2012年9月7日云南彝良Ms5.7、Ms5.6地震震源破裂特征与发震构造研究

吕 坚，郑秀芬，肖 健，谢祖军，曾新福，黎 斌，董非非

1 江西省地震局，南昌 330039

2 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

3 大地测量与地球动力学国家重点实验室，中国科学院测量与地球物理研究所，武汉 430077

1 引 言

据中国地震台网测定，2012年9月7日11时19分在云南彝良和贵州威宁交界发生5.7级地震，震后不到1小时，12时16分在云南彝良再次发生5.6级地震.虽然这两次地震的震级不高，但灾害却极为严重，造成80余人死亡，800余人受伤，近18万户房屋倒损，30余万人紧急转移安置，直接经济损失达数十亿元人民币，创造了同等级别地震中罕见的灾害［1］.产生这次特殊震灾的主要原因，云南省地震局局长皇甫岗已从灾区人口密度较高、房屋抗震性能偏弱、山区地形容易引发次生地质灾害和两次地震灾害叠加等方面进行了分析［2］.除此之外，也非常有必要从这两次地震自身的震源破裂特征角度来深入探讨，比如地震的震源深度是否很浅、是否存在共轭运动的发震断层等等.从现有的结果来看：对于震源深度，中国地震台网速报目录中5.7级地震为14km，5.6级地震为10km；中国地震台网快报目录中两次地震都为10km；全国统一正式目录中两次地震都为14km；中国地震局地球物理研究所的有关研究给出5.7级地震的起始破裂深度为16 km、矩心深度为11km；5.6级地震的起始破裂深度为15km，矩心深度为10km［3］.对于震源机制解和发震构造，中国地震台网中心的有关研究得到这两次地震的震源机制为走滑型，发震构造为昭通—鲁甸断裂［4］；中国地震局地质研究所徐锡伟等认为这两次地震的发震构造为石门断裂［5］；中国地震局地球物理研究所韩立波等的研究［3］显示5.7级地震震源机制解中NE向、NNW向两个节面均为走滑－逆冲运动性质，逆冲分量的大小略小于走滑分量的大小，5.6级地震震源机制解中NE向节面比5.7级地震NE向节面的倾角更缓，走滑分量更大，NNW向节面比5.7级地震NNW向节面的倾角更陡，逆冲分量更大；GlobalCMT［6］提供的5.7级地震最佳双力偶解中NE向节面滑动角为139°，NNW向节面滑动角为46°，5.6级地震最佳双力偶解中NE向节面滑动角为158°，NNW向节面滑动角为47°，两次地震的震源机制性质与中国地震局地球物理研究所提供的结果相似.通过上述比较，显而易见目前的各类研究结果存在一些差异，需要进一步确定.为了提高对上述重要问题的认识，本文将充分利用全球、全国和区域台网的数字地震记录，深入研究这两次地震的震源深度、震源机制解和发震构造.

2 地震矩心深度与震源机制解

在通常情况下，区域速度结构的横向不均匀性随着震中距增大而增大，区域地震台站记录到的震相复杂性也随着震中距增大而增强.因此，在利用区域地震波形反演中强地震的震源机制解时，较多地采用震中距250km范围内的台站记录［7－14］.在本研究中，云南彝良地震的震中位置采用全国统一正式目录的结果，5.7级地震为27.51°N、103.97°E，5.6级地震为27.56°N、104.03°E.在震中距250km 范围内，存在28个国家或区域数字化测震台站［15］，其中有6个台站的数据无法使用，剩余22个台站可以参与研究（图1）.地震所在区域的速度结构模型，目前也有较为可靠的研究成果［16］（表1），我们采用该模型（表1）和频率－波数法（F－K 方法）［7－9］计算理论地震图.由于地震的矩心深度反映了地震发生时能量释放最大区域的震源深度，对研究地表破坏的成因比起始破裂深度更具参考意义，因此我们采用CAP方法（Cut and Paste方法的简写）［7－9］对云南彝良5.7级、5.6级地震的矩心深度和震源机制解进行联合反演研究.CAP方法将宽频带地震记录分成Pnl和面波两个部分进行反演并允许他们相对浮动，在适当的时间变化范围内，搜索出合成地震图和观测地震图全局差异最小的震源机制解，它的一大优势是反演结果对速度模型和地壳横向变化的依赖性相对较小，甚至可以应用在速度结构变化差异很大的地区，国内的一些研究结果［10－14］充分证明了CAP方法在震源机制解与地震矩心深度研究方面的有效性与可靠性.

