利用P波初動(dòng)數(shù)據(jù)研究2021年云南漾濞MS6.4地震序列震源機(jī)制解及應(yīng)力場

余海琳 萬永革 黃少華 崔華偉

摘要：為揭示2021年云南漾濞MS6.4地震的發(fā)震背景及其與區(qū)域應(yīng)力場的關(guān)系，搜集5月18日14時(shí)28分至6月8日5時(shí)53分的地震序列，采用P波初動(dòng)反演震源機(jī)制解的方法，計(jì)算得到漾濞地震前后85次MS≥2.5地震的震源機(jī)制解。根據(jù)本次地震序列的震源機(jī)制解和近10年內(nèi)滇西北地區(qū)地震的震源機(jī)制解，利用網(wǎng)格搜索法反演了該區(qū)域的應(yīng)力場，最后模擬了主震的震源機(jī)制與區(qū)域應(yīng)力場的關(guān)系。結(jié)果表明：該區(qū)域主壓應(yīng)力方向?yàn)榻媳毕?，主張?yīng)力軸方向?yàn)榻鼥|西向。漾濞主震發(fā)生在剪應(yīng)力最大的區(qū)域，且剪應(yīng)力的滑動(dòng)角與發(fā)震節(jié)面的滑動(dòng)角之差較小，說明此次地震是在構(gòu)造應(yīng)力場作用下發(fā)生在剪應(yīng)力最大釋放節(jié)面上。

關(guān)鍵詞：漾濞MS6.4地震;P波初動(dòng);震源機(jī)制解;應(yīng)力場;最大剪應(yīng)力

中圖分類號：P315.727?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）03-0338-10

0 引言

根據(jù)P波初動(dòng)數(shù)據(jù)反演震源機(jī)制解的方法得出的震源機(jī)制解快速精確，是獲得震源機(jī)制解的一種有效方法。這種方法最初是由Byerly（1938）提出，主要思想是采用球極投影將震源位置以及相關(guān)信息投影到圓上，借助幾何知識，給出斷層面要素的可能解，但這種方式只適用于淺源地震;Hodgon和Storey（1953）在此基礎(chǔ)上將震源深度看做是地球的厚度來進(jìn)行研究，將Byerly的方法從淺源地震推廣到任意震源深度的地震;郭增建（1958）在Hodgon和Storey方法的基礎(chǔ)上，針對其不能根據(jù)地震臺網(wǎng)求解震源機(jī)制解這一缺陷進(jìn)一步改進(jìn)，使之更加適用于一般的情況，并與實(shí)際相對應(yīng)，本文即采用該方法進(jìn)行計(jì)算。

2021年5月21日21時(shí)48分34秒，云南省漾濞縣（25.67°N，99.87°E）發(fā)生MS6.4地震，震前發(fā)生了多次前震，震級最大5.6級，震后又發(fā)生多次余震，最大余震5.2級。中國地震臺網(wǎng)中心、中國地震局地震預(yù)測研究所和國外機(jī)構(gòu)等采用不同方法和資料得到主震的多個(gè)不同的震源機(jī)制解結(jié)果，結(jié)果顯示這次地震屬于走滑型地震。為了更進(jìn)一步研究此次地震的發(fā)震構(gòu)造以及相關(guān)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，需要利用更多云南漾濞地震序列的震源機(jī)制解。鑒于此，本文基于中國地震臺網(wǎng)中心提供的漾濞地震序列觀測報(bào)告，讀取標(biāo)有P波初動(dòng)的地震事件，利用P波初動(dòng)法計(jì)算漾濞地震前震、主震以及余震的震源機(jī)制解。

1 方法及數(shù)據(jù)

本文所采用方法的主要思想為：首先讀取觀測報(bào)告，將觀測報(bào)告中所有P波初動(dòng)記錄按照一定的數(shù)據(jù)格式重新排列，根據(jù)給定研究區(qū)域的速度模型以及臺站的位置信息計(jì)算臺站的方位角與離源角;最后對每個(gè)地震事件的P波初動(dòng)的個(gè)數(shù)進(jìn)行限制，只有滿足條件的地震事件才進(jìn)行震源機(jī)制解的反演。

根據(jù)P波初動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行震源機(jī)制解反演的可靠性依賴于數(shù)據(jù)資料的廣泛性與可靠性。本文基于中國地震臺網(wǎng)中心提供的5月18日14時(shí)28分至6月8日5時(shí)53分的漾濞地震序列的觀測報(bào)告，選取5 319條地震記錄，其中3.0≤MS<4.0地震82次、4.0≤MS<5.0地震20次、5.0≤MS<6.0地震3次。首先對所選地震記錄進(jìn)行P波初動(dòng)的讀取，然后在給定的區(qū)域速度模型下求取云南地區(qū)及周邊135個(gè)能記錄到這些地震事件的臺站（圖1）的方位角和離源角，為網(wǎng)格搜索震源機(jī)制解提供數(shù)據(jù)支持。本文選用的速度模型是由姜金鐘（2013）在云南小灣水庫地震進(jìn)行精定位研究時(shí)提出的，以柯乃琛和華衛(wèi)（2016）反演獲得的該區(qū)域最小一維速度模型為基礎(chǔ)，結(jié)合crust1.0模型（Laske et al，2015）得到本文使用的更為詳細(xì)的地殼速度模型，見表1。

