漾濞MS6.4地震前震源機制一致性參數(shù)演化特征

樊文杰

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148號，650224

強震是地下介質(zhì)受到長期構(gòu)造應(yīng)力作用，最終在應(yīng)力集中區(qū)突然破裂釋放的結(jié)果[1]，而中小地震震源機制解作為震源附近應(yīng)力場的重要指標(biāo)[2]，不僅能夠反映震源斷層的力學(xué)特征，還可以反映地震前后震源區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的變化。已有研究表明，強震發(fā)生前的小震震源機制有趨于一致的現(xiàn)象，震源機制一致性可以用來描述地震活動[3]，表明震源區(qū)域一定范圍內(nèi)的應(yīng)力正逐漸集中，有助于強震的孕育發(fā)生。為研究震前震源機制的一致性特征，國內(nèi)外學(xué)者提出多種分析計算方法[4-13]，結(jié)果表明，震源機制一致性參數(shù)所反映的應(yīng)力狀態(tài)變化能夠用來捕捉強震前的震兆信息，可作為強震危險性的有力判據(jù)。

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，北京時間2021-05-21 21:48:34云南省大理州漾濞縣發(fā)生MS6.4地震，震中位置為25.67°N、99.87°E，震源深度8 km，是云南省內(nèi)自2014-10-07景谷6.6級地震后的首次超6級強震。由于該地震前震現(xiàn)象明顯，為典型的前震-主震-余震型地震序列[14]，因此分析地震前后應(yīng)力變化特征對于地震預(yù)報具有重要意義。此外，漾濞地震所處的滇西北地區(qū)近年來5級地震活動十分頻繁，發(fā)生了2013年洱源MS5.5和MS5.0雙震、2016年云龍MS5.0等中強地震。為研究地震前的應(yīng)力狀態(tài)及小震震源機制一致性特征，本文根據(jù)Michael等[10-12]提出的方法對漾濞及周邊地區(qū)中強地震前震源機制一致性參數(shù)平均Misfit角進行計算，并在此基礎(chǔ)上探討應(yīng)力變化與地震間的關(guān)系，為研究區(qū)中強地震危險性研判提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文收集整理不同機構(gòu)發(fā)布的漾濞地震序列相關(guān)震源機制解數(shù)據(jù)，其中主震及最大余震的震源機制解來源于美國地質(zhì)調(diào)查局USGS，其他地震序列結(jié)果來源于中國地震科學(xué)實驗場基于人工智能開發(fā)的EarthX智能地動系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用震后波形實時計算產(chǎn)出結(jié)果。段夢喬等[15]將EarthX智能地動計算結(jié)果與利用CAP方法計算的結(jié)果進行對比后發(fā)現(xiàn)，2種方法得到的震源機制解較為一致，由此驗證了智能地動產(chǎn)出結(jié)果的可靠性。本文收集包括前震序列在內(nèi)的42次MW≥3.0地震事件的震源機制解結(jié)果，研究時段為2021-05-18～06-05。同時還收集了2000年至漾濞地震發(fā)生前距震中100 km范圍內(nèi)MS≥3.0歷史地震的震源機制解數(shù)據(jù)，包括徐彥[16]、趙小艷等[17]及中國地震科學(xué)實驗場大理中心利用CAP方法計算獲得的共172條數(shù)據(jù)。2種震源機制解合計214條數(shù)據(jù)的空間分布情況如圖1所示。