图1 地震震中与台站分布图Fig.1 Seismic epicenter and stations

表1 地壳速度模型Table 1 Crustal velocity model

本研究采用了CAP方法中P波初动方向和波形拟合联合反演的算法.根据波形记录质量和P波初动方向的清晰度，筛选出如图1中的台站参与计算，这些台站合理地包围了震中.在选用震相之前，我们先将原始的速度记录扣除仪器响应后积分到位移记录，再将位移记录从UD－NS－EW分量旋转为Z－R－T分量，分成Pnl和面波两个部分，并将Pnl部分经带宽为0.05～0.25Hz、面波部分经带宽为0.05～0.15Hz的4阶Butterworth带通滤波器滤波.选择这样的分析频率范围，既可以滤掉长周期地脉动和由速度积分到位移造成的长周期漂移，也可以有效避免介质细结构所带来的影响，既可得到恰当的标量地震矩，也能较充分地反映地震波携带的震源信息.经过上述处理后，参与波形拟合的每一个台都有Z分量、R分量的Pnl震相和3个分量的面波震相供分析.

图2给出了5.7级地震反演方差和震源机制解随不同深度取值的变化情况，可见震源矩心深度在6km左右时，震源机制解的反演方差达到极小值，相应的震源机制解为节面Ⅰ走向243°，倾角62°，滑动角149°，节面Ⅱ走向349°，倾角63°，滑动角32°，波形拟合情况如图3，可见总体上拟合效果较好，反演方差为3.499×10－1.

图3 5.7级地震的理论地震图与观测地震图虚线为理论地震图，实线为观测地震图，波形下方上面的数字为理论地震图相对观测地震图的移动时间，单位为s，下面的数字为理论地震图与观测地震图的相关系数.Fig.3 Comparison between the synthetic and the observed seismograms The dashed line are synthetic seismograms and the solid line are data.The numbers under the seismograms are the time shifts（upper）and cross－correlation coefficient in percent（lower）.Positive time shifts mean that the synthetics have been delayed or shifted to the right.

图4给出了5.6级地震反演方差和震源机制解随不同深度取值的变化情况，可见震源矩心深度在6km左右时，震源机制解的反演方差达到极小值，相应的震源机制解为节面Ⅰ走向241°，倾角37°，滑动角162°，节面Ⅱ走向346°，倾角79°，滑动角54°，波形拟合情况如图5，可见总体上拟合效果较好，反演方差为2.679×10－1.

3 结果的可靠性分析

3.1 震源机制解结果的可靠性

在前述研究中，采用的是细分为7层的复杂地壳速度模型（表1）.考虑到速度结构可能对震源机制解和震源深度反演结果产生影响，我们参考已有研究成果［16］将地壳速度模型进行简化，新的模型仅将整个地壳分为2层，第一层采用地表浅层的速度结构，第二层采用地壳平均的速度结构（表2）.经过重新计算，得到5.7级地震的震源矩心深度为7km左右，5.6级地震的震源矩心深度为6km左右（图6），相应的震源机制解结果见表3.通过图2、图4、图6和表3结果的对比，可以看出虽然表1和表2的速度模型不同，但得到的震源机制解和震源深度反演结果在误差范围内是一致的，具有较好的稳定性.

表2 简化的地壳速度模型Table 2 Simplified model of crustal velocity

图5 5.6级地震的理论地震图与观测地震图虚线为理论地震图，实线为观测地震图，波形下方上面的数字为理论地震图相对观测地震图的移动时间，单位为s，下面的数字为理论地震图与观测地震图的相关系数.Fig.5 Comparison between the synthetic and the observed seismograms The dashed line are synthetic seismograms and the solid line are data.The numbers under the seismograms are the time shifts（upper）and cross－correlation coefficient in percent（lower）.Positive time shifts mean that the synthetics have been delayed or shifted to the right.

