王 曉,周振貴,葉 青,黃經(jīng)國,王亞璐,余 丹,王 軍

(1.中國地震臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100045;2.安徽省安慶地震臺(tái),安徽 安慶 246001;3.中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036)

0 引言

2011年3月10日12時(shí)58分,云南省盈江縣(24.7°N,97.9°E)發(fā)生MS5.8地震,震源深度10 km。此次地震距離盈江縣中心僅3 km,其破壞性強(qiáng),直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)27億元,主城區(qū)烈度達(dá)Ⅷ度[1]。

中等規(guī)模的盈江地震可產(chǎn)生如此強(qiáng)大的破壞力,這一點(diǎn)引起了眾多研究者的關(guān)注,并針對盈江地震開展了一系列工作。趙小艷等[2]采用CAP方法反演了2011年盈江MS5.8地震序列主震及MS≥4.0前震、余震的震源機(jī)制解,認(rèn)為主震的發(fā)震斷層為NE向大盈江斷裂,主要受印度板塊向歐亞板塊北東向擠壓和緬甸弧對保山—騰沖地塊北東向俯沖的雙重作用;對盈江MS5.8地震的前震及余震的雙差定位結(jié)果顯示[3],90%以上的地震分布在深度10 km以內(nèi),致使盈江地震主震區(qū)烈度達(dá)Ⅷ度[1];余震在時(shí)空分布上自西南沿大盈江斷裂帶北東段向北東方向移動(dòng),且震源深度有向地表遷移的趨勢,也是導(dǎo)致本次地震破壞嚴(yán)重的原因之一[4];高分辨率層析成像結(jié)果[5]顯示盈江地震可能是與火山有關(guān)的流體驅(qū)動(dòng)地震,且重定位結(jié)果[6]也顯示盈江主震發(fā)震斷層是由ENE走向的大盈江斷裂和SSE走向的隱伏斷層組成的共軛破裂系統(tǒng);徐彥等[7]對盈江地震發(fā)震斷層的研究結(jié)果也表明,盈江MS5.8地震發(fā)生在一條南西向傾斜的雙層斷層面上,斷層傾斜度為71°,也可作為解釋該地震破壞性如此之強(qiáng)的原因。然而,前人針對盈江MS5.8地震孕震機(jī)理的分析研究多集中于主震和余震序列的重定位和震源機(jī)制解分析,對前震等其他方面的研究較少。

眾所周知,前震序列分析在主震成核過程研究中具有重要意義。微震對于闡明斷層結(jié)構(gòu)以及地震序列的演變很重要,是理解大地震形成和成核過程的關(guān)鍵要素[8-9]。前震序列是主震成核過程的表現(xiàn),可以由連續(xù)事件(級(jí)聯(lián)模型)或背景無震滑動(dòng)(預(yù)滑動(dòng)模型)之間的靜態(tài)應(yīng)力傳遞驅(qū)動(dòng)。多種物理機(jī)制可以促進(jìn)沿?cái)鄬酉到y(tǒng)向破裂成核的發(fā)展。由先前地震破裂引起的靜應(yīng)力變化可以永久改變附近地區(qū)的庫侖應(yīng)力,并促進(jìn)在正應(yīng)力變化位置發(fā)生地震。另一方面,動(dòng)態(tài)應(yīng)力會(huì)在體波和/或表面波通過時(shí)引起暫時(shí)的應(yīng)力擾動(dòng)[10]。此外,其他物理過程(例如無震滑動(dòng)或流體擴(kuò)散)也可以逐漸改變斷層的應(yīng)力場和/或摩擦特性以觸發(fā)地震活動(dòng)[11]。

然而據(jù)統(tǒng)計(jì),具有前震現(xiàn)象的中強(qiáng)地震為少數(shù),不同學(xué)者在全球不同區(qū)域的研究結(jié)果顯示,伴有前震的中強(qiáng)地震大約有10%～40%[12-15]。而云南地區(qū)自1965年以來不同構(gòu)造區(qū)M≥5.0地震中共有61個(gè)地震存在前震,占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的27%。其中,盈江MS5.8地震發(fā)生在近NE向的大盈江斷裂西側(cè)(圖1),前震[16]密集且多為小地震。而且此次地震所處的滇西地區(qū)斷裂發(fā)育,主要有怒江斷裂、騰沖斷裂、龍陵—瑞麗斷裂及大盈江斷裂,地震活動(dòng)頻度高、震源淺、破壞強(qiáng)、前震分布比例高。因此盈江MS5.8地震作為研究對象,利用前震序列同時(shí)結(jié)合余震、b值變化趨勢、震源機(jī)制解等聯(lián)合分析主震成核過程。

