基于加密地震观测讨论红河断裂带北段维西－乔后断层的地震活动性特征

2021-02-14王志伟马胜利雷兴林王凯英

地震地质 2021年6期

王志伟马胜利雷兴林王凯英

1）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2）日本产业技术综合研究所，日本筑波305－8567

0 引言

红河断裂带位于青藏高原的东南缘，是川滇菱形活动地块的西南边界，该断裂带是一条贯穿云南地区的大型走滑断层，第四纪以来总体表现为右旋走滑兼正断特性，且地震活动表现出由北向南逐渐减弱的趋势。根据断裂带的活动特征，可将其分为北、中、南3段（虢顺民等，1984，1996；云南省地震局，1988；张建国，2009）。其中自洱源以北—弥渡的红河断裂带北段也称为维西－乔后断层，是云南地震活动强烈的区域之一（图1）。该断层在水平和垂直方向均可观察到明显位错，并且两侧存在多条平行或斜切的宽20～30km的呈面状分布的分支断层（虢顺民等，1984，1996；向宏发等，2004；张建国，2009；常祖峰等，2016）。近年来，一些学者围绕红河断裂带北段开展了多方面研究。Lei等（2011）研究了2004年苏门答腊MW9.3地震对云南地区的远程触发作用，在多个断层带（包括维西－乔后断层）附近观测到显著的远程触发地震，认为这些断层局部可能处于临界应力状态，且触发地震与深部流体活动有关。多项研究表明，洱源和丽江等地温泉特别发育，地下流体对地震活动响应非常灵敏（付虹等，2013；刘耀炜等，2015；杨竹转等，2018）。鲁小飞等（2019）根据GPS数据反演结果，认为2008年汶川M7.9地震发生之后维西－乔后断层的走滑速率加快，断层的平均闭锁深度接近20km，滑动亏损程度达10mm／a。洱源地区在2013年先后发生了MS5.5和MS5.0地震，赵小艳等（2014）根据地震现场考察和震源机制解计算结果，认为这2次地震的发震断层为NNW 向的维西－乔后断层。一些学者对维西－乔后断层的库仑应力变化进行了计算，认为该断层危险性较高（尹凤玲等，2018）。鉴于维西－乔后断层是滇西北地区最重要的活动断层之一且具有发生强震的背景，2018年初中国地震局地质研究所与云南省地震局合作，在滇西北地区架设了30个流动地震观测台站，以期获得更多的地震观测资料，从而为深入分析维西－乔后断层及周围地区的地震活动性特征奠定良好基础。

图1 滇西北地区活断层与2006—2018年期间地震活动分布图Fig．1 Map view of active faults and seismic activity from 2006 to 2018 in the northwestern area of Yunnan．DL大理；EY洱源；LJ丽江；YS永胜；F1维西－乔后断层；F2澜沧江断层；F3怒江断层；F4龙蟠－乔后断层；F5丽江断层；F6鹤庆断层；F7 永胜断层；F8 红河断层。断层数据从数字“中国活动构造图”中导入，地震目录数据由中国地震数据中心(1) ①http：∥data．earthquake．cn。提供

从2006—2018年期间的地震分布（图1）来看，维西－乔后断层除了在其与多条NE向断层的交会部位和断层阶区有一些小地震分布外，沿断层分布的地震事件并不多。但在该断层西侧，中小地震活跃且呈条带状分布，近年来发生的几次中等地震也都丛集于该地带。因此，针对维西－乔后断层目前的地震活动特征、是否存在分支断层及其地震危险程度等问题，都需要深入研究。本文基于前述流动地震观测台站和云南地区固定地震台站的观测数据，利用波形相关方法进行微地震检测与定位，进而通过统计分析研究断层的地震活动特征，同时利用ETAS模型分析流体活动对地震活动的可能影响。

1 数据来源和分析方法

1.1 数据来源

本文使用的地震数据来源于前述30个临时短周期台站（地震计和地震数据采集器分别为CMG－40T和REFTEK－130S）和云南地区的14个固定台站，台站分布见图1。洱源地区相关观测数据由中国地震局科学探测台站设备取得。

