Wang H ,Zhang G M ,Wang S Y ,et al.Stress and strain fields of active tectonic blocks in the China mainland deduced by ismo 2logical methods.Chine J.Geophys.(in Chine ),2004,47(6):1035～1043
应用地震学方法研究中国大陆活动地块应力应变场
王 辉1,2 张国民2 汪素云1 马宏生2
1中国地震局地球物理研究所，北京 1000812中国地震局分析预报中心，北京 100036
摘 要 在中国大陆活动地块假说及活动边界研究的基础上，将中国大陆按照地震活动特征进行分区.利用大地震的震源机制资料和历史强震资料，结合小震综合节面解，研究了各地震区的应力应变状态，给出了各地震区的平均应力主轴方向和平均应变率.应用地震应变能积累释放模型研究了各地震区的地震活动水平.结果表明最大剪切应变率与地震活动水平存在线性关系.将地震资料给出的中国大陆地壳应力应变场与GPS 测量给出的结果进行了比较，初步说明了两种结果存在着统一性，从而显示出活动地块运动变形与强震活动的内在联系.
关键词 活动地块 震源机制 应力应变 GPS
文章编号 0001-5733(2004)06-1035-09 中图分类号 P315P541收稿日期 2003-08-26,2004-04-22
收修定稿
基金项目 国家重点基础研究发展规划项目(G1998040700)资助.
作者简介 王辉，男,1976年生，博士研究生.目前主要从事地壳形变及地震活动性研究.E 2mail :
STRESS AN D STRAIN FIE LDS OF ACTIVE TECT ONIC B LOCK S IN THE
CHINA MAIN LAN D DED UCED B Y SEISMOLOGICAL METH ODS
WAN G Hui 1,2 ZHAN G Guo 2Min 2 WAN G Su 2Yun 1 MA Hong 2Sheng 2
1Instit ute of Geophysics ,China Earthquake A dminist ration ,Beijing 100081,China
2Center f or A nalysis and Prediction ,China Earthquake A dminist ration ,Beijing 100036,China
Abstract The sub 2regions are delineated for the ismicity of Chine mainland bad on the hypothesis of ac 2tive tectonic block and rearches on active boundaries.On this result ,the mean principal stress axes and aver 2age strain rates of each sub 2regions are deduced from focal mecha
nism s olutions and historical major earthquake data ,combined with composite plane s olutions of small earthquakes.The ismicities of each sub 2region are studied using the strain accumulating and releasing model.The results show that ismicities and mean shear strain rates of each sub 2region fit a linear relation.The stress and strain results derived from earthquake data and tho results deduced from GPS survey are compared.The comparability shows the two kinds of results are coherent ,and als o indicates that there are internal relations between the movement and deformation of ac 2tive tectonic blocks and their ismic activity.
K ey w ords Active tectonic block ,Focal mechanism ,Stress and strain ,GPS.
1 引 言
无论地质资料、地震资料还是大地测量资料，都
表明了地壳块体存在稳定的构造运动和区域应力
场[1].地震是因为震源区的应力超过岩石强度而产
生的，因此可以利用地震的震源机制资料研究一定区域的平均构造应力场.许多研究人员利用震源机
第47卷第6期
2004年11月
地球物理学报
CHIN ESE JOURNAL OF GEOPHYSICS
Vol.47,No.6Nov.,2004
制资料对不同区域进行了研究.Chen Wang2ping et al.[2]利用大地震的震源机制资料研究了中亚地区断层的平均滑动率.Holt W E et al.[3,4]利用地震应变率研究了东亚地区的构造运动，王泽民等[5]利用地震矩张量和GPS速度场反演了喜玛拉雅块体的现今运动特征.汪素云、许忠淮等[6～9]利用不同的地震资料研究了中国大陆地壳的应力场特征.
由于中国大陆受到印度板块、太平洋板块和菲律宾海板块的联合作用，构造活动非常强烈，巨大的晚第四纪活动构造将中国大陆分割为不同级别的活动块体，构成一个整体的多层次的块体系统[10].在活动地块研究的基础上，本文利用地震资料进行地震分区，研究各个地震分区的平均应力应变场，并与最近十几年来通过以GPS为代表的空间大地测量技术所给出的结果进行比较.
