基金项目:云南省地震局青年基金(2019K01)、科技专项基金(2018ZX01)和云南省科技计划项目基础研究青年项目(2018FD158)以及 “ 十项”重点工程项目联合资助.
通讯作者:姜金钟(1987-),博士,主要从事地震学研究.E-mail:jz_jiang@foxmail.com
(1.云南大学 资源环境与地球科学学院,云南 昆明 650504; 2.云南省地震局,云南 昆明 650224)
(1.Colledge of Resources,Environment and Geosciences,Yunnan University,Kunming 650504,Yunnan,China)(2. Yunnan Earthquake Agency,Kunming 650224,Yunnan,China)
Yangbi earthquake; CAP method; sPn depth-phase; focal mechanism; focal depth
鉴于国内外地震研究机构给出的2017年云南漾濞MS4.8和MS5.1这2次地震的震源深度存在较大差异,利用云南和部分四川地震台网宽频带数字地震波形资料,采用CAP方法和3种不同速度模型对这2次地震进行震源机制解反演,并结合sPn深度震相对其震源深度进行了再次测定。结果 表明:①由于利用了台站方位覆盖更好的近震宽频带波形和sPn深度震相数据,最终获得了2次地震的震源深度(5 km和6 km); ②基于更多台站记录的宽频带波形,利用CAP方法得到的双力偶震源机制解与Global CMT利用全球宽频带台站记录波形得到的反演结果更为一致,并且利用CAP方法得到5次M≥ 3.0余震事件的震源机制解与这2次地震的结果基本一致,表明这些地震事件可能发生于同一断层; ③经初步分析认为,2017年漾濞地震的发震断层可能是维西—乔后断裂中南段,即节面Ⅱ(312°/80°/166°)为真正的发震断层面。
Since different earthquake research institutes provided different focal depths of the Yunnan Yangbi MS5.1 and MS4.8 earthquakes occurring on Mar.27,2017,we refine the focal depths and focal mechanisms of these two earthquakes by using the broadband earthquake waveforms recorded by Yunnan Seismic Networks and Sichuan Seismic Networks in Cut-and-Paste(CAP)inversions with three different velocity models. We also employ the sPn depth-phase to double-check the focal depths of the Yangbi MS5.1 and MS4.8 earthquakes. The results are as follows:①Owing to we used the broadband waveform of near-earthquakes with better azimuth coverage and the phase data of sPn depth,the obtained focal depths of the two earthquakes(5 km and 6 km)are more reliable. ②Based on the broadband waveforms recorded by more stations,the double-couple focal mechanisms we obtained from CAP inversions are consistent with the focal mechanisms provided by both the Global Centroid-Moment-Tensor(GCMT),but slightly better than the focal mechanism solution given by the Institute of Geophysics,China Earthquake Administration(CEA-IGP)based on limited stations on the day after the earthquake occurred. The focal mechanism solutions of five M≥ 3.0 aftershocks obtained by CAP method are basically consistent with that of the two earthquakes,which indicated that these earthquakes may occur in the same fault. ③According to the DD relocation results and distribution of the quaternary active faults in Yunnan area,we preliminarily infer that the middle-south segment of the Weixi-Qiaohou fault,i. e. the plane II(312°/80°/166°)could be the seismogenic fault of the 2017 Yangbi MS5.1 and MS4.8 earthquakes.
