2021年云南漾濞MS6.4地震亞失穩階段的地震活動性特征分析

黃雅 陳佳 金明培 李孝賓 茶文劍 王軍 李四海

摘要：使用亞失穩臺陣和固定臺站組成的密集臺網觀測資料，對2021年漾濞MS6.4地震前滇西北地區完備震級以上地震的頻度、斷層總面積和b值等地震活動性參數進行時空掃描分析，發現研究區4級以上地震失穩前均有較為明顯的增頻、增總面積、低b值等共性特征，漾濞MS6.4地震前以小震活動為指針的斷層協同化演化進程大致可分為3個階段：2020年5—12月為應變釋放點產生階段，小震頻次緩慢增加;2021年1月至5月17日為應變釋放點擴展和增多階段，小震頻次逐步增多，3級以上地震釋放點明顯增強，且有向主震震中遷移現象，后期成帶狀擴展;2021年5月18—21日為應變釋放連接段，中小地震活動快速增長并最終連接成片，甚至重疊，且4級以上地震集中釋放。而亞失穩過程則應是從2021年1月至5月17日為準靜態階段，2021年5月18—20日為準動態階段。最后，討論了出現明顯的亞失穩過程的原因和斷層協同演化進程劃分存在的問題和不足。

關鍵詞：斷層亞失穩階段;協同化進程;地震活動性;漾濞MS6.4地震;亞失穩密集臺陣;滇西北地區

中圖分類號：P315.72?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）03-0357-10

0 引言

2021年5月21日21時48分，云南省大理州漾濞縣（25.67°N，99.87°E）發生MS6.4地震，震源深度8 km。本次地震鄰近的斷裂是維西—喬后—巍山斷裂，微觀震中位于該斷裂西南側約12 km處。任俊杰等（2007）研究表明，該斷裂為北西—南東走向的右旋走滑斷裂。震中附近構造較為復雜，除了蒼山西側的維西—喬后—巍山斷裂外，在蒼山東側還有一條與之近乎平行的深大斷裂帶——紅河斷裂帶。此外，還有多條北東—南西走向的與喬后—巍山斷裂和紅河斷裂交錯的次級斷裂，如西洱河斷裂、石門關斷裂、周城斷裂和龍蟠—喬后斷裂等。因此，該區域斷層縱橫交錯、構造復雜、中小地震易發多發。

地震是一個地殼內應力累積并最終快速釋放的過程，識別地震前斷層所處的應力狀態對于地震活動的研究極為關鍵。斷層應力積累過程大致可以分為穩態、亞穩態、亞失穩態和失穩態，依次對應斷層失穩過程中的線性、偏離線性、亞失穩和失穩4個階段。斷層的應力狀態進入亞失穩的準動態階段后，地震失穩將不可逆轉地到來。因此，研究斷層的亞失穩階段特征，對于地震的短、臨預測具有重要意義（王凱英等，2018;李世念等，2021;張華英等，2021）。馬瑾（2016）在室內巖石實驗基礎上提出了斷層亞失穩理論，并證明在室內巖石實驗中可以準確識別亞失穩階段。如何把室內簡單巖樣、清晰應力、可測參數的實驗和研究成果，推廣至構造應力多源、斷層體系復雜、觀測臺站稀疏的天然野外環境中，如何識別斷層亞失穩態的響應特征，給出具有可操作性的指標或判據，是地震工作者正在探索和實驗的工作（宋春燕，2017）。

本文對漾濞MS6.4地震前滇西北地區（25°～27°N，99°～101°E）地震活動性特征進行時空掃描分析，計算研究區密集臺陣觀測編目結果的完備震級，分析漾濞MS6.4地震前斷層面總面積、b值、ML≥2地震頻度和ML≥3地震空間遷移等地震活動性特征，研究前震序列時空演化和震源機制解一致性等，以期為探索漾濞MS6.4地震前亞失穩過程的判定提出了地震活動參考依據。

