维西—乔后断裂带上连续地震的应力降和两种不同的孕震机制

蔡剑锋，张煜,2*，张双喜,2*，叶泵，韦瑜

1 武汉大学测绘学院，武汉 430079 2 地球空间环境与大地测量教育部重点实验室，武汉 430079 3 中国地震科学实验场大理中心，云南大理 671000

0 引言

北京时间2021年5月21日21时48分，云南大理白族自治州漾濞彝族自治县发生了MS6.4强震，造成3人死亡，27人受伤，初步统计经济损失约3.1亿元.根据中国地震台网中心测定，此次地震震中位于25.67°N，99.87°E，震源深度为8 km.地震序列为典型的前震-主震-余震类型，主震前后短时间内发生多次震级较大的前震和余震(Yang et al.,2021,2022; 张克亮等,2021).根据此次地震序列的空间展布特征以及震源机制解，初步判定发震断层为维西—乔后断裂及其分支断裂(Yang et al.,2021,2022).

维西—乔后断裂附近有鹤庆—洱源断裂、程海断裂等多条NW向与NE向断裂，构造背景十分复杂.古地震和构造地质的证据认为维西—乔后断裂及其分支断裂早期活动性质以挤压为主，晚第四纪以来则以右旋走滑为主兼张性正断，为晚更新世—全新世活动断裂.该断裂主要受到青藏高原侧向挤出、川滇块体南向推挤和缅甸弧形俯冲带北北东-北东向推挤动力的共同作用.受维西—乔后断裂的控制，沿该断裂走向还发育有多个晚新生代断陷盆地(常祖峰等,2016a, b).维西—乔后断裂与红河断裂具有相似的地质演化历史、断层性质和运动学特征，目前研究普遍认为，维西—乔后断裂实际上是红河断裂带的北延部分(常祖峰等,2016b; Wang et al.,2020).近十年来维西—乔后断裂活动性较强，发震频率显著增加，除2021年漾濞地震外该断裂中南段于2013年、2017年还发生过多次MS>5的地震(赵小艳和付虹,2014; 杨军等,2015; 潘睿等,2019).探寻这些地震事件之间具有怎样的时空演化，为进一步理解维西—乔后断裂及分支断裂的现今构造活动及该区可能的破坏性地震潜在危险性至关重要.

目前已有许多针对2021年漾濞震群的震源机制、同震形变、地震重定位、发震构造等方面的研究(Yang et al.,2021,2022; 李传友等,2021; 龙锋等,2021; 苏金波等,2021; 王绍俊等,2021; 张克亮等,2021).但这些研究普遍是针对2021年的单一震群，目前仍缺乏对于该地区长时间范围内整体地震活动特征以及震源参数的研究.而2013年、2017年西北侧维西—乔后断裂的震群至今仍没有引起太多的重视，因而本文针对维西—乔后断裂带上发生的2013年以来的地震事件，计算主要事件的应力降及与震源机制等其他震源参数之间的关系.

本文首先使用CAP方法对三次震群中震级较大的地震进行震源机制解反演，并利用谱比法(Abercrombie and Rice,2005)，获得了地震序列中震级较大的17个事件较为稳定的拐角频率，并稳健地估算了应力降.根据应力降与震源机制的关系进行分类比较，最后结合区域GPS形变、地壳速度结构、S波径向各向异性结构等资料，讨论维西—乔后断裂中南段的孕震、发震特征.

1 研究方法

1.1 CAP方法

地震的震源机制解可以反映源区的受力状态以及发震断层的基本情况，对于了解地震的孕育、发震机理以及区域动力学环境等具有重要意义(吕坚等,2008; Silwal and Tape,2016; 万永革,2019).本文使用CAP(Cut and Paste)方法对地震震源机制解进行反演，该方法将宽频地震记录分为Pnl与S波进行反演，计算其理论波形，在一定的时间范围内，利用网格搜索方法搜索出合成波形与真实波形全局差异最小的震源机制解(Zhao and Helmberger,1994; Zhu and Helmberger,1996).CAP方法具有对台站数量、方位角分布以及区域速度模型要求不高的优点，因此在地震学中已得到了广泛的应用，大量的国内外研究证明了CAP方法用于震源机制解及地震矩心深度反演的准确性与可靠性(吕坚等,2008; 谢祖军等,2012; Silwal and Tape,2016).

