2021年云南漾濞MS6.4地震震源区断层系统的几何复杂性

梁姗姗 徐志国 张广伟 邹立晔 刘艳琼 郭铁龙

1)中国地震台网中心，北京 100045 2)国家海洋环境预报中心，北京 100081 3)应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085

0 引言

图1 a 漾濞震区周边活动断裂与MS>5.0历史地震分布； b 漾濞MS6.4地震序列震中分布； c 漾濞地区地震M-T图Fig. 1 a Active faults and historic earthquakes(MS≥5.0) around the Yangbi earthquake region，b the epicenter distribution of the MS6.4 Yangbi earthquake sequence，c and M-T diagram for earthquakes occurring in the Yangbi region.红色五角星为漾濞MS6.4主震，断层数据来自中国地震局地质研究所(2)

漾濞地震发生在喜马拉雅东构造结东南部的滇西地区，属于南北地震带的南部，是青藏高原东部地壳块体旋转挤出的重要通道和构造转折带(Tapponnieretal.，1982)。 由于印度板块的NE向俯冲，区内构造运动强烈，历史上中强地震活动频繁。 自1970年以来，漾濞周边地区曾发生5级以上地震127次，其中7级以上地震3次，包含1976年龙陵7.3级和7.4级双震，以及1996年丽江7.0级地震(韩竹军等，2004)(图1a)。 近十余年，研究区及周边地区曾发生多次6级左右地震，如2008年攀枝花MS6.1、 2009年姚安MS6.0和2014年盈江MS6.1地震。 区域内地质结构复杂，断裂发育，分布着怒江断裂、 红河断裂、 澜沧江断裂等一系列大型断裂。 从地震发生位置来看，距离漾濞MS6.4地震最近的断裂为维西-乔后-巍山断裂，其走向为300°，倾角为70°，表现为以右旋走滑为主的错动方式。 沿该断裂曾发生过2017年3月37日漾濞MS5.1、MS4.8双震型地震(潘睿等，2019)。 此次地震序列类型表明，漾濞MS6.4地震为前震-主震-余震型地震，主震之前曾发生多次中小规模地震，之后发生6.4级强震。 在如此短的时间内发生多次中等强震，其孕育机制值得思考和研究。 为此，我们对漾濞地震序列前震和余震的分布、 震源区的应力状态及地震发震的构造环境开展了细致分析，探讨此次地震的发震模式及其区域构造意义，研究结果能够为地震序列发展趋势和川滇地区未来的地震危险性评估提供科学依据(万永革等，2009； 房立华等，2014； 徐锡伟等，2014； 张广伟等，2014； 易桂喜等，2019； 梁姗姗等，2020； 徐志国等，2020)。

1 数据与方法

图2 双差重定位(a)和全矩张量反演(b)所用台站分布Fig. 2 Stations for double difference earthquake relocation(a) and full moment tensor inversion(b).

本研究采用双差定位方法对地震序列进行重新定位(Waldhauseretal.，2000)，反演时将P波的权重赋值1.0，S波的权重赋值0.5，事件对的距离阈值为5km。 采用最大似然法计算震源区b值(Aki； 1965； Wiemer，2001； Marzocchietal.，2003)。 在进行全矩张量反演的过程中(Sokosetal.，2008)，采用双差重定位后的地震基本参数，以震中位置为起始点，震源深度方向的搜索范围为1～11km，深度步长为1km，矩心时间偏移的搜索范围设为发震时刻前后3s，时间步长为0.05s。 格林函数采用离散波数法(Kennettetal.，1979； Bouchon，1981)计算得出，采样频率为1Hz。 利用Vavryuk(2014)提出的STRESSINVERSE方法反演漾濞震区的区域构造应力场。

2 结果与分析

2.1 地震序列重定位

通过双差重定位，最终获得了150个漾濞MS6.4地震前及3083个地震后事件的重定位结果(图 3，表1)，图 3 详细地展示了漾濞地震序列重定位震中分布与剖面图。 可以看出，地震序列有明显的优势分布方向，呈NW向 “A”字形展布，展布长度约为30km，表现为北端窄、 南端宽的形态，且余震在南端呈现出多条分支断裂特征(龙锋等，2021)； 主震附近以东约7km处存在一地震丛集，主要为后期余震。

