2015年5月云南双柏ML 4.1地震活动机理初探

李涛 付虹 徐甫坤

1）云南省地震局，昆明市北辰大道148号 650224

2）云南天文台，昆明 650216

0 引言

在初始构造应力场中，流体对局部地震活动的触发起着重要的作用，人为因素导致的空隙流体压力变化，例如水库蓄水或深部加压注水等均可能诱发地震（Aki et al，1982；Talwani et al，1984；刁守中等，1990；Zond et al，1997；Phillips，2000；Gupta，2002）。虽然水库蓄水产生的附加应力很小，不能使完整岩体产生破坏，但是巨大体积的蓄水可以使库底水压增加，流体载荷通过水体重力对库区地下岩体的加载，可以促使已有初始应力的突然释放，进而改变库区原有应力的平衡状态，并触发地震。近几十年来，随着国内外大型水库的兴建，已有许多水库蓄水诱发地震的例子（胡先明，2004；陈翰林等，2009；马文涛等，2013；陈俊华等，2013；张永久等，2013）。

2015年5月19日9时58分，云南双柏、峨山一带发生了ML2.1地震，之后出现密集的小震活动，并于6月14日发生ML4.1地震，形成显著的震群事件。该震群位于南华扭动褶皱区东缘，该区域以NNW向为长轴的褶皱和部分倾伏背斜为主，区内断裂并不发育，附近主要有NW向的楚雄建水断裂以及近NS向的绿汁江断裂和易门断裂（苏有锦等，2001）。距该震群10km的范围内有一龙门水库（图1），该水库地处峨山县大龙潭乡以他斗村地界，属于绿汁江上梯级电站，坝高28.5m，库容620万m3，自2015年5月20日开始蓄水并试行发电，且水位迅速达到1021m。鉴于此次双柏震群活动与龙门水库蓄水在时间上存在明显的相关性，因此，研究此次震群的活动特征，并进一步研究水库地震发生的环境及机理十分重要。而龙门水库库区地震事件的精确定位是以上研究的基础，为提高定位的精度和质量，本文利用双差定位法对此次震群进行了精定位，并结合震源机制解，探讨该震群活动的孕育过程和发震机理。

图1 双柏震群及龙门水库的位置

1 地震活动概况与水库蓄水过程

1.1 地震活动概况

2015年5月19日9时58分，云南双柏县、峨山县、易门县的交界处发生ML2.1地震，同日，又发生4次ML≥3.0地震。从时间分布（图2）来看，该震群经历了2个明显的地震密集期：一是自5月19日起，地震活动频繁，20日之后地震次数明显减少；二是6月10日起，发生多次ML≥3.0地震，之后2、3级地震持续活跃，并于6月14日发生ML4.1地震，3级地震持续到6月17日，之后开始出现衰减，但1、2级地震仍持续活动。截至6月30日，云南地震台网一共记录到该区ML＞0地震356次（含单台记录201次）（图1），其中，ML0.0～0.9的82次，ML1.0～1.9的211次，ML2.0～2.9的48次，ML3.0～3.9的14次，ML4.0～4.9的1次，最大震级地震为2015年6月14日15时38分发生的ML4.1地震（24.415°N，101.968°E），其微观震中位于双柏县东南的安龙堡附近。

图2 2015年双柏震群ML＞0地震M-t图

1.2 水库蓄水过程

龙门水库自2015年5月20日开始蓄水，图3给出了水库蓄水水位与双柏震群的日频次、地震震级之间的关系。由图3可见，水库蓄水后，水位迅速上升，从1021m升至1037m，5月27日出现小幅回落，随后缓慢上升，并于6月8日达到最高水位1038.5m，之后，水位在升降交替的过程中呈现总体下降的趋势。ML＞0地震日频次统计结果（图3（a））显示，伴随水位的升降变化，双柏震群出现了2次比较明显的地震活动高频次过程，第1次是5月19日水位迅速上涨初期，共发生地震46次，之后，随着水位缓慢上升，地震频次明显减少。6月8日龙门水库蓄水达到最高水位，随后，6月10日地震又开始密集发生，出现第2次地震高频次活动，并于6月14日出现最高频次67次，之后，地震活动逐渐减弱。从水位和地震震级间的关系（图3（b））可以看出，该震群经历了2次比较明显的能量释放过程。自5月19日，随着水位的升高，震级逐渐减小，直至6月10日左右开始增大，并于6月14日发生该震群的最大震级地震，即ML4.1地震，之后，震级又逐渐减小。

