王志偉 馬勝利 雷興林 王凱英
1)中國地震局地質(zhì)研究所,地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029
2)日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所,日本筑波305-8567
紅河斷裂帶位于青藏高原的東南緣,是川滇菱形活動地塊的西南邊界,該斷裂帶是一條貫穿云南地區(qū)的大型走滑斷層,第四紀(jì)以來總體表現(xiàn)為右旋走滑兼正斷特性,且地震活動表現(xiàn)出由北向南逐漸減弱的趨勢。根據(jù)斷裂帶的活動特征,可將其分為北、中、南3段(虢順民等,1984,1996;云南省地震局,1988;張建國,2009)。其中自洱源以北—彌渡的紅河斷裂帶北段也稱為維西-喬后斷層,是云南地震活動強(qiáng)烈的區(qū)域之一(圖1)。該斷層在水平和垂直方向均可觀察到明顯位錯(cuò),并且兩側(cè)存在多條平行或斜切的寬20~30km的呈面狀分布的分支斷層(虢順民等,1984,1996;向宏發(fā)等,2004;張建國,2009;常祖峰等,2016)。近年來,一些學(xué)者圍繞紅河斷裂帶北段開展了多方面研究。Lei等(2011)研究了2004年蘇門答臘MW9.3地震對云南地區(qū)的遠(yuǎn)程觸發(fā)作用,在多個(gè)斷層帶(包括維西-喬后斷層)附近觀測到顯著的遠(yuǎn)程觸發(fā)地震,認(rèn)為這些斷層局部可能處于臨界應(yīng)力狀態(tài),且觸發(fā)地震與深部流體活動有關(guān)。多項(xiàng)研究表明,洱源和麗江等地溫泉特別發(fā)育,地下流體對地震活動響應(yīng)非常靈敏(付虹等,2013;劉耀煒等,2015;楊竹轉(zhuǎn)等,2018)。魯小飛等(2019)根據(jù)GPS數(shù)據(jù)反演結(jié)果,認(rèn)為2008年汶川M7.9地震發(fā)生之后維西-喬后斷層的走滑速率加快,斷層的平均閉鎖深度接近20km,滑動虧損程度達(dá)10mm/a。洱源地區(qū)在2013年先后發(fā)生了MS5.5和MS5.0地震,趙小艷等(2014)根據(jù)地震現(xiàn)場考察和震源機(jī)制解計(jì)算結(jié)果,認(rèn)為這2次地震的發(fā)震斷層為NNW 向的維西-喬后斷層。一些學(xué)者對維西-喬后斷層的庫侖應(yīng)力變化進(jìn)行了計(jì)算,認(rèn)為該斷層危險(xiǎn)性較高(尹鳳玲等,2018)。鑒于維西-喬后斷層是滇西北地區(qū)最重要的活動斷層之一且具有發(fā)生強(qiáng)震的背景,2018年初中國地震局地質(zhì)研究所與云南省地震局合作,在滇西北地區(qū)架設(shè)了30個(gè)流動地震觀測臺站,以期獲得更多的地震觀測資料,從而為深入分析維西-喬后斷層及周圍地區(qū)的地震活動性特征奠定良好基礎(chǔ)。
圖1 滇西北地區(qū)活斷層與2006—2018年期間地震活動分布圖Fig.1 Map view of active faults and seismic activity from 2006 to 2018 in the northwestern area of Yunnan.DL大理;EY洱源;LJ麗江;YS永勝;F1維西-喬后斷層;F2瀾滄江斷層;F3怒江斷層;F4龍?bào)矗瓎毯髷鄬樱籉5麗江斷層;F6鶴慶 斷層;F7 永勝斷層;F8 紅河斷層。斷層數(shù)據(jù)從數(shù)字“中國活動構(gòu)造圖”中導(dǎo)入,地震目錄數(shù)據(jù)由中國地震數(shù)據(jù)中心(1) ①http:∥data.earthquake.cn。提供
