小江断裂带作为一条大型活动断裂和强震发生带,是我国南北地震带的一个重要组成部分。小江断裂带呈近南北走向,全长约400 km,北起巧家,在会泽蒙姑以南分为东、西两支,东支在建水西南交于红河断裂,西支达通海盆地。该断裂带经历了多期构造运动,新构造运动以来断裂表现为强烈的左旋走滑运动以及两侧地块垂直差异运动(毛玉平,韩新民,2003)。断裂带由多条次级剪切断层和张剪切断层组成,内部结构十分复杂,地震活动强烈(毛玉平,韩新民,2003)。小江断裂带以地震频度低、强度大著称。1500年至今,小江断裂带曾发生过11次6.0～6.9级地震,3次7.0～7.9级地震,1次8.0级地震(1833年嵩明8.0级地震)。2005年小江断裂带及其邻近地区中小地震活动明显增强,2005年1月至2010年12月发生4级以上地震18次,仅2010年8～12月巧家就连续发生了3次4级地震。

钱晓东和秦嘉政(2008)、易桂喜等(2008)根据地震b值分析了小江断裂带及周边地区未来强震的潜在危险性; 闻学泽(1993)进行了小江断裂带的破裂分段与地震潜势概率估计; 钱晓东(2010)采用破裂时间法模拟了发生在小江断裂带上的19次主震事件的前兆地震序列能量加速释放过程,并对小江断裂带未来中期6～7级强震的可能危险区进行了预测。

本文利用1999～2010年云南数字地震台网记录的小江断裂带及其邻区(23.5～28.5°N,102～104°E)M_L≥2.0地震的数字波形记录,估算了该地区335次M_L2.0～5.3地震的应力降,分析探讨了应力降的时空分布特征及其对强震危险性的指示意义。

要想得到震源参数,必须设法区分地震记录中的震源效应、传播路径、场地响应和仪器响应。目前一般采用Atkinson和Mereu(1992)提出的三段几何衰减模型来计算传播路径的影响(黄玉龙等,2003; 刘杰等,2003),采用多台、多地震联合反演的Moya方法(Moya et al,2000)计算台站场地响应。本文使用苏有锦等(2006)研究得到的云南地区非弹性衰减Q值关系Q(f)=238.0f ^0.388和刘丽芳等(2007)反演的云南区域数字台站场地响应结果。

先在观测谱中扣除传播路径效应、场地响应和仪器响应等因素的影响,得到震源位移谱,然后,利用遗传算法对震源位移谱进行拟合,得到震源谱参数零频振幅Ω₀和拐角频率f_c,再根据Brune模型(Brune,1970,1971),利用下列表达式计算地震矩M₀、震源半径r和应力降Δσ(Keileis-Borok,1959; Brune,1970)

M₀=(4πρv³_sΩ₀)/(R_θφ),(1)

r=(2.34v_s)/(2πf_c),(2)

Δσ=(7M₀)/(16r³).(3)

式中,ρ为密度,取2.9 g/cm³; v_S是S波速度,取3.5 km/s; R_θφ是辐射花样系数,由于没有每次地震的断层面解,所以对水平向的S波取震源球上的平均值为(2/5)^1/2。

笔者利用S波数据进行分析,对每个记录进行波谱资料处理(刘杰等,2003; 苏有锦等,2006)。按照每个地震至少被3个以上台站记录到、每个台至少有3条记录和2倍信噪比的原则,最终挑选并计算得到了335次M_L≥2.0地震的应力降,其中2.0～2.9级地震171次,3.0～3.9级地震136次,4.0～4.9级地震23次,5.0～5.3级地震5次,用于小江断裂带及邻区应力降时空分布特征研究。

应力降是地震瞬间错动时位错面上的应力随变形增长而下降的现象,通过分析研究地震的应力降可以了解地震过程中的构造应力释放水平,从而间接地认识地震发生地区构造背景应力和构造破裂过程。因此,笔者重点分析应力降的时空分布特征。