2 研究方法
地震矩是描述地震震源的物理量，其中包含了许多地震震源信息，可以用来描述因地震而引起的地壳的变化.通过对某一地区过去多年的许多地震的地震矩求和，可以计算一个地区的平均地震滑动率.根据文献[11]，剪切位错矩张量为
M ij=M0(b i n j+b j n i) i,j=1,2,3,(1)其中M ij是震源矩张量分量,M0为标量地震矩，且M0=μA u,μ为震源区岩体的剪切模量,A为位移间断面的平均面积,u为断层错距.b i,n j分别为位错面的滑动方向和法线方向上单位向量的分量.当取xyz坐标系为(北，东，下)时，矩张量的笛卡儿分量为
M x x=-M0(sinδcosλsin2<+sin2δsinλsin2<),
M xy=M yx=M0(sinδcosλcos2<+1
2
sin2δsinλsin2<),
M xz=M z x=-M0(cosδcosλcos<+cos2δsinλsin<), M yy=M0(sinδcosλsin2<-sin2δsinλcos2<),
M yz=M zy=-M0(cosδcosλsin<-cos2δsinλcos<), M zz=M0sin2δsinλ,
其中<；为断层走向,λ为滑动角,δ为倾角. K ostrov[12]给出了变形块体的平均应变与地震矩张量之间的关系，指出岩体因地震过程引起的平均应变张量ε等价于单位体积内的所有地震的矩张量之总和，即
ε
ij
=
1
2μΔV
∑m
k=1
M ij(k),
式中εij是应变张量ε的分量,ΔV是整个地震应变体体积,m为整个地震应变体中发生的地震次数, M ij(k)为第k个地震的矩张量分量.于是，在T时间段内的平均地震应变率为
ε·
ij
=
1
2μTΔV
∑m
k=1
M ij(k),(2)如果整个变形岩体的断层平面的方向是随机分布的，那么旋转应变可以忽略.同时，由上式可给出整个变形体的平均应变率.
3 资料的选择
3.1 地震区的划分
张培震等[10]将中国大陆及其邻区划分为不同级别的活动地块，包括青藏、西域、南华、滇缅、华北和东北亚等6个Ⅰ级活动地块区及其所包含的拉萨、羌塘、巴颜喀拉、柴达木、祁连、川滇、滇西、滇南、塔里木、天山、准噶尔、萨彦、阿尔泰、阿拉善、兴安—东蒙、东北、鄂尔多斯、燕山、华北平原、鲁东—黄海、华南、南海等22个Ⅱ级活动地块，地块的边界是几何构造各异、宽度变化不同的变形带或活动构造带.本文根据活动地块区强震活动时、空、强统一性的原则，考察地质构造活动的动态演化过程及其相互联系，并根据应变能积累和释放在深部构造、变形过程和动力学等方面的不同，依据Ⅰ级活动地块区划分结果，将中国大陆划分为6个地震区，即东北、华北、华南、西域、青藏和滇缅等地震区.它们对应于相应的Ⅰ级活动地块区内的中国陆区部分.在这些地震区中，西域地震区包括西域活动地块区中的新疆地区及阿拉善地区.由于甘青地区是青藏活动地块区的组成部分，因而被归为青藏地震区.Ⅰ级活动地块区与地震区的划分见图1.
3.2 地震资料的分析
中国大陆不同区域的历史地震记载和现代地震台网的监测能力有很大差异，各个地区地震资料的记载也存在差异.利用地震资料进行研究时，必须考察所用地震资料的完整性问题.黄玮琼等[13]综合考察了中国大陆不同地震区(带)历史地震的年平均发生率和震级-频度关系后，给出了中国地震资料完整性分析结果.本文工作主要利用的是中国大陆M s≥6级的强震资料，可以证明M s≥6级强震资料是满足本文研究工作要求的.
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地球物理学报(Chine J.G eophys.)47卷
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图1 中国大陆活动地块区与地震区划分
Fig.1 Delineation of ismic sub 2region and active tectonic block regions in the Chine mainland
根据古登堡-里希特的震级-频度关系式lg N =
a -bM 和地震矩M 0-面波震级M s 的经验公式lg M 0=1.5M s +16.1[14]，可以计算某一震级档地震释放的
标量地震矩总和，并计算地震矩在各震级档上的分配比.其中N 为研究区某一震级档地震发生的次数(频度),a 、b 值为研究区的区域性地震活动参数,M 为地震的震级.根据震级-频度关系和地震矩-面波震级经验公式，某一震级标量地震矩总和为
M 0=N (M )·M 0(M ),
式中,N (M )为震级为M 的地震次数,M 0(M )为震级为M 的地震的标量矩.则某一震级档[M 1,M 2]上
标量地震矩总和为
M 0=
∫M 2
M 1N (M )
·M 0(M )d M
=
∫M 2M 1
10
(1.5-b )M +(a +16.1)
d M ,
王晓青等[15]采用最小二乘法，对中国大陆及邻区的24个地震带的b 值进行计算，给出各地震带的
b 值.本文根据黄玮琼等
[13]
给出的地震资料完整的
起始年代，利用M s ≥5.0地震统计得到了中国大陆各地震区的b 值，结果如表1.
