地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (10): 3373-3384   PDF    
基于重复微震的小江断裂带深部滑动速率研究
李乐1 , 陈棋福2 , 钮凤林3,4 , 何家斌5 , 付虹5     
1. 中国地震局地震预测研究所(地震预测重点实验室), 北京 100036;
2. 中国科学院地球深部研究重点实验室, 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
3. 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249;
4. Department of Earth Science, Rice University, Houston, TX 77005, USA;
5. 云南省地震局, 昆明 650224
摘要: 利用云南数字地震台网1999~2011年的波形资料, 通过辨识源于同一位置破裂的重复微震来估算小江断裂带不同段落、不同深度的断层滑动速率.针对研究区台站分布稀疏的客观情况, 应用了在子采样条件下基于S-P相对到时差来约束地震相对位置的方法, 在小江断裂带识别出29组重复微震, 其复发间隔存在差异变化.重复微震的时空分布初步分析表明:准周期的重复微震在空间上相对独立, 远离其它重复微震和背景地震; 在重复微震集中分布的区域, 位置相近的重复微震可能会相互作用而影响其复发间隔; 在背景地震活跃阶段, 相邻背景地震发生引起的应力变化可能缩短重复微震的复发间隔.利用重复微震的地震矩和重复间隔, 估算出小江断裂带孕震深处3~12 km的滑动速率为1.6~10.1 mm·a-1, 显示不同破裂段的深部滑动速率存在明显差异.
关键词: 小江断裂带      重复微震      深部滑动速率     
Estimates of deep slip rate along the Xiaojiang fault with repeating microearthquake data
LI Le1, CHEN Qi-Fu2, NIU Feng-Lin3,4, HE Jia-Bin5, FU Hong5     
1. Key Laboratory of Earthquake Prediction, Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
2. Key Laboratory of the Earth's Deep Interior, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
4. Department of Earth Science, Rice University, Houston, TX 77005, USA;
5. Earthquake Administration of Yunnan Province, Kunming 650224, China
Abstract: Deep slip rates at different segments of the Xiaojiang fault zone were estimated using repeating microearthquakes between 1999 and 2011 recorded by the Yunnan Digital Seismic Network. Due to the sparsity of the network in the study area, we used an empirical method to constrain the relative distance between event pairs based on S-P differential times measured at subsample accuracy. We used this method to identify a total of 29 sequences of repeating microearthquakes along the Xiaojiang fault zone, which show substantial variations in the recurrence intervals. Based on the spatial-temporal distribution of repeating sequences, we find that the quasi-periodic repeating sequences tend to be isolated in space, away from other repeating sequences and the background seismicity. The interactions between closely located repeating sequences concentrated in small areas may affect the their recurrence intervals. During seismically active periods, a reduction of recurrence interval can be seen from the data, which is likely related to the changing stress field. The fault slip rate computed from the size and recurrence intervals of the 29 sequences varies from 1.6 to 10.1 mm·a-1 at the depth range of 3~12 km, and shows substantial difference among segments..
Key words: Xiaojiang fault zone      Repeating microearthquakes      Deep slip rate     
1 引言

小江断裂带是我国大陆地震活动最为强烈的地区之一.从1500年至今,该断裂带曾发生6.0~6.9级地震11次,7.0~7.9级地震3次,8级地震1次,见图 1.古地震和历史地震资料表明该断裂带是具有复发大震的危险地段[1].综合断裂活动背景和地震活动性分析表明,位于川滇块体东边界的小江断裂带存在地震空区与潜在的强震危险[1-2].巴颜喀拉地块东边界发生2008年汶川8.0级巨震不到两年,其南边界的甘孜-玉树断裂带在2010年发生玉树7.1级大地震,使与该地块相连的小江断裂带的强震危险性更受关注(见图 1).断层滑动速率是评估未来地震危险性的重要依据,但获取孕震深处的滑动速率具有相当大的难度.地质考察和GPS等浅表观测[3-6]虽给出了小江断裂带的滑动速率,然而这些观测结果对于分析断裂不同深度尤其是深部孕震区的构造应变累积活动的信息是不够的.

