2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震序列地震矩张量及发震构造

刘俊清， 甘卫军， 王光明， 王忠礼， 张宇， 蔡宏雷， 李仲巍，6*

1 吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院， 长春 130118 2 吉林建筑大学 松辽流域水环境教育部重点实验室， 长春 130118 3 中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室， 北京 100029 4 云南省地震局， 昆明 650224 5 吉林省地震局， 长春 130117 6 吉林省地震局 龙岗火山监测站， 吉林抚松 134528

0 引言

据中国地震台网中心(CENC)测定，北京时间2021年5月21日21时48分在云南省大理州漾濞县(东经99.87°，北纬25.67°)发生了MS6.4地震，震源深度8 km．宏观震中位于漾濞县苍山西镇、漾江镇、太平乡一带，极震区地震烈度达到VIII度(潘章容等，2021)，地震现场科考没有发现明显的地表破裂现象(李传友等，2021)．

漾濞6.4级地震发生后，许多学者从地震的构造背景、构造机制和发震断裂等方面进行了研究．在发震构造方面：Yang等(2021)认为漾濞6.4级地震活动的发震构造为一条北西走向的断裂，该断裂一直少有学者关注；王光明等(2021)认为是早期逆左旋走滑的“草坪断裂”；李传友等(2021)认为是较新的扩张断裂“杨克场—沙河断裂”；苏金波等(2021)认为余震区有多级雁列式结构；基于GPS和InSAR的同震形变场研究显示，发震断层以右旋走滑兼拉张的方式破裂(张克亮等，2021；于书媛等，2021；朱俊文等，2021)．在地震构造机制研究方面，叶涛等(2021)利用大地电磁资料反演了震中区三维电性结构，认为在区域构造应力场作用下，“高-低阻”电性过渡区的高阻体被切割导致地震的发生．上述研究结果的发表使我们对漾濞地震活动的发震构造、发震机制等有了初步的了解．然而最新的研究(雷兴林等，2021；苏金波等，2021)显示：震中区存在北东向断裂的破裂现象，MS5.6前震便是北东向断裂破裂所致；震中区地热流体活动显著，MS5.6地震矩张量中有显著的非双力偶分量，故漾濞地震活动有可能是深部高压流体驱动导致的，并非完全由区域构造应力场的作用而发生．由此可见，漾濞地震破裂过程复杂，发震断裂及构造机制也存在争议．特别是漾濞6.4级地震发生在川滇块体西南边界带附近，该区域一直是倍受关注的强震危险区(毛玉平等，2003)．因此，有必要进行充分的地震“解剖”，研究地震的构造机制、断层破裂特点、断裂活动性和孕震环境等以评估未来区域强震危险性．

本研究拟对漾濞6.4级地震序列进行相对地震定位，获得高精度余震空间分布图像，采用多点源迭代去卷积地震矩张量反演方法对序列中3次5级以上地震进行地震矩张量反演，研究地震子事件的组成．综合分析地震的起始破裂点与地震矩心的关系及发震构造等，对未来区域强震危险性进行研判．

1 地震序列特征和区域地震地质背景

2021年5月18日以来，云南漾濞地区4级以上地震活跃，5月18、19日发生了4.2级、4.4级地震；5月21日发生4.2级地震后，地震活动持续增强，当天21时21分发生5.6级前震，27 min后发生了6.4级主震，余震较为丰富(图1a)；5月27日开始，在主断裂的北东方向，距离主震8 km左右的位置发生一丛地震活动，最大地震为4.1级．根据蒋海昆等(2006)地震类型判定标准，本次漾濞地震活动为典型的“前震-主震-余震”型地震序列．

漾濞MS6.4地震震中区位于川滇块体西南边界外缘，该区域是特提斯—喜马拉雅构造域东南部弧形构造转折处，处于青藏高原物质向东南挤出的通道上，地壳围绕喜马拉雅东构造节做顺时针旋转运动(Gan et al.，2021)，GPS测得的地表旋转速度为～10.0 mm·a-1(Wang and Shen，2020)．活动断裂有北东向和北西向两大构造体系，震中区附近已知的活动断裂有维西—乔后断裂、红河断裂(图1b)，均为北西走向，以右旋走滑为主，兼有正断分量(虢顺民等，2001；任俊杰等，2007；常祖峰等，2016a，b)．震中区附近区域在地质演化历史上主要受红河断裂影响(张建国等，2009)．

