2014年云南盈江MS6.1地震震源機(jī)制研究

趙旭 黃志斌 房立華

1)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

2)中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京市朝陽區(qū)北土城西路19號(hào) 100029

3)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，2014年5月30日9時(shí)20分在云南省盈江縣發(fā)生MS6.1強(qiáng)震(簡稱盈江地震)，極震區(qū)烈度高達(dá)Ⅷ度，造成了盈江縣14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)。截至2014年5月31日22時(shí)，共發(fā)生3.0級(jí)以上余震25次，其中5.0～5.9級(jí)1次，4.0～4.9級(jí)2次，3.0～3.9級(jí)22次。

滇西地區(qū)地處青藏高原東南邊緣，東與川滇菱形塊體相接，西北與印度板塊的東北觸角相鄰，是我國大陸構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)之一。該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，強(qiáng)震活動(dòng)頻繁(謝富仁等，2001;徐彥等，2012)，廣泛發(fā)育NW 向、NE向以及 SN向等3組活動(dòng)斷裂。此次地震的儀器記錄震中位于滇西盈江縣。該地區(qū)2008年以來連續(xù)發(fā)生了4次MS5.0以上地震，即2008年8月21日MS5.9、2011年3月10日MS5.8、2014年5月24日MS5.7以及此次MS6.1地震等。此次盈江MS6.1地震發(fā)生在SN向蘇典斷裂以西，是本地區(qū)2008年以來強(qiáng)度最大的一次事件。

盈江地震發(fā)生后，國內(nèi)外不同的科研工作組測(cè)定了地震震源機(jī)制或矩張量。其中，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心趙旭等震后約30 min人工測(cè)定出基于點(diǎn)源模型的震源機(jī)制解，該結(jié)果通過短信、郵件及網(wǎng)站等途徑發(fā)布。另外，中國地震局地球物理研究所韓立波等(http：//www.ceaigp.ac.cn/tpxw/270547.shtml)、美國地質(zhì)調(diào)查局(http：//comcat.cr.usgs.gov/earthquakes/eventpage/usc000r8xg#scientific_moment-tensor)以及美國哥倫比亞大學(xué)Global CMT工作組(http：//www.globalcmt.org/CMTsearch.html)等也開展了盈江地震震源機(jī)制解或矩張量反演工作(表1)，本文對(duì)上述研究機(jī)構(gòu)發(fā)布震源機(jī)制解結(jié)果網(wǎng)站的最后一次訪問時(shí)間為2014年7月16日。

表1 本文和其它研究機(jī)構(gòu)測(cè)定的震源機(jī)制解

地震發(fā)生后，真實(shí)的發(fā)震斷層面幾何形態(tài)如何?地震往哪個(gè)方向破裂?斷層面上主要滑動(dòng)分布特征怎樣?是否能夠充分使用現(xiàn)有區(qū)域?qū)掝l帶近震記錄在第一時(shí)間內(nèi)(例如1h甚至更短的時(shí)間)解決上述廣大地震工作者們所關(guān)注的問題?對(duì)這些問題的研究，不僅可深入理解盈江地震的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，而且可為未來地震災(zāi)害快速評(píng)估提供可借鑒的寶貴實(shí)例。

本文采用中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的寬頻帶波形資料，使用近年來國外較流行的一種頻率域和時(shí)間域多步波形反演方法(Cesca et al，2010)，考慮了不同的波形數(shù)據(jù)類型和速度模型對(duì)反演結(jié)果的影響，通過大量測(cè)試和結(jié)果分析，獲得盈江地震較穩(wěn)定的點(diǎn)源震源機(jī)制解和有限斷層模型。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文使用的數(shù)據(jù)主要是中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶地震儀記錄的三分向速度型波形資料(http：//data.earthquake.cn/data/)?？紤]不同類型波形資料和速度模型對(duì)反演結(jié)果的影響，將波形分為兩組：第1組只選取震中距50～560km區(qū)域臺(tái)站記錄的波形(簡稱近震波形)，剔除個(gè)別臺(tái)站分向限幅和信噪比低的記錄，同時(shí)還使用了中國地震局“境外地震臺(tái)網(wǎng)項(xiàng)目”在緬甸境內(nèi)安裝的密支那地震臺(tái)(臺(tái)站代碼MYI)的波形數(shù)據(jù)，此臺(tái)站的加入使得臺(tái)站分布更均勻，反演結(jié)果更可靠;第2組為震中距560～1000km遠(yuǎn)震波形記錄(簡稱遠(yuǎn)震波形)。考慮了臺(tái)站均勻覆蓋情況和波形記錄信噪比的大小，最終第1組挑選了14個(gè)臺(tái)站記錄的高質(zhì)量波形，第2組選取了21個(gè)信噪比高的臺(tái)站記錄。臺(tái)站分布見圖1(b)所示。波形數(shù)據(jù)預(yù)處理中地震基本參數(shù)采用楊婷等(2014)使用三維速度模型測(cè)定的結(jié)果，即發(fā)震時(shí)刻為北京時(shí)間2014年5月30日 9時(shí)20分13.1秒，震中位置為24.99°N，97.84°E。

