2. 云南省地震局, 昆明 650225;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. Yunnan Earthquake Administration, Kunming 650225, China;
3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2014年8月3日16时30分在云南省昭通市鲁甸县发生了MS6.5地震,中国地震台网测定震中位置为27.1°N,103.3°E.该地震已经造成了数百人死亡,受灾面积可能达到1.4万km2.该地震发震位置,位于川滇交界东部,距离震源区最近的已知断裂为近北东走向的鲁甸—昭通逆冲断裂,而通过本次地震记录到波形资料反演得到的震源机制解显示,该地震为左旋走滑型(刘超等,2014),余震分布显示破裂面走向为近北西向.目前现有资料显示,本次地震并未发生在已知断裂带上,是否与2013年四川芦山MS7.0地震相似,发生在隐伏断裂位置上(徐锡伟等,2013)?在地震发生之前,我们结合中国地震科学台阵(ChinArray)-南北地震段南段项目获得最新Moho面结果为约束,利用EGM2008自由空气重力异常数据计算得到的布格重力异常,对该地震及周边区域进行了壳内三维密度结构约束反演.但从取得的三维密度结构结果上能否给出该地震震中区的物性特征,并进一步对该地震发震构造给出模型解释.
从2012年起,中国地震局地球物理研究所针对全国地震重点危险区进行了地球物理场强化监测,在该区域已完成了多期强化流动重力观测工作,从2012年10月至2014年6月共完成6期重复测量.而距离本次地震震中位置最近的大海村(P1)测点仅19.1 km,由该点流动重力观测获得的重力场变化信号,由于距离震源区位置较近,因此,有利于揭示在地震孕震过程中场源物性与结构变化.在此对距离震中位置距离较近的6个测点重力点值变化特点进行分析,对可能与地震孕育相关的重力场变化给出物理解释.
本文结合流动重力加密测点的空间位置,选择研究区在101—104°E,26—28.5°E区域内,区内已知断裂、地形特征和重力测点分布以及本次地震的主震和余震序列空间分布位置,如图 1所示.在第二部分详细对本次研究采用的三维重力反演方法、模型建立和参考模型约束等方面进行了阐述;第三部分给出了三维密度反演结果和跨震中附近位置的三维密度结构切片特征,并得到了一种相对于已知地壳密度结构模型的“扰动”重力异常场,该异常场与壳内剩余密度体分布密切相关,它与构造运动具有更强的相关性,并对研究地震活动的长期趋势性具有一定指示意义.第四部分就距离本次主震震中较近的6个测点重力场变化特征进行了分析,第五部分对本文研究的两个问题的研究结果及可能存在的问题进行了详细的分析与讨论.
本研究的三维密度结构反演工作,数据以EGM2008模型提供的自由空气重力异常为基础,该模型提供高达2160阶的重力异常场球谐系数,模型空间分辨率约5′,在中国大陆上的重力异常平均精度优于10.5 mGal(付广裕等,2013; 章传银等,2009).首先对其进行地形校正和中间层校正,得到布格重力异常,并采用50 km高斯低通滤波得到区域布格重力异常(如图 2所示).由于重力位场反演在数学上属于典型的不适定问题,并且反演多解性很强,因此,如何对反演过程施加合理的约束是反演结果是否符合实际地质构造情况的重要保证.本研究在全球Crust1.0模型基础上,结合ChinArray项目根据接收函数方法反演得到的Moho面精细结构模型,给出了包含上地幔顶部,下地壳、中地壳、上地 壳和沉积层在内的五层结构三维模型,并以此为初始参考.在具体的三维反演技术方面,以Occam最小构造反演原理(Constable et al., 1987)为基础,得到了基于高精度Moho界面和地壳模型约束的最优光滑三维密度结构模型.