图 1 云南及其邻近地区地质构造和地震活动及数字化台站分布图 红色三角代表云南台网数字地震台站,灰色空心圆代表 1999~2011年云南台网记录到的地震,黑星号代表小江断裂带历史上发生的7级以上的地震,褐色线段代表断裂.断裂名称:F1,小江断裂带;F2,普渡河断裂;F3,曲江断裂;F4,元谋断裂带.左下插图给出了川滇地块相对于稳定西伯利亚地盾的GPS运动速率,沙滩球示意给出了2008年汶川8.0级地震和2010年玉树7.1级地震的震中及其震源机制. Fig. 1 Geographic map showing major faults (brown solid lines), seismicity (grey open circles) in the period of 1999~2011, and seismic stations (solid triangles) in Yunnan and it surrounding areas The YSN (Yunnan Seismic Network) stations are shown by red triangles.The black open stars indicate historical earthquakes along Xiaojiang fault zone with M≥7.F1, Xiaojiang fault zone; F2, Puduhe fault; F3 Qujiang fault; F4, Yuanmou fault.Bottom left inset shows the motion of the Sichuan-Yunnan block with respect to the stable Siberian craton.The beach balls indicate the focal mechanism of the 2008 M8.0 Wenchuan earthquake and the 2010 M7.1 Yushu earthquake.

利用数字地震学的方法与资料,识别出在同一断层位置重复发生破裂并具有高度相似波形记录的微震(简称重复微震),为直接获取断层在地表以下不同深度的滑动速率提供了新的途径.国外研究者陆续在美国的San Andreas断层[7-12]、日本东北的海沟俯冲带[13-14]、土耳其的North Anatolian断层[15]以及我国台湾的弧-陆碰撞带池上断层[16-18]等板缘活动断裂带相继发现了重复微震.目前已将重复微震解释为断层面上蠕滑区域所包围的小凹凸体在构造作用下所发生的重复破裂.当断层面上可积累应变的小凹凸体被周围易于蠕滑的介质所围绕时,这些凹凸体较容易以稳定的大小重复破裂形成重复微震.故可由重复微震的同震应变释放来推算断裂带深部凹凸体周围应变累积过程及应力场的状态.因此,重复微震的大小和发震时间间隔可用以推估断裂深部的滑移行为以及构造活动在时空上的变化特征.Nadeau和McEvilly [9]利用发生在美国加州Parkfield区域内的San Andreas断层上的重复微震,率先估算了地下不同深度的断层滑动速率,展示了滑动速率深浅差异的分布图像.

美国和日本等地区的成功实例为开展我国板内重复微震研究提供了可借鉴的思路.然而,相比板缘地震,板内地震发生地点较零散、频度较低,复发周期较长,而我国现有数字地震台网的监测能力和台站布局不容乐观,从而加大了我国板内微震复发行为研究的难度.Schaff和Richards[19]利用中国数字地震台网(CDSN)和全球地震台网(GSN)的台站资料,通过远震波形资料分析,指出中国境内发生的地震约有10%是“重复地震”(远震波形相关意义上的“重复地震”),并在2011年的最新研究[20]中提出得益于我国台网监测能力的提高,“重复地震”在中国境内有增多的趋势.曾有研究者[21]利用辽宁区域数字地震台网记录的波形资料进一步检验了上述“重复地震”,指出利用区域台网资料识别“重复地震”的信度更高.Li等[22]利用我国最为密集的首都圈数字地震台网的地震波形资料,识别出了破裂面积几乎重叠的严格意义上的板内重复微震,并初步发展了一种利用板内重复微震来推估断层深部滑动速率的方法,给出了唐山断裂带地下深处约15km处的断层滑动速率.近两年来,Li等[23]利用汶川地震前四川地震台网和紫萍铺水库台网的数字波形记录,辨识出了汶川震源区破裂面积相互重叠的12组重复微震,并估算出龙门山断裂带不同深度的滑动速率.由重复微震获取的龙门山断裂带深部滑动速率明显高于浅表观测的结果,揭示出汶川巨震前孕震闭锁区构造活动的深浅差异,这种差异变化有助于了解汶川巨震的发生机理,同时也展示了利用重复微震探测深部构造活动进而分析强震危险性的重要性.

