云南小江地区小震震源机制及构造应力场研究

1.北京大学理论与应用地球物理研究所, 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; 2.云南省地震局, 昆明 650225; †通信作者, E-mail: yeayzs@sohu.com (杨周胜), zsy@pku.edu.cn (周仕勇)

摘要利用云南小江断裂带密集地震台阵的区域地震波形观测资料, 对台阵覆盖区 2016—2019 年的地震事件进行定位, 获得 674 个地震的定位结果。通过 P 波初动极性与 S/P 振幅比方法(HASH)反演, 确定其中 222个小地震的震源机制解, 进而通过 MSTASI 程序反演小江区域构造应力场。结果表明, 小江断裂带周边地震以左旋走滑为主, 由震源机制反演得到的主压应力方向为 NW-SE 向, 与前人研究结果以及区域 GPS 观测结果有较好的一致性。初步分析显示, 与小江断裂带北段相比, 小江断裂带中南段受到的水平构造压应力略为减缓, 可能与区域构造应力的释放有关。

在印度板块与欧亚板块碰撞作用下, 青藏高原与东侧稳定的华南块体之间形成结构复杂、地壳运动和形变特点突出的川滇菱形块体。川滇菱形块体的应变集中区及边缘具有发生地震的构造背景, 其各边界断裂带的破裂运动特征一直是研究热点。作为川滇菱形块体东侧的主要活动断裂之一, 小江断裂带因其存在断层交汇以及地震活动强烈等特点受到广泛关注。小江断裂带全长约 400km, 处于南北地震带[1‒2]之上, 毗邻华南地块, 断层走向近似为南北向, 其间密布多条次级断裂, 断层的几何形态和运动状态均比较复杂。易桂喜等[3]研究小江断裂带的应力空间分布, 得出小江断裂带北部强震危险性较高的结论。李乐等[4]利用断裂带周围板间的重复地震资料, 估算小江断裂带不同断层的滑动速率, 结果显示其滑动速率分布在 4～10mm/a 之间。朱爽等[5]基于 2009—2013 和 2013—2015 两期 GPS 数据, 计算得出小江断裂带的滑动速率有加大的趋势, 判断该区域左旋走滑运动有微弱的增强。总之, 小江断裂带具有地震活动活跃、大震危险性高以及构造复杂多变等特性。针对该区域地震事件分布情况、主要震源机制解类型以及应力场的构造取向等, 对小江断裂带进行系统而全面的分析非常必要, 并且意义重大。

以往针对小江地区的震源机制解以及应力场研究多以中小地震为主, 采用多种小震震源机制的反演方法。许忠淮等[6‒7]依据 1975—1984 年间多个小震的 P 波初动方向数据, 推断小江断裂带附近的压应力主轴方向大致为 NNW-SSE 向。吴建平等[8]利用云南数字台网记录的区域波形资料, 通过波形匹配算法, 系统地分析了小江断裂带区域附近中小地震震源机制解的类型及水平应力主轴的展布, 得到以走滑机制为主的震源机制解结果和 NNW-SEE 的应力主轴方向。毛玉平等[9]分析小江断裂带新构造运动以来的活动, 并将其归结为左旋走滑运动和东西两侧地块的垂直差异运动两大类。严川等[10‒12]开发反演震源机制解的广义极性振幅技术(GPAT), 并将其应用在巧家台网中, 在小江断裂带北部得到以左旋走滑为主的震源机制解分布类型。

本文利用 2016—2019 年小江断裂带流动台阵获取的最新数据, 采用较为成熟的震源机制解反演程序 HASH [13‒14]以及应力场反演程序 MSTASI [15], 对小江断裂带周边的震源机制解以及构造应力场展开研究。在获得震源机制解以及区域应力场反演结果的基础上, 尝试分析构造应力场沿断层走向的相对变化。