震源深度的准确测定对于评估地震灾害、确定地震成因和动力学环境、判断余震发展趋势和危险性等都具有重要的意义(郑勇,谢祖军,2017)。目前,中国地震台网给出的震源深度一般是在一维速度模型下、利用P波和S波震相走时和绝对定位方法定位后得到。地震台站主要分布在地球表面,其在深度方向上分布具有不均匀性以及震源深度与发震时刻的较强耦合性,所以震源深度的准确测定一直是地震学研究中的一个难题。近年来,随着宽频带数字地震仪的广泛布设,利用深度震相准确获得较大地震(如M>3.0)的震源深度是一种常用方法(任克新等,2004; 高立新等,2007; 张瑞青等,2008; 崇加军等,2010; 孙茁等,2014; Wang et al,2017)。深度震相方法是利用某些深度震相(如 sPg,sPmP,sPn等)与其相应的参考震相(Pg,PmP,Pn等)的走时差对震中距不敏感,但对震源深度变化敏感的特性,既可避免震源深度和发震时刻的耦合性,又能消除速度模型偏差带来的定位误差,从而得到更准确的震源深度(Ma,Atkinson,2006)。
震源机制解是地震学研究中的关键参数,其反演可以为地震时空破裂过程的求解提供基本参数,协助地震应急响应工作及地震早期预警,还可以得到地震释放的构造应力场方向和大小,进而为地震孕育及发震机理提供研究素材(严川,2015)。
2017年3月27日7时40分28秒、7时55分,云南省大理白族自治州漾濞县境内连续发生MS4.8和MS5.1地震。根据中国地震台网统一地震目录①,2次地震震源深度均为10 km。国外地震研究机构如GCMT Global Centroid-Moment-Tensor,http://www.globalcmt.org.给出2次地震的震源深度分别为23.0 km和20.3 km; USGS http://earthquake.usgs.gov.给出的震源深度分别为10.0 km和27.6 km。不同机构对同一地震给出的震源深度最大相差近20 km。此外,国内外研究机构对漾濞MS5.1地震所给出的震源机制解也存在一定的差异。获得较为准确的震源机制解和震源深度对深入研究云南漾濞及邻近地区的孕震机理和地震活动性具有十分重要的科学意义,而本文采用的CAP方法(Zhao,Helmberger,1994; Zhu,Helmberger,1996)在反演较大地震的震源机制解的同时,也能获得较为准确的震源矩心深度(吕坚等,2008; 韦生吉等,2009; 曾祥方等,2013; 李志伟等,2015; Wang et al,2017; Jiang et al,2019)。
2017年漾濞地震发生于地质构造复杂、地震活动频繁的滇西地区,2次地震震中均位于近NS向的龙蟠—乔后断裂及NNW向的维西—乔后断裂附近,近年来在震中附近还发生了多次5级以上的中强地震,如2013年洱源MS5.5,MS5.0地震及2016年云龙MS5.0地震(赵小艳,付虹,2014; Jiang et al,2019)。鉴于云南地区壳幔结构具有明显的横向不均匀性,为了获得较为准确的震源机制解和震源深度,本文利用CAP方法在3种不同的壳幔速度模型下分别反演了漾濞2次地震的震源机制解和最佳震源矩心深度,以及地震序列中5次MS≥ 3.0余震事件的震源机制解和震源深度,利用sPn深度震相获得了漾濞2次地震的震源深度。
震源机制解的反演方法比较多,其中CAP方法在地震学中应用较为广泛(谢祖军等,2012; 易桂喜等,2016,2017),很多学者(吕坚等,2008; 韦生吉等,2009)使用该方法获得了不同中强地震较为准确的震源机制解和震源深度,表明该方法的可靠性和有效性。曾祥方等(2013)利用中国地震台网和IRIS数据中心的地震波形资料,使用CAP方法反演了2013年四川芦山地震并得到震源机制解,此结果不仅与其他学者的结果较一致,也基本符合震源区域构造应力场特征。
CAP方法是将宽频带地震记录分成Pnl和S波(或面波)2个部分进行反演。分别对Pnl和S波(或面波)2部分波形赋予不同的权重,计算其理论合成波形(简称合成波形)和真实观测波形的互相关系数及误差函数,并运用网格搜索方法搜索出合成波形与观测波形差异最小时的地震震源机制解及最佳震源矩心深度。
