2014年10月云南景谷MS 6.6地震序列剪切波分裂參數(shù)變化研究

吳 朋，秦 敏，趙翠萍，蘇金蓉，華 為，劉 莎

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.云南省地震局，云南 昆明 650224；3.中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036；4.中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

2014年10月7日云南省普洱市景谷傣族彝族自治縣發(fā)生MS6.6地震(簡稱景谷地震)，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，景谷地震震中位置為(100.5°E，23.4°N)，震源深度為5 km。2014年12月6日2時43分、18時20分分別發(fā)生了MS5.8和MS5.9強(qiáng)余震。震源機(jī)制結(jié)果顯示這三次地震均為走滑型地震(徐甫坤等，2015；陳浩等，2016)。截至到2014年12月31日，景谷地震發(fā)生余震數(shù)量達(dá)到 11 000余次，其中ML3.0～3.9的地震131次，ML4.0～4.9的地震11次，MS5.0～5.9的地震2次，MS6.0～6.9的地震1次。景谷6.6級地震序列為主震—余震型。絕大多數(shù)余震分布在主震兩側(cè)，優(yōu)勢方向為北南向，余震空間展布與極震區(qū)長軸方向一致。已有研究表明，地殼各向異性主要是由于地殼中存在大量的微裂隙，在區(qū)域應(yīng)力場的作用下呈定向排列所導(dǎo)致(Crampin et al, 2003; Gao et al, 2011; Silver, 1996)。當(dāng)剪切波在各向異性介質(zhì)中傳播時會分裂成近似垂直偏振的快、慢兩列波，快波偏振優(yōu)勢方向與裂隙面走向一致，且與原地最大水平主壓應(yīng)力方向一致，可以反映該地震臺站下方的地殼主壓應(yīng)力場的方向(Crampin et al，2004，2008; Gao et al, 2008; 高原等，1996，1999)。快、慢波到時差受到介質(zhì)中裂隙的物理特性和所含流體特性的影響，對地殼中微裂隙密度分布和幾何形態(tài)非常敏感，能夠反映地震發(fā)生前后應(yīng)力的變化過程(張永久等，2008；劉莎等，2015)。因此，獲取剪切波分裂參數(shù)可以為密切監(jiān)視震源區(qū)介質(zhì)的各向異性演化及應(yīng)力場的動態(tài)變化提供可能。景谷地震余震資料豐富，震源區(qū)臺站分布密集(見圖1)。震源區(qū)地殼應(yīng)力場的研究對了解此次地震的發(fā)生起著重要的作用。本文利用景谷地震應(yīng)急流動臺站和周邊固定臺站記錄到的余震數(shù)據(jù)資料，測定剪切波分裂參數(shù)，分析快波偏振方向和慢波延遲時間隨時間和空間的變化特征, 尤其是在MS5.8和MS5.9兩次強(qiáng)余震前后地殼應(yīng)力場的變化，進(jìn)而獲得地殼應(yīng)力場的分布，并探討兩次強(qiáng)余震發(fā)生前后地殼應(yīng)力的變化情況。

圖1 景谷地震震源區(qū)余震和臺站分布

1 構(gòu)造背景和地震數(shù)據(jù)

此次景谷MS6.6地震發(fā)生在青藏高原東南緣滇西南塊體內(nèi)的無量山腹地。該地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，主要發(fā)育有北北西和北東東向兩組斷裂(楊曉平等，2008)。景谷MS6.6級地震發(fā)生在無量山斷裂西支的延長線上，位于酒房斷裂。酒房斷裂帶北起無量山西麓，經(jīng)民樂、永平等地進(jìn)入緬甸，總體近南北走向。該斷裂屬早第四紀(jì)活動斷裂，活動方式為右旋走滑。震源區(qū)內(nèi)最為顯著的構(gòu)造帶是北北西向展布的無量山活動斷裂帶。無量山斷裂帶由多條斷裂組成，主要有磨黑斷裂、寧洱斷裂、普文斷裂和景谷—云仙斷裂等。該斷裂帶構(gòu)造復(fù)雜，活動性強(qiáng)，寧洱、思茅地區(qū)歷史上曾發(fā)生6級以上地震10次，是一個中強(qiáng)地震頻發(fā)區(qū)。一方面，由于印度板塊向歐亞板塊正面碰撞推擠，造成滇西南塊體向南南東方向相對移動，形成主壓應(yīng)力優(yōu)勢方向為南南東方向的區(qū)域應(yīng)力場。另一方面，板塊沿緬甸縫合線產(chǎn)生的北東向側(cè)向擠壓剪切對滇西南產(chǎn)生不容忽視的北東向擠壓作用，而出現(xiàn)北東向壓應(yīng)力場，使這一地區(qū)成為應(yīng)力場分布的復(fù)雜地區(qū)(樊耀新，1998)。