從2006—2018年期間的地震分布(圖1)來看,維西-喬后斷層除了在其與多條NE向斷層的交會部位和斷層階區(qū)有一些小地震分布外,沿?cái)鄬臃植嫉牡卣鹗录⒉欢?。但在該斷層西?cè),中小地震活躍且呈條帶狀分布,近年來發(fā)生的幾次中等地震也都叢集于該地帶。因此,針對維西-喬后斷層目前的地震活動特征、是否存在分支斷層及其地震危險(xiǎn)程度等問題,都需要深入研究。本文基于前述流動地震觀測臺站和云南地區(qū)固定地震臺站的觀測數(shù)據(jù),利用波形相關(guān)方法進(jìn)行微地震檢測與定位,進(jìn)而通過統(tǒng)計(jì)分析研究斷層的地震活動特征,同時(shí)利用ETAS模型分析流體活動對地震活動的可能影響。
本文使用的地震數(shù)據(jù)來源于前述30個(gè)臨時(shí)短周期臺站(地震計(jì)和地震數(shù)據(jù)采集器分別為CMG-40T和REFTEK-130S)和云南地區(qū)的14個(gè)固定臺站,臺站分布見圖1。洱源地區(qū)相關(guān)觀測數(shù)據(jù)由中國地震局科學(xué)探測臺站設(shè)備取得。
本文利用波形相關(guān)方法(Pengetal.,2009;Zhangetal.,2015)進(jìn)行微地震檢測和定位?;谥袊卣鹋_網(wǎng)中心地震目錄選擇模板地震,應(yīng)用HypoDD方法(Waldhauseretal.,2000)對模板事件進(jìn)行相對定位,其中采用一維平均速度模型(Huaetal.,2018)利用波形相關(guān)方法進(jìn)行微地震檢測與定位。首先使用1~10Hz的高通濾波器對模板和連續(xù)波形進(jìn)行濾波,隨后降低采樣率至50Hz,以減少后續(xù)檢測所需的計(jì)算時(shí)間。根據(jù)上述速度模型,搜索模板事件周圍的三維空間網(wǎng)格,并計(jì)算模板事件與潛在微震事件的走時(shí)差。在考慮走時(shí)差的前提下,沿著連續(xù)波形滑動模板波形窗口,計(jì)算臺站每個(gè)通道的相關(guān)系數(shù)(CC)和信噪比(SNR)?;谟?jì)算出的平均相關(guān)系數(shù)和左、右信噪比,判斷檢測到的微地震事件的可靠性。用于檢測微地震事件的平均相關(guān)系數(shù)(CC)的閾值為0.3,信噪比(SNR)的閾值為10。
為了定量表征地震活動的時(shí)空分布等特征,本文采用了幾種統(tǒng)計(jì)參數(shù)來檢測地震活動性和應(yīng)力狀態(tài)的變化。一是地震發(fā)生頻度,定義為單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的一定震級以上的地震個(gè)數(shù)n=dN/dt,可采用固定事件數(shù)(dN)或固定時(shí)間窗口長度(dt)進(jìn)行掃描獲得。固定事件數(shù)掃描在時(shí)間軸上的分辨率將自動根據(jù)地震活動的頻度進(jìn)行調(diào)節(jié),且估計(jì)誤差不變或變化較小。二是地震釋放的能量,由式(1)給出:
其中,C為常數(shù),C=0.75對應(yīng)Benioff應(yīng)變能,C=1.5對應(yīng)傳統(tǒng)的能量(Mo)。三是b值,地震的震級-頻度分布一般滿足G-R關(guān)系,震級≥M的地震累積數(shù)(N)為
其中,a和b為常數(shù),可采用最小二乘法或者最大似然法進(jìn)行估計(jì)。b值與介質(zhì)物性和應(yīng)力水平有關(guān)(Leietal.,2007),特定地區(qū)b值的變化可反映局部應(yīng)力狀態(tài)的變化,即b值的下降在一定程度上反映應(yīng)力的增加或孔隙壓的擴(kuò)散(Scholz,1968;Hainzletal.,2002;Schorlemmeretal.,2005;Leietal.,2007;易桂喜等,2008,2013)。