有记录以来漾濞MS6.4地震附近区域(图1a所示的区域范围，直径约50 km)中强地震活动较弱(图1a)，5级以上地震仅有4次记录，最大地震为2017年3月27日漾濞MS5.1地震(潘睿等，2019；李姣等，2020)．本研究的地震目录主要来自中国地震台网中心(CENC，https:∥news.ceic.ac.cn/index.html)，其中，1975年9月4日5.0级地震和1977年3月17日5.2级地震的震中位置在各文献中相差较大，本文采用ISC(International Seismological Centre)目录定位结果(Storchak et al．，2020)．

2 数据资料

漾濞MS6.4地震活动发生在滇西大理地区，云南地震台网在该区域的固定测震台站分布较多，平均台站间距约50 km左右，在震中距100 km范围内有9个宽频带测震台．地震计大部分安置在山洞内，台基类型以灰岩和砂岩为主，配置宽频带或者超宽频带地震计，型号有BBVS-60、GL-S60、KS-2000M、JS-120， 配置EDAS-24GN型6通道数据采集器，采样率为100 Hz(曹舸斌等，2019)．在漾濞MS6.4地震活动中，云南地震台网记录到地震序列完整、高质量的数字地震波形(郑秀芬等，2009)，为地震学研究提供可靠的数据资料．

本研究需要对地震序列中4次地震进行绝对定位，分别为5.6级前震、6.4级主震和5.2级余震，以及北东方向的一丛地震中最大的4.1级地震(图1a)，并且对3次5级以上地震进行地震矩张量反演研究，以及对余震序列进行重新定位，观测报告时间段为：2021年5月18日至2021年6月5日．

图1 漾濞MS6.4地震序列震中分布图(a)插入图(b)中的黑色矩形区域的放大图，彩色圆点为2021年漾濞MS6.4地震序列(时间段：2021年5月18日—6月5日)，圆点直径与震级成正比，主震MS6.4地震发生的5月21日为第0天，五角星表示本研究的地震震中，发震时刻见表2，沙滩球表示对应地震的震源机制解．黑色圆点为历史地震，椭圆表示ISC目录地震定位的误差椭圆，红色线表示活动断裂；(b)云南省版图，黑色矩形区域为本文研究区，黑色三角形表示地震台站，红色三角形为本文地震矩张量反演使用的台站，红线表示断裂(邓起东，2007)．F1：红河断裂，F2：永胜—宾川断裂，F3：维西—乔后断裂，F4：怒江断裂．Fig.1 The epicentral distribution of the Yangbi MS6.4 earthquake sequence(a) The region is the zoom-in of the black area in the sub-map (b)．The colored dots indicate the 2021 Yangbi MS6.4 earthquake sequence(time period：May 18—June 5，2021)，the diameter of the dots is proportional to the magnitude，and the MS 6.4 mainshock occurred on May 21 as the 0th day．The stars represent the epicenter of earthquakes in this study，whose origin times are shown in Table 2, and the beachballs are the focal mechanism solutions．The black dots are historical earthquakes，and the ellipses indicate the error ellipse of location from ISC．The red lines indicate the active fault；(b) The map of Yunnan Province．The black area is the study area of this paper，the black triangles indicate the seismic station，the red triangles indicate the station used in the seismic moment tensor inversion of this paper，and the red lines indicate the fault (Deng，2007)．F1：Honghe Fault，F2：Yongsheng-Binchuan Fault，F3：Weixi-Qiaohou Fault，F4：Nujiang Fault．

地震定位和地震矩张量反演均需要台网覆盖区准确的地壳速度模型，本研究采用吴建平等(2004)使用的速度模型(表1)，该模型参考了云南地区人工地震探测的结果，在2017年漾濞5.1级地震的研究中取得了很好的效果(潘睿等，2019)．

