2021年6月10日楚雄双柏MS 5.1地震发震断层与序列研判

2021-03-19茶文剑金明培李孝宾

地震地磁观测与研究 2021年6期

茶文剑金明培高琼李孝宾黄雅

1）中国昆明 650224 云南省地震局

2）中国云南 671000 中国地震科学实验场大理中心

0 引言

北京时间2021 年6 月10 日19 时46 分，在楚雄州双柏县发生MS5.1 地震（24.34°N，101.91°E），震源深度8 km。此次地震造成震区老旧房屋部分倒塌，砖木和砖混结构房屋局部开裂，未造成人员伤亡。主震发生以后，于当日19 时58 分和21 时52 分分别发生MS3.6和MS3.3 地震。6 月16 日15 时35 分双柏再次发生MS4.2 地震。本次地震发生在楚雄—化念断裂带以西，该区域近年发生的最大地震为2015 年6 月14 日ML4.1 双柏安龙堡地震（24.415°N，101.968°E）。

地震是地壳内部应力长期积累，并突然释放的结果。地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边缘及板块内部产生错动和破裂，从而引发地震。地质学上表现为断层相互运动的结果。震源机制解是以地质学为基础，结合地震方法，对地震的应力来源和构造成因进行解释的一种方法。该方法因计算结果稳定可靠，且能给出矩心深度和矩震级，目前已被广泛应用。地震发生后，不同机构给出此次地震的震源机制解。中国地震台网中心给出的结果为：节面Ⅰ走向300°，倾角69°，滑动角174°；节面Ⅱ走向32.16°，倾角84.4°，滑动角21.11°。中国地震局地震预测研究所给出的结果为：节面Ⅰ走向302°，倾角89°，滑动角177°；节面Ⅱ走向32.05°，倾角87°，滑动角1.0°。Seismology（地震）小组给出的结果为：节面Ⅰ走向300°，倾角88°，滑动角160°；节面Ⅱ走向30.73°，倾角70.01°，滑动角2.13°。显然，不同机构采用不同方法和资料给出的该地震初始震源机制解存在差异，这些震源机制有一定的离散度。为了提高对上述重要问题的认识，利用云南区域台网的宽频带数字地震波形记录，反演了2021 年6 月10 日19 时46 分双柏MS5.1 主震、19 时58 分MS3.6 和21 时52 分MS3.3 以及6 月16 日15 时35 分MS4.2 余震的震源机制解；计算本次地震的空间展布尺度和走向，并结合CAP 反演结果，讨论该地震的发震断层；对双柏5.1 级地震的地震序列进行统计，通过给定的余震时间轴序列计算h值；最后依据矩震级、矩心深度、h值、余震展布尺度等综合分析，对震源区域地震趋势进行分析研判。

1 资料与方法

1.1 台站与数据选取

在地震震源机制的研究中，利用P 波初动和波形反演方法是常用的手段。本研究采用目前广泛使用的CAP 方法。用CAP 方法计算震源机制解时，首先需要确定该地震的观测记录波形数据。由于地下介质结构的各向异性，区域速度模型存在横向差异，因而随着震中距的增加，台站记录到的震相更加复杂。Zhao 等（1994）、Zhu 等（1996）提出利用区域台站波形记录数据反演中小地震震源机制解时，选择震中距不超过250 km 的台站，得出的结果较为可靠。因此，根据不同台站记录波形，经反复挑选，共得到信噪比较高、台站方位角分布较好的9 个云南区域台网宽频带台站（图1）。所选台站最大震中距为178 km，台站方位总体呈大圆路径分布，对震源机制解反演结果的可靠性提供了必要约束。9 个台站较好地记录了楚雄双柏MS5.1、MS3.6、MS3.3 和MS4.2 地震。据吴建平等（2004）提出的云南地区一维平均地壳速度模型（表1），计算格林函数，对所选取台站的地震记录进行波形拟合，确定震源机制解。

图1 震中与台站分布Fig.1 Epicenter and stations distribution

表1 云南地区平均速度模型Table 1 Mean crustal velocity model in Yunnan

1.2 CAP 方法原理

CAP（Cut and Paste）方法基本原理是将宽频带地震记录分成P 波（Pnl 波）和面波2 个部分进行拟合，并允许不同台站记录的不同段波形各自在一定窗长范围内相对移动，从而在适当的时间变化范围内，搜索出合成地震图和观测地震图全局差异最小的震源机制解。该方法的一大优势是反演结果对速度模型和地壳横向变化的依赖性相对较小，而且通过相对提高Pnl 的权重，对震源深度有比较好的约束（吕坚等，2008）。本研究使用经震中距矫正后的绝对误差值作为误差函数（Zhu et al，1996），定义为