2 震源機(jī)制解

2.1 震源機(jī)制解結(jié)果以及對比

本文對所選地震記錄進(jìn)行P波初動(dòng)讀取，共得到2 543個(gè)P波初動(dòng)數(shù)據(jù)，選擇其中最少有8個(gè)P波初動(dòng)的地震事件進(jìn)行震源機(jī)制解求解，最終得到85個(gè)MS≥2.5地震的震源機(jī)制解（表2）。P波初動(dòng)的矛盾比是衡量震源機(jī)制準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)，在表2中，矛盾比為0的震源機(jī)制解有26個(gè)，占總數(shù)的30.6%;矛盾比為0～0.10的震源機(jī)制解占總數(shù)的32.9%;矛盾比為0.1～0.18的震源機(jī)制解數(shù)占總數(shù)的30.6%;矛盾比大于0.18的震源機(jī)制解僅占總數(shù)的5.9%。根據(jù)Zoback（1992）在世界應(yīng)力圖中給出的震源機(jī)制解分類方法，可以判斷出漾濞地震序列中正斷型14個(gè)、走滑型40個(gè)、正走滑型1個(gè)、逆斷型4個(gè)、不確定型26個(gè)，整個(gè)序列以走滑型震源機(jī)制解為主。按照其類型并結(jié)合地形圖舍去距離MS6.4地震較遠(yuǎn)的6號震源機(jī)制解，得到MS≥3.0地震的震源機(jī)制解類型圖（圖2）。從圖2可以看出，這些地震分布于走滑斷裂維西—喬后斷裂（常祖峰等，2016）南西方向，按照北西—南東的方式排列，與斷裂帶的走向一致。

為了進(jìn)一步確定本文計(jì)算的漾濞MS6.4主震的震源機(jī)制解結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，本文將其與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和個(gè)人的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算同一地震的最小空間旋轉(zhuǎn)角（表3），再根據(jù)最小空間旋轉(zhuǎn)角判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。由表3可見，本文的震源機(jī)制解與其它研究機(jī)構(gòu)和個(gè)人的結(jié)果相比，最小空間旋轉(zhuǎn)角的范圍在20.33°～47.47°。

考慮到我們統(tǒng)計(jì)GCMT和USGS測定的大地震震源機(jī)制的空間旋轉(zhuǎn)角的差別平均為～30°，本次求解的震源機(jī)制解的精度在允許范圍之內(nèi)，說明本文使用P波初動(dòng)計(jì)算的震源機(jī)制解是可靠的。

2.2 P軸和T軸走向

將表2所示85個(gè)震源機(jī)制解的P軸和T軸進(jìn)行投影，如圖3所示。從圖中可以看出，漾濞地震序列震源機(jī)制解的P軸優(yōu)勢方向?yàn)榻媳毕?，T軸優(yōu)勢方向?yàn)榻鼥|西向。

3 應(yīng)力場反演

為了揭示震源區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場特征，本文利用求得的漾濞地震序列震源機(jī)制解結(jié)合GCMT網(wǎng)站發(fā)布的2011年1月1日～2021年6月1日滇西北地區(qū)（25.00°～27.00°N，99.00°～101.00°E）發(fā)生地震的震源機(jī)制解結(jié)果（表4），采用網(wǎng)格搜索法（Wan et al，2016）對該區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力場反演。

網(wǎng)格搜索法假設(shè)斷層面上剪切應(yīng)力的方向就是斷層的滑動(dòng)方向，將震源區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的應(yīng)力張量都進(jìn)行反演，并結(jié)合應(yīng)力比R=（S2-S3）/（S1-S3）（其中S1、S2和S3分別表示張應(yīng)力、中間應(yīng)力和壓應(yīng)力的大?。┡袛噙@3個(gè)主應(yīng)力的分布。在進(jìn)行網(wǎng)格搜索法反演時(shí)，需要對網(wǎng)格搜索的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，本文將走向、傾角、滑動(dòng)角以及R值的搜索步長分別設(shè)置為1°、1°、1°和0.01，置信區(qū)間選擇為90%，結(jié)果如圖4所示。

