2014年云南魯?shù)镸W6.1地震：一次共軛破裂地震

張勇，陳運泰，，許力生，魏星，金明培，張森

1 北京大學地球與空間科學學院，北京 100871

2 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

3 中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

4 云南省地震局，昆明 650041

1 引言

2014年8月3日發(fā)生在云南魯?shù)榈腗W6.1（MS6.5）地震是一次中等強度的地震事件，但余震分布卻相當復雜.根據(jù)最新的余震精定位結果，魯?shù)榈卣鸬挠嗾鸱植荚贜NW—SSE（以下簡稱近南北向）和ENE—WSW（以下簡稱近東西向）兩個方向上都有一定尺度的延伸（王未來等，2014；張廣偉等，2014），表明此次地震的發(fā)震構造和破裂過程可能具有一定的復雜性.這一現(xiàn)象引起了地震學界的廣泛關注（徐錫偉等，2014；張勇等，2014；劉成利等，2014；張振國等，2014；王未來等，2014；張廣偉等，2014）.如何判別這次地震的發(fā)震斷層，成為了相關研究工作的一大熱點.目前，烈度分布和破裂過程反演等研究都更傾向于近南北向的小河—包谷垴斷裂是此次地震的發(fā)震構造（徐錫偉等，2014；張勇等，2014；劉成利等，2014）.而視震源時間函數(shù)分析表明，魯?shù)榈卣鹂赡苁枪曹棓鄬酉群笃屏训慕Y果（許力生等，2014）.另外，張廣偉等（2014）根據(jù)余震分布和震源機制解結果也提出可能存在共軛破裂的情況.為更定量地研究兩條斷層的破裂屬性，有必要在破裂過程反演中，進一步考慮共軛斷層破裂的可能性.

實際上，主震破裂和余震呈現(xiàn)出復雜分布的地震并不鮮見.比如2011年盈江地震（Lei et al.，2012）和2012年蘇門答臘北部海域MW8.6地震.后者的破裂過程中，由于多達三條共軛斷層先后發(fā)生了破裂（Meng et al.，2012；H.Zhang et al.，2012；Yue et al.，2012），余震分布呈現(xiàn)出比較散亂的特征.然而，主震破裂與余震分布之間也不總是嚴格地相互對應.發(fā)生破裂的區(qū)域一般伴隨著余震分布，但有余震分布的區(qū)域不一定有破裂發(fā)生.一個典型的例子是2010年青海玉樹地震.該地震是一次以單側破裂為主的地震事件，破裂主要朝東南方向傳播（Zhang et al.，2010），但在主要破裂區(qū)域的另一端，即震中西北約40km處，也存在著比較集中的余震分布（Wang et al.，2013）.對于2014年魯?shù)榈卣穑嗾鹪诮鼥|西向和近南北向都呈現(xiàn)出明顯的條帶狀分布，是兩條斷層都發(fā)生了破裂，還是只有一條斷層發(fā)生破裂，是震源研究需要關注和解決的問題.

本文搜集了距震中250km范圍內強震與近震寬頻帶的全波形數(shù)據(jù)，以及遠震寬頻帶體波數(shù)據(jù)，分別基于單一斷層和兩條交叉的共軛斷層模型，對魯?shù)榈卣鸬钠屏堰^程進行了反演.通過比較與分析反演結果與反演得到的波形殘差，確定魯?shù)榈卣鹗窃诒蔽飨蛑鲏簯Ψ较蚺c北東向主張應力方向的統(tǒng)一應力場下發(fā)生的兩條共軛的斷層先后破裂的一次復雜地震事件.最后，我們根據(jù)得到的震源破裂模型，探討了共軛斷層破裂與形成復雜余震分布的原因.

2 數(shù)據(jù)

本文選用了13個強震臺站（圖1青色三角形）和較近距離上11個未限幅的寬頻帶臺站（圖1黃色三角形）的三分量全波形記錄，作為參與反演的近震數(shù)據(jù).在分別對強震數(shù)據(jù)的加速度記錄積分兩次與對寬頻帶數(shù)據(jù)的速度記錄積分一次后，得到相應的位移記錄.采用張勇等（2014）使用的遠震數(shù)據(jù)，經(jīng)過進一步篩選，去掉了信噪比較低的2個P波臺站和1個SH波臺站，得到了26條垂直向P波波形和31條SH波波形（圖2），作為參與反演的遠震數(shù)據(jù).與近震數(shù)據(jù)一樣，將遠震數(shù)據(jù)積分得到位移記錄.為去掉近震數(shù)據(jù)存在的低頻基線漂移，并且考慮到寬頻帶儀器的有效頻段響應范圍，我們對近震和遠震數(shù)據(jù)都進行了0.02～0.5Hz的帶通濾波，保證在去除近震數(shù)據(jù)基線漂移的同時，得到的數(shù)據(jù)信息位于寬頻帶儀器有效頻段響應范圍內.