1 數據來源及記錄

1.1 臺站分布情況

自2010年以來，維西—喬后—巍山斷裂帶附近發生了一系列中強地震，如2013年洱源MS5.5和MS5.0地震，2016年云龍MS5.0地震，2017年漾濞MS5.1地震。基于實驗室的研究和識別結果，經過全國范圍內的篩選和排查，馬瑾院士研究團隊最終選定滇西北地區包含維西—喬后—巍山斷裂、紅河斷裂在內的顯著應力釋放區域作為斷層亞失穩理論研究的天然野外觀測實驗區，并在此布設了由30個短周期臺站組成的亞失穩野外觀測研究臺陣，結合該區已有的云南區域臺網寬頻帶地震臺站，在2021年漾濞MS6.4地震震中周圍形成了包含42個臺站、臺間距約15 km的密集臺陣。此密集臺陣自2018年4月組網運行以來，記錄了漾濞MS6.4地震序列孕育、發生和發展全過程，尤其是地震前3 a開始編目的大量微震（ML≥-1.4）數據，為本文的研究提供了詳實、豐富的第一手地震活動性資料，為亞失穩態的地震活動性響應特征研究提供了不可多得的機會。

本文使用亞失穩密集臺陣和固定臺站共42個臺組成監測網（圖1），包括亞失穩密集臺陣的觀測站 30個、云南地震臺網固定觀測臺站12個。該觀測區域是云南地區地震臺站較為密集的區域之一，記錄到了大量的微地震事件，人工地震編目最小震級可達ML-1.4，為漾濞MS6.4地震前地震活動性時空演化分析提供了寶貴的第一手資料。2021年5月18日和19日在主震震中附近相繼發生4.2和4.4級地震序列，中國地震科學實驗場大理中心在震區15 km范圍內，架設了YSW34、YSW35和YSW36等3個臨時臺站，使得震區周圍臺站分布更為均勻，且臺間距與震源深度接近同一數量級，極大地提高了事件的觀測精度和小震檢測能力。

亞失穩密集臺陣的觀測站配備了英國GUALP公司生產的CMG-40T短周期地震計，其動態范圍大于145 dB，頻帶寬度為2 s～100 Hz，配置有高精度時間和觀測臺點定位的GPS服務系統，該系統提供的最佳授時精度達1 μs，與地震計配套的數據采集器為REFTEK-130B。

1.2 地震目錄完備性分析

最小完備震級是國際上普遍采用的評估地震臺網檢測能力的定量標準，即地震臺網能以100%的概率檢測到的地震的最小震級（Rydelek，Sacks，1989）。震級低于最小完備震級的地震可能會被臺網漏檢，從而導致地震目錄不完備，進而可能會影響基于地震目錄的相關研究結果的可信度（Huang et al，2001）。本文采用兩種估算方法來綜合估計研究區最小完備震級（MC），一是基于G-R關系（Gutenberg，Richter，1945）的震級-頻度分布（FMD）方法，二是最大曲率法（馮建剛等，2012;侯金欣，王寶善，2017）。

本文選取2018年4月至2021年5月亞失穩密集臺陣的地震目錄，統計區域為滇西北地區（25°～27°N，99°～101°E）的最小完備震級（MC）。劉麗芳等（2012）計算的大理—麗江—鹽源地區MC可控制在ML1.0～1.5，本文綜合兩種方法給出研究區MC為ML0.8（圖2），可見亞失穩密集臺陣和固定臺組網明顯提升了下限震級的檢測能力。

2 漾濞MS6.4地震前亞失穩過程地震活動性響應特征

在實驗室內觀察到的斷層失穩前的“協同化”進程，即應變釋放區的擴展、加速擴展和連接的現象，能否在野外觀測中重現，是檢驗實驗過程和成果的重要手段。漾濞MS6.4地震發生在馬瑾院士預先選定的地震重點危險區，本文嘗試分析地震前滇西北地區中小震活動呈現的斷層亞失穩過程響應。

2.1 滇西北地區ML≥3.0地震隨時間遷移

選取2018年以來亞失穩密集臺陣和固定臺組網記錄的研究區ML≥3.0地震，沿98°～102°E做時空遷移圖（圖3a），可以看出2018—2019年地震分布較均勻，2020年1—4月有短暫平靜。2020年5—12月，99.5°E以東地區3、4級地震平靜，該地段形成應變積累區，從2021年1月開始，100°E以西3、4級地震平靜，該地段也形成應變積累區域，特別是2021年2月該區域3、4級地震加速活動。從圖3b可以看到，2021年3—5月ML≥3.0地震有向主震震中收縮的現象，且呈現南北向條帶狀擴展，斷層出現加速協同化過程，是應變主釋放區。實驗室結果顯示失穩發生在應變積累區，漾濞MS6.4主震前的地震活動情況與其一致。