式中，u为观测地震位移，s为理论地震位移，r为震中距，r0为选定的参考震中距，p为指数因子。一般而言，取体波p=1，面波p=0.5。

1.3 反演过程

台站记录的原始震相是速度值，首先对原始记录在时域上进行积分和去除仪器响应，再将得到的位移记录从北南（NS）、东西（EW）和垂直（UD）分量旋转为径向（R）、切向（T）和垂向（Z）分量，得到Pnl 波和面波2 个部分，并将Pnl 波震相和面波震相分别在0.05—0.2 Hz、0.05— 0.1 Hz 带宽上进行4 阶Butterworth（巴特沃斯）带通滤波处理。在这个频带上滤波，能够有效截掉长周期地脉动和位移漂移，可以有效降低地壳介质各向异性所带来的影响，也能够充分反映地震波携带的震源信息。经过以上处理，最终得到各台站含有Z、R分量的2 个Pnl 震相和3 个分量的面波震相。

对9 个台站记录的双柏地震波形进行Pg 波初动到时拾取，并使用单纯型定位法，要求残差小于0.2，定位结果为（24.36°N，101.90°E），震源深度6.5 km。中国地震台网正式测定结果为（24.34°N，101.91°E），震源深度8 km。使用单纯型定位法获得相对准确的震源位置后，本研究基于表1 所示地壳速度模型参数，运用CAP 方法，对该地震进行震源机制反演。最后，根据公式（1）给出的误差目标函数进行搜索，得出合成地震图和观测地震图全局差异最小的震源机制解为最优解。

2 结果分析

2.1 反演结果分析

通过CAP 反演，得到了双柏MS5.1 地震的震源机制解、矩心深度和矩震级结果以及9 个宽频带台站的理论地震图与观测地震图的拟合情况（图2）。9 个台共得到18 个Pnl 波和27 个面波，共45 个震相。其中理论地震图与观测地震图的相关系数大于80% 的有34个，占比75.56 %；相关系数大于等于90%的有25 个，占55.56 %；从图3 可以看出，拟合误差随矩心深度呈现标准抛物线型变化，反演最佳矩心深度为8.0 km 左右，反演所得最佳矩心深度与中国地震台网中心正式测定的震源深度8 km 一致，在某种程度上表明了反演震源机制结果较为平稳。理论地震图与观测地震图拟合情况较好，可以判定结果是较为可靠的。反演结果给出的楚雄双柏MS5.1 主震的矩震级为MW5.0，最佳双力偶解为节面Ⅰ：走向301.0°，倾角90.0°，滑动角158.0°；节面Ⅱ：走向31.0°，倾角68.0°，滑动角0.0°；所得震源机制解P轴方位角348.2°，仰角15.4°，T轴方位角253.8°，仰角15.4°。

图2 楚雄双柏5.1 级地震理论地震图与观测地震图红线为理论地震图，黑线为观测地震图，下方上面的数字为理论地震图相对观测地震图的移动时间，下面的数字为理论地震图与观测地震图的相关系数Fig.2 Comparison between the synthetic and the observed seismograms

图3 反演方差及震源机制随不同深度的分布Fig.3 Error plots as a function of source depth

表2 给出利用CAP 方法计算所得双柏MS5.1、MS3.6、MS3.3、MS4.2 地震震源机制解结果。可以看出，3 次余震的震源机制解与主震震源球结果基本一致。双柏MS5.1 地震发生后，不同机构都给出了此次地震主震的震源机制解，而且Seismology（地震）研究小组还根据多家研究机构的结果给出了最优解（表3）。通过与不同机构给出的主震震源机制解进行对比发现，文中得到的结果（节面Ⅰ）与Seismology 小组所得最优解结果（节面Ⅰ走向300°，倾角88°，滑动角160°）比较接近。该小组应用中心解方法，对各机构的初始震源机制解进行归一化，得到震源机制标准差最小解，并视为最优解。而且，不同机构采用不同方法和资料得到的该地震的震源机制解虽略有差异，结果有一定离散度，但总体较为一致，表明本研究所得反演结果较为可靠。

