2012年9月7日云南彝良Ms5.7、Ms5.6地震震源破裂特征與發(fā)震構造研究

呂 堅，鄭秀芬，肖 健，謝祖軍，曾新福，黎 斌，董非非

1 江西省地震局，南昌 330039

2 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

3 大地測量與地球動力學國家重點實驗室，中國科學院測量與地球物理研究所，武漢 430077

1 引 言

據(jù)中國地震臺網測定，2012年9月7日11時19分在云南彝良和貴州威寧交界發(fā)生5.7級地震，震后不到1小時，12時16分在云南彝良再次發(fā)生5.6級地震.雖然這兩次地震的震級不高，但災害卻極為嚴重，造成80余人死亡，800余人受傷，近18萬戶房屋倒損，30余萬人緊急轉移安置，直接經濟損失達數(shù)十億元人民幣，創(chuàng)造了同等級別地震中罕見的災害［1］.產生這次特殊震災的主要原因，云南省地震局局長皇甫崗已從災區(qū)人口密度較高、房屋抗震性能偏弱、山區(qū)地形容易引發(fā)次生地質災害和兩次地震災害疊加等方面進行了分析［2］.除此之外，也非常有必要從這兩次地震自身的震源破裂特征角度來深入探討，比如地震的震源深度是否很淺、是否存在共軛運動的發(fā)震斷層等等.從現(xiàn)有的結果來看：對于震源深度，中國地震臺網速報目錄中5.7級地震為14km，5.6級地震為10km；中國地震臺網快報目錄中兩次地震都為10km；全國統(tǒng)一正式目錄中兩次地震都為14km；中國地震局地球物理研究所的有關研究給出5.7級地震的起始破裂深度為16 km、矩心深度為11km；5.6級地震的起始破裂深度為15km，矩心深度為10km［3］.對于震源機制解和發(fā)震構造，中國地震臺網中心的有關研究得到這兩次地震的震源機制為走滑型，發(fā)震構造為昭通—魯?shù)閿嗔眩?］；中國地震局地質研究所徐錫偉等認為這兩次地震的發(fā)震構造為石門斷裂［5］；中國地震局地球物理研究所韓立波等的研究［3］顯示5.7級地震震源機制解中NE向、NNW向兩個節(jié)面均為走滑－逆沖運動性質，逆沖分量的大小略小于走滑分量的大小，5.6級地震震源機制解中NE向節(jié)面比5.7級地震NE向節(jié)面的傾角更緩，走滑分量更大，NNW向節(jié)面比5.7級地震NNW向節(jié)面的傾角更陡，逆沖分量更大；GlobalCMT［6］提供的5.7級地震最佳雙力偶解中NE向節(jié)面滑動角為139°，NNW向節(jié)面滑動角為46°，5.6級地震最佳雙力偶解中NE向節(jié)面滑動角為158°，NNW向節(jié)面滑動角為47°，兩次地震的震源機制性質與中國地震局地球物理研究所提供的結果相似.通過上述比較，顯而易見目前的各類研究結果存在一些差異，需要進一步確定.為了提高對上述重要問題的認識，本文將充分利用全球、全國和區(qū)域臺網的數(shù)字地震記錄，深入研究這兩次地震的震源深度、震源機制解和發(fā)震構造.

2 地震矩心深度與震源機制解

在通常情況下，區(qū)域速度結構的橫向不均勻性隨著震中距增大而增大，區(qū)域地震臺站記錄到的震相復雜性也隨著震中距增大而增強.因此，在利用區(qū)域地震波形反演中強地震的震源機制解時，較多地采用震中距250km范圍內的臺站記錄［7－14］.在本研究中，云南彝良地震的震中位置采用全國統(tǒng)一正式目錄的結果，5.7級地震為27.51°N、103.97°E，5.6級地震為27.56°N、104.03°E.在震中距250km 范圍內，存在28個國家或區(qū)域數(shù)字化測震臺站［15］，其中有6個臺站的數(shù)據(jù)無法使用，剩余22個臺站可以參與研究（圖1）.地震所在區(qū)域的速度結構模型，目前也有較為可靠的研究成果［16］（表1），我們采用該模型（表1）和頻率－波數(shù)法（F－K 方法）［7－9］計算理論地震圖.由于地震的矩心深度反映了地震發(fā)生時能量釋放最大區(qū)域的震源深度，對研究地表破壞的成因比起始破裂深度更具參考意義，因此我們采用CAP方法（Cut and Paste方法的簡寫）［7－9］對云南彝良5.7級、5.6級地震的矩心深度和震源機制解進行聯(lián)合反演研究.CAP方法將寬頻帶地震記錄分成Pnl和面波兩個部分進行反演并允許他們相對浮動，在適當?shù)臅r間變化范圍內，搜索出合成地震圖和觀測地震圖全局差異最小的震源機制解，它的一大優(yōu)勢是反演結果對速度模型和地殼橫向變化的依賴性相對較小，甚至可以應用在速度結構變化差異很大的地區(qū)，國內的一些研究結果［10－14］充分證明了CAP方法在震源機制解與地震矩心深度研究方面的有效性與可靠性.