圖1 余震和臺(tái)站分布

數(shù)據(jù)處理主要步驟：①舍去限幅、斷點(diǎn)等“壞”波形以控制波形質(zhì)量;②剔除平均值和線性傾斜值;③為扣除儀器響應(yīng)函數(shù)，使用SAC2000軟件中transfer命令將原始的速度地震圖轉(zhuǎn)化為位移記錄;④進(jìn)行帶通濾波;⑤選用窗口時(shí)選擇未旋轉(zhuǎn)的垂直向UD、南北向NS和東西向EW的位移記錄作為輸入，以便于靈活充分地使用已有臺(tái)站記錄的每道波形。

本文使用近年來國外較流行的一種頻率域和時(shí)間域多步波形反演方法(Cesca et al，2010)獲得盈江地震基于點(diǎn)源的震源機(jī)制解有限斷層模型。該方法已成功應(yīng)用于國內(nèi)外多個(gè)地區(qū)淺源中強(qiáng)地震震源運(yùn)動(dòng)學(xué)特征研究 (Vavrycˇuk et al，2012;Custódio et al，2012;Domingues et al，2013;趙旭等，2014)。本文采用的方法基于 Eikonal模型(Heimann，2011)，孕震點(diǎn)、破裂半徑等物理參數(shù)定義詳見文獻(xiàn)(趙旭等，2014)，主要計(jì)算步驟為(表2)：①對(duì)波形低頻濾波在振幅譜域中反演走向、傾角、滑動(dòng)角、標(biāo)量地震矩及深度;②利用體波中相位、震相到時(shí)等信息，結(jié)合互相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)波形自動(dòng)偏移，通過時(shí)間域波形擬合反演矩心位置、矩心時(shí)間及區(qū)分壓縮和膨脹象限;③采用高頻波形信號(hào)，通過振幅譜反演，甄別真實(shí)發(fā)震斷層面、計(jì)算最優(yōu)的破裂面半徑及確定孕震點(diǎn)的相對(duì)位置(用于判定破裂方向)。

表2 不同步驟反演方法和參數(shù)

考慮到研究區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)的不均勻性對(duì)反演結(jié)果的影響，作者查找到此區(qū)域較廣泛使用的3種不同一維速度模型(表3)，即參考胡鴻翔等(1986)和張中杰等(2005)的人工地震測(cè)深結(jié)果得到的速度模型，簡稱M1;用于云南地區(qū)地震震源機(jī)制解常規(guī)測(cè)定所采用的速度模型，簡稱M2;全球一維地殼速度Crust 2.0模型，簡稱M3。由于M1僅給出分層的P波速度，因此根據(jù)附近臺(tái)站的接收函數(shù)H-k掃描結(jié)果，S波速度通過vP/vS=1.76計(jì)算得到(房立華等，2011)。對(duì)上述區(qū)域速度模型，采用 QSEIS算法(Wang，1999)分別計(jì)算區(qū)域水平向600 km×深度向40 km的格林函數(shù)庫，其水平向和深度向網(wǎng)格點(diǎn)間隔都設(shè)為1 km。此外，采用全球一維速度模型PREM，使用國際上流行的 GEMINI軟件(Friederich et al，1995)，建立了遠(yuǎn)震水平向2200 km×深度向70 km的格林函數(shù)庫，其網(wǎng)格點(diǎn)間隔設(shè)置同上。