图3 2015年5月18日～6月30日龙门水库蓄水与地震活动间的关系

由图3可见，此次双柏震群与龙门水库蓄水活动间有明显的时空相关性，是一次与水库蓄水过程直接相关的震群活动。整体来看，震群活动与水位变化较大的时段在时间上具有同步性，且主要发生在高水位后水位处于下降期的卸载时段内。这可能是水库迅速蓄水导致库水的荷载作用加强，使得原有的应力平衡状态被打破，能量释放而产生地震的。为了进一步探索该震群的发震机理，笔者首先对地震进行精确定位，以便为后续研究提供较高精度的定位结果。

2 地震定位

2.1 双差定位方法

双差地震定位方法是Waldhauser等（2000）提出的一种研究丛集地震定位的有效方法，该方法使用地震对的走时差进行定位，最大限度地减小了速度模型对定位结果的影响。其基本原理为：如果2个地震震源之间的距离小于事件到台站的距离和速度不均匀的尺度，那么，则认为震源区与该台站之间的整个射线路径几乎相同。此时，在某个台站观测到的2个事件的走时差来自于事件之间的高精度的空间偏移。该方法不要求有主地震，适用于比主事件地震定位法空间跨度更大的地震群体，同时消除了主地震定位精度对待定地震定位精度的影响，因此，已被国内外地震学家广泛应用到实际的地震定位中（Waldhause，2001；Waldhauser et al，2002、2004；杨智娴等，2003、2004a、2004b；李志海等，2004；Okada et al，2005；王小平等，2005；黄嫒等，2006；冯建刚，2008；朱艾斓等，2008；刘文邦等，2011；房立华等，2011）。

2.2 台站分布及资料

本文挑选了2015年5月19日～6月30日至少被3个台站记录到的155次ML＞0.0地震，这些地震共有P波初至震相1287个，S波震相1146个，本文只选取震中距≤300km的43个台站（图4）所记录到的2165个震相进行重新定位。

2.3 速度模型的选取

地震波速度模型对地震定位精度的影响很大，对地壳结构认识越精细，则地震定位精度越高。双差定位方法能够很好地克服横向不均匀性的影响，对地壳速度模型的依赖性相对较小，因此，本文采用水平分层速度模型。郑钰等（2008）曾利用川滇速度模型、中西部速度模型、PREM模型和AK135速度模型对2007年云南普洱6.4级地震进行重新定位，从重定位事件的个数、平均残差的角度来考虑，PREM模型相对比较好。因此，本文采用PREM速度模型。该模型共分为6层，各层速度如表1所示，波速比vP／vS设为1.73。

2.4 定位计算

一般情况下，初至P波震相的读数精度高于S波，但本研究中地震震中距较小，震相比较单一，S波的读数精度几乎不会受到影响。因此，计算过程中对P波、S波读数分别赋予1.0、0.7的权重值。

在计算过程中，事件对与台站间的最大距离参数（MAXDIST）取200km，采用共轭梯度法求解方程。进行2轮迭代，第1轮的8次迭代由地震的初始位置和先验权重开始，第2轮的7次迭代采用标准差的3倍作为截断值。通过反复迭代，舍去残差大于截断值的震相数据，并用上一次迭代的结果更新震源位置、残差和偏导数矩阵，每次迭代得到的残差作为下一次迭代的加权函数，直至得到稳定的解。

图4 用于重新定位的震中距≤300km的台站分布

表1 双差定位采用的速度模型

2.5 定位结果分析

重新定位后，得到142个事件的震源位置，为原来地震的91.6%。据此作出定位前后的地震空间分布图（图5）。由图5可见，该震群发生于绿汁江断裂带南段的北端，其分布特征与该断裂的走向一致。重定位前后，地震的总体分布格局变化不大，这说明台网的初步定位结果在水平方向上已很精确，但经过双差定位得到的地震震中分布更加集中，外围少数地震被舍弃，并有向内收敛的趋势，呈现出明显的NNE优势分布方向。

为了分析地震的深度分布情况，笔者将地震分别沿经度和纬度方向进行投影（图6）。由图6所示的深度投影以及深度分布柱状图（图7）可见，双差精定位前后，地震的震源深度分布发生了变化。精确定位之前，深度为4～12km，且总体较为零散；而精确定位之后，深度优势分布在6～12km，其中，又以8～10km范围内更为明显。

图5 双柏震群ML＞0.0地震重新定位前后的震中分布

图6 震源深度沿纬度方向（a）与经度方向（b）的投影

图7 双差定位前（a）、后（b）震源深度分布

2.6 误差分析

经过上述精确定位后，该地震序列走时残差平方和由原来的0.303s降为0.034s，得到的震源位置估算误差（2倍标准偏差）在EW方向平均为0.210km，在NS方向平均为0.173km，在垂直方向平均为0.175km（图8）。由图8可见，3个方向上的定位误差基本为100～300m。

