大地震的震源特征,多反映较大区域范围的地震构造背景、震源受力方式和破裂过程结果,中小地震则更多地反映小区域范围应力状态的非均匀性变化.研究震源参数是在地震事件波形数据反演震源谱的基础上进行的,拟合地震震源谱与理论震源谱,即可得到相应的震源谱参数,进而估算标量地震矩M0、震源尺度r和应力降Δσ等震源参数.特别地,通过分析“应力降”参数的时空演变过程,可以帮助判断活动断裂现今应力应变的状态,区分出正处于相对高应力积累的段落,为探索强震发生的空间及时间的前兆信息提供重要依据 (Abercrombie,1995;Allmann and Sheare, 2009).
目前,开展此项研究最多的是美国加州圣安德烈斯断层及其周围区域,Shearer等 (2006)利用加州中小地震震源参数的计算结果研究了南加州地震的定标率关系、应力降的时空变化过程及其与强震的相关性.Allmann和Sheare (2007)的研究指出2004年12月MS6.0地震前,震源区应力降显著高于断层上的其他地区,而在MS6.0地震发生后,震源区应力降明显下降.Hardebeck和Allegra (2009)认为,断层上的高应力降分布区域代表着这里的介质更强或者承受更高的外加剪应力,高应力降集中分布的区域也许是中强以上地震的潜在震源成核区.“十五”以来,由中国地震局监测预报司、中国地震局预测研究所牵头,与区域数字地震台网联合开展震源动力学参数研究,获得了中国大陆13个构造区域上中小地震震源特征的空间分布特征和时间变化过程,极大丰富了大陆块体内部地震震源定标率关系研究的样本.华卫等 (2009)的研究中,汶川地震序列中1070次ML≥3.0地震的地震矩与震级之间表现出较好线性关系,应力降和视应力的大小与震级大小有关,汶川余震序列地震应力降总体上随时间衰减,预示着主震发生后整个余震区应力降呈逐渐衰减的状态.赵翠萍等 (2011)认为中国大陆大部分地区的中小地震释放的应力降随震级增大而增大,不遵循常数应力降或分段模型,其中新疆天山中东段地区、青藏块体东北缘及龙门山断裂带东北缘是高应力降地震集中的区域.
川滇活动块体中-北部主要活动断裂包括金沙江断裂带及理塘断裂、鲜水河断裂带、安宁河—则木河断裂带以及丽江—小金河断裂带.作为川滇断块的一部分,研究区 (26°N—33°N,99°E—104°E) 仅过去300多年就至少发生过12次≥7级地震,并且区域主干、次级断裂的地震活动特征存在较大差异,7级以上强震多发生在鲜水河断裂上,安宁河断裂自1536年后、则木河断裂自1850年后、金沙江断裂自1870年后、理塘断裂自1948年后均未发生过≥7级的地震 (国家地震局震害防御司,1995;中国地震局震害防御司,1999).历史震例表明长期的强震空段可能具有发生强震甚至大地震的活动构造背景,因此川滇活动块体中-北部中-长期大地震潜势及其现今应力状态变化已经成为关注重点.
为此,我们收集整理了四川、云南区域地震台网的数字波形资料 (国家测震台网数据备份中心,2007;郑秀芬等,2009) 和中国地震台网中心的震相数据,自0.1~20 Hz的SH观测波形数据中扣除仪器、噪声、几何扩散、传播路径的介质衰减、台站场地响应等影响,恢复2009年1月1日—2015年12月31日间川滇活动块体中-北部1012次2.0≤ML≤5.0地震的震源谱;采用ω平方模型拟合震源谱,利用Brune的圆盘模型 (Brune,1970) 计算标量地震矩M0、震源尺度r和应力降Δσ等震源参数,拟合各参数间的定标关系;结合研究区地质构造背景、活动断裂展布以及地震活动在边界带的成丛分布,将研究区划分成四个基本统计单元 (金沙江断裂带及理塘断裂单元、鲜水河断裂带单元、安宁河—则木河断裂带单元和丽江—小金河断裂带单元),分别讨论各构造单元上的应力分布特征、地震应力降随地点位置的变化以及应力-应变加载作用与区域变形的动力学过程的关联,从而为进一步利用震源参数开展强震孕育的时空演化过程提供参考 (图 1).