表2 楚雄双柏MS ≥3.0 地震序列震源机制解Table 2 Focal mechanism solutions for the Chuxiong Shuangbai MS ≥3.0 earthquake sequence

表3 不同机构给出的楚雄双柏MS 5.1 地震震源机制解Table 3 Focal mechanism solutions for the Chuxiong Shuangbai MS 5.1 earthquake given by different institutions

2.2 发震断层判定

据云南省地震局现场工作队烈度调查结果，此次双柏5.1 级地震最高烈度为Ⅵ度，宏观震中位于楚雄州双柏县安龙堡乡法念村委会附近。震区断裂交汇，活动构造复杂，距本次地震较近的断裂（图4）有NE 走向的元谋—绿汁江断裂南延段（F1）和NW 走向的楚雄—化念断裂（F2），而楚雄—化念断裂（F2）距震中相对较远，且走向与余震分布长轴方向不一致，可以排除为发震断层的可能性。距离震中较近，且断层走向与余震长轴方向大体一致的断裂是元谋—绿汁江断裂南延段（F1），但由地震序列的空间分布来看，主震及余震分布在F1断裂带西北方向，且与震中区域距离约10 km，这与震源机制显示的破裂面走向31°，地震应该分布在断层线东南侧不符，且断层面倾角为68°，接近垂直，因而余震分布应该不会距离断层线10 km 这样远，因此排除元谋—绿汁江断裂南延段（F1）为发震断层的可能性。结合余震分布的长轴方向和震源机制解中断层面走向和倾角等参数，初步判定，本次地震的发震断层为一条不知名断裂，且大致沿图4 中的AB线展布，走向 NNE31°，断层线AB的长度约为7 km，余震展布宽度约3 km。根据余震展布的长轴方向和宽度判定双柏MS5.1 地震的断层面应该是震源机制解最佳双力偶解之节面Ⅱ：走向31.0°，倾角68.0°，滑动角0.0°，发震构造为大致沿AB方向的小规模不知名断层，震源机制显示为左旋走滑性质。

图4 双柏 MS 5.1 地震余震序列空间分布Fig.4 Spatial distribution of aftershocks of Shuangbai MS 5.1 earthquake

3 地震序列的早期趋势判定

3.1 地震序列h 值

截至6 月16 日，云南测震台网共记录ML≥0 地震478 次，其中0 ≤ML＜ 1.0 地震308 次，1.0 ≤ML＜ 2.0 地震141 次，2.0 ≤ML＜ 3.0 地震23 次，3.0 ≤ML＜ 4.0地震3 次，4.0 ≤ML＜ 5.0 地震2 次，ML≥ 5.0 地震1 次。该地震序列M—t图见图5。h值是修正后的大森公式（刘正荣，1979；刘正荣，1984）中地震频度随时间的衰减系数，在地震序列判断中被广泛应用，选取6 月10 日20 时到6 月16 日24 时数据记录，根据震级— 频次图（图6 左上角）统计结果得出最小完整性震级，取ML0.6，采用Mapsis 软件计算得到h=1.78。

图5 2021 年双柏MS 5.1 地震序列ML ≥0 地震M—t 图Fig.5 M-t diagram of the Shuangbai ML ≥0 earthquake sequence in 2021

3.2 地震趋势判定

一次强震发生后，后续地震的发展趋势被普遍关注。因此，在震后快速判定地震类型，及时跟进震情趋势研判，对防灾救灾工作具有重要意义。本研究计算得到h=1.78 ＞1.0（图6），可初步判定此次地震序列为主震—余震型，预测最大余震震级为MS3.9，实际发生的最大余震震级为MS4.2，两者基本吻合。

图6 双柏地震MS 5.1 地震h 值计算结果Fig.6 The h value of the Shuangbai MS 5.1 earthquake

Wells 等（1994）根据全球震例总结并建立了矩震级与地震破裂面积之间的经验关系式：lgRA=a+bMW，式中，RA表示断层面面积，对于走滑型地震，a取-3.42（±0.18），b取0.90（±0.03），其标准偏差一般在0.22 以内。根据上述研究结果，取断层面为长7 km，宽3 km，则计算得到理论矩震级约为5.27±0.22，与实际矩震级MW5.0 接近，表明此次地震破裂释放能量较充足后续发生更大地震的可能性较小。