表1 4次MS≥5.0地震的重定位结果Table1 The relocation results of 4 MS≥5.0 earthquakes

图 3 漾濞地震序列重定位震中平面与剖面图Fig. 3 Top view and cross sections map of the relocated Yangbi sequences.a 重定位后地震震中分布； b 地震在AA′上的投影，AA′为沿余震走向方向的剖面； c—g 地震在BB′、 CC′、 DD′、 EE′和FF′上的投影，BB′、 CC′、 DD′、 EE′和FF′为垂直余震走向的剖面。五角星和圆表示地震序列，其大小对应震级 大小，不同颜色代表地震相对主震的发生时间

沿地震序列走向的AA′剖面显示，余震主要分布在主震上方，且震级较大的地震位于余震序列的底部； 震源深度自NW至SE向呈现出两端浅、 中间深的趋势，MS5.6前震震源位置处达最深。 垂直于地震走向的3条剖面BB′、CC′和DD′均显示发震断层近直立，符合走滑型地震余震分布特征。 另外值得注意的是，BB′剖面存在2条明显的断层面，相距约7km，断层面间地震稀疏，且靠近主震E侧的地震主要为后期余震。DD′、EE′和FF′深度剖面余震的分布范围逐渐加宽，包含多条次级发震断层面。

不同时间段的精定位结果显示，漾濞地震序列具有明显的时空变化特征(图 4)。 主震前的前震序列呈现出往返迁移现象，表现为前震序列先向NW扩展，在破裂过程中可能遇到障碍体阻挡，随后折返向SE扩展(图4a)，这与2011年盈江MS5.8地震的前震表现出类似的特征(Leietal.，2012； 赵小艳等，2012； 黄浩等，2014)。 主震后的1h内发生了2次5级余震，余震主要分布在主震附近及其南端，清楚地呈现出NW-SE向条带状分布，而前震所发生的区域余震较少，表明该区域的能量已经得到一定程度释放(图4b)。 另外，主震发生后4h内，余震主要集中在主震附近，而之前余震较少的区域余震数量逐渐增加(图4c)； 24h内，主震NW侧的余震数量继续增多，NE侧出现零星的余震(图4d)； 48h内，余震展布特征与震后24h类似，震源区南段余震活跃(图4e)； 7d以内的余震分布显示，主震NW和NE侧的余震数量均增多，并在维西-乔后-巍山分支断裂间有一小簇余震发生，其优势展布的方向性不明显，我们将在后文联合地震矩张量解探讨其可能的机制。 从整体上看，余震序列在断裂的南段最为密集，结合中国地震局地球物理研究所给出的破裂过程结果分析表明此次地震的能量主要集中在约前8s内释放，滑动极值区位于震中SE方向(3)http:∥www.cea-igp.ac.cn。，这与漾濞余震的时空分布类似，表明余震分布与主震破裂特征具有较好的一致性(梁姗姗等，2018)。

图4 不同时间段的漾濞地震序列震中分布Fig. 4 Epicenters distribution of Yangbi earthquake sequence at various time periods.

2.2 震源区b值

本文使用了2021年5月18日—6月4日云南省地震快报目录资料，采用最大曲率法获得漾濞地震序列的最小完整震级MC=1.8。 在计算研究区域b值时，只选择ML≥1.8地震事件参与计算，获得地震序列整体的b值为 0.75±0.02。 图5a为漾濞地震序列震源区的b值随时间变化的曲线，每个时间窗内地震的最小样本数为50个。 从图4a中可以看出，MS6.4主震前b值具有上升趋势，表明震前震源区应力积累已开始逐步得到释放，可能和本次地震序列类型是前震-主震-余震型有关，前震的发生使得震源区释放了部分能量。 但在主震后一段时间内(截至2021年5月26日4时33分)，b值的变化幅度极大，这可能与这一时间段中小地震较为发育有关； 随后，b值逐渐变缓，波动的周期逐渐变大，幅度变小，高于5月18日震源区的平均b值。b值随时间的变化表明，漾濞主震发生前存在应力释放过程，震后余震活动比较剧烈，导致b值的变化范围也较大。

图5 a 漾濞地震序列b值随时间的变化； b b值随深度的变化Fig. 5 Temporal variation of b-value before and after Yangbi sequence(a)and depth variation of Yangbi earthquake sequence(b).