我們采用微震匹配定位技術(shù)M&L(Match and Locate,M&L)[17-18]對2011年3月10日盈江MS5.8地震開展前震檢測以有效拓展地震目錄,原因是通常情形下低的信噪比和/或重疊的波形會(huì)導(dǎo)致常規(guī)地震目錄遺漏大部分小事件,而微震匹配定位技術(shù)因其在相關(guān)波形疊加前考慮了微震與模板之間的位置差,可以更加有效地檢測微震,獲取更高精度的地震位置信息。

(F1-1～F1-3:大盈江斷裂第一至第三分支;F2:騰沖斷裂;F3:怒江斷裂;F4:龍陵—瑞麗斷裂)圖1 研究區(qū)主要構(gòu)造分布Fig.1 Distribution of main structures in the study area

1 方法實(shí)施

1.1 基本原理

M&L方法引入了雙差(double-difference)走時(shí)的思想,大大降低了計(jì)算結(jié)果對參考模型的依賴性。其基本原理主要就是首先將搜索區(qū)域網(wǎng)格劃分,計(jì)算每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)(可能的發(fā)震位置)與模板事件位置之間的參考震相(一般選取擁有最大振幅的震相,如S震相)在同一個(gè)地震臺(tái)站上的走時(shí)差[式(1)];然后根據(jù)上述走時(shí)差對所有臺(tái)站分量記錄的模板事件參考震相(S震相)與相應(yīng)臺(tái)站分量的連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)互相關(guān),最后計(jì)算互相關(guān)波形疊加后的平均相關(guān)系數(shù)(CC)和信噪比(SNR),通過這兩個(gè)參數(shù)來確定地震位置和震級(jí)。

(1)

1.2 實(shí)際數(shù)據(jù)處理流程

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理:包括去毛刺、去均值、去線性趨勢和波形尖滅等,對數(shù)據(jù)中短時(shí)間的空缺進(jìn)行補(bǔ)零,同時(shí)按照該天零時(shí)刻為參考并置零。

(2) 利用Hypo2000定位方法[19]對地震序列進(jìn)行絕對定位后挑選模板事件,要求地震事件在所選取的參與定位的每個(gè)臺(tái)站上都能記錄到有效信號(hào),震級(jí)不宜過大或過小。選取2011年1月1日—3月10日地震發(fā)生前的92個(gè)MS≥2.0的地震作為模板事件,盡量選取震相大于等于6個(gè)的地震事件,原因是盈江地震處在云南省邊界,現(xiàn)有臺(tái)站主要集中在地震的東北方向[圖3(a)中黑色三角],缺乏其他方向的臺(tái)站約束。

(3) 截取CZS、MAS、MIZ、MZT、RHT 5個(gè)臺(tái)站[圖3(a)中黑色三角]2011年1月1日至3月10日三分量地震儀連續(xù)波形作為待檢測波形。

(4) 對所有地震波形進(jìn)行2～8 Hz頻段濾波,模板波形選取Sg震相前1 s和后3 s,基于PREM模型[20]利用TauP工具包[21]計(jì)算Sg震相參數(shù)(走時(shí))。將搜索區(qū)域按照0.01°×0.01°×1 km的尺度進(jìn)行網(wǎng)格劃分,以模板地震所在位置為中心,在緯度、經(jīng)度和深度3個(gè)方向上進(jìn)行搜索。搜索過程中根據(jù)計(jì)算的走時(shí)差δt進(jìn)行滑動(dòng)互相關(guān)。

(5) 事件判斷:根據(jù)前人[10-11]的研究結(jié)果,將平均相關(guān)系數(shù)(CC)設(shè)定為0.3即可。0.3<平均相關(guān)系數(shù)(CC)<0.35時(shí),需要結(jié)合左右信噪比的閾值進(jìn)行判定,平均相關(guān)系數(shù)(CC)>0.35時(shí),即可判定為一次地震事件。將擁有最大相關(guān)系數(shù)的格點(diǎn)所在位置確定為地震位置,震級(jí)則根據(jù)所有臺(tái)站分量中參考震相的振幅比中位數(shù)來確定[19]。