小江断裂带及其邻区335次M_L2.0～5.3地震的应力降Δσ计算结果介于0.03～18.25 MPa,应力降平均值为3.69 MPa。其中,应力降Δσ<1.0 MPa的地震60个,占总数的17.9%; 1.0 MPa≤Δσ<5.0 MPa的地震191个,占总数的57.0%; 5.0 MPa≤Δσ<10.0 MPa的地震60个,占总数的17.9%; Δσ≥10.0 MPa的地震24个,占总数的7.2%(图1)。

图1 小江断裂带及邻区应力降Δσ分布比例
Fig.1 Proportion of stress drop Δσ in Xiaojiang Fault Zone and its adjacent area

小江断裂带沿南北走向分为北、中、南三段:北段自巧家经蒙姑到东川小江村,呈单一结构; 中段自东川小江村分成东、西两支,往南分别经寻甸到宜良、嵩明到阳宗海,两支相距12～16 km; 南段自宜良、阳宗海往南,东、西两支断裂各分成2～4条分支平行发育或斜裂交叉,宏观上呈辫状(皇甫岗等,2010)。

进一步对小江断裂带及邻区北、中、南三段的应力降分布情况进行统计分析得出:北段(东川以北区域)98次M_L2.0～5.3地震中,应力降Δσ<1.0 MPa的地震8次,占总数的8.2%; 1.0 MPa≤Δσ<5.0 MPa的地震58次,占总数的59.2%; 5.0 MP≤Δσ<10.0 MPa的地震22次,占总数的22.4%; Δσ≥10.0 MPa的地震10次,占总数的10.2%。中段(东川—宜良区域)110次M_L2.0～4.6地震中,应力降Δσ<1.0 MPa的地震19次,占总数的17.3%; 1.0 MPa≤Δσ<5.0 MPa的地震53次,占总数的48.2%; 5.0 MPa≤Δσ<10.0 MPa的地震26次,占总数的23.6%; Δσ≥10.0 MPa的地震12次,占总数的10.9%。南段(宜良—建水区域)127次M_L2.0～5.2地震中,应力降Δσ<1.0 MPa的地震33次,占总数的26.0%; 1.0 MPa≤Δσ<5.0 MPa的地震80次,占总数的63.0%; 5.0 MPa≤Δσ<10.0 MPa的地

图2 小江断裂带及邻区中小地震应力降Δσ空间分布
Fig.2 Distribution of stress drop Δσ of moderate-and small-earthquakes in Xiaojiang Fault Zone and its adjacent area

中段Δσ≥10.0 MPa的地震主要分布在武定至元谋一带,构造上与汤郎—易门断裂和元谋—绿汁江断裂相关,该区及附近地区自1999年以来中强地震频发,6级地震多达5次。而且Δσ≥10.0 MPa的地震与该区及附近地区的中强地震活动密切相关。如2000年8月21日武定5.1级地震的3次3级余震的应力降值分别达16.45、15.78和14.52 MPa; 2008年8月30日攀枝花6.1级地震前,3级地震的应力降值最高达12.69 MPa。

北段Δσ≥10.0 MPa的地震有两个方面特点:一是5级地震的应力降偏高。1999年以来小江断裂带北段共发生4组6次5级地震,最大震级为5.3级,2003年11月15日鲁甸5.0级地震和2005年8月5日会泽5.3级地震,应力降分别为18.25 MPa和15.35 MPa; 二是高应力降的中小地震对5级地震的指示意义不明显,6次5级地震发生前的3个月,出现明显的高应力降的震例仅占1组2次。图4给出了小江断裂带北段的应力降时间进程曲线。由图4可见,Δσ≥10.0 MPa的地震共9次(含2次5级高应力降地震),其中仅有1次高应力降的3级地震后3个月内对应发生了5级地震,即2006年7月17日大关3.6级地震应力降达10.65 MPa,随后的4天和1.2个月对应发生了7月22日盐津5.1级地震和8月25日盐津5.1级地震。据此笔者认为,小江断裂带北段高应力降地震比例偏高,可能反映了该区的高应力背景。张天中等(2000)和秦嘉政等(2005)认为,地震前的震源应力背景越高,地震的应力降越大。从目前的地震活动背景来看,小江断裂带自1966年东川6.5、6.2级地震至今已有44年未发生6级以上强震。笔者计算所得的高应力降地区与张世民和谢富仁(2001)根据鲜水河—小江断裂强震区的地质构造和构造地貌特征和闻学泽等利用历史地震破裂空