表3列出了本研究、中国地震局地球物理研究所韩立波等［3］和 GlobalCMT［6］提供的震源机制解结果，可见虽然三方研究采用的资料和方法不同，但获得的震源机制解结果在误差范围内也比较一致（表3），而本研究的优点在于综合考虑了P波初动方向和波形拟合情况.为了便于分析，统一采用本研究中基于表1地壳速度模型的结果.

表3 震源机制解的结果对比Table 3 Comparison of focal mechanism results calculated by different study

图6 反演方差和震源机制解（采用下半球投影）随不同深度的变化图Fig.6 Error plots as a function of source depth

3.2 震源深度结果的进一步验证

对于MW5级以上地震，通常在震中距30°～90°的远震记录图上能观测到较清晰的深度震相pP、sP.这是因为震源所辐射出的P波能量，一部分以很小的离源角向下传播然后到达接收台形成直达P波；有一部分P波能量近垂直向上传播至地表然后从地表反射回来经过和直达P波相近的路径最后传播至接收台，即为深度震相pP；同样，向上辐射的S波也会在地球表面反射并转换为P波，该震相则称为sP波.利用远震体波深度震相（P、pP、sP）确定震源深度已被充分证实为一种有效的确定震源深度的方法，因为直达P波与它在地表的反射震相pP、sP的走时差对震源深度变化非常敏感，如果震源深度有2km左右的偏差，就能引起pP、sP与P波走时差明显的偏离，而震中距则对走时差影响不大［17－19］.

为了进一步验证震源深度的可靠性，我们从IRIS获取了云南彝良5.7级、5.6级地震的远震记录，对每个地震选择了3个不同震中距、不同方位角、信噪比高的台站（图7），首先将原始记录去仪器响应后转化为地动速度，然后选用0.7～1.5Hz的带通滤波将垂直分量数据进行滤波以得到更清晰的P、pP、sP震相，最后采用本研究的震源机制解结果和tel3算法［20－21］计算了不同震源深度的合成地震图.如图7所示，虚线的波形是合成地震图，实线的是实际观测数据.由理论图可见当震源深度较大时，深度震相pP、sP与直达P波明显分开，当深度逐渐减小，pP、sP向P波靠拢，最后与P波合成一个波，使原来P波的波形发生改变.当深度为6km左右时，这两次地震各个远震台站计算的合成地震图可以与实际数据相符.因此，综合区域地震记录和远震记录的研究结果，我们有充分的理由认为云南彝良5.7级、5.6级地震的震源矩心深度均为6km左右.

4 彝良地震的发震构造及相关讨论

根据中国地震局发布的云南彝良5.7、5.6级地震烈度图［1］，本次地震的极震区烈度为Ⅷ度，等震线形状呈椭圆形，长轴走向为NE45°左右.图8是ML≥2.0级地震序列（来源于全国统一正式目录，截至2012年9月16日）叠加在地震烈度和区域活动断裂［22］上的综合图.从图中可以看出：本次地震序列的震中基本位于Ⅷ度烈度区内，震中分布的长轴走向为NE50°左右，与地震烈度等震线的长轴方向是比较一致的，从而可推测本次地震序列的发震构造可能为一条NE走向的活动断裂，因此位于震区西侧的昭通—鲁甸断裂和位于震区东侧的石门断裂（闻学泽研究员称之为昭通前缘断裂）均可作为候选的发震构造来讨论.中国地震台网中心的有关研究认为发震构造为昭通—鲁甸断裂［4］，而中国地震局地质研究所徐锡伟研究员等则认为发震构造为石门断裂［5］.本研究结果显示，5.7级地震的震源机制解为节面Ⅰ走向243°、倾角62°、滑动角149°，节面Ⅱ走向349°，倾角63°，滑动角32°；5.6级地震的震源机制解为节面Ⅰ走向241°、倾角37°、滑动角162°，节面Ⅱ走向346°，倾角79°，滑动角54°.这两次地震震中相距不到10km，震源机制解中存在一组相近的NE向节面，走向平均为242°左右，倾角平均为50°左右，滑动角平均为156°左右，揭示出如果发震构造为NE走向断层，则断层运动以右旋走滑为主，兼有逆冲性质；该断层倾向NW，上盘为北西盘，下盘为南东盘，断层面并不陡峭，这样主震和余震震中应该主要位于地表可见断裂的西侧.昭通—鲁甸断裂虽然是一条走向NE、倾向NW的活动断裂，但它不是这两次地震的发震构造，因为主震和余震震中都在它的东侧.根据闻学泽研究员提供的资料［22］，石门断裂是一条走向NE、倾向NW的右旋走滑兼逆冲断裂，它作为发震构造，满足地震震中分布、地震烈度分布和震源机制解特征的要求.因此，我们支持徐锡伟研究员等的观点，这两次地震的发震构造为石门断裂.本研究还得到5.7、5.6级地震的震源矩心深度均为6km左右，表明能量释放主要发生在地壳浅部，这也是导致震区严重灾害的一个重要原因.