1.2 微地震检测与定位

本文利用波形相关方法（Pengetal．，2009；Zhangetal．，2015）进行微地震检测和定位。基于中国地震台网中心地震目录选择模板地震，应用HypoDD方法（Waldhauseretal．，2000）对模板事件进行相对定位，其中采用一维平均速度模型（Huaetal．，2018）利用波形相关方法进行微地震检测与定位。首先使用1～10Hz的高通滤波器对模板和连续波形进行滤波，随后降低采样率至50Hz，以减少后续检测所需的计算时间。根据上述速度模型，搜索模板事件周围的三维空间网格，并计算模板事件与潜在微震事件的走时差。在考虑走时差的前提下，沿着连续波形滑动模板波形窗口，计算台站每个通道的相关系数（CC）和信噪比（SNR）。基于计算出的平均相关系数和左、右信噪比，判断检测到的微地震事件的可靠性。用于检测微地震事件的平均相关系数（CC）的阈值为0.3，信噪比（SNR）的阈值为10。

1.3 地震活动参数的统计分析

为了定量表征地震活动的时空分布等特征，本文采用了几种统计参数来检测地震活动性和应力状态的变化。一是地震发生频度，定义为单位时间内发生的一定震级以上的地震个数n＝dN／dt，可采用固定事件数（dN）或固定时间窗口长度（dt）进行扫描获得。固定事件数扫描在时间轴上的分辨率将自动根据地震活动的频度进行调节，且估计误差不变或变化较小。二是地震释放的能量，由式（1）给出：

其中，C为常数，C＝0.75对应Benioff应变能，C＝1.5对应传统的能量（Mo）。三是b值，地震的震级－频度分布一般满足G－R关系，震级≥M的地震累积数（N）为

其中，a和b为常数，可采用最小二乘法或者最大似然法进行估计。b值与介质物性和应力水平有关（Leietal．，2007），特定地区b值的变化可反映局部应力状态的变化，即b值的下降在一定程度上反映应力的增加或孔隙压的扩散（Scholz，1968；Hainzletal．，2002；Schorlemmeretal．，2005；Leietal．，2007；易桂喜等，2008，2013）。

1.4 ETAS模型统计分析

地震活动的ETAS模型（Sornetteetal．，1999；Helmstetteretal．，2003；Ogataetal．，2003；Ogata，2005）能有效帮助揭示地震活动的变化（Ogata，1992，2005；Zhuangetal．，2002），探测较小的应力变化（Helmstetteretal．，2003），发现有关流体作用的信息（Hainzletal．，2005；Leiet al．，2008）。ETAS模型假设每次地震具有触发其自身的大型余震的震级依赖能力，并用于统计地震活动的特征。定义λ（t）为地震的总发生率，v（t）为与所有先前地震有关的余震发生率，p0为稳定泊松过程的随机背景地震活动，则有：

其中，MC为震级下限，α表示余震发生能力，p为余震衰减率，c为修正的大森定律中的常数。具体参数计算过程可参见文献（Leietal．，2013）。

前述分析方法和建模均已开发为通用软件，并将其嵌入到了GeoTaos软件平台(2)https：∥bem lar．ism．ac．jp／lxl／。。本文直接利用该平台进行统计分析。

2 研究结果

2.1 微地震检测结果分析

微地震检测结果如图2所示。关于模板地震选择，初始地震目录来自中国地震台网中心列出的2 174个M≥1.0的地震事件。利用波形相关方法总共检测到11 130个地震事件（图2a），约为模板地震目录的5倍，震级主要分布在0～2级之间，完整地震目录的震级下限由1.5变为1.0（图2b）。

图2 a模板地震与检测到的小地震随时间的变化；b地震震级－频度关系Fig．2 Template events and detected microearthquakes changing over time（a），and magnitude frequency relationship（b）a红色为模板地震，绿色为检测到的小地震，负震级表示S波或Lg震相的最大振幅小于零级地震；b M C 为完整的地震目录的震级下限，最大似然b值和最小二乘法b值分别用b m l和b ls表示，S E 表示标准误差

2.2 维西－乔后断层附近的地震活动时空分布特征

对维西－乔后断层及其附近区域的地震事件进行检测和定位之后，震中分布如图3所示。可见，区域内地震活动主要受断层及其断层几何结构的影响，在断层末端、断层弯曲、断层阶区以及断层交会等部位，地震丛集特征明显。对于我们关注的维西－乔后断层，除上述特殊断层部位外，沿断层分布的地震并不多，地震事件主要分布在其两侧，其中东侧的地震活动主要受多条NE向断层的控制，而西侧的地震主要丛集于1个NW 向条带中，其北端与维西－乔后断层相距约30km，向S逐渐与维西－乔后断层交会，北端的地震事件具有散布的特征。地震事件显著呈条带状分布的特征表明，维西－乔后断层西侧可能存在隐伏的分支断层。