本文利用云南数字地震台网的波形资料来辨识小江断裂带存在的重复微震,并基于重复微震估算小江断裂带的深部滑动速率,为该断裂的地震活动性提供难得的直接信息.

2 资料

为了加强云南省的地震活动监测能力,中国地震局于20世纪90年代末完成了云南地震台网的宽频带数字化改造.台网自1999年开始正常运行以来,累积了可供分析研究的大量地震波形数据.“十五”数字化改造后,数字地震台站由最初的23个发展到46个(台站分布见图 1).其中,黑龙潭(HLT)、马龙台(MaL)、弥勒台(MiL)、东川台(DoC)、通海台(ToH)和禄劝台(LuQ)皆位于小江断裂带周缘,并在90年代末就开始有数字波形记录.

本研究中收集了1999年至2011年云南数字地震台网(YSN)的地震波形资料和观测报告,其中收录的发生在小江断裂带及其周缘(102°24′-103°48′N,23°00′-28°00′E)的地震有9488次,其震级分布范围为0.1~5.2.在这9488次地震中,云南地震台网记录数字波形资料有7557次地震的可用.

3 重复微震识别 3.1 相似地震筛选

为了最大可能保证资料的完整和质量,在将波形转换为SAC格式的过程中,将观测报告的震相到时标识到相应的事件波形中,并通过人机结合的方式,人工修正了漏分析和错标的波形震相.对波形统一进行1~10 Hz的带通滤波.采用在频域补零的方法进行时域内插,来获取高采样率的波形.内插后采样间隔为0.3125 ms,即可认为相对到时的估算误差.

依据相似地震的定义[23-24],考虑到震中距和震级大小,选取时间窗为P波之前1s至S波后5s的全波段波形,通过互相关计算(cc),把至少有一个台站记录波形具有0.8以上相关系数的地震序列挑选出来.经过互相关分析,确定了7413对波形相关系数大于0.8的地震对,从中识别出690组相似地震. 图 2示意给出了禄劝台(LuQ)记录的一组相似地震的波形.这些相似地震包括393组由两个地震构成相似地震对和297组由两个以上地震构成的多重相似对,总共有3321次地震,约占分析地震总数的35%,震级分布范围为0.5~4.3.相似地震的重复间隔跨度很大,有数分钟和数百天之差,其中重复间隔为数分钟或数小时的地震序列很可能属于震群活动或余震.

图 2 相似地震在禄劝宽频地震台(LuQ)的归一化波形示例 发震时间标在波形的右上方,最下行给出了相似地震波形的叠加结果. Fig. 2 An example of seismograms from one similar event sequence recorded at the broadband station LuQ Each trace was normalized by its maximum amplitude.Origin times are showed in the top right.The last row shows the overlap of all the seismograms.
3.2 重复微震辨识

重复微震在时间上的周期性和空间上的一致性突出表现在波形上的高度相似性,然而,互相关分析筛选的cc>0.8的相似地震可能同时包括重复微震和相似余震或震群活动的一部分[25-26].就发生机理而言,重复地震和波形相似的余震或震群活动的本质区别在于发震的空间位置.重复微震因源于同一位置破裂因而其破裂面积是相互重叠的,而余震或震群活动虽因震源位置相近而在波形上展示较高的相似性,但其破裂面积却是彼此分开的.因此,从相似地震中进一步甄别重复地震,通常是需要对每组地震中地震进行精确定位[22-23, 25].一般而言,精定位[25-26]对每组地震中的地震记录有严格的要求,至少有3个以上台站的波形具有很高的相似性(相关系数cc>0.9),以保证提取高精度的S-P相对到时差.Arrowsmith和Eisner[27]基于三维速度结构模拟检波器密集采样的波形相关分析,表明cc>0.9可识别出97%给定震源位置相隔10m重复地震对.