圖1 地震震中與臺站分布圖Fig.1 Seismic epicenter and stations

表1 地殼速度模型Table 1 Crustal velocity model

本研究采用了CAP方法中P波初動方向和波形擬合聯(lián)合反演的算法.根據(jù)波形記錄質量和P波初動方向的清晰度，篩選出如圖1中的臺站參與計算，這些臺站合理地包圍了震中.在選用震相之前，我們先將原始的速度記錄扣除儀器響應后積分到位移記錄，再將位移記錄從UD－NS－EW分量旋轉為Z－R－T分量，分成Pnl和面波兩個部分，并將Pnl部分經帶寬為0.05～0.25Hz、面波部分經帶寬為0.05～0.15Hz的4階Butterworth帶通濾波器濾波.選擇這樣的分析頻率范圍，既可以濾掉長周期地脈動和由速度積分到位移造成的長周期漂移，也可以有效避免介質細結構所帶來的影響，既可得到恰當?shù)臉肆康卣鹁兀材茌^充分地反映地震波攜帶的震源信息.經過上述處理后，參與波形擬合的每一個臺都有Z分量、R分量的Pnl震相和3個分量的面波震相供分析.

圖2給出了5.7級地震反演方差和震源機制解隨不同深度取值的變化情況，可見震源矩心深度在6km左右時，震源機制解的反演方差達到極小值，相應的震源機制解為節(jié)面Ⅰ走向243°，傾角62°，滑動角149°，節(jié)面Ⅱ走向349°，傾角63°，滑動角32°，波形擬合情況如圖3，可見總體上擬合效果較好，反演方差為3.499×10－1.

圖3 5.7級地震的理論地震圖與觀測地震圖虛線為理論地震圖，實線為觀測地震圖，波形下方上面的數(shù)字為理論地震圖相對觀測地震圖的移動時間，單位為s，下面的數(shù)字為理論地震圖與觀測地震圖的相關系數(shù).Fig.3 Comparison between the synthetic and the observed seismograms The dashed line are synthetic seismograms and the solid line are data.The numbers under the seismograms are the time shifts（upper）and cross－correlation coefficient in percent（lower）.Positive time shifts mean that the synthetics have been delayed or shifted to the right.

圖4給出了5.6級地震反演方差和震源機制解隨不同深度取值的變化情況，可見震源矩心深度在6km左右時，震源機制解的反演方差達到極小值，相應的震源機制解為節(jié)面Ⅰ走向241°，傾角37°，滑動角162°，節(jié)面Ⅱ走向346°，傾角79°，滑動角54°，波形擬合情況如圖5，可見總體上擬合效果較好，反演方差為2.679×10－1.

3 結果的可靠性分析

3.1 震源機制解結果的可靠性

在前述研究中，采用的是細分為7層的復雜地殼速度模型（表1）.考慮到速度結構可能對震源機制解和震源深度反演結果產生影響，我們參考已有研究成果［16］將地殼速度模型進行簡化，新的模型僅將整個地殼分為2層，第一層采用地表淺層的速度結構，第二層采用地殼平均的速度結構（表2）.經過重新計算，得到5.7級地震的震源矩心深度為7km左右，5.6級地震的震源矩心深度為6km左右（圖6），相應的震源機制解結果見表3.通過圖2、圖4、圖6和表3結果的對比，可以看出雖然表1和表2的速度模型不同，但得到的震源機制解和震源深度反演結果在誤差范圍內是一致的，具有較好的穩(wěn)定性.

表2 簡化的地殼速度模型Table 2 Simplified model of crustal velocity

圖5 5.6級地震的理論地震圖與觀測地震圖虛線為理論地震圖，實線為觀測地震圖，波形下方上面的數(shù)字為理論地震圖相對觀測地震圖的移動時間，單位為s，下面的數(shù)字為理論地震圖與觀測地震圖的相關系數(shù).Fig.5 Comparison between the synthetic and the observed seismograms The dashed line are synthetic seismograms and the solid line are data.The numbers under the seismograms are the time shifts（upper）and cross－correlation coefficient in percent（lower）.Positive time shifts mean that the synthetics have been delayed or shifted to the right.