2014年10月7日云南景谷MS6.6地震發(fā)生后，云南省地震局在震中附近架設(shè)了4個流動臺站(L5307、L5308、L5309、L5310)，并將震源區(qū)附近的5個水庫臺站(LuL、BaD、WeD、XiC、HeP)數(shù)據(jù)接入云南省地震臺網(wǎng)中心，這些臺站均采用三分量地震計，采樣率為100 sps。2014年10月7日景谷MS6.6地震后，截至2014年12月31日，記錄余震次數(shù)上萬條。其中最大余震為12月6日發(fā)生的MS5.9。由地震序列M-T圖(見圖2)可以看出，ML≥4.0的余震主要發(fā)生在主震后10天內(nèi)。自10月下旬至11月上旬，余震數(shù)量逐漸衰減，震級也集中在ML3.0以下。11月10日至12月1日，震區(qū)地震活動出現(xiàn)一個短期的增強(qiáng)—4.7級地震—衰減的過程。12月4日起地震再次開始活躍，并于12月6日發(fā)生MS5.8、5.9兩次強(qiáng)余震，此后地震震級和頻次逐漸下降。

圖2 景谷MS6.6地震余震序列M-T圖

2 剪切波分裂方法和計算結(jié)果

當(dāng)剪切波入射到地表時，如果入射角≥arcsin(VS/VP)，剪切波會受到明顯的SP轉(zhuǎn)換波干擾。理論上，對于泊松介質(zhì)(泊松比為0.25)，剪切波的入射角窗口約為35°(Booth et al.,1985，1990)。而實際上由于地震波在入射到地表時，波前是曲面以及地表存在低速層，這樣就可以擴(kuò)大剪切波窗口。假設(shè)一次地震的震源深度為12 km，震中距為15 km，根據(jù)景谷地區(qū)速度結(jié)構(gòu)(見表1)(徐甫坤等，2015)，剪切波在該區(qū)域入射到地表時的入射角為35.3°，而此時按單層均勻模型計算得到入射角則為51.3°。由于景谷地震序列震源深度主要分布在上地殼7～13 km，因此本文選擇入射角≤51°的地震波形資料進(jìn)行分析，即可滿足剪切波分裂分析的要求。

本文采用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動判別法測定快波偏振方向，偏振法測定慢波延遲時間。由于剪切波分裂分析對剪切波到時精度依賴性較大，需要挑選出剪切波到時清晰可靠的地震波形數(shù)據(jù)，在EW 和NS分量上重新拾取剪切波到時。計算剪切波分裂參數(shù)時選取剪切波到時前20個采樣點(diǎn)和到時后15個采樣點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)，繪制出這段波形的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動圖，從中挑選出快波質(zhì)點(diǎn)振動為線性或近似于線性的圖像，利用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動判別法測定快波偏振方向，并利用偏振圖分析法獲得慢波延遲時間。本文采用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動判別與偏振分析相結(jié)合的方法，對景谷震源區(qū)附近8個流動臺站的記錄進(jìn)行了剪切波分裂分析，其中的4個臺站均得到50條以上的分析結(jié)果，L5309和L5307臺站剪切波分裂結(jié)果(見圖3)在500條以上，最多的L5307臺為831條。表2列出了這4個臺站得到的剪切波分裂參數(shù)。快波偏振方向結(jié)果顯示這4個臺站的優(yōu)勢快波偏振方向均呈北東向，誤差都在30°范圍內(nèi)，證明了快波偏振方向結(jié)果的可靠性。慢波延遲時間不僅與介質(zhì)各向異性程度有關(guān)，還與地震波在各向異性介質(zhì)中傳播路徑長度有關(guān)，為了消除傳播路徑對慢波延遲時間的影響，將慢波延遲時間除以震源距進(jìn)行歸一化處理。其結(jié)果顯示，慢波延遲時間的最小值為LUL臺站的2.44 ms/km，最大值為L5307臺站的7.37 ms/km。L5307臺站位于震源區(qū)內(nèi)，距離主震震源的位置最近，因此地殼應(yīng)力變化程度較大，慢波延遲時間值也相對較大，相反距離主震震源位置較遠(yuǎn)的LUL臺站慢波延遲時間就相對較小。