考虑到研究区有限的观测台站分布,将采用提高波形相似度及限定震相拾取精度和平均复发间隔来层层筛选地震序列.首先,按照精确定位的必需条件,要求相关系数cc达到0.9以上;其次,就互相关延时估计而言,子采样条件下相对到时拾取误差是用来衡量精度的一个指标,故要求相对到时拾取误差<0.5ms[26];最后,考虑到限定重复间隔的阈值有助于剔除可能包含的余震和震群活动中的事件,将设定适合研究区的平均重复间隔.一般而言,重复微震的平均复发周期基本上与研究区区域加载速率和断裂带上蠕滑状态有关,而小江断裂带位于以整体运动和变形为特征的川滇活动地块东边界,以GPS观测资料给出的川滇地块9~13 mm·a-1的平均加载速率[28](参见图 1),估算出川滇地块发生ML0.5地震的重复间隔下限至少为30~42天.由此选取出平均重复间隔在30天以上的146组多重相似对作为备选.

针对台站分布稀疏的客观情况,对常规精定位方法难以确认的重复微震,作者曾在研究龙门山断裂带北川段的重复微震时,尝试性地提出了基于S-P相对到时差(ΔtS-P)来约束地震相对位置而确保震源位置的一致性的方法[23].在本研究继续应用这一方法,实现小江断裂带重复微震的识别.

图 3所示,若一组相似地震中,事件i和事件j到台站的距离分别是RR′,事件i和事件j间的相对距离Δx

(1)

图 3 矢量RR′和Δx三角法则关系示意图 Fig. 3 A schematic diagram illustrating the triangular relationship among the three vectors, R, R′and Δx

因为相似地震中事件间的位置很接近,即Δx«R,因此事件i和事件j在P波段和S波段的相对到时差可表示为

(2)

式中θ是矢量R和Δx之间的夹角.故S-P的相对到时差可近似表示为

(3)

这里γ是P波和S波的波速比,因此:

(4)

假定VP=6.0 km/s和γ=1.7,则有:

(5)

当地震相对距离小于破裂尺度(即Δxr+r′),则认为该地震属于重复微震,而当Δxr+r′或ΔtS-P>(r+r′)/8.6,则该地震偏离了重复微震序列.这里rr′分别为地震i和地震j的破裂半径,有关地震破裂半径的计算见节4.1.

采用上述方法,本研究识别出了研究区的29组重复微震(见表 1),震级分布ML1.0~2.4,共计170次地震,占地震总数的2.4%.

表 1 小江断裂带识别出的重复微震序列 Table 1 Repeating earthquake sequences identified along the Xiaojiang fault zone
3.3 重复微震震源位置精确确定

为了方便分析小江断裂带重复微震的空间分布以及不同段落、不同深度的滑动速率,重新确定重复微震的位置是必要的.在整合云南台网观测报告和速报地震报告的基础上,人工确认和核对了高信噪比的初至到时,增补到震相资料中,共整理出有初始震源参数的6875次地震.考虑到云南台网常规定位采用简单的三层中国平均地壳模型,这里选用杨智娴等[29]参考测深结果给出的水平分层模型,且进一步参考地震测深结果[30]进行修正的速度模型用于地震重新定位.为了尽可能减小初始震源参数对定位结果的影响,首先选用线性单事件定位的Hypoinverse方法,选用修正后的多层水平分层模型,对满足定位条件的地震进行定位,将获取1758次地震的震源参数,用以替代观测报告中的震源位置作为后续重新定位的初始位置.