1.2 谱比法

应力降是由Aki提出的地震的基本震源参数，它将地震力矩与破裂尺寸联系起来，对高频地震动的强度有很大的影响(Aki,1967; Kanamori and Brodsky,2004).由于破裂尺寸无法直接测量，应力降可以由辐射的地震波来估计(Shearer et al.,2019).测量地震过程中的应力降对于理解破裂过程的物理性质、计算地震危险性、以及监测地震学都是至关重要的(Walter and Taylor,2001; Kanamori and Brodsky,2004; Cotton et al.,2013).

地震记录s(t)是来自震源e(t)的辐射与沿路径的组合传播效应G(t)的卷积，包括近震源和台站场地效应，I(t)为仪器响应.

s(t)=e(t)*G(t)*I(t).

(1)

如果I(t)是已知的，那么将e(t)与G(t)分离就可以从地震记录中提取出震源信息.分离的方法主要有两种，一种是对传播效应进行建模或对源效应和传播效应进行组合反演，但要获得精确的传播路径和场地效应非常困难，经过衰减校正后的拐角频率往往偏小(Hough et al.,1989; Ide et al.,2003)；另一种流行的替代方法是谱比或经验格林函数(EGF)方法，其中假设两个不同震级的地震序列经历相同的传播路径和场地效应，其中震级较小的地震作为EGF事件，其震源较为简单可假定为δ函数响应，因此可以消除所有传播效应(Abercrombie and Rice,2005; Abercrombie,2013,2014).

Abercrombie和Rice(2005)提出的谱比拟合方法是几十年来使用的经典EGF方法的一种，这种方法优先考虑选择适当事件计算EGF，通过叠加最优EGF事件以获得稳定性.对于每个目标事件，基于邻近性和互相关标准，选择一些较小的邻近EGF事件.EGF事件要求至少比目标事件小一个震级单位，以便能够区分这两个事件的拐角频率.在给定的地震台站上，可以计算目标和EGF事件的谱比，其结果具有以下形式：

(2)

其中u1、u2分别为目标事件和EGF事件的位移谱，M01与M02分别为其地震矩，fc1是目标事件拐角频率，fc2是较小EGF事件拐角频率，n和γ通常为固定的常数，γ取1或2时分别对应不同的模型(Brune,1970; Boatwright,1980).公式(2)通常用于拟合两个单独位移谱的谱比，为了获得更稳定的结果，也可以将每个目标事件的位移谱与所有EGF事件、所有站的位移谱的谱比结果归一化叠加并拟合(Ruhl et al.,2017; Shearer et al.,2019).

通过谱比法得到目标地震的拐角频率后，应力降Δσ可以由Madariaga震源模型计算得到(Madariaga,1976)：

(3)

其中M0为目标地震的地震矩，使用P波进行谱比时k取0.32，使用S波进行谱比时k取0.21(Abercrombie,2014)，β为源区S波波速.在不同关于应力降的研究中，由于所使用的震源模型不同，计算得到的应力降可能存在较大差别(周仕勇和许忠淮,2000; 周仕勇等,2001；Abercrombie,2014).

