云南地区地震的重新定位及b值研究

张广伟

中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室，北京市海淀区安宁庄路1号 100085

0 引言

云南地区位于印度板块与欧亚板块碰撞带的北东侧，地处青藏高原东南部，由于印度板块的俯冲作用，区内构造运动强烈，是我国大陆内部地震活动最强烈的地区之一。该区地质构造非常复杂，不仅存在有腾冲火山，还有许多大型断裂，如红河断裂、澜沧江断裂、怒江断裂、小江断裂等，这些大型断裂将云南地区分为扬子地块、思茅地块、保山地块和腾冲地块（图1）。在这种复杂的地质构造背景下，云南地区一直是地学界研究的热点区域（胡家富等，2005；傅竹武等，2007；马宏生等，2008；Lei et al，2009，李永华等，2009；张晓曼等，2011；吴建平等，2013）。

地震定位研究是地震学研究的基础，地震在地表的分布不仅与断层的走向密切相关，而且在深度上可能与断层在深部的几何展布有关（张广伟等，2014），因此，能够对地震进行精确定位，对于确定断层走向、破裂扩展范围及发震构造是非常重要的。b值是衡量一个地区地震活动水平的重要标志，其主要描述地震震级和频度之间的关系（Gutenberg et al，1944），在国内外地震活动性分析中被广泛应用（Mori et al，1997；Wiemer et al，1998；Wiemer et al，2000；朱艾斓等，2005；Singh et al，2012）。采用精定位后的地震目录能够获得更为准确的b值分布，b值既能反映小地震与大地震的比例关系，又可以反映介质的应力状态。在浅部由于地壳介质非常复杂，具有强烈的非均匀性，且岩石的围岩压力值较低，易产生小震，具有高b值；随着震源深度增加，围岩压力值增加，地壳物质趋于相对均匀，任意初始破裂一旦形成，容易进一步扩展成大破裂，发生大的地震，具有低b值（Mori et al，1997）。在本研究中，我们首先采用双差法对地震进行精定位，然后用重新定位后的地震目录计算云南地区b值，并分析b值的空间分布及其与震源位置的关系。

图1 研究区域及地震台站分布

1 资料与方法

本研究联合使用2010年5月～2011年7月由云南省固定台站和中国地震局地壳应力研究所布设的21个流动台站（Lei et al，2012）所记录7127个地震的到时资料，其中固定台站采用观测报告资料，流动台站依据地震目录截取事件，人工拾取P波和S波到时，将两部分数据融合，选择震中距500km内、至少4个台站记录、走时残差为±3s以内的走时数据，筛选后固定台站P波47566条，S波45831条，流动台站P波18036条、S波11495条。将固定台站与流动台站相结合，较好地改进了台站的方位覆盖，特别是在滇西地区，填补了固定台站的空白区域，而且使大盈江、腾冲等地区的地表台站分布更加均匀（图1）。

双差法（Waldhauser et al，2000）是目前较为通用的一种提高地震定位精度的方法，该方法用相对走时残差（或称为双差）来修定地震位置。在重新定位过程中，初始一维速度模型对定位结果影响很大，一个不适当的速度模型会使定位结果出现明显偏差（Michelini et al，2004），因此在进行双差定位前，要选择一个适用于研究区的一维速度模型。Kissling等（1988、1995）提出确定最小一维速度模型的VELEST法，通过联合校正地震位置及台站位置获得最小一维速度模型，该方法计算的速度模型可使定位结果走时残差均方根最小，因此称为“最小一维速度模型”，其被广泛应用于地震定位及层析成像研究中（Heshan et al，2001；于湘伟等，2003）。本研究首先采用VELEST法反演获得云南地区最小一维P波速度模型，初始模型选择马宏生等（2008）在川滇地区的一维模型（图2（a））。为增加结果的可靠性，挑选地震位置相对精确的事件，通常震级越高记录的台站越多，本研究选择震级在2.5级以上，至少有8个台站记录的事件，经过筛选，有802个事件参与反演。为了验证结果的可靠性，采用2种不同方法进行比较：一是增加资料，我们选择2.2级以上的地震共1426个参与反演（图2（a））；二是地震资料数不变，改变初始输入模型，在初始模型加入5%随机扰动进行4次反演（图2（b））。通过比较，不同资料及不同输入模型所获得的结果与本研究获得的最小一维速度模型较为一致（图2），说明本研究反演得到的云南地区最小一维P波速度模型是可靠的。