2.2 漾濞MS6.4地震前研究區地震活動情況

一個地區地震活動的頻度和強度可以直觀反映該區地震應變釋放水平。本文對研究區ML≥2.0地震頻度隨時間演化特征進行分析，總結研究區漾濞MS6.4地震前4次ML≥4.0中強震（表1）失穩前共性特征。

圖4給出了2018年4月至2021年漾濞MS6.4主震前研究區ML≥2.0地震頻度圖（統計窗長60 d，步長15 d）。從圖中可以看出，滇西北地區ML≥4.0地震失穩前均出現ML2.0地震的顯著增頻現象，ML≥4.0地震前統計頻次均超過均值線，ML≥4.0地震一般在上述頻度超過均值線15～30 d內發生。可見ML≥2.0地震頻次超過均值線可能是該地區開始以地震應變釋放為主的一個重要判據。

2020年下半年至漾濞MS6.4地震前，ML≥2.0地震的頻度已經多次超過均值線，至2021年1月前均未有失穩地震發生;從2021年1月開始，該區應變釋放水平明顯增強，隨后發生了洱源ML4.1地震以及圖3所示的多次ML≥3.0地震。

通常用地震頻度和地震能量這兩個參量作為地震帶或地震區地震活動性高低的標志。由于小震的數目遠遠多于大震，所以地震頻度實際上是由較小地震決定的，而地震的總能量卻是由為數不多的幾個較大地震所決定的，而小震的貢獻往往被忽略了。為了克服這一矛盾，前人特定義了1個介于頻度和能量之間的活動性參數：斷層總面積A（t），它既反映了小地震的頻度，也包含了地震的能量，從而能更全面地反映地震活動的強弱特征（宋德熹，時文勇，2005）。

斷層總面積的計算如下：

A（t）=∑k-1k=k0N（k）Lk-k0 （L=4.5）（1）

式中：k0為所統計地震的能級下限;k為每個地震的能級。

本文對研究區的A（t）值進行了時間掃描，為便于同頻度比較，窗長取60 d，滑動步長取15 d，同時為避免失穩地震對結果的影響，震級區間都取ML0.8～3.5。圖5是斷層總面積時間掃描曲線，本文取高于2 250作為異常起始指標，可得到4次震例中有3次出現了異常峰值超過2 250，占比75%，而永勝ML4.8地震前也有應變釋放顯示，但因偏離研究核心區，不如洱源—漾濞一帶的特征顯著。可見A（t）值具有比較好的預測效能。漾濞MS6.4地震前，從2021年1月開始A（t）曲線開始快速上升并高于指標值，雖然隨后發生了洱源4.1級地震，但此次地震后曲線小幅回落又急劇上升，異常值高達4 536。結合地震頻度和斷層總面積的異常現象分析，漾濞MS6.4地震前，從2020年下半年失穩過程中應變釋放協同化的標志開始呈現，即應變釋放點開始產生（頻度開始超過均值、A（t）值開始抬升），2021年1月底兩參數均明顯增大。

2.3 漾濞MS6.4地震前b值

地震是地殼應力累積到一定程度，能量快速釋放的一個力學過程（尹祥礎等，1987）。識別地震前斷層所處的應力狀態是研究地震發生過程的關鍵。而b值變化可以反應地下介質的應力狀態變化（Scholtz，1968）。Scholtz（1968）和Mogi（1962）研究巖石破裂實驗時提出，當介質的應力積累水平高時b值呈現低值，特別是巖石破裂前b值下降趨勢顯著，高應力閉鎖斷層是強震孕育的重要條件。一些室內試驗也表明在巖石最終破裂前，b值會出現一個系統性的下降（Lei，Masuda，2004）。天然地震前同樣觀測到b值降低的現象（李全林，1979;Smith，1981;Nanjo et al，2012）。