由表1可以得到，中国大陆各地震区的b 值平均为0.8.因此,3.0～5.9级地震的地震矩总和为赵西风扮演者
M 0=
∫5.9
3.0
10
(1.5-0.8)M +(a+16.1)
d M
=10a +16.10.7ln10年糕怎么做好吃
(100.7×5.9-10
0.7×3.0
),6.0～8.6级地震的地震矩总和为
M 0=
∫
8.6
6.0
10
(1.5-0.8)M +(a +16.1)
d M
=10a +16.10.7ln10
(100.7×8.6-100.7×
6.0
).3.0～5.9级地震与6.0～8.6级地震的地震矩
分配比为
α=100.7×5.9-100.7×3.0100.7×8.6-100.7×6.0
=0.013.
上式表明,3.0～5.9级地震的地震矩总和只占6.0～8.6级地震的地震矩总和的1.3%.由上面的分析可以知道，地震的地震矩总和主要是通过大地震起作用的，在计算地震矩总和时，可以只采用震
表1 中国大陆各地震区b 值分布T able 1 b 2value of earthqu ake sub 2region
in the Chine m ainland
地震区起始时间(年)
a 值
b 值
东北1920 6.430.98华北1484 6.010.68华南1500 6.440.80西域1923 6.450.77青藏1950 6.980.81滇缅
1929
5.88
0.71
6期王 辉等：应用地震学方法研究中国大陆活动地块应力应变场1037
级高的地震，即M s ≥6级地震资料进行计算.
张国民等[16]通过对中国大陆地震的震源深度资料的系统研究，认为地震基本上集中分布在中上部地壳，震源深度下界东部在25km 左右，西部在40km 左右，并给出了平均中上地壳厚度在各个构造分区的统计分布.通过GIS 软件，可以得到各个地震区的面积，由此，可以得到各个地震区的应变体体积.式(2)中，岩体剪切模量μ取3.0×104MPa.
4 由地震资料给出的中国大陆地壳的
应力应变状态
4.1 震源机制资料的推断
许忠淮等[7,9]给出了1920年以来中国大陆及
邻近地区地震的387个震源机制解，本文依据地震等震线的长轴方向、余震震中分布或宏观调查资料
等判断出每个地震的断层面.标量地震矩M 0采用地震矩和面波震级的经验公式确定.研究区内,M s ≥6.0级地震的地震矩资料共有129个，其分布如图2.将各个地震区内M s ≥6.0级地震的矩张量求和后，利用式(2)计算得到各个地震区的应变状态，结果如表2.由于东北地震区位于稳定的西伯利亚板块，强震活动较弱，其地震应变状态本文未作研究.
由表2可见，中国陆区的应力应变场总体上呈现出西强东弱的特征.中国西部的西域、青藏和滇缅三大地震区的应变率显著高于东部的华北、华南地震区.这一基本特征与现代构造运动和现今地壳形变观测结果相一致[17～20].其中，青藏地震区和滇缅地震区的应变率最高.自1900年以来,
在青藏地
图2 研究区内大陆强震(M s ≥6)的震源机制解分布(1920～2001年)
Fig.2 Focal mechanisms of strong earthquakes (M s ≥6)in the Chine mainland (1920～2001)
表2 利用震源机制资料推断的各地震区的应变状态
T able 2 Strain status of each sub 2regions that deduced from focal mechanisms
地震区
(地震数)
最大主压应变率
(10-9/a )方位角
(°)倾角
(°)最小主压应变率
(10-9/a )
方位角
(°)倾角
(°)最大剪切应变率
(10-9/a )
华北(15)-6.3581.1 3.9 6.38171.3 2.0 6.37华南(2)-0.03126.012.1 0.0334.6 6.2 0.03西域(25)-8.7121.216.3 8.20
117.119.3 8.66
青藏(73)-40.341.1
7.844.8134.323.342.5滇缅(14)
-11.2
8.2
1.5
骑着蜗牛去旅行11.1
97.9
8.5
11.1
1038 地球物理学报(Chine J.G eophys.)47卷
震区发生8级以上地震5次，包括1920年的海原8.5级地震和1950年的墨脱8.6级地震；滇缅地震区也是地震比较频繁的地区，且该地区的面积较小.以上原因导致了两地区的应变率较高.在西域地震区中，自1900年以来发生8级以上地震2次，它的应变率水平也比较高.在中国大陆东部地区，华北地震区的应变率水平较高，华南地震区的应变率水平最低，地震发生的次数也较少，反映了整个华南地区的地壳是比较稳定的.中国大陆西部地区和东部地区的应变率分布结果说明了中国大陆东西部地壳活动的差异.