本文采用 Wang（1999）的方法計算格林函數(shù).魯?shù)榈卣鹫鹬兴诘拇ǖ岬貐^(qū)是地震多發(fā)區(qū)域，其地下速度結構得到了廣泛的關注和比較系統(tǒng)的研究（熊紹柏等，1993；王椿鏞等，2002；Wang et al.，2003）.在反演中，我們選用王未來等（2014）給出的區(qū)域速度結構，作為近震數(shù)據(jù)反演的介質模型；遠震數(shù)據(jù)反演采用了AK135全球速度結構模型（Kennett et al.，1995）.與觀測記錄一樣，對格林函數(shù)位移波形記錄也進行了相同的帶通濾波處理.

3 反演

3.1 反演方法與參數(shù)

根據(jù)王未來等（2014）對魯?shù)榈卣鹦蛄械亩ㄎ唤Y果，以及張廣偉等（2014）反演區(qū)域地震波資料得到的震源機制解，我們給定了兩條共軛斷層的位置、走向、傾角等參數(shù).其中，近南北向斷層為：走向162°／傾角70°／滑動角－14°，近東西向斷層為：走向257°／傾角77°／滑動角－159°；主壓應力軸（P軸）方位角121°／俯角24°；主張應力軸（T軸）方位角28°／俯角5°；中間主應力軸（B軸）方位角288°／俯角66°.主壓應力軸方向與魯?shù)橹苓厖^(qū)域的水平運動方向一致，但斷層面走向與昭通斷裂的走向有所差別（聞學澤等，2013），表明魯?shù)榈卣鸬倪@一特殊的震源機制可能是在區(qū)域應力背景下，因昭通斷裂的走向在魯?shù)楦浇l(fā)生局部改變而形成的.另一方面，由這兩個斷層面參數(shù)確定的斷層位置與余震分布（王未來等，2014；張廣偉等，2014）相當一致，表明震源機制結果是可靠的.與作者之前的工作一樣（張勇等，2014），兩個斷層面的尺度都給定得足夠大，即長42km、寬20km，并將其劃分為21×10＝210個2km×2km大小的子斷層.初始破裂點均位于沿走向方向第11個、沿傾向方向向下第6個子斷層處，在兩個斷層面上的深度分別約為10km和11km.這與中國地震臺網(wǎng)中心得到的結果（12km）相仿，但略淺于精定位得到的15km和13km（王未來等，2014；張廣偉等，2014）.

本文采用Y.Zhang等（2012）的線性反演方法進行反演.在這一方法中，無需預先假定子斷層震源時間函數(shù)的形式.相反地，子斷層震源時間函數(shù)是作為待定參數(shù)由波形反演自動給出.因此，可根據(jù)反演結果探討斷層兩盤相對錯動過程的時間復雜性.同時，作為約束條件，這一方法需要給定破裂速度和破裂持續(xù)時間上限.鑒于此次地震規(guī)模較小，震源尺度不大，我們給定破裂速度上限為3km·s－1，即不考慮超剪切破裂的情況，并限定最大破裂持續(xù)時間不超過10s.在這兩個參數(shù)相對寬松的約束下，斷層面上距震源（初始破裂點）dkm處破裂速度大于d／（d／3＋10）km·s－1小于3km·s－1的滑動信息都可以被順利提取.同時，這一相對比較寬松的破裂速度范圍可在一定程度上減弱震源位置（包括震源深度）的不確定性對破裂分布求解的干擾.

在破裂過程反演中，本文考慮了三種可能的斷層破裂模式：①破裂只發(fā)生在近南北向斷層上；②破裂只發(fā)生在近東西向斷層上；③破裂可同時在兩條共軛斷層上自由傳播.根據(jù)這三種斷層破裂模式進行反演，得到不同的破裂模型，結合反演得到的波形擬合情況，可以推測真實的發(fā)震構造和破裂過程是否具備多斷層特征.

