2009年7月9日姚安MS 6.0地震破裂方向性研究

施春輝 何驍慧 倪四道

1）中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥市金寨路96號 230026

2）中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢 430077

0 引言

北京時間2009年7月9日19時19分，云南姚安地區(qū)發(fā)生MS6.0地震。震中位于姚安縣官屯鄉(xiāng)官屯村-馬游村一帶（25.6°N，101.1°E），極震區(qū)烈度為Ⅷ度，震源深度約為10km。此次地震造成1人死亡，300多人受傷，近80萬人次受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失為21.541億元（引自中國地震局http：／／www.cea.gov.cn）。根據(jù)Global CMT（http：／／www.globalcm t.org）給出的震源機(jī)制解，此次地震為走滑型地震，2個地震斷層面解走向分別為295°（近EW向）和203°（近SN向）。秦雙龍等（2012）利用P波、S波初動及振幅比，聯(lián)合反演此次地震的機(jī)制解，并進(jìn)一步對斷層參數(shù)、震區(qū)應(yīng)力場、地震序列空間分布等進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，震源機(jī)制解2個節(jié)面參數(shù)分別為節(jié)面Ⅰ：296°／77°／－168°、節(jié)面Ⅱ：203°／78°／－13°。秦雙龍等（2012）用雙差定位法對2009年姚安地震進(jìn)行重定位，所得主震震源位置為25.568°N、101.034°E，震源深度為7.6km，地震序列余震分布優(yōu)勢方向?yàn)镹WW向，與節(jié)面Ⅰ走向相近。

地震的孕育、發(fā)生都與斷層有著不可分割的關(guān)系，斷層研究一直以來都是地震研究的重要內(nèi)容之一（董運(yùn)洪等，2014）。姚安地區(qū)位于云南中部偏北的川滇塊體內(nèi)，宏觀上來講，整個地區(qū)分別以程海斷裂、紅河斷裂和小江斷裂為西北、西南和東邊界（任紀(jì)舜等，1980）。自2000年以來，姚安及附近大姚一帶共計(jì)發(fā)生4次6級以上地震，這4次地震震源深度、序列空間優(yōu)勢分布、等震線長軸方向等各自都具有明顯不同的特點(diǎn)，表明該地區(qū)地震構(gòu)造非常復(fù)雜。然而，研究區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料以及野外考察資料均未發(fā)現(xiàn)活動斷層（張建國等，2009），因此推斷，該地區(qū)地下可能存在隱伏斷層，頻繁發(fā)生的中強(qiáng)震表明該斷層具有較強(qiáng)的致災(zāi)性。我們采用CAP方法反演2009年姚安地震震源機(jī)制解，并采用相對質(zhì)心震中測定破裂方向性的方法來研究此次地震的破裂方向性。

破裂方向性是描述震源過程的重要參數(shù)，研究破裂方向性可以從震源機(jī)制解的2個節(jié)面中確定出真實(shí)破裂面，從而更好地理解發(fā)震機(jī)理、改善對地面運(yùn)動的評估（Boatwright，2007；Aagaard et al，2008），也能為地震災(zāi)區(qū)的重建工作提供重要指導(dǎo)（何驍慧等，2015）。現(xiàn)場構(gòu)造地質(zhì)探察是確定發(fā)震斷層的直觀方法，地質(zhì)學(xué)家通過在震區(qū)實(shí)地考察辨認(rèn)破裂帶，并對斷層進(jìn)行定位及走向識別發(fā)現(xiàn)，該方法適用于有明顯地表破裂的情況。例如，2008年汶川地震后，研究人員實(shí)地考察并發(fā)現(xiàn)多處地表破裂（徐錫偉等，2008）。對于無地表破裂的情況，地震學(xué)方法（余震空間分布、地震烈度分布、地震波形信息等）則是測定發(fā)震斷層的有效手段。余震序列優(yōu)勢分布方向一般沿?cái)鄬幼呦蛘共?，通過對余震序列進(jìn)行重定位，可以確定斷層大致走向與幾何形態(tài)，但是該方法對于定位精度有較高的要求。通常情況下，烈度分布的長軸方向即為發(fā)震斷層走向，李志強(qiáng)等（2008）將現(xiàn)場實(shí)地考察得到的地表斷裂資料（徐錫偉等，2008）與2008年汶川地震烈度圖結(jié)合，得出各斷層走向與烈度圖橢圓長軸方向一致的結(jié)果。然而，由于烈度考察工作需要相對較長的時間，該方法難以快速測定發(fā)震斷層，而且場地效應(yīng)、盆地效應(yīng)等因素也會對該方法產(chǎn)生較大的影響（李傳友等，2008）。而地震波形包含了破裂過程的豐富信息，利用地震波數(shù)據(jù)可以測定破裂方向性。對于大地震（M＞6.5），可以采用遠(yuǎn)震體波進(jìn)行有限斷層反演（姚振興等，1997）；而對于中小地震，可以利用不同方位角臺站上的P波波形信息（Tan et al，2010）或經(jīng)過臺站振幅修正后的PGA、PGV等信息（Boatwright，2007）測定破裂方向性，但這些方法均要求較高的臺網(wǎng)密度。