2 地震数据

2.1 观测数据

本文研究区域为维西—乔后断裂中南段25.8°N，100°N附近，近年来共发生三次较大地震，分别为2013年洱源5.5级震群(杨军等,2015)、2017年5.1级震群(潘睿等,2019)与2021年6.4级震群(Yang et al., 2021).对于每个震群选取其主震前后几天内或相同区域内具有与主震同样震源机制解的小震作为其EGF事件，并要求小震的震级在2.5～3.2之间，其中2013—2017年地震目录参考中国地震科学实验场(http:∥www.cses.ac.cn/)，2021年漾濞地震序列目录参考(Yang et al., 2021).三次震群的位置如图1中圆点所示，黄色五角星代表三次主震的位置.使用的地震记录包括距离震源较近的保山(BAS)等9个台站(图1)，所有台站的地震记录采样频率均为100 Hz.

图1 地震事件及地震台站位置

2.2 数据处理

对每个目标事件和EGF事件，根据公式(4)计算的时窗长度，选取P波到时后相应时窗长度的波形.

(4)

为消除截断误差，对截取的P波进行加窗处理，即对截取时窗头部与尾部增加相当于P波持续时间10%长度的余弦函数.将处理后的P波进行傅里叶变换，得到地震的位移谱.对位移谱进行对数采样，以降低其高频部分的权重，减少谱比后高频部分的振荡(Abercrombie,2013,2014).将所有目标地震与EGF事件的位移谱进行谱比后归一化并叠加，使用公式(2)对谱比结果进行拟合，其中取n=2，γ=2(Boatwright,1980)，S波波速取3.4 km·s-1(Shen et al.,2016).在一定频率范围内对fc1的值进行网格搜索，将fc2与M01/M02作为自由参数进行拟合并计算拟合方差，误差估计使用Viegas等(2010)提出的方法，对于拟合方差在最小值5%内的值认为是fc1可能的频率范围.

3 震源机制解与地震应力降

3.1 震源机制解

2013年5.5级震群与2017年5.1级震群所在震源位置基本相同，相较2021年漾濞震群位置偏西北，对该范围内2013年至2017年震级较大的地震的震源机制解进行了反演，地震目录如表1所示，反演结果如图2所示.

表1 2013—2017年震源机制解反演地震目录，阴影表示主震

2013年3月3日MW5.3主震到2013年4月17日最大MW4.96余震之间基本为正断层地震事件.最大余震后的余震序列转换为走滑地震为主，且之后该地区发生的较大地震均为走滑地震，包括2017年3月27日发生的MW4.89前震和MW4.91主震，发震位置与2013年的主震和最大余震基本一致，可以认为发生在同一断裂上，但后续余震事件的震源位置稍向东南移动.

2021年5月21日漾濞MW6.22震群地震目录与震源机制解结果分别如表2和图2所示，主震也为右旋走滑事件，但前震与余震序列中开始出现正断层事件，且部分走滑事件中有明显的正断分量.

表2 2021年漾濞震群震源机制解反演地震目录，阴影表示主震

图2 震源机制解反演结果

三组震群的主要地震事件的震源机制解反演结果与其他研究基本一致(杨军等,2015; 潘睿等,2019; Yang et al.,2021; 段梦乔等,2021; 龙锋等,2021; 王莹等,2021).

3.2 应力降

对2013年、2017年和2021年三组震群序列中震源位置集中的主震和震级较大1个余震和2个前震的拐角频率与应力降使用谱比法进行计算，分别选取与主震发震位置接近的共39个前震或余震作为EGF事件，所有EGF事件震级为M～2.5-3.2，使用的地震记录包括图1中9个台站的所有分量，计算结果如图3所示.

图3a—d为2013年MW5.3主震与MW4.96的正断层事件的谱比拟合结果与归一化拟合方差，其中灰线代表目标地震与EGF事件的谱比结果，红线表示拟合结果及其不确定度.MW5.3地震的拐角频率为0.68±0.03 Hz，MW4.96地震的拐角频率为0.75-0.02/+0.03 Hz.使用公式(3)计算两次地震的应力降分别为11.98-1.52/+1.66 MPa与4.97-0.39/+0.62 MPa；2017年MW4.89与MW4.91走滑事件的计算结果如图3e—h所示，其拐角频率分别为1.23-0.1/+0.11 Hz与1.59±0.05 Hz，应力降分别为17.21-3.87/+5.04 MPa与39.84-3.64/+3.88 MPa.