表3 研究區(qū)地殼一維速度模型

2 點(diǎn)源模型結(jié)果與可靠性分析

基于時(shí)間域或頻率域波形擬合方法，測(cè)定點(diǎn)源模型震源機(jī)制解，其結(jié)果的可靠性依賴于使用的波形類型、臺(tái)站分布、隨震級(jí)不同而采用的不同濾波頻段及初始速度模型等。本文重點(diǎn)關(guān)注不同類型波形資料和研究區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)的不均勻性對(duì)反演結(jié)果的影響，采用以下策略開展了6次測(cè)試(表4)：①使用全波形和體波分別測(cè)定震源機(jī)制;②利用不同的區(qū)域速度模型和全球PREM模型;③基于波形擬合誤差大小評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

表4 每步反演初始參數(shù)設(shè)置

表5為6次測(cè)試得到的點(diǎn)源模型結(jié)果。由表5可見，測(cè)試1使用區(qū)域波形和研究區(qū)域簡化一維模型M1，第1步在頻域計(jì)算斷層面解、深度和總標(biāo)量地震矩等參量，波形擬合誤差最小，可靠性更高(圖2、3);第2步在時(shí)域中使用P波數(shù)據(jù)，采用初至P波理論到時(shí)至后60s的時(shí)間窗，反演矩心位置、矩心時(shí)間及區(qū)分壓縮和膨脹象限。前兩步計(jì)算結(jié)果為：矩心時(shí)間相對(duì)于楊婷等(2014)的測(cè)定結(jié)果晚約6s;矩心經(jīng)度和緯度相對(duì)于初始震中位置(97.84°E，24.99°N)分別向東偏移6km和向北偏移4km。斷層節(jié)面Ⅰ走向176°/傾角84°/滑動(dòng)角 -173°，節(jié)面Ⅱ走向85°/傾角 83°/滑動(dòng)角 -6°。平均的總標(biāo)量地震矩M0=7.56 ×1017N·m，計(jì)算成矩震級(jí)為5.8，最佳波形擬合的矩心深度約7km。由圖2(b)可見，隨著矩心深度遠(yuǎn)離最佳解(7.3km)，誤差迅速增大，因此認(rèn)為矩心深度7km是可信的。另外，反演前通過采用初始深度4～14km(間隔1km)進(jìn)行一系列測(cè)試發(fā)現(xiàn)，不同的初始深度對(duì)反演矩心深度收斂至最佳解(7km)的影響都不大。

3 有限斷層模型結(jié)果

基于點(diǎn)源模型反演得到的震源機(jī)制解包含兩組斷層節(jié)面，而基于有限斷層模型反演(第3步)將能夠確定哪組斷層節(jié)面為真實(shí)的發(fā)震斷層面。采用測(cè)試1中12個(gè)臺(tái)站記錄的區(qū)域波形(濾波頻段0.01～0.50 Hz)，通過振幅譜反演計(jì)算最優(yōu)的破裂面半徑、孕震點(diǎn)相對(duì)矩心的位置(ns，nd)等參量，進(jìn)而判斷出真實(shí)的發(fā)震斷層面并計(jì)算破裂面半徑及確定孕震點(diǎn)相對(duì)矩心的位置(用于判定破裂方向)。圖4為基于Eikonal模型的有限斷層模型和振幅譜擬合情況。圖4(d)表示實(shí)際觀測(cè)(紅色陰影)和基于有限斷層模型得到的理論振幅譜(黑線)的擬合情況。由圖4(d)可見，多數(shù)臺(tái)站波形相關(guān)系數(shù)較高。觀測(cè)與理論振幅譜的總擬合誤差較小，約為0.58。有限斷層模型結(jié)果表明：真實(shí)發(fā)震斷層為一條近SN向的斷層(節(jié)面Ⅰ走向176°/傾角84°/滑動(dòng)角 -173°)，破裂半徑約 10km，破裂直徑 20km，整個(gè)破裂面平均滑動(dòng)量約0.05m。孕震點(diǎn)沿走向176°相對(duì)矩心距離ns=0km，孕震點(diǎn)沿傾向84°相對(duì)矩心距離nd=6.58km。