sPn深度震相是测定震中距小于1 000 km的浅源地震震源深度较为实用的震相之一(任克新等,2004; 高立新等,2007)。目前利用sPn深度震相确定震源深度的方法已经得到广泛利用,如张瑞青等(2008)和孙茁等(2014)均通过准确识别sPn震相,得到了汶川地震17个中强余震和芦山地震28个中强余震的震源深度。对于台站稀少、数据偏少情况下的中小地震定位,利用近震深度震相如sPn震相确定震源深度尤其具有重要意义。由于sPn震相在动力学上保持了横波的性质,故其振幅和周期均大于Pn波,且初动方向与Pn波相反。由于sPn波最终以纵波形式表现在地震记录上,故其在垂直分量上振幅较大且信噪比较高。
以一维单层速度地壳模型为例,计算sPn波与Pn波的理论走时差Δt。图1中设地表与Moho面平行,O为震源,E表示接收台站,A,B,C和D表示震相与界面交点,h为震源深度,vS1,v1分别为地壳内S波和P波的传播速度,v2为Pn波在莫霍面上的传播速度。Pn波的射线路径为OA+AC+CD+DE,sPn波的射线路径为OB+BO'+O'C+CD+DE。
Snell定律为:
(sinθ)/(vS1)=(sini)/(v1)(1)
sini=(v1)/(v2)(2)
sPn波的走时为:
tsPn=(OB)/(vS1)+(BO')/(v1)+(O'C)/(v1)+(CD)/(v2)+(DE)/(v1)(3)
Pn波的走时为:
tPn=(OA)/(v1)+(AC)/(v2)+(CD)/(v2)+(DE)/(v1)(4)
根据Snell定律及几何关系进一步得到:
Δt=tsPn-tPn
=(h·v2)/(vS1·(v22-v2S1)1/2)+(h·v2)/(v1·(v22-v21)1/2)
-1/(v2)·((h·vS1)/((v22-v2S1)1/2)+(h·v1)/((v22-v21)1/2))(5)
所以,
Δt=h·(((v22-v2S1)1/2)/(v2·vS1)+((v22-v21)1/2)/(v2·v1))=h·K(6)
其中:K=((v22-v2S1)1/2)/(v2·vS1)+((v22-v21)1/2)/(v2·v1),在震源区为常数。
由式(6)可以得出sPn震相的一个十分重要的性质,即sPn和Pn震相的走时差与震中距无关,只与震源深度有关,且两者呈线性关系。对于一维多层地壳速度模型,sPn和Pn震相的走时差仍和震中距大小无关,仅与震源深度呈近似的线性关系(房明山等,1995; 高立新等,2007; 孙茁等,2014),所以利用sPn和Pn震相之间的走时差可以较为准确地测定地震震源深度。图2为利用ttimes程序(Snoke,2009)和吴建平等(2004)结合人工地震折射方法结果和波形反演提出的速度模型计算不同震源深度(2~25 km)、不同震中距(250~410 km)的sPn 和 Pn 震相的理论走时,图2a中右侧数字为不同震中距下的Δt中值。根据理论走时得到的Δt =tsPn-tPn走时差分布,可以看出Δt几乎不随震中距变化而变化,但随震源深度增加而呈近似线性增加(图2b)。
本文所选取的波形资料均来自于云南地震台网及部分四川地震台网中震中距小于250 km、震相清晰且信噪比较高的波形记录。经过筛选,
图2 不同深度、不同震中距下的sPn和Pn震相理论走时差Δt(a),及Δt 的中值在不同震源深度下的拟合(b)
Fig.2 Theoretical travel time difference Δt of sPn and Pn phases in different source depths and epicentral distances(a)and the fitting of median values of Δt in different source depths(b)
共选用保山台(BAS)等18个云南地震台和攀枝花台(PZH)、泸沽湖台(LGH)2个四川地震台(图3)的宽频带波形资料。这些台站的空间分布较为合理,以较均匀的方位角包围了漾濞2次地震震中,从而可最大程度避免因台站空间分布不合理所导致的反演结果的不准确和不稳定(吕坚等,2008; 韦生吉等,2009; Jiang et al,2019)。
图3 研究区断裂、台站以及漾濞及附近地震的分布图
Fig.3 Distribution of the faults,stations and epicentres of Yangbi earthquakes in the study area
在CAP反演中,采用准确的速度模型才有可能得到较为准确的震源机制解和震源深度。考虑到研究区壳幔结构具有明显的横向不均匀性,因此本文分别采用以下3个模型进行反演,并依据波形拟合误差值定量得出较为准确的震源机制解和震源深度:由胡鸿翔等(1986)和林中洋等(1993)利用人工地震折射方法获得的速度模型(1号模型); 吴建平等(2004)结合人工地震折射方法结果和波形反演提出的速度模型(2号模型),该模型也是云南地区震源机制解常规测定所用的速度模型(赵旭等,2014); 杨军等(2014)反演云南地区中小地震震源机制解所采用的45 km地壳速度模型(3号模型)(图4)。