图3 基于公式(2)拟合得到的2013年、2017年震群主要事件的叠加谱比拟合结果与其拐角频率fc1归一化拟合方差，其中取n=2，γ=2，S波波速3.4 km·s-1，对于拟合方差在最小值5%内的值认为是fc1可能的频率范围

图4显示2021年漾濞地震序列MW6.22主震的拐角频率为0.415±0.01 Hz，应力降为65.35-4.61/+4.84 MPa.MW5.48前震的拐角频率为0.71-0.02/+0.03 Hz，应力降为25.40-2.09/+3.36 MPa.

图4 2021年震群主要事件的叠加谱比拟合结果与其拐角频率fc1归一化拟合方差

对表1与表2中震源位置与震级大小符合要求的地震进一步计算，共得到17个事件的拐角频率与应力降(如图5、表3)，图中蓝色代表正断层事件，红色代表走滑事件，菱形为2013—2017年的震群，圆形为2021年漾濞震群.MW>4的地震中，走滑地震的应力降范围约为10～70 MPa，大部分在20 MPa左右，其中2013—2017年走滑事件平均应力降为21.5 MPa，2021年漾濞震群除主震应力降较大为65.35 MPa，其余走滑事件平均应力降为22.33 MPa，二者相差不大，11次走滑事件平均应力降为25.94 MPa.而正断层事件的应力降范围约为1～10 MPa，6次正断层事件平均应力降为5.23 MPa，使用相同震源模型与方法的其他研究所得到的应力降范围约为1～120 MPa(Abercrombie,2014)，因此本文计算得到的应力降在可信范围内.可以看出相同矩震级下走滑事件的应力降要明显高于正断层事件，走滑事件平均应力降约为正断层事件的5倍.走滑事件地震应力降不随矩震级变化，显示一定的自相似性，而正断层事件的应力降与矩震级存在明显的相关性，拟合关系式为log10(Δσ)=1.43MW-6.4，解释正断层事件可能有流体等其他因素参与，打破地震自相似性特征(Kanamori and Heaton,2000).

图5 矩震级与(a)拐角频率、(b)应力降的关系

表3 谱比计算地震目录与计算结果，阴影表示主震

4 讨论

4.1 地震活动特征与断层孕震机制

2013年震群与2017年震群发震断层均已推断为维西—乔后断裂(赵小艳和付虹,2014; 潘睿等,2019)，但二者发震机制有很大差别.2013年MW5.3与MW4.96事件均以正断破裂为主，两次地震间的事件一致性较好.该震群附近的历史强震也基本为正断层(杨军等,2015).MW4.96事件之后的余震群的震源机制皆为走滑地震，且震源向东南方向移动.以往对于这种余震震源机制发生明显变化的现象往往归因于区域构造的复杂性或源区应力场的急剧调整变化(魏柏林等,2011; 易桂喜等,2012).GPS连续形变监测的结果表明，1991—2004年间该地区地表水平运动的方向为西南，构造变形以北东东-南西西的拉张性变形为主(Chen et al.,2000; 杨国华等,2003; Shen et al.,2005)，与维西—乔后断裂走向接近垂直；2004年后运动方向逐渐转向，近年来以接近正南向运动为主(Wang et al.,2017; Zheng et al.,2017; Jia et al.,2021)，与维西—乔后断裂走向接近平行.而该地区震源类型的转变自MW4.96地震到现今没有明显变化，与1999年到现今GPS测量位移场的变化一致.该地区地壳运动方向的短期内明显的改变可能导致断层主应力方向与应变积累的变化，而应变的释放具有滞后性，因此震源机制的时变可能揭示了这种区域构造应力的变化.且伴随着震源机制时变特征，对应的应力降也发生明显分异，说明维西—乔后断层面上倾滑转变为走滑的应变积累存在明显的不同，可能在短时期内存在两种不同的孕震过程.断层面在横向与纵向上摩擦系数、破裂速度等特性可能存在的较大差异造成横向和纵向上的应力积累与释放相对独立.2013年的震群以断层纵向的应力释放为主，两次较大的正断层事件使断层纵向积累的应力在一定时期内得到充分释放，且2013年MW4.96地震可能触发了断层横向应变的解锁，因此随后维西—乔后断裂在该段开始逐渐释放近年来积累的右旋走滑造成的横向应力积累.

