云南地區(qū)地震的重新定位及b值研究

張廣偉

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)安寧莊路1號(hào) 100085

0 引言

云南地區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊碰撞帶的北東側(cè)，地處青藏高原東南部，由于印度板塊的俯沖作用，區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，是我國(guó)大陸內(nèi)部地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，不僅存在有騰沖火山，還有許多大型斷裂，如紅河斷裂、瀾滄江斷裂、怒江斷裂、小江斷裂等，這些大型斷裂將云南地區(qū)分為揚(yáng)子地塊、思茅地塊、保山地塊和騰沖地塊（圖1）。在這種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景下，云南地區(qū)一直是地學(xué)界研究的熱點(diǎn)區(qū)域（胡家富等，2005；傅竹武等，2007；馬宏生等，2008；Lei et al，2009，李永華等，2009；張曉曼等，2011；吳建平等，2013）。

地震定位研究是地震學(xué)研究的基礎(chǔ)，地震在地表的分布不僅與斷層的走向密切相關(guān)，而且在深度上可能與斷層在深部的幾何展布有關(guān)（張廣偉等，2014），因此，能夠?qū)Φ卣疬M(jìn)行精確定位，對(duì)于確定斷層走向、破裂擴(kuò)展范圍及發(fā)震構(gòu)造是非常重要的。b值是衡量一個(gè)地區(qū)地震活動(dòng)水平的重要標(biāo)志，其主要描述地震震級(jí)和頻度之間的關(guān)系（Gutenberg et al，1944），在國(guó)內(nèi)外地震活動(dòng)性分析中被廣泛應(yīng)用（Mori et al，1997；Wiemer et al，1998；Wiemer et al，2000；朱艾斕等，2005；Singh et al，2012）。采用精定位后的地震目錄能夠獲得更為準(zhǔn)確的b值分布，b值既能反映小地震與大地震的比例關(guān)系，又可以反映介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)。在淺部由于地殼介質(zhì)非常復(fù)雜，具有強(qiáng)烈的非均勻性，且?guī)r石的圍巖壓力值較低，易產(chǎn)生小震，具有高b值；隨著震源深度增加，圍巖壓力值增加，地殼物質(zhì)趨于相對(duì)均勻，任意初始破裂一旦形成，容易進(jìn)一步擴(kuò)展成大破裂，發(fā)生大的地震，具有低b值（Mori et al，1997）。在本研究中，我們首先采用雙差法對(duì)地震進(jìn)行精定位，然后用重新定位后的地震目錄計(jì)算云南地區(qū)b值，并分析b值的空間分布及其與震源位置的關(guān)系。

圖1 研究區(qū)域及地震臺(tái)站分布

1 資料與方法

本研究聯(lián)合使用2010年5月～2011年7月由云南省固定臺(tái)站和中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所布設(shè)的21個(gè)流動(dòng)臺(tái)站（Lei et al，2012）所記錄7127個(gè)地震的到時(shí)資料，其中固定臺(tái)站采用觀測(cè)報(bào)告資料，流動(dòng)臺(tái)站依據(jù)地震目錄截取事件，人工拾取P波和S波到時(shí)，將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)融合，選擇震中距500km內(nèi)、至少4個(gè)臺(tái)站記錄、走時(shí)殘差為±3s以內(nèi)的走時(shí)數(shù)據(jù)，篩選后固定臺(tái)站P波47566條，S波45831條，流動(dòng)臺(tái)站P波18036條、S波11495條。將固定臺(tái)站與流動(dòng)臺(tái)站相結(jié)合，較好地改進(jìn)了臺(tái)站的方位覆蓋，特別是在滇西地區(qū)，填補(bǔ)了固定臺(tái)站的空白區(qū)域，而且使大盈江、騰沖等地區(qū)的地表臺(tái)站分布更加均勻（圖1）。