地震活動的ETAS模型(Sornetteetal.,1999;Helmstetteretal.,2003;Ogataetal.,2003;Ogata,2005)能有效幫助揭示地震活動的變化(Ogata,1992,2005;Zhuangetal.,2002),探測較小的應(yīng)力變化(Helmstetteretal.,2003),發(fā)現(xiàn)有關(guān)流體作用的信息(Hainzletal.,2005;Leiet al.,2008)。ETAS模型假設(shè)每次地震具有觸發(fā)其自身的大型余震的震級依賴能力,并用于統(tǒng)計(jì)地震活動的特征。定義λ(t)為地震的總發(fā)生率,v(t)為與所有先前地震有關(guān)的余震發(fā)生率,p0為穩(wěn)定泊松過程的隨機(jī)背景地震活動,則有:
其中,MC為震級下限,α表示余震發(fā)生能力,p為余震衰減率,c為修正的大森定律中的常數(shù)。具體參數(shù)計(jì)算過程可參見文獻(xiàn)(Leietal.,2013)。
前述分析方法和建模均已開發(fā)為通用軟件,并將其嵌入到了GeoTaos軟件平臺(2)https:∥bem lar.ism.a(chǎn)c.jp/lxl/。。本文直接利用該平臺進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
微地震檢測結(jié)果如圖2所示。關(guān)于模板地震選擇,初始地震目錄來自中國地震臺網(wǎng)中心列出的2 174個(gè)M≥1.0的地震事件。利用波形相關(guān)方法總共檢測到11 130個(gè)地震事件(圖2a),約為模板地震目錄的5倍,震級主要分布在0~2級之間,完整地震目錄的震級下限由1.5變?yōu)?.0(圖2b)。
圖2 a模板地震與檢測到的小地震隨時(shí)間的變化;b地震震級-頻度關(guān)系Fig.2 Template events and detected microearthquakes changing over time(a),and magnitude frequency relationship(b)a紅色為模板地震,綠色為檢測到的小地震,負(fù)震級表示S波或Lg震相的最大振幅小于零級地震;b M C 為完整的地震目錄的震級下限,最大似然b值和最小二乘法b值分別用b m l和b ls表示,S E 表示標(biāo)準(zhǔn)誤差
對維西-喬后斷層及其附近區(qū)域的地震事件進(jìn)行檢測和定位之后,震中分布如圖3所示??梢姡瑓^(qū)域內(nèi)地震活動主要受斷層及其斷層幾何結(jié)構(gòu)的影響,在斷層末端、斷層彎曲、斷層階區(qū)以及斷層交會等部位,地震叢集特征明顯。對于我們關(guān)注的維西-喬后斷層,除上述特殊斷層部位外,沿?cái)鄬臃植嫉牡卣鸩⒉欢?,地震事件主要分布在其兩?cè),其中東側(cè)的地震活動主要受多條NE向斷層的控制,而西側(cè)的地震主要叢集于1個(gè)NW 向條帶中,其北端與維西-喬后斷層相距約30km,向S逐漸與維西-喬后斷層交會,北端的地震事件具有散布的特征。地震事件顯著呈條帶狀分布的特征表明,維西-喬后斷層西側(cè)可能存在隱伏的分支斷層。
沿維西-喬后斷層從北到南做3條剖面以反映地震的深度分布(圖4),將距剖面15km范圍內(nèi)的地震事件投影在剖面上。從結(jié)果可見,地震活動整體分布于上地殼,震源深度主要集中在4~16km。由AA′剖面可見,地震叢集于維西-喬后斷層西側(cè)約20km處,清楚地勾繪出一條近直立的隱伏斷層。BB′剖面也清晰地揭示出地震叢集于隱伏斷層上,且距離維西-喬后斷層更近。CC′剖面同樣顯示出隱伏斷層的存在,且與維西-喬后斷層的影響范圍趨于重合。2019年11月25日在這條推測的隱伏斷層(靠近BB′剖面)發(fā)生了M4.4地震,我們采用gCAP方法(Zhuetal.,2013)計(jì)算了震源機(jī)制解,獲得的斷層走向?yàn)?10°,傾角76°,滑動角為165°(圖3,4),表明這條隱伏斷層的性質(zhì)以走滑為主,斷層傾角與維西-喬后斷層接近。