为进一步分析震源区b值随深度变化的特征，本研究基于重定位地震目录计算了不同深度上的b值，地震最小样本数为120个，结果如图5b所示，图中横线代表深度统计区间，纵线代表深度误差棒。 该图显示b值具有随震源深度增加而明显减小的特征(Wiemeretal.，1997)，汶川余震序列和云南地区的b值随深度变化的结果均显示出类似的特征(王俊等，2009； 张广伟，2016)，这意味着b值与地壳介质复杂程度和岩石静压力密切相关。 在地壳浅部，介质高度复杂，岩石静压力较低，破裂程度高，表现为高b值； 而随着深度增加，岩石静压力也随之增加，破裂程度变低，地壳物质趋于均匀，表现为低b值。 在漾濞地震序列震源区，该特征在深度5～9km最为明显，表明漾濞震源区中强孕震层在5km以深。 从图5b中还可以看出，当深度为5～6km时，b值有明显的振荡特征。 产生这种现象的原因可能是由于这次地震的破裂区顶部位于5～6km深处，可能反映这个深度的应力释放比较充分。

2.3 地震全矩张量反演

我们采用近震全波形反演方法对漾濞地震序列中MS≥4.0地震开展全矩张量反演，基于单一点源模型在时间和空间范围搜索震源机制的最优解。 将震源机制反演得到的波形互相关系数作为震源深度的函数，反演不同深度的震源机制解，以相关系数最大的震源深度和震源机制解作为最佳结果。 以2021年5月18日MS4.2地震为例，得到的MS4.2地震的最佳矩心深度是5km，浅于双差定位结果中该地震的初始破裂深度，可能的原因将在下一章节进行说明。 震源机制结果显示此次地震为高倾角的走滑型地震(图 6)。 图 7 展示了5km深度处该地震的理论与实际波形拟合图，平均方差减少量VR(Variance Reduction)为0.78，VR为表征观测波形和理论波形的拟合度的重要参数，通过式(1)计算得出：

图6 2021年5月18日MS4.2地震波形拟合的相关系数随矩心深度的变化Fig. 6 The correlation coefficient between synthetic records and observations versus the centroid depth for the MS earthquake on May 8, 2021.

VR=1-∑(o-s)2/∑o2

(1)

其中，o和s分别表示观测波形和理论波形。 由图 7 所示，参与反演台站的实际波形和理论波形拟合较好，表明速度模型及地震波形滤波频段选择合理，反演结果可靠。

图7 2021年5月18日MS4.2地震全矩张量解反演对应的三分量理论(红色)和观测(黑色或灰色，灰色未参加反演)波形拟合图Fig. 7 The waveform best fitting of the three-component recording between synthetic waveforms(red)and observation waveforms(black or gray，the gray is not used in the inversion)for the MS4.2 earthquake on May 18，2021.波形下方数字表示波形拟合方差； 右侧大写字母表示台站名

图8 漾濞地震序列震源机制解的分布，虚线为可能的断层迹线分布Fig. 8 Focal mechanism solutions for Yangbi earthquake sequence. The dashed lines indicate the distribution of the possible fault traces.

