2013年左贡－芒康M S 6.1地震序列震源机制变化过程研究

何畅 朱航

四川省地震局，成都市人民南路3段29号 610041

0 引言

一次中强地震的发生经常会伴有一些前震和大量的余震，而前震和余震的震源机制有何规律、与主震震源机制的异同性以及怎样利用这些信息进行地震预测研究，一直是地震工作者非常关心的问题(李钦祖，1974;陈运泰，2007;李丽等，2009)。陈颙(1978)从震源机制的角度研究了前震与余震的特征，指出前震与余震在震源机制的一致程度方面存在明显的差异;刁桂苓等(1994)也提出了1个反映震源机制一致性的参数，将其定义为震源机制解P、T、N轴分别与区域地壳应力场3个应力主轴的夹角之和，以此来表征震源机制和区域构造应力场的一致性。

在较小范围内发生的地震事件，其传播效应是非常相近的，因此各自波形上的差异可以归因于震源机制的不同。Lund等(2002)据此提出了利用直达P波、S波的谱振幅相关来识别具有相似震源机制的小震的方法;朱航等(2006)根据Lund等(2002)提出的方法采用体波谱振幅相关系数方法，对几次地震序列的震源机制变化过程进行了研究，并利用震源机制的一致性较好地区分了强震序列与小震序列(朱航等，2006;李霞等，2010;刘泽民等，2010)。崔子健等(2011)在对小震群序列类型判定方法及研究趋势进行综述的基础上，使用谱振幅相关分析法研究了小震震源机制相似性，其研究表明谱振幅相关分析法可能是具有较明确物理意义的判定小震序列类型的方法，且具有实用价值，值得进一步研究。

2013年8月12日05:23:40西藏自治区昌都地区左贡县、芒康县交界(30.03°N，97.95°E)发生6.1级地震，在主震发生前9h，与主震震中非常接近处曾发生ML4.7地震，并伴有一系列震级较低的地震。本文使用四川地震台网波形数据，采用体波谱振幅相关系数方法研究左贡-芒康6.1级地震序列的震源机制变化特征。

1 左贡－芒康6.1级地震序列

2013年8月12日西藏左贡-芒康交界发生MS6.1(ML6.3)地震，震中位于澜沧江断裂附近，震源深度7.7km。本次地震序列属于前-主-余型，8月11日在主震震中附近发生了7次ML≥2.0的中、小地震，最大震级为ML4.7，主震发生后当日共发生5次4级以上余震，其中5.0～5.9级2次，最大震级余震为8月12日07:58:45ML5.6地震，图1给出了2013年8月11～12日震中附近ML≥2.0地震的M-t和N-t图，图2为此次地震序列的震中分布图。由图1、2可见，主震前的一串中、小地震震中与主震震中非常接近，而余震震中则偏离主震向其西北向展布。

图1 2013年8月11～12日左贡 -芒康6.1级地震序列 M L≥2.0地震的震级(a)、频度(b)图

2 研究方法

地震学中，台站记录的地震波位移观测谱振幅表达为

式中，i代表第i个地震事件;j代表第j个台站;f为频率;r为台站与地震事件之间的距离;R(θ，φ)为地震波的震源辐射图型因子，其中θ、φ表示震源球坐标系中台站的方位角;Gij(r)是几何扩散因子;Pij(f，r)为非弹性衰减系数;Lj(f)为台站的场地响应，Ij(f)为仪器响应，两者仅仅与频率有关;Si(f)为地震的震源谱，可以表示为

图2 左贡-芒康地震序列的空间分布

式中，M0为地震矩;fc为拐角频率，是高频渐近线与低频渐近线相交处的频率。

如果2次地震震中足够接近，即2次地震震中的间距比地震震中到台站之间的距离小得多，那么同一台站记录的这2次地震的仪器响应、几何扩散、场地响应和非弹性衰减是相同的。对于同一台站、同一频率的观测谱值之比可以表示为

当f远小于fc(1)、fc(2)时，式(3)可以表示为

式中，O1j(f0)与O2j(f0)为2次地震在第j个台站的观测谱零频谱值;为常数。

由于不同震级地震的地震矩差别很大，因此为了便于比较，对式(4)取对数，即

Lund等(2002)提出了一种体波谱振幅相关分析方法:对于同一震源区2次地震事件在同一台站的波形记录，利用直达P波、S波零频谱振幅计算相关系数。对三分向波形记录，可以得到5个不同分量的零频谱振幅值，即径向、垂向分量的P波记录(PZ和PR)，切向、径向和垂向分量的S波记录(SZ、SR和ST)。2次地震事件的线性相关系数rxy可以表示为

式中，xij表示事件x在第i个台站记录的第j个谱值分量的对数;¯为xij的平均值;yij为事件y的谱值分量的对数。

由式(4)、(5)可知，体波谱振幅相关系数可以描述2次地震事件震源机制的相似程度。若相关系数接近于1，表示2次事件震源机制解的几何特性相似;若相关系数比较低，则2次事件的震源机制不相似。

将每一次事件与序列中其它的事件进行相关分析，可以得到序列中事件相互之间震源机制的差异，在此基础上就可以研究地震序列震源机制的时空变化特征。

3 计算结果分析

左贡-芒康6.1级地震震中位于藏东南高山峡谷地带，测震台站稀疏，监测能力较弱。本文利用四川数字地震台网资料，挑选主震前后具有较完整清晰波形的ML≥3.0地震，共计9次，其中包含6次ML≥4.0地震(表1)。