圖2 震中與遠震資料臺站位置（a）震中與P波臺站位置分布；（b）震中與SH波臺站位置分布.Fig.2 The epicenter and teleseismic stations（a）Epicenter and seismic stations of P waves.（b）Epicenter and seismic stations of SH waves.

3.2 近震數(shù)據(jù)反演

首先采用近震數(shù)據(jù)，分別針對以上三種情形進行反演.反演結果如圖3所示.首先，從反演得到的滑動分布和震源時間函數(shù)看，共軛斷層破裂模型反演結果都更接近于近南北向斷層結果.表明在完全自由的條件下，破裂更傾向于發(fā)生在近南北向斷層上，意味著近南北向斷層應當是此次地震的主要發(fā)震斷層.其次，采用近南北向和近東西向斷層進行反演得到的波形殘差分別為0.60和0.64，表明如果只考慮單一斷層破裂的情形，則近南北向斷層更有可能是真實的發(fā)震斷層，這也與現(xiàn)有的研究結果相符（徐錫偉等，2014；許力生等，2014；張勇等，2014；劉成利等，2014）.相比之下，共軛斷層模型波形殘差為0.57，意味著除近南北向斷層外，近東西向斷層的破裂對波形擬合也存在一定貢獻.在共軛斷層模型反演結果中，近南北向斷層釋放了62%的地震矩，其對波形擬合的貢獻約60%；近東西向斷層釋放了38%的地震矩，其對波形擬合的貢獻約為40%.可見，盡管近東西向斷層上發(fā)生的破裂規(guī)模不占優(yōu)勢，但單位地震矩對資料擬合的貢獻程度還略大于近南北向斷層，表明它在地震破裂過程中可能也發(fā)生了破裂.

需要說明的是，以上結果（圖3）與作者之前采用遠震資料反演得到的結果（張勇等，2014）在主要特征上一致：近南北向斷層反演結果中，破裂主要朝震中以南傳播，而近東西向斷層面的反演結果則顯示，震中以東的滑動分布更占優(yōu)勢.不同的是，在遠震資料反演結果中，由于地震資料的信噪比較差等因素，只能根據(jù)得到的滑動分布與余震分布的一致性來推斷真實發(fā)震斷層；但在本文開展的近震資料反演中，由于數(shù)據(jù)相對更高的空間分辨能力，我們可以通過資料殘差來確定發(fā)震斷層.

3.3 聯(lián)合反演

圖3 近震數(shù)據(jù)反演得到的滑動量分布與震源時間函數(shù)從左至右分別為：近南北向斷層反演結果，近東西向斷層反演結果，以及兩條共軛斷層反演結果.每個反演結果中，從上到下依次為斷層面滑動量分布在地表的投影，震源時間函數(shù)（插圖），以及斷層面上的靜態(tài)滑動量分布.地圖中的紅線表示斷層（聞學澤等，2013）.Fig.3 Inversion results of local seismic wavesFrom left to right are the inversion results of NNW－SSE fault，ENE－WSW fault，and two conjugated fault.From top to bottom for each panel of inversion results are the surface projection of fault slip distribution，source time function （STF，see subset），and fault slip distribution.Red lines on the upper maps denote the faults（Wen et al.，2013）.

在近震數(shù)據(jù)反演基礎上，我們增加了遠震地震數(shù)據(jù)，分別對單一斷層和共軛斷層模型進行了聯(lián)合反演.由于近震與遠震數(shù)據(jù)的聯(lián)合使用提高了對斷層的離源角覆蓋范圍，理論上可以增強反演在深度方向上的空間分辨能力（Zhang et al.，2014）.另外，一些強震數(shù)據(jù)位于土層上，波形記錄受臺站下方局部效應的影響，其幅度有可能被放大.在格林函數(shù)計算中，這種非常局部的臺站效應很難予以考慮.因此，近震數(shù)據(jù)和遠震數(shù)據(jù)的聯(lián)合，還可更好地約束矩震級.在聯(lián)合反演中，兩種數(shù)據(jù)被賦予了相同的權重.反演結果如圖4所示.在主要破裂特征上，聯(lián)合反演結果與近震數(shù)據(jù)單獨反演結果基本相似.只是在矩震級和最大滑動量上，聯(lián)合反演結果稍小于近震數(shù)據(jù)反演結果.上文的近震資料反演與分析表明，近東西向斷層也可能發(fā)生了破裂，因此我們傾向于基于共軛斷層模型的聯(lián)合反演結果，為本文的最終破裂模型.根據(jù)該模型，地震的矩震級約為MW6.1.近南北向斷層上最大滑動量約為0.5m，發(fā)生在震中以南約8km處；近東西向斷層上最大滑動量約為0.3m，位于震中附近.如果只考慮滑動量大于0.2m的區(qū)域（橙色—紅色區(qū)域），則近南北向斷層上的破裂尺度約為12km，近東西向斷層僅約為3 km，前者遠大于后者.