1.2 方法

Michael[10-11]提出將非線性問題[18-19]轉(zhuǎn)化為線性問題反演應(yīng)力張量的線性反演算法：假設(shè)斷層滑動矢量平行于施加在斷層面上的平均剪應(yīng)力方向，將二者之間的夾角β作為假定應(yīng)力張量和滑動矢量差別的評判標(biāo)準。反演時隨機選取震源機制2個節(jié)面中的1個進行計算，利用數(shù)據(jù)集內(nèi)的多組數(shù)據(jù)共同約束，最終反演獲得最優(yōu)應(yīng)力張量。Michael等[12]研究表明，隨著非均勻性的增加，應(yīng)力場均勻分量逐漸減少，此時可用每個節(jié)面上觀測到的滑動方向和最優(yōu)應(yīng)力張量預(yù)測的剪應(yīng)力方向之間夾角β的平均值來表示應(yīng)力場的均勻程度。若應(yīng)力場均勻，說明可用1個統(tǒng)一的應(yīng)力張量來解釋觀測到的震源機制解，也說明震源機制趨于一致。本文采用平均Misfit角作為表示震源機制一致性程度的參數(shù)，平均Misfit角越小，表明震源機制一致性程度越高；反之，則表明震源機制一致性程度越低。

2 震源機制參數(shù)分析

2.1 震源機制解類型

參照世界應(yīng)力圖劃分標(biāo)準[20]，根據(jù)P、B、T三軸的傾伏角大小將震源機制解分為6類：正斷型(NF)、正走滑型(NS)、走滑型(SS)、逆走滑型(TS)、逆斷型(TF)和不確定型(UD)。根據(jù)分類準則，對研究區(qū)震源機制解數(shù)據(jù)進行劃分并歸類統(tǒng)計(圖1)。為便于統(tǒng)計和繪圖，將正斷型和正走滑型統(tǒng)稱為正斷型，將逆斷型和逆走滑型統(tǒng)稱為逆斷型。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)的震源機制解主要為走滑型，占總數(shù)的56%；其次為正斷型，占總數(shù)的28%；逆斷型和不確定型各占總數(shù)的8%。

漾濞MS6.4地震具有明顯的前震現(xiàn)象，為更直觀地對比主震前后震源機制解的差異，將漾濞地震序列震源機制解按發(fā)震時間先后順序進行排列，結(jié)果見圖2(a)(圖中沙灘球上的數(shù)字為各震源機制和主震震源機制間的最小空間旋轉(zhuǎn)角)。圖2(b)為地震序列震源機制解的空間分布情況。從圖2可以看出，主震發(fā)生前，包括MS5.6(MW5.2)地震在內(nèi)的前震序列震源機制解基本均為走滑型，與主震應(yīng)力類型一致，僅有1個地震為正斷型；主震發(fā)生后，MS5.2(MW5.1)最大余震出現(xiàn)明顯的正斷分量，隨著余震序列的不斷發(fā)展，震源機制類型也逐漸增多，正斷型、不確定型地震不斷增加，還伴隨有1個逆斷型地震的發(fā)生。此外，利用震源機制解最小空間旋轉(zhuǎn)角[21]計算得到的前震序列地震和主震的震源機制差別較小，最小空間旋轉(zhuǎn)角大多在30°以內(nèi)；而余震序列地震和主震的震源機制差別較大，絕大部分最小空間旋轉(zhuǎn)角大于30°，說明前震和主震的震源機制一致性較好，而余震和主震的震源機制一致性相對較差。

2.2 P、T軸分布特征

雖然震源機制解3個應(yīng)力軸上的平均統(tǒng)計結(jié)果與構(gòu)造應(yīng)力方向并不完全一致[22]，但應(yīng)力軸的優(yōu)勢方向在一定程度上代表了構(gòu)造應(yīng)力作用下區(qū)域應(yīng)力逐漸集中的方向。圖3為研究區(qū)震源機制解P、T軸方位分布情況及統(tǒng)計玫瑰圖(線段的長短代表傾伏角的大小，線段越長代表傾伏角越小，反之則傾伏角越大)，可以看出，P軸方位分布范圍約為N30°E～N40°W。距離漾濞震中較遠的外圍地區(qū)P軸分布較為零散，且P軸方位和傾角具有一定差異，震中附近地區(qū)P軸方位主要為NNW-SSE向。T軸方位分布范圍約為N50°E～E20°S，距離漾濞震中較遠的外圍地區(qū)T軸優(yōu)勢分布現(xiàn)象不明顯，震中附近地區(qū)T軸方位主要為NEE-SWW向。雖然應(yīng)力軸方位在空間上存在部分差異，但總體表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢分布特征。已有的構(gòu)造應(yīng)力場研究表明，滇西北地區(qū)最大主應(yīng)力方位為NNW向[23-24]，這與研究區(qū)地震P軸優(yōu)勢分布方位一致，說明地震明顯受制于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場，且震源機制解類型也與該地區(qū)以走滑型為主的斷裂構(gòu)造特征相同，如維西-喬后斷裂等[25]。