在双差定位法[31]进行重新定位时,采用经互相关计算得到的P波段的到时差,波形互相关计算窗口取1.1s(初至P波前0.1s至其后1.0s).整合修正后的观测报告中的6875次地震,其中单台记录的地震2560次,至少有3个台站记录的地震仅有4042次.在观测报告给出的371687个P、S波到时差基础上,联合使用经互相关计算得出cc>0.7的113702对P波的相对到时,采用最小二乘共轭梯度法(LSQR),进行双差地震定位,结果得到4549次地震的震源位置.重新定位后的地震图像可参见图 6图 7中的底图.如图所示,重新定位后的地震剖面(见图 7)展示了华宁以北和蒙姑以南区域下方可能存在陡倾角的直立面,正好位于小江断裂带分段的边界[4]附近,进一步基于地震学资料从深部印证了断裂分段边界标志的存在.

图 6 由重复微震估算的小江断裂带的滑动速率分布图 每一组重复微震用十字表示,十字的大小与滑动速率值成正比,十字中心代表每一组重复微震震源位置的中值.灰色圆圈代表双差法重新定位后的地震的位置.黑色实心五角星代表 2002年5月13日发生在嵩明M4.6地震.黑色空心五角星代表 1500年以来小江断裂带不同破裂分段上的具有代表性的强震事件. F1,小江断裂带;F2,普渡河断裂;F3,曲江断裂. Fig. 6 Map view of the slip rate estimated from the 29 sequences (crosses) The size of the crosses is proportional to slip rate.The centre of each cross shows the median location of each sequence.Grey solid circles show the location of earthquakes relocated by the HypoDD method.Major historical earthquakes and the M4.6 Songming earthquake occurring on May 13, 2002 are indicated by open and solid stars, respectively.F1, Xiaojiang fault zone; F2, Puduhe fault; F3, Qujiang fault.
图 7 由重复微震估算的小江断裂带在不同深度的滑动速率分布图 每一组重复微震用十字表示,十字的大小与滑动速率值成正比,十字中心代表每一组重复微震震源位置的中值.灰色圆圈代表经双差法重新定位后的地震的位置.黑色五角星代表 2002年5月13日发生在嵩明M4.6地震.虚线代表陡倾角的直立面. Fig. 7 Depth section showing the estimated slip rate along the Xiaojiang fault The crosses show the median location of the repeating-microearthquake sequences, with their crosses proportional to slip rate.The 05/13/ 2002 M4.6 Songming earthquake and the relocated seismicity are shown by the black open star and grey solid dots, respectively.The dotted line shows the steep-inclined structure plane.

对于29组重复微震,在上述定位结果的基础上,进一步使用高精度的互相关波形相对到时资料,采用双差定位法中的奇异值分解法(SVD)分别对每一组重复微震进行高精度的定位,最终获取了16组重复微震(S01、S02、S06、S07、S09、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S18、S19、S27、S28)的震源位置,具体定位结果见表 1.绝大部分定位相对误差为数十米到数百米,个别地震定位相对误差1~2 km.表 1中其他13组重复微震震源位置源自整个研究区共轭梯度法(LSQR)双差定位的结果.