从总体上看，本文研究中使用的震源机制解资料的时间段尚短，仅为1920年以来的80年左右的时间段，与中国大陆强震复发期为数百至数千年相比有很大的不足.此外，由于观测条件的制约，即便是1920年之后，所获取的地震的震源机制资料也仅为同期发生的全部6级以上地震中的一部分.根据统计,1920年以后中国陆区129个M s≥6.0级的震源机制资料仅为此间发生的全部6级以上地震的一半左右.因此，表2中的结果尚不能准确和完整地反映各地震区应力应变的全面状态，而只能给出中国陆区及各地块区应力应变场的一些总体特征.但即便如此，表2的结果在一定程度上能够反映中国大陆应力
应变场的一些特征.
4.2 历史地震和小震综合节面解的推断
4.2.1 各地震区的应变状态
考虑到现代地震记录的时间较短，能够给出震源机制解的地震数目有限，由这些震源机制解计算得到的结果可能不够完善，本文进一步补充利用历史地震资料，并结合由大量小震资料给出的综合节面解，计算各地震区的应力应变状态.许忠淮等[8]利用大量小地震的P波初动方向推断了中国大陆的76个区域的平均构造应力方向.对于没有震源机制资料的历史地震和现代地震，本文在假设区域地壳应力场在时间上具有稳定性的基础上，认为其所在区的平均构造应力方向就是各个历史地震所反映的应力方向.通过综合平均节面解，并依据地震宏观等震线长轴方向、该区域内已确定断层面的地震以及该区域内构造的分布，来确定其中的一个节面为历史地震的断层面.根据式(2)，同样得到了各地震区的平均应变状态，结果如表3.表中,P轴为主压应力轴,T轴为主张应力轴.
表3 由历史地震资料，结合小震综合节面解，推断的各地震区平均应变状态
T able3 Mean strain status of sub2region derived from historical earthqu akes,combined with composite fault plane solution of sm all earthqu akes
地震区起始年代
(年)
地震数
今生缘川子
P轴方位角
(°)
倾角
(°)
T轴方位角
(°)
倾角
(°)
最大剪切应变率无花果的花
(10-9/a)
华北14807360.446.7156.1 5.4 5.97华南150027121.4 4.731.30.7 1.02西域19204816.715.8114.124.510.4青藏193016438.18.4131.018.650.7滇缅19304014.4 6.5103.57.817.8
对比表3和表2，可以看到总体上两者基本相近.说明应用地震震源机制资料所给出的地壳应力应变场基本上反映了中国陆区应力应变场的总体特征，从而具有相对的稳定性.但由表3可见，在考虑和增加了历史地震资料后，由于研究期增长和地震事件增多，所给出的结果有明显的改善，如华南地震区地震事件数和应变率与表2相比都有增长，结果也更趋合理.在应力方向上，除了华北地震区的应力方向差别较大外(但在25°以内)，其余各个地震区的构造应力方向差别都在10°以内.这是因为在表2中，华北地震区利用的地震矩资料主要分布在华北地区东部和北部，没有汾渭带的资料，从而导致计算的结果可能有偏差.从两者的比较结果来看，如果地震震源机制资料不够完整，可以利用历史地震和小震综合节面解研究地壳的应力状况，其结果是可靠的.
从表3中还可以看出，华北地震区的平均P轴倾角达46.7°，为张性应力状态，这一结果与华北地区现代构造活动性质及由GPS等观测给出的该地区的张性应变相一致，且与拉张的汾渭带及华北地区的伸展构造相吻合，相应的地震活动既有走滑型地震，又有正断层型地震.其余各地震区的最大主
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