最常用的b值計算方法有線性最小二乘擬合和最大似然估計，考慮到后者計算簡便，不易受個別較大地震影響，且計算結果較為穩定，本文采用最大似然估計法求取b值，計算公式如下（Aki，1965）：

b=1lg（M-MC）（2）

式中：M為研究區域時間窗內的平均震級;MC為下限震級。b值計算誤差可用以下公式評估：

σb=bN（3）

式中：σb為b值的標準差;N為時間窗內地震樣本的個數。

圖6給出了滇西北地區ML≥4.0地震前b值掃描情況（統計時間窗長為60 d，步長為15 d，震級取ML0.8～3.5），漾濞MS6.4地震前的4次地震事件，有3次ML≥4.0地震發生前1個月內都出現低b值的現象，永勝ML4.8地震前出現時間大于3個月（表2），ML≥4.0地震失穩前均出現低b值現象，根據地震對應情況給出0.94的指標線。從2020年5月至震前，b值出現趨勢性下降，特別從2021年1月開始，連續出現低b值情況，雖然其間發生了洱源ML4.1地震，但低b值仍然持續，直到發生漾濞MS6.4地震。說明2021年1月是漾濞MS6.4地震亞失穩過程的大致起始時段（對應圖7中的O點），這和圖3a中研究區ML3地震呈現協同化的時段相吻合，也與ML≥2.0增頻和A（t）快速增加時段相吻合。

3 漾濞MS6.4地震亞失穩過程分析

由圖7可知，從差應力時間上看：LM是應力積累為主階段，地震活動呈現隨機性，稱作穩態;MO轉為區域開始產生釋放，地震開始活躍，稱作亞穩態;OAB是應力釋放為主階段，也稱為亞失穩階段，其中OA段是準靜態釋放階段，表現為應變釋放擴展和增加，AB段是準動態釋放階段，表現為應變釋放區的聯結（馬瑾等，2012;馬瑾，郭彥雙，2014;馬瑾，2016）。

由圖3～6可以看出漾濞MS6.4地震前存在斷層亞失穩過程的地震活動性響應特征。斷層變形的協同化過程一般包括應變釋放區產生、釋放區擴展和增加以及釋放區的連接3個階段。2020年5—12月是漾濞MS6.4地震前應變釋放區產生的時段，體現在ML≥2.0 地震的60日頻度多次超過19次;2021年1月起，進入應變釋放區擴展和增加階段，持續4個月。在偏離線性階段開始時（圖7中M時刻），孕震區域出現應變釋放區和應變積累區;應變釋放區的平穩擴展和增加與亞失穩初期階段的準靜態失穩有關;當孕震釋放區足夠多、已有釋放區擴展足夠大后，釋放區間的相互作用就增強了，這時釋放區加速擴展，斷層進入亞失穩后期，即準動態階段。

2021年5月18日開始，漾濞MS6.4地震的發震斷層進入亞失穩階段的準動態階段，準動態階段特征如下：

3.1 準動態階段地震活動性特征

2021年5月18—21日漾濞MS6.4地震發生前，亞失穩密集臺陣共記錄到漾濞MS6.4地震前震1 906次，其中0級以下521次，0.0～0.9級1 009次，1.0～1.9級287次，2.0～2.9級69次，3.0～3.9級15次，4級以上3次，5級以上1次，如圖8所示。

本文將2021年5月19日漾濞MS4.4地震前后分別稱為T1和T2階段，T1階段地震時間分布較為稀疏，T2階段地震頻次明顯增多。兩個時段ML≥2.0地震頻次明顯增強，特別是漾濞MS6.4地震前半小時，接連發生1次MS4.2和1次MS5.6地震。而在每個階段的中后期地震數目明顯減少，ML≥2.0地震頻次總體表現為持續增強—短暫平靜過程。從以往研究看，許多主震的前震隨時間有一個明顯的持續增強—短暫平靜過程，即前震頻次一般在臨近主震前加速增長，在主震前數小時則暫時平靜（宇津德治，1981）。漾濞前震序列在經歷持續增強—短暫平靜后，短時間內地震震級和頻度同時加速升高是主震隨即發生的主要特征，表明此時已經進入圖7中的AB段，地震過程已經不可逆。另一個有前兆意義的現象是ML≥4.0前震均發生在20—22時之間，調制作用十分明顯。那么這一階段的前震活動是否在空間上也能呈現快速連接的重要標志特征呢？