计算中小地震震源参数前,需先计算研究区的介质品质因子Q(f) 和所用地震台站的场地响应.选取互相衔接的三段地震波几何衰减模型,采用Atkinson和Mereu方法 (Atkinson and Mereu,1992) 计算介质品质因子Q(f),参照Moya方法 (Moya et al., 2000) 联合多台多地震数据求得地震台站的场地响应 (黄玉龙等,2003;刘杰等,2003).由于四川地区介质横向不均匀性强烈,地震波穿过不同地块时会表现出不同衰减特征,因此将研究区分为川西高原 (图 1中Z1、Z2单元) 和攀枝花—西昌地区 (图 1中Z3、Z4单元,下文统一简称“攀西地区”),分别采用各自单元内的地震和台站计算介质衰减特征和地震台站场地响应.计算每个地震震源参数时,根据所用地震台站的位置,选择对应Q(f) 作为观测记录扣除非弹性衰减时采用的Q值.
拟合后的衰减模型分别是Q川西(f)=136.6f0.5813、Q攀西(f)=101.9f0.6663,1~10 Hz频段上川西高原介质品质因子较攀西地区略高,10 Hz以上的高频段两者几乎一致.场地响应方面,川西台站场地增益在0.83~6.01倍,除REG、RTA地震台外,大部分台站增益明显;攀西台站场地增益在1.13~6.93倍,MGU、PGE和SMK地震台场地增益较大,YYU、YYC地震台场地放大倍数在1~2之间平稳变化,LGH地震台场地响应随频率增大而快速衰减 (吴微微等,2016).
2.2 定标关系研究共使用地震波形数据万余条,按照一个地震至少被3个以上台站记录到、一个台站至少记录到3个以上地震及信噪比>1.5倍、震源谱拟合误差<0.3的要求,最终恢复2009年1月1日—2015年12月31日间川滇活动块体中-北部1012次2.0≤ML≤5.0地震的震源谱,获得这些地震的标量地震矩M0、震源尺度r和应力降Δσ等震源参数,拟合各震源参数之间的定标关系.
1012次地震的地震矩M0在1012~1016N·m (1.6≤MW≤4.6),拐角频率fc在0~20 Hz,大部分地震释放的应力降集中在0.1~10 MPa (图 2);矩震级MW2.0~4.8地震的震源尺度在80~1000 m间 (图 3a),面波震级MS与矩震级MW存在线性偏差 (图 3b),单对数坐标下标量地震矩M0与近震震级ML的线性关系 (图 3c) 和其他地震学家的结果基本一致 (Randall,1973;Chen and Bai, 1992;华卫等,2009;赵翠萍等,2011):
(1) |
中小地震释放的应力降与标量地震矩M0的定标关系拟合为
(2) |
地震释放的应力降随着地震强度增大而增加 (图 4),与Nuttli的板内地震为增加应力降 (ISD) 模型 (Nuttli,1983) 的结果吻合.
川滇活动块体中-北部438次2.0≤ML≤2.9地震平均应力降为1.70 MPa,554次3.0≤ML≤3.9地震平均应力降为2.86 MPa,20次4.0≤ML≤5.0地震平均应力降为4.52 MPa (下文将不同震级范围对应的平均应力降统一简称为“Δσ均值”).
考虑川滇活动块体中-北部地质构造背景、主干及次级活动断裂展布以及地震活动在边界带的成丛分布 (闻学泽,2000;闻学泽和易桂喜,2003;徐锡伟等, 2003a, 2005a;Wen et al., 2008),将研究区划分成四个基本统计单元分别讨论 (图 5):Z1金沙江断裂带及理塘断裂单元 (图 5a),Z2鲜水河断裂带单元 (图 5b),Z3安宁河—则木河断裂带单元 (图 5c),Z4丽江—小金河断裂带单元 (图 5d).
比较各统计单元的震源应力降结果和相同震级范围的均值 (表 1),可以看出应力降大小在不同震级段的整体结果基本相似,应力降表现出随地点位置的系统变化,小区域上的应力分布并不均匀.
研究时段中,金沙江断裂及理塘断裂单元2.0≤ML≤2.9地震应力降平均值为1.76 MPa,与1.70 MPa的Δσ均值相近;3.0≤ML≤3.9地震平均值为1.86 MPa,小于2.86 MPa的Δσ均值 (表 1,图 5a);应力降相对较大的地震事件多分布在理塘断裂的北西段.整体上看,金沙江断裂及理塘断裂单元以频度不高的小震活动为主,目前处于中偏低应力状态.