表3列出了本研究、中國地震局地球物理研究所韓立波等［3］和 GlobalCMT［6］提供的震源機制解結果，可見雖然三方研究采用的資料和方法不同，但獲得的震源機制解結果在誤差范圍內也比較一致（表3），而本研究的優(yōu)點在于綜合考慮了P波初動方向和波形擬合情況.為了便于分析，統(tǒng)一采用本研究中基于表1地殼速度模型的結果.

表3 震源機制解的結果對比Table 3 Comparison of focal mechanism results calculated by different study

圖6 反演方差和震源機制解（采用下半球投影）隨不同深度的變化圖Fig.6 Error plots as a function of source depth

3.2 震源深度結果的進一步驗證

對于MW5級以上地震，通常在震中距30°～90°的遠震記錄圖上能觀測到較清晰的深度震相pP、sP.這是因為震源所輻射出的P波能量，一部分以很小的離源角向下傳播然后到達接收臺形成直達P波；有一部分P波能量近垂直向上傳播至地表然后從地表反射回來經過和直達P波相近的路徑最后傳播至接收臺，即為深度震相pP；同樣，向上輻射的S波也會在地球表面反射并轉換為P波，該震相則稱為sP波.利用遠震體波深度震相（P、pP、sP）確定震源深度已被充分證實為一種有效的確定震源深度的方法，因為直達P波與它在地表的反射震相pP、sP的走時差對震源深度變化非常敏感，如果震源深度有2km左右的偏差，就能引起pP、sP與P波走時差明顯的偏離，而震中距則對走時差影響不大［17－19］.

為了進一步驗證震源深度的可靠性，我們從IRIS獲取了云南彝良5.7級、5.6級地震的遠震記錄，對每個地震選擇了3個不同震中距、不同方位角、信噪比高的臺站（圖7），首先將原始記錄去儀器響應后轉化為地動速度，然后選用0.7～1.5Hz的帶通濾波將垂直分量數(shù)據(jù)進行濾波以得到更清晰的P、pP、sP震相，最后采用本研究的震源機制解結果和tel3算法［20－21］計算了不同震源深度的合成地震圖.如圖7所示，虛線的波形是合成地震圖，實線的是實際觀測數(shù)據(jù).由理論圖可見當震源深度較大時，深度震相pP、sP與直達P波明顯分開，當深度逐漸減小，pP、sP向P波靠攏，最后與P波合成一個波，使原來P波的波形發(fā)生改變.當深度為6km左右時，這兩次地震各個遠震臺站計算的合成地震圖可以與實際數(shù)據(jù)相符.因此，綜合區(qū)域地震記錄和遠震記錄的研究結果，我們有充分的理由認為云南彝良5.7級、5.6級地震的震源矩心深度均為6km左右.

4 彝良地震的發(fā)震構造及相關討論

根據(jù)中國地震局發(fā)布的云南彝良5.7、5.6級地震烈度圖［1］，本次地震的極震區(qū)烈度為Ⅷ度，等震線形狀呈橢圓形，長軸走向為NE45°左右.圖8是ML≥2.0級地震序列（來源于全國統(tǒng)一正式目錄，截至2012年9月16日）疊加在地震烈度和區(qū)域活動斷裂［22］上的綜合圖.從圖中可以看出：本次地震序列的震中基本位于Ⅷ度烈度區(qū)內，震中分布的長軸走向為NE50°左右，與地震烈度等震線的長軸方向是比較一致的，從而可推測本次地震序列的發(fā)震構造可能為一條NE走向的活動斷裂，因此位于震區(qū)西側的昭通—魯?shù)閿嗔押臀挥谡饏^(qū)東側的石門斷裂（聞學澤研究員稱之為昭通前緣斷裂）均可作為候選的發(fā)震構造來討論.中國地震臺網中心的有關研究認為發(fā)震構造為昭通—魯?shù)閿嗔眩?］，而中國地震局地質研究所徐錫偉研究員等則認為發(fā)震構造為石門斷裂［5］.本研究結果顯示，5.7級地震的震源機制解為節(jié)面Ⅰ走向243°、傾角62°、滑動角149°，節(jié)面Ⅱ走向349°，傾角63°，滑動角32°；5.6級地震的震源機制解為節(jié)面Ⅰ走向241°、傾角37°、滑動角162°，節(jié)面Ⅱ走向346°，傾角79°，滑動角54°.這兩次地震震中相距不到10km，震源機制解中存在一組相近的NE向節(jié)面，走向平均為242°左右，傾角平均為50°左右，滑動角平均為156°左右，揭示出如果發(fā)震構造為NE走向斷層，則斷層運動以右旋走滑為主，兼有逆沖性質；該斷層傾向NW，上盤為北西盤，下盤為南東盤，斷層面并不陡峭，這樣主震和余震震中應該主要位于地表可見斷裂的西側.昭通—魯?shù)閿嗔央m然是一條走向NE、傾向NW的活動斷裂，但它不是這兩次地震的發(fā)震構造，因為主震和余震震中都在它的東側.根據(jù)聞學澤研究員提供的資料［22］，石門斷裂是一條走向NE、傾向NW的右旋走滑兼逆沖斷裂，它作為發(fā)震構造，滿足地震震中分布、地震烈度分布和震源機制解特征的要求.因此，我們支持徐錫偉研究員等的觀點，這兩次地震的發(fā)震構造為石門斷裂.本研究還得到5.7、5.6級地震的震源矩心深度均為6km左右，表明能量釋放主要發(fā)生在地殼淺部，這也是導致震區(qū)嚴重災害的一個重要原因.