對于臺網(wǎng)稀疏且沒有精密三維速度模型的地區(qū)，秦劉冰等（2014）提出了利用相對質(zhì)心震中研究地震破裂方向性的方法。該方法主要基于主震質(zhì)心震中與起始震中的差異指示了破裂方向，目前，已成功應(yīng)用于2008年盈江6.0級、2014魯?shù)?.5級地震破裂方向研究中。由于本文研究區(qū)域姚安地區(qū)未觀測到明顯的地表破裂且尚未發(fā)現(xiàn)活動斷裂構(gòu)造，另外，當(dāng)時姚安地區(qū)也沒有密集的地震臺網(wǎng)與精密的三維速度結(jié)構(gòu)模型，因此，本文采用秦劉冰等（2014）提出的基于相對質(zhì)心震中測定地震破裂方向性的方法來對2009年姚安MS6.0地震進(jìn)行研究。

1 基本原理

基于相對質(zhì)心震中的地震破裂方向性測定原理是，選取主震作為主事件（記為事件A），較小余震（一般4～5級）作為參考地震（事件B），利用主震與參考地震的P波到時差測定主震與參考地震的起始震中差異，再由波形反演得到的時移獲得2個事件質(zhì)心震中的相對位置。最終，事件A的質(zhì)心震中（下標(biāo)C）與起始震中（下標(biāo)H）位置之差表示為

其中，等式左邊為事件A質(zhì)心震中與起始震中位置之差；右邊第1項(xiàng)為事件A與B質(zhì)心震中位置之差，第2項(xiàng)為事件B起始震中與質(zhì)心震中位置之差，第3項(xiàng)為事件A與B起始震中位置之差。由于小地震（事件B）起始震中與質(zhì)心震中相距很近，所以，在假設(shè)參考事件起始震中與質(zhì)心震中重合的情況下，最終獲得主震質(zhì)心震中位置與起始震中位置間的差異為

從而推斷地震破裂方向性。由于該方法利用主震與參考地震之間的相對到時測定2個事件之間的相對位置，可以有效降低發(fā)震區(qū)三維結(jié)構(gòu)的影響。具體操作分為如下3個步驟：①利用不同方位角臺站記錄到的2個事件P波到時差，確定事件B相對于事件A的位置，修正參考事件發(fā)震時刻與起始位置；②選取一維速度結(jié)構(gòu)模型，分別計(jì)算2個事件格林函數(shù)，再進(jìn)行CAP（Zhao et al，1994）反演，得到各震相時移、震源機(jī)制解及深度信息；③計(jì)算相同臺站下事件A與事件B的各震相時移之差，并通過理論公式進(jìn)行擬合，判定斷層走向，推斷破裂長度，理論公式為

式中，dt為時移之差，由相同臺站下2個事件CAP反演所得時移相減獲得；T0－Ts為觀測數(shù)據(jù)與一維合成地震圖之間的時移，由CAP程序直接輸出；v為各震相的地震波速度；az為臺站方位角，由于主震與參考地震位置接近，故方位角基本一致；stk為主震機(jī)制解中的走向角；待求解項(xiàng)t0為常數(shù)矯正項(xiàng)，主要由主震與參考地震間發(fā)震時刻不準(zhǔn)確等因素所引起；待求解項(xiàng)L為質(zhì)心震中到起始震中距離的2倍。對于完全單側(cè)破裂地震而言，L就是其破裂長度，而對于非完全單側(cè)破裂地震來說，L代表2倍的質(zhì)心震中與起始震中差異；L的正負(fù)代表它的方向，正值表示沿著走向。

