2014年云南3次強震前后震源機制一致性時空演化特征*

劉自鳳，付 虹，彭關(guān)靈，趙小艷，李孝賓，茶文劍

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.中國地震局滇西地震預(yù)報實驗場辦公室，云南 大理 671000)

0 引言

陳颙(1978)在研究幾次強震震例的前震、余震和震群時，發(fā)現(xiàn)其各自表現(xiàn)出不同的特點，前震震源機制相對一致，進而提出了震源機制一致性的概念，并提出可用震源機制一致性來判定地震危險性。表征震源機制一致性的參數(shù)統(tǒng)稱為震源機制一致性參數(shù)，該參數(shù)是衡量震源釋放應(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場一致性程度的定量指標(biāo)，常被作為判斷地震危險性的重要判據(jù)之一。多年來，國內(nèi)外眾多研究者利用中小地震震源機制解的不同參量研究震源機制一致性參數(shù)的時空變化特征，如小震綜合斷層面解的時空分布以及綜合斷層面解矛盾比的時空變化(刁桂苓，于新昌，1980，1982)、小震P波初動的時空分布(閻明，趙仲和，1989)、震源機制解主壓應(yīng)力P軸的時空變化(許忠淮等，1979，1983；闞榮舉等，1983)、各個震源機制解的P，T，B軸和構(gòu)造應(yīng)力場的3個應(yīng)力主軸在三維空間的夾角之和(刁桂苓等，2004；趙英萍等，2004)、Misfit角和應(yīng)力張量方差(Michael，1984，1987)、空間最小旋轉(zhuǎn)角(萬永革，2008)、體波譜振幅相關(guān)系數(shù)(Lundetal，2002)等。大量研究結(jié)果表明，對中小地震震源機制解進行綜合分析有可能捕捉到與強震發(fā)生有關(guān)的應(yīng)力場變化信息。

云南強震頻發(fā)，1900年1月1日—2019年10月31日共發(fā)生93次M≥6.0地震，其中88%的地震的發(fā)震時間間隔為3年。因此，在云南震情跟蹤工作中，常以M≥6.0地震平靜超過3年作為強震預(yù)測指標(biāo)。2014年云南先后發(fā)生了2014年5月30日盈江MS6.1，8月3日魯?shù)镸S6.5和10月7日景谷MS6.6地震，強震呈連發(fā)態(tài)勢。在此次地震連發(fā)前，云南M≥6.0地震已出現(xiàn)4.9年的超長時間平靜期。2014年地震連發(fā)后又進入平靜狀態(tài)，目前平靜時間已超過5年。為了尋找長期平靜背景下與3次強震有關(guān)的應(yīng)力場時空演化信息，本文基于2008年1月1日—2019年10月31日云南地區(qū)中小地震震源機制解，采用Michael等(1984，1987，1990)提出的疊加應(yīng)力場反演方法，反演2014年云南3次M≥6.0強震前后不同時段的震源機制一致性參數(shù)的空間演化特征和震源區(qū)的時間演化特征，以期為平靜背景下的強震形勢研判提供動力學(xué)依據(jù)。

1 資料選取及可靠性分析

1.1 資料選取及預(yù)處理

本文震源機制解數(shù)據(jù)主要由3部分構(gòu)成：2008年震源機制解采用徐彥(2013)利用全波形反演方法得出的ML≥3.0中小地震的計算結(jié)果；2009—2012年ML≥2.5地震震源機制解以基于P波初動和振幅比的HASH方法計算結(jié)果為主，用徐彥(2013)的計算結(jié)果補缺；2013年1月1日—2019年10月31日ML≥3.5地震震源機制解為CAP反演結(jié)果，2.5≤ML<3.5地震則采用HASH方法的計算結(jié)果。

為了排除余震序列對震源機制一致性參數(shù)的影響，本文對其進行剔除，最終獲得2008年1月1日—2019年10月31日云南及鄰區(qū)共計3 121次M2.5～6.9地震的震源機制節(jié)面解，其中M2.5～2.9地震1 660次，M3.0～3.9地震1 175次，M4.0～4.9地震238次，M5.0～5.9地震41次，M6.0～6.9地震7次，震中分布如圖1所示。從圖中可見，除中甸西部地區(qū)外，所選地震在云南省內(nèi)其他區(qū)域均分布較廣，這為開展云南地區(qū)震源機制一致性參數(shù)空間分布特征的研究工作提供了條件。