图2 初始模型、反演模型、增加资料反演得到模型（a）和初始模型加入5%速度扰动反演得到模型（b）

对b值的计算，本研究采用 ZMAP程序包（Wiemer et al，2001），用最大似然解法（Aki，1965）得到

式中，Mc为完整起始震级；¯M为平均震级。误差估计由Shi等（1982）改进的公式求得，即

式中，n为样本个数。在计算b值时，Mc值是一个非常重要的参数（Wiemer et al，2000），可将Mc看作是一个临界震级，表征台网所能监测的最小完整震级，在计算b值时，只选择大于和等于Mc值的事件。

2 结果及讨论

2.1 地震重定位结果

采用双差法对地震进行重新定位，得到5836个地震的定位结果。从重定位结果的平面分布可以看出（图3），小震主要集中在滇西地区，地震的分布与主要活动断裂关系密切，在一些断裂交汇区域，小震更为集中。震源深度集中分布在20km以上，而徐彦等（2005）得到的结果最深达50km，这可能与所采用的初始模型有关，本研究采用更适用于研究区的最小一维速度模型，能够较好地改善地震的初始位置。同时，重新定位后小震呈丛集性分布（图3）。在一些主要断裂带上，小震分布具有明显特点，如红河断裂带上小震多分布在断裂带的南北两端，尤其在北段地震更为密集，而在中段小震相对稀少。前人研究结果表明，红河断裂的北段是走滑型断裂的尾端拉张区，受洱源、程海断裂的影响，该段地震活动性较强（虎雄林等，2006），历史上6级以上地震几乎都集中在北段。而红河断裂带从30Ma以来经历了左旋韧性剪切作用，到5.5Ma以后又经历了右旋剪切变形作用（朱俊江等，2003），其中段受川滇块体向SE方向的挤出和顺时针右旋走滑作用，导致该段长期处于压扭环境，形成宽厚的断层泥带（李亚敏等，2008），从而导致中段地震活动性较弱。在红河断裂带南段，由于受NE向多条断裂的影响，该段小震活动也相对较强。

图3 对云南地区地震重新定位后的震中分布

云南地区中小地震非常活跃，特别是在滇西地区，在2011年连续发生盈江地震和腾冲地震，给人们的生产生活带来较大损失，在我们流动台站的布设期间，也记录到盈江地震及腾冲地震序列。小震的分布能够较好地展示断裂带的优势展布方向及发震层，为此，我们给出盈江地震及腾冲地震序列震源深度的详细剖面（图4），分析断裂带及周边小震的分布特征。

图4 重定位后的盈江（a）及腾冲（b）地震序列震中分布的平面图及剖面图星号为M＞5.0地震，圆为余震震中

图4（a）展示的是盈江地震序列，小震主要沿NEE向条带状分布，另外还有一个SSE向的共轭小震活动带，而盈江5.8级主震震中就处在NEE与SSE向两条活动带的交汇处，表明在断裂的交汇处更易于产生破裂。从深度上看，盈江地震序列震源深度集中在15km以上，表明大盈江断裂的优势发震层位于上地壳，这与Lei等针对盈江地震序列的重新定位结果比较一致（Lei et al，2012）。图4（b）展示的是腾冲地震序列，其震源分布特征与盈江地震序列具有明显差别，地震在深度上呈柱状分布，震源主要朝更深的方向上扩展，在平面上并没有明显地向其他方向延伸，且震源深部向NW方向倾斜，而腾冲火山就位于该地震序列的NW向。人工地震测深结果表明，在腾冲东南部存在岩浆囊或部分熔融体（楼海等，2002）；腾冲火山区数字台网记录的地震群结果表明，地震主要围绕在岩浆囊体的周围，与岩浆活动密切相关（叶建庆等，2003）。为此我们推测，此次腾冲地震序列与火山热物质的运移活动密切相关。

