云南地区6级以上强震常常密集发生在活动断裂附近,地震与活动断裂带有密切的成因关系(秦嘉政等,2005)。小江断裂带是云南地区较为重要的活动断裂带,位于康滇菱形地块南半部的东边界,呈SN走向,现代活动方式主要以左旋走滑为主。断裂带全长约450 km,在东川以南分成东、西两支,相距约20 km,东支和西支左旋平均位移速率为6 mm/a。断裂带北部与四川则木河断裂相连,南部被红河断裂所截,同时在距离红河断裂约50 km的区域,与近NW向的石屏—建水断裂和通海—峨山断裂相交,使得小江断裂带成为一个地震构造较为复杂的区域。小江断裂带上的地震以频度低、强度高著称,如云南省最强烈的地震——1833年嵩明8.0级大地震就发生在其上; 但发生在与其相交的断裂带上的地震有些却表现出频度高、强度也高的特点,如石屏—建水断裂和通海—峨山断裂上的地震。小江断裂带属现今仍在活动的断裂,是一条强烈破坏性地震频发的地震带,因此,研究该地震带及其邻近地震带潜在强震发生的危险性,就成为一个十分重要的课题。

本文中,笔者分析了小江断裂带及周边地区的历史强震活动,并利用云南省有地震监测台网以来(1965～2007年)的地震观测资料,详细讨论了该区不同部位的断层习性,依据地震活动性参数,判定了该区的强震潜在危险地点。此外,笔者还利用2000～2007年沿小江断裂带30 km范围内的所有2级以上地震,讨论了其震源深度的分布情况。

本文中的研究区——小江断裂带及周边地区(23.6°～27.5°N,102.3°～103.7°E)是一块长约450 km、宽约150 km的矩形区域,如前文所述,该区域历史强震频繁,曾发生过1833年嵩明8.0级大地震,地震断裂长约80 km,最大水平左旋错距达5.8 m(张四昌,1978)。

图1给出了研究区1500～2007年M≥6.5强震的空间分布。可以看到,该区500年来共发生M≥6.5强震15次,其中大部分强震发生在25.2°N

F₁:小江断裂; F₂:则木河断裂; F₃:会宁断裂;

F₄:峰莲断裂; F₅:西渔河—昭通断裂; F₆:寻甸断裂;

F₇:安宁河断裂; F₈:普渡河断裂; F₉:弥勒断裂;

F₁₀:石屏—建水断裂; F₁₁:通海—峨山断裂

图1 1500～2007年小江断裂带及周边地区M≥6.5强震的空间分布

表1给出了研究区强震活动的主要地段,除了寻甸附近为单一强震发生地段外,其余地段均有强震重复发生现象。其中值得注意的是石屏—建水断裂段和宜良—嵩明段,前者的6.8级强震重现期为88～193年,目前已平静了121年,平静时间较长,并且1887年石屏7.0级地震后未发生过6.5级以上地震; 后者的6.8级地震重现期是108～225年,目前已平静175年,自从1833年嵩明8.0级地震后也未发生过6.5级以上地震。其它地段如通海—峨山段,7级地震重现期为56年,目前才平静了38年; 华宁—建水段虽然7级地震已平静219年,但该区在1909年发生过6.5级地震,能量已得到释放。

图2给出了小江断裂带及周边地区6.8级以上强震的时间分布。可以看到,该区从1500年宜良7.0级地震至今共出现了6个地震活跃期,1713～1733年地震活动期之前,各个平静期的持续时间较长,为88～106年; 1733年以后,各平静期持续时间相对缩短,在34～56年之间。目前该区已平静38年,具备发生6.8级以上强震的条件。

表1 小江断裂带及附近各地段强震活动情况

图2 1500～2007年小江断裂带及周边地区M≥6.8强震的时间分布

Mogi(1962)认为,b值主要决定于材料的不均匀性; Scholz(1968)认为,b值与岩石所处的应力水平有关; 许昭永(1990)在材料压缩机上进行实验,在不同压力及加压方式下,对许多岩石破裂过程的声发射值m(相当于b值)作了观察分析,发现m值在加载初期较低,在破裂应力为35%～75%时较平稳,在岩石破裂前,m值明显下降; 耿乃光(1986)认为,b值既取决于材料的性质又与介质所处的应力状态有关,它是岩石破裂过程在多项因素作用下的一种反映。因此,无论理论、模拟实验和实际观测资料都没能论证b值取决于单一因素。Gutenberg等(1942,1954)在研究世界地震活动时,对全球各大地震区6级以上地震的数目进行了统计,发现地震的震级与频度有以下关系:

lgN=a-bM.(1)