圖5顯示了采用共軛斷層模型進行聯(lián)合反演得到的滑動速率時空分布圖像.由圖可見，近東西向斷層上的破裂開始較早，表現(xiàn)為從深部到淺部的擴展過程，其破裂在6s左右結束.近南北向斷層上的破裂開始稍晚一些，但規(guī)模更大，主要破裂存在從深部向淺部和南南東方向傳播的過程.綜合兩條斷層上的破裂特征，在破裂開始后0～2s，滑動主要發(fā)生在近東西向斷層上；2s之后，近南北向斷層開始破裂.由此推測，在破裂過程的早期，近南北向斷層的破裂可能是受近東西向斷層上的破裂觸發(fā)所致.從破裂開始后2s直至破裂結束，兩條斷層上的滑動速率變化分布比較獨立，沒有表現(xiàn)出明顯的相干性.其中在破裂開始后4～7s，破裂抵達淺地表處，并在兩條斷層上形成了各自的最大滑動區(qū)域.破裂開始8s之后，主要滑動區(qū)域已經(jīng)形成，雖然從震源時間函數(shù)看，地震矩率的大小還比較可觀，但斷層面上已經(jīng)沒有比較集中的滑動分布，意味著破裂已經(jīng)進入愈合階段.

圖6比較了以上破裂模型的觀測與合成波形.總體上，近震和遠震記錄的主要波形特征都得到了較好地解釋.其中，一些臺站處的近震記錄受臺站效應的影響，表現(xiàn)出一定的高頻振蕩特征.由于不是有效的震源破裂信號，且局部場地效應很難在地球模型中予以考慮，這部分波形的擬合相對較差.在遠震波形擬合方面，聯(lián)合反演與遠震記錄單獨反演（張勇等，2014）基本相當.這意味著在需要兼顧近震資料擬合的情況下，遠震記錄的資料解釋并未明顯變差，表明我們從近震和遠震記錄中有效提取了二者所共有的震源破裂信息.

圖4 近震和遠震數(shù)據(jù)聯(lián)合反演結果（其他說明參見圖3）Fig.4 Same as Fig.3，but for joint inversion of local and teleseismic data

圖5 基于共軛斷層模型的聯(lián)合反演結果（a）斷層面上滑動量累積分布在地面投影的時空變化；（b）斷層面上滑動速率的時空分布.Fig.5 Results of joint inversion based on the two conjugated faults（a）Spatial and temporal variations of surface projection of cumulative fault slips；（b）Spatial and temporal distribution of slip－rate on the faults.

4 討論與結論

本文考慮了單一斷層破裂和共軛斷層同時破裂的幾種可能的情形，分別采用近震資料，以及近震與遠震資料對2014年魯?shù)榈卣鸬钠屏堰^程進行了反演.近震資料單獨反演表明，魯?shù)榈卣鸬膬蓷l共軛斷層——近南北向斷層和近東西向斷層——都發(fā)生了破裂，但主要地震矩釋放過程發(fā)生在近南北向的斷層上，且破裂主要朝南南東方向擴展.近、遠震數(shù)據(jù)反演顯示，破裂最初可能發(fā)生在近東西向斷層上，并在破裂開始后2～3s觸發(fā)了與其共軛的近南北向斷層的破裂.此后，兩條斷層上的破裂相對獨立地擴展.近東西向斷層的破裂主要向淺地表處延伸，而近南北向斷層上的破裂則朝地表和南南東方向傳播，最終形成了復雜的滑動分布.本文得到的這一破裂特征與區(qū)域距離上獨立得到的視震源時間函數(shù)分析結果可以很好地相互印證（許力生等，2014）.