圖4a為應(yīng)力張量反演的等面積投影圖，圖中藍(lán)色向內(nèi)的箭頭表示“可能斷層面”的觀測滑動(dòng)方向;紅色向外的箭頭表示“可能斷層面”上的理論滑動(dòng)方向，兩者在同一個(gè)“可能斷層面”相距越近，表明理論滑動(dòng)方向和觀測滑動(dòng)方向（滑動(dòng)角）越為接近;綠色斷層面表示置信水平為90%的應(yīng)力場的最大剪應(yīng)力節(jié)面;黃色箭頭表示該節(jié)面的滑動(dòng)方向;S3、S2和S1周圍的閉合曲線分別表示主壓應(yīng)力軸、中間應(yīng)力軸和主張應(yīng)力軸90%置信水平下的置信范圍。圖4b為云南漾濞地區(qū)應(yīng)力張量反演結(jié)果的三維表示。圖中U和D表示上和下;E、S、W分別為東、南、西向;紅色表示主壓應(yīng)力的相對大小和方向;藍(lán)色表示主張應(yīng)力的相對大小和方向（Wan et al，2016）

使用網(wǎng)格搜索法計(jì)算可得主壓應(yīng)力軸走向的不確定范圍為180.50°～182.10°，其傾伏角的不確定范圍為4.00°～6.00°;中間應(yīng)力軸走向的不確定范圍為0.50°～2.00°，其傾伏角的不確定范圍為64.00°～86.00°;主張應(yīng)力軸走向的不確定范圍為90.50°～92.00°，傾伏角的不確定范圍為-1.00°～21.00°。應(yīng)力比R=0.3，根據(jù)R值的定義（萬永革等，2011）可以分析出，中間應(yīng)力值更加靠近主壓應(yīng)力值，從選擇的震源機(jī)制解中的“可能的斷層面”來看，其走向的優(yōu)勢分布與地震序列的西北—南東走向分布對應(yīng)（圖4a）。滇西北地區(qū)主壓應(yīng)力方向?yàn)榻媳毕?，主張?yīng)力軸方向?yàn)榻鼥|西向，與Wan（2010）、Xu等（1992）所給出的中國大陸應(yīng)力場中該區(qū)域的應(yīng)力場方向基本一致，這進(jìn)一步說明本文計(jì)算的震源機(jī)制解的準(zhǔn)確性。

4 震源機(jī)制與應(yīng)力場的關(guān)系

本文在探究漾濞主震震源機(jī)制與應(yīng)力場關(guān)系的過程中，采用萬永革（2020）提出的震源機(jī)制解與應(yīng)力體系關(guān)系模擬研究的方法，這種方法模擬了3種應(yīng)力體系狀態(tài)，給出每種應(yīng)力狀態(tài)下可能的震源機(jī)制解分布，并探究不同類型震源機(jī)制解的數(shù)目與R值的關(guān)系。采用前文計(jì)算的應(yīng)力場參數(shù)：壓應(yīng)力軸走向?yàn)?81.00°、傾伏角為25.00°、張應(yīng)力軸走向?yàn)?1.00°、傾伏角為0.00°，R=0.3，震源機(jī)制解選取本文得出的主震震源機(jī)制解的其中一個(gè)節(jié)面，走向309°、傾角61°、滑動(dòng)角174°，進(jìn)行應(yīng)力場與震源機(jī)制解的關(guān)系模擬，得到如圖5所示在該應(yīng)力體系下的震源機(jī)制解以及相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力。

由于模擬時(shí)采用的應(yīng)力大小是相對的，是將震源機(jī)制解節(jié)面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力用最大剪應(yīng)力進(jìn)行歸一化，因此震源機(jī)制解會存在誤差。但從圖5可以看出，云南漾濞地震的主震不論是計(jì)算時(shí)給出的節(jié)面還是與之垂直的節(jié)面，都處于剪應(yīng)力最大的區(qū)域，而從正應(yīng)力圖上來看，該地震處于正應(yīng)力抑制節(jié)面。應(yīng)力張量在節(jié)面I（走向308.0°、傾角61.0°）上的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力分別為0.891和-0.300（最大相對剪應(yīng)力為1），剪應(yīng)力的滑動(dòng)角為-165.4°，與該節(jié)面的觀測滑動(dòng)角174.27°僅相差20.13°;在節(jié)面Ⅱ（走向40.9°、傾角84.8°）上的相對剪應(yīng)力和相對正應(yīng)力分別為0.915和0.375，剪應(yīng)力的滑動(dòng)角為4.9°，與節(jié)面的觀測滑動(dòng)角30°滑動(dòng)僅相差25.1°，剪應(yīng)力的滑動(dòng)角與震源機(jī)制解對應(yīng)節(jié)面的滑動(dòng)角之間的角度相差不大。綜合圖5以及計(jì)算結(jié)果可以得出，漾濞MS6.4地震基本在構(gòu)造應(yīng)力場的最優(yōu)釋放節(jié)面上發(fā)生，且主要在剪應(yīng)力的作用下發(fā)生的，震源機(jī)制解表現(xiàn)為走滑型，發(fā)震斷層也具有走滑性質(zhì)，這一結(jié)果驗(yàn)證了本文使用P波初動(dòng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論與討論