本文以EGM2008模型给出的自由重力异常模型(Pavlis et al., 2008,2012)为基础,投影后异常网格插值为10 km间距,在布格重力异常计算方面,本文采用Fa2boug计算程序(Fernández et al., 2008),地壳平均密度取2.7 g·cm-3,并进行计算得到布格重力异常,为了消除上地壳近地表的浅源剩余密度异常的高频干扰,本文统一采用50 km高斯低通滤波方法,得到如图 2所示的区域布格重力异常,异常值变化范围在-163~-350 mGal之间.从区域布格重力异常场特征上看异常最小值在西北位置,存在一个由西北向东南逐渐增加的趋势性背景,这种趋势性特征与该区域的Moho面起伏相一致.在图 2所示的区域布格重力异常中,其高频分量部分受区域内构造控制较明显,如近南北向分布的安宁河断裂带(NNHF)、则木河断裂带(ZMHF)、小江断裂带(XJF)和莲峰断裂带(LFF)都对应布格重力异常的低值区,并在断裂两侧的重力变化呈高梯度特征,这说明布格重力异常特征可以反映与断裂构造相关的壳内剩余密度异常体分布.
进一步对图 2中位于莲峰断裂带(LFF)与昭通断裂(ZTF)之间的区域布格重力异常进行分析.发现存在一个与本次地震主震及余震分布方向相一致的北西向“高-低-高”型异常特征,并且已知的余震序列都位于重力异常低值区范围内.为此认为鲁甸地震北向西破裂面两侧的布格重力异常高值区可能对应两个上地壳内“高剩余密度”特征的微块体,在青藏高原物质整体东移的过程中,受到北东向构造阻挡,在地表形成了昭通逆冲断裂带(ZTF).
2.2 参考地壳模型构建如前所述,重力反演由于具有很强的多解性,因此,对于反演问题,如何对模型施加有效的约束条件是十分重要的.本文主要采用了Crust1.0(Laske et al., 2013)提供的地壳分层模型(2013年7月发布,模型空间分辨率1°)和ChinArray项目通过最新流动地震台阵资料给出的高精度Moho面起伏模型(模型空间分辨率为0.25°)为参考.建立了从0~70 km深度范围,垂向分辨率约2 km,水平分辨率约10 km的三维密度网格单元模型,包含沉积层、上地壳、中地壳、下地壳和上地幔共5层结构的参考密度结构,如图 3所示.
在图 3中结合本次地震发震震中位置,分别给出了震中位置南北向剖面和东西向剖面的参考密度结构模型.特别是,本次在构建地壳参考模型时,考虑Crust1.0地壳分层模型的基础上,同时使用了最新通过接收函数方法得到的Moho面起伏模型.这对于三维密度反演过程中地壳密度分布的分层特性和深部Moho面起伏引起的低频趋势性重力异常特征,都会起到非常好的约束效果.因此,对于本文的地壳密度结构反演结果,其刻画的浅部密度不均匀体分布特征应具有更高的可靠性,并且有可能进一步刻画出与断裂构造相关的中上地壳密度结构异常.
2.3 三维重力反演原理三维位场反演问题其技术手段都可以归结为求解线性方程问题.其中,反演的模型网格几何结构确定后,可以计算得到一个矩阵单元,不同的模型物性参数与该矩阵相乘就可以得到观测重力异常,以(1)式表示:
其中,m 是模型物性数据,d obs是观测数据,G 是核矩阵.如果将设计的三维地下网格剖分为M个小块体,观测数据为N维向量,核矩阵 G 为N×M矩阵,一般情况下MN,即要反演的模型单元数目远大于观测数据个数.因此,这种情况下该式的正演计算是适定的,但是反演解是非唯一的.那么如何通过改进模型目标函数或增加约束信息作为定解条件是解决三维位场反演的关键技术问题.本文使用的反演方法基于Occam原理,反演结果具有过渡连续和光滑等特性,也称最小构造反演,通常反演结果与实际地质认识较一致.在该方法中,定义了光滑度的概念,并引入一种深度加权函数,用于克服反演结果的密度异常体分布更容易趋向地表的“趋肤效应”.本研究采用UBC-GIF提供的GRAV3D程序包完成本次三维密度结构反演(Li et al., 1998a,1998b; Oldenburg,1974).
