2011年3月10日云南盈江MS5.8地震的微震匹配定位与发震机理研究

王 晓,周振贵,叶 青,黄经国,王亚璐,余 丹,王 军

(1.中国地震台网中心,北京 100045;2.安徽省安庆地震台,安徽 安庆 246001;3.中国地震局地震预测研究所,北京 100036)

0 引言

2011年3月10日12时58分,云南省盈江县(24.7°N,97.9°E)发生MS5.8地震,震源深度10 km。此次地震距离盈江县中心仅3 km,其破坏性强,直接经济损失高达27亿元,主城区烈度达Ⅷ度[1]。

中等规模的盈江地震可产生如此强大的破坏力,这一点引起了众多研究者的关注,并针对盈江地震开展了一系列工作。赵小艳等[2]采用CAP方法反演了2011年盈江MS5.8地震序列主震及MS≥4.0前震、余震的震源机制解,认为主震的发震断层为NE向大盈江断裂,主要受印度板块向欧亚板块北东向挤压和缅甸弧对保山—腾冲地块北东向俯冲的双重作用;对盈江MS5.8地震的前震及余震的双差定位结果显示[3],90%以上的地震分布在深度10 km以内,致使盈江地震主震区烈度达Ⅷ度[1];余震在时空分布上自西南沿大盈江断裂带北东段向北东方向移动,且震源深度有向地表迁移的趋势,也是导致本次地震破坏严重的原因之一[4];高分辨率层析成像结果[5]显示盈江地震可能是与火山有关的流体驱动地震,且重定位结果[6]也显示盈江主震发震断层是由ENE走向的大盈江断裂和SSE走向的隐伏断层组成的共轭破裂系统;徐彦等[7]对盈江地震发震断层的研究结果也表明,盈江MS5.8地震发生在一条南西向倾斜的双层断层面上,断层倾斜度为71°,也可作为解释该地震破坏性如此之强的原因。然而,前人针对盈江MS5.8地震孕震机理的分析研究多集中于主震和余震序列的重定位和震源机制解分析,对前震等其他方面的研究较少。

众所周知,前震序列分析在主震成核过程研究中具有重要意义。微震对于阐明断层结构以及地震序列的演变很重要,是理解大地震形成和成核过程的关键要素[8-9]。前震序列是主震成核过程的表现,可以由连续事件(级联模型)或背景无震滑动(预滑动模型)之间的静态应力传递驱动。多种物理机制可以促进沿断层系统向破裂成核的发展。由先前地震破裂引起的静应力变化可以永久改变附近地区的库仑应力,并促进在正应力变化位置发生地震。另一方面,动态应力会在体波和/或表面波通过时引起暂时的应力扰动[10]。此外,其他物理过程(例如无震滑动或流体扩散)也可以逐渐改变断层的应力场和/或摩擦特性以触发地震活动[11]。

然而据统计,具有前震现象的中强地震为少数,不同学者在全球不同区域的研究结果显示,伴有前震的中强地震大约有10%～40%[12-15]。而云南地区自1965年以来不同构造区M≥5.0地震中共有61个地震存在前震,占统计总数的27%。其中,盈江MS5.8地震发生在近NE向的大盈江断裂西侧(图1),前震[16]密集且多为小地震。而且此次地震所处的滇西地区断裂发育,主要有怒江断裂、腾冲断裂、龙陵—瑞丽断裂及大盈江断裂,地震活动频度高、震源浅、破坏强、前震分布比例高。因此盈江MS5.8地震作为研究对象,利用前震序列同时结合余震、b值变化趋势、震源机制解等联合分析主震成核过程。

我们采用微震匹配定位技术M&L(Match and Locate,M&L)[17-18]对2011年3月10日盈江MS5.8地震开展前震检测以有效拓展地震目录,原因是通常情形下低的信噪比和/或重叠的波形会导致常规地震目录遗漏大部分小事件,而微震匹配定位技术因其在相关波形叠加前考虑了微震与模板之间的位置差,可以更加有效地检测微震,获取更高精度的地震位置信息。

(F1-1～F1-3:大盈江断裂第一至第三分支;F2:腾冲断裂;F3:怒江断裂;F4:龙陵—瑞丽断裂)图1 研究区主要构造分布Fig.1 Distribution of main structures in the study area