表1 景谷地區(qū)剪切波速度結(jié)構(gòu)

①南北向(NS)、東西向(EW)和垂直向(UD)的三分量地震波形，兩根豎線間的波形用來繪制質(zhì)點(diǎn)偏振圖；②截取的剪切波波形質(zhì)點(diǎn)振動圖，箭頭為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向；③為快(F)、慢(S)波波形圖，兩根豎線分別標(biāo)記快、慢波到時

表2 剪切波分裂參數(shù)計算結(jié)果

3 計算結(jié)果分析

3.1 快波偏振方向

本文共獲得了4個臺站的快波偏振方向，其中有3個臺站為流動臺站。快波偏振方向等面積投影玫瑰圖(見圖4)顯示，L5307、L5308和L5309這3個臺站快波偏振方向為北北東向，LUL臺站快波偏振方向為北東向。雖然這4個臺站分布在余震區(qū)域的西北方向和南向，但是快波偏振方向一致為北東向，可以推測研究區(qū)域最大主壓應(yīng)力場的方向為北東向。快剪切波偏振優(yōu)勢方向與臺站的原地主壓應(yīng)力軸方向一致，通常受到區(qū)域應(yīng)力場的控制。徐甫坤等(2015)利用此次景谷MS6.6主震和較大余震反演了當(dāng)?shù)刂鲏簯?yīng)力場，認(rèn)為該區(qū)域主壓應(yīng)力軸具有北北東向和北東向兩個優(yōu)勢方向。地震現(xiàn)場科學(xué)考察也表明，此次地震的破裂方向主要有北西向和北東向兩組(常祖峰等，2016)。本文得到的這4個臺站快波優(yōu)勢方向均呈北東向(見圖3)，與該區(qū)域主壓應(yīng)力軸和北東向的破裂方向一致，和余震序列的展布方向一致。景谷MS6.6主震位于酒房斷裂，酒房斷裂的走向近似為南北向，而快波偏振方向為北北東向和北東向，與斷裂走向相交。

圖4 研究區(qū)域內(nèi)4個臺站的快波偏振方向等面積極射投影

右邊區(qū)域為左邊2014年12月5日至12月8日的放大圖；黑色點(diǎn)為歸一化的慢波延遲時間，實線為9點(diǎn)滑動平均的計算結(jié)果；虛線表示2014年12月06日02時和18時發(fā)生的MS5.8和MS5.9地震的發(fā)震時刻

3.2 慢波延遲時間及其變化

根據(jù)地殼中微裂隙不同參數(shù)對慢波延遲時間的影響，將地震射線與裂隙面夾角大于15°的位于剪切波窗口內(nèi)的地震定義為1角區(qū)，地震射線與裂隙面夾角小于15°的地震定義為2角區(qū)。1角區(qū)的慢波延遲時間對地殼應(yīng)力作用下的微裂隙幾何形態(tài)較為敏感，而2角區(qū)內(nèi)的慢波延遲時間對地殼中裂隙的密度較為敏感(Crampin,1981,1999; Crampin et al,2002, 2005; Gao et al, 2008)。由于1角區(qū)內(nèi)的慢波延遲時間對地殼應(yīng)力變化非常敏感，而2角區(qū)的慢波延遲時間結(jié)果對于探討地殼應(yīng)力場的變化沒有實際意義，因此本文只對L5307和L5309臺站1角區(qū)的慢波延遲進(jìn)行討論。