圖3 P軸和T軸方位分布及統(tǒng)計玫瑰圖Fig.3 The azimuth distribution and statistics rose diagram of P axes and T axes

3 震源機制一致性參數(shù)變化特征

為研究震源機制一致性參數(shù)平均Misfit角的變化范圍，分別選取距漾濞地震震中50 km和100 km內(nèi)的震源機制解資料，利用ZMAP軟件[26]，以10個地震為窗長、5個地震為步長進行滑動計算。圖4為研究區(qū)不同范圍內(nèi)平均Misfit角隨時間的演化進程，表1為研究時段相應(yīng)范圍內(nèi)發(fā)生的MS≥5地震統(tǒng)計。

由圖4及表1可以看出，在震中距50 km范圍內(nèi)，2020年初至漾濞地震發(fā)生前，震源機制一致性參數(shù)平均Misfit角出現(xiàn)下降現(xiàn)象；漾濞地震發(fā)生后，平均Misfit角時序曲線開始轉(zhuǎn)折回升。此范圍內(nèi)其他中強地震發(fā)生前后也出現(xiàn)類似現(xiàn)象，如2013年洱源MS5.5和MS5.0雙震、2017-03-27漾濞MS5.1地震發(fā)生前平均Misfit角時間序列曲線都有一定程度的下降，說明上述地震發(fā)生前小震震源機制均有趨于一致的現(xiàn)象出現(xiàn)。由

圖4 研究區(qū)不同范圍內(nèi)平均Misfit角隨時間變化情況與MS≥5地震M-T圖Fig.4 The variation of average Misfit angle with time and M-T map of MS≥5 earthquakes in research region

表1 2000～2021年研究區(qū)MS≥5地震信息

圖4(b)可見，中強地震發(fā)生前約1～2 a震源機制也有趨于一致的現(xiàn)象出現(xiàn)。2008年起該范圍內(nèi)震源機制一致性參數(shù)平均Misfit角出現(xiàn)多次下降過程，下降期間同時伴有數(shù)次MS5.0以上地震發(fā)生。例如2009年平均Misfit角下降期間發(fā)生了賓川MS5.0地震，洱源MS5.5和MS5.0雙震發(fā)生前平均Misfit角均存在小幅度下降現(xiàn)象。2015年底至2017年平均Misfit角快速下降，即震源機制逐漸趨于一致，表明區(qū)域應(yīng)力水平不斷升高，期間發(fā)生的昌寧MS5.1、云龍MS5.0和漾濞MS5.1三次5級地震也驗證了該現(xiàn)象。2019年中旬至2021年中旬平均Misfit角大幅度、長時間下降后發(fā)生了漾濞MS6.4地震。整體上看，研究區(qū)內(nèi)各中強地震發(fā)生前平均Misfit角均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，2008年之后的平均Misfit角與之前相比，整體上處于相對較低的水平，期間研究區(qū)5級以上地震表現(xiàn)為群體連發(fā)的活動形式。由于震群型和主余型地震無顯著前震活動，數(shù)據(jù)資料難以滿足單個地震序列的計算要求，且不同類型的地震樣本數(shù)量有限，給不同序列類型地震前震源機制一致性參數(shù)的變化特征異同類比分析造成一定困難，因此從現(xiàn)有計算結(jié)果來看，不同類型地震前震源機制一致性變化特征差別不大。從圖4還可以看出，不同震中距范圍內(nèi)的平均Misfit角差別不大，這可能與地震數(shù)據(jù)較少有關(guān)。