图8 重定位后EW方向（a）、NS方向（b）和UD方向（c）误差

3 ML≥2.5地震震源机制解

3.1 方法原理

由于受小地震激发的能量有限、高频信号随震中距衰减快等因素的影响，在一般的地震台网中，能够清晰地记录小地震事件的台站数量仍非常有限。因此，在现有观测条件下，运用经典的初动-振幅类方法准确求解小地震的震源机制一直是一个棘手的问题。

在综合考虑现有方法优、缺点的基础上，严川等（2014）提出了一种地方、区域地震震源机制的非线性反演技术——广义极性振幅技术（GPAT）。该方法是对现有初动-振幅类方法的一般化，也是对包括远震震源机制反演在内的所有地震震源机制反演方法的一般化。因为该方法不仅考虑P波初动的极性，同时也包括了任何一个或多个振幅的极性，所采用的震相也不再局限于P波、S波或面波，而是所有能在地震波记录上识别出来的震相的最大振幅都被采用。另外，它不但适合于地方地震、区域地震，也适合于远场地震。也就是说，根据GPAT的技术原理，三分向记录的任何极性信息和振幅资料都可被利用，且地震不分震级大小，都可用该方法来求解震源机制。与现有方法不同，该方法以观测波场与合成波场的相似性为准则，以观测矢量与合成矢量的相关系数为目标函数，并采用变步长网格搜索技术求解该目标函数，既保证了解的精度，又保证了解的稳定。从逐一考虑、综合考虑台站布局、台站数目、随机噪声、震中位置误差、震源深度误差和速度模型误差的数值实验结果来看，广义极性振幅技术是可行的，具有良好的抗干扰能力，这里不再赘述其原理。

3.2 计算结果

本文选取震中距100km范围内的5个台站（YIM、CUX、TOH、YUJ和ZHY）所记录的波形资料，运用GPAT技术对2015年5月19日～6月30日间的28次ML≥2.5地震进行反演，最终得到了24次地震的震源机制解（图9）。由图9可见，该震群绝大部分地震的震源机制表现为正断性质，虽然震源机制并不完全相似，但可以确定的是，这些地震都是受拉张作用而发生的。24次正断性质的震源机制中，大致分为比较典型的3类，第1类节面走向近似NE-SW向，如第1、5、9、10、18、19、20号地震；第2类节面走向近似NW-SE向，如第17、21号地震；第3类节面走向近似N-S向，如第2、8、14号地震。第1类震源机制所占的比例相对较高，节面NE-SW向的分布特征与震中的优势分布方向相同，表明这些地震可能由NE-SW向的断裂活动引起。

图9 双柏震群24次ML≥2.5地震震源机制解

图10为图9中第20号地震的详细结果。由图10可见，观测资料与合成资料的相关系数达99.5%，说明本文的反演结果是准确可靠的。

图10 第20号地震的反演结果

对所得到的震源机制解参数P轴、T轴的方位角每10°间隔内频数归一化分布（图11）。由图11可见，P轴方位主要表现为NW向，T轴方位主要表现为NWW向。

图11 P轴（左）、T轴（右）方位角分布

本文搜集整理了2000年以来楚雄区域（24°～26°N，101°～102.4°E）内18次M≥3.0历史地震的震源机制解，图12为震源机制空间分布图。由图12可见，18次地震中，仅2008年10月27日武定M3.0地震为正断型地震，2009年7月10日姚安M5.2地震和2012年11月10日富民M3.9地震为逆断型地震，其余15次均为纯走滑型地震。

图12 2015年双柏地震震区附近的历史地震震源机制空间分布

结合本文得到的结果可知，此次震群的震源机制类型与历史地震有所差异，P轴、T轴走向较历史地震优势分布方向有所偏转，这些变化表明该地区应力在背景应力不变的情况下可能有所调整。

图13 楚雄盆地主要断裂分布

4 发震机制分析

4.1 地质概况

新构造期，中国大陆主应力方向发生重要调整，滇藏地区成为主要的构造活跃区。来自周邻板块不同方向的推挤力，通过红河断裂、小金河-龙门山断裂、鲜水河-小江断裂等大型深断裂剪切运动的调节，位于印支地块、扬子地块、松潘-甘孜地块之间的川滇菱形块体成为应力集中区和重要构造转换部位。楚雄盆地位于扬子板块西南缘川滇菱形块体南部的滇中次级块体，由红河断裂、小金河-龙门山断裂和小江断裂所围限，这3条深大断裂在中、新生代发生多次走滑运动，在楚雄盆地形成NW、SN、NE向3组扭动断裂系统（杨庆道等，2014）。

