2011年3月10日云南盈江MS5.8地震的微震匹配定位與發(fā)震機理研究

王 曉,周振貴,葉 青,黃經(jīng)國,王亞璐,余 丹,王 軍

(1.中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045;2.安徽省安慶地震臺,安徽 安慶 246001;3.中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036)

0 引言

2011年3月10日12時58分,云南省盈江縣(24.7°N,97.9°E)發(fā)生MS5.8地震,震源深度10 km。此次地震距離盈江縣中心僅3 km,其破壞性強,直接經(jīng)濟損失高達27億元,主城區(qū)烈度達Ⅷ度[1]。

中等規(guī)模的盈江地震可產(chǎn)生如此強大的破壞力,這一點引起了眾多研究者的關(guān)注,并針對盈江地震開展了一系列工作。趙小艷等[2]采用CAP方法反演了2011年盈江MS5.8地震序列主震及MS≥4.0前震、余震的震源機制解,認(rèn)為主震的發(fā)震斷層為NE向大盈江斷裂,主要受印度板塊向歐亞板塊北東向擠壓和緬甸弧對保山—騰沖地塊北東向俯沖的雙重作用;對盈江MS5.8地震的前震及余震的雙差定位結(jié)果顯示[3],90%以上的地震分布在深度10 km以內(nèi),致使盈江地震主震區(qū)烈度達Ⅷ度[1];余震在時空分布上自西南沿大盈江斷裂帶北東段向北東方向移動,且震源深度有向地表遷移的趨勢,也是導(dǎo)致本次地震破壞嚴(yán)重的原因之一[4];高分辨率層析成像結(jié)果[5]顯示盈江地震可能是與火山有關(guān)的流體驅(qū)動地震,且重定位結(jié)果[6]也顯示盈江主震發(fā)震斷層是由ENE走向的大盈江斷裂和SSE走向的隱伏斷層組成的共軛破裂系統(tǒng);徐彥等[7]對盈江地震發(fā)震斷層的研究結(jié)果也表明,盈江MS5.8地震發(fā)生在一條南西向傾斜的雙層斷層面上,斷層傾斜度為71°,也可作為解釋該地震破壞性如此之強的原因。然而,前人針對盈江MS5.8地震孕震機理的分析研究多集中于主震和余震序列的重定位和震源機制解分析,對前震等其他方面的研究較少。

眾所周知,前震序列分析在主震成核過程研究中具有重要意義。微震對于闡明斷層結(jié)構(gòu)以及地震序列的演變很重要,是理解大地震形成和成核過程的關(guān)鍵要素[8-9]。前震序列是主震成核過程的表現(xiàn),可以由連續(xù)事件(級聯(lián)模型)或背景無震滑動(預(yù)滑動模型)之間的靜態(tài)應(yīng)力傳遞驅(qū)動。多種物理機制可以促進沿斷層系統(tǒng)向破裂成核的發(fā)展。由先前地震破裂引起的靜應(yīng)力變化可以永久改變附近地區(qū)的庫侖應(yīng)力,并促進在正應(yīng)力變化位置發(fā)生地震。另一方面,動態(tài)應(yīng)力會在體波和/或表面波通過時引起暫時的應(yīng)力擾動[10]。此外,其他物理過程(例如無震滑動或流體擴散)也可以逐漸改變斷層的應(yīng)力場和/或摩擦特性以觸發(fā)地震活動[11]。

然而據(jù)統(tǒng)計,具有前震現(xiàn)象的中強地震為少數(shù),不同學(xué)者在全球不同區(qū)域的研究結(jié)果顯示,伴有前震的中強地震大約有10%～40%[12-15]。而云南地區(qū)自1965年以來不同構(gòu)造區(qū)M≥5.0地震中共有61個地震存在前震,占統(tǒng)計總數(shù)的27%。其中,盈江MS5.8地震發(fā)生在近NE向的大盈江斷裂西側(cè)(圖1),前震[16]密集且多為小地震。而且此次地震所處的滇西地區(qū)斷裂發(fā)育,主要有怒江斷裂、騰沖斷裂、龍陵—瑞麗斷裂及大盈江斷裂,地震活動頻度高、震源淺、破壞強、前震分布比例高。因此盈江MS5.8地震作為研究對象,利用前震序列同時結(jié)合余震、b值變化趨勢、震源機制解等聯(lián)合分析主震成核過程。