图3 小江断裂带及邻区不同分段应力降Δσ分布比例(a)北段;(b)中段;(c)南段
Fig.3 Proportion of stress dropn Δσ in diffetent section of Xiaojiang Fault Zone and its adjacent(a)northern section;(b)middle section;(c)southern section

段对小江断裂带强震危险性所作的分析 闻学泽,杜方,易桂喜,等.2010.红河断裂带以北的云南地区大地震危险背景的讨论[R]//云南新一轮强震活跃期强震危险性研讨会报告.具有一致性。

图4 小江断裂带北段应力降时间进程曲线
Fig.4 Temporal curve of stress drop in the northern section of Xiaojiang Fault Zone

震源位置的精度主要受台网布局、震相判定、地震波到时读数精度和地壳速度结构模型的影响(Pavlis,1986; Gomberg et al,1990)。在地震层析成像过程中加入震源项,同时确定三维速度结构和地震震源参数,即震源和速度结构的联合反演方法(Crosson,1976; Pavlis,Booker,1980; Spencer,Gubbins,1980; Thurber,1983; 刘福田,1984; Michael,1988; Kissling et al,1994),在提高定位精度的同时得到速度结构,这有助于对地震的孕震环境提供物理解释。笔者利用震源位置和速度结构的联合反演方法(周龙泉等,2009; 马宏生,2007),结合马宏生(2007)反演的川滇地区三维速度结构模型,利用云南和四川区域地震台网3个及以上台站记录的地震观测报告, 计算得到了小江断裂带及邻区M_L≥2.0地震震源位置精确定位结果 刘丽芳,周龙泉.2010.西南地区震源位置及区域速度结构的联合反演[R]//地震行业科研专项“全国地震活动状态动态评价系统的研制”(200708020)分项研究报告.,分析了小江断裂带沿纬度方向应力降随深度的变化情况。结果表明:重新定位前,35.8%的地震没有给出深度,震源深度主要分布在0～23 km; 重新定位后,仅有5%的地震不能给出深度,震源深度主要分布在0～47 km范围内,平均值为7.53 km,震源深度下界(95%以上地震数)17.7 km,0～15 km深度范围内的地震占总数的92.0%。震源深度剖面与应力降之间的关系表明,大多数地震发生在0～15 km的上地壳内(图5)。

图5 小江断裂带及邻区沿纬度方向震源深度剖面及应力降之间的变化
Fig.5 Changes of depth section along latitudinal direction and stress drop in Xiaojiang Fault Zone and its adjacent area

高应力状态下发生的一些中小地震,可能反映了中强地震前后的应力状态和介质性质。局部非均匀性和交汇构造能产生应力集中(Andrews,1989)。Jones和Helmberger(1998)研究认为,高应力降地震可能与断层存在剪应力背景有关。因此,笔者分析了小江断裂带及邻区335次M_L2.0～5.3地震的应力降时空特征,得到以下结论:

(1)小江断裂带及邻区地震的应力降Δσ范围为0.03～18.25 MPa,其中Δσ≥10.0 MPa的地震占总数的7.2%,这些高应力降地震主要分布在小江断裂带东川、巧家及其以北地区及元谋、武定一带。小江断裂带北段、中段、南段Δσ≥10.0 MPa的地震所占比例分别为10.2%,10.9%和1.6%,结合小江断裂带不同段地震活动特征,认为小江断裂带北段高应力降地震比例偏高,可能反映了该区的高应力背景。

(2)小江断裂带及邻区大多数地震发生在0～15 km的上地壳。小震活动和应力降变化具有分段活动性,断裂带南段及昭通以北地区地震分布较分散、高应力值地震震源深度较浅,断裂带上的寻甸—东川和会泽—巧家地区,地震活动相对集中,震源沿深度剖面呈高倾角陡立状,高应力值地震密集并随深度增加,这在一定程度上反映了断层深部延伸和分布情况,也有助于对孕震环境提供物理解释。