在实际反演过程中,由于反演单元随着深度的不断增加,位场的异常衰减迅速,因此,远离观测点位置的网格单元对于异常贡献度很低,在反演过程中经常表现为反演结果物性变化集中于观测平面附近,这会与大多数真实的地质情况不符.在这里引出深度加权函数就是为了抵消位场数据的衰减.将深度加权函数加入反演目标函数可以使得在各个不同的深度都有可能包含场源体,从而使反演结果更能真实地反映地下地质情况.深度加权函数通常采用如下形式:
其中,zj是第j个小块体的深度,β和z0是可以调整的参数,用于抵消核矩阵随深度的衰减,根据GRAV3D软件和Li等(1998a)的研究结果,通常对于磁法反演问题β=1,而对于重力反演问题β=2.而z0可以通过程序自动计算得出,本研究通过对比选择z0=15 km,β=2.反演结果能否与观测的地球物理数据拟合是反演是否成功的关键因素之一,通常情况下,观测数据可由公式(3)表示:
其中,d obs为实际观测数据,d true为真实的异常数据,ε为噪声,噪声也包括由测量本身带来的误差.如果反演模型完全精确地与观测数据一致,那么这个反演结果同时重建出噪声和误差.因此,反演应该对于观测数据的误差情况进行分析,并允许在一定的误差范围内进行反演拟合.最终得到观测数据与模型拟合数据之间的误差评价函数:
其中,dinv为反演异常数据,σi为第i个观测数据点的噪声/误差水平,N为观测数据个数.对于反演过程中的收敛准则计算,一般认为当反演异常与观测异常差值小于或等于观测误差即可,反演收敛阈值水平与观测数据个数N相等.
2.4 反演网格单元设计本研究反演网格单元在垂直方向采用3级变尺寸形式,距离地表 15 km范围内,模型单元高度为500 m,共30层;然后将模型高度加宽到1 km尺度,共设计35层;最后,设计10层2 km尺度的网格,这样在垂向上共分为75层,总厚度为70 km.在水平方向,东西南北分别采用3层辅助网格,主要是为了减小可能产生的边界效应,其单元尺寸从边界起分别为20、10 km和5 km.模型核心部分的网格单元水平尺寸统一为5 km.最后设计X方向网格数为82,Y方向的网格数为76,网格共计单元个数 为436240个,而用于反演的观测数据个数为5467个.
网格选择5 km单元尺寸与布格异常的分辨能力有关.垂向变尺度设计,主要是为了突出上地壳浅层孕震层的结构特点;另外,Moho面起伏结构由于约束可信度较高,因此,在深部适当加大了网格尺寸.根据设计的网格形式,我们采用数据重采样方法,对参考地壳三维模型数据体进行了重采样,采样原则依据选择临近点拟合方式,确保得到最小畸变模型.
3 三维密度结构反演结果在反演过程中,我们并没有用区域布格重力异常结果作为拟合异常,而是取2.2节建立的参考地壳模型正演计算布格重力异常与基于EGM2008模型计算的区域布格重力异常之间的差值结果,作为反演拟合用重力异常(如图 4所示).这里将这个差值异常定义为壳内密度不均匀体引起的“扰动”重力异常.该异常反映的是实际地壳密度结构与参考地壳密度结构之间的差异性,在本文已知较好Moho界面模型的约束下,该异常更多反映地壳内部剩余密度体的分布.
根据图 4中给出的壳内“扰动”重力异常,可以看出与图 2所示的区域布格重力异常差异较大.其中,以安宁河断裂(NNHF)为分界,东西重力异常差异性十分明显.而以北东向的莲峰断裂(LFF)和宁会断裂(NHF)为界,重力异常变化也呈现一个高梯度变化背景,东南侧的重力异常呈负值明显小于西北侧.进一步观测震中区位置,在昭通断裂带(ZTF)西北侧与莲峰断裂(LFF)之间所夹的区域内,存在一个北西向重力异常低值区,而本次地震 的主震和余震分布恰好位于这个重力异常低值区内.
另外,在图 4中给出了1976年以来的Mw5.0以上历史地震分布,其中,走滑型地震12次,逆冲型地震1次,拉张型地震1次.从这些地震的震中位置分布特征可以看出,以北东向的莲峰断裂(LFF)和宁会断裂(NHF)为界的北东向重力异常梯级带,东南侧为这些中等强度地震的多发区.另外,安宁河断裂(NNHF)西侧的重力异常高值区西侧边缘也多发生中等强度地震.而从这些地震的震源机制多为走滑型特征来看,研究区内各个构造块体由于受到青藏高原的侧向挤出或物质东流效应造成的这种差异性运动,很可能是导致这些地震发生的构造因素背景.从图 4中的历史地震与重力异常之间关系看出,壳内剩余重力异常较大地区或剩余密度差异较大地区,在异常边界周围容易发生中等强度以上地震.