表1 姚安地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)分層速度模型

表2 主震及參考地震發(fā)震時刻與震中震級

2 數(shù)據(jù)與結(jié)果

我們收集了云南地震臺網(wǎng)記錄到的姚安地震主震（200907091919）與2次較大余震（2009年7月10日17：02MS5.2地震，記為200907101702；2009年7月13日00：01MS4.7地震，記為200907130001）的波形數(shù)據(jù)，并把這2次事件作為參考地震，對主震進(jìn)行破裂方向性研究。為保證較高的信噪比，選取震中距小于350km的臺站，采用的云南姚安地區(qū)速度模型（表1）來源于CRUST2.0（http：／／igppweb.ucsd.edu）。

我們選定200907091919號事件為主事件，以200907101702、200907130001號事件作為參考事件。選用方位角分布較均勻的4～5個近臺，對參考地震相對于主震重定位，并對參考事件的發(fā)震時刻進(jìn)行修正，最終得到主震與參考地震的目錄（表2）。使用F-K法（頻率-波數(shù)法）（Zhu et al，2002）計(jì)算格林函數(shù)，計(jì)算格林函數(shù)時對每個參考地震均用的是經(jīng)過重定位之后的位置。對原始波形進(jìn)行去儀器響應(yīng)、去均值、去線性趨勢處理，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)獲得r、t、z三分量，然后，再使用CAP進(jìn)行反演。反演過程中，體波與面波時間窗口長分別取30、60s，均選用帶通濾波，范圍0.02～0.10Hz。

主震與5.2級余震的CAP結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，主震為走滑型地震，矩震級約為MW5.6，2組雙力偶機(jī)制解節(jié)面分別為節(jié)面Ⅰ：295°／76°／－174°、節(jié)面：Ⅱ：203°／84°／－14°，與Global CMT給出的震源機(jī)制解（節(jié)面Ⅰ：294°／87°／－174°；節(jié)面Ⅱ：204°／84°／－3°）結(jié)果相比，2組節(jié)面走向基本一致，對應(yīng)節(jié)面的傾角與滑動角有一定差異，除了204°節(jié)面滑動角以及295°節(jié)面傾角均相差11°之外，其余差異均小于10°；與秦雙龍等（2012）的結(jié)果（節(jié)面Ⅰ：296°／77°／－168°；節(jié)面Ⅱ：203°／78°／－13°）相比，2組節(jié)面走向亦幾乎一致，對應(yīng)節(jié)面的傾角和滑動角有小于10°的差異，縱觀三者結(jié)果，2組節(jié)面走向都一致，但傾角和滑動角存在一定偏差（＜11°）。

圖1 主震（編號200907091919）（a）及參考地震（編號200907101702）（b）的震源機(jī)制解

為了探討主事件與參考事件時移之差與方位角分布之間的關(guān)系，我們對2個事件的Pnl波、Rayleigh波和Love波等3種震相，繪制時移差隨方位角的分布（圖2）。

由圖2可見，P波、Rayleigh波和Love波均表現(xiàn)出明顯時移。部分臺站時移差數(shù)據(jù)偏差太大，對照CAP反演波形擬合發(fā)現(xiàn)，偏差過大的點(diǎn)對應(yīng)臺站的波形互相關(guān)系數(shù)較小，時移可靠性差。因此，在進(jìn)一步分析時剔除這些點(diǎn)。觀察時移差隨方位角的分布發(fā)現(xiàn)，時移差為0～2s，且100°～200°之間臺站對應(yīng)的時移差普遍小于200°～300°范圍內(nèi)的值，總體上呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢，290°左右為最高點(diǎn)。其中，Love波分布的規(guī)律性比P波、Rayleigh波明顯，由于Love波反演所得互相關(guān)系數(shù)較P波、Rayleigh波的大，故推斷Love波的測定結(jié)果更為可靠。P波、Rayleigh波由于相關(guān)系數(shù)較小，時移差隨方位角分布的可靠性不如Love波結(jié)果。由于走滑地震Love波發(fā)育良好，而P波、Rayleigh波振幅相對較弱，所以，反演得到的Love波擬合效果遠(yuǎn)比P波、Rayleigh波效果好。秦劉冰等（2014）研究的2008年盈江地震也是走滑地震，研究中同樣發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象。

