东大别地区现代构造应力场空间分布特征研究
摘要：搜集了东大别地区震源机制解资料，利用应力张量平均法、FMSI法计算得出该地区的现代构造应力场空间分布特征并加以分析。结果表明：多数地区最大主压应力轴方位为近EW或NEE向，最小主压应力轴方位为近NS或NNW向，应力轴的倾角较小;应力张量平均法计算结果显示西边界的最大主压应力轴方位为91°，东边界的最大主压应力轴方位为267°;FMSI方法计算结果显示，西边界的最大主压应力轴方位为87°，东边界的最大主压应力轴方位为260°。
关键词：东大别地区;构造应力场;应力平均张量法;FMSI
0引言
构造应力场是地球动力学研究的核心问题之一，中国大陆受印度板块、太平洋板块和菲律宾板块的碰撞、挤压和俯冲，应力来源较为复杂，现代构造应力场具有明显的分区性，表现为不同地区应力作用方向和应力结构的不同[1]。板内块体断裂的相互作用是导致应力性状非均匀分布的主要原因，各应力区边界称为应力转换带[2]，其两侧的应力性状可能存在较为明显的不一致，因此可能在应力转换带内的断层造成应力积累或强闭锁的现象。而地震是构造应力场作用下积累大量应变能达到一定程度后，导致岩石突然破裂或快速错动的一种自然现象，地震激发的地震波往往包含震源应力场的信息，因此利用地震波资料可以反演地震的震源机制解，大量的震源机制解结果可以反映区域的构造应力场特征。利用上述思路开展应力场的研究很多，并取得了许多成果与认识[1-5]。
东大别山位于秦岭—大别造山带东端，是该造山带的重要组成部分，东至郯庐断裂带，西至商城—麻城断裂，南至襄樊—广济断裂，北至寿县—定远断裂[6]，是华北块体和华南块体的接壤部位，构造应力场与构造运动分区显示东大别地区是华北、华南地区现代地壳应力控制区域之间的分界线[7]。东大别地区现代地震的震源深度均比较浅，而由浅源地震的震源机制解资料推断的应力状态可以反映地壳中上部脆性层中的应力状态，如刘泽民等利用该地区219个震源机制解资料[8]，得到该地区最大主压应力轴的方向和倾角分别为267°和5°，最小主压应力轴的方向和倾角分别为358°和4°;倪红玉等利用东大别地区内的“霍山窗”地区62个震源机制资料[9-10]，得到该地区的最大主压应力轴的方向和倾角分别为92°和9°，最小主压应力轴的方向和倾角分别为2°和0°，而该区域内的金寨沙坪沟的水压致裂法地应力测量显示最大水平主应力场方向数学平均值为63°[11]。上述研究有的是将东大别地区作为一个整体来研究其构造应力场，有的是研究东大别地区内部某个小范围或地点的应力场，鲜有东大别地区构造应力场的空间分布特征研究。随着地震台网的不断加密，特别是数字地震观测的发展，加上震源机制反演方法的改进，该地区近年来积累了大量准确的震源机制解资料。本文系统地收集了该地区1970年以来的震源机制解反演计算资料，利用应力张量平均法、FMSI方法计算该地区的现代构造应力场空间分布特征。东大别地区在构造上相对独立，是一处构造复杂、自印支期造山运动以来有多期活动、且全新世以来破坏性地震频繁活动的区域，因此研究东大别地区现代构造应力场空间分布特征，对解释东大别地区强震的发生具有重要的科学意义。
1地震构造背景和地震活动
东大别地区地处安徽、江西、湖北、河南4省交界地区，构造较为复杂，东边界郯庐断裂带是东亚大陆上的一系列NE向巨型断裂系中的一条主干断裂带，南边界襄樊—广济断裂带历来被视作印支—燕山期秦岭—大别山造山带与古扬子板块北部边缘强烈变形带之间的大地构造边界，西边界商城—麻城断裂控制着新洲—麻城晚白垩世红色沉积盆地的形成与演化[12]。除4条边界断裂外，内部还存在肥中断裂、六安断裂、梅山—龙河口断裂、磨子潭—晓天断裂和落儿岭—土地岭断裂(图1)。