2.4 震源区应力场

我们利用本研究获得的震源机制解对漾濞震源区开展应力场反演。 为了约束应力场反演结果的稳定性，对输入断层面参数的走向角、 倾角和滑动角加入标准差为10°的随机噪声，即在断层法向和滑动方向加入10°的随机噪声(断层法向和滑动方向加入的随机值互相垂直)，进行200次迭代联合反演，获得了如图 9 所示的稳定结果。 从应力体系上看，震源区最大水平主压应力轴σ1的方位为SN向(4.8°)，近垂直，最小主压应力轴σ3的方位为EW向(266.3°)，近水平。 反映主应力相对大小的应力形因子R约为0.28，表明该区域主压应力轴与中间应力轴的相对应力差别较小，而主张应力轴与其他2轴的应力值相差较大。 该应力场反演结果表明，漾濞震源区整体的背景应力场具有近SN向挤压、 EW向拉张的应力场特征，这与应急管理部国家自然灾害防治研究院利用震中历史震源机制解得出的区域构造应力场(4)http:∥www.ninhm.ac.cn。及GPS观测所反映的地表最大主应力分布方向基本一致(Wangetal.，2020)(图 1)，表明震源区的应力状态可能主要受到背景大尺度构造应力场的控制。

图9 漾濞MS6.4地震震源处应力场反演Fig. 9 Stress field inversion of the MS6.4 Yangbi earthquake focal region.a 主应力轴的置信分布； b 应力形因子R值的频度分布

3 结论与讨论

3.1 讨论

3.1.1 震源深度

本研究利用近震全波形方法所获得的矩心深度主要集中在4～9km，比双差定位方法所得到的相对定位震源深度浅，二者存在一定差别。 为检验速度模型不确定性对双差定位深度的影响(Longetal.，2019)，我们进一步基于Yang等(2020)在研究区的平均一维速度模型对地震序列进行重定位，表1 为4次5.0以上地震采用2种速度模型所得到的相对定位震源深度，可以看出2种速度模型所给出的4次地震的震源深度较一致，说明重定位结果具有稳定性和可靠性。 而本研究基于2种方法得到的定位深度的差异可能是由于矩心深度和相对震源深度所表达的不同物理意义造成的： 全波形反演方法得到的深度是反映破裂面的质心深度，代表了能量释放集中的破裂点； 而双差定位采用震相走时反演获得的震源深度，反映了地震初始破裂点。 整体上看震源初始破裂深度主要集中在15km以浅(图 3)，而矩心深度相对较浅，可能反映断层的破裂主要向浅部延展。

3.1.2 地震非双力偶成分

漾濞地震序列中10次MS≥4.0中强地震的全矩张量解显示各向同性体积分量(ISO)和补偿线性矢量偶极子分量(CLVD)均很显著(表2)，反映了漾濞震源区发震震源或介质的复杂性。 当地震震源破裂面为非平面结构或地震破裂没有沿单一断层面滑动时，容易产生较强的非双力偶机制(Vavryuk，2002)。 本次漾濞地震是发生在分支断裂交会的区域，且震源区有多条NW向及NE向断裂交错分布，从而产生较大的非双力偶成分。 前人的研究结果表明，震源区高孔隙流体作用于断层同样会产生较强的非双力偶成分(张广伟等，2015； Xuetal.，2020)，“下地壳流模式”(Roydenetal.，1997)表明川滇地区深部存在热物质向浅部运移的动力环境，南北地震带中下地壳内存在大范围的低速层( 王苏等，2015； 徐小明等，2015)，但分布的几何形态较为复杂。 依据地震空间分布形态和地震全矩张量解中非双力偶成分的相对比例，我们推测地震事件10(图 8，表2)的发生与流体作用密切相关，而其他地震事件的非双力偶机制成因更有可能是破裂的非平面滑动所造成。 当然，漾濞地震序列是否有流体参与，需要结合区域精细的三维速度结构、 电性结构和地震空间扩散率等结果开展进一步分析。

3.1.3 地震孕震环境

漾濞震区的主要断裂为NW向维西-乔后-巍山断裂，全长达280km，断裂走向320°～340°，倾向SW或NE，倾角60°～80°。 该断裂是红河断裂NW向的延伸，属于其分支断裂，向N与金沙江断裂相接，两者共同构成川滇菱形块体的西边界(任俊杰等，2007)。 野外地质考察显示，该断裂早期以正断性质为主、 右旋走滑为辅； 第四纪以来断裂以右旋走滑为主、 张性正断性质为辅(汤沛，2013)。 主震位于维西-乔后-巍山断裂W侧约8km，早期漾濞余震序列主要沿NW向分布，与维西-乔后-巍山断裂平行。 序列中包括主震在内的震源机制以右旋走滑为主，这与维西-乔后-巍山断裂性质一致。 因此本研究认为漾濞MS6.4地震的发震构造为维西-乔后-巍山断裂W侧的一条分支断裂。