1 方法实施

1.1 基本原理

M&L方法引入了双差(double-difference)走时的思想,大大降低了计算结果对参考模型的依赖性。其基本原理主要就是首先将搜索区域网格划分,计算每一个网格点(可能的发震位置)与模板事件位置之间的参考震相(一般选取拥有最大振幅的震相,如S震相)在同一个地震台站上的走时差[式(1)];然后根据上述走时差对所有台站分量记录的模板事件参考震相(S震相)与相应台站分量的连续数据进行滑动互相关,最后计算互相关波形叠加后的平均相关系数(CC)和信噪比(SNR),通过这两个参数来确定地震位置和震级。

(1)

1.2 实际数据处理流程

(1) 数据预处理:包括去毛刺、去均值、去线性趋势和波形尖灭等,对数据中短时间的空缺进行补零,同时按照该天零时刻为参考并置零。

(2) 利用Hypo2000定位方法[19]对地震序列进行绝对定位后挑选模板事件,要求地震事件在所选取的参与定位的每个台站上都能记录到有效信号,震级不宜过大或过小。选取2011年1月1日—3月10日地震发生前的92个MS≥2.0的地震作为模板事件,尽量选取震相大于等于6个的地震事件,原因是盈江地震处在云南省边界,现有台站主要集中在地震的东北方向[图3(a)中黑色三角],缺乏其他方向的台站约束。

(3) 截取CZS、MAS、MIZ、MZT、RHT 5个台站[图3(a)中黑色三角]2011年1月1日至3月10日三分量地震仪连续波形作为待检测波形。

(4) 对所有地震波形进行2～8 Hz频段滤波,模板波形选取Sg震相前1 s和后3 s,基于PREM模型[20]利用TauP工具包[21]计算Sg震相参数(走时)。将搜索区域按照0.01°×0.01°×1 km的尺度进行网格划分,以模板地震所在位置为中心,在纬度、经度和深度3个方向上进行搜索。搜索过程中根据计算的走时差δt进行滑动互相关。

(5) 事件判断:根据前人[10-11]的研究结果,将平均相关系数(CC)设定为0.3即可。0.3<平均相关系数(CC)<0.35时,需要结合左右信噪比的阈值进行判定,平均相关系数(CC)>0.35时,即可判定为一次地震事件。将拥有最大相关系数的格点所在位置确定为地震位置,震级则根据所有台站分量中参考震相的振幅比中位数来确定[19]。

1.3 微震检测结果

利用M&L方法进行微震检测,所有模板事件均能自检得到,平均相关系数为1.0,说明了方法的可靠性。图2给出了台网目录遗漏的2011年2月1日15:26:22.46发生的MS2.0地震,检测到的事件与模板地震平均相关系数为0.796 8,从模板地震波形(红色线)与待检测地震的连续波形(灰色线)可以看出,各个台站地震波形在此时相关程度较好。最终共检测到前震1 659个,比地震目录记录到的数目多出221个[17-18]。

图2 待检测地震的连续波形(灰色线)与模板地震波形(红色线)对比图Fig.2 Comparison between continuous waveforms (gray lines) of detected earthquakes and waveforms (red lines) of template events

2 结果分析与问题讨论

2.1 前震、余震特点

从M&L微震检测结果分布图[图3(a)]中可以看出,前震发震位置分布相对集中,整体形态为椭圆形,主要在大盈江断裂第一分支(F1-1)的西侧,而且前震在地震视图中有向东延伸的趋势。主震并没有发生在前震中心区域,而是发生在前震分布区域的西南边缘,靠近断层F1-1的西南端,推测可能是由于断裂边缘构造质地脆弱,地应力容易集中造成的。

图3 盈江MS5.8地震前震余震分布图 (黄色五角星:盈江MS5.8地震;AB:所抽取剖面)Fig.3 Distribution of foreshocks and aftershocks of the Yingjiang MS5.8 earthquake