雙差法（Waldhauser et al，2000）是目前較為通用的一種提高地震定位精度的方法，該方法用相對(duì)走時(shí)殘差（或稱為雙差）來(lái)修定地震位置。在重新定位過(guò)程中，初始一維速度模型對(duì)定位結(jié)果影響很大，一個(gè)不適當(dāng)?shù)乃俣饶Ｐ蜁?huì)使定位結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差（Michelini et al，2004），因此在進(jìn)行雙差定位前，要選擇一個(gè)適用于研究區(qū)的一維速度模型。Kissling等（1988、1995）提出確定最小一維速度模型的VELEST法，通過(guò)聯(lián)合校正地震位置及臺(tái)站位置獲得最小一維速度模型，該方法計(jì)算的速度模型可使定位結(jié)果走時(shí)殘差均方根最小，因此稱為“最小一維速度模型”，其被廣泛應(yīng)用于地震定位及層析成像研究中（Heshan et al，2001；于湘?zhèn)サ龋?003）。本研究首先采用VELEST法反演獲得云南地區(qū)最小一維P波速度模型，初始模型選擇馬宏生等（2008）在川滇地區(qū)的一維模型（圖2（a））。為增加結(jié)果的可靠性，挑選地震位置相對(duì)精確的事件，通常震級(jí)越高記錄的臺(tái)站越多，本研究選擇震級(jí)在2.5級(jí)以上，至少有8個(gè)臺(tái)站記錄的事件，經(jīng)過(guò)篩選，有802個(gè)事件參與反演。為了驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，采用2種不同方法進(jìn)行比較：一是增加資料，我們選擇2.2級(jí)以上的地震共1426個(gè)參與反演（圖2（a））；二是地震資料數(shù)不變，改變初始輸入模型，在初始模型加入5%隨機(jī)擾動(dòng)進(jìn)行4次反演（圖2（b））。通過(guò)比較，不同資料及不同輸入模型所獲得的結(jié)果與本研究獲得的最小一維速度模型較為一致（圖2），說(shuō)明本研究反演得到的云南地區(qū)最小一維P波速度模型是可靠的。

圖2 初始模型、反演模型、增加資料反演得到模型（a）和初始模型加入5%速度擾動(dòng)反演得到模型（b）

對(duì)b值的計(jì)算，本研究采用 ZMAP程序包（Wiemer et al，2001），用最大似然解法（Aki，1965）得到

式中，Mc為完整起始震級(jí)；ˉM為平均震級(jí)。誤差估計(jì)由Shi等（1982）改進(jìn)的公式求得，即

式中，n為樣本個(gè)數(shù)。在計(jì)算b值時(shí)，Mc值是一個(gè)非常重要的參數(shù)（Wiemer et al，2000），可將Mc看作是一個(gè)臨界震級(jí)，表征臺(tái)網(wǎng)所能監(jiān)測(cè)的最小完整震級(jí)，在計(jì)算b值時(shí)，只選擇大于和等于Mc值的事件。

2 結(jié)果及討論

2.1 地震重定位結(jié)果

采用雙差法對(duì)地震進(jìn)行重新定位，得到5836個(gè)地震的定位結(jié)果。從重定位結(jié)果的平面分布可以看出（圖3），小震主要集中在滇西地區(qū)，地震的分布與主要活動(dòng)斷裂關(guān)系密切，在一些斷裂交匯區(qū)域，小震更為集中。震源深度集中分布在20km以上，而徐彥等（2005）得到的結(jié)果最深達(dá)50km，這可能與所采用的初始模型有關(guān)，本研究采用更適用于研究區(qū)的最小一維速度模型，能夠較好地改善地震的初始位置。同時(shí)，重新定位后小震呈叢集性分布（圖3）。在一些主要斷裂帶上，小震分布具有明顯特點(diǎn)，如紅河斷裂帶上小震多分布在斷裂帶的南北兩端，尤其在北段地震更為密集，而在中段小震相對(duì)稀少。前人研究結(jié)果表明，紅河斷裂的北段是走滑型斷裂的尾端拉張區(qū)，受洱源、程海斷裂的影響，該段地震活動(dòng)性較強(qiáng)（虎雄林等，2006），歷史上6級(jí)以上地震幾乎都集中在北段。而紅河斷裂帶從30Ma以來(lái)經(jīng)歷了左旋韌性剪切作用，到5.5Ma以后又經(jīng)歷了右旋剪切變形作用（朱俊江等，2003），其中段受川滇塊體向SE方向的擠出和順時(shí)針右旋走滑作用，導(dǎo)致該段長(zhǎng)期處于壓扭環(huán)境，形成寬厚的斷層泥帶（李亞敏等，2008），從而導(dǎo)致中段地震活動(dòng)性較弱。在紅河斷裂帶南段，由于受NE向多條斷裂的影響，該段小震活動(dòng)也相對(duì)較強(qiáng)。