1 数据与方法

本研究所用数据来源于 2016—2019 年北京大学周仕勇课题组联合中国地震局地球物理研究所许力生研究员布设的以宽频带仪器为主的流动地震台阵以及小江断裂带周边的两个固定台站——昆明台和东川台。流动台阵沿南北走向覆盖小江断裂带的主断层结构, 平均台站间距小于 20 km (图 1)。利用Zhou 等[16]开发的自动化微震识别算法 PALM, 结合Crazyseismic 软件[17], 通过人工挑选得到包含 1866个地震事件和约 15000 个 P 波震相到时的地震目录, 其中震相记录包含每一个地震事件的震中距小于120km 台站的可识别记录, 平均 P 波震相记录数量大于 8。

采用 HYPOINVERSE 程序[18], 对筛选出来的1866 个地震事件(图 1(a))进行重定位, 所采用的速度模型参照文献[19]。经过重定位后, 选取 P 波记录数大于 5, 到时残差小于 0.5s, 水平定位误差小于 3km, 垂直定位误差小于 5km 的地震事件, 共挑选出 674 个符合条件的事件(图 1(b))。这些地震事件多数分布在小江断裂带主断层附近, 少数有丛集现象。

针对速度结构不确定性较大的问题, 中小地震的震源机制解反演常采用 P 波初动与 S/P 振幅比联合反演技术。由于 P 波初动和 S/P 振幅比对速度结构不敏感, 这两种资料通常只需要大致准确的一维速度结构, 而不涉及精确的格林函数计算过程。本文采用的 HASH 算法即基于初动与 S/P 振幅比的联合反演技术, 考虑了地震深度、一维速度结构以及P 波初动极性等数据的不确定度, 对同一地震事件采用不同的地震深度和不同的速度结构组合来反演地震震源机制, 并对所有结果进行聚类, 然后返回可能的震源机制解。HASH 程序的源代码是 S 波与P 波的振幅比。本研究中, 考虑到 SH/P 振幅比资料的稳定性较好, 容易进行自由界面校正, 对 HASH程序的源代码做了修改, 使其振幅比误差目标函数变为 SH/P 的误差。

HASH 程序中输入的 P 波初动和振幅比资料分别来自人工拾取和自动截取。对共计 6688 组 Z 分量数据的 P 波初动极性进行人工拾取, 采用传统的分类方法判断初动极性的正负, 并筛选出极性清晰可读、质量较好(impulsive)的 2490 条极性数据。使用 Obspy 软件[20], 对所有地震事件的三分量速度记录进行 1～15Hz 的滤波, 并积分得到位移记录。由于地震位置已知, 我们直接将位移记录转到RTZ方向上。截取人工拾取的 P 波初至到达的前 5s 至后 2 s 的三分量数据段, 估算 S 波初至到时, 并截取前2.5s 至后 5s 的 T 分量数据段, 取其中最大位移振幅值, 并计算振幅比。

我们对振幅比资料进行自由界面校正和台站校正。自由界面校正消除台站实际记录的地震波形与入射地震波之间的差异。对于所有的震相记录, 利用台站与震源的相对位置和速度结构, 推算入射波的入射角度, 并根据入射角度, 将台站记录的位移振幅比恢复为 SH 波与 P 波入射波的振幅比[21‒22]。台站校正是针对台站下方场地效应的经验性校正方法, 用来比较理想条件下振幅比资料的理论与实际分布情况, 校正台站下方介质引起的振幅比资料的整体偏差。可以近似认为, 经过台站校正的振幅比资料去除了衰减带来的影响。台站校正处理流程参照文献[14,23]。

由中小地震事件的断层面解反演区域应力场, 常常采用法向应力反演技术。法向应力反演是基于Wallace-Bott 假设, 默认断层滑动沿断层面上的剪切应力方向发生的地应力张量求解技术。我们采用Hardebeck 等[24]提出的 SASTI 算法, 使用 Martinez-Garzon 等[15]依据法向应力反演方法开发的 Matlab程序包, 从 HASH 输出的震源机制解资料出发, 反演小江断裂带的区域应力场。