圖3 滇西北地區(qū)活斷層與2018年2月25日—2019年7月31日期間的地震活動分布圖Fig.3 Map view of active faults and seismic activity from February 25,2018 to July 31,2019 in the northwestern area of Yunnan.詳細(xì)的城市地名和斷層名見圖1;藍(lán)色實(shí)線表示AA′—CC′3個(gè)深度剖面;紅色虛線表示可能存在的分支斷層;2019年11月25日發(fā)生的M4.4地震使用震源機(jī)制解下半球的投影表示
圖4 從AA′到CC′的震源深度剖面分布圖,對應(yīng)于圖3中的剖面Fig.4 The focal depth distribution from section AA′to CC′.紅色實(shí)線表示維西-喬后斷層,斷層各段的傾角根據(jù)地質(zhì)斷層產(chǎn)狀測量和震源機(jī)制解結(jié)果獲得(王曉山等,2015;尹鳳玲等,2018);紅色虛線表示可能存在的分支斷層。2019年11月25日發(fā)生的M4.4地震使用震源機(jī)制解垂直于深度剖面的投影表示
以檢測微地震后的地震目錄為基礎(chǔ),選擇M1.0作為完整地震目錄的震級下限,對維西-喬后斷層及其附近地區(qū)的地震活動參數(shù)隨時(shí)間的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。圖5為地震M-t圖及地震頻度、能量釋放率和b值隨時(shí)間的變化??梢?,在加密觀測的近2a,地震活動相對穩(wěn)定,地震頻度、地震能量釋放率和b值隨時(shí)間的變化幅度不大。其中對應(yīng)力水平具有指示意義的b值在1.0附近波動,在2018年10月和2019年1月2個(gè)時(shí)間段內(nèi),b值下降相對明顯,表明應(yīng)力水平有所增強(qiáng),在此背景下發(fā)生了較大的地震,2019年6月之后b值又出現(xiàn)下降趨勢,且地震能量釋放率有明顯增強(qiáng)的趨勢,但總體上b值仍處于較高值,表明應(yīng)力水平增強(qiáng)有限。
圖5 地震活動主要統(tǒng)計(jì)參數(shù)分布圖Fig.5 Distribution ofmain statistical parameters of seismic activity.a(chǎn)地震震級隨時(shí)間變化圖;b地震日頻度和能量釋放率隨時(shí)間變化圖;c b值隨時(shí)間變化圖,b值通過最小二乘法進(jìn)行計(jì)算,統(tǒng)計(jì)參數(shù)為固定事件數(shù)(100)掃描,步長為20個(gè)事件數(shù)
此外,對地震活動b值的空間分布也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。本文選取的地震震級下限為1.0級,最大掃描半徑為15km,地震事件數(shù)目為30。以(26°N,100°E)為中心,在區(qū)域范圍內(nèi)(25°~27°N,99°~100°E)沿經(jīng)、緯度方向?qū)⑵渚鶆虻貏澐譃?01×101個(gè)網(wǎng)格,網(wǎng)格點(diǎn)即為b值的計(jì)算點(diǎn),相鄰計(jì)算點(diǎn)之間的直線距離約為2.2km。以每個(gè)計(jì)算點(diǎn)為圓心,向四周逐漸擴(kuò)大搜索,按照每個(gè)地震事件到中心點(diǎn)的距離排序,以第30個(gè)地震事件到中心點(diǎn)的距離為最終的搜索范圍,基于這30個(gè)地震事件采用最大似然法計(jì)算b值。如果在某點(diǎn)的最大搜索半徑15km范圍內(nèi)沒有達(dá)到30個(gè)地震事件,則該計(jì)算點(diǎn)沒有b值。如圖6所示,總體而言,b值的空間分布差異明顯,其中接近和超過1.0的高b值區(qū)占主導(dǎo)地位,低b值區(qū)主要分布于斷層端部、斷層拐折部位、斷層階區(qū)以及斷層交會處等區(qū)域,如圖6中的S1—S6所示。對于我們關(guān)注的維西-喬后斷層,僅在斷層交會部位和階區(qū)(S1,S3)以及斷層西側(cè)的隱伏斷層上存在低b值區(qū)域。上述低b值區(qū)域尺度均較小,一般不超過20km。