我們采用微震匹配定位技術(shù)M&L(Match and Locate,M&L)[17-18]對2011年3月10日盈江MS5.8地震開展前震檢測以有效拓展地震目錄,原因是通常情形下低的信噪比和/或重疊的波形會導(dǎo)致常規(guī)地震目錄遺漏大部分小事件,而微震匹配定位技術(shù)因其在相關(guān)波形疊加前考慮了微震與模板之間的位置差,可以更加有效地檢測微震,獲取更高精度的地震位置信息。

(F1-1～F1-3:大盈江斷裂第一至第三分支;F2:騰沖斷裂;F3:怒江斷裂;F4:龍陵—瑞麗斷裂)圖1 研究區(qū)主要構(gòu)造分布Fig.1 Distribution of main structures in the study area

1 方法實施

1.1 基本原理

M&L方法引入了雙差(double-difference)走時的思想,大大降低了計算結(jié)果對參考模型的依賴性。其基本原理主要就是首先將搜索區(qū)域網(wǎng)格劃分,計算每一個網(wǎng)格點(可能的發(fā)震位置)與模板事件位置之間的參考震相(一般選取擁有最大振幅的震相,如S震相)在同一個地震臺站上的走時差[式(1)];然后根據(jù)上述走時差對所有臺站分量記錄的模板事件參考震相(S震相)與相應(yīng)臺站分量的連續(xù)數(shù)據(jù)進行滑動互相關(guān),最后計算互相關(guān)波形疊加后的平均相關(guān)系數(shù)(CC)和信噪比(SNR),通過這兩個參數(shù)來確定地震位置和震級。

(1)

1.2 實際數(shù)據(jù)處理流程

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理:包括去毛刺、去均值、去線性趨勢和波形尖滅等,對數(shù)據(jù)中短時間的空缺進行補零,同時按照該天零時刻為參考并置零。

(2) 利用Hypo2000定位方法[19]對地震序列進行絕對定位后挑選模板事件,要求地震事件在所選取的參與定位的每個臺站上都能記錄到有效信號,震級不宜過大或過小。選取2011年1月1日—3月10日地震發(fā)生前的92個MS≥2.0的地震作為模板事件,盡量選取震相大于等于6個的地震事件,原因是盈江地震處在云南省邊界,現(xiàn)有臺站主要集中在地震的東北方向[圖3(a)中黑色三角],缺乏其他方向的臺站約束。

(3) 截取CZS、MAS、MIZ、MZT、RHT 5個臺站[圖3(a)中黑色三角]2011年1月1日至3月10日三分量地震儀連續(xù)波形作為待檢測波形。

(4) 對所有地震波形進行2～8 Hz頻段濾波,模板波形選取Sg震相前1 s和后3 s,基于PREM模型[20]利用TauP工具包[21]計算Sg震相參數(shù)(走時)。將搜索區(qū)域按照0.01°×0.01°×1 km的尺度進行網(wǎng)格劃分,以模板地震所在位置為中心,在緯度、經(jīng)度和深度3個方向上進行搜索。搜索過程中根據(jù)計算的走時差δt進行滑動互相關(guān)。

(5) 事件判斷:根據(jù)前人[10-11]的研究結(jié)果,將平均相關(guān)系數(shù)(CC)設(shè)定為0.3即可。0.3<平均相關(guān)系數(shù)(CC)<0.35時,需要結(jié)合左右信噪比的閾值進行判定,平均相關(guān)系數(shù)(CC)>0.35時,即可判定為一次地震事件。將擁有最大相關(guān)系數(shù)的格點所在位置確定為地震位置,震級則根據(jù)所有臺站分量中參考震相的振幅比中位數(shù)來確定[19]。