3.4 重复微震时空变化

图 4所示,识别出的重复微震的复发间隔变化明显.变异系数COV是衡量数值平稳性及重现性的重要指标,定义为每一组数据的标准差与平均数的比值.对于时间序列而言,COV=0代表具有周期性,COV=1代表泊松随机分布,COV>1代表时间丛集.如表 1所示,计算所得29组重复微震的重复间隔的COV数值在0.07~1.07间变化,只有1组重复微震(S02)的COV接近0,对于COV<0.2的S02和S29,统计发现在1999~2011年期间,在S02和S29周缘并未发生过4级以上的地震.S02和S29两组地震在空间位置上相对独立,基本不受相邻重复微震和背景地震活动的影响,呈现出准周期的复发行为.在29组重复微震中,有10组重复微震COV<0.5,基本都发生在地壳的浅部3.0~6.8km范围;COV>0.5的重复微震有19组,其中6组COV在0.5~0.6,而5组COV在1左右.这些COV相对较高的重复微震序列几乎都是发生在背景地震活动频繁,重复微震密集分布的区域.位置相近的重复微震(相邻重复微震),在空间上相对不太独立,彼此之间很容易也很可能相互干扰,易而导致其复发行为在时间上的变化.最新的有关美国Parkfield地区的重复微震时空变化研究[32]指出,位置相近的重复微震序列也可能存在相互影响,背景地震活跃并非是影响重复微震周期性的唯一因素.如嵩明以南和昆明周缘的8组重复微震(S16、S17、S18、S19、S20、S21、S22、S23),其中6组COV在0.5之上.在2002年5月13日嵩明附近发生了ML 4.6地震(见图 4)后,重复微震S17、S19、S20的重复间隔明显缩短.

图 4 29组重复微震序列的持续时间图(圆圈大小与地震震级成正比) Fig. 4 Recurrence times of earthquakes from the 29 sequences (Symbol size is proportional to event magnitude)

另一方面,小江断裂带部分重复微震在时间上呈现的不规律性或许反映了断层滑动行为的复杂性,而小江断裂带本身内部结构也是十分复杂,同时也有可能存在重复微震识别的完整性问题.研究区地震台站分布相对稀疏,台站间距过大,对于1、2级的微震的监测能力有限,可能导致重复微震的遗漏.“十五”期间区域数字化台网的加密,云南地震台由27个增至46个,主要城市的监测能力达到2.0级,局部地区可达1.5级.这将有助于进一步分析获取完整的重复微震,深入探讨重复微震与背景地震活动以及相邻重复微震之间的相互作用.

4 断层深部滑动速率估算及其分布 4.1 断层滑动速率估算

Li等[22-23]曾在对唐山断裂带和龙门山断裂带的重复微震研究中,提出并应用了基于重复微震的地震矩和重复间隔简单估算滑动速率的方法,方法流程简述如下:

在采用谱比法[7]验证观测报告中确定的地震震级(近震震级ML)的可靠性的基础上,采用地震矩-震级的经验关系[33]获取地震矩:

(6)

基于圆盘破裂断层模型,在地震应力降Δσ设定为常量的条件下,通过地震矩来估算地震的破裂半径r[34]

(7)

根据地震矩的定义来计算滑动量;

(8)

最后通过重复微震的累积滑动量的线性拟合来最终获取孕震深处的断层滑动速率,见图 5.线性拟合线的斜率反应了重复微震序列从第一个地震发震时间开始到最后一个地震期间地震附近的断层滑动快慢程度,即断层在孕震深度处的平均滑动速率.实际滑动量的累积是指第一个地震发生后的应变积累(见表 1中给出的总滑动量).我们假定从第一个地震和第二个地震的时间间隔内积累的应变在第二个地震中完全释放,即可以通过估算第二个地震的同震滑动量来求得,以此类推.滑动量拟合线的截距是第一个地震的滑动量.

图 5 重复微震S01累积滑动量分布图 黑色圆圈代表重复微震S01中的6个地震.灰色的线段代表累积滑动量线性拟合的结果.时间轴原点时间为第一个地震发生的时间. Fig. 5 Cumulative slips estimated from the sequence S01 consisting of 6 events are shown in black open circles The grey line shows the linear fitting of cumulative slip. Event 1 occurred at time zero.