采用频率—波数域(F-K)方法,分别计算不同震中距(15~250 km)、不同深度(2~25
图4 用于CAP反演的3个P波(实线)、S波(虚线)速度模型
Fig.4 Three P-wave(solid lines)and S-wave(dashed lines)velocity models used in our CAP inversions
km)情况下3种速度模型对应的的格林函数,得到可重复应用于云南地区CAP反演的格林函数库; 手动拾取经过挑选的宽频带地震波形的初至P波及S波,并对其做去均值、去趋势等处理; 对各台记录波形进行去除仪器响应,并将NS,EW和Z分量波形旋转到大圆路径上,从而获得径向(R),切向(T)和垂直(Z)分量波形。
反演过程中首先将三分量波形分别截成Pnl和S波(或面波)2个部分,对Pnl部分以0.05~0.2 Hz频率范围进行4阶Butterworth带通滤波,反演权重设置为1.0; 对S波(或面波)部分以0.05~0.1 Hz频率范围进行带通滤波,反演权重设置为0.5。本文所选滤波频段既可以获得较为可靠的震源机制解和震源深度,还能有效地降低地壳横向变化所造成的影响(郑勇等,2009)。然后在断层走向(0°~360 °)、倾角(0°~90 °)、滑动角(-180°~180 °)和震源深度(2~25 km)空间范围内搜索最佳的震源机制解和震源深度。
基于20个台站的宽频带波形记录,利用CAP方法分别获得了3个速度模型下漾濞MS5.1地震和MS4.8地震的双力偶震源机制解和最佳震源深度(表1),并分别得到了2次地震在不同速度模型反演中的震源深度拟合误差图(图5)。结果显示,对于漾濞MS5.1地震,在震源深度为6 km时得到的双力偶震源机制解最为可靠; 对于漾濞MS4.8地震,在震源深度为5 km时得到的双力偶震源机制解最为可靠。3种速度模型下得到的2次地震震源机制解较为一致,表明这2次地震的孕震机理、发震构造也基本一致。通过比较地震震源深度拟合误差值,2号模型对应2次地震的拟合误差值均为最小(分别为1.165×10-2和5.776×10-3),且不同方位角上的台站观测波形(黑色)与理论合成波形(红色)的平均相关系数最高(图6)。
表1 利用3种速度模型反演漾濞2次地震震源机制解及震源深度
Tab.1 Focal mechanisms and focal depths of the Yangbi MS5.1 and MS4.8 earthquakes inverted by 3 velocity models
图5 利用3种速度模型反演漾濞MS5.1(a)和MS4.8(b)地震震源深度拟合误差图
Fig.5 Focal depths fitting errors of the Yangbi MS5.1(a)and MS4.8(b)earthquakes inverted by using three velocity models
因此可认为2号速度模型下反演得到的2次地震的双力偶震源机制解为最佳震源机制解,且2号速度模型是反演研究区震源机制解的最佳速度模型。本文给出的震源机制解与中国地震局地球物理研究所(CEA-IGP)利用近震波形反演和GCMT利用全球共享台站记录波形数据反演结果较为一致(表2),表明本文所反演的结果是准确可靠的。
表2 不同机构给出的漾濞2次地震的震源机制解及震源深度
Tab.2 Focal mechanisms and focal depths of Yangbi MS5.1 and MS4.8 earthquakes provided by different institutes
图6 采用2号模型反演得到震源深度为6 km时漾濞MS5.1地震观测波形(黑线)及理论波形(红线)对比图
Fig.6 Comparison between observed(black line)and synthetic(red line)seismograms at 6.0 km depth for the Yangbi MS5.1 earthquake by using No.2 model