由数字卫星影像和野外考察可知,金沙江断裂带由多条向东凸起的近SN向弧形次级逆断裂和NNE向巴塘主干断裂共同组成.据可查资料记载,弧形次级断层上几乎没有地震活动,巴塘断裂也仅发生过1870年MS71/2地震和1989年MS6.7震群.从活动构造上看,弧形次级逆断裂是由众多小断层和断层组合的复杂破碎带,应力不易集中,而巴塘主干断裂同时兼有右旋走滑和倾滑 (逆) 运动分量,全新世滑动速率并不低 (水平向6~7 mm·a-1,垂直 (逆) 速率>2~3 mm·a-1)(徐锡伟等,2005a).历史震例中,当断裂端部为低应力区 (高温、破碎的塑性变形带等)、断裂变形速率较高 (无闭锁条件) 时,断裂不具备强震发生的应力高度集中条件,会出现高滑动速率断裂的无强震活动现象 (强祖基和张立人,1983).结合我们的计算结果,认为金沙江断裂单元符合上述特征,地震危险性小.
理塘断裂是左旋走滑断裂,由三条次级断裂组成,地震破裂具有从北西向南东单方面时空迁移的特征,北西段同震错动会触发或加速相邻段上地震发生 (徐锡伟等,2005b).2009—2010年GNSS观测资料表明,理塘断裂周围地区存在显著的、具有一定空间规模的面应变象限分布,最大正应变和最大剪切应变均有闭锁迹象 (杨国华等,2012).应力降空间分布图像中 (图 5a),理塘断裂北西段地震应力降明显高于南东段,小震活动频度也较高.认为在3条次级断裂构成的条带断裂结构中,理塘断裂上的应力-应变加载作用沿自北西向南东逐渐减弱,相对闭锁的北西段较断裂其他部分更易积累应变,地震危险性也更大.
3.2 鲜水河断裂带单元鲜水河断裂带是晚第四纪强烈活动的大型左旋走滑断裂,北与甘孜—玉树断裂斜列,南与安宁河断裂在康定一带相接,是中国大陆地壳运动变形最强烈的断裂带之一.据已知强震和大地震破裂背景资料 (Wen et al., 2008;孙成民,2010) 以及小震活动时空分布显示:以康定为界,北侧甘孜—炉霍—道孚—康定以北 (图 5b中Ⅰ段) 地震频度高、强度大;康定以南—石棉以北 (图 5b中Ⅱ段) 小震、弱震活动频繁而集中.中小地震的应力降大小,以康定为界,呈南低北高的空间分布特征 (图 5b).
甘孜—康定段 (图 5b中Ⅰ段),2.0≤ML≤2.9地震应力降平均值为2.78 MPa,3.0≤ML≤3.9地震平均值为4.02 MPa,均高于Δσ均值 (1.70 MPa和2.86 MPa).显然,计算结果与通常所认为的“鲜水河走滑断裂断层面间的断层泥使应力降大大降低 (Engelder et al., 1975;周蕙兰,1985)”并不吻合.
我们推测,在左旋走滑的鲜水河断裂上集中了较多的高应力降地震事件,可能是因为长久以来甘孜—康定段积累了巨大的能量,虽然研究时段中炉霍、道孚、康定相继发生过4次MS≥5.0地震,最近100多年也曾先后发生4次MS≥7.0强震 (Wen et al., 2008),但新近有强震的应变释放段与新近无强震段空间交替 (闻学泽,2000),在应力状态变化复杂的构造部位还存在着地震矩释放的亏空区,并且迄今已发生的中强地震无论数量还是强度都未能填充这些亏空,导致断裂的局部位置仍有较高的应力积累.甚至,随着时间推移,考虑强震的同震、震后以及震间效应的综合影响,个别敏感单元的应力水平可能会不同程度地增加.
康定—石棉段 (图 5b中Ⅱ段)2.0≤ML≤2.9地震应力降平均值为1.01 MPa,3.0≤ML≤3.9地震平均值为1.18 MPa,4.0≤ML≤5.0地震平均值为2.81 MPa,均低于Δσ均值 (1.70 MPa、2.86 MPa、4.52 MPa).该段落以相对集中的弱震活动为主,同时兼有左旋走滑和倾滑 (逆) 运动分量,水平和垂直滑动速率均较高 (9.6±1.7 mm·a-1、3.2±0.7 mm·a-1)(徐锡伟等,2003b),滑动断面松弛,处于低应力状态,短期内难以重新积累较高应力.