应用图 4所示的重力异常进行三维反演.在反演过程中,对观测模型的数据误差估计设置为5 mGal,小于中国大陆异常平均精度(章传银等,2009),主要考虑到反演地区地形复杂,数据精度变化较大.另外,为了更好利用参考模型约束,选择在反演过程中,指定每个单元的反演密度值分布在一个范围内.该范围的确定统一采用一个标准,及Moho面深度以下单元密度变化在参考模型值的±0.05 g·cm-3之间,而Moho以上单元范围在参考值基础上的±0.2 g·cm-3范围变化.一般在反演过程中收敛速度较快,具体速度与数据误差水平设置有关,误差水平设置的不合理会影响收敛速度和浪费不必要的计算资源.最终,得到了如图 5所示的三维密度结构,在图 5中,结合本次鲁甸6.5级地震震中位置,分别进行了震中深度的水平密度结构切片和沿东西、南北方向的垂直密度结构切片.
根据图 5给出的密度结构信息,认为壳内主要剩余密度物质在上地壳内呈非均匀分布,其中以图 5b中的安宁河断裂(NNHF)为分界,地壳东西密度有明显差异,在上地壳内部西侧密度较东部高,而中下地壳存在一个高密度结构隆起,这可以解释该断裂西部的高重力异常特征.而对于图 5b中NNHF断裂西侧中下地壳内部的密度界面变形,本文认为可能与青藏高原下地壳物质东流受阻,在此处形成明显的堆积有关.图 5b中显示的本次地震震中位置处也存在一个上地壳内部较小尺度的低密度结构异 常,可能对应壳内低速体,与孕震构造有一定关系.
在图 5c中的震中区密度结构与图 5b类似,特别在ZTF与LEF断裂之间都存在明显的上地壳剩余低密度体的非均匀分布,而中下地壳内部这种密度不均匀性不明显,推测可能是在下地壳主要以界面变形为主产生重力异常.最后,回到图 5a所示的震源深度12km密度结构切片,在震中区位置密度结构特征为一个小尺度北西向低密度异常凹陷,从密度结构上可以看出ZTF断裂作为一个逆冲型断裂系统,明显对壳内密度结构过渡起到阻挡作用,其中跨ZTF北段和南段的密度差异可以看出,这种由于阻挡地壳物质运移而形成的逆冲断裂系统由于在断裂延伸方向上存在强度上的差异,可能是形成这次北西向左旋走滑为主MS6.5主震的构造基础.
4 区域重力场变化特征及发震机理分析本文研究区范围,如图 1所示,我们在2012年10月至2014年06月期间布设了多条跨断层的测线,其中测点总数达到84个,在地震之前共完成了6期重复测量,每次测量均采用Lacoste-Romberg G型#147和#570两台相对重力仪进行同点位观测,测量流程研究依据中国地震局流动重力测量规范,对观测数据进行各种校正后(气压校正、固体潮校正、仪器漂移改正、仪器高校正),采用统一平差方法获得每个测点的每期重力点值信息.图 6给出了距离震中最近的P1—P6测点的重力点值序列,具体测点位置参考图 1中的标注,图 6中每个测点的点值变化均以该测点的第一个测值为基准,图 6a—f给出了每个测点位置的点值变化序列.
从图 6中可以看出,2014年3月至2014年6月期间,P1测点和P5测点的重力变化呈相反变化,本文认为是前述北西向构造活化运动的指示性异常.而在这期间P2、P3和P4测点变化不明显,P6测点的变化受到2013年3月重力变化扰动有关,尚处于恢复阶段,且最近两期重力差分变化不大.结合第3部分对密度结构反演得到的结果,提出了如图 7所示的发震机制模型.
图 7中用A和B两个单元表示昭通断裂(ZTF)西北侧的两个块体模型,其中A块体受到ZTF南段阻挡较弱,整个受青藏块体北西向运动控制的物质运移跨过断裂,而B块体受到ZTF的北段较强阻挡,整体北西—南东向运动速率较慢,长期以来不断 形成地壳内部应变积累,在震前3个月尺度左右由于在B块体前缘形成较大应变积累,开始出现反向运动.相比而言,A块体则继续南东向方向运动,最终形成在鲁甸震中以左旋走滑机制为主的北西向破裂及余震分布.其中,P1点位于A块体内部,主要是由于挤压变形而引起地表抬升,引起的重力减小;而P5点位于B块体前缘,而由于在震前开始出现反向运动,原地表变形状态由挤压隆升转为拉张下降,引起的重力回升,从而产生了图 6所示的重力场变化模式.