图7 远震深度震相的合成地震图和观测地震图比较（下面6个图，虚线波形为合成图，实线波形为观测数据），上图为震中与台站分布（五角星为震中，三角形为台站），Stnm为台站名、Az为方位角、Dist为震中距.Fig.7 Comparison between the synthetic and the observed seismograms（the dashed waveforms are synthetic seismograms and the solid waveforms are observed data）

图8 活动断裂、地震序列和地震烈度综合分布图（断裂数据来源于闻学泽研究员，震源机制解采用下半球投影）Fig.8 Distribution of active fault、seismic sequence and intensity

根据石门断裂的性质，我们以5.7级地震（震中为27.51°N、103.97°E，深度6km）震源机制解的节面Ⅰ（走向243°、倾角62°、滑动角149°）为该地震的发震破裂面，以5.6级地震（震中为27.56°N、104.03°E，深度6km）的两个节面分别作为接收断层，计算了5.7级地震后的静态库仑应力变化［23－25］.地壳速度模型采用表1的结果，因为5.7级地震的破裂面以右旋走滑为主同时含有较强的逆冲分量，因此有效摩擦系数选为0.4［26］，发震断层的长度、宽度和滑移量参考文献［27］依次取值为8.4km、6.3km、0.14m.当5.6级地震的发震断层面选择震源机制解的节面Ⅰ（走向241°、倾角37°、滑动角162°）时，5.7级地震导致其震中的同震库仑应力变化为＋0.03MPa，有利于促进该断层面发震；当5.6级地震的发震断层面选择震源机制解的节面Ⅱ（走向346°，倾角79°，滑动角54°）时，5.7级地震导致其震中的同震库仑应力变化为－0.05MPa，不利于该断层面发震［23－26］.上述结果支持这两次地震的发震构造为同一断裂的结论，发生共轭破裂的可能性很小.

以著名的红河深大断裂为界，云南的强震活动可以分为东西部两个区域和若干个主要地震带［28－29］，本次彝良5.7级、5.6级地震发生在东部区域的马边—大关—昭通地震带上，该地震带及附近地区现代构造应力场的主压应力优势方位为SEE－SE向，以水平作用为主［29－33］.本次彝良5.7级地震的 P轴方位为116°，仰角为1°，5.6级地震的P轴方位为103°，仰角为25°，反映出SEE向水平挤压的应力场作用（图8），与该区域的现代构造应力场特征是一致的.从地域上看，彝良震区位于青藏地块区和南华地块区的边界带上［34－36］，震区西侧是中国大陆地震活动强烈的川滇活动地块（川滇菱形块体），震区东侧是相对稳定的南华地块区.活动构造和GPS的研究［34－38］显示，川滇活动地块具有强烈的向SEE方向滑动的特征，并在边界带及附近受到了南华地块区的阻挡，本次地震序列的孕育发生应该是在这种动力作用下，位于块体边界带上的石门断裂应力不断积累、突发失稳破裂的结果.

5 结 论

本研究的结果表明：

（1）云南彝良5.7、5.6级地震的震源矩心深度均为6km左右，表明能量释放主要发生在地壳浅部，这是导致震区严重灾害的主要原因之一.

（2）彝良5.7级地震的破裂面走向243°、倾角62°、滑动角149°，5.6级地震的破裂面走向241°、倾角37°、滑动角162°，两次地震的发震构造均为石门断裂，地震孕育的主要动力来源于川滇活动地块向SEE方向强烈滑动并受到南华地块区阻挡而引起的应力积累作用.

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