需要指出的是,通过CAP方法反演得到的最佳矩心深度与地震定位得到的震源深度(即地壳初始破裂点深度)在物理意义上有所差别,但考虑到本文研究的M5.0左右的地震破裂尺度有限(Wells,Coppersmith,1994),故可将CAP方法得到的矩心深度近似等同于其震源深度。本文得到漾濞MS4.8和 MS5.1地震的最佳矩心深度分别为5 km和6 km,与中国地震局地球物理研究所给出MS5.1地震的矩心深度为5 km较一致,但与中国地震台网统一目录给出的震源深度(10 km)以及GCMT等国外地震研究单位给出2次地震的震源深度(>20 km)均有较大差别,因此有必要采用其他方法再次测定2次地震的震源深度。
截至2017年3月27日17时,漾濞地震序列共发生5次M≥3.0的余震事件(包括1次4级地震)利用CAP方法和2号速度模型分别反演这5次地震震源机制解和震源深度(表3)。反演结果表明除MW3.5余震外,其他4次余震的震源机制解均与MS5.1主震震源机制解一致,表明这几次余震均发生于主震发震断层面上。MW3.5余震的断层面走向、倾角均与MS5.1主震发震断层较为一致,仅滑动角有所不同。分析其可能原因一方面是此次地震发生于主震震后1 h之内,波形信噪比较低且用于CAP反演的数据较少,另一方面是MS5.1主震发震断层为高倾角的走滑型断层,波形数据约束较少导致反演得到的滑动角不确定性较大。5次余震事件的震源深度也均为5 km左右(表3),与本文确定的漾濞2次地震震源深度具有很好的一致性,主、余震
表3 利用2号速度模型反演5次M≥3.0余震的震源机制解及深度
Tab.3 Focal mechanisms and depths of the M≥3.0 aftershocks by using No.2 velocity model
较为统一的震源深度可以进一步辅助证明震源破裂区的深度,即主震震源深度约为5 km。
在云南地区当震源深度为5 km左右时,sPn深度震相一般出现在震中距大于250 km的地震波形上,并且Pn震相为初至震相,故本文选取震中距250~400 km、波形记录质量较好的宽频带地震波形,利用Pn及sPn震相走时差分别测定漾濞2次地震的震源深度。近震波形的频谱分析结果表明Pn和sPn的优势频带范围为0.1~1 Hz(孙茁等,2014),因此在实际处理过程中,对选取的宽频带波形去除仪器响应并以0.05~1 Hz进行带通滤波。sPn波的特征是振幅和周期均大于Pn波、初动方向与Pn波相反且在垂直分量上振幅较大、信噪比较高。人工拾取各个台站垂直分量的Pn走时并将各个Pn震相对齐,由于sPn波与Pn波的走时差只与震源深度有关而与震中距无关,所以同一地震在各台站的记录波形上sPn震相理论上也应该是对齐的。
图7给出了漾濞2次地震的部分台站波形记录及其Pn和sPn震相,根据震相挑选结果发现,sPn及Pn震相走时差基本不变,其平均值分别约为2.16 s和2.13 s。因此本文参照2号速度模型并利用ttimes程序(Snoke,2009)计算了不同震源深度(2~25 km)、不同震中距(250~410 km)范围内sPn和Pn震相的理论到时差(图2a),利用sPn及Pn震相走时差随震源深度增加而近线性增加的特征(图2b),最终确定漾濞MS5.1和MS4.8地震的震源深度均约为5 km。
一般情况下,台站方位分布较为均匀且有近台记录时(震中距小于1~2倍震源深度),基于震相到时数据的地震定位方法可获得比较可靠的震源深度(Stein,Wiens,1986)。云南地区地震台站的平均台间距约为50 km,且在滇西北地区分布不均匀,距离漾濞地震MS5.1主震最近的3个台站的震中距分别为29 km(EYA台)、48 km
图7 不同台站记录到的漾濞MS4.8地震(a)MS5.1地震(b)Pn及sPn震相
Fig.7 The Pn and sPn phases of Yangbi MS4.8(a)and MS5.1(b)earthquakes recorded by different stations
(CHT台)和56 km(TUS台),因此很难仅通过一维速度模型下的绝对定位方法得到可靠的震源深度。
基于宽频带波形记录的CAP方法可以通过对Pnl和S波(或面波)2个部分分别赋予不同的权重值和时间移动以降低反演对速度模型的依赖性,还可以利用更大方位角覆盖范围内台站记录的S波或面波信息以增加震源深度测定的可靠性,故CAP方法在精确测定震源深度等相关研究中被广泛应用(吕坚等,2008; 韦生吉等,2009; 曾祥方等,2013; 李志伟等,2015; Wang et al,2017; 王光明等,2018; Jiang et al,2019)。崇加军等(2010)的研究证明利用近震深度震相sPL得到的震源深度精度较高(约为1 km)。