表1 研究区地壳速度模型Table 1 Crust velocity model of the study area

3 方法、结果和讨论

3.1 地震绝对定位

地震双差相对定位方法需要序列中较大地震有可靠的绝对定位结果，以约束整个序列的空间位置(房立华等，2013)．研究地震矩张量矩心的相对位置也需要可靠的地震起始破裂点作为参考．因此，本研究对序列中4次较大地震进行绝对定位，采用经典地震定位方法HYPOINVERSE-2000(Klein，2002)及表1中的速度模型，重新拾取台站Pg和Sg震相到时.为保证震相的准确性及很好的台站方位角覆盖，选择震中距110 km范围内的12个台站参与定位，最大方位角间隙为56°．定位结果见表2，平面误差椭圆的置信度为68.3%，该结果将用于后续的多点源地震矩张量反演和双差法地震序列相对定位中．

表2 4次地震定位信息Table 2 Location information of the 4 earthquakes

3.2 地震矩张量反演

本研究采用ISOLA(ISOLated Asperities)方法(Sokos and Zahradník，2013；Zahradník and Sokos，2014)获得地震的矩心矩张量解．ISOLA方法属于时间域全波形矩张量反演方法，是在迭代反卷积矩张量反演方法(Kikuchi and Kanamori，1991)的基础上发展起来的，采用网格搜索与最小二乘法获得地震的最佳矩心矩张量解．该方法可将震源看作单点源或者多点源来处理，可以在4维空间中(二维平面，深度，时间)搜索矩心位置．使用频率波数法(Bouchon，1981)计算格林函数．用约化方差VR(Variance Reduction)和条件数CN(Condition Number)判断反演结果的可靠性．VR表示观测波形与合成波形的拟合程度，CN是一个综合的指标，是格林函数矩阵最大特征值和最小特征值的比值，CN值越小，表示矩张量解的稳定性越高，各参数介绍详见文献Sokos和Zahradník(2013)、刘俊清等(2017)．

在地震破裂尺度较大或者破裂过程复杂的情况中，常用的单点源模型反演结果不能获得合理的地震矩心矩张量解．本研究首先进行地震的单点源模型反演，考察结果的合理性，对结果不合理的地震进行多点源模型反演．

3.2.1 单点源模型

使用单点源模型反演MS5.6前震，MS6.4主震，MS5.2余震的地震矩张量解，选择“偏矩张量”(Deviatoric-MT)反演模式．固定震中(表2)，在震中下方搜索地震矩心，步长1 km，矩心时间在发震时刻前后一定范围内搜索，步长0.2 s，滤波频段选择0.02～0.09 Hz，反演结果见表3．MS5.6、MS6.4地震矩心深度均为地表下方6 km，MS5.2地震矩心深度较深，约为地表下方10 km(图2)．3次地震均属于以走滑为主的地震类型，与雷兴林等(2021)、龙锋等(2021)、万永革等(https:∥mp.weixin.qq.com/s/yS0037y13 inojT4hIghLvA)给出的结果相似．

反演结果显示前震和主震的VR值较低(表3)，这是由于合成理论地震波形与观测地震波形的拟合程度较差造成的，主要原因有台网覆盖区地壳速度模型不准确，或者矩心位置不准确，或者地震破裂较为复杂等．但MS5.2地震具有较高的VR值为84.0%，表明地壳速度模型不是主要影响因素．分析认为MS6.4 地震断层破裂尺度较大，矩心(断层破裂区释放能量的重心)安置在震中下方不合理，或者地震的破裂过程比较复杂，含有多个地震子事件．MS5.6地震的DC(Double Couple，双力偶)分量仅为18.4%(图2，表3)，具有显著的非DC分量．雷兴林等(2021)也发现了MS5.6前震有一定的非DC分量，表明地震破裂过程较复杂，可能含有多个子事件(Hallo et al．，2019；Liu and Zahradník，2020)，需要用多点源模型模拟震源．可见，采用单点源模型、固定地震矩心平面位置的方案不能获得MS5.6、MS6.4地震可靠的矩心矩张量解．

表3 单点源地震矩张量反演结果Table 3 Results of seismic moment tensor inversion from single point source model

3.2.2 多点源模型

较大地震的破裂过程，通常由多个地震子事件组成，用多点源模型模拟地震子事件可获得合理的矩心矩张量解．将断层破裂区用试验源组成的网格模型表示，格点表示地震子事件的矩心可能出现的位置，在网格上搜索释放地震矩有效的子事件，称为多点源地震矩张量反演(Zahradník and Sokos，2014)．