F1：中甸斷裂；F2：程海斷裂；F3：怒江斷裂；F4：南汀河斷裂；F5：瀾滄江斷裂；F6：紅河斷裂；F7：元謀斷裂；F8：楚雄—建水?dāng)嗔眩籉9：小江斷裂；F10：彌勒—師宗斷裂；F11：麗江—寧蒗斷裂

1.2 資料可靠性分析

全波形模擬法(Xuetal，2010；Herrmannetal，2011)模擬的是高頻的速度值而不是低頻的位移值，能更好地降低低頻的臺站和儀器噪音的干擾；CAP方法反演時完整地使用了波形記錄，能夠反映較全面的震源信息，且該方法允許各時間窗理論波形和觀測波形的相對滑動擬合，大大減少了對速度模型和地殼橫向不均勻性的依賴(Zhuetal，1997；鄭勇等，2009；呂堅等，2013；羅鈞等，2015；王光明等，2018；潘睿等，2019)，最終運用網(wǎng)格搜索方法搜索出理論波形與觀測波形差異最小時的震源機制解為最佳解；HASH方法的優(yōu)點在于定量化估計定位、深度和速度結(jié)構(gòu)偏差引起的震源機制計算的不確定度，不存在多解性，此方法還從斷層不確定度、臺站分布等參數(shù)出發(fā)，科學(xué)、合理、全面地對結(jié)果進行了評價(郭祥云，2014)。可見，本研究選取由上述3種方法獲得的震源機制解結(jié)果進行震源機制一致性分析是相對可靠的。

2 計算方法

本文采用Zmap軟件包(Wiemer，Malone，2001)集成的疊加應(yīng)力場反演方法(Superposition Stress Inversion，簡稱SSI)反演震源機制機制一致性參數(shù)，該方法是通過在均勻應(yīng)力場上疊加擾動來模擬非均勻應(yīng)力場的分布，并獲得3個主應(yīng)力軸S1，S2，S3(分別代表壓應(yīng)力軸、中等應(yīng)力軸和張應(yīng)力軸)的空間分布及相對大小φ=(S2-S3)/(S1-S3)以及反演方差(variance)。反演方差被定義為 misfit 角度(單個地震的滑動矢量與在假設(shè)應(yīng)力張量作用下產(chǎn)生的理論滑動矢量之間的夾角)與其平均數(shù)之差的平方和的平均數(shù)，是衡量地震震源釋放應(yīng)力場與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場一致性程度的定量指標(biāo)(Michaeletal，1987，1990)。當(dāng)方差<0.1 時，可以用1 個統(tǒng)一的應(yīng)力張量解釋觀測到的震源機制解，也可以理解為該區(qū)域的應(yīng)力場是均勻的，震源機制趨于一致；當(dāng)方差>0.2 時，表明該區(qū)域的應(yīng)力場在時間和空間上具有非均勻性，或者說該區(qū)域的震源機制比較紊亂(Luetal，1997)。

3 震源機制一致性參數(shù)時空演化特征

3.1 強震前空間演化特征

為了分析強震前震源機制一致性參數(shù)空間演化特征，將地震集中區(qū)域按照0.1°×0.1°進行網(wǎng)格化，選取每個網(wǎng)格節(jié)點及其周圍至少30個地震的震源機制解，反演了2008—2013年不同時間段每個節(jié)點的應(yīng)力張量方差，反演結(jié)果如圖2所示。由圖可知，魯?shù)镸S6.5和景谷MS6.6地震發(fā)生在應(yīng)力張量方差的低值區(qū)域內(nèi)，盈江MS6.1地震發(fā)生在低值區(qū)域邊緣。使用2008—2010年559次地震震源機制解反演得到的應(yīng)力張量方差顯示滇東

北魯?shù)椤鞑貐^(qū)、小滇西騰沖—潞西一帶和滇西南的勐海—瀾滄—景谷地區(qū)相對偏低(圖2a)。2008—2011年，759次地震的震源機制解反演結(jié)果顯示，怒江—騰沖—潞西—盈江地區(qū)應(yīng)力張量方差下降最為顯著，魯?shù)檎饏^(qū)的低值現(xiàn)象更為顯著，且有同時向主震震中遷移的趨勢，景谷震區(qū)變化不大(圖2b)。2008—2012年反演了974次地震震源機制解，反演結(jié)果顯示滇西地區(qū)的應(yīng)力張量方差低值區(qū)域出現(xiàn)從小滇西向滇西北地區(qū)擴展的趨勢，滇西南低值區(qū)域在景谷和勐海地區(qū)展布，而瀾滄地區(qū)的應(yīng)力張量方差出現(xiàn)回升，魯?shù)檎饏^(qū)變化不大(圖2c)。2008—2013年，共獲得云南及鄰區(qū)1 157次中小地震震源機制解，圖2d顯示在云南地區(qū)形成3個應(yīng)力張量方差的低值主體區(qū)域，分別為滇西地區(qū)的盈江—騰沖—保山—大理—麗江一帶、滇東北的魯?shù)椤鞑粠Ш偷嵛髂系钠斩肮取潞５貐^(qū)。對比不同時段應(yīng)力張量方差低值區(qū)域演化特征可以發(fā)現(xiàn)，盈江震區(qū)低值區(qū)域出現(xiàn)時間較晚，魯?shù)楹途肮日饏^(qū)低值區(qū)域出現(xiàn)時間較早，且低值變化較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖2 強震前應(yīng)力張量方差空間分布圖

