木里地區(qū)地震震源參數(shù)特征研究

王宇璽，宮 悅

（四川省地震局，成都 610041）

0 引言

水庫誘發(fā)地震是一類特殊的地震活動，與水庫蓄水動態(tài)過程關(guān)系復(fù)雜，曾經(jīng)在世界上多次導(dǎo)致破壞性后果。觀測研究表明，部分水庫蓄水后的地震活動水平和活動特征都與蓄水前有明顯的差異，許多大型水庫蓄水后都伴有地震活動異常，尤其是高壩大庫，且巨大水庫還可能影響庫區(qū)周圍較大范圍的原有平衡狀態(tài)（包括應(yīng)力狀態(tài)和介質(zhì)狀態(tài)），從而有可能加速庫區(qū)附近斷層的應(yīng)力積累進程并觸發(fā)大震。

木里縣位于四川省西南邊緣的涼山州，是云貴高原與青藏高原的過渡地帶。該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地跨多條斷裂帶，包括小金河斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶，具備了發(fā)生中強構(gòu)造地震的條件。同時雅礱江貫穿該于此，流域內(nèi)建設(shè)有一座大型梯級水電站，該水電站具有高壩大庫、規(guī)模巨大、庫壩區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，因此該地區(qū)除了本身具備發(fā)生中強構(gòu)造地震的背景外，還具備了發(fā)生水庫誘發(fā)地震的條件。2013年7月之后該地區(qū)地震活動頻次較之前陡然增多（圖1），這與雅礱江流域水庫的蓄水有著密切的關(guān)系。

水庫誘發(fā)地震在震源參數(shù)，震源機制解，序列特征等諸多方面與構(gòu)造地震相比較，有其自己的特征。隨著數(shù)字地震觀測技術(shù)的發(fā)展，通過對水庫地震數(shù)字波形資料的精細分析，在水庫誘發(fā)地震與構(gòu)造地震震源特征的差異方面也取得了一定的進展[1-3]，推進了對水庫誘發(fā)地震發(fā)生環(huán)境的認識。由于地震的應(yīng)力降、拐角頻率等震源參數(shù)攜帶了震源處應(yīng)力場的變化信息[4～5]，能反映震源破裂的一些特征，因此，震源參數(shù)特征是研究水庫地震的一個重要方向；且震源參數(shù)的計算比較簡單，這方面的研究也比較成熟[6～9]，故本文試圖從震源參數(shù)的角度出發(fā)，分析其在蓄水前后的特征，討論水庫地震與構(gòu)造地震震源參數(shù)特征差異，試圖對水庫地震發(fā)生時介質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)等構(gòu)造條件和發(fā)生環(huán)境做一些初步分析。

1 研究區(qū)域地震活動情況

選 取 資 料 范 圍 為100.8°～102.2°E，27.4°～28.4°N，時段為2011 年9 月至2016 年9 月，共計94 640 次ML≥0 地震。2011 年9 月至2013 年6 月期間，區(qū)域地震活動較弱，共記錄ML≥0 地震1349次，其中ML≥3.0 級以上地震僅21 次。2013 年6 月隨著該地區(qū)水庫蓄水，區(qū)域地震活動情況發(fā)生了明顯的變化，地震頻次陡然增加，且以小震為主。截止2016 年9 月區(qū)域共記錄地震93 291 次，其中ML≥3.0 級以上地震214 次。2014 年1 月至6 月水位逐步下降至1800 m，區(qū)域地震頻次也相應(yīng)有所下降，2014年6月之后水庫再次蓄水，地震活動頻次也再次增加。從圖1可以看出區(qū)域內(nèi)地震活動情況跟水位變化有著較好對應(yīng)性。說明水庫蓄水是導(dǎo)致木里鹽源地震區(qū)地震活動情況發(fā)生變化的主要原因。

圖1 地震活動頻次及水位圖Fig.1 Seismicity frequency and water level

從地震分布圖來看，2013年6月之前，地震主要分布在小金河斷裂北段、木里西側(cè)錦屏山斷裂帶上以及東側(cè)的金河—箐河斷裂帶上，總體來看地震分布較為離散，以斷裂帶為主。2013年6月在水庫蓄水之后，區(qū)域地震明顯增多，且呈現(xiàn)出較為明顯的叢集性，主要分為兩叢，一叢是庫壩附近，該區(qū)域蓄水之前地震活動較弱，蓄水之后地震活動激增，日頻次多次超過300，最高值達600余次，可以推斷該區(qū)域地震活動以誘發(fā)地震為主。二是庫區(qū)西側(cè)寧蒗-鹽源交界處，該區(qū)域一直以來都有地震發(fā)生，在蓄水之后表現(xiàn)更為活躍，可能為蓄水引起區(qū)域應(yīng)力變化所致。

圖2 木里地區(qū)水庫蓄水前后震中分布圖（左：2013年6月以前；右：2013年6月以后）Fig.2 Epicenter distribution before and after reservoir impoundment in Muli area