该式亦称G-R关系式,式中a和b两个参数可根据一定地区、一定时间的地震目录统计估算得到。参数a与一定区域的地震频度有关,而参数b则不但反映了大、小地震的比例,而且与介质的力学不均匀性、裂纹密度以及应力状态有关,某地区的应力高低与b值成反比(Scholz,1968),较低的b值对应较高的应力积累。目前,对b值已有较广泛和深入的研究,如李全林等(1979)讨论了唐山地震前震中附近b值的变化,指出震前b值时、空变化均出现显著低值异常; 黄德瑜等(1981)则采用b值空间扫描方法在大范围内搜索、识别孕育强震的危险区,认为b值空间扫描应用于强震的中期预报是有意义的。

笔者使用1965～2007年云南省正式地震目录作为分析资料,对小江断裂带及周边地区进行了b值空间扫描计算,并将低b值作为判定为未来强震潜在危险区的主要依据。

有研究(刘祖荫等,2002)表明,有近50%的地震都是余震,而主事件的b值比地震序列的平均b值要高,所以如果不对余震进行删除,则估算的b值结果就会参有中强地震后震源区应力调整的较高应力状态的信息。因此,我们首先采用常规的主震震级法对4级以上地震的余震都进行删除。如果2次主要地震的震级差小于0.5,则认为是双震型; 如果最大地震与其它地震的震级差小于0.5、地震次数在3次以上,则认为是震群(中国地震局,1998)。根据不同主震震级对应的不同余震持续时间和余震分布范围,即可对余震进行删除。图3给出了1965～2007年本文使用的主震事件。

F₁:小江断裂; F₂:则木河断裂; F₃:会宁断裂; F₄:峰莲

断裂; F₅:西渔河—昭通断裂; F₆:寻甸断裂; F₇:安宁

河断裂; F₈:普渡河断裂; F₉:弥勒断裂; F₁₀:石屏—

建水断裂; F₁₁:通海—峨山断裂

图3 1965～2007年研究区M≥2.5地震的空间分布

根据上述限制条件,再考虑到震级控制下限,我们取震级2.5～5.0、窗长0.5、步长0.2进行区域滑动扫描,对每一个窗长方框内的地震作lgN-M图,取线性较好的震级段来确定控制震级的上、下限。图4给出了1965～2007年每个小网格的地震频度和a值的等值线分布。可以看到,小江断裂带及周边地区的中小地震活动是极不均匀的,大致以小江断裂为界,表现出东部频度低、西部频度高的现象,中小地震活动主要集中在断裂带的两端; 另外,a值与地震频度具有较好的一致性,频度较高的区域a值也高,在宜良—昆明—禄劝一带a值较低,反映出这一区域小震不活跃。

图4 每个小网格的地震频度等值线(a)和a值等值线(b)的空间分布

图5a给出了研究区b值的空间分布。可以看到,低b值主要分布在2块区域,一是建水西北部一带,二是宜良—禄劝一带。在普渡河断裂昆明以南出现一小片低b值区域,考虑到普渡河断裂500年来未发生过一次7级以上地震,我们认为宜良以北至禄劝以南一带可能有发生7级地震的危险; 禄劝一带1982年发生过一次6.2级地震,距今已26年,据此考虑,该区可能存在发生6.0～6.5级左右地震的危险。

研究震源深度的分布特征,有助于了解断裂的运动机制。自1999年云南建立数字化观测台网以来,地震定位精度有了大幅提高,特别是深度

F₁:小江断裂; F₂:则木河断裂; F₃:会宁断裂; F₄:峰莲断裂; F₅:西渔河—昭通断裂; F₆:寻甸断裂; F₇:安宁河断裂;

F₈:普渡河断裂; F₉:弥勒断裂; F₁₀:石屏—建水断裂; F₁₁:通海—峨山断裂

图5 研究区b值(a)和7级地震复发周期TM(b)的空间分布

误差大大减小。在此之前,震源深度大部分是5的倍数,误差达5 km以上; 2000年以后,小江断裂带上的控制震级有了较大下降,甚至对一些较小地震(小于2.0级)都能测定出深度。因此,我们收集了2000～2007年沿小江断裂带30 km范围内的所有2级以上地震的震源深度(图6)。从震源深度沿纬度分布的情况(图6a)来看,这一时期小江断裂带的地震在26.5°N以下(会泽以南)没有较深的地震,震源深度均在25 km以内,大部分地震小于20 km,约占总数的85%; 有73%的地震震源深度在15 km以下。在24.5°N和25.6°N一带存在有2个震源深度在15～25 km的空段。在26.5°N(会泽一带)以北,震源深度陡然增大,最深达35 km。从震源深度沿经度的分布情况(图6b)来看,图中显示存在一个向东倾、倾角约45°的分界面,小江断裂带的所有地震均发生在这一分界面的东侧,其机理还有待进一步研究。