表1 计算中使用的M L 3.0以上地震目录

根据前述原理与方法，选取观测台站时应满足下列条件:①台站距震源区距离应远大于震群内最大震间距;②研究时段内台站记录正常。按照上述条件，本文选用四川地震观测台网的巴塘(BTA)、理塘(LTA)、乡城(XCE)及甘孜(GZI)等4个台站的波形记录进行计算，4个台站均位于震源区北东侧，距主震震中120～260km(图3)。

3.1 序列震源机制的时间演化

利用上述4个台站记录到的波形数据计算序列内9次ML≥3.0地震的谱振幅相关系数，计算过程中滑动窗长为3，步长为1，求得3次事件中两两组合的相关系数并取算术平均，将结果标注在窗内最后1次事件的序号上方，得到谱振幅相关系数滑动平均的顺序曲线(图4(a))。由图4(a)可知，滑动平均值在0.59～0.89间波动，曲线表现为从逐渐升高至主震发生后迅速降低。主震发生前的相关系数较高，从0.84逐渐增大至0.89;主震发生后，余震的相关系数迅速下降，从0.75下降至0.59，之后虽有转折上升但也仅停留在0.68的较低值处。崔子健等(2012)计算得到前震序列的相关系数平均值均大于0.85，此次左贡-芒康6.1级地震前的小震序列相关系数平均值为0.86，显示其震源机制较一致，与前震序列的特征相吻合。图4(b)是9次地震分别与主震的谱振幅相关系数的分布曲线，曲线走势与图4(a)相似，即前震与主震的谱振幅相关系数较高，且随序列的发展逐步升高，而余震与主震的谱振幅相关系数明显降低。

图3 地震台站分布图

图4 M L≥3.0地震谱振幅相关系数滑动平均的顺序曲线(a)、M L≥3.0地震分别与主震的谱振幅相关系数的分布曲线(b)

3.2 序列震源机制聚类分析

在得到序列事件相互间的谱振幅相关系数的基础上，可以根据彼此相关系数的大小进行聚类分组。聚类分析是对未知类别的一批样本进行合理分类，使得同一个类中的事件比较接近，不同类的事件相差较多。进行聚类分析时，定义不同的相似性量度和距离量度便可以产生不同的聚类结果。

本文选用最长距离法，该方法属于谱系聚类方法，是通过逐次合并类，最后得到一个二叉树聚类图。对于n个观测，首先计算两两间的距离，把距离最近的2个观测量合并为一类，这时剩余n-1个类(单独未合并的观测量为1个类);其次计算这n-1个类两两间的距离;最后找到距离最近的2个类将其合并，则只剩下n-2个类，依次类推，直到剩下2个类并且将其合并为1个类为止。实际计算时会规定1个类水平数(即未合并的类数)，最终的类取决于这些未合并的类。本文中定义的距离是1与谱振幅相关系数的差，含义是2次事件间的相关系数越大，则距离越小，它们的相似程度就越高。

图5是左贡-芒康6.1级地震序列ML≥3.0地震的聚类树，事件1～4为前震，事件5为主震，事件6～9为余震。根据图5可将序列事件分为2组，第1组最长距离小于0.25，包含事件1～5及事件9，认为组内事件震源机制比较相似;第2组的3个事件较分散，认为组内事件震源机制不相似;震源机制相似事件包含6.1级地震的前震序列、主震及最大余震(事件9为MS6.1地震的最大余震)，表明主震前的中小地震存在1个优势的震源机制分布，并且与主震的震源机制相似，在主震发生前的一段时间内，小震震源机制相似是前震的特征。从空间分布情况来看，第1组机制相似事件的震中主要分布在6.1级地震震中附近(图 2)。

图5 M L≥3.0地震事件聚类树

4 讨论与结论

对于同一个震源区的不同地震，利用不同台站得到的直达波零频谱的观测谱值进行对比可以了解不同地震间的震源机制差异，进而得到地震序列的震源机制变化过程。本文使用谱振幅相关系数方法研究了左贡-芒康6.1级地震序列的震源机制变化特征，结果显示左贡-芒康6.1级地震的前震序列谱振幅相关系数较高，均值为0.86，高于普通小震序列的相关系数值，表明其震源机制的一致程度高，而余震序列的相关系数较低，表明余震的震源机制较紊乱。当前震发生时，岩层虽受到应力作用但其基本结构还未发生改变，加之较高的构造应力场强度会促使裂隙排列呈现优势取向，因此序列的震源机制趋于一致，谱振幅相关系数呈现出高值的特征;而当主震发生过后，构造基本结构的变化以及局部应力场强度的降低都会导致余震的震源机制较紊乱，谱振幅相关系数出现低值波动特征，这种特征也表明后续发生较大地震的可能性较低。虽然本文中参与计算的地震事件较少，但是非常完整地呈现了前-主-余型地震序列的谱振幅相关系数的变化过程，具有一定的典型性。

前人(朱航等，2006;崔子健等，2012)利用谱振幅相关系数方法对强震的前震和余震序列的研究结果显示，强震序列初期，震源机制表现为从散乱到一致的特征，主震与较大地震发生后小震的震源机制有一定的发散;在普通小震序列中，地震的震源机制发散。本文计算的左贡-芒康6.1级地震序列的变化特征与前人研究结果相一致，证实了体波谱振幅相关系数法对序列类型判定的实效性。