2 資料選舉及計算方法

計算選取數(shù)據(jù)為研究時間段區(qū)域內(nèi)38 個臺站有效清晰記錄的168 次ML3.0 級以上地震波形，通過相同的程序方法計算庫區(qū)蓄水前后地震的地震矩、應(yīng)力降、視應(yīng)力及拐角頻率等震源參數(shù)，分析其在蓄水前后的特征，討論水庫地震與構(gòu)造地震震源參數(shù)特征差異，試圖對水庫地震發(fā)生時介質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)等構(gòu)造條件和發(fā)生環(huán)境做一些初步分析。所選區(qū)域地震及臺站分布如圖3所示。

圖3 地震及臺站分布圖Fig.3 Distribution map of earthquakes and stations

數(shù)據(jù)處理中，為了保證準確性與可靠度，首先要在時間域中對原始數(shù)據(jù)進行處理，包括去除零點漂移，帶通濾波（頻帶為1～20 hz），以保證用于分析的記錄具有較高的信噪比；為了扣除儀器對地面運動的放大因素，再對帶通濾波后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過快速傅里葉變換將信號轉(zhuǎn)換到頻率域后，扣除儀器幅頻特性，以得到真實的地面運動記錄；最后，回到時間域，選取S波段數(shù)據(jù)，根據(jù)以下不同公式，計算得到各震源參數(shù)。

式（1）、（2）中，SD代表地動位移功率譜，SV代表速度功率譜，Ω0代表零頻極限，β代表波速，ES代表輻射能量；式（3）中，μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量，通常取μ=3.0×104MPa；S為斷層面面積；D為斷層面平均錯距，ES和M0分別為地震波輻射能量和標量地震矩，可通過地震波形的分析和反演得到，二者之比即表示單位地震矩輻射出的地震波能量，故式（3）反應(yīng)了地震視應(yīng)力[10]的物理意義為單位地震矩輻射出的地震波能量與震源區(qū)介質(zhì)的剪切模量的積，是單位位錯輻射的地震波能量的量度，因此可用視應(yīng)力對一個地區(qū)的絕對應(yīng)力水平進行間接估算，視應(yīng)力越高，表示震源區(qū)應(yīng)力水平越高，反之，震源區(qū)應(yīng)力水平則越低。式（4）中，M0為地震矩，是地震強度的量度，r為震源半徑，與S 波速度和拐角頻率有關(guān)，而應(yīng)力降的物理意義即為，地震前后斷層面上的應(yīng)力差值，應(yīng)力降越大，震源區(qū)應(yīng)力釋放越充分，反之亦然。

研究所選用的波形來自水庫臺網(wǎng)寬頻帶地震記錄，地震計型號為RSFS—1A，幅頻特性如圖4 所示，顯示在2～40 Hz之間平坦。

圖4 臺站幅頻特性Fig.4 Amplitude frequency characteristics of stations

3 結(jié)果分析

3.1 視應(yīng)力、應(yīng)力降與震級的關(guān)系

圖5 為庫區(qū)視應(yīng)力與震級的擬合曲線圖，由圖可見視應(yīng)力分布在0.008～1 Mpa之間，與震級成正比關(guān)系，隨其增大而增大。這表明越大的地震其單位地震矩所釋放的能量更多[11]，同時反映了不同震級地震在破裂速度等方面的差異[12]。下式為所選區(qū)域視應(yīng)力與震級的擬合關(guān)系：

圖5 視應(yīng)力與震級關(guān)系Fig.5 Relationship between apparent stress and magnitude

由于視應(yīng)力隨震級增大而增大，在對結(jié)果的分析中，為了消除震級對視應(yīng)力的影響，采用下式：

得到歸準化視應(yīng)力Δσ'app，其中σapp表示實際視應(yīng)力值，σ'app為根據(jù)擬合公式（5）得到的視應(yīng)力值。

3.2 視應(yīng)力與地震矩的關(guān)系

我們還分析了地震矩和視應(yīng)力的關(guān)系，從圖6中可以看出，視應(yīng)力有隨地震矩增大而增大的趨勢，相對較離散的視應(yīng)力分布范圍為：0.5～3.0 MPa之間。地震矩是指受構(gòu)造應(yīng)力影響使斷裂面突然滑移的力學(xué)模型，由于視應(yīng)力隨地震矩的變化關(guān)系復(fù)雜，受諸如破裂過程、滑動類型等因素影響，故理論上視應(yīng)力隨地震矩的變化應(yīng)該不顯著[13]，而圖6 所顯示的現(xiàn)象，可能的解釋為：由于人類活動為該區(qū)域地震活動的主要因素，這種因素造成了該區(qū)域震源破裂方式單一，主要為整體巖石斷裂，由于整塊巖石斷裂，斷面阻力迅速減小，產(chǎn)生更多的地震能量輻射，表現(xiàn)為地震輻射效率的提高，故該區(qū)域表現(xiàn)為視應(yīng)力隨著地震矩的增大而增大。