圖9給出漾濞MS6.4地震兩個典型前震序列，即5月18日MS4.2地震序列和5月19日MS4.4地震序列的時空展布、快速擴展和連接情況。從圖9可以看出5月18日MS4.2地震序列（藍色）高度集中在2 km×2 km的范圍內，而5月19日MS4.4地震序列（紅色）則朝著主震震中方向快速擴展，且展布范圍無論在長度和寬度上都遠超1個MS4.4的破裂尺度，呈現明確的加快擴展異常，且與前一釋放區形成連接，甚至出現了重疊現象。這是亞失穩過程準動態階段的典型空間特征。因此，5月18—19日，應該對應亞失穩過程的AB段，地震已經進入不可逆階段。另一個不可逆的現象，是圖9中5月19日MS4.4地震序列的破裂范圍達8 km×4 km，展布面積是18日MS4.2的8倍。根據Wells 和Coppersmith（1994）建立的矩震級和破裂面積之間的經驗關系式：

lg（RA）=a+b*MW（4）

式中：RA表示斷層面面積;對走滑型地震a取-3.42±0.18、b取0.90±0.03;推算矩震級MW可達5.5左右，已經具備了前震的響應尺度特征。

3.2 準動態階段震源機制一致性特征

地震是地下介質受到應力作用產生破裂的自然現象，震源機制解是研究構造應力場的重要基礎資料，它反映了震源斷層的力學特征，可以揭示地震破裂的力學機制，反映出地震等效釋放應力場。陳鶞（1978）研究一些強震震例發現，強震前震源機制解趨于一致的現象時有發生，于是提出用前震震源機制的一致性來描述地震活動性異常。強震受到構造應力場的制約，一般情況下震源機制與應力場的方向吻合（李欽祖等，1982）。

本文選取2021年5月18—20日ML≥3.0的7次地震事件，采用CAP方法（Zhu，Helmberger，1996）反演出震源機制解的結果（表3），7次前震矩心深度均在4～7 km范圍內，斷層節面I的走向都是北西向，且走向最大差異均在10°以內，從滑動角（-163°～166°）可以判斷這7次地震都是以走滑型為主。P軸顯示了主壓應力軸方位。圖10中給出了7次前震的主壓應力優勢方向，結果表明這7次地震主壓應力軸方向一致性較高，偏差在10°以內，并且仰角較小，接近水平方向。大震發生前孕震區內多個中小地震震源機制參數一致性反映了孕震區內變化應力場與背景應力場的關系（澤仁志瑪等，2010）。這7次地震震源機制一致性較好，顯示了構造應力場控制作用增強，是判定前震序列的參考判據之一，其后是否有更大地震還需要結合其它資料綜合研判，但至少已經提供了1個臨震的輔助判據。

4 結論與討論

本文使用架設在滇西北地區的亞失穩密集臺陣積累的觀測資料，對漾濞MS6.4地震前亞失穩過程的地震活動性響應特征進行綜合分析，得出以下結論：

通過對漾濞地震前ML≥3.0地震時空遷移、ML≥2.0地震頻度、ML0.8～3.5地震的斷層總面積和b值時間演化特征分析，發現漾濞MS6.4地震前呈現了較為明顯的斷層亞失穩演化過程。斷層變形的協同化進程一般包括應變釋放區產生、釋放區擴展和增加以及釋放區的連接3個階段。2020年5月（對應M點）至2020年底是漾濞MS6.4地震發震斷層應變釋放區產生的時段，2021年1月（對應O點）至5月中旬，為應變釋放區擴展和增加階段，也是進入亞失穩的準靜態階段，持續約4個月，而應變釋放區的連接則從2021年5月18日開始（對應A點）至21日，進入亞失穩階段的準動態階段。協同化進程特征如下：

