印度喀拉拉邦伊都基水庫附近小震的精確定位和震源機(jī)制：地震成因的啟示

Utpal Saikia　S.S.Rai　M.Subrahmanyam　Satyajit Dutta Somasish Bose　Kajaljyoti Borah　Rishikesh Meena

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印度喀拉拉邦伊都基水庫附近小震的精確定位和震源機(jī)制：地震成因的啟示

Utpal SaikiaS.S.RaiM.SubrahmanyamSatyajit Dutta Somasish BoseKajaljyoti BorahRishikesh Meena

摘要應(yīng)用印度南部新建的一個擁有21個臺站的臨時臺陣的地震波形，顯著提高了喀拉拉邦伊都基水庫附近地區(qū)小震的檢測閥值和參數(shù)。我們給出了這一地區(qū)16個地震的精確定位，地方震級為1.5～3.6，震源深度7.2～9.9km。所選6個最好地震的斷層面解顯示走滑斷層錯動兼右旋運(yùn)動。水庫加載通常會導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生和在淺層深度(<5km)引發(fā)地震，但是在伊都基水庫區(qū)域內(nèi)卻沒有該深度的地震。記錄到的地震僅限于靠近Karur-Kambam-Painavu-Trichur(KKPT)剪切帶西北—東南走向的斷層。這些結(jié)果表明，伊都基水庫區(qū)域內(nèi)的地震均屬于天然構(gòu)造地震，而與水庫沒有聯(lián)系。

關(guān)鍵詞地震定位斷層面解水庫構(gòu)造地質(zhì)

作為印度深部地球成像實驗(INDEX)的一部分1，我們于2011年1月至2012年3月運(yùn)行了一個由21個寬頻帶地震儀組成的臺陣，臺陣位于印度南部的泰米爾納德邦和喀拉拉邦，用于繪制地震圖像和區(qū)域深層結(jié)構(gòu)(圖1)。在這個低應(yīng)變(10-12～10-13/年)地區(qū)2，我們的儀器在橫跨喀拉拉邦貝里亞爾河的科欽以東約120km的伊都基水庫(9°50′N；76°58.5′E)附近記錄了一些小地震。伊都基水庫附近最近發(fā)生的地震活動Rajendran等3已報道過。然而，由于儀器數(shù)據(jù)不足，他們不能提供精確的震中位置、震源深度和震級。伊都基是亞洲最高的拱壩之一(169m)，自1975年10月開始啟用。在歷史上，喀拉拉邦地區(qū)發(fā)生過幾次小到中等強(qiáng)度的地震4，5，包括(M<5)的1988年伊都基地震6，7，1994年Wadakachery地震8，2000年和2001年的Erattupeta/Pala雙震9，10。伊都基區(qū)域的低增益地震臺網(wǎng)從1971年開始運(yùn)行，已經(jīng)記錄了大量的地震7。1977～1983年在伊都基水庫附近發(fā)生的地震(M≤3.5)，被認(rèn)為是水庫引起的11。另一種觀點認(rèn)為，這些地震是被該地區(qū)早就存在的西北—東南走向的斷裂所再次激活的12，13。由于多數(shù)地震都很小，波形質(zhì)量很差且波形數(shù)量不足，因此地震參數(shù)無法精確測定。在這種情況下，我們給出臺網(wǎng)運(yùn)行期間所發(fā)生地震的精確震源位置和震源機(jī)制解，并且討論這些地震與水庫附近地表地質(zhì)特征之間的可能聯(lián)系。

圖1　南印度地盾的構(gòu)造圖，給出了主要地質(zhì)地形(原圖為彩色圖——譯注)。其中，EDC：東塔爾瓦爾克拉通；WDC：西塔爾瓦爾克拉通；SGT：南麻粒巖地形；CG：Closepest花崗巖；MSZ：Moyar剪切帶；BSZ：珀瓦尼剪切帶；NKSZ：諾伊爾—高韋里剪切帶；ASZ：Achankovil剪切帶；KKPT：Karur-Kambam-Painavu-Trichur剪切帶；MB：馬杜賴塊；KKB：喀拉拉邦孔茲巖帶。圖示的矩形表示圖2的區(qū)域范圍。這項研究中使用的地震觀測站(2011～2012年)用實心三角形表示。每個臺站的代碼用3個字母表示，紅色的實心圓代表地震的位置