通过分析震源区及周边重力异常和反演密度结构特征,理解构造运动规律和发现地壳物质可能的运移模式;而结合一定时间尺度流动重力测量获得的重力场变化,可以分析潜在发震构造的可能前兆异常,对于认识地震发震规律和研判震情形势具有重要意义.本文从以上两方面工作开展研究,得到的主要结论如下:
(1)由该地震震源机制及余震空间分布位置来看,该地震发震构造为北西向左旋走滑断裂.从布格重力异常特征上可以看出该地震震源区位置及周边处于北西走向低值带范围内,可以作为解释震源区构造走向的重力异常场依据.
(2)从布格重力异常为基础反演得到的三维密度结构特征上看,位于莲峰断裂(LFF)与昭通断裂(ZTF)之间的区域位置上,存在上地壳密度异常体分布,高密度异常体边缘与地震震源位置一致;图 5a给出的震源深度水平切片密度结构信息,在地震破裂带两侧分布的密度结构异常体形态有显著差异,在位于昭通断裂带南侧的密度结构变化没有显著受到断裂影响,而在北侧的密度结构则显著受到断裂阻挡,这种差异性阻挡模式与本次地震的发震机理存在一定联系,而图 5b和5c同时都显示出在上地壳内的重力异常与密度体不均匀分布有关,而在中下地壳重力异常产生更多与密度界面变形有关;
(3)由流动重力重复测量得到的重力场变化特征说明,该地震震前20个月近震中区位置重力场年变率小于15 μGal,小于汶川、玉树等地震给出的结果(祝意青等, 2009,2012),这可能与震级大小、震源机制及发震构造有关;
(4)从近震源区不同空间位置的重力点值变化结果来看,断层破裂面两侧的重力异常短期变化趋势明显相反,这能作为识别构造活化或解耦运动的标志,可作为判定潜在走滑型地震的前兆特征之一;
(5)对比在南北带地区的历史地震震例,本次地震的短期重力前兆显著小于其他大地震前的重力场变化特征,这说明地震前重力场变化成因机制复杂,在不同地区不同震源类型和构造背景下,重力场变化幅值特点指示的强震风险程度具有一定差别,因此,不能采用简单的经验关系进行地震危险性判断;
(6)综合该区三维密度结构特征和震前重力场变化资料分析,在川滇交界复杂构造体系下的地壳物性结构差异性非常显著,作为研究长期地震风险性问题,除了通过地表已知活动断裂空间位置来判断强震发生位置,还需要结合区域布格异常等其他地球物理场资料来对地壳深部结构与差异性特点进行评估,发现可能存在的深部隐伏断裂;而通过短期定点流动重力重复观测获得的重力场变化,有可能观察到近震源位置的构造短期活动信号,特别是相邻测点的差异性重力变化特征,更有可能具有作为评价构造活动短期标志性前兆异常资料使用.
本次地震是云南地区14年以来发生的震级最高地震,根据地震活跃周期理论或统计历史地震平静时间分析,该地震极有可能是又一次打破多年地震平静,标志在该地区又一次地震活跃幕开始的 典型地震(张国民等,2005; 易桂喜,2008; 闻学泽等,2013; 邓起东等,2014).因此,以该地震为例来剖析和认识其深部构造特征及震前地球物理变化具有重要意义.另外,本文研究结果对识别与局部重力变化有关的地震前兆也同样具有参考意义.
致谢 本文研究过程中,中国地震局地球物理研究所丁志峰研究员和王兴臣博士提供了中国地震科学台阵探测(ChinArray)项目最新计算得到的Moho面起伏模型;University of British Columbia 地球物理反演团队为我们提供了Grav3D反演软件的使用授权,在此一并表示感谢.[1] | Constable S C, Parker R L, Constable C G. 1987. Occam's inversion: A practical algorithm for generating smooth models from electromagnetic sounding data. Geophysics, 52(3): 289-300. |
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