1.3 微震檢測結(jié)果

利用M&L方法進(jìn)行微震檢測,所有模板事件均能自檢得到,平均相關(guān)系數(shù)為1.0,說明了方法的可靠性。圖2給出了臺(tái)網(wǎng)目錄遺漏的2011年2月1日15:26:22.46發(fā)生的MS2.0地震,檢測到的事件與模板地震平均相關(guān)系數(shù)為0.796 8,從模板地震波形(紅色線)與待檢測地震的連續(xù)波形(灰色線)可以看出,各個(gè)臺(tái)站地震波形在此時(shí)相關(guān)程度較好。最終共檢測到前震1 659個(gè),比地震目錄記錄到的數(shù)目多出221個(gè)[17-18]。

圖2 待檢測地震的連續(xù)波形(灰色線)與模板地震波形(紅色線)對比圖Fig.2 Comparison between continuous waveforms (gray lines) of detected earthquakes and waveforms (red lines) of template events

2 結(jié)果分析與問題討論

2.1 前震、余震特點(diǎn)

從M&L微震檢測結(jié)果分布圖[圖3(a)]中可以看出,前震發(fā)震位置分布相對集中,整體形態(tài)為橢圓形,主要在大盈江斷裂第一分支(F1-1)的西側(cè),而且前震在地震視圖中有向東延伸的趨勢。主震并沒有發(fā)生在前震中心區(qū)域,而是發(fā)生在前震分布區(qū)域的西南邊緣,靠近斷層F1-1的西南端,推測可能是由于斷裂邊緣構(gòu)造質(zhì)地脆弱,地應(yīng)力容易集中造成的。

圖3 盈江MS5.8地震前震余震分布圖 (黃色五角星:盈江MS5.8地震;AB:所抽取剖面)Fig.3 Distribution of foreshocks and aftershocks of the Yingjiang MS5.8 earthquake

依據(jù)盈江MS5.8主震前三次MS≥4.0前震序列(1月2日MS4.8地震序列、1月14日MS4.3地震序列及2月1日MS4.8地震序列)將1月1日至3月10日盈江前震分為五個(gè)階段:1月1—2日、1月3—14日、1月15—31日、2月1—3日、2月4日—3月10日。從地震震級(jí)-時(shí)間關(guān)系圖(圖4)可見,前震的發(fā)震時(shí)刻為非連續(xù)的,每組前震發(fā)生前,2～3級(jí)地震都出現(xiàn)一段平靜期,3級(jí)以上地震也同樣出現(xiàn)平靜期,且平靜期更長。仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn),2月1日前震發(fā)生前,3級(jí)以上地震平靜期比較明顯,且平靜期時(shí)間較長,而2月1日之后,3級(jí)以上地震明顯增多。余震分布[圖3(b)紅色圓圈]也分為兩支,一支沿著大盈江斷裂呈北東向分布,與前震延伸方向一致;另一支近乎垂直于大盈江斷裂分布,與主震前的地震活動(dòng)大不相同。結(jié)合Lei 等[5-6]、徐彥[7]的研究結(jié)果,我們推斷盈江地震序列是由不同的發(fā)震斷層破裂引起的。值得注意的是,余震主要集中在大盈江斷裂西側(cè),原因可能為西南側(cè)缺乏臺(tái)站約束,臺(tái)站分布不均、定位誤差較大造成的[4]。

圖4 盈江MS5.8地震序列ML≥2地震M-t圖(黑色:2～3級(jí)地震,紅色:3級(jí)以上地震)Fig.4 M-t diagram of ML≥2 earthquakes from the Yingjiang MS5.8 earthquake sequence

2.2 地震活動(dòng)性參數(shù)b值分布特點(diǎn)

為進(jìn)一步分析盈江地震發(fā)震斷層,計(jì)算了研究區(qū)地震活動(dòng)參數(shù)b值分布,以期發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生孕育過程中應(yīng)力的變化情況。方法原理主要基于G-R關(guān)系[22]:lgN=a-bM。其中,N代表某一時(shí)間段內(nèi)大于震級(jí)M的地震數(shù)量;a代表地震活動(dòng)率;b代表大小地震的比例。