结合维西—乔后断裂在该段的结构特征，震群深度附近10 km深度S波速度切片显示沿断裂走向分布有多个高速、低速异常体，具有明显的横向不均匀分布特征(图6a，杜广宝等,2021).维西—乔后断裂作为川滇菱形块体的西北边界，其断层面两侧分属不同的块体，同一深度下断层两侧的岩性也存在较大差别，表明该地区上地壳物质组分十分复杂(李传友等,2021).由图6 BB′纵向剖面的结果也可以看出断裂两侧速度存在一定差异，断层西侧的S波速度较低，东侧S波速度较高.沿断裂走向的AA′剖面表明断裂的西北部S波速度较高，东南部S波速度较低.2013年和2017年的震群，以及2021年的漾濞地震震群皆在速度梯度带上，且漾濞地震所处区域梯度更大，可能这种潜在的结构和物质的转换区域有利于中强震的孕育和发生，此次漾濞地震反映出更高的应力降.而该区域15 km深度以下的中下地壳存在着明显的连续的低速层(张智奇等,2020; Liu et al.,2021)，推断喜马拉雅东构造结附近的中下地壳可能存在一个低黏度通道，对应地壳物质从青藏高原中部运移到青藏高原东南缘(张智奇等,2020).近年来三个主要震群所在位置正处于该通道的尾部，并相对维西—乔后断裂的走向有一定的偏折(图7).中下地壳来自青藏高原中部的黏塑性物质的运移方向与地表的形变方向对应，但在15 km以上强度较高的上地壳的发震深度附近，断层面两侧的岩性的差异，可能造成不同时期倾滑和走滑方向断层面上应变积累的差异，导致断层横向与纵向应力积累与释放的时间差异.断层两个方向的应变积累差异反映了该地区S波的径向各向异性以及地壳中较强的水平应力特征(陈浩朋等，2018).地震应力降的大小与破裂速度有关，而破裂速度一般来说与断层的S波速度相关(Abercrombie and Rice,2005; Viegas et al.,2010)，断层两个方向S波速度的差异可能也是导致两种地震应力降不同的原因之一.

图6 (a)震区10 km深度上地壳S波速度；(b)AA′ 纵向剖面 S波速度；(c)BB′ 纵向剖面 S波速度

图7 云南西北地区25 km深度中下地壳S波速度与现今GPS水平速度场

地震的自相似性理论认为，地震震级与破裂尺度有关，而应力降不随地震矩的变化而明显改变(Allmann and Shearer,2009; Baltay et al.,2011)，2013年以来的维西—乔后断裂走滑事件的应力降结果较为符合这一假设(图5b)，而正断事件的应力降与震级却有系统性联系(图5b).一般认为当断层中存在流体时，发生震级较大的地震时流体增压可能会降低断层摩擦应力，使得大地震具有更高的应力降(Kanamori and Heaton,2000)，而这一现象可能在正断事件显著的同震垂直形变中触发，结合该地区地热流体活动，断层发生正断破裂时体积发生明显改变，引起地下水头的同震变化造成裂隙渗流和扩散进而造成应力降随震级变化，打破原有的自相似性.而在发生走滑地震时，断层体积变化较小，流体活动有限，导致其对走滑地震的应力降影响不明显.