在断层深部滑动速率估算过程中,需要对各种关系式中的换算系数和常量(如应力降)进行设定.刘丽芳等[35]计算了云南地区的震级ML 2.0~5.3的2121次地震的应力降,给出的年平均值在2.30~5.05 MPa之间.鉴于29组重复微震的震级分布范围是1.0~2.4,有88%的地震震级在2.0以下,据此采用3MPa应力降(Δσ)由地震矩M0来计算破裂半径.由29组重复微震估算所得3.0~12.3 km孕震深度处的滑动速率分布范围为1.6~10.1 mm·a-1,平均值为4.6 mm·a-1,中值为4.6 mm·a-1(见表 1图 6).滑动速率估算的误差为0.1~1.4 mm·a-1(见表 1).

4.2 断层滑动速率分布

小江断裂带是一条内部结构十分复杂的断裂带,据野外实地观察[4],小江断裂带按其结构特征可大致分为三段:北段,北起巧家以北,向南经过蒙姑,止于蒙姑东南;中段分东西两支,由蒙姑以南经东川、寻甸,延伸至宜良向南,至华宁以北;南段从华宁以北向南继续延伸,呈帚状,终止于红河断裂.小江断裂带以强烈的左旋走滑为主,错断了一系列地质体和山脊水系,有些段落同时存在明显的垂直差异运动[4].地质地貌资料[3-4]推算结果给出了小江断裂带长期左旋滑动速率约为8~10 mm·a-1,西支和东支断裂分别约为7 mm·a-1和4.8 mm·a-1,垂直滑动速率为1~2 mm·a-1,近500年来的历史强震和大地震同震位错资料显示了约9.6 mm·a-1的滑动速率[36];更多的研究者采用不同观测时段的GPS地表观测资料,基于一定的模型假设来反演或推断小江断裂带现今的活动信息,结果展示了不同的滑动速率如~10 mm·a-1[37],~7 mm·a-1[6],4~10 mm·a-1[5],但模型设定的不确定性及地表观测资料的局限性,限制了其反演推断如小江断裂带这样复杂构造的深部变形信息的精度[38],利用重复微震估算滑动速率在一定程度上可弥补这一不足.

图 6图 7展示了基于重复微震估算所得的小江断裂带的滑动速率的分布.在断裂带南段,在深度5~10km的范围内滑动速率为2.9~6.2 mm·a-1,平均值为4.9 mm·a-1,中值为5.1 mm·a-1.相比较而言,在断裂带中段3.0~12.3 km深度范围内滑动速率变化显著,为1.6~10.1 mm·a-1,平均值为4.5 mm·a-1,中值为4.7 mm·a-1.断裂带中段东支的地震活动性较弱,地震分布零星,由唯一一组重复微震估算出的滑动速率为1.7 mm·a-1.断裂带中段西支的小震活动较为密集,位于小江断裂带西侧的近南北向的普渡河断裂和元谋断裂都具有强烈的地质和地震活动(如断层谷和断层崖地貌多出可见,沿断裂带有中强震发生,如1995年武定6.3级地震发生在普渡河断裂带,1955年9月23日在渡口东南6 地震发生在元谋断裂附近)[4],对小江断裂带的断层活动也存在不可忽视的影响.小江断裂带中段发育了一系列盆地,中段西支的阳宗海盆地为全新世复活性的盆地,其内部断层表现为活动时代很新的新生破裂带[4],阳宗海盆地附近的一组重复微震给出的8.9 mm·a-1的高滑动速率证实了该区域的活跃性.在断裂带中段西支东川附近辨识出一组持续时间较短且震级均在2.0以上的准周期重复微震S29(COV=0.17),考虑到东川附近台站分布较为稀疏,有可能遗漏部分小地震而导致重复微震的不完整,进而影响滑动速率的估计.小江断裂带北段在“九五”期间地震台站匮乏,虽在“十五”期间增设了巧家台(QiJ)(图 1),尚未辨识出可用于估算滑动速率的重复微震.对于北段的重复微震的识别及其滑动速率估算,有待今后更多数字台站记录波形数据的积累.