沿维西－乔后断层从北到南做3条剖面以反映地震的深度分布（图4），将距剖面15km范围内的地震事件投影在剖面上。从结果可见，地震活动整体分布于上地壳，震源深度主要集中在4～16km。由AA′剖面可见，地震丛集于维西－乔后断层西侧约20km处，清楚地勾绘出一条近直立的隐伏断层。BB′剖面也清晰地揭示出地震丛集于隐伏断层上，且距离维西－乔后断层更近。CC′剖面同样显示出隐伏断层的存在，且与维西－乔后断层的影响范围趋于重合。2019年11月25日在这条推测的隐伏断层（靠近BB′剖面）发生了M4.4地震，我们采用gCAP方法（Zhuetal．，2013）计算了震源机制解，获得的断层走向为310°，倾角76°，滑动角为165°（图3，4），表明这条隐伏断层的性质以走滑为主，断层倾角与维西－乔后断层接近。

图3 滇西北地区活断层与2018年2月25日—2019年7月31日期间的地震活动分布图Fig．3 Map view of active faults and seismic activity from February 25，2018 to July 31，2019 in the northwestern area of Yunnan．详细的城市地名和断层名见图1；蓝色实线表示AA′—CC′3个深度剖面；红色虚线表示可能存在的分支断层；2019年11月25日发生的M4.4地震使用震源机制解下半球的投影表示

图4 从AA′到CC′的震源深度剖面分布图，对应于图3中的剖面Fig．4 The focal depth distribution from section AA′to CC′．红色实线表示维西－乔后断层，断层各段的倾角根据地质断层产状测量和震源机制解结果获得（王晓山等，2015；尹凤玲等，2018）；红色虚线表示可能存在的分支断层。2019年11月25日发生的M4.4地震使用震源机制解垂直于深度剖面的投影表示

以检测微地震后的地震目录为基础，选择M1.0作为完整地震目录的震级下限，对维西－乔后断层及其附近地区的地震活动参数随时间的变化进行了统计。图5为地震M－t图及地震频度、能量释放率和b值随时间的变化。可见，在加密观测的近2a，地震活动相对稳定，地震频度、地震能量释放率和b值随时间的变化幅度不大。其中对应力水平具有指示意义的b值在1.0附近波动，在2018年10月和2019年1月2个时间段内，b值下降相对明显，表明应力水平有所增强，在此背景下发生了较大的地震，2019年6月之后b值又出现下降趋势，且地震能量释放率有明显增强的趋势，但总体上b值仍处于较高值，表明应力水平增强有限。

图5 地震活动主要统计参数分布图Fig．5 Distribution ofmain statistical parameters of seismic activity．a地震震级随时间变化图；b地震日频度和能量释放率随时间变化图；c b值随时间变化图，b值通过最小二乘法进行计算，统计参数为固定事件数（100）扫描，步长为20个事件数

此外，对地震活动b值的空间分布也进行了统计。本文选取的地震震级下限为1.0级，最大扫描半径为15km，地震事件数目为30。以（26°N，100°E）为中心，在区域范围内（25°～27°N，99°～100°E）沿经、纬度方向将其均匀地划分为101×101个网格，网格点即为b值的计算点，相邻计算点之间的直线距离约为2.2km。以每个计算点为圆心，向四周逐渐扩大搜索，按照每个地震事件到中心点的距离排序，以第30个地震事件到中心点的距离为最终的搜索范围，基于这30个地震事件采用最大似然法计算b值。如果在某点的最大搜索半径15km范围内没有达到30个地震事件，则该计算点没有b值。如图6所示，总体而言，b值的空间分布差异明显，其中接近和超过1.0的高b值区占主导地位，低b值区主要分布于断层端部、断层拐折部位、断层阶区以及断层交会处等区域，如图6中的S1—S6所示。对于我们关注的维西－乔后断层，仅在断层交会部位和阶区（S1，S3）以及断层西侧的隐伏断层上存在低b值区域。上述低b值区域尺度均较小，一般不超过20km。