需要注意的是，在共軛斷層模型的近震資料反演和聯(lián)合反演中，破裂在近南北向斷層上的傳播距離與余震分布比較吻合；但在近東西向斷層上的西段，破裂延伸范圍明顯小于余震分布的尺度，不能解釋該方向上余震密集分布的現(xiàn)象.根據(jù)本文反演結果，我們認為近南北向斷層上位于震中以南的破裂可能是形成這一異常余震活動的主要原因.由于該段破裂以左旋走滑為主，且是整個地震中占主導的破裂，導致在破裂區(qū)域以東形成向北的推擠作用（圖7），增大了近東西向斷層東段上下盤間的法向壓力與摩擦阻力，造成其進一步閉鎖，因而該方向沒有密集余震發(fā)生；而在近南北向斷層以西，情況正好相反，主震破裂形成了向南的拉伸作用，導致近東西向斷層西段在一定程度上解鎖.由于地震前該斷層上閉鎖程度（如斷層面粗糙度）的非均勻性，以及積累的應變能的有限性，這種解鎖作用沒有導致大規(guī)模破裂的發(fā)生，而是形成了密集的小規(guī)模破裂事件（余震）.這是近東西向斷層西段沒有破裂發(fā)生但卻存在密集的余震分布的主要原因.

圖6 基于共軛斷層模型的聯(lián)合反演得到的觀測地震波形（黑線）與合成地震波形（紅線）的比較（a）近震數(shù)據(jù)擬合；（b）遠震數(shù)據(jù)擬合.Fig.6 Comparisons between observed（black lines）and synthetic（red lines）waves of joint inversion based on the conjugate－fault model（a）Local seismic data；（b）Teleseismic data.

另外，精定位結果也顯示，余震分布盡管呈 “倒L”型，但在不同方向上的發(fā)生時間存在差別（王未來等，2014；張廣偉等，2014）.早期余震主要沿近南北向斷層分布，表明是在主震破裂區(qū)域附近介質應力集中情況下發(fā)生的后續(xù)小規(guī)模破裂事件；震中以西（尤其是最西端）余震活動開始于震后1.8h，且在震后1.8h至震后1天的活動性都較弱，可能是主震破裂在近東西向斷層上的解鎖作用所致（圖7）.可見這種共軛斷層的余震觸發(fā)模式可以與兩個方向上余震發(fā)生的先后次序很好地對應.實際上，位于主震破裂區(qū)域之外的余震發(fā)生較晚的現(xiàn)象也可以從其他地震中找到例證，比如2010年青海玉樹MW6.9地震，震中東南且位于主震破裂區(qū)域周邊的余震發(fā)生較早，而位于主震破裂區(qū)域之外（震中西北約40km處）的余震則大都發(fā)生較晚（王未來等，2012）.

圖7 共軛斷層破裂與余震關系示意圖Fig.7 Sketch of unlocking process，which was caused by the left lateral strike－slips on the south part of the NNW－SSE fault，and impacts the west part of the ENE－WSW fault

綜上所述，結合本文確定的地震共軛斷層破裂模型，以及魯?shù)榈卣鹩嗾鹁ㄎ唤Y果（王未來等，2014；張廣偉等，2014），我們確定魯?shù)榈卣鹗窃诒蔽鳌蠔|向主壓應力方向與北東—南西向主張應力方向的統(tǒng)一應力場下發(fā)生的兩條共軛的斷層先后破裂的一次復雜地震事件，該地震破裂過程和余震活動可以概括為以下5個階段：

① 破裂開始后1～2s，開始階段，近東西向斷層上發(fā)生破裂，且其破裂一直集中在震中附近；

② 破裂開始后2～8s，主要破裂階段，近南北向斷層和近東西向斷層同時破裂，其中近南北向斷層上的破裂朝南傳播，并釋放了大部分地震矩；

③ 破裂開始后8～17s，破裂愈合階段，斷層面上破裂分布比較零散；

④ 破裂開始17s到震后1.8h，受主震破裂的影響，余震活動主要沿近南北向斷層分布；

⑤ 地震發(fā)生1.8h后，由于主震破裂導致的解鎖作用，余震逐漸開始在震中以西的近東西向斷層上分布.

致謝 本文所用遠震寬頻帶地震數(shù)據(jù)取自IRIS數(shù)據(jù)中心；強震數(shù)據(jù)來自西南強震動臺網(wǎng)中心；近震寬頻帶數(shù)據(jù)來自云南省地震局.審稿專家對本文提供了有益的修改意見；中國科學院測量與地球物理研究所刁法啟博士對本文的數(shù)據(jù)處理工作提供了有益的意見.作者謹向以上單位和個人表示由衷的感謝.

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