圖2 以200907101702號事件作為參考事件得到的時移差隨方位角的分布

圖3 分別以200907101702號事件（a）和200907130001號事件（b）作為參考事件的破裂方向性擬合結(jié)果

我們選擇Love波來研究破裂方向性，擬合過程中只選用互相關(guān)系數(shù)大于0.9的臺站計(jì)算主震與參考地震Love波時移差，分別選取走向?yàn)橹髡饳C(jī)制解的2個節(jié)面走向利用式（1）對臺站方位角進(jìn)行最小二乘擬合來測定主震破裂方向性。選取200907101702號事件作為參考事件時，結(jié)果如圖3（a）所示。由圖3（a）可見，走向?yàn)?95°擬合破裂方向時，大多數(shù)點(diǎn)都在曲線上或者在曲線附近，表明多數(shù)臺站數(shù)據(jù)得到較好擬合；而203°走向時擬合效果較差，幾乎沒有點(diǎn)位于擬合曲線上，表明走向?yàn)?95°的節(jié)面為破裂面。為了驗(yàn)證研究方法的可靠性，再以200907130001號事件作為參考事件進(jìn)行時移擬合，結(jié)果如圖3（b）所示。由圖3（b）可見，走向295°時擬合效果還是優(yōu)于走向?yàn)?03°時的擬合效果，同時也表明，不同的參考地震可得到一致的破裂方向性結(jié)果。根據(jù)最小二乘擬合結(jié)果，并假定Love波群速度為3km／s，得出2個參考地震擬合得到的破裂長度分別為3.9、3.8km，破裂方向?yàn)橛蓶|南向西北。

3 討論與結(jié)論

考慮到可能存在的主震定位誤差、發(fā)震時刻不準(zhǔn)確以及反演所得震源機(jī)制解與真實(shí)機(jī)制解之間存在差異等因素均可能影響本文破裂方向研究的可靠性，因此，我們分別對各種因素進(jìn)行研究以驗(yàn)證其對本文方法的影響。

3.1 主震定位誤差的影響

地震的發(fā)震時刻、水平位置（經(jīng)緯度）、震源深度以及震級等是描述地震的基本參數(shù)。其中，地震定位的誤差有可能對本文方法的測定結(jié)果產(chǎn)生影響。本文研究的地震主震震中位置是從云南地震速報(bào)檢索目錄獲取的。為探討定位誤差對破裂方向性研究的影響，我們改變主震的絕對位置，把主事件和200907101702號參考事件的起始震中位置同時向東、南、西、北各方向平移5km，這樣就在保證相對位置不變的前提下改變了絕對位置，再利用本文方法測定破裂方向性，最終得到主震的破裂方向性結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，對于姚安6.0級地震，相同臺站上對應(yīng)的時移之差觀測數(shù)據(jù)均未有太大變化，主震破裂方向選取295°時擬合結(jié)果遠(yuǎn)比203°方向的擬合結(jié)果要好，選取295°破裂方向時，多數(shù)臺站都能得到較好的擬合；而選取203°方向時，擬合效果則較差。由此推斷，走向295°斷層面為實(shí)際破裂面。然而，由于擬合曲線的幅值有較小差異，這使得計(jì)算得到的破裂長度稍有些變化。故主震定位不準(zhǔn)確基本不影響破裂方向的測定，但對破裂長度的估計(jì)有一定的影響。