表5 點(diǎn)源模型反演結(jié)果

4 破裂持續(xù)時(shí)間

圖2 測(cè)試1(近震數(shù)據(jù)，M1模型)獲得的盈江地震點(diǎn)源模型結(jié)果和振幅譜擬合情況

本文采用Cesca等(2011)提出的一種獲取臺(tái)站視破裂持續(xù)時(shí)間的(apparent duration)方法。此方法主要思路是：基于本文第1步已獲得的雙力偶源，僅假定破裂持續(xù)時(shí)間為唯一未知參量，通過網(wǎng)格搜索技術(shù)，比較每臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)P波振幅譜和理論合成的擬合度，當(dāng)擬合度最高時(shí)則為最佳解，將其作為該臺(tái)站的視破裂持續(xù)時(shí)間值。本文基于測(cè)試1獲得的點(diǎn)源模型，利用同測(cè)試1相同的波形數(shù)據(jù)，選用初至P波理論到時(shí)前15～45 s的時(shí)間窗，濾波頻段為0.01～0.50 Hz，最后反演得到了14個(gè)位于不同方位的臺(tái)站的視破裂持續(xù)時(shí)間。圖5(a)、5(b)表示計(jì)算的不同臺(tái)站視破裂持續(xù)時(shí)間隨方位角的分布。由圖5(a)可以看出，大多數(shù)臺(tái)站視破裂持續(xù)時(shí)間值相對(duì)較大(除了兩臺(tái)站較小)。由于臺(tái)站主要位于震中以東，缺乏震中以西足夠多的臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，因而僅通過文中不同方位臺(tái)站觀測(cè)的視破裂持續(xù)時(shí)間不足以準(zhǔn)確推斷此地震破裂方向性。所有臺(tái)站觀測(cè)的視破裂持續(xù)時(shí)間平均值為5.25s，最小值為4.0s，最大值為6.0s，標(biāo)準(zhǔn)方差為0.62s。

另外，本文進(jìn)一步根據(jù)有限斷層模型反演結(jié)果，設(shè)定一個(gè)以矩心為中心，沿著走向176°的對(duì)稱雙側(cè)破裂模型(Cesca et al，2011)(圖5(b))。由圖5(b)可見，該對(duì)稱雙側(cè)模型能較好擬合大多數(shù)臺(tái)站的視破裂持續(xù)時(shí)間。

圖3 測(cè)試1(近震數(shù)據(jù)，M1模型)獲得的盈江地震點(diǎn)源模型結(jié)果和時(shí)域體波擬合情況

5 討論與結(jié)論

圖4 基于Eikonal模型的有限斷層模型和振幅譜擬合情況

考慮到使用不同類型波形資料和簡化的一維速度模型等因素對(duì)反演震源參數(shù)結(jié)果帶來的影響，經(jīng)過大量測(cè)試后，比較結(jié)果表明：使用區(qū)域波形和本區(qū)域簡化一維速度模型M1，第1步在頻域計(jì)算斷層面解、深度和總標(biāo)量地震矩等參量，波形擬合誤差最小，因此選用第1組測(cè)試獲得的斷層面參數(shù)(斷層節(jié)面Ⅰ走向176°/傾角84°/滑動(dòng)角-173°，節(jié)面Ⅱ走向85°/傾角83°/滑動(dòng)角 -6°)為最優(yōu)解。同其它5組測(cè)試結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn)，對(duì)文中使用近震或遠(yuǎn)場(chǎng)全波形數(shù)據(jù)(10～50 s)進(jìn)行振幅譜擬合時(shí)，無論采用區(qū)域速度模型還是全球一維參考速度模型都對(duì)斷層面參數(shù)結(jié)果影響并不大，這說明斷層面參數(shù)是穩(wěn)定的。該結(jié)果同中國地震局地球物理研究所韓立波等基于時(shí)間域波形采用“剪切-粘貼”法(CAP)反演獲得的發(fā)震斷層面參數(shù)吻合較好，也同其它研究機(jī)構(gòu)測(cè)定的結(jié)果基本一致(表1)。節(jié)面I的走向沿SN向(圖1)。此外，云南省地震局正式報(bào)告給出的盈江地震震后3天ML3.0以上余震也主要沿SN向展布。因此，本文認(rèn)為節(jié)面I為發(fā)震斷層面，判定盈江地震為一次右旋走滑錯(cuò)動(dòng)為主的事件。