历史地震资料记录以来，该地区共记录到M≥5.0地震29次，M≥6.0地震4次，最大为1831年安徽凤台东北M6和1917年安徽霍山M6地震。从空间分布上看(图1，红色实心圆)，29次M≥5.0地震主要分布在东大别的4条边界断裂附近和落儿岭—土地岭断裂附近。1970年以来ML≥3.5的现代地震(图1，蓝色实心圆)在空间上也有类似的特征。
2震源机制解资料和应力场反演方法
震源机制解资料是研究构造应力场的最主要资料来源。研究区地处安徽、湖北、河南和江西4省交界地区，其中1970—2002年的ML≥2.7地震利用垂直向振幅比[13]方法计算震源机制解，详见刘东旺等[14]，共计159条震源机制解资料;2002年以来ML≥2.3地震利用三分向振幅比和极性法[15]及相应的反演程序[16]计算得到，共计207条震源机制解资料;2005年江西九江—瑞昌Ms5.7和Ms4.8地震的震源机制资料采用吕坚等的结果[17]。为了使震源机制解资料更为客观地反映构造应力场，笔者剔除了部分地震序列(含震群)的余震资料，总计得到研究区内368次地震的震源机制解资料。从空间分布上看，震源机制资料主要集中在东大别地区的4条边界断裂附近和东北区域，西南区域的资料较少。
3东大别地区构造应力场空间分布特征
为了反演得到东大别地区构造应力场的空间分布特征，首先将研究区在NS和EW向均按0.3333°的步长划分网格，每个网格点搜索周边50km范围内的震源机制解资料，如震源机制解资料少于10个，则认为该网格点资料较少，反演结果有可能不可靠，现有资料不能准确反演该网格点的应力场，反之则利用应力张量平均法[18]和FMSI法[19]反演该网格点的构造应力场。最后将每个网格点构造应力场的最大主压应力轴和最小主压应力轴投影到地图上，给出研究区的构造应力场空间分布图(图3)，其中：红色箭头所示方向表示最大主压应力轴的方位角，蓝色箭头所示方向表示最小主压应力轴的方位角，箭头的长度表示应力轴倾角的大小，箭头长度越长，倾角越小，反之则越大。对比2种方法反演的应力场结果，绝大多数的网格点应力轴的方位角差异较小，但部分网格点方位角差异较大，倾角的差异相对方位角更大，可能不同方法的反演原理不同导致的结果亦不同。基于相同的资料，虽然2种方法计算结果存在一定的差异，但不同方法计算结果给出的应力场在空间上的变化特征总体上是一致的，这种一致性在一定程度上反映了本研究所得结果的可靠性，即本研究区应力场空间分布真实的变化特征。
研究区的西南部分地区由于震源机制解资料的限制，未能得到构造应力场结果。2种方法计算得到的构造应力场空间分布特征显示，绝大多数网格点最大主压应力轴方位为近EW或NEE向，最小主压应力轴方位为近NS或NNW向，应力轴的倾角较小，显示主要受水平应力的作用。整体空间分布特征与前人的研究结果[3，8]高度吻合。对比研究区每个网格点的应力轴方位，整个研究区似乎没有出现明显的应力场方向变化的分界线，局部地区没有准确得到构造应力场信息的除外。徐纪人等认为东大别地区是华北、华南地区现代地壳应力控制区域之间的分界线[7]，根据笔者所得到的该地区构造应力场空间分布特征，也许可以从大范围将东大别地区作为华北、华南地区现代地壳应力控制区域之间的分界线，或者分界带，单独来看东大别地区内部并不存在应力场较为明显的方向突变分界线。