圖4 主震與200907101702號參考事件的絕對位置同時變動后得到的破裂方向性結(jié)果

3.2 發(fā)震時刻不準(zhǔn)確的影響

在波形反演中，由于獲得的觀測波形的窗口會隨著發(fā)震時刻的改變而改變，這使得參與反演的波形會發(fā)生相應(yīng)的變動。為了驗(yàn)證這種發(fā)震時刻不準(zhǔn)確帶來的影響，我們對主震和200907101702號參考地震進(jìn)行研究，改變主震和參考地震的發(fā)震時刻，同時向前后移動1、2、3s，然后使用CAP反演之后，再對每組震相計(jì)算時移差，得到的結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，發(fā)震時刻有一定偏差時，Love波測定結(jié)果幾乎不受影響，而P波、Rayleigh波則受到較大的影響。發(fā)震時刻偏差越大，影響越大，秦劉冰等（2014）也對發(fā)震時刻進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，該方法在一定發(fā)震時刻偏差時對2008年盈江地震可得到穩(wěn)定的結(jié)果。由于Love波發(fā)育較好，受發(fā)震時刻不準(zhǔn)確的影響較小，故Love波可作為測定破裂方向性的有效震相。

圖5 發(fā)震時刻誤差的影響測試

3.3 震源機(jī)制解差異的影響

震源機(jī)制解差異同樣有可能對破裂方向的測定產(chǎn)生影響。雖然CAP得到的主震震源機(jī)制解與GCMT所給出的滑移角一致，走向也僅相差1°，但是，傾角間仍有11°的差異。為了考察這種偏差對測定破裂方向性的影響，我們固定傾角為GCMT解的87°，對主震進(jìn)行CAP反演，所得結(jié)果如表3所示。由表3可見，3種情況與自由反演時相比，節(jié)面Ⅰ走向幾乎不變，滑動角有3°的變化。

我們分別以200907101702、200907130001號事件作為參考事件考察震源機(jī)制解偏差的影響，結(jié)果如表4所示。由表4可見，當(dāng)主震震源機(jī)制解有一定差異（傾角相差11°以內(nèi)，滑移角相差7°以內(nèi)）時，2個參考地震使用全部臺站測定的發(fā)震斷層都是295°節(jié)面的誤差要遠(yuǎn)小于203°節(jié)面，表明295°節(jié)面是發(fā)震斷層面，破裂長度測定結(jié)果較為穩(wěn)定，約4km。

表3 不同反演條件下主震機(jī)制解反演結(jié)果

表4 不同主震震源機(jī)制解下的擬合結(jié)果

圖6 姚安地震主震破裂方向示意圖

3.4 結(jié)論

本文將相對質(zhì)心震中方法應(yīng)用于2009年姚安地震破裂方向性的研究中，發(fā)現(xiàn)該方法同樣適用，研究得到主震震源機(jī)制解中走向295°的節(jié)面為發(fā)震斷層面，破裂方向?yàn)镹WW向（圖6）。

我們分別驗(yàn)證了主震絕對位置不準(zhǔn)確、發(fā)震時刻不準(zhǔn)確、震源機(jī)制解有一定差異等情況下該方法的可靠性。研究表明，上述情況均對本文測定地震破裂方向性沒有明顯影響，走向295°節(jié)面擬合效果優(yōu)于203°節(jié)面擬合效果。由此，我們推斷主震發(fā)生在NWW向（295°）斷層上，這一結(jié)果也與秦雙龍等（2012）、王長在等（2011）對地震序列重定位后得到的優(yōu)勢分布方向一致。我們計(jì)算得到的姚安地震破裂長度約為4km，與秦雙龍等（2012）雙差定位得到的結(jié)果以及云南地區(qū)震源破裂長度與震級間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系結(jié)果（李忠華等，1998）相比都要短。由于本文研究得出的破裂長度實(shí)際上是地震起始震中與質(zhì)心震中的距離的兩倍，當(dāng)主震不是完全的單側(cè)破裂時，起始震中與質(zhì)心震中的距離將顯著小于半個破裂長度，從而導(dǎo)致本文方法研究所得破裂長度小于地震實(shí)際破裂長度。本文重點(diǎn)是通過比較起始破裂點(diǎn)與質(zhì)心震中的差距來確定破裂方向的。由于本文測定破裂方向性需要主震后發(fā)生較大余震作為參考事件，故不能快速測定地震破裂方向性。如果能夠利用區(qū)域歷史地震作為參考地震，那么本文方法將可用于震后快速測定破裂方向性。

致謝：本文在撰寫過程中得到周勇和賈哲的幫助，在此表示衷心感謝。