（1）從時間掃描結果看，從2020年5月開始，研究區小震b值出現趨勢性下降，至 2021年1月小于0.94，漾濞MS6.4地震前，連續4個月出現多次b值低于0.94的現象;同期地震活動頻度開始逐步增強，經歷多次起伏后，于2021年1月呈現頻次增加、震級增大現象;斷層總面積從2021年1月開始持續上升，并于2月出現異常高值。

（2）從空間掃描結果看，漾濞MS6.4地震前一年，研究區內ML≥3.0地震呈現朝震中收縮和遷移現象，隨著失穩臨近，2021年1月起，地震活動越來越密集，3—5月總體成南北向條狀展布（與主震震源機制解P軸方向吻合）。2021年5月18—20日，兩次4級前震序列在時間上加速釋放，空間上快速擴展并最終連結甚至部分重疊，且5月19日MS4.4地震序列的尺度遠超其應有的破裂尺度，具有了一定的前震預警功能。

（3）5月18—20日發生的7次M≥3.0前震震源機制解一致性較好，體現為走向、傾角、滑動角均在較小范圍內波動，也為斷層即將進入失穩階段提供了重要的參考指標。

綜上所述，本文依據馬瑾院士團隊在室內巖石實驗得出的亞失穩階段特征和斷層協同化理論，以中小地震活動強弱為應變釋放的主要標志，初步將2021年漾濞MS6.4地震的協同化進程分為3個階段：2020年5—12月為MO段，應變釋放點產生，小震頻次緩慢增加;2021年1—5月17日為OA段，應變釋放點擴展和增多，小震頻次逐步增多，地震活動性增強，且3級以上主釋放點明顯增加，且向主震震中收攏，后期成南北向帶狀擴展;5月18—21日為AB段，中小地震活動快速增長并最終連接，甚至重疊，且出現4級以上地震集中和快速釋放。其亞失穩過程則應是從2021年1月至5月17日為準靜態階段，而5月18至21日為準動態階段。

漾濞MS6.4地震之所以呈現出較為明顯的亞失穩演化特征，可能與其為走滑型震源機制為主有關，這與室內實驗條件和馬瑾等（2014）研究過的老虎山—毛毛山也屬走滑機制相同，其余類型的地震能否識別到這一過程還需進一步觀測和研究。

需要說明的是，本文研判僅僅依據地震活動性參數，加之時間較為倉促，因而還只是一個初步嘗試和探索，今后還需綜合同期部署的GNSS、基巖地溫和其它地球物理前兆開展分析，給出更為可信的結果或佐證。

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Seismic Characteristics in the Meta-instability Stageof the 2021 Yangbi，Yunnan MS6.4 Earthquake

HUANG Ya，CHEN Jia，JIN Mingpei，LI Xiaobin，CHA Wenjian，WANG Jun，LI Sihai

（Dali Center of China Earthquake Science Experimental Site，Dali 671000，Yunnan，China）

Abstract

In this paper，using the observation data of the dense network composed of meta-instability array and 10 fixed stations，we carry out the temporal and spatial scanning of seismic parameters such as frequency，total fault area，and b-value of the complete magnitude before the Yangbi MS6.4 earthquake in northwest Yunnan province.We find that there are obvious common characteristics such as increasing frequency，increasing total fault area and low b-value before the instability of the M>4.0 earthquakes in the study area.The coordinated evolution of faults with small-earthquake activity as the indication before the Yangbi MS6.4 earthquake can be roughly divided into three stages：①the period from May to December 2020，in which strain-release points appeared，and the frequency of small earthquakes increased slowly;②the period from January to May 17，2021，in which the strain-release points increased and extended，and the frequency of small earthquakes increased，and the number of M>3.0 earthquakes increased significantly，and their epicenters migrated to the epicenter of the main earthquake.At the end of the stage，the strain-release points expanded into a belt.③the period from May 18 to 21，2021，in which the strain-release points linked together and even overlapped.And small and medium earthquakes increased rapidly，and the M>4.0 earthquakes concentrated.We conclude that the meta-instability process should consist of the static phase（from January to May 17，2021），and the dynamic phase（from May 18 to 20，2021）.Finally we discuss the causes of the meta-instability and the questions in the division of the meta-instability process.

Keywords：fault meta-instability stage;synergism process;seismicity;the Yangbi MS6.4 earthquake;meta-instability dense array;northwest Yunnan