研究区东边界郯庐断裂带附近的应力场方向变化幅度明显高于东大别地区，主要表现为郯庐断裂带31.33°～32.33°附近地区，最大主压应力轴的方位角明显较东大别地区逆时针偏转，这种现象一直延伸到郯庐断裂以东地区，可能是郯庐断裂带对构造应力场产生一定的控制和扰动[20]导致，郯庐断裂带31°以南地区由于资料限制，是否有类似的现象仍不清楚。此外研究区内其他断裂附近未出现大范围、大幅度的应力轴方向变化的现象，可能与其他断裂的规模相对较小有关。
4东大别地区边界构造应力场特征
为了进一步探讨东大别地区的4条边界断裂的应力场特征，本文采用研究区附近的震源机制资料，利用应力张量平均法和FMSI方法，反演研究区边界的构造应力场方向。研究区最大主压应力轴方位为近EW或NEE向(图3)，东大别的东边界和西边界为NNE向，与最大主压轴的方位夹角较大，构造作用力的方向利于驱动构造或块体运动;北边界的走向与最大主压应力轴的方位基本平行，很难造成应力积累;南边界的震源机制资料相对较少，且分布不均匀，因此本文只研究东大别地区东边界和西边界的应力场方向特征。
选取东大别地区东边界郯庐断裂带和西边界商城—麻城断裂两侧各25km内的震源机制解资料，利用上述2种应力场反演方法，计算得到东大别地区东、西边界的最大主压应力轴的方向(图4)。其中应力张量平均法[18]计算结果显示西边界的最大主压应力轴方位为91°，东边界的最大主压应力轴方位为267°;FMSI方法[19]计算结果显示，西边界的最大主压应力轴方位为87°，东边界的最大主压应力轴方位为260°。2种方法计算结果均显示研究区东西边界均受到近EW向的挤压作用。
5结论与讨论
本文收集、计算了东大别地区368次地震的震源机制解资料，利用应力张量平均法和FMSI方法精确反演研究区的构造应力场空间分布特征，得到主要结论如下：
1)将研究区均按0.3333°的步长划分网格，收集每个网格点50km范围内的震源机制解资料，利用应力张量平均法和FMSI法2种方法反演研究区构造应力场的空间分布特征，结果显示绝大多数网格点最大主压应力轴方位角为近EW或NEE向，最小主压应力轴方位角为近NS或NNW向，应力轴的倾角较小，显示该研究区主要受水平应力的作用，整体特征与前人的研究结果[3，8]高度吻合。研究区的东边界郯庐断裂带附近的应力场方向变化幅度明显高于东大别地区，主要表现为郯庐断裂带31.33°～32.33°附近地区，最大主压应力轴的方位角明显较东大别地区逆时针偏转，一直延伸到郯庐断裂以东地区，这种现象可能是郯庐断裂带对构造应力场产生一定的控制和扰动[20]，这种逆时针偏转有利于郯庐断裂带的右旋走滑，可能会对该断裂带的中强地震产生一定的影响，其影响程度需进一步深入研究。
2)从研究区的构造应力场空间分布来看，似乎没有出现明显的应力场方向变化的分界线，徐纪人等认为东大别地区是华北、华南地区现代地壳应力控制区域之间的分界线[7]，笔者认为也许可以从大范围将东大别地区作为华北、华南地区现代地壳应力控制区域之间的分界线，或者分界带，从局部来看，东大别地区内部并不存在应力场较为明显的方向突变分界线。
3)利用应力张量平均法和FMSI法2种方法反演了研究区东、西边界的应力场特征，其中应力张量平均法计算结果显示西边界的最大主压应力轴方位角为91°，东边界的最大主压应力轴方位角为267°;FMSI方法计算结果显示，西边界的最大主压应力轴方位角为87°，东边界的最大主压应力轴方位角为260°，东西边界主压应力轴方位角差异较小，显示研究区东西边界均受到近EW向的挤压作用。
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