图6 小江断裂带周边30 km范围内震源深度分布(M≥2.0,2000～2007)(a)沿纬度投影;(b)沿经度投影

利用地震活动性参数可以对一定区域断层活动的习性进行研究,如易桂喜等(2004a,2004b,2006)就曾利用地震活动性参数(b值、能量、复发周期等)对四川安宁河—则木河断裂带、鲜水河断裂带、龙门山—岷山断裂带和山西断陷太原—临汾部分进行了深入研究,从而为区域地震危险性判定提供了依据。笔者以相同的思路,对云南地区小江断裂带的断层习性进行了分析。

为了能更精细地描述小江断裂带及周边地区断层的活动特征,我们根据该区中小地震活动性将这些区域划分为东川段、嵩明—宜良段、华宁段、石屏—建水段和通海—峨山段5个区段(图7),并利用地震活动性参数b值、a值、频度N和应变E^1/2来描述各区段的地震活动性特征。图7a～e给出了1965～2007年不同区段M≥2.5地震(去除余震)的震级—频度关系拟合图; 表2给出了各区段地震活动性参数的计算结果和断裂活动的特征。

图7 各区段震级—频度关系(a)东川段;(b)嵩明—宜良段;(c)华宁段;(d)石屏—建水段;(e)通海—峨山段;(f)断裂分区

表2 1965～2007年小江断裂带及附近各区段地震活动性参数及断裂活动特征

东川段:地震总数为381次,a值为4.5,表现为中小地震数量多。在b值计算中,从图7a可以明显看到,在震级小于5时,拟合直线的线性关系较好,有4次大于5级的地震偏离线性关系较远(即野值),因此用最小二乘法拟合时未考虑这4个点,得到b值为0.79。b值中等偏小,表明该区段应力水平中等偏大。参与拟合的地震应变E^1/2为2.28×10⁷ J^1/2,表明该区段应变释放水平中等偏上。综合来看,该区属于中小地震活动频繁的区域。

嵩明—宜良段:地震频度(112次)和a值(3.72)均中等偏小,但b值为0.72,且全部地震都参与了直线拟合,说明发生于该段的地震能较好地符合G-R关系。b值偏小,表明发生的地震震级偏大,说明该区应力水平较高,今后存在发生较大地震的危险。

华宁段:地震频度(76次)较低,a值(4.14)较高,应变释放(4.61×10⁶ J^1/2)偏低,b值(0.9)较高,说明该区应力水平较低,主要以小震活动为主。

石屏—建水段:地震总数为148,a值为3.64。该段的区域较小,区段长度仅为78 km,所以尽管a值偏小,但地震频度还是相对较高的。同时,由于全部地震都参加了拟合,甚至大于5级的地震也没有偏离直线,说明该区的地震以较大地震为主。较高的应变释放(1.46×10⁷ J^1/2)和较低的b值(0.66)说明该区处于较高的应力状态,未来发生强震的危险性较大。

通海—峨山段:地震总数为147,与石屏—建水段相当; a值较大,为4.18,且区域较小,说明较小地震发生的次数较多。尽管总应变释放较大(受1970年通海7.8级地震的影响),但参加拟合的应变释放(8.35×10⁶ J^1/2)较小,同时考虑到中等偏大的b值(0.81),说明该区应力水平中等,属于中小地震活动频繁的区域。

通过对小江断裂带及周边地区未来强震潜在危险区的分析,我们得到以下初步结果:

(1)石屏—建水断裂段6.8级强震的重现期为88～193年,该段在1887年石屏7.0级地震后未发生过6.5级以上地震,目前已平静了121年; 宜良—嵩明段6.8级地震的重现期是108～225年,该段自1833年嵩明8.0级地震后也未发生过6.5级以上地震,目前已平静175年。因此,这两个地段已具备发生6.8级以上强震的条件。

(2)小江断裂东川段具有中等偏大应力水平,属于中小地震活动频繁地段; 小江断裂华宁段具有较低应力水平,属于以小震活动为主的地段; 通海—峨山断裂具有中等应力水平,属于中小地震活动频繁的地段。小江断裂带震源深度沿经度方向的分布显示,震源深度存在一个向东倾、倾角约45°的分界面。

(3)石屏—建水断裂和小江断裂宜良—嵩明段存在较低的b值和较短的强震复发周期,应力水平较高,属于潜在地震震级偏大的区域,是未来发生7级以上大震的潜在危险区。

虽然b值的机理仍然是有待进一步探讨的问题,但b值的下降意味着地震活动从无序向有序发展的现象却是明显的,所以,用b值来监测断层带的应力状态是一种有效的手段。但是,在b值的使用中应该注意以下几点:对b值的估计应选取更加重视较大地震信息的最小二乘法; 为避免地震个数对b值的影响,应限定取样个数; 为保证拟合点有足够多的数据点,应限定震级差; 为减少高震级的敏感,应限定震级上限; 为能客观反映研究区地震活动的特点,应去除余震; 应确定控制震级。另外,在b值的估算中还有其它需要进一步考虑的问题,如区域窗口范围如何选择,是选择时间长些、区域小些还是相反,这些问题只有通过大量实验才能找到适合于研究区域的方案。