1.3 微震檢測結(jié)果

利用M&L方法進行微震檢測,所有模板事件均能自檢得到,平均相關(guān)系數(shù)為1.0,說明了方法的可靠性。圖2給出了臺網(wǎng)目錄遺漏的2011年2月1日15:26:22.46發(fā)生的MS2.0地震,檢測到的事件與模板地震平均相關(guān)系數(shù)為0.796 8,從模板地震波形(紅色線)與待檢測地震的連續(xù)波形(灰色線)可以看出,各個臺站地震波形在此時相關(guān)程度較好。最終共檢測到前震1 659個,比地震目錄記錄到的數(shù)目多出221個[17-18]。

圖2 待檢測地震的連續(xù)波形(灰色線)與模板地震波形(紅色線)對比圖Fig.2 Comparison between continuous waveforms (gray lines) of detected earthquakes and waveforms (red lines) of template events

2 結(jié)果分析與問題討論

2.1 前震、余震特點

從M&L微震檢測結(jié)果分布圖[圖3(a)]中可以看出,前震發(fā)震位置分布相對集中,整體形態(tài)為橢圓形,主要在大盈江斷裂第一分支(F1-1)的西側(cè),而且前震在地震視圖中有向東延伸的趨勢。主震并沒有發(fā)生在前震中心區(qū)域,而是發(fā)生在前震分布區(qū)域的西南邊緣,靠近斷層F1-1的西南端,推測可能是由于斷裂邊緣構(gòu)造質(zhì)地脆弱,地應(yīng)力容易集中造成的。

圖3 盈江MS5.8地震前震余震分布圖 (黃色五角星:盈江MS5.8地震;AB:所抽取剖面)Fig.3 Distribution of foreshocks and aftershocks of the Yingjiang MS5.8 earthquake

依據(jù)盈江MS5.8主震前三次MS≥4.0前震序列(1月2日MS4.8地震序列、1月14日MS4.3地震序列及2月1日MS4.8地震序列)將1月1日至3月10日盈江前震分為五個階段:1月1—2日、1月3—14日、1月15—31日、2月1—3日、2月4日—3月10日。從地震震級-時間關(guān)系圖(圖4)可見,前震的發(fā)震時刻為非連續(xù)的,每組前震發(fā)生前,2～3級地震都出現(xiàn)一段平靜期,3級以上地震也同樣出現(xiàn)平靜期,且平靜期更長。仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn),2月1日前震發(fā)生前,3級以上地震平靜期比較明顯,且平靜期時間較長,而2月1日之后,3級以上地震明顯增多。余震分布[圖3(b)紅色圓圈]也分為兩支,一支沿著大盈江斷裂呈北東向分布,與前震延伸方向一致;另一支近乎垂直于大盈江斷裂分布,與主震前的地震活動大不相同。結(jié)合Lei 等[5-6]、徐彥[7]的研究結(jié)果,我們推斷盈江地震序列是由不同的發(fā)震斷層破裂引起的。值得注意的是,余震主要集中在大盈江斷裂西側(cè),原因可能為西南側(cè)缺乏臺站約束,臺站分布不均、定位誤差較大造成的[4]。

圖4 盈江MS5.8地震序列ML≥2地震M-t圖(黑色:2～3級地震,紅色:3級以上地震)Fig.4 M-t diagram of ML≥2 earthquakes from the Yingjiang MS5.8 earthquake sequence

2.2 地震活動性參數(shù)b值分布特點

為進一步分析盈江地震發(fā)震斷層,計算了研究區(qū)地震活動參數(shù)b值分布,以期發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生孕育過程中應(yīng)力的變化情況。方法原理主要基于G-R關(guān)系[22]:lgN=a-bM。其中,N代表某一時間段內(nèi)大于震級M的地震數(shù)量;a代表地震活動率;b代表大小地震的比例。