余震精定位和震源机制反演结果均显示，漾濞地震序列扩展和破裂方式具有不对称的分布特征，早期余震主要集中在主破裂面附近，而后期的余震主要为主震触发其他分支断层所产生(Freed，2005)，因此我们认为NW向断裂与NE向的断裂共同控制漾濞地震序列的发震形态，前者起主控作用，后者则促进了余震的频繁发生。 因此，本研究结果支持存在多条NW和NE向的次级小分支断裂，说明震源区的断层几何结构复杂(龙锋等，2021)。

自古近纪晚期以来，印度板块向欧亚板块碰撞俯冲使得震源区许多深大断裂出现以走滑为主的运动； 第四纪以来，受喜马拉雅运动晚期活动的影响，震源区的主压应力由近EW向转变为NW向，最后转变为NNW向，在近SN向主压应力作用下发育了大量的NNW向和近SN向正断层(徐锡伟等，2003； 黄小龙等，2015)。 本次漾濞MS6.4地震发生于川滇地区的宝山次级块体内部，由于该块体边界断裂带受到缅甸板块西北部分挤压和东北部分拉张作用影响，因此相比于川滇地区其他次级块体，宝山次级块体表现出明显的顺时针旋转特征(程佳等，2012； 罗钧等，2015)。 本次地震序列所呈现的右旋走滑机制，直接反映了高原物质向E逃逸，导致川滇地块SE向滑移的构造运动特征。 另外，主震NW侧和NE侧的余震数量较少，前人得到的近震体波层析成像结果显示在该区域中下地壳表现为明显的高速异常(邓山泉等，2020)，推测高速体可能在一定程度上阻挡了余震向N扩展。

3.2 结论

本文对2021年云南漾濞MS6.4震源区地震精定位、 地震序列b值、 10次MS≥4.0地震震源机制以及区域构造应力场开展了研究，初步分析了此次地震的发震构造，获得了如下认识：

(1)前震序列和余震序列无论在震中分布还是时空分布方面均存在明显差异，前震主要在NW-SE向呈条带状分布； 而余震主要在NW和NE方向分布，呈不对称共轭断层分布形态。 NW向地震带南端存在多组不同走向的余震分布，可能是由于多个次级断裂同时在此次地震中发生破裂所致。 另外，地震时空分布特征显示，前震展现出NW-SE向往返迁移的特征； 主震后的早期余震主要呈NW-SE向分布，且前震区余震较少，主震周围及断裂南段余震分布较为密集。

(2)利用云南省地震快报目录计算得到的漾濞震源区的b值显示，主震前该区b值已有上升趋势，表明震前震源区应力积累已开始逐步得到释放，可能和本次地震序列类型为前震-主震-余震型有关； 而主震后b值变化幅度较大，可能反映余震活动较为剧烈，应力释放变化较大。

(3)结合余震展布状态和震源区的构造分布，本研究认为漾濞MS6.4主震是一次高倾角的右旋走滑型地震事件，发震断层可能是与维西-乔后-巍山断裂平行的NW走向的次级断裂； 同时，地震矩张量包含明显的非双力偶分量，推测与震源破裂面的非平面结构和局部流体作用有关，而发震断裂南段震源破裂走向的差异性也说明了震源区存在多组次级分支断裂。

(4)利用震源机制反演得到的漾濞震源区处于近SN向挤压、 EW向拉张的构造环境，与GPS观测所反映的背景地表最大主压应力方向一致，表明震源区应力状态主要受到背景大尺度构造应力场控制。

致谢中国地震台网中心刘杰研究员和蒋海昆研究员在本项研究工作中给予了帮助； 审稿专家提出了宝贵意见，使得本文成稿的质量获得了很大提升； 中国地震台网中心和云南省地震局为本研究提供了宝贵的震相观测资料和地震波形数据。 在此一并表示感谢!