雖然并不是每一次平均Misfit角下降現(xiàn)象均能對應(yīng)后續(xù)5級以上中強地震，如2008年下降期間該地區(qū)未發(fā)生5級以上中強地震，僅在2008-02-18發(fā)生漾濞4.8級地震，但該地區(qū)5級以上地震前平均Misfit角都出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，即震前震源機制趨于一致。其中永勝MS6.0地震受限于樣本數(shù)量，無法獲得震前平均Misfit角的具體變化形態(tài)。前人研究表明，在考慮震源機制解數(shù)據(jù)計算誤差的前提下，若平均Misfit角大于40°，則認為應(yīng)力狀態(tài)在時間和空間上具有非均勻性[12-13]。不同半徑的計算結(jié)果也表明，漾濞地震等中強地震基本都發(fā)生在平均Misfit角低于40°期間，此時應(yīng)力場處于相對均勻的狀態(tài)，震源機制一致性程度較高，應(yīng)力水平較高。這種現(xiàn)象在2008年后尤為顯著，該時段平均Misfit角長期低于40°，研究區(qū)5級以上地震的群體活動也十分突出；平均Misfit角大于40°時，應(yīng)力場處于非均勻狀態(tài)，期間研究區(qū)內(nèi)并無5級以上地震發(fā)生。此外，平均Misfit角逐漸升高可能表明區(qū)域應(yīng)力集中調(diào)整即將結(jié)束、震源機制一致性較低、震源機制解類型更加復(fù)雜紊亂、強震危險性逐步降低。如漾濞MS6.4地震后平均Misfit角開始逐漸回升(圖4(c))，余震和主震的震源機制解差異也較大，類型多樣(圖2)，后期再無5級以上強余震發(fā)生。

4 震源機制一致性參數(shù)與b值的關(guān)系

大量震例研究和巖石物理實驗表明，震級-頻度關(guān)系中的b值具有清晰的物理意義，其數(shù)值與壓應(yīng)力大小呈負相關(guān)[27-29]。為進一步考察研究區(qū)內(nèi)中強地震前應(yīng)力狀態(tài)變化情況，本文選取2000-01-01～2021-06-30云南地震臺網(wǎng)速報目錄計算研究區(qū)的b值。由于根據(jù)G-R關(guān)系得到研究區(qū)該時段內(nèi)的地震目錄最小完整性震級為ML1.8，因此本文基于研究時段內(nèi)所有ML≥1.8地震的目錄資料，采用最大似然法[30-31]計算研究區(qū)內(nèi)b值隨時間的變化情況，并與同樣反映應(yīng)力狀態(tài)的震源機制一致性參數(shù)平均Misfit角進行對比分析。選用200個地震樣本作為窗長、20個地震樣本作為滑動步長，根據(jù)選取的地震目錄資料計算得到研究區(qū)內(nèi)b值隨時間的變化曲線(圖5)，并標(biāo)注2000年以來研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的MS≥5地震，其中紅色虛線為均值線。從圖5可以看出，研究區(qū)內(nèi)5級以上地震發(fā)生前，b值都存在不同幅度的下降；2次6級地震發(fā)生前，b值下降速率和幅度相對較大。2013～2017年b值多次下降且整體數(shù)值相對較低，下降期間發(fā)生了洱源MS5.5等多次5級地震，處于地震連發(fā)狀態(tài)；2021年漾濞MS6.4地震發(fā)生前b值快速下降，主震發(fā)生后b值開始波動上升。這一現(xiàn)象與震源機制一致性參數(shù)平均Misfit角的變化形態(tài)類似。