將研究區(qū)域網(wǎng)格化,網(wǎng)格間距為0.01°×0.01°,以每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為圓心、半徑為r(這里選取r=5 km)為一個(gè)統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行掃描,在兼顧臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力的條件下,保證每個(gè)統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)的地震樣本數(shù)盡量不少于30,保障計(jì)算結(jié)果的可靠性。然后確定出每個(gè)統(tǒng)計(jì)單元完整記錄的震級(jí)下限MC,最后利用最大似然法計(jì)算出震級(jí)-累積頻度關(guān)系lgN=a-bM中的b值。

經(jīng)過上述運(yùn)算后,獲取盈江地震前后研究區(qū)的地震活動(dòng)參數(shù)b值分布(圖5),可見靠近主震區(qū)b值較低,而前震集中地區(qū)b值較高,b值與應(yīng)力降水平高低有關(guān)[23-25]。一般情況下,高應(yīng)力降地區(qū)具有較低的b值,而低應(yīng)力降地區(qū)具有較高的b值。計(jì)算剖面AB[A(98.07°E,24.80°N)、B(97.84°E,24.66°N)]在主震發(fā)生前、后b值變化(圖6),可知主震發(fā)生前b值比較高,主震發(fā)生后b值下降明顯,即前震的應(yīng)力降低于余震的應(yīng)力降。與部分學(xué)者[16,26-28]關(guān)于前震序列的b值明顯偏低于余震序列的研究結(jié)論相反。

圖5 研究區(qū)b值分布Fig.5 Distribution of b value in the study area

圖6 盈江地震前后b值變化曲線Fig.6 Change curves of b value before and after the Yingjiang earthquake

影響b值的因素眾多[29-31],統(tǒng)計(jì)空間、統(tǒng)計(jì)時(shí)段、計(jì)算方法、樣本下限震級(jí)大小等均會(huì)對b值的計(jì)算產(chǎn)生影響;而且b值作為地震前兆異常的變化也是多種多樣的,震前b值降低或升高、無異?；蛴挟惓６加锌赡馨l(fā)生地震,甚至出現(xiàn)異常而未發(fā)生地震[32-33]。

劉耀偉等[34]認(rèn)為低b值區(qū)地殼介質(zhì)狀態(tài)的變化與流體活動(dòng)的加速有著密切的關(guān)系。眾多研究結(jié)果[35-37]也已經(jīng)證實(shí),地震多發(fā)于低速高導(dǎo)異常區(qū)的邊界部位,而流體活動(dòng)與低速高導(dǎo)區(qū)的形成密不可分,換言之,強(qiáng)震的孕育發(fā)生過程中流體活動(dòng)具有特殊意義。Lei等[5]根據(jù)盈江地震震源區(qū)下方地殼和上地幔的高分辨率層析模型推斷,盈江地震的發(fā)生可能與騰沖火山下濕熱物質(zhì)上涌流中的流體密切相關(guān)。因此,我們推斷盈江主震前、后出現(xiàn)的b值異常情況可能與流體充填有關(guān)。

3 結(jié)論

(1) 本文選取92個(gè)MS≥2.0模板地震,采用M&L微震匹配定位方法檢測出地震221個(gè),微震數(shù)目明顯增多,有效豐富了2011年盈江MS5.8地震的地震目錄,為其前震序列和主震成核過程研究提供了優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2) 盈江MS5.8地震前震分布集中,且有向東延伸的趨勢,余震沿ENE和SSE兩個(gè)方向展布。結(jié)合前人的研究成果,我們認(rèn)為盈江地震發(fā)震斷層為共軛斷層系統(tǒng),包括震區(qū)附近的北東向大盈江左旋走滑型斷裂以及SSE走向的隱伏斷層;并推測該次地震的主要?jiǎng)恿W(xué)成因系活躍的印度板塊向東俯沖致使斷層錯(cuò)動(dòng)從而發(fā)生地震。主震前后b值變化暗示騰沖火山區(qū)下方廣泛存在的流體在該次地震孕育發(fā)生過程中起到重要的誘發(fā)和促進(jìn)作用。

致謝:本文所用M&L微震匹配定位程序源自中國科技大學(xué)張淼博士,地震目錄及數(shù)據(jù)源自中國地震臺(tái)網(wǎng)中心(CENC),在這里一并表示感謝。