本文只選取剪切波分裂結(jié)果在200條以上的L5307和L5309臺站來分析(見圖5)。L5307臺站的慢波延遲時間變化范圍相對較大，在2～18 ms/km之間，優(yōu)勢分布在10 ms/km。從2014年10月10日開始一直在8～10 ms/km變化，11月初慢波延遲時間有下降的趨勢，11月12日之后開始上升，12月初停滯在10 ms/km，12月5日慢波延遲時間持續(xù)下降，12月6日MS5.8和MS5.9兩次較大余震發(fā)生，慢波延遲時間依舊下降，直到12月8日降至6 ms/km，之后慢波延遲時間有所上升，恢復(fù)至10 ms/km。L5309臺站慢波延遲時間較小，在2～6 ms/km范圍分布。在10月份始終徘徊在2～4 ms/km，11月上旬變化仍然較小，11月19日慢波延遲時間開始迅速升高至4 ms/km，12月6日MS5.8地震之前，慢波延遲時間出現(xiàn)減小。12月6日MS5.8、MS5.9地震后短時間內(nèi)余震的慢波延遲時間迅速增大，之后快速下降至2～4 ms/km。L5307臺站的慢波時間延遲顯著大于L509臺站，且變化范圍較大，可能與兩個臺站所處的位置有關(guān)。L5307臺站位于余震區(qū)里，震源區(qū)介質(zhì)應(yīng)該較為破碎。而L5709臺站距離余震條帶稍遠(yuǎn)，不在震源區(qū)，參與分析的地震距離臺站有一段約10 km的空段沒有余震發(fā)生，射線路徑穿過了相對更為均勻的介質(zhì)，是該臺站的延遲時間較為穩(wěn)定且僅有2 km/s的主要原因。

4 結(jié)論

2014年10月6日云南景谷地區(qū)發(fā)生MS6.6地震，12月6日又相繼發(fā)生MS5.8和MS5.9較大余震，發(fā)震斷層為酒房斷裂。本文利用景谷MS6.6地震余震數(shù)據(jù)，采用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動判別與偏振法相結(jié)合的方法，測定了2014年10月到12月余震序列剪切波分裂參數(shù)，得到4個臺站(L5307、L5308、L5309和LUL)的剪切波分裂參數(shù)，進(jìn)一步分析了快波偏振方向以及慢波延遲時間的變化特征。這4個臺站的快波偏振優(yōu)勢方向均表現(xiàn)為北北東向和北東向，與區(qū)域主壓應(yīng)力軸方向和地表破裂方向一致，反映了景谷地震震源區(qū)區(qū)域應(yīng)力場的方向為北東向。這4個臺站的慢波延遲時間分布在2.24～7.37 ms/km之間。其中慢波延遲時間最大的來自距離主震位置最近的L5307臺站，這與該臺站位于震源區(qū)、介質(zhì)較為破碎有關(guān)。L5709臺站的慢波延遲時間小且較為穩(wěn)定，這與該臺站位于震源區(qū)以外有關(guān)。流動臺站L5309在2014年12月6日MS5.8余震前6天慢波延遲時間突然下降，2014年12月6日18時MS5.9地震前10小時，該臺站也觀測到慢波延遲時間的突然下降，直到地震發(fā)生。可見兩次5級以上較大的余震發(fā)生之前都伴隨了慢波延遲時間的降低，反映了地殼應(yīng)力的快速增強(qiáng)。地震發(fā)生后短期內(nèi)，慢波延遲時間陡增，但很快降至該臺站的穩(wěn)定值。

致謝:中國地震局地震預(yù)測研究所陳章立研究員、鄭斯華研究員、云南省地震局付紅研究員和審稿專家對為本文提出了寶貴的意見和建議；云南省地震局為本研究提供了波形資料和觀測報告，作者在此一并表示衷心感謝。