为更好的约束矩心，根据单点源反演结果，在深度6 km处沿断层走向设置水平线状点源，对MS5.6前震和MS6.4主震进行多点源地震矩张量反演．MS5.2余震的多点源模型反演与单点源结果相似，本研究采用其单点源结果，在此不再列出该地震的多点源模型反演过程．

(1)MS5.6前震多点源模型

在深度6 km处，沿断层走向在破裂区设置9个点组成的水平线状点源，点间隔1 km，震中设在3号点，地震破裂过程用8个子事件模拟，进行迭代去卷积地震矩张量反演，滤波频段为0.04～0.09 Hz．结果显示3号和5号点共有3个子事件，释放标量地震矩为总地震矩的90%，矩心时间为+3.81 s和+34.53 s(图3a)．4号、8号点探测到的5个子事件，由于能量释放太小，可以忽略不计．增加滤波上限频率到0.15 Hz，得到相似的结果，可见，MS5.6地震可用2点源模型很好的模拟．重新设置2点源模型进行地震矩张量反演，结果见表4．VR值较单点源反演有显著的提高，为78.0%，波形拟合见图4．DC分量为90.8%，属于典型的构造地震．

图3 多点源地震矩张量反演(a) MS5.6地震； (b) MS6.4地震．每个试验源上的圆圈直径与地震矩成正比，沙滩球上数字表示矩心时间，单位s，发震时刻为0 s． Fig.3 Seismic moment tensor inversion from multi-point source model(a) MS5.6 earthquake； (b) MS6.4 earthquake．The diameter of the circles on each test source is proportional to the seismic moment，the number on the beachballs indicate the centroid time，in second，and the origin time is 0 seconds．

表4 多点源地震矩张量反演结果Table 4 Results of the seismic moment tensor inversion using multi-point source model

图4 MS5.6地震2点源模型矩张量反演波形拟合图黑色曲线为观测波形，红色曲线为合成波形，灰色曲线波形在反演中不使用，右侧字母表示台站名称．Fig.4 Waveforms fitting plot of moment tensor inversion using two-point source model for MS5.6 earthquakeThe black curves indicate observation waveforms，the red curves indicate synthetic waveforms，and the gray curve waveform is not used in inversion．The characters on the right are station names．

为进一步验证MS5.6地震的2点源模型的合理性，我们设计了两种断层面网格模型，进一步测试矩心的位置、时间和地震矩．一种是在地下6 km处设置水平面格网，另一种是参照断层面产状制作格网模型模拟真实断层面．2点源模型反演结果显示MS5.6地震的2点源模型的矩心位置、矩心时间和地震矩与线状测试源相同(图5)．在第二种测试结果中(图5b)，第一个点源矩心时间为+3.33 s，而线状测试源的反演结果是+3.81 s，差异原因是格点的空间位置有细微差别．

图5 MS5.6地震2点源模型矩心矩张量反演(a)地下6 km处设置水平9×9格网，红色菱形符号表示格点位置，点间距为1 km，绿色五角星表示震中．沙滩球表示震源机制解，直径与标量地震矩成正比，矩震级分别为MW5.25和MW5.06．沙滩球上数字表示矩心时间，单位s，参考时间为地震的发震时刻；(b)平面9×12网格，走向、倾角与断层面一致，点间距为1 km，绿色五角星表示震中．2点源矩心所在格点深度为6 km，矩震级分别为MW5.24和MW5.05．Fig.5 The centroid moment tensor inversion using two-point source model for the MS5.6 earthquake(a) A horizontal 9×9 grid is set up at 6 km below ground．Red diamond symbols indicate the location of the grid points with spacing of 1 km．The green star indicates the epicenter，and the beachball，the solution of the source mechanism with the diameter proportional to the scalar seismic moment． The moment magnitudes are MW5.25 and MW5.06，respectively．The number on the beachball indicates the centroid time, in seconds, and the reference time is the origin time of the earthquake；(b) A oblique plane 9×12 grid with the same strike and dip as the fault plane and the grid spacing of 1 km．The green star indicates the hypocenter． The centroid of two-point source are located at a depth of 6 km and the moment magnitudes are MW5.24 and MW5.05，respectively．

