2011年1月以来,云南德宏自治州盈江县共发生10次M_S4.0以上地震。其中2011年3月10日发生的M_S5.8地震附近地造成了重大的经济损失和人员伤亡,共造成25人死亡,314 人受伤,极震区烈度达VIII度(房立华等,2011)。M_S5.8地震所处的盈江地区地质构造复杂,地处喜马拉雅山南延横断山脉的西南端,为高黎贡山支系西南余脉构成的山地,地势东北高、西南低,起伏较大,境内中、低山与宽谷盆地交错相间,地貌组合复杂多样(罗艳等,2010)。区内大震密集,近代火山、高温温泉或沸泉与活动断裂共生,为剧烈新活动区。房立华等(2011)用双差定位法对盈江地震序列进行精定位发现余震分布呈现两个优势方向,一支沿大盈江断裂呈北东向分布,另一支沿大盈江断裂中段和北东段的错断分布。因此,研究该地震序列震源性质,分析其与发震构造的关系,对理解地震的孕震机理、分析未来可能的发震趋势及危险性均有极其重要的现实意义。

震源机制解和震源深度直观地反映了地震破裂几何特征和运动学特征,不仅是研究区域构造应力和地震灾害的基础,对认识地震活动与地质构造之间的关系,勾画活动断层形态等也起着非常重要的作用,因此成为地震学家研究的重点之一。地震震源机制的求解中,P波初动法是最常用的方法。但P波初动法存在的3个缺点可能影响到震源机制解的可靠性:(1)要大量在球面投影离散、均匀的台站;(2)对于节面方位角附近的地震记录,很难判断P波初动的极性;(3)离源角的计算受地下速度结构影响较大,需要相对精确的速度模型。盈江地震发生在云南西部,西邻缅甸,云南现有数字台网都位于震中东侧,对该次地震包围效果较差,且台站间距较大。因此,P波初动法在盈江地区震源机制的求解上有一定的限制,难以取得较为精确的震源机制和震源深度结果。相比P波初动方法,全波形的矩张量反演方法可靠性、准确性较高,需要的数据资料也相对较少,但对地下速度结构的依赖性高。地壳介质模型的选取会影响合成地震图的计算,决定格林函数能否代表地震波传播介质的效应(Yao,Harkrider,1983; Chen et al,1991; 陈培善,陈海通,1992)。由于全波形反演中,实际地震记录面波振幅比体波振幅大很多,在反演过程中不可避免地使面波权重过大,掩盖了体波的部分优势。因为相比面波,体波受介质局部非均匀性影响小,且更稳定(Zhu,Helmberger,1996)。

笔者利用云南数字台网及腾冲火山台网的宽频带波形资料,采用CAP方法(Zhao,Helmerger,1994)反演计算了2011年以来盈江地区M_S≥4.0地震的震源机制解,并结合烈度与地震精定位震中分布,确定该序列的发震断层。在此基础上,通过对比分析研究区已有的震源机制解,讨论了盈江地震成因与区域构造的关系。

图2和图3分别是2011年3月10日盈江M_S5.8地震的震源机制解反演中拟合误差随深度变化以及波形拟合结果。图2表明,震源深度9 km时具有最小的反演误差,说明9 km左右应是盈江5.8级地震的最佳矩深度,与该事件的速报定位结果(10 km)相差不大。此震深度对应的双力偶解即为最佳震源机制解。其中,5.8级主震最佳双力偶解节面Ⅰ的解为:走向248°,倾角77°,滑动角19°; 节面Ⅱ的解为:走向154°,倾角72°,滑动角166°,矩震级M_W=5.28。从图2还可以看出,震源机制解在不同震源深度变化不大,表明使用CAP方法得到的震源机制解对震源深度的依赖不大,同时也证明了所得到震源机制解的可靠性。

在震源深度为9 km时,8个台站记录的40个震相中,理论地震图与观测地震图的相关系数大于0.8的台站有31个,占78%; 相关系数大于0.9的有21个,占53%,反演方差为0.62,理论地震图与观测地震图拟合较好,表明模型选择及理论地震图的合理性,反演结果是可信的。从图3可以看到,大多数Pnl 波形的相关性较好,其中有一些台站的相关系数在90%以上; 但QKT、RHT这2个火山台站面波部分理论地震图与实际地震图拟合不好。在计算过程中,我们对面波部分滤波器的频率不断进行调整,但拟合效果仍然较差。其原因可能是盈江地区区域地壳速度结构复杂等,笔者在文中所给的这些台站的简单一维速度结构模型不能很好的近似于真实地壳速度结构。为避免此类数据参与计算影响结果的可靠性,反演中未采用这三个分量。