本文根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心的觀測報(bào)告中P波初動(dòng)信息，利用P波初動(dòng)的方法對滿足條件的地震事件進(jìn)行震源機(jī)制解的反演，得到了85個(gè)震源機(jī)制解，篩選后對漾濞地震序列震源機(jī)制解和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行研究得到以下結(jié)論：

（1）漾濞地震序列的85個(gè)震源機(jī)制解的錯(cuò)動(dòng)類型以走滑型為主，地震分布于維西—喬后斷裂南西方向，按照北西—南東的方式排列，與斷裂帶的走向一致。

（2）將利用P波初動(dòng)得到的主震震源機(jī)制解與其它研究機(jī)構(gòu)及個(gè)人結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，最小空間旋轉(zhuǎn)角的范圍在20.33°～47.47°，在允許的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）利用所得出的震源機(jī)制解，結(jié)合近10年內(nèi)滇西北地區(qū)地震的震源機(jī)制解反演區(qū)域應(yīng)力場，可以得出：該區(qū)域應(yīng)力場的主壓應(yīng)力方向?yàn)榻媳毕?，主張?yīng)力軸方向?yàn)榻鼥|西向，與前人給出的滇西北地區(qū)應(yīng)力場方向大體一致。

（4）通過對震源機(jī)制解和應(yīng)力場關(guān)系的研究，說明了云南漾濞地震主震基本在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的最優(yōu)釋放節(jié)面上發(fā)生，揭示了漾濞主震是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的作用下發(fā)生的。

雖然本文是在特定的速度模型下得到的震源機(jī)制解，研究區(qū)有多種速度模型，但速度模型的改變通常不會引起震源機(jī)制解數(shù)值的較大變化。另外本文采用常規(guī)地震觀測報(bào)告中臺站的P波初動(dòng)極性來求解震源機(jī)制解，如能進(jìn)一步拾取更多的P波初動(dòng)符號或許所得震源機(jī)制解會更為準(zhǔn)確。由于缺少波形數(shù)據(jù)，未采用波形加初動(dòng)的方法如HASH法（Hardebeck，Shearer，2002）計(jì)算震源機(jī)制解并與之比較，但本文所得出漾濞地震序列的震源機(jī)制解類型以走滑型為主，選取的“可能斷層面”的優(yōu)勢取向也與以北西—南東向地震序列大致吻合，根據(jù)震源機(jī)制解得到的應(yīng)力場方向也與前人得到的應(yīng)力場方向一致，這說明本文的震源機(jī)制經(jīng)過多方面的驗(yàn)證，和目前的觀測和認(rèn)識有較好的一致性，結(jié)果還是可信的。

中國地震臺網(wǎng)中心等多個(gè)機(jī)構(gòu)和王衛(wèi)民和雷興林2位教授提供漾濞地震主震震源機(jī)制解;文中的圖件采用MATLAB和Generic Mapping Tools（GMT）（Wessel，Smith，1995）繪制，審稿專家提出的寶貴修改意見，特此致謝。

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Study on Focal Mechanism Solution and Stress Field of the 2021 Yangbi，Yunnan MS6.4 Earthquake Sequence Using P-wave First Motion Data

YU Hailin1，WAN Yongge1，2，HUANG Shaohua1，CUI Huawei3

（1.Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，Hebei，China）

（2.Hebei Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Sanhe 065201，Hebei，China）

（3.Shandong Earthquake Agency，Jinan 250000，Shandong，China）

Abstract

In order to reveal the seismogenic background of the Yangbi MS6.4 earthquake in Yunnan Province and its relationship with the surrounding stress field，the dataset of the seismic sequence from 14：28 on May 18 to 5：53 on June 8 is collected.The focal mechanism solutions of 85 earthquakes with MS≥2.5 before and after the MS6.4 main shock are calculated by using the method of P-wave initial motion.Then，according to the focal mechanism solution，the stress field in the source region is inverted by using the grid search method.Finally，the focal mechanism of the main shock and the stress field around it are simulated.The results show that the direction of the main compressive stress is near NS direction，and the extensional stress axis is near EW direction.This result is roughly the same as that of the stress field in the mainland of China.Through the simulation of the stress field and focal mechanism，it is found that the main shock basically occurred in the area with the nearly largest shear stress，and the difference between the direction of the shear stress and the slip direction of the mainshock was small，which indicated that by the action of the tectonic stress field，the mainshock occurred on the nodal plane with maximum shear stress releas.

Keywords：the Yangbi MS6.4 earthquake;P-wave initial motion;focal mechanism solution;stress field;maximum shear stress