將研究區(qū)域網(wǎng)格化,網(wǎng)格間距為0.01°×0.01°,以每個網(wǎng)格節(jié)點為圓心、半徑為r(這里選取r=5 km)為一個統(tǒng)計單元進行掃描,在兼顧臺網(wǎng)監(jiān)測能力的條件下,保證每個統(tǒng)計單元內(nèi)的地震樣本數(shù)盡量不少于30,保障計算結(jié)果的可靠性。然后確定出每個統(tǒng)計單元完整記錄的震級下限MC,最后利用最大似然法計算出震級-累積頻度關(guān)系lgN=a-bM中的b值。

經(jīng)過上述運算后,獲取盈江地震前后研究區(qū)的地震活動參數(shù)b值分布(圖5),可見靠近主震區(qū)b值較低,而前震集中地區(qū)b值較高,b值與應(yīng)力降水平高低有關(guān)[23-25]。一般情況下,高應(yīng)力降地區(qū)具有較低的b值,而低應(yīng)力降地區(qū)具有較高的b值。計算剖面AB[A(98.07°E,24.80°N)、B(97.84°E,24.66°N)]在主震發(fā)生前、后b值變化(圖6),可知主震發(fā)生前b值比較高,主震發(fā)生后b值下降明顯,即前震的應(yīng)力降低于余震的應(yīng)力降。與部分學(xué)者[16,26-28]關(guān)于前震序列的b值明顯偏低于余震序列的研究結(jié)論相反。

圖5 研究區(qū)b值分布Fig.5 Distribution of b value in the study area

圖6 盈江地震前后b值變化曲線Fig.6 Change curves of b value before and after the Yingjiang earthquake

影響b值的因素眾多[29-31],統(tǒng)計空間、統(tǒng)計時段、計算方法、樣本下限震級大小等均會對b值的計算產(chǎn)生影響;而且b值作為地震前兆異常的變化也是多種多樣的,震前b值降低或升高、無異?；蛴挟惓６加锌赡馨l(fā)生地震,甚至出現(xiàn)異常而未發(fā)生地震[32-33]。

劉耀偉等[34]認(rèn)為低b值區(qū)地殼介質(zhì)狀態(tài)的變化與流體活動的加速有著密切的關(guān)系。眾多研究結(jié)果[35-37]也已經(jīng)證實,地震多發(fā)于低速高導(dǎo)異常區(qū)的邊界部位,而流體活動與低速高導(dǎo)區(qū)的形成密不可分,換言之,強震的孕育發(fā)生過程中流體活動具有特殊意義。Lei等[5]根據(jù)盈江地震震源區(qū)下方地殼和上地幔的高分辨率層析模型推斷,盈江地震的發(fā)生可能與騰沖火山下濕熱物質(zhì)上涌流中的流體密切相關(guān)。因此,我們推斷盈江主震前、后出現(xiàn)的b值異常情況可能與流體充填有關(guān)。

3 結(jié)論

(1) 本文選取92個MS≥2.0模板地震,采用M&L微震匹配定位方法檢測出地震221個,微震數(shù)目明顯增多,有效豐富了2011年盈江MS5.8地震的地震目錄,為其前震序列和主震成核過程研究提供了優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2) 盈江MS5.8地震前震分布集中,且有向東延伸的趨勢,余震沿ENE和SSE兩個方向展布。結(jié)合前人的研究成果,我們認(rèn)為盈江地震發(fā)震斷層為共軛斷層系統(tǒng),包括震區(qū)附近的北東向大盈江左旋走滑型斷裂以及SSE走向的隱伏斷層;并推測該次地震的主要動力學(xué)成因系活躍的印度板塊向東俯沖致使斷層錯動從而發(fā)生地震。主震前后b值變化暗示騰沖火山區(qū)下方廣泛存在的流體在該次地震孕育發(fā)生過程中起到重要的誘發(fā)和促進作用。

致謝:本文所用M&L微震匹配定位程序源自中國科技大學(xué)張淼博士,地震目錄及數(shù)據(jù)源自中國地震臺網(wǎng)中心(CENC),在這里一并表示感謝。