3.2 強震后空間演化特征

為了分析3次強震后云南地區(qū)的震源機制一致性參數(shù)空間演化特征，將2015年1月—2019年10月云南地區(qū)1 710次中小地震震源機制解按照0.1°×0.1°進行網(wǎng)格化，選取每個網(wǎng)格節(jié)點及其周圍至少30個地震的震源機制解反演了不同時間段每個節(jié)點的應(yīng)力張量方差，反演結(jié)果如圖3所示。2015—2016年，滇東北地區(qū)應(yīng)力張量方差迅速回升為高值；盈江震區(qū)應(yīng)力張量方差低值現(xiàn)象消失，但與其臨近的耿馬—潞西—騰沖—保山—怒江—大理地區(qū)出現(xiàn)大面積低應(yīng)力張量方差區(qū)域；在玉溪—墨江—普洱地區(qū)也形成了滇南至滇西南地區(qū)的應(yīng)力張量低值主體區(qū)域。雖然2015—2019年，在2個應(yīng)力張量方差低值區(qū)域或其邊緣先后發(fā)生了滄源MS5.5、昌寧MS5.1、云龍MS5.0、漾濞MS5.1、通海MS5.0雙震和墨江MS5.9地震，但截至2019年10月的反演結(jié)果(圖3d)顯示，滇南—滇西南地區(qū)的玉溪—墨江—普洱地區(qū)、滇西的保山—大理—怒江地區(qū)應(yīng)力張量方差依然低，可見這些地區(qū)應(yīng)力水平較高，仍然存在發(fā)生破壞性地震的危險。

圖3 強震后應(yīng)力張量方差空間分布圖

3.3 強震前后震源區(qū)時間演化特征分析

應(yīng)力張量方差的低值區(qū)域震源機制趨于一致，常用于預(yù)測發(fā)震地點，而其時序分布則用來預(yù)測發(fā)震時間。2014年3次強震前震源區(qū)及其鄰區(qū)均出現(xiàn)了應(yīng)力張量方差低值現(xiàn)象。為了分析3次強震前后震源區(qū)應(yīng)力張量方差的時間演化特征，分別選取3次強震震源區(qū)的震源機制解(盈江、魯?shù)椤⒕肮日饏^(qū)分別選取415次、563次、329次地震震源機制解)，取50個地震為窗長，10個地震為步長，反演得到3個強震震區(qū)的應(yīng)力張量方差的時序變化，見圖4。圖4a顯示，盈江MS6.1地震前，應(yīng)力張量方差自2009年7月開始趨勢下降，下降持續(xù)約2年，并于2011年3月達最低值(約0.06)后發(fā)生轉(zhuǎn)折，并開始趨勢上升，上升后3年左右發(fā)生盈江MS6.1地震，震前應(yīng)力張量方差最大降幅約0.27，而地震發(fā)生后應(yīng)力張量方差變化較為平穩(wěn)。魯?shù)镸S6.5地震前應(yīng)力張量方差也經(jīng)歷了下降—回升過程，應(yīng)力張量方差最大降幅約0.10。2012年7月左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，總體開始呈趨勢上升，上升過程持續(xù)2年左右發(fā)生魯?shù)镸S6.5強震，地震發(fā)生后應(yīng)力張量方差仍持續(xù)波動上升，目前處于高值水平(圖4b)。2011年7月—2013年7月景谷震區(qū)應(yīng)力張量方差顯示趨勢下降，最大降幅約0.06，于2013年7月發(fā)生轉(zhuǎn)折回升后，持續(xù)1年多發(fā)生景谷MS6.6強震，地震發(fā)生后，應(yīng)力張量方差出現(xiàn)轉(zhuǎn)折并開始小幅下降，2015年10月左右以來持續(xù)波動上升(圖4c)。