3.3 安宁河—则木河断裂带单元安宁河—则木河断裂带单元上地震活动成丛分布,空间非均匀性强.2.0≤ML≤2.9地震应力降平均值为3.02 MPa,3.0≤ML≤3.9地震平均值为4.57 MPa,4.0≤ML≤5.0地震平均值为6.38 MPa (表 2),均显著高于Δσ均值 (1.70 MPa、2.86 MPa、4.52 MPa),是本文四个统计单元中应力状态最高的区域 (图 5c).
单元北段 (图 5c中Ⅰ段) 是鲜水河断裂、安宁河断裂以及丽江—小金河断裂等多条活动断裂的交汇部位.以石棉为界,以北的康定—石棉段 (图 5b中Ⅱ段),弱震活动密集,应力水平较低;石棉南侧至冕宁,地震活动频度高,中小地震平均震级偏大,研究时段集中发生了5次ML>4.0地震 (表 2).震源应力降结果显示,相同震级的地震应力降表现出沿鲜水河断裂向安宁河断裂逐渐增大的趋势,段落整体应力水平中-偏高.
单元中段 (图 5c中Ⅱ段) 是安宁河断裂南段、则木河断裂北段以及大凉山断裂的交汇区,其中冕宁—西昌段和西昌—普格段分别是“安宁河地震空区”和“则木河空段”(闻学泽等,2008).研究时段中,随着普格、宁南、昭觉几次ML>4.0地震的发生以及大凉山断裂带小震活动的增强,空区面积明显收缩,这种现象被认为是安宁河断裂高度闭锁、应力应变积累在区域地震活动性上的响应,具有中期强震危险背景 (闻学泽,2003;闻学泽等,2008).空间b值和地壳水平运动速度场同样表明,安宁河断裂呈现显著左旋剪应变积累,是川滇地区目前应变积累的主要地段 (江在森等,2005;易桂喜等,2008;谭毅培等,2015)
单元南段 (图 5c中Ⅲ段) 是则木河断裂南段和小江断裂北段的交汇区,集中了较多的高应力降地震事件,其中会东ML4.7和ML4.9地震的应力降值高达12.01 MPa和11.58 MPa (表 2).地震活动方面,2002年以来,沿则木河断裂—小江断裂带在较短时间内形成近南北向4级地震活动条带 (闻学泽,2003),随着占主导作用的大应力降事件——会东地震的发生,近年来该区地震活动明显增强.蒋长胜和庄建仓 (2010)的研究表明,1995年至今巧家地区b值明显下降,Δb负值变化持续时间较长.
综上所述,无论是震源参数研究获得的应力降空间分布,还是地震地质、地震活动性参数的研究结果,不同时间尺度、不同研究方法都揭示出安宁河—则木河断裂带单元现今正处于相对较高的应力水平,地震危险性大.
由此引出的问题是,为什么震源应力降在石棉一带会出现沿鲜水河断裂向安宁河断裂逐渐增大的趋势?应力-应变加载作用与活动断裂的动力学特征之间是否存在某种关联?我们注意到,鲜水河断裂带、安宁河—则木河断裂带、丽江—小金河断裂均以左旋走滑运动为主,走滑断层的错动方向是近水平的,断层扩展方向也是近水平的,因此走滑断层的错动可以促进断层沿走向的扩展 (马瑾等,2013),与此同时,应力-应变加载作用也沿断层走向进行传递和调整.在石棉一带,鲜水河断裂的左旋走滑运动被分解到安宁河、大凉山和则木河等断裂带上 (张培震,2008),在这个动力学过程中,安宁河断裂旁侧NE和NW向次级断层与近SN向安宁河断裂交汇形成“构造楔形体”,楔形断块尖端强力挤入并错断安宁河主断裂带,使主断裂的走滑活动受阻形成高度的应力集中 (黄润秋,2005),导致相同震级的地震所释放的应力降明显偏高.