伊都基水庫位于西高止山脈的南部，走向與印度西海岸平行。圖1顯示了印度南部的主要區(qū)域結(jié)構(gòu)，地質(zhì)上稱為南麻粒巖(SGT)。地形被良好映射的北部Moyar剪切帶和珀瓦尼剪切帶(MSZ/BSZ)和南部的諾伊爾—高韋里剪切帶(NKSZ)及KKPT剪切帶所分割，印度南部的諾伊爾—高韋里剪切帶南邊是泛非地形，包括馬杜賴北部地塊(MB)和南部喀拉拉邦孔茲巖帶(KKB)。伊杜基區(qū)的主要巖石類型為紫蘇花崗巖、片麻巖和孔茲巖系。主要構(gòu)造特征是西北—東南走向的貝里亞爾河輪廓和KKPT剪切帶14，15(圖2)。這個區(qū)域的這兩個突出的輪廓有右旋走滑分量(右旋)。

2011年1月至2012年3月，我們在該區(qū)域部署了一個擁有21個數(shù)字寬帶地震臺站的臨時臺陣(圖1)。臺站參數(shù)在表1中列出。這些臺站都安裝了Guralp CMG-3T/ESP寬帶傳感器，配備4GB插拔硬盤和全球定位系統(tǒng)的24位REFTEK(RT130/01)數(shù)字記錄器。所有的臺站都是連續(xù)運(yùn)行模式，波形記錄的速度為50個樣本/秒。

表1　印度南部地震臺網(wǎng)運(yùn)行細(xì)節(jié)

為了探測和提取當(dāng)?shù)氐牡卣?，我們利用布設(shè)的RTVIEW中的REFTEK應(yīng)用軟件手動檢查該區(qū)域的連續(xù)波形，要求最少有3個代表性的臺站來準(zhǔn)備當(dāng)?shù)氐牡卣饡r間序列。此列表用來為所有臺站選取地震時間序列。最后，我們做出了高信噪比(S/N)和P波震相清晰的地震波形的事件臺站列表。這些地震用來校正儀器響應(yīng)。我們使用地震分析軟件SEISAN16進(jìn)行了P波和S波震相的拾取。根據(jù)清楚的震相，我們指定一個不確定的時間范圍，P波到時為0.05～0.50s，S波到時為0.1～1.5s。為了避免震相影響，到時都是手動從未經(jīng)過濾的地震記錄中拾取的。P波在垂直分量拾取，S波在水平分量。為了給數(shù)據(jù)質(zhì)量一個概念，圖3呈現(xiàn)了臺陣記錄的一個地震的垂直分量。

地震(表2)最少挑選12個P波和10個S波的到時，使用HYPOCENTER17程序來確定震源位置。震源測定精度取決于記錄臺站的分布以及震源和臺站之間的速度結(jié)構(gòu)。用于震源定位的初始地殼速度模型(表3)，是一個最初反演結(jié)果的簡化版本，來自臺網(wǎng)臺站的接收函數(shù)研究(Ritima Das，私人通訊)。波速比VP/VS的平均值1.71±0.001 7是通過P波的到時和S-P波到時差從和達(dá)曲線中得出的(圖4)。這些地震的方位角范圍為120°～125°。此16個地震的時間殘差均方根、震源深度和震中詳細(xì)誤差統(tǒng)計(H)、震源深度(Z)和時間殘差均方根(s)都在圖5中顯示。震中誤差、震源深度和時間變化范圍分別為為0.8～2.2km，1.5～2.5km和0.10～0.20s。這些地震的震源深度很好地限制在7.2和9.9km之間。這些地震的細(xì)節(jié)列于表2，震中在圖2中顯示(插圖)。要評估這些地震的深度可靠性，我們選定了2個高質(zhì)量的地震，每個地震至少被有清晰的P和S波震相12個臺站記錄到。在地震資料分析中，震源深度和發(fā)震時刻作為一個耦合參數(shù)，這會導(dǎo)致它們根據(jù)到時數(shù)據(jù)估計不準(zhǔn)確。因此，我們進(jìn)行了一系列的只有3個自由參數(shù)的地震反演(緯度、經(jīng)度和發(fā)震時刻)同時保持每一次深度都固定不變(圖6)。這確保了深度和發(fā)震時刻是互相解耦的，可以提高震源深度的全局檢索。我們計算地震位置時，震源深度范圍1～25km，其中增量變化為1km。將時間殘差均方根最小時的解，作為最后選定的解。兩次地震的結(jié)果顯示在圖6，其中最小均方根的變化值是根據(jù)不同震相數(shù)據(jù)子集的震源深度(組合的P和S波以及單獨的P波)標(biāo)繪的。針對這兩次地震，我們粗略地估算了震源深度，均方根和深度函數(shù)都圍繞最小值呈陡峭狀態(tài)。最低配達(dá)到深度10km和9km。相應(yīng)的反演結(jié)果，震源深度為9.7km和9.1km。這種敏感性試驗證實計算震源深度是可靠的。