圖4 2014年3次強震震源區(qū)應(yīng)力張量方差時序圖

3次強震前震區(qū)應(yīng)力張量方差總體上經(jīng)歷了下降—轉(zhuǎn)折—回升—發(fā)震的變化過程，呈正“V”字型變化，且地震均發(fā)生在正“V”字型形成過程中的趨勢回升階段，但魯?shù)榈卣鸷途肮鹊卣鹎霸诘椭惦A段出現(xiàn)過波動變化，期間還出現(xiàn)小幅度、短時間的倒“V”字型變化過程。對比3次強震震前應(yīng)力張量方差下降過程和回升—發(fā)震過程的持續(xù)時間發(fā)現(xiàn)，下降過程均持續(xù)2年左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折回升，而轉(zhuǎn)折—回升—發(fā)震過程存在較大差異，盈江震區(qū)轉(zhuǎn)折—發(fā)震持續(xù)約3年，魯?shù)檎饏^(qū)約2年，而景谷震區(qū)僅持續(xù)約1年。

4 結(jié)論與討論

本文利用2008年1月1日—2019年10月31日云南地區(qū)3 121次地震的震源機制解反演了2014年盈江MS6.1、魯?shù)镸S6.5和景谷MS6.6強震前后不同時段的應(yīng)力張量方差，分析了3個震源區(qū)震源機制一致性的時空演化特征，主要得到以下結(jié)論：

(1)3次強震均發(fā)生在應(yīng)力張量方差低值區(qū)域及其邊緣，應(yīng)力張量方差的低值表征震源機制趨于一致且區(qū)域應(yīng)力水平高，因此分析認為應(yīng)力水平增強是3次強震發(fā)生前震源區(qū)的共性變化特征。

(2)3次強震震中應(yīng)力張量方差變化特征存在差異，魯?shù)楹途肮日饏^(qū)低值區(qū)域出現(xiàn)的時間比盈江震區(qū)要早。盈江震區(qū)低值區(qū)域表現(xiàn)出逐漸擴張形成的特征，魯?shù)檎饏^(qū)應(yīng)力張量方差低值區(qū)域在震前則出現(xiàn)逐漸向震中遷移并收縮的現(xiàn)象；景谷震區(qū)震前經(jīng)歷了低值區(qū)域一分為二的分離過程，之后震中小范圍內(nèi)的低值區(qū)域變化不大，但震區(qū)附近的瀾滄、勐海、普洱地區(qū)變化較大。由此可見，強震前應(yīng)力場的空間演化是一個復(fù)雜過程，不同區(qū)域的表現(xiàn)形式不同，因此不同區(qū)域都需要對更多的震例進行研究，尋找更為有效的震前未來發(fā)震地點預(yù)測判據(jù)。

(3)3次強震發(fā)生后，3個震區(qū)附近應(yīng)力張量方差低值區(qū)域迅速消失，而在小滇西至滇西北和滇南至滇西南地區(qū)形成2個應(yīng)力張量低值主體區(qū)域。根據(jù)應(yīng)力張量變化與應(yīng)力水平之間的關(guān)系分析認為，2014年強震后新形成的低值區(qū)域應(yīng)力水平較高，應(yīng)注意存在發(fā)生強震的可能。

(4)3次強震前3～5年震源區(qū)的應(yīng)力張量方差時間變化特征總體呈正“V”字型變化，并在下降過程持續(xù)2年左右后，開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折并趨勢回升，在正“V”字型形成過程中的趨勢回升階段發(fā)生地震，但回升至發(fā)震過程的時間間隔存在差異，景谷地震最短，魯?shù)榈卣鸫沃卣鹱铋L。由此可見，應(yīng)力張量方差回升至發(fā)震時間長短與震級大小沒有直接關(guān)系，強震前的應(yīng)力場時間變化是一個復(fù)雜的過程。

(5)魯?shù)镸S6.5和景谷MS6.6地震前，應(yīng)力張量方差均在低值階段出現(xiàn)波動變化，期間還表現(xiàn)出小幅度、短時間的倒“V”型變化過程，這是否屬于M≥6.5地震前的共性變化特征還需要更多震例加以驗證。

綜上認為，根據(jù)震源機制一致性參數(shù)空間分布可以預(yù)測強震的發(fā)震地點，時間預(yù)測方面則適合用于中-長期預(yù)測。但小震震源機制解具有一定的不確定性，可能會對計算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此今后需要結(jié)合其它地震學(xué)參數(shù)和地球物理場觀測資料進行綜合判定。