我们将本文得到的2011年3月10日盈江M_S5.8地震震源机制解与哈佛大学及中国地震局地球物理研究所利用P波初动得到的结果进行对比,可以看出,

图2 盈江MS5.8震源机制解反演中的误差—深度分布图
Fig.2 Misfit error-focal depth distribution in inversion of the focal mechanism solution of the Yingjiang MS5.8 earthquake

本文的震源机制求解过程确实体现了Zhu和Helmberger(1996),Zhao和Helmerger(1994),郑勇等(2009),韦生吉等(2009),龙锋等(2010)研究提到的CAP方法在反演震源机制解和

确定震源深度上的3个优点:

(1)CAP方法将Pnl和面波分开进行拟合,综合利用了近震波形中的体波和面波信息,并在反演的过程中允许它们在适当的时间变化范围内相对移动,一定程度上消除了地下速度结构不准

图3 盈江MS5.8部分台站的波形拟合图
(红线是理论地震图,黑线是观测地震图; 波形下面第一行数字为理论地震图相对观测地震图的
移动时间(s),第二行数字为二者的相关系数(%))
Fig.3 The fitting waveform for the MS5.8 earthquake recorded by some seismic stations(red curves are theoretical seismograms,and black curves are observation seismograms; the first line below the waveform curves are the time shifts between theoretical and observation seismograms(unit:s),and the second lines are their correlation coefficients(unit:%))

确所造成的影响,即使在格林函数和地震位置不是很准确的情况下也可以得到较好的结果。

(2)通过给Pnl波形赋更大的权重来避免面波在反演过程中权重过大的影响,能更好的约束地震深度及震源机制解。本文反演中,根据Pnl波和面波的特点,相对权重为2:1,这样的权重可以兼顾Pnl波和面波的优点。

(3)在误差函数中引入距离影响因子,充分考虑到了因距离产生的衰减对波形的改造,从而避免反演中受到最近台站记录影响。在盈江M_S5.8地震反演过程中,最佳的台站距离为RHT台,约58 km,最远的为LiC台,为216 km。

图4 盈江MS5.8的震源机制解
(a)本文反演结果;(b)哈佛大学结果;
(c)中国地震局地球物理研究所结果
Fig.4 Focal solutions of Yingjiang MS5.8 earthquake(a)inversion result in this paper;(b)inversion result from Harvard;(c)inversion result from Institute of Geophysics,CEA

表3 笔者、Harvard与中国地震局地球物理所得到震源机制解的比较(单位:°)
Tab.3 Focal solutions comparison among by author,Harvard and Institute of Geophysics,CEA(unit:°)

图5 2011年盈江5.8级地震序列震中分布图
(圆圈表示震中,圆圈大小与震级成正比; 黑色曲线表示大盈江断裂; 红黑色五角星表示主震震中位置。图上的色标表示距离起始地震(2011.01.01 MS4.4)的时间差)
Fig.5 Distribution of the relocated epicenter of Yingjiang MS5.8 earthquake sequence in 2011(circles denote earthquake epicenter,size of circle is proportional to magnitude; black curve represent the Dayingjiang Fault; red aniseed star denotes the epicenter location of the mainshock; the color code represents the difference between

据云南省地震现场灾评组 云南省地震局.2011.2011年3月10日盈江5.8地震灾害直接损失评估报告.给出的盈江M_S5.8级地震烈度分布图可以看出,烈度长轴大致沿着大盈江断裂带呈北东向(图1)。利用云南地震台网中心给出的2011年1～12月2级以上地震的震相数据(97.8°～98.1°E,24.6°～24.8°N),采用上述模型,用HYP 2000方法对2011年盈江5.8级地震序列进行了绝对定位后,再用双差方法进行了相对定位。得到了包含313个前震和414个余震共计727个地震的精定位结果(图5)。地震主要分布在大盈江断裂的两侧及中段和北东段的转折处。这些结果表明,大盈江断裂带为本次5.8级地震的发震断层,即NNE-SSW向的主压应力作用于大盈江断裂产生左旋走滑错动的结果。

笔者用同样的方法得到了2011年1月以来盈江县其余7次M_S≥4.0地震震源机制解。表4为这些地震的断层面参数,图4给出了这些地震的震源机制球面解。从表4和图6可以看出,8次地震除2011年3月10日13时3分M_S4.7地震为有正断性质的走滑型地震外,其他7次地震都为纯走滑型地震,都具有NNE-SSW向近水平的P轴。