圖7 遠震深度震相的合成地震圖和觀測地震圖比較（下面6個圖，虛線波形為合成圖，實線波形為觀測數(shù)據(jù)），上圖為震中與臺站分布（五角星為震中，三角形為臺站），Stnm為臺站名、Az為方位角、Dist為震中距.Fig.7 Comparison between the synthetic and the observed seismograms（the dashed waveforms are synthetic seismograms and the solid waveforms are observed data）

圖8 活動斷裂、地震序列和地震烈度綜合分布圖（斷裂數(shù)據(jù)來源于聞學澤研究員，震源機制解采用下半球投影）Fig.8 Distribution of active fault、seismic sequence and intensity

根據(jù)石門斷裂的性質，我們以5.7級地震（震中為27.51°N、103.97°E，深度6km）震源機制解的節(jié)面Ⅰ（走向243°、傾角62°、滑動角149°）為該地震的發(fā)震破裂面，以5.6級地震（震中為27.56°N、104.03°E，深度6km）的兩個節(jié)面分別作為接收斷層，計算了5.7級地震后的靜態(tài)庫侖應力變化［23－25］.地殼速度模型采用表1的結果，因為5.7級地震的破裂面以右旋走滑為主同時含有較強的逆沖分量，因此有效摩擦系數(shù)選為0.4［26］，發(fā)震斷層的長度、寬度和滑移量參考文獻［27］依次取值為8.4km、6.3km、0.14m.當5.6級地震的發(fā)震斷層面選擇震源機制解的節(jié)面Ⅰ（走向241°、傾角37°、滑動角162°）時，5.7級地震導致其震中的同震庫侖應力變化為＋0.03MPa，有利于促進該斷層面發(fā)震；當5.6級地震的發(fā)震斷層面選擇震源機制解的節(jié)面Ⅱ（走向346°，傾角79°，滑動角54°）時，5.7級地震導致其震中的同震庫侖應力變化為－0.05MPa，不利于該斷層面發(fā)震［23－26］.上述結果支持這兩次地震的發(fā)震構造為同一斷裂的結論，發(fā)生共軛破裂的可能性很小.

以著名的紅河深大斷裂為界，云南的強震活動可以分為東西部兩個區(qū)域和若干個主要地震帶［28－29］，本次彝良5.7級、5.6級地震發(fā)生在東部區(qū)域的馬邊—大關—昭通地震帶上，該地震帶及附近地區(qū)現(xiàn)代構造應力場的主壓應力優(yōu)勢方位為SEE－SE向，以水平作用為主［29－33］.本次彝良5.7級地震的 P軸方位為116°，仰角為1°，5.6級地震的P軸方位為103°，仰角為25°，反映出SEE向水平擠壓的應力場作用（圖8），與該區(qū)域的現(xiàn)代構造應力場特征是一致的.從地域上看，彝良震區(qū)位于青藏地塊區(qū)和南華地塊區(qū)的邊界帶上［34－36］，震區(qū)西側是中國大陸地震活動強烈的川滇活動地塊（川滇菱形塊體），震區(qū)東側是相對穩(wěn)定的南華地塊區(qū).活動構造和GPS的研究［34－38］顯示，川滇活動地塊具有強烈的向SEE方向滑動的特征，并在邊界帶及附近受到了南華地塊區(qū)的阻擋，本次地震序列的孕育發(fā)生應該是在這種動力作用下，位于塊體邊界帶上的石門斷裂應力不斷積累、突發(fā)失穩(wěn)破裂的結果.

5 結 論

本研究的結果表明：

（1）云南彝良5.7、5.6級地震的震源矩心深度均為6km左右，表明能量釋放主要發(fā)生在地殼淺部，這是導致震區(qū)嚴重災害的主要原因之一.

（2）彝良5.7級地震的破裂面走向243°、傾角62°、滑動角149°，5.6級地震的破裂面走向241°、傾角37°、滑動角162°，兩次地震的發(fā)震構造均為石門斷裂，地震孕育的主要動力來源于川滇活動地塊向SEE方向強烈滑動并受到南華地塊區(qū)阻擋而引起的應力積累作用.

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