由于缺乏近台数据,Global CMT和USGS等机构给出的远震事件震源深度常常存在较大的不确定性,如在南北地震带地区,针对USGS全球地震目录中存在一些震源深度大于30 km的地震,李志伟等(2015)利用区域地震台网的波形数据,基于sPL深度震相、短周期瑞利面波和CAP等方法独立测定了2012年发生于南北地震带的5次4~5级地震的震源深度,结果表明大部分地震震源深度约为8~12 km,而不是发生于温度较高、岩石强度较低的下地壳之中,表明USGS地震目录给出的30 km甚至更深的震源深度存在明显偏差。
本文得到漾濞2次地震的震源深度(~5 km)与国外地震研究机构,如GCMT和USGS利用全球
图8 漾濞地震序列双差精定位震中、定位台站及主要断裂分布(a),虚线方框放大后的震中分布(b)
Fig.8 Epicentral distribution of the Yangbi earthquake sequence after Double-difference relocation,stations,distribution of main faults(a)and epicental distribution in dotted fram(b)
地震台网(主要是远台)数据给出的震源深度(>20 km)存在较大差异,但基于近震宽频带波形的CAP方法反演得到的漾濞地震的M≥3.0余震以及该地区其他M≥5.0地震事件,如2013年洱源MS5.5、MS5.0地震(赵小艳,付虹,2014)和2016年云龙MS5.0地震(Jiang et al.,2019)的震源深度均为5~7 km的结果表明该区的发震深度较浅,即漾濞2次地震的震源深度应该为5 km左右。综上分析认为,由于本文利用了方位角覆盖更好的近台宽频带地震波形及sPn深度震相,因此得到的漾濞地震震源深度更为可靠。
本文采用联合波形互相关的双差地震定位方法(Waldhauser,Ellsworth,2000)对2017年3月19日至4月30日漾濞地震震中附近区域(25.61°N~26.11°N,99.57°E~100.07°E)内258次中小地震进行了精定位。定位结果显示漾濞地震序列震源位置在水平方向呈NNW向的线性分布(图8),震源在深度方向则呈较高倾角的近线性分布。综合震源机制解反演、地震精定位及该地区第四纪活动断裂分布(安晓文等,2018)等分析,认为2017年漾濞地震的发震构造为走向~300°、倾角~70°、断层活动方式为右旋走滑的维西—乔后断裂中南段。
本文使用云南和四川地震台网宽频带数字地震波形资料,采用CAP方法和3种不同速度模型对2017年漾濞2次地震进行震源机制解反演,并结合sPn深度震相方法对其震源深度进行了再次测定,得出以下主要认识:
(1)2017年3月27日漾濞MS5.1和MS4.8地震的震源深度均为5 km左右,震源深度与中国地震局地球物理研究所给出的反演结果基本一致,表明了本文测定的震源深度具有较高的可靠性。
(2)本文反演得到的震源机制解与中国地震局地球物理研究所和GCMT给出的结果基本一致。虽然本文得到漾濞地震MS5.1主震的断层滑动角(节面Ⅰ为10°,节面Ⅱ为166°)与中国地震局地球物理研究所给出的滑动角(节面Ⅰ为-2°,节面Ⅱ为-171°)有一定差异,但本文得到的断层面解与Global CMT利用全球地震台网数据反演得到的结果基本一致(表2),考虑到本文收集采用了云南、四川地震台网更多的地震波形数据,以及发震断层为高倾角(~80°)的走滑型断层可能导致的反演误差,因此本文反演得到的震源机制解具有较高的可靠性。
(3)双力偶震源模型中仅靠断层面解无法判定哪个断层面为真正的发震断层,因此通常需要结合其他信息,如研究区活动地质构造分布、地震序列中震源空间分布等综合判断地震序列真正的发震断层面。根据云南第四纪活动断裂分布(安晓文等,2018),本文初步分析认为2017年漾濞地震的发震构造为走向~300°、倾角~70°、断层活动方式为右旋走滑的维西—乔后断裂中南段,也即节面Ⅱ为312°/80°/166°为真正的发震断层面。
精确测定中强地震的震源深度和震源机制解对研究区孕震机理、震后应力分布、地震灾害评估以及灾后救援等方面具有重要意义。本文仅根据数字地震波形记录反演了2017年漾濞地震震源深度、震源机制解和地震精定位结果,初步推测了其可能的发震构造,但漾濞地震的发震机理、震源区应力分布等尚需更为细致的地震学研究。