圖2　伊都基水庫周邊地區(qū)的斷層和輪廓(引自Rajendran et al5)(原圖為彩色圖——譯注)?？招膱A代表這個地區(qū)2011年7月至2012年3月地震的位置。藍(lán)色空心圓代表主震(ML=3.6)，紅色空心圓代表其他的事件。KKPT剪切區(qū)域用黑虛線表示。黑色三角形代表地震站；臺站ELP是距離研究區(qū)域最近的一個臺站。伊都基水庫也在圖中顯示，實心菱形代表水壩的位置

日期世界時緯度經(jīng)度深度震級(ML)2011-07-2607∶39∶16.0209.74576.9059.73.62011-07-2608∶45∶55.5209.75276.9129.92.92011-07-2610∶56∶43.2109.75476.9089.42.42011-07-2618∶32∶03.8009.75576.9019.81.52011-08-2313∶57∶49.2909.74076.9059.11.62011-09-1722∶26∶24.4009.75076.9168.92.02011-09-1800∶59∶07.3809.75176.9009.12.12011-10-0221∶23∶12.0509.74776.9139.11.92011-10-0721∶46∶38.5909.74376.9149.51.92011-11-0204∶53∶13.4709.74476.9148.92.22011-11-1723∶57∶57.1509.74176.9189.72.62011-11-1800∶15∶38.5809.73876.9159.83.22011-11-2521∶44∶58.3409.75176.9138.82.92011-12-1010∶11∶16.7209.75476.9079.92.02012-03-0418∶47∶45.0809.75476.9088.11.52012-03-1819∶53∶23.1509.75176.9057.22.0

圖3　地震圖的垂直分量——以2011年7月26日的一個事件為例(緯度：09.745°N，經(jīng)度：76.905°E)。同時顯示了每個臺站的三個字母的代碼名稱。這個事件的發(fā)震時刻為07∶39∶16.02，地方震級是3.6，有21個臺站記錄到。這里顯示了15個臺站的垂直分量

表3　地震定位用到的地殼速度模型

圖4　計算波速比VP/VS(1.71)的S-P走時差與P波走時的線性擬合，標(biāo)準(zhǔn)差為0.001 7

圖5　顯示所有事件的(a)均方根(s)；(b)震源深度(km)；(c)垂直向(Z)誤差(km)；(d)水平向(H)誤差(km)的直方圖。X軸表示表2所列事件的序列號

圖6　使用單事件模型計算兩個地震的均方根—震源深度圖。線型表示用于定位的到時數(shù)據(jù)范圍，實線：所有P波和S波到時；虛線：所有P波到時。事件1：2011年7月26日，發(fā)震時刻07∶39∶16.02，震級：3.6，09.745°N，76.905°E。事件2：2011年8月23日，發(fā)震時刻13∶57∶49.29，震級：1.6，09.740°N，76.905°E。我們還比較了反演結(jié)果的估計深度(標(biāo)記為垂直線，事件1為9.7km，事件2為9.1km)

日期世界時緯度經(jīng)度當(dāng)前研究(ML)ISC(ML)IMD(ML)2011-07-2607∶39∶16.0209.74576.9053.63.73.52011-07-2608∶45∶55.5209.75276.9122.93.23.22011-11-1800∶15∶38.5809.73876.9153.23.03.12011-11-2521∶44∶58.3409.75176.9132.93.33.2