图6 滇西北区域添加小地震后的b值空间分布图Fig．6 Spatial distribution characteristics of b－value after adding micro earthquakes in the northwest area of Yunnan．S1—S6表示相对低b值区域，F1—F8所代表的断层详见图1

为了从地震活动数据中检测出较小的应力变化（Ogata，2005）并提取相关的流体信号，我们将ETAS模型应用于检测微地震后的地震目录，其中假设每个地震具有触发其自身的大森型余震的震级依赖能力，并假设区域范围内的地震活动具有恒定的地震发生率。维西－乔后断层及附近地区地震活动的ETAS建模结果如图7所示。在拟合的ETAS参数中，外部触发地震活动的p0为4.504 541，其占总地震发生率的相对百分比为44.1%，表明外部触发机制和自触发机制均非常重要。震级依赖性参数α为0.166，表明后一次地震对前一次地震的震级依赖性很低，即前一次地震引起的应力变化对后一次地震的影响很小。余震衰减率的p值为1.07，接近全球余震衰减值。这表明，维西－乔后断层区域附近接近一半的地震活动受到外部因素的影响，如远程强震的动态触发、地下流体扰动等。

图7 ETAS模型建模统计分析Fig．7 ETASmodel statistical analysis．a ETAS模型统计结果。灰色虚线表示理论地震累计数随时间变化，蓝色实线表示拟合后地震累计数随时间变化；b将实际观测地震活动转化为预测地震活动，其震级随转化时间的变化图，转化时间即为转化地震数

3 讨论

地震活动的时空分布是断层活动最直接的表现。对维西－乔后断层及其附近区域地震事件的检测和定位表明，目前该断层除了一些特殊的断层部位（阶区、交会区等）外，地震活动微弱，地震事件主要分布在其西侧，这与2006—2018年期间的地震活动分布基本一致。其中地震的震中分布揭示在维西－乔后断层西侧可能存在一条隐伏的分支断层，其南端与维西－乔后断层交会，沿NW 走向（310°）向N延伸并可能与澜沧江断层交会。地震事件在剖面上的分布以及2019年11月25日发生的M4.4地震的震源机制解表明，这条分支断层的性质与维西－乔后断层（虢顺民等，1984，1996；向宏发等，2004；张建国，2009）相同，是一条陡倾角的右旋走滑断层，其北端分布的地震事件可能与走滑断层尾端拉张效应有关。

地震频度、能量释放率、b值等统计参数随时间的变化能够在一定程度上反映区域或断层的应力变化。地震活动性分析表明，维西－乔后断层及附近地区地震活动相对稳定，b值在1.0附近波动，表明应力没有显著的增强现象。b值的空间分布可反映断层带应力积累水平的变化，具有低b值的断层段应力水平较高，地震危险性也较高（易桂喜等，2008，2013）。维西－乔后断层及附近地区b值的空间分布表明，大部分断层段的b值都较高（接近或＞1.0），低b值区主要分布于断层端部、断层拐折部位、断层阶区以及断层交会处等容易出现应力集中的区域，其中沿维西－乔后断层的断层交会部位、阶区以及西侧的隐伏分支断层上也存在低b值区域，低b值区域的尺度一般不超过20km，但应关注这些区域特别是隐伏分支断层上发生中强地震的可能性。

ETAS模型（Ogata，1992，2005）能够帮助揭示地震活动的变化、分析影响地震活动的因素。对维西－乔后断层及附近地区地震活动的ETAS模型的统计表明，该区的地震活动容易受到外部因素的影响（比例＞44% ）。影响地震活动的外部因素主要包括深部流体扰动、远程强震的动态触发等（Leietal．，2011）。本文观测到的地震丛集活动与2004年苏门答腊MW9.3地震远程触发的地震活动的位置相似，而远程触发中流体的作用也很显著（Leietal．，2011）。多项研究表明滇西北地区地下流体活动很活跃，且对地震响应很灵敏（付虹等，2013；刘耀炜等，2015；杨竹转等，2018），因此我们认为该区深部流体活动影响断层局部的应力状态、从而触发小地震活动是非常重要的因素。前述2018年10月、2019年1月观测到的b值下降、地震活动增强的现象很可能与区域流体活动的扰动有关。