘇、魯、皖地區(qū)43個中小地震的震源機(jī)制解特征后發(fā)現(xiàn)，蘇南地區(qū)最大主應(yīng)力的優(yōu)勢方位為NEE向，最大與最小主應(yīng)力軸的仰角一般小于30°，其中P軸平均值為27.3°，T軸平均值為 20.4°，中間主應(yīng)力軸一般大于 50°。徐鳴潔等（1996）利用1980～1991年江蘇及鄰區(qū)地震的P波初動計算了平均節(jié)面解，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向為NEE-SWW向，主張應(yīng)力為NNW-SSE向；周翠英等（2005）利用1970～2001年華東地區(qū)143次地震的震源機(jī)制解資料統(tǒng)計分析了現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場特征后認(rèn)為，華東地區(qū)現(xiàn)今處在NEE向（80°左右）主壓、NNW向（350°左右）主張應(yīng)力場的控制下，主應(yīng)力作用方式以水平和近水平為主。另外，汪素云等（1985）、許忠淮等（1989）、謝富仁等（2004、2011）、徐紀(jì)人等（2006a、2006b、2007）和 Wan（2010）等利用不同的資料對中國大陸應(yīng)力場進(jìn)行研究，所得結(jié)果不同程度上對本文研究區(qū)有所涉及，給出的應(yīng)力場方向主要以 NE、NEE和近EW向為主。

比較以往及本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，前者使用的資料時間較早（多為數(shù)字化觀測之前的資料），資料數(shù)量較少（位于本文研究區(qū)內(nèi)地震的震源機(jī)制解數(shù)量不超過10個），研究范圍較大，應(yīng)力場特征也主要基于統(tǒng)計得出。而本文重點針對茅山斷裂帶及附近地區(qū)開展研究，在獲得研究區(qū)多次震源機(jī)制解的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地反演了應(yīng)力張量，給出了應(yīng)力軸的具體參數(shù)，這對我們進(jìn)一步了解該區(qū)域作用力的方式，認(rèn)識地震孕育和發(fā)生的過程提供了依據(jù)。

5 結(jié)論

本文利用江蘇及鄰區(qū)數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的地震波形資料，采用P波、S波初動和振幅比聯(lián)合求解的方法計算了茅山斷裂帶及鄰區(qū)2001年1月～2014年4月149次中小地震的震源機(jī)制解，分析了震源機(jī)制特征，并采用自助線性應(yīng)力反演（LSIB）方法反演了研究區(qū)應(yīng)力張量，得到了如下結(jié)論：

（1）茅山斷裂帶及鄰區(qū)149次地震的震源機(jī)制中，NF或NS型30次，TF或TS型18次，SS型為101次。研究區(qū)域內(nèi)主要以走滑型錯動為主，傾滑型錯動比例較小。震源機(jī)制P、T軸方位一致性較好，分別呈NEE-SWW、NNW-SSE向。

（2）用149次地震的震源機(jī)制解反演所得的應(yīng)力張量結(jié)果顯示，研究區(qū)最大主應(yīng)力S1方位角為254.2°，俯角為2.6°；最小主應(yīng)力S3方位角為 163.9°，俯角為9.5°；中間主應(yīng)力S2方位角為347.7°，俯角為80.4°。為了進(jìn)一步印證所得應(yīng)力張量的可靠性，又利用1970年以來ML≥3.5地震的震源機(jī)制解進(jìn)行了反演，結(jié)果與利用149次中小地震的震源機(jī)制解所得結(jié)果十分接近。

（3）應(yīng)力張量結(jié)果顯示，茅山斷裂帶及附近地區(qū)處于以NEE-SWW向水平壓應(yīng)力和SSENNW向水平張應(yīng)力為主的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場中。

致謝：在本文成文過程中得到了劉紅桂研究員，劉澤民、屠泓為副研究員，阮祥、趙小艷助理研究員的指導(dǎo)和幫助；數(shù)字地震波形由江蘇及鄰近省市數(shù)字地震臺網(wǎng)提供，審稿人提出諸多建設(shè)性的修改意見，在此一并表示感謝！