地震的里氏震級是由伍德—安德森地震儀記錄，根據(jù)波的振幅(A)的對數(shù)(log)確定的，利用公式ML=log(A/A0)計算，其中A0是在參考距離的振幅。相應(yīng)地，震級的調(diào)整包括彌補(bǔ)各種地震儀和地震的震中之間距離的變化。震級由水平分量的最大振幅值確定。為了獲得地方震級(ML)，對地震圖進(jìn)行數(shù)字濾波來模擬伍德—安德森地震儀，用記錄的最大水平振幅直接確定ML。最終的震級大小等于所有單個站點震級的中值。地方地級(ML)使用公式18ML=a×log(amp)+b×log(dist)+c×dist+d計算，其中振幅(amp)是伍德—安德森儀記錄的地震波形中的最大水平振幅(零峰值；nm)，dist是震源距(km)。我們使用的校準(zhǔn)參數(shù)(a，b，c，d)，由Alsaker等19提供，其中a=1.0，b=0.91，c=0.000 87，d=1.67。為了建立適合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)的校準(zhǔn)常量，以及校正衰減參數(shù)，我們把震級作為距離的函數(shù)進(jìn)行計算(圖7)。觀察到，震級隨震中距(變化)并沒有太大的波動(標(biāo)準(zhǔn)偏差約為±0.108)。沒有任何系統(tǒng)計算震級的距離依賴性表明該校準(zhǔn)參數(shù)可以適當(dāng)?shù)孛枋鲈摰貐^(qū)的衰減。在表4中，我們比較了由國際地震中心和印度氣象局測定的本研究的4個地震的參數(shù)。我們計算的地震震級接近由國際地震中心和印度氣象局目錄確定的值。作為示例我們在圖7中展示了一個地震的結(jié)果，圖中所示在SEISAN默認(rèn)參數(shù)的幫助下計算的振幅沒有顯著的偏移。使用所述參數(shù)，我們計算了16個地震的的震級(表2)。

圖7　由震中距為17～275km之間的11個不同臺站數(shù)據(jù)計算的事件的震級。在本研究中，我們使用基于Alsaker等19的默認(rèn)校準(zhǔn)功能SEISAN軟件(三角形).所有臺站的平均值是ML=3.6(水平虛線)，標(biāo)準(zhǔn)偏差是±0.108(灰色區(qū)域)。我們還將我們的結(jié)果與國際地震中心(ISC)和印度氣象局(IMD)的目錄進(jìn)行了對比

日期世界時震級(ML)深度/km走向NP1傾角NP1滑動角NP1走向NP2傾角NP2滑動角NP22011-07-2607∶39∶16.023.69.7317.0048.50-172.86222.2684.66-41.722011-07-2610∶56∶43.212.49.4315.7861.42-153.81212.5467.20-31.262011-09-1722∶26∶24.402.08.9332.6682.22-146.80237.6057.14-09.272011-11-1723∶57∶57.152.69.7326.3259.01-168.07230.1179.79-31.552011-11-1800∶15∶38.583.29.8324.7379.54-165.27232.0075.52-10.812011-11-2521∶44∶58.342.98.8316.5972.99-162.82221.4273.59-17.76

我們使用程序FPFPIT20計算了6個記錄良好的地震的震源機(jī)制解，都有明確的P波初動，臺站方位角<125°，這個網(wǎng)格搜索程序把節(jié)面和觀測到的初動數(shù)據(jù)的擬合誤差達(dá)到最小。對于每個地震，我們使用12～16個P波初動，初動從原始地震記錄中手動拾取。這些地震震級范圍為2～3.6。在圖8中，將最大震級事件(ML=3.6)的P波初動繪制于等積投影的下半球。震源機(jī)制解如圖9所示，并在表5中列出。斷層類型根據(jù)Aki和Richards21的約定計算。因為這些分類是基于傾角，因此有必要利用地質(zhì)信息來確定這兩個節(jié)面之間的斷層面。不考慮節(jié)面是否是斷層面時，所有的震源機(jī)制解有相似的斷裂特征，震源機(jī)制解的節(jié)面都顯示北西—南東和北東—南西方向表示走滑斷層。這些震源機(jī)制解表明，是沿北西—南東方向的右旋走滑運(yùn)動，并且這個節(jié)面被認(rèn)為是斷層面，地質(zhì)證據(jù)也證實了這一點。我們得出的結(jié)果與Rastogi等7通過復(fù)合震源機(jī)制解析出的節(jié)面一致。該震源機(jī)制解析顯示出右旋運(yùn)動的平均走滑斷層作用，P軸近乎垂直，而T軸幾乎是水平的。

圖8　使用FPFIT程序由16個P波初動數(shù)據(jù)得到的一個震源機(jī)制解例子。我們使用兩個符號表示地震臺站數(shù)據(jù)：P波初動向下為減號(-)，P波初動向上為加號(+)

圖9　伊都基水庫周邊地區(qū)的斷層和輪廓(Rajendran et al5)及震源機(jī)制解。事件在表5的細(xì)節(jié)中按時間順序編號。編號為1的震源機(jī)制解代表主震(ML=3.6)