圖3 對(duì)云南地區(qū)地震重新定位后的震中分布

云南地區(qū)中小地震非?；钴S，特別是在滇西地區(qū)，在2011年連續(xù)發(fā)生盈江地震和騰沖地震，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)較大損失，在我們流動(dòng)臺(tái)站的布設(shè)期間，也記錄到盈江地震及騰沖地震序列。小震的分布能夠較好地展示斷裂帶的優(yōu)勢(shì)展布方向及發(fā)震層，為此，我們給出盈江地震及騰沖地震序列震源深度的詳細(xì)剖面（圖4），分析斷裂帶及周邊小震的分布特征。

圖4 重定位后的盈江（a）及騰沖（b）地震序列震中分布的平面圖及剖面圖星號(hào)為M＞5.0地震，圓為余震震中

圖4（a）展示的是盈江地震序列，小震主要沿NEE向條帶狀分布，另外還有一個(gè)SSE向的共軛小震活動(dòng)帶，而盈江5.8級(jí)主震震中就處在NEE與SSE向兩條活動(dòng)帶的交匯處，表明在斷裂的交匯處更易于產(chǎn)生破裂。從深度上看，盈江地震序列震源深度集中在15km以上，表明大盈江斷裂的優(yōu)勢(shì)發(fā)震層位于上地殼，這與Lei等針對(duì)盈江地震序列的重新定位結(jié)果比較一致（Lei et al，2012）。圖4（b）展示的是騰沖地震序列，其震源分布特征與盈江地震序列具有明顯差別，地震在深度上呈柱狀分布，震源主要朝更深的方向上擴(kuò)展，在平面上并沒(méi)有明顯地向其他方向延伸，且震源深部向NW方向傾斜，而騰沖火山就位于該地震序列的NW向。人工地震測(cè)深結(jié)果表明，在騰沖東南部存在巖漿囊或部分熔融體（樓海等，2002）；騰沖火山區(qū)數(shù)字臺(tái)網(wǎng)記錄的地震群結(jié)果表明，地震主要圍繞在巖漿囊體的周圍，與巖漿活動(dòng)密切相關(guān)（葉建慶等，2003）。為此我們推測(cè)，此次騰沖地震序列與火山熱物質(zhì)的運(yùn)移活動(dòng)密切相關(guān)。

2.2 b值分布特征

采用雙差精定位后的地震目錄計(jì)算云南地區(qū)b值，首先采用最大曲率法獲得最小完整震級(jí)Mc（圖5），在曲率最大處Mc值為1.4，在計(jì)算云南地區(qū)b值時(shí)，只選擇M≥1.4的地震事件共4530個(gè)參與計(jì)算，獲得云南地區(qū)平均b值為0.699，誤差為 ±0.009（圖5）。