圖6 視應(yīng)力與地震矩的關(guān)系Fig.6 Relationship between apparent stress and seismic moment

3.3 拐角頻率與震級的關(guān)系

圖7 給出了區(qū)域地震拐角頻率與震級之間的關(guān)系，以往研究認為，拐角頻率與震源破裂尺度有密切關(guān)系，震源破裂尺度與拐角頻率成反比關(guān)系，拐角頻率一般隨著震級的增大而降低[14]，當震級范圍為ML3.0～3.5 時，拐角頻率隨震級增大而降低的現(xiàn)象并不明顯，當震級范圍為ML3.5～4.4 時，該區(qū)域拐角頻率隨震級的這種變化趨勢符合這種理論，說明蓄水以來庫區(qū)破裂尺度在增大，或許反應(yīng)了區(qū)域應(yīng)力積累，應(yīng)力水平較蓄水之前有所增強。

圖7 拐角頻率與震級的關(guān)系Fig.7 The relationship between corner frequency and magnitude

3.4 視應(yīng)力隨時間關(guān)系

為了消除震級對視應(yīng)力的影響，我們采用經(jīng)式（6）處理后的歸一化化視應(yīng)力作為研究對象。從整個區(qū)域歸準化視應(yīng)力隨時間的分布特征來看（圖8），2013 年11 月22 日視應(yīng)力上升到一個極高值，之后，視應(yīng)力隨時間的變化曲線漲落現(xiàn)象較明顯，在有起伏的上升-回落過程中，于2014年底達到一個極低值，對應(yīng)頻次圖來看，此階段頻次逐漸升高，于2014 年達到日頻次的最高值；之后，視應(yīng)力值相對平穩(wěn)，此階段頻次有一個趨勢性的降低，2016年4月開始，視應(yīng)力值開始大幅上升，區(qū)域應(yīng)力水平增加，此時間段內(nèi)，地震活動增加，頻次有所升高，空間分布圖來看（圖9），歸一化視應(yīng)力的最高值發(fā)生在a區(qū)，為最靠近大壩的區(qū)域，且2014年12 月21 日的ML4.7 級地震（區(qū)域最大地震）就發(fā)生在a 區(qū)，視應(yīng)力最低值發(fā)生在b 區(qū)，該區(qū)僅發(fā)生過一次ML4.0 級地震，故該區(qū)域視應(yīng)力水平或許反映了水庫蓄水對應(yīng)力場的調(diào)整。

圖8 2013年以來木里地區(qū)歸一化視應(yīng)力及日頻次隨時間變化圖Fig.8 Daily frequency map of earthquakes in Muli area since 2013

圖9 視應(yīng)力空間分布Fig.9 Spatial distribution of apparent stress

4 結(jié)論

本文選取木里地區(qū)2013～2016 年間168 次ML3.0 級以上地震波形，計算庫區(qū)蓄水前后地震的地震矩、應(yīng)力降、視應(yīng)力及拐角頻率等震源參數(shù)，結(jié)合蓄水資料、頻次變化對區(qū)域震源參數(shù)特征進行分析，得到的結(jié)果如下：

（1）從木里地區(qū)2011 年9 月至2016 年9 月地震頻次及震中分布來看，在該地區(qū)水庫蓄水之后，中小地震頻次明顯增加，發(fā)震地點也集中在庫壩附近區(qū)域，說明水庫蓄水導(dǎo)致該區(qū)域地震活動水平發(fā)生了較為明顯的變化。

（2）區(qū)域視應(yīng)力值隨震級的增大而增大，二者時間的關(guān)系為：Lnσapp=1.87M-8.11，R=0.72，反映了不同震級地震在應(yīng)力水平積累等方面的差異。

（3）地震矩與視應(yīng)力的關(guān)系顯示，視應(yīng)力有隨地震矩增大而增大的趨勢，意味著人類活動可能為該區(qū)域地震活動的主要因素。

（4）拐角頻率與震級的關(guān)系可分為兩段來看，當震級范圍為ML3.0～3.5 時，拐角頻率隨震級增大而降低的現(xiàn)象并不明顯，當震級范圍為ML3.5～4.4時，拐角頻率隨震級增大而降低的現(xiàn)象較為明顯，說明震級越大，庫區(qū)破裂尺度在增大，反應(yīng)了區(qū)域應(yīng)力積累，應(yīng)力水平有所增強。

（5）利用Δσ'app=σapp-σ'app，得到消除震級影響的歸一化視應(yīng)力值，其時空分布特征顯示，歸一化視應(yīng)力隨時間變化與頻次存在著一定的相關(guān)性，整體水平逐漸增高，且最大地震發(fā)生在大壩附近，這些現(xiàn)象都可能為水庫蓄水導(dǎo)致區(qū)域構(gòu)造環(huán)境發(fā)生變化而造成。