2.2 b值分布特征

采用双差精定位后的地震目录计算云南地区b值，首先采用最大曲率法获得最小完整震级Mc（图5），在曲率最大处Mc值为1.4，在计算云南地区b值时，只选择M≥1.4的地震事件共4530个参与计算，获得云南地区平均b值为0.699，误差为 ±0.009（图5）。

图5 云南地区M c值及平均b值

为进一步分析云南地区b值随震源深度变化的特征（图6），本研究计算不同深度上的b值，设定地震最小样本数为150个。由图6可以看出，b值随震源深度增加而逐渐减小，从b值变化曲线可以看出，在地壳的浅部（0～6km）b值较大，在6～9km范围内b值趋于稳定，在9～10km范围b值发生明显减小。这样的分布特征与首都圈地区（朱艾斓等，2005）和美国加州地区（Mori et al，1997）的b值研究结果比较一致。而这样的分布特征可能表明，b值与地壳介质复杂程度及应力状态密切相关，在地壳浅部介质复杂，具有强烈的非均匀性，且围岩压力较低，因此具有高 b值；随着震源深度增加，围岩压力增加，地壳物质也趋于相对均匀，具有低b值（Mori et al，1997）。因此小震多产生于地壳浅部，而大震多发生于孕震层的底部。云南地区b值随着震源深度的增加而逐渐减小尤其在9～10km最为明显，可能表明在云南地区中强震孕震层多位于9km以下。

b值能够反映介质所受应力状态和介质均匀程度，而在地震序列中b值的分布，可以帮助我们了解震源区应力变化和介质的破裂范围（Singh et al，2012）。图7展示了大盈江断裂及周边的三维b值分布。我们以盈江5.8级主震为原点，给出2条剖面。一条剖面是沿大盈江断裂的NEE方向，另一条剖面是与大盈江断裂共轭的方向。盈江地震序列震源深度主要集中在15km以上（图4（a）），因此15km以上的b值结果是可靠的。从b值空间分布可以明显看出，随着深度的增加b值逐渐减小，而沿大盈江断裂的NEE方向b值呈现增大趋势，共轭的SSE方向b值也相对较高，并且盈江5.8级主震的位置处于高低b值的过渡带，在主震震源区，高低b值相间存在，表征主震震源区介质性质非常复杂，在这样一个过渡带，很容易受到触发产生初始破裂。由于地壳浅部围岩应力值低，破裂向上扩展，所以余震多发生在地壳浅部，这与Lei等（2012）对盈江地震序列随时间扩展范围的研究结果具有很好的一致性。

图6 b值随深度的变化

图7 盈江断裂带及周边b值的三维分布

3 结论

本研究首先采用VELEST方法获得云南地区最小一维P波速度模型，基于反演的最小一维速度模型，用双差法对云南地区小震进行重新定位，得到5836个地震的重定位结果。结果显示，云南地区孕震层主要位于中上地壳，且在滇西地区发震最为频繁，震源深度也相对较深。本研究展示出盈江和腾冲地震序列的震源深度剖面图，重新定位结果明确显示出断裂带的优势发震层及其展布方向。采用精定位后的地震目录计算云南地区b值，获得一些新的认识：云南地区b值随着震源深度的增加而逐渐减小，尤其在9～10km最为明显，这可能表征在云南地区中强震的发震层多位于9km以下；在大盈江断裂及周边地区的b值空间分布具有明显特征，在断裂带的浅部b值较高且分布不均匀，且盈江5.8级主震发生在高低b值的过渡带，本研究结果表明，b值对于中强震孕震环境的研究具有重要意义。