圖5 云南地區(qū)M c值及平均b值

為進(jìn)一步分析云南地區(qū)b值隨震源深度變化的特征（圖6），本研究計(jì)算不同深度上的b值，設(shè)定地震最小樣本數(shù)為150個(gè)。由圖6可以看出，b值隨震源深度增加而逐漸減小，從b值變化曲線可以看出，在地殼的淺部（0～6km）b值較大，在6～9km范圍內(nèi)b值趨于穩(wěn)定，在9～10km范圍b值發(fā)生明顯減小。這樣的分布特征與首都圈地區(qū)（朱艾斕等，2005）和美國(guó)加州地區(qū)（Mori et al，1997）的b值研究結(jié)果比較一致。而這樣的分布特征可能表明，b值與地殼介質(zhì)復(fù)雜程度及應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，在地殼淺部介質(zhì)復(fù)雜，具有強(qiáng)烈的非均勻性，且圍巖壓力較低，因此具有高 b值；隨著震源深度增加，圍巖壓力增加，地殼物質(zhì)也趨于相對(duì)均勻，具有低b值（Mori et al，1997）。因此小震多產(chǎn)生于地殼淺部，而大震多發(fā)生于孕震層的底部。云南地區(qū)b值隨著震源深度的增加而逐漸減小尤其在9～10km最為明顯，可能表明在云南地區(qū)中強(qiáng)震孕震層多位于9km以下。

b值能夠反映介質(zhì)所受應(yīng)力狀態(tài)和介質(zhì)均勻程度，而在地震序列中b值的分布，可以幫助我們了解震源區(qū)應(yīng)力變化和介質(zhì)的破裂范圍（Singh et al，2012）。圖7展示了大盈江斷裂及周邊的三維b值分布。我們以盈江5.8級(jí)主震為原點(diǎn)，給出2條剖面。一條剖面是沿大盈江斷裂的NEE方向，另一條剖面是與大盈江斷裂共軛的方向。盈江地震序列震源深度主要集中在15km以上（圖4（a）），因此15km以上的b值結(jié)果是可靠的。從b值空間分布可以明顯看出，隨著深度的增加b值逐漸減小，而沿大盈江斷裂的NEE方向b值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，共軛的SSE方向b值也相對(duì)較高，并且盈江5.8級(jí)主震的位置處于高低b值的過(guò)渡帶，在主震震源區(qū)，高低b值相間存在，表征主震震源區(qū)介質(zhì)性質(zhì)非常復(fù)雜，在這樣一個(gè)過(guò)渡帶，很容易受到觸發(fā)產(chǎn)生初始破裂。由于地殼淺部圍巖應(yīng)力值低，破裂向上擴(kuò)展，所以余震多發(fā)生在地殼淺部，這與Lei等（2012）對(duì)盈江地震序列隨時(shí)間擴(kuò)展范圍的研究結(jié)果具有很好的一致性。

圖6 b值隨深度的變化

圖7 盈江斷裂帶及周邊b值的三維分布

3 結(jié)論

本研究首先采用VELEST方法獲得云南地區(qū)最小一維P波速度模型，基于反演的最小一維速度模型，用雙差法對(duì)云南地區(qū)小震進(jìn)行重新定位，得到5836個(gè)地震的重定位結(jié)果。結(jié)果顯示，云南地區(qū)孕震層主要位于中上地殼，且在滇西地區(qū)發(fā)震最為頻繁，震源深度也相對(duì)較深。本研究展示出盈江和騰沖地震序列的震源深度剖面圖，重新定位結(jié)果明確顯示出斷裂帶的優(yōu)勢(shì)發(fā)震層及其展布方向。采用精定位后的地震目錄計(jì)算云南地區(qū)b值，獲得一些新的認(rèn)識(shí)：云南地區(qū)b值隨著震源深度的增加而逐漸減小，尤其在9～10km最為明顯，這可能表征在云南地區(qū)中強(qiáng)震的發(fā)震層多位于9km以下；在大盈江斷裂及周邊地區(qū)的b值空間分布具有明顯特征，在斷裂帶的淺部b值較高且分布不均勻，且盈江5.8級(jí)主震發(fā)生在高低b值的過(guò)渡帶，本研究結(jié)果表明，b值對(duì)于中強(qiáng)震孕震環(huán)境的研究具有重要意義。