(2)MS6.4地震多点源模型

在深度6 km处，沿断层破裂区走向设置20个点组成的水平线状点源，点间隔1 km，震中设在3号点(图3b)，地震破裂过程用8个子事件模拟，进行迭代去卷积地震矩张量反演．结果显示8号点共有4个子事件，矩心时间为+5.7 s，释放标量地震矩为总地震矩的96%，探测到的其他4个子事件能量太小，忽略不计．增加滤波上限频率到0.15 Hz，得到相似的结果，可见，MS6.4地震可用单点源模型来模拟，矩心位置距离震中5 km．重新设置单点源模型进行反演，结果见表4．VR值和DC分量分别提高到85.0%和94.2%．

3.3 震中区构造应力场反演

地震活动通常是在区域构造应力场的作用下，先存断裂发生破裂释放应变能而发生的，断层的破裂满足库仑破裂准则(Scholz，2019)．本研究利用漾濞MS6.4地震序列中较大地震的震源机制解反演余震区构造应力场，考察地震活动与区域构造应力场的关系．

以王光明等(2021)漾濞MS6.4地震序列中32个3级以上地震的断层面解作为研究对象，对个别P、T轴参数离散性较大的地震，拾取地震波垂直分量的初动符号，基于表1中的地壳速度模型，采用FOCMEC方法(Snoke，2003)重新反演地震的震源机制解．在Hudson震源类型图(Hudson et al．，1989)中(图6a)，大部分地震位于走滑地震区域(SS)，属于走滑地震，个别地震位于正断层类型区域(NF)，整体位于图的左侧区域，表明有一定的拉张分量．

图6 震源机制解类型与构造应力场(a) Hudson震源类型图，“+”表示地震，SS：走滑型地震，TF：逆冲型地震，NF：正断型地震；(b)摩尔圆图，τc：临界剪切应力，C：黏聚力，μ：断层摩擦系数，σ：正应力； (c) 应力形比值分布直方图，R=(σ1-σ2)/(σ1-σ3)； (d) 主应力轴空间分布，置信度为95%． Fig.6 Focal mechanism solution types and tectonic stress fields(a) Hudson source type plot，“+”indicates earthquake，SS：earthquake with Strike-Slip solution，TF：earthquake with Trust-Fault solution，NF：earthquake with Normal-Fault solution； (b) Mohr circle diagram，τc：critical shear stress，C：cohesion，μ：fault friction coefficient，σ：normal stress； (c) Stress shape ratio，R=(σ1-σ2)/(σ1-σ3)； (d) The distribution of the principal stress axes with 95% confidence．

3.4 余震重定位结果与发震构造特征

研究地震的起始破裂点与矩心的空间位置关系，可以揭示断层破裂的传播过程和地震的构造特征，同时也可以在震后迅速获得破裂传播方向，判断极震区位置，为震后应急救援提供科学依据．

首先利用震中距200 km范围内台站记录的Pg、Sg震相到时信息，采用HypoDD方法(Waldhauser and Ellsworth，2000)将余震序列进行重新定位，使用表1中的地壳速度模型，在重新定位中固定本研究的4次地震的绝对定位震中(表2)，选择震相数≥6、同时记录台站数量≥4的余震，最终有4385次地震得到重新定位．定位后余震区长约25 km，呈北西-南东方向展布(图7a)，主破裂断层与龙锋等(2021)、苏金波等(2021)获得的结果相同．其中F5断裂与MS6.4地震断层面解的一个节面走向(方位角138°)相同，属于本次地震活动的主破裂断层．余震空间分布特征显示余震区多条断裂发生了地震．在F5断裂的北西向延伸部分，1975年和1977年发生了两次5级地震，根据地震定位误差椭圆(图1a)推测，这两次地震很可能发生在F5断裂上．两次地震与漾濞6.4级地震北西破裂端相距约20 km，属于该断裂上的未破裂段，未来还会有中强地震发生的可能．