伊都基地震起因的科學(xué)觀點可分為：伊都基構(gòu)造地震或水庫觸發(fā)地震(RTS)。我們下面討論這兩類地震的某些特征，理解地震的本質(zhì)，并區(qū)分這兩類地震。

(i)全球沒有水庫觸發(fā)例子表明，地震發(fā)生在水庫開始蓄水20年之后22。伊都基附近近期的地震活動發(fā)生在1977年活動開始集中爆發(fā)后的近35年，因此是否為水庫觸發(fā)是可疑的。

(ii)2007～2011年這5年里，湖泊水位的周變化和顫動頻度這些參數(shù)無顯著變化3。此外，地震活動似乎與水庫蓄水的速率或者降雨強(qiáng)度無關(guān)。所以我們不能把這個與水庫影響和地震活動關(guān)聯(lián)起來。

(iii)湖水水位變化引起的應(yīng)力變化，可能使斷層弱化引起水庫觸發(fā)地震，這一直是一個長期爭論的問題。已有知識表明1.5m/周的水位變化引起在淺震深度(2～5km)23，240.1bar或更少的應(yīng)力變化。這一般適用于大多數(shù)水庫觸發(fā)地震，由于最近伊都基地區(qū)的地震震源深度達(dá)9km，因此這些地震的發(fā)生與湖水水位的變化無關(guān)。

(iv)就水庫觸發(fā)地震而言，前震活動通常先于主震6，在這種情況下，沒有觀測到這種情況的報告。

(v)我們計算出的地震震源機(jī)制是向走滑兼右旋運(yùn)動，與Rastogi等71988年報道的伊都基地震一樣。地震震中與伴隨KKPT剪切帶產(chǎn)生的北西—南東走向的斷層密切相關(guān)，表明了它們之間存在內(nèi)在聯(lián)系。

我們研究了喀拉拉邦伊都基水庫西南部附近發(fā)生的16個小地震(ML1.5～3.6)的位置和震源機(jī)制。這些地震發(fā)生于2011年1月21日至2012年3月，由一個21個臺站的臨時臺陣記錄到。用這些足夠數(shù)量的地震臺站，我們給出了這些事件準(zhǔn)確的震源位置和斷層面解。這些地震的震源深度達(dá)7.2～9.9km，不太可能是由水庫加載所產(chǎn)生的應(yīng)力觸發(fā)的，水庫加載通常產(chǎn)生的地震在淺的深度(<5km)。前震活動的缺失和與水位時間序列變化不相關(guān)進(jìn)一步證明了這一點。

近期的地震都局限在北西—南東走向的斷層和KKPT剪切帶內(nèi)，在伊都基水庫西南方大約6～8km。利用清晰的P波初動，得到了6個事件的斷層面解。計算的斷層面解表明沿著西北—東南走向的走滑兼右旋斷層運(yùn)動；P軸明顯沿北—南方向垂直，T軸幾乎水平(南方向)。幾個大的輪廓和斷層橫貫伊都基區(qū)域。貝里亞爾河和KKPT是這個地區(qū)的主要輪廓，輪廓主要為剪切帶。該地區(qū)的輪廓結(jié)構(gòu)顯示了以北西—南東和北東—南西走向的斷層為主，震源機(jī)制解也支持這個觀點。綜合歷史和近期的地震記錄以及斷層面解的結(jié)果表明，北西—南東走向的斷層和喀拉拉邦中部KKPT剪切帶可能是未來發(fā)生小到中等地震的潛在區(qū)域。

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譯 者 簡 介

任家琪(1992—)，男，成都理工大學(xué)地球物理專業(yè)本科，主要從事寧夏地震局監(jiān)測工作。E-mail：626130555@qq.com。

Utpal Saikia，S.S.Rai，M.Subrahmanyam，Satyajit Dutta，Somasish Bose，Kajaljyoti Borah，Rishikesh Meena.2014.Accurate location and focal mechanism of small earthquakes near Idukki Reservoir，Kerala：implication for earthquake genesis.ResearchCommunicationsCurrentScience.107(11)：1885-1891

任家琪 譯.2016.印度喀拉拉邦伊都基水庫附近小震的精確定位和震源機(jī)制：地震成因的啟示.世界地震譯叢.47(3)：177-187.doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201603001

論文

寧夏地震局任家琪譯

中國地震局地球物理研究所李艷娥校