根据小江断裂带强震破裂的空间分布,研究者[5, 39]对小江断裂带进行了破裂分段.沿断裂带从北向南的历史大地震分析可见,小江断裂带中段东支的1733年东川M7 地震破裂段、中段西支的1833年嵩明M8地震破裂段、中段东支的1500年宜良M≥7地震破裂段、南段的1789年华宁M7地震破裂段和1606年建水M6 地震破裂段.重复微震分布最北边的S29显示了东川破裂段在约5km深度存在10.1 mm·a-1的高滑动速率;而位于嵩明附近8组重复微震(S16、S17、S18、S19、S20、S21、S22、S23)展示了小江断裂带中北段在地下4~12km的深度存在2.7~8.9 mm·a-1的滑动速率,其中在地下约12km处呈现了8.9 mm·a-1的高滑动速率.位于小江断裂带中段东支的宜良破裂区,由于地震活动水平低的限制,不利于依据重复微震来估算滑动速率,仅依据序列S15得到浅部3km处1.7 mm·a-1的低滑动速率.以华宁、通海破裂区为主的中南段密集的12组重复微震估算出3~10km深度范围内的滑动速率为1.6~7.5 mm·a-1,其中玉溪附近的二组重复微震S08和S13获取的滑动速率,可能在一定程度上也反映了与小江断裂带相邻的NW向曲江断裂的活动信息.以建水为中心的小江断裂带南端的重复微震S02显示了在孕震深度6.5km处存在4.0 mm·a-1的较低滑动速率.值得说明的是,在个旧一带的近南北向的断裂不属于小江断裂带的组成部分[4].另外,禄劝附近的5组重复微震(S24、S25、S26、S27、S28)反映出位于小江段裂带西侧的普渡河断裂在3.9~5.9km深度范围内的滑动速率为1.9~5.2 mm·a-1.由此分析初步可得,小江断裂带的破裂段在不同孕震深度的滑动速率存在差异变化.有关小江断裂带深部滑动速率分布特征更为清晰展示将有待于今后更多波形数据积累和重复微震完整性进一步讨论的结果.

5 结论

基于1999-2011年小江断裂带及其周缘的小震重新定位及其波形分析研究得出如下结果:

(1)联合采用观测报告震相到时和波形互相关延时资料,经双差法重新定位后的地震分布图显示出在小江断裂带分段分界面附近存在陡倾角的直立面,进一步基于地震学资料从深部印证了分段边界标志的存在.

(2)通过波形互相关分析,至少有35%的地震波形相似,识别出690组相似地震.在稀疏台网条件下,从相似地震中,通过提高波形相似度及限定震相拾取精度和平均复发间隔来进一步挑选多重相似对,并在此基础上,应用基于S-P相对到时差(ΔtS-P)来约束地震相对位置而确保震源位置的一致性的方法,辨识出小江断裂带周缘29组重复微震,其重复间隔存在明显变化;

(3)基于重复微震的震级和重复间隔,估算出不同深度处(3~12km)小江断裂带深部滑动速率为1.6~10.1 mm·a-1.不同破裂段在孕震深度处的滑动速率分布存在明显差异;

(4)初步分析29组重复微震时空变化得出:空间上相对独立的重复微震因远离相邻重复微震和背景地震的干扰而表现出准周期复发的特征;而重复微震集中分布的地震频发区域,由于位置相近的重复微震相互作用,可能导致复发周期的变化,尤其周缘震级稍大相邻的背景地震引起的应力变化会加速重复微震的复发进程.

小江断裂带深部变形的详细特征虽有待更多波形数据的积累和重复微震的完整性分析,但本研究所识别的小江断裂带的重复微震活动提供了前所未有的断裂带深部滑动速率的直接约束,尽管小江断裂带重复微震与背景地震活动以及相邻重复微震之间的相互作用还有待今后的深入分析.

致谢

云南数字地震台网提供了波形资料及地震观测报告和速报目录;本文图件基本采用GMT绘制[40],对二位评审人的完善建议,在此一并表示感谢.

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