圖6 滇西北區(qū)域添加小地震后的b值空間分布圖Fig.6 Spatial distribution characteristics of b-value after adding micro earthquakes in the northwest area of Yunnan.S1—S6表示相對低b值區(qū)域,F(xiàn)1—F8所代表的斷層詳見圖1
為了從地震活動數(shù)據(jù)中檢測出較小的應(yīng)力變化(Ogata,2005)并提取相關(guān)的流體信號,我們將ETAS模型應(yīng)用于檢測微地震后的地震目錄,其中假設(shè)每個(gè)地震具有觸發(fā)其自身的大森型余震的震級依賴能力,并假設(shè)區(qū)域范圍內(nèi)的地震活動具有恒定的地震發(fā)生率。維西-喬后斷層及附近地區(qū)地震活動的ETAS建模結(jié)果如圖7所示。在擬合的ETAS參數(shù)中,外部觸發(fā)地震活動的p0為4.504 541,其占總地震發(fā)生率的相對百分比為44.1%,表明外部觸發(fā)機(jī)制和自觸發(fā)機(jī)制均非常重要。震級依賴性參數(shù)α為0.166,表明后一次地震對前一次地震的震級依賴性很低,即前一次地震引起的應(yīng)力變化對后一次地震的影響很小。余震衰減率的p值為1.07,接近全球余震衰減值。這表明,維西-喬后斷層區(qū)域附近接近一半的地震活動受到外部因素的影響,如遠(yuǎn)程強(qiáng)震的動態(tài)觸發(fā)、地下流體擾動等。
圖7 ETAS模型建模統(tǒng)計(jì)分析Fig.7 ETASmodel statistical analysis.a(chǎn) ETAS模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果?;疑摼€表示理論地震累計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化,藍(lán)色實(shí)線表示擬合后地震累計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化;b將實(shí)際觀測地震活動轉(zhuǎn)化為預(yù)測地震活動,其震級隨轉(zhuǎn)化時(shí)間的變化圖,轉(zhuǎn)化時(shí)間即為轉(zhuǎn)化地震數(shù)
地震活動的時(shí)空分布是斷層活動最直接的表現(xiàn)。對維西-喬后斷層及其附近區(qū)域地震事件的檢測和定位表明,目前該斷層除了一些特殊的斷層部位(階區(qū)、交會區(qū)等)外,地震活動微弱,地震事件主要分布在其西側(cè),這與2006—2018年期間的地震活動分布基本一致。其中地震的震中分布揭示在維西-喬后斷層西側(cè)可能存在一條隱伏的分支斷層,其南端與維西-喬后斷層交會,沿NW 走向(310°)向N延伸并可能與瀾滄江斷層交會。地震事件在剖面上的分布以及2019年11月25日發(fā)生的M4.4地震的震源機(jī)制解表明,這條分支斷層的性質(zhì)與維西-喬后斷層(虢順民等,1984,1996;向宏發(fā)等,2004;張建國,2009)相同,是一條陡傾角的右旋走滑斷層,其北端分布的地震事件可能與走滑斷層尾端拉張效應(yīng)有關(guān)。
地震頻度、能量釋放率、b值等統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨時(shí)間的變化能夠在一定程度上反映區(qū)域或斷層的應(yīng)力變化。地震活動性分析表明,維西-喬后斷層及附近地區(qū)地震活動相對穩(wěn)定,b值在1.0附近波動,表明應(yīng)力沒有顯著的增強(qiáng)現(xiàn)象。b值的空間分布可反映斷層帶應(yīng)力積累水平的變化,具有低b值的斷層段應(yīng)力水平較高,地震危險(xiǎn)性也較高(易桂喜等,2008,2013)。維西-喬后斷層及附近地區(qū)b值的空間分布表明,大部分?jǐn)鄬佣蔚腷值都較高(接近或>1.0),低b值區(qū)主要分布于斷層端部、斷層拐折部位、斷層階區(qū)以及斷層交會處等容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域,其中沿維西-喬后斷層的斷層交會部位、階區(qū)以及西側(cè)的隱伏分支斷層上也存在低b值區(qū)域,低b值區(qū)域的尺度一般不超過20km,但應(yīng)關(guān)注這些區(qū)域特別是隱伏分支斷層上發(fā)生中強(qiáng)地震的可能性。