表4 2011年盈江序列MS≥4.0 震源机制解(单位:°)
Tab.4 Focal mechanism solution of Yingjiang MS≥4.0 earthquakes sequence in 2011(unit:°)

图6 2011年盈江8次4级地震的震源机制图像
Fig.6 Focal mechanism solutions of 8 Yingjiang MS≥4.0 earthquakes in 2011

为了进一步分析盈江5.8级地震序列发生的动力学背景,我们收集了研究区已有地震的震源机制解资料(陈天长等,2001; 吴建平等,2001),图1给出了这些地震的震源机制球面解及其分布情况。从图1看出,研究区在靠近缅甸弧地区偶有逆冲型地震,在腾冲火山区附近有部分正断型地震,但总体以走滑型地震为主。主压应力玫瑰图(图7)分布显示优势分布方向为NNE-SSW向,本次地震主压应力轴走向也为NNE-SSW向,表明盈江5.8级地震序列的震源机制解与研究区内更早地震的震源机制解具有良好的协调一致性。

季建清等(2000)依据走滑断裂的运动学和年代学,确认滇西腾冲地区新生代大型走滑断裂带变形作用的特征,即随着印度大陆向欧亚大陆的进一步挤入,在腾冲地区出现了地块向南的运动和顺时针旋转,地块内部和边界的走滑断裂活动性质为左旋。而在这一运动过程中,其间交织着阶段性(23Ma和13Ma)的向南逸出作用。已有的一些研究成果也表明该区区域应力场方向为NNE-SSW向,如钟继茂和程万正(2006)由多个地震震源机制解求得到的保山—腾冲—盈江地区平均应力场方向为NE25°; 马文涛等(2008)研究表明,川滇地区由于受青藏高原向SE方向挤压,形成该区次级块体顺时针旋转,在保山——腾冲地块,又受到缅甸弧北东向的下插挤压作用,在保山一腾冲地块与密支那地块之间,形成前端逆冲、后侧走滑的变形形式,即围绕阿萨姆顶点顺时针旋转的应力场。因此,在保山—腾冲一带,以NNE—SSW向应力场为主,这些结果与本文的研究结果是一致的。综合上述应力场及构造分析表明,盈江M_S5.8地震的发震动力学环境为:受印度板块向欧亚板块北东向挤压和缅甸弧北东向俯冲作用,保山—腾冲地块呈现北东向水平运动,导致大盈江断裂带左旋走滑错动。

图7 研究区历史震源机制解主压应力玫瑰图
Fig.7 Rose diagram of principle compressive stress axis of historical focal mechanism solutions in study area

基于云南和腾冲火山宽频带数字地震波形资料,笔者利用CAP方法反演了2011年盈江地震序列中8次M_S≥4.0地震的震源机制解。反演结果显示M_S5.8级主震震源机制参数与哈佛大学、中国地震局地球物理所获得的结果较为一致。结合精定位地震分布、烈度分布以及震区的地质构造,认为震源机制解中走向248°,倾角77°,滑动角19°的节面为M_S5.8主震的发震断层,走向NE向的大盈江断裂带是这次地震的发震构造。并结合历史地震震源机制与主压应力分布优势方向分析M_S5.8地震孕震构造动力源是保山—腾冲地块受印度板块向欧亚板块北东向挤压和缅甸弧北东向俯冲的双重力源作用下,呈现北东向水平运动,导致块体内的北东向大盈江断裂带左旋走滑错动的结果。

在本研究中我们还发现盈江M_S5.8地震前发生过5次4级地震,其震源机制均为走滑型地震,震源机制参数也比较相近,具有较高的一致性,而震后发生1次具有正断性质的走滑地震,震源机制一致性低于前震。据陈颙(1978)通过对典型震例的研究发现,在前震、余震和地震群震源机制的一致程度方面,有明显的差别。已有的一些研究结果也表明,大震前孕震区一致性参数比较低,震源机制与构造应力场的差异较小,而主震发生之后震源机制解的一致性参数比较高(倪四道等,2010; 泽仁志玛等,2010; 刁桂苓,赵英萍,2004)。而本次地震序列是否具有震前一致、主震后余震不一致的性质,还需要通过计算更多小地震的震源机制资料通过进一步的分析予以佐证。

中国科学院测量与地球物理研究所郑勇、谢祖军、葛粲博士为本研究提供了美国圣路易斯大学朱露培先生的CAP方法反演程序,并指导相关的反演计算。研究中马宏生、蒋长胜、邵志刚、李志海等老师提出诸多有益建议,在此一并表示感谢。