2 反演结果

2.1 震源机制解反演结果

将 674 个地震事件的 P 波初动和振幅比资料作为输入, 反演所有地震事件的震源机制解。考虑到HASH 算法的多解性, 并非每一个地震事件都能得到可靠的解, 需要对所得结果进行质量评估。本研究综合利用多种指标(表 1)来判断结果的质量, 并对震源机制解进行分级和筛选。结合 HASH 程序中基本的质量评定标准, 只有两次质量评级均在 C 或C 以上, 或者第一次评级为 A, 第二次评级为 D 或D 以上的解才会被保留。

经过反演和筛选, 共得到 222 个确定性较高的地震事件的震源机制结果。依据 P, T 和 B 这 3 个主轴的倾角, 将震源机制分成走滑型、正断层型、逆冲型和不确定型 4 个类型, 其数量分别为 103, 75, 17 和 27, 在地震事件总数中的占比分别为 46.4%, 33.7%, 7.7%和 12.2%。图 2 展示 4 种震源机制解的反演结果。

从整体上看, 小江中段和南段的震源机制解以走滑型为主, 正断层型次之, 逆冲型较少, 与前人研究结果[8,10]大致相同, 但本文反演结果中正断层型地震事件的占比略高于前人的反演结果。

说明: Varest 为断层面角度的不确定度数, Prob为该组解占所有可能解的比例, Q-Number 为符合条件的解的总数量, Bad Pol 为错误初动极性百分比, STA cover 为台站程度覆盖百分比, SH/P error 为振幅比误差。

从细分类型来看, 小江地区走滑型震源机制解的断层面几乎都沿着南北方向展布, 得到的断层面解很好地刻画了小江主断裂带的南北走向特征。在此基础上, 假设破裂沿南北断层面发生, 则绝大多数沿小江断裂带主断层分布的走滑型震源机制解都是左旋走滑, 与整个区域的构造背景非常吻合。零散的几个右旋或不明确的走滑事件主要分布在构造复杂或远离断层带的区域。

总而言之, 对于走滑类型的事件, 震源机制解沿着断层较为均匀地分布; 对于其他类型的事件, 则集中在小江中段偏北的次级断层汇聚部位发生。35%的走滑事件和 55%的其他类型事件都发生在该次级断层汇聚处, 我们推测导致该区域复杂的震源机制解构成的原因, 是其附近存在多个不同方向的次级断层。在该区域以外的区域, 走滑事件占到所有事件类型的 55%以上, 构成该区域震源机制类型的绝对优势。

我们进一步统计 222 个地震事件 P 轴和 T 轴的空间方位分布, 结果见图 3。P 轴的方位分布集中在 NWW-SEE 方向。整体的象限分布符合区域构造应力场研究结果[25]和 GPS 观测结果[26]。T 轴的方位角分布更集中, NNE-SSE 为其优势方向。

2.2 应力场反演结果

将 HASH 反演得到的 222 个地震事件的震源机制解作为输入。考虑到研究区域较小、地震活动分布不均匀以及程序反演得到稳定结果的条件是至少有 30 个震源机制等因素, 我们仅尝试以北纬 25.7°为分界线, 将研究区划分为南部和北部两个区域, 分别反演其平均应力张量。客观起见, 反演过程中不加入任何先验条件, 将每个地震事件的两个节面都作为可能的断层面输入程序中, 并将正确断层面数量的比例保持在默认值 0.5, 阻尼值采用默认值2000。反演结果如图 4 和 5 所示。

图4显示, 应力主轴的方向在南北两个区域中没有明显的差别, 最大压应力轴接近竖直, 次大压应力轴与最大压应力轴拥有同样 NWW-SEE 的展布方向, 与 2.1 节中 P 轴反演结果一致, 最小压应力轴则与 T 轴的展布方向基本上一致。虽然最大压应力轴和次大压应力轴的倾角不确定度较大, 但我们重点关注的 σHmax 方向的不确定度较小, 基本上集中在 305

左右。应力轴的展布方向表明, 虽然小江断裂带中段和南段的构造活动以水平向为主, 震源机制也以走滑类型为主, 但最大压应力主轴仍然是竖直方向。这种结果的出现或许与震源机制解目录中存在较多的正断层事件有关。