圖5 研究區(qū)內(nèi)b值隨時間的變化情況與MS≥5地震M-T圖Fig.5 The variation of b value with time and M-T map of MS≥5 earthquakes in research region

綜合震源機制一致性參數(shù)和b值的變化情況可知，漾濞地震及周邊地區(qū)的震源機制一致性參數(shù)平均Misfit角和b值與應(yīng)力狀態(tài)之間存在一定的聯(lián)系，二者均能反映該地區(qū)應(yīng)力場的變化情況，同時研究區(qū)中強地震多發(fā)生在震源機制一致性參數(shù)和b值下降的過程中。

5 結(jié) 語

本文基于收集到的漾濞地震序列及周邊歷史地震震源機制解數(shù)據(jù)，分析震源機制類型和應(yīng)力軸分布特征，并在此基礎(chǔ)上研究震源機制一致性參數(shù)的時間變化特征與中強地震活動的關(guān)系。結(jié)果表明，漾濞地震序列及震源附近歷史地震的震源機制解類型以走滑型為主，其次為正斷型。漾濞地震發(fā)生前震源機制解類型與主震類型基本一致，大都為走滑型地震，余震類型則會隨序列的不斷發(fā)展而變得復(fù)雜多樣，正斷型和不確定型等不同類型的地震逐漸增多。

不同震中距范圍內(nèi)的震源機制一致性參數(shù)平均Misfit角的時間演化特征顯示，漾濞地震及周邊中強地震發(fā)生前平均Misfit角均有一定程度的下降，說明地震發(fā)生前小震震源機制趨于一致，這可能是中強地震的前兆信息。震源機制趨于一致，表明構(gòu)造應(yīng)力場的控制作用增強，區(qū)域應(yīng)力開始集中，可能意味著將有強震發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)地震基本都發(fā)生在平均Misfit角低于40°的情況下，表明40°的平均Misfit角可作為該地區(qū)強震危險性的研判指標(biāo)。當(dāng)平均Misfit角低于40°且開始下降時，可能表明地震正在孕育成核、強震發(fā)生時間逐漸臨近、強震危險性逐步提高；地震發(fā)生后平均Misfit角轉(zhuǎn)折回升，可能表明區(qū)域應(yīng)力釋放調(diào)整后趨于穩(wěn)定，震源機制一致性降低，地震以離散的中小地震形式發(fā)生，強震危險性有所減弱。此外，研究區(qū)內(nèi)b值的時間變化特征與震源機制一致性結(jié)果類似，在漾濞地震及周邊中強地震發(fā)生前，b值也明顯下降。這一方面印證了震源機制一致性參數(shù)平均Misfit角結(jié)果的可靠性，另一方面也表明b值可以反映地震前后的應(yīng)力狀態(tài)變化，可用于獲取中強震的震兆信息。

由于本文僅針對漾濞地震震源及周邊地區(qū)展開研究，研究區(qū)范圍較小且地震樣本數(shù)量有限，因此對震源機制一致性演化特征的分析具有一定的局限性。對于地震活動頻繁且復(fù)雜的云南地區(qū)，若要利用震源機制一致性參數(shù)變化來進行地震風(fēng)險性評估，則需要更多的震例回溯和研究來確定不同地區(qū)具體的計算參數(shù)和判定規(guī)則，為強震危險性研判提供更多可靠依據(jù)。

致謝：本文圖件采用GMT軟件繪制，震源機制一致性參數(shù)利用Max Wyss等開發(fā)的ZMAP軟件計算獲得。中國地震科學(xué)實驗場大理中心和云南省地震局付虹研究員提供了部分歷史地震震源機制解數(shù)據(jù)，漾濞地震序列部分震源機制解來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國地震局地震預(yù)測研究所聯(lián)合開發(fā)的EarthX智能地動系統(tǒng)。在此一并表示感謝。