圖5 視破裂持續(xù)時(shí)間反演結(jié)果

矩心經(jīng)度和緯度相對(duì)于初始震中位置(24.99°N，97.84°E)分別向東偏移6km、向北偏移4 km，說明能量釋放集中區(qū)中心位于破裂起始點(diǎn)北東約7km處。平均的總標(biāo)量地震矩M0=7.56×1017N·m，計(jì)算成矩震級(jí)為MW5.8，與中國地震局地球物理研究所韓立波等和美國地質(zhì)調(diào)查局使用體波方法測(cè)定的矩震級(jí)相同(表1)，但稍小于美國哥倫比亞大學(xué)Global CMT工作組給出的MW5.9的矩震級(jí)，造成上述差異的原因可能是兩種反演方法計(jì)算過程中采用的數(shù)據(jù)類型和濾波頻段不同，Global CMT工作組(Ekstr?m et al，2012)對(duì)于反演此類地震(MW5.5～6.5)的矩心矩張量一般采用遠(yuǎn)場(chǎng)體波(40～150 s)和中長周期面波(50～150s)。矩心時(shí)間相對(duì)于初始破裂點(diǎn)的發(fā)震時(shí)刻(2014-05-3009：20：13.1)約晚6 s，另外不同方位臺(tái)站觀測(cè)的視破裂持續(xù)時(shí)間平均值為5.25s，因此推斷盈江地震破裂大多數(shù)能量在5 s內(nèi)釋放完成。

有限斷層模型表明，盈江地震實(shí)際發(fā)生在一條走向?yàn)榻黃N向的斷層上。破裂半徑約10 km，破裂直徑20km，整個(gè)破裂面積為267.2 km2，平均滑動(dòng)量約0.05m。孕震點(diǎn)沿傾向方向相對(duì)矩心的距離約6.58km，而沿走向方向相對(duì)矩心的距離并未有較大偏移。該地震破裂過程相對(duì)簡單，并未表現(xiàn)出明顯的破裂方向性。大多數(shù)能量在震后5s內(nèi)釋放。震后0～2 s內(nèi)，破裂以孕震點(diǎn)為中心向四周同時(shí)擴(kuò)展，在深度7～17 km內(nèi)釋放了部分能量。2s后，破裂向斷層面頂部和沿走向兩側(cè)進(jìn)一步延伸。破裂約5 s后基本停止。

中強(qiáng)地震(MW5～7)地震發(fā)生后，如何在更短的時(shí)間內(nèi)獲知其更豐富的震源參數(shù)已成為國內(nèi)地震學(xué)家普遍關(guān)注的問題。相對(duì)于使用近場(chǎng)強(qiáng)震數(shù)據(jù)，GPS觀測(cè)和遠(yuǎn)場(chǎng)寬頻帶波形等資料，使用了目前中國地震數(shù)字臺(tái)網(wǎng)近實(shí)時(shí)記錄的較豐富的區(qū)域?qū)掝l帶波形，具有時(shí)效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理方法相對(duì)成熟等優(yōu)點(diǎn)。本文研究表明，如預(yù)先建立了研究地區(qū)的格林函數(shù)庫(用于理論波形計(jì)算)，使用區(qū)域?qū)掝l帶波形，采用本文所述波形反演方法，能夠快速測(cè)定矩心矩張量，甄別真實(shí)的發(fā)震斷層面，判定破裂方向及獲取穩(wěn)定的破裂過程圖像。本文所做的工作，為使用區(qū)域?qū)掝l帶波形快速反演中強(qiáng)地震更豐富的震源參量用于科學(xué)指導(dǎo)抗震救災(zāi)提供了一種新思路。

致謝：衷心感謝評(píng)審人提出的寶貴意見。本文使用Heimann等提供的KIWI計(jì)算程序。中國地震臺(tái)網(wǎng)中心地震臺(tái)網(wǎng)部數(shù)據(jù)管理組提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)波形。數(shù)據(jù)處理主要使用地震信號(hào)處理通用軟件SAC2000，圖件制作采用GMT軟件包，在此一并致謝。