与最大和次大主应力轴相比, 最小主应力轴的方位和倾向都被约束得非常好, 为近水平的 NNE-SSW 方向, 且与 2.1 节得到的T轴方向相近。

我们还分别计算了南北两个区域的 R 值:

R 值表征 3 个方向主应力的相对应力大小, 主要体现为中间应力轴更加偏向于压应力还是张应力, 可以在一定程度上给出应力场的取向信息。如图 5 所示, 南部区域和北部区域的 R 值均较小, 意味着整个小江断裂带的中间应力轴明显偏向压应力, 且最大压应力与次大压应力较为接近, 而最小压应力轴的应力值显著小于最大压应力和次大压应力。

Fig. 4 Orientations of main axes of stress for north and south part of Xiaojiang Fault Zone

3 讨论与结论

3.1 讨论

本文的反演结果显示, 与小江南段(南部区域)相比, 小江中段(北部区域)的 R 值相对偏小。中段与南段的 R 值偏差接近 0.1, 统计学意义上达到显著的标准, 表明小江断裂带中段次大应力主轴(水平 P轴的方向)的压应力更接近最大压应力(垂向应力), 与最小压应力的差值较大, 即水平方向上的差应力更大。南段次大应力主轴的压应力更接近最小压应力, 即水平方向的差应力要小一些。垂直方向的应力一般情况下可以假设不变, 因此, 沿着小江断裂带的中段, 从北到南, P 轴方向的压应力疑似有减小的趋势, 初步推测该趋势是应力得到释放的一种表现, 而这种应力释放有可能是小江断裂带频繁的走滑地震事件造成的。也就是说, 与小江断裂带南段相比, 其中段和北段区域存在一定程度的应力集中现象。

张培震等[27]基于 GPS 观测数据, 认为青藏高原东边界与华南地块的速度差没有导致逆冲和地壳缩短, 而是被顺时针的旋转所调节和吸收。我们认为, 构造压应力从北到南的减小有可能反映川滇菱形块体对青藏高原东侧与华南块体速度差异的吸收作用, 与川滇块体北强南弱的构造应力假设大致相符。然而, 本文的计算结果不足以构成支持该猜想的有效证据, 需要对小江断裂带的应力场进行更细致的研究。

3.2 结论

本文通过系统地分析 2016—2019 年间小江断裂带周边的中小地震活动, 构建一套地震目录, 并利用成熟的震源机制解以及法向应力反演算法, 反演区域中小地震的震源机制和小江断裂带南北两个区域的应力张量、应力主轴的方向和应力的相对大小, 得到以下结论。

1)小江断裂带周边的构造应力场为近似 NW-SE 向的压应力。在此构造背景下, 小江断裂带及其周边区域的震源机制以左旋走滑型为主, 其次为正断层型。

2)与小江断裂带北段相比, 其中南段受到的水平构造压应力有一定程度的减缓, 可能与小江断裂带频繁发生的走滑型地震有关。能量释放减缓了构造应力的水平挤压作用, 从而使得小江断裂带南段的 R 值更大。

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Source Mechanisms of Small Earthquakes and Tectonic Stress Field in Xiaojiang, Yunnan

1. Institute of Theoretical and Applied Geophysics, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Yunnan Earthquake Agency, Kunming 650225; † Corresponding authors, E-mail: yeayzs@sohu.com (YANG Zhousheng), zsy@pku.edu.cn (ZHOU Shiyong)

Abstract 674 small earthquakes occurred from 2016 to 2019 near Xiaojiang Fault Zone, Yunnan are relocated using local dense array data. The focal mechanisms of 222 small earthquakes around are determined by HASH algorithm using P-wave first-motion polarities and S/P amplitude ratios. The tectonic stress field is inversed by MSTASI algorithm. The results indicate that the earthquakes around Xiaojiang Fault Zone are mainly left lateral strike slip, and the direction of principal compressive stress obtained from focal mechanism inversion is NW-SE, which is in good agreement with previous research results and regional GPS observation results. Compared with the north section of Xiaojiang Fault Zone, the horizontal tectonic compressive stress in the middle and south section has been reduced, which might be related with tectonic stress release.