在余震区做如图6a所示的剖面，将地震起始破裂点和矩心投影到剖面上．AA′剖面(图7b)显示地震矩心均位于断层面上余震稀疏的区域，表明该区域破裂较为充分，也说明多点源地震矩张量反演获得的矩心位置比较可靠．断层破裂主要由前震和主震完成，呈“撤退式”破裂方式，即在破裂区分两阶段完成，两阶段的破裂传播方向一致，但第一阶段与第二阶段的矩心位置排列与破裂传播方向相反(图7f)，应该是一种典型的“前震-主震”型地震序列的断层破裂方式．这种破裂方式不同于“级联式”破裂方式(Mignan，2014)，其特点是第一阶段破裂会减弱断层面上的抗剪强度，从而使第二阶段破裂更容易发生，总破裂区由两次破裂共同完成，这种方式减小了断层面的单次破裂规模，不容易发生强震，但容易发生过滑动现象．而“级联式”破裂是一次地震造成的应力变化触发了后续的地震．

MS5.2余震的矩心与起始破裂点重合，在较深的位置，发震断层方位角有所增加，达到145°(表3)．F6断裂的走向约为146°，因此，5.2级地震也有可能发生在南西侧的F6断裂上．因为在地震绝对定位和矩张量反演中，使用了一维地壳速度模型，没有考虑地壳介质的横向不均匀性，这就会使地震定位和矩心偏离其真实的位置．

剖面DD′(图7e)显示余震区有3条断裂存在，与走滑断层伴生的花状构造系统相似(Harding and Lwell，1979)．在张扭型构造应力场控制下的断裂具有离散型走滑运动的特征，离散型走滑断层会伴生负花状构造系统，在其内部会发育一组凹面向上走滑兼正断的断裂(图7e插入图)．漾濞MS6.4地震序列中大部分地震的震源机制解有正断兼走滑特征(图6a)，符合负花状构造系统的断层运动特征．可能F5、F6与F7均为更大规模的维西—乔后断裂的伴生负花状构造系统的内部断裂，在深部交汇于同一个断层面(李传友等，2021)．该区域可能最终会演化为拉分盆地，如同滇西北存在大量的走滑断裂的伴生盆地(向宏发等，1986)．

图7 地震序列重定位及发震构造(a) 重新定位后的地震分布图，①前震MS5.6，②主震MS6.4，③余震MS5.2，④余震MS4.1．发震时刻见表2．F5：主破裂断裂，F6、F7、F8：推测断裂； (b) AA′剖面，沙滩球表示震源机制； (c) BB′剖面； (d) CC′剖面； (e) DD′剖面，插入图表示负花状系统构造示意图； (f) 断层的“撤退式”破裂示意图．Fig.7 Seismic sequence relocation and seismogenic structure(a) Earthquake distribution after relocation，① Foreshock MS5.6，② Mainshock MS6.4，③ Aftershock MS5.2，④ Aftershock MS4.1．The origin times of earthquakes are shown in Table 2．F5：Main rupture fault，F6，F7 and F8：Presumed faults； (b) AA′cross section．The beachballs represent the focal mechanisms； (c) BB′cross section； (d) CC′cross section； (e) DD′cross section．The inserted plot is the schematic diagram of the negative flower structure； (f) Schematic diagram shows the “retreating” rupture of the fault．

4 结论

本研究对漾濞6.4级地震序列中的4次地震进行绝对定位、余震序列进行重新定位，应用多点源地震矩张量反演方法研究3次5级以上地震的震源模型，反演余震区构造应力场．结果显示余震区应力场和区域应力场完全一致，且漾濞6.4级地震序列中3级以上地震的发生完全是在区域构造应力场作用下触发的．研究中用水平线源、水平面源、断层面格网模型均显示MS5.6前震矩心矩张量解可用2点源模型很好的模拟．MS6.4主震和MS5.2余震均可用单点源模型很好的模拟．高精度的余震空间分布图像显示断层破裂以 “撤退式”的方式进行，前震的发生降低了断层抗剪强度，有利于主震的发生，这是一种典型的“前震-主震”破裂机制，值得深入研究．余震序列的空间分布图像显示余震区有多条断裂发生了地震活动，根据震源机制解特征、断裂分布形态、区域张扭型构造应力场特征等推断认为余震区存在走滑断裂伴生的负花状构造系统，正如滇西地区大量的走滑断裂伴生的拉分盆地，同样存在于张扭型构造环境中．

致谢捷克查理大学Jiri教授在本研究的地震矩张量反演过程中非常热心地提供了指导；三位审稿专家提出了宝贵的修改意见；中国地震局地球物理研究所“国家测震台网数据备份中心”为本研究提供地震波形数据，在此一并表示感谢.