此外,在安宁河—则木河断裂带单元上,高应力降地震事件多发生在断裂与断裂的交汇部位.在区域变形过程中,震源区和外围区里不同构造背景的主干和次级活动断裂局部交叉、错切,相互作用形成复杂的动力学系统,当阻碍断层运动和协助积累应力的作用占主导时,常导致同等震级下、高应力降地震事件的发生.
3.4 丽江—小金河断裂带单元该单元的活动断裂系统以NE向丽江—小金河断裂带为主以及与之平行的次级断裂,此外还分布着木里弧形断裂、中甸—大具断裂和宁蒗断裂等.这些主干和次级活动断裂局部交叉、错切,导致该单元无论历史与现今都有频繁的地震活动.其中,丽江—小金河断裂切割川滇菱形块体并将其划分为川西北次级块体和滇中次级块体2个部分,宁蒗—盐源 (图 5d中Ⅰ段) 和木里地区 (图 5d中Ⅱ段) 正处于南、北两个次级块体的交界地带.考虑到木里地处锦屏水电站库区,其震源参数特征与构造地震并不相同,将其单独讨论.
研究时段中,宁蒗—盐源 (图 5d中Ⅰ段) 小震活动频繁,2.0≤ML≤2.9地震应力降平均值为1.96 MPa,大于1.70 MPa的Δσ均值;3.0≤ML≤3.9地震平均值为2.79 MPa,与2.86 MPa的Δσ均值相近;4.0≤ML≤5.0地震平均值为3.14 MPa,小于4.52 MPa的Δσ均值.显然该地区应力降大小在不同震级段上各有差异,推测与当地复杂的构造背景有关,具体原因尚需深入探讨.
2013年7月—12月木里地区集中发生了大量微震和有感小震群活动,蔡一川等 (2015)重新定位的震源分布显示,小震群的发生与木里地处锦屏水电站库区有关.统计结果显示,2.0≤ML≤2.9地震应力降平均值为1.07 MPa,3.0≤ML≤3.9地震平均值为1.35 MPa,4.0≤ML≤5.0地震平均值为3.22 MPa,均明显低于Δσ均值 (1.70 MPa、2.86 MPa、4.52 MPa).这种低应力现象被认为是,由于水库蓄水造成的地下介质孔隙压力增大或水的润滑作用,导致了较低构造应力下的地震发生 (Fehler and Phillips, 1991;Abercrombie and Leary, 1993).
4 结论我们利用四川、云南区域地震台网的数字波形资料和中国地震台网中心的震相数据,恢复2009—2015年川滇活动块体中-北部1012次2.0≤ML≤5.0地震的震源谱,计算了标量地震矩M0、震源尺度r和应力降Δσ等震源参数,并拟合它们的定标关系.结果显示:川滇活动块体中-北部中小地震释放的应力降在0.1~10 MPa;标量地震矩M0与近震震级ML呈现较好的线性关系,统计关系为lgM0=0.92ML+10.46;地震应力降与震级之间的关系和Nuttli的板内地震为增加应力降 (ISD) 模型较吻合,应力降与标量地震矩M0的定标关系拟合为lgΔσ=0.31lgM0-3.92.
震源应力降结果显示:四个构造单元的应力分布并不均匀;地震应力降随地点位置而系统变化,高应力降地震事件多发生在断裂与断裂的交汇部位,而断裂无闭锁条件、断裂以蠕滑为主且断面松弛、断裂端部为高温或破碎塑性变形带时,多以低应力降地震事件为主;与通常所认为的“走滑断裂不易积累应力”相反的是,鲜水河断裂带、安宁河—则木河断裂带均表现出较高的应力状态,其原因一方面可能是因为段落长久以来积累了巨大的能量,已发生的中强地震尚未能填充地震矩释放的亏空区,段落局部仍有较高的应力积累,另一方面可能是在区域变形的复杂动力学过程中,当阻碍断层运动和协助积累应力的作用占主导时,导致同等震级下、高应力降地震事件的发生.
致谢文章承蒙杨建思研究员、闻学泽研究员、赵翠萍研究员、郑斯华研究员指点,衷心感谢;华卫研究员、王勤彩研究员指导相关计算;中国地震局地球物理研究所国家测震台网数据备份中心 (doi: 10.11998/SeisDmc/SN)、中国地震台网中心、四川、云南地震台网为本研究提供地震波形数据;两位匿名审稿人提出宝贵的修改意见,在此一并致谢.
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