此次双柏震群发生于楚雄盆地的中部（图13中红色五角星处），即川滇菱形块体的东南部，在地质构造体系中处于云南山字型构造西翼内侧马蹄形盾地北部，西翼受青、藏、滇、缅“歹”字型构造东支中段的影响，构造活动性加强，NW向断裂、褶皱发育，主压应力为SW-NE向；东北部为川滇经向构造体系绿汁江断裂带，发育着近SN向褶皱、断裂以及派生“入”字型断裂；而中、北部为反时针旋卷构造。双柏震群震区位于南华扭动褶皱区东缘，以NNW向为长轴的褶皱和部分倾伏背斜为主，区内断裂并不发育，附近主要有NW向的楚雄-蒙自断裂及近NS向的绿汁江断裂、易门断裂（苏有锦等，2001）。此次双柏震群发生于近SN向的绿汁江断裂附近，该断裂倾角65°，断面倾向E，属于正断层。

4.2 震群发震机制分析

已有研究表明，水库地震的发生不仅与库水加卸载过程有关，而且还与水库库容、构造地质条件、水文地质条件、岩性条件、应力条件等因素有关（Pradeep et al，1984；Evelyn，1988；丁原章，1989；李安然等，1992；杨主恩等，1995；Simpson et al，1998；Chen et al，1998）。据统计，双柏震群震区50km内历史地震活动水平偏低，小震活动较少。但自龙门水库迅速蓄水后，库区附近的地震活动水平显著增强。由地震频次、地震震级与龙门水库蓄水水位间的对应关系可知，此次双柏震群活动与龙门水库的蓄水在时间、空间上都存在相关性。伴随水位的升降变化，双柏震群出现了2次比较明显的地震活动高频次过程，第1次是水位迅速上涨初期，第2次则出现在水位达到最高后第2天。这类地震在水库开始蓄水后很快就发生，主要分布在水库附近，震级较低，成群活动，且与水库水位的变化密切相关，属于快速响应型的水库诱发地震。

水库诱发地震是由于水库蓄水引起库区已有初始应力的突然释放而发生的。近年来，滇南地区小震平静及中强震缺震现象显著，说明该区域的应力积累可能已经处于较高水平。本文计算得到的震源机制解大多是正断层，震群的震中位于正断层的上盘，结合震中附近的断层性质分析认为，此次双柏震群可能是在区域高应力背景下，由于龙门水库蓄水，水载荷重量增加，垂直应力加载作用引起的安龙堡附近小断裂带上构造应力调整而触发的构造地震。

5 结论与讨论

（1）对云南双柏地区2015年5月19日～6月30日发生的、至少被3个台站记录到的155次ML＞0.0地震进行重新定位，获得了142次地震重新定位的震源参数。结果显示，双柏地震序列主要发生在安龙堡附近的一条NNE向小断裂的北端，优势分布方向与该断裂走向一致。经过双差定位后，定位精度得到了很大的提高，走时残差平方和由原来的0.303s降为0.034s，得到的震源位置估算误差（2倍标准偏差）在EW方向平均为0.210km，在NS方向平均为0.173km，在垂直方向平均为0.175km。震源深度分布也发生了变化，精定位之前，深度优势分布为4～12km；精定位之后，优势分布为6～12km，绝大部分分布在8～10km内。

（2）震源机制解显示，此次震群的震源机制类型与历史地震有所差异，绝大部分地震表现为正断性质。24次正断性质的震源机制中，大致分为比较典型的3类，第1类节面走向近似NE-SW向，如第1、5、9、10、18、19、20号地震；第2类节面走向近似NW-SE向，如第17、21号地震；第3类节面走向近似N-S向，如第2、8、14号地震。第1类震源机制所占的比例相对较高，节面NE-SW向的分布特征与震中的优势分布方向相同，表明这些地震可能是由NE-SW向的断裂活动引起的。

（3）由地震频次、地震震级与龙门水库蓄水水位间的对应关系可知，此次双柏震群活动与龙门水库的蓄水在时间、空间上都存在相关性。水库蓄水初期，地震活动增强，在水位迅速上升的过程中，地震频次、强度逐渐减弱。2015年6月10日起，水位在升降过程中呈下降趋势，此时地震开始密集发生，地震频次、强度较之前明显增强。可见，双柏震群活动可能是在区域高应力背景下龙门水库蓄水的库水载荷加载作用引起安龙堡附近小断裂带上构造应力调整而触发的构造地震。