依据盈江MS5.8主震前三次MS≥4.0前震序列(1月2日MS4.8地震序列、1月14日MS4.3地震序列及2月1日MS4.8地震序列)将1月1日至3月10日盈江前震分为五个阶段:1月1—2日、1月3—14日、1月15—31日、2月1—3日、2月4日—3月10日。从地震震级-时间关系图(图4)可见,前震的发震时刻为非连续的,每组前震发生前,2～3级地震都出现一段平静期,3级以上地震也同样出现平静期,且平静期更长。仔细观察就会发现,2月1日前震发生前,3级以上地震平静期比较明显,且平静期时间较长,而2月1日之后,3级以上地震明显增多。余震分布[图3(b)红色圆圈]也分为两支,一支沿着大盈江断裂呈北东向分布,与前震延伸方向一致;另一支近乎垂直于大盈江断裂分布,与主震前的地震活动大不相同。结合Lei 等[5-6]、徐彦[7]的研究结果,我们推断盈江地震序列是由不同的发震断层破裂引起的。值得注意的是,余震主要集中在大盈江断裂西侧,原因可能为西南侧缺乏台站约束,台站分布不均、定位误差较大造成的[4]。

图4 盈江MS5.8地震序列ML≥2地震M-t图(黑色:2～3级地震,红色:3级以上地震)Fig.4 M-t diagram of ML≥2 earthquakes from the Yingjiang MS5.8 earthquake sequence

2.2 地震活动性参数b值分布特点

为进一步分析盈江地震发震断层,计算了研究区地震活动参数b值分布,以期发现地震发生孕育过程中应力的变化情况。方法原理主要基于G-R关系[22]:lgN=a-bM。其中,N代表某一时间段内大于震级M的地震数量;a代表地震活动率;b代表大小地震的比例。

将研究区域网格化,网格间距为0.01°×0.01°,以每个网格节点为圆心、半径为r(这里选取r=5 km)为一个统计单元进行扫描,在兼顾台网监测能力的条件下,保证每个统计单元内的地震样本数尽量不少于30,保障计算结果的可靠性。然后确定出每个统计单元完整记录的震级下限MC,最后利用最大似然法计算出震级-累积频度关系lgN=a-bM中的b值。

经过上述运算后,获取盈江地震前后研究区的地震活动参数b值分布(图5),可见靠近主震区b值较低,而前震集中地区b值较高,b值与应力降水平高低有关[23-25]。一般情况下,高应力降地区具有较低的b值,而低应力降地区具有较高的b值。计算剖面AB[A(98.07°E,24.80°N)、B(97.84°E,24.66°N)]在主震发生前、后b值变化(图6),可知主震发生前b值比较高,主震发生后b值下降明显,即前震的应力降低于余震的应力降。与部分学者[16,26-28]关于前震序列的b值明显偏低于余震序列的研究结论相反。

图5 研究区b值分布Fig.5 Distribution of b value in the study area

图6 盈江地震前后b值变化曲线Fig.6 Change curves of b value before and after the Yingjiang earthquake

影响b值的因素众多[29-31],统计空间、统计时段、计算方法、样本下限震级大小等均会对b值的计算产生影响;而且b值作为地震前兆异常的变化也是多种多样的,震前b值降低或升高、无异常或有异常都有可能发生地震,甚至出现异常而未发生地震[32-33]。

刘耀伟等[34]认为低b值区地壳介质状态的变化与流体活动的加速有着密切的关系。众多研究结果[35-37]也已经证实,地震多发于低速高导异常区的边界部位,而流体活动与低速高导区的形成密不可分,换言之,强震的孕育发生过程中流体活动具有特殊意义。Lei等[5]根据盈江地震震源区下方地壳和上地幔的高分辨率层析模型推断,盈江地震的发生可能与腾冲火山下湿热物质上涌流中的流体密切相关。因此,我们推断盈江主震前、后出现的b值异常情况可能与流体充填有关。

3 结论

(1) 本文选取92个MS≥2.0模板地震,采用M&L微震匹配定位方法检测出地震221个,微震数目明显增多,有效丰富了2011年盈江MS5.8地震的地震目录,为其前震序列和主震成核过程研究提供了优质数据基础。

(2) 盈江MS5.8地震前震分布集中,且有向东延伸的趋势,余震沿ENE和SSE两个方向展布。结合前人的研究成果,我们认为盈江地震发震断层为共轭断层系统,包括震区附近的北东向大盈江左旋走滑型断裂以及SSE走向的隐伏断层;并推测该次地震的主要动力学成因系活跃的印度板块向东俯冲致使断层错动从而发生地震。主震前后b值变化暗示腾冲火山区下方广泛存在的流体在该次地震孕育发生过程中起到重要的诱发和促进作用。

致谢:本文所用M&L微震匹配定位程序源自中国科技大学张淼博士,地震目录及数据源自中国地震台网中心(CENC),在这里一并表示感谢。