2021年漾濞震群发生于2013年和2017年震群的维西—乔后主断裂偏东南，野外地质调查与卫星遥感影像的结果表明此次地震的发震断层可能为漾濞西部的一条之前隐伏的NW向断裂，该断裂长约30 km，走向为310°～320°，以走滑运动为主.根据该断层的位置、空间展布、运动特征等信息，目前认为该断裂可能为维西—乔后断裂的一条次级断裂，其倾角较维西—乔后断裂更大，二者在深部可能交会于同一滑动面上(李传友等,2021).漾濞震群约30%为正断事件，70%为走滑事件，该断裂可能承接了2017年之前西北段维西—乔后主断裂的应变积累，但该处位于中下地壳黏性通道的边界，径向各向异性减弱，断层面两侧岩性差异不如主断层明显，因而造成在短时间内多方向滑动的地震事件的集中触发，这种闭锁时间特征的差异性可能也从侧面印证了其与原始维西—乔后主断裂存在差异.但是，两条断裂的构造地质背景基本相同，且从震源机制解和应力降的结果来看两条断裂发震事件无显著差异，漾濞震群的发震的断裂总体与维西—乔后断裂具有相似的性质，也符合次级断裂的推断.

4.2 地震趋势性

从三组震群的震源机制以及拐角频率、应力降的结果来看，且该地区现今最大主应力为近N-S向(Tian et al.,2019; Xu et al.,2020)，走滑事件的危险性要显著高于正断层事件，震级上限也可能更高.相同震级下走滑事件的应力降也要明显高于正断层事件，对应更高的破裂速度，因此潜在的地震破坏性更大.漾濞震群以走滑地震为主，伴有正断层的破裂，同震库仑应力计算结果表明此次地震的发生使得区域应力得到了释放，短时间内再次发生大地震的可能性不大(王绍俊等,2021).从已有结果看，该区域断裂带走滑方向的应力积累速度与强度要高于正断层方向，因此未来对该区域地震危险性的评估应当仍以走滑地震为主.

5 结论

对维西—乔后断裂中南段2013年、2017年与2021年三次地震震群的震源机制解进行了反演，并使用谱比法对主震和较大的前震、余震共17个事件的拐角频率与应力降进行了计算，得出如下结论：

(1)2013年MW5.3与MW4.96地震均为正断层事件，MW4.96余震发生后迅速转变为走滑事件；2017年MW4.91主震与MW4.89前震均为右旋走滑事件，且前后震群也基本为右旋走滑事件，两组震群主要发生在维西—乔后断裂的中南段的主断裂上；2021年漾濞MW6.2主震也为右旋走滑事件，其前后序列中包括约70%的走滑事件和30%的正断层事件，震源位置相较于2013年至2017年震群的偏东南，断层应变释放的时间响应差异支持其可能发震于维西—乔后断裂构造性质相似的次级断裂上.

(2)2013年MW5.3主震的拐角频率为0.68±0.03 Hz，应力降为11.98-1.52/+1.66 MPa；2017年MW4.91主震的拐角频率为1.59±0.05 Hz，应力降为39.84-3.64/+3.88 MPa；2021年MW6.2主震的拐角频率为0.415±0.01 Hz，应力降为65.35-4.61/+4.84 MPa，为该地区目前应力降最大的一次地震.17个较强震的应力降反映出走滑事件的自相似性(应力降不明显变化)，而正断层事件同震断层面上可能的流体扩散引起了自相似性破缺(应力降与矩震级相关，log10(Δσ)=1.43MW-6.4).

(3)维西—乔后断裂主断裂及2021年漾濞地震发震的次级断裂的走滑事件和正断层事件的明显差异表现在走滑地震的拐角频率与应力降要明显高于正断层地震，可能源于断层受构造形变、结构和岩性的差异的影响，在横向与纵向上的摩擦系数、破裂尺度、裂隙流体等特性存在较大差异，因而可能存在两种不同的孕震机制.从潜在的地震风险来说，走滑的孕震过程可能触发更大的破裂，具有更大的潜在破坏性.