ETAS模型(Ogata,1992,2005)能夠幫助揭示地震活動的變化、分析影響地震活動的因素。對維西-喬后斷層及附近地區(qū)地震活動的ETAS模型的統(tǒng)計(jì)表明,該區(qū)的地震活動容易受到外部因素的影響(比例>44% )。影響地震活動的外部因素主要包括深部流體擾動、遠(yuǎn)程強(qiáng)震的動態(tài)觸發(fā)等(Leietal.,2011)。本文觀測到的地震叢集活動與2004年蘇門答臘MW9.3地震遠(yuǎn)程觸發(fā)的地震活動的位置相似,而遠(yuǎn)程觸發(fā)中流體的作用也很顯著(Leietal.,2011)。多項(xiàng)研究表明滇西北地區(qū)地下流體活動很活躍,且對地震響應(yīng)很靈敏(付虹等,2013;劉耀煒等,2015;楊竹轉(zhuǎn)等,2018),因此我們認(rèn)為該區(qū)深部流體活動影響斷層局部的應(yīng)力狀態(tài)、從而觸發(fā)小地震活動是非常重要的因素。前述2018年10月、2019年1月觀測到的b值下降、地震活動增強(qiáng)的現(xiàn)象很可能與區(qū)域流體活動的擾動有關(guān)。
本文基于滇西北地區(qū)臨時(shí)加密臺站和區(qū)域固定臺站地震觀測資料,利用波形相關(guān)方法對2018年2月25日—2019年7月31日期間的連續(xù)波形進(jìn)行高分辨率地震檢測和高精度地震定位,據(jù)此分析紅河斷裂帶北段維西-喬后斷層的地震活動性特征。獲得的主要結(jié)論如下:
(1)目前維西-喬后斷層的地震活動主要分布在一些特殊的斷層部位和斷層的西側(cè)區(qū)域內(nèi),地震活動分布和震源機(jī)制解表明在維西-喬后斷層西側(cè)存在1條隱伏的分支斷層,其性質(zhì)為陡傾角的右旋走滑斷層。
(2)維西-喬后斷層及附近地區(qū)地震活動性統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨時(shí)間變化比較平穩(wěn),b值在較高的水平上波動(約1.0),表明區(qū)域應(yīng)力增加不明顯。空間上大部分區(qū)域b值較高,低b值區(qū)主要分布于斷層端部、斷層拐折部位、斷層階區(qū)以及斷層交會處等容易引起應(yīng)力集中的部位,且尺度一般不超過20km。
(3)ETAS模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,維西-喬后斷層及附近地區(qū)外部觸發(fā)地震活動比例為44.1%,表明外部觸發(fā)機(jī)制在地震活動中的作用不容忽視。外部觸發(fā)地震活動的因素與深部流體活動的擾動和遠(yuǎn)程強(qiáng)震的動態(tài)觸發(fā)有關(guān)。
(4)維西-喬后斷層目前的小地震活動主要受分支斷層控制,主斷層本身的活動性不強(qiáng),但其西側(cè)的隱伏分支斷層小地震活動活躍且有增強(qiáng)趨勢,空間上已貫通整個(gè)斷層,因此需要特別關(guān)注分支斷層發(fā)生中強(qiáng)地震的可能性。顯然,對于維西-喬后斷層地震危險(xiǎn)性的分析,需要綜合考慮主斷層及其西側(cè)隱伏斷層的活動性。
致謝本項(xiàng)目觀測數(shù)據(jù)由中國地震局科學(xué)探測臺陣設(shè)備取得,云南省地震局多位同志在亞失穩(wěn)滇西北短周期測震臺網(wǎng)建設(shè)與維護(hù)中做了重要工作。在此一并表示感謝!