据中国地震台网测定,北京时间2017年11月18日6时34分于西藏林芝市米林县(29.75°N,95.03°E)发生了M6.9地震(以下简称米林地震),震源深度10 km.此次地震是1950年墨脱M8.6地震后,喜马拉雅东构造结发生的又一次较大地震.本文从米林地震出发,分析了米林地震序列的时空分布图像特征,并结合当地历史地震资料和地质资料,探讨南迦巴瓦地区地震活动性及其与构造的关系.
喜马拉雅造山带长2500 km,宽300~500 km,呈向南凸出的EW向弧形展布,北侧以印度斯—雅鲁藏布江大拐弯缝合带的主冲断裂(MMT)与拉萨地体南部的冈底斯活动陆缘增生带为邻, 南侧以喜马拉雅前锋冲断裂(MFT)与印度克拉通为界(许志琴等,2008; Xu et al., 2012).喜马拉雅东构造结和西构造结是喜马拉雅弧的东西边缘,呈现出高地势、高侵蚀率、高背斜山丘、深峡谷等特点(Zeitler et al., 2001).由于两个构造结所处的地理位置特殊性,造山带岩石组合的多样性、构造变形和演化过程的复杂性被记录在两个构造结中(许志琴等,2008).相比于西构造结,东构造结表现出更复杂的构造特征,如强烈的形变,大幅度的局部压缩和剪切形变,以及显著的构造地形趋向等特点(Holt et al., 1991; Hallet and Molnar, 2001; Zeitler et al., 2001;常利军等,2015).
南迦巴瓦峰地处喜马拉雅山脉、念青唐古拉山脉和横断山脉的交会处,是喜马拉雅东构造结地区最高的山,海拔7782 m,著名的雅鲁藏布大峡谷绕着它转了一个马蹄形的弯,在马蹄形北部顶端从喜马拉雅东构造结的两个最高峰(南迦巴瓦峰和加拉白磊峰)之间穿过随后向南朝印度洋方向延伸出去.在马蹄形弯的两端,雅鲁藏布江面海拔落差就达2000多米.由于喜马拉雅东构造结位于高海拔、交通困难、高山起伏和峡谷穿错的复杂地理状况,使得这一世界地学的热点地区很难开展地学观测,该地区常规地震台站分布非常稀疏(见图 1中左上小图标明的研究区及周围地区蓝色三角),地震监测能力极弱.在整个林芝、米林、波密、墨脱一带只有两个常规地震台站,难以保证ML3.0以下的地震监测.
为了监测喜马拉雅东构造结核心地区地震活动以及开展该区域构造研究,中国地震局地球物理研究所实时地震学课题组于2016年12月围绕南迦巴瓦峰地区布设了6个宽频带流动地震台站(图 1中绿色三角),并加入西藏地震局的LIZ台与BOM台,构成南迦巴瓦地震台网,地震监测信号实时传输回到北京,开展南迦巴瓦峰及周围地区(94.1°E—95.7°E,29.2°N—30.3°N,即图 1所示区域)的地震活动监测(韩佳东等,2017)和相关研究.台网正式运行期间,米林地震发生,台网正好包围了震源区,完整地记录了地震发生的全过程,为该地震的监测和研究提供了宝贵的近台连续波形观测资料.
本文利用南迦巴瓦台网在2017年1月至5月的地震数据考察了该台网的地震监测能力,并利用其对米林地震完整一个月的监测资料,通过人工检测事件和提取震相数据,对米林M6.9地震及其余震进行分析处理,得到了余震序列的时空分布,并初步探讨米林地震的发震机理.在上述分析的基础上,利用1977年以来中国地震台网和美国地质调查局(USGS)的地震目录资料,进一步分析南迦巴瓦地区的地震活动特征,结合当地地质构造背景,探讨南迦巴瓦地区地震活动的时空特点.
1 台网监测与数据处理 1.1 台网分布及工作状态南迦巴瓦台网的地震台站包围了研究区主要的几个断裂,同时也包围了喜马拉雅东构造两座最高的山峰:加拉白垒峰和南迦巴瓦峰.南迦巴瓦台网的6个流动台站所使用的仪器均为Trillium120Q/QA宽频带地震计,采样率为100 Hz,采用120 W的柔性太阳能电池板供电,其中5个地震台站(图 1中L0235台站除外)采用具有数据补传功能的移动通信设备ET220.通过中国电信信号,南迦巴瓦台网的数据直接传输到北京中国地震局地球物理研究所.
1.1.1 运行状况台网工作运行状态分为三个阶段:
(1) 试运行阶段:2016年12月下旬—2017年5月,台站运行状态良好,5个具有实时传输功能的流动台站均正常工作.
(2) 雨季:5月开始,南迦巴瓦及墨脱地区进入雨季(这是台网建设中的估计不足,只考虑到高原太阳光照充足,没有考虑到雨季因素),因为太阳日照不足,这里的大部分台站供电开始亏欠,地震数据不能实时传输.因此不再购买电信服务,进行系统调整后再恢复实时传输.流动台站数据的实时传输于6月全部中断,但还在正常记录.
(3) 正式运行:针对出现的雨季台站供电不足以及部分台站噪声偏大问题,2017年11月初对台网进行了全面调整,并增加太阳能极板,台站数据实时传输于11月10日起逐渐恢复,并于11月15日台网进入正式运行阶段.米林地震后,实时地震学课题组将南迦巴瓦台网实时波形数据共享至西藏地震局.
1.1.2 台网监测能力2017年1—5月台网的试运行阶段,南迦巴瓦台网共观测到地震事件37次(图 2a),最小震级为ML0.4,最大震级为ML3.5.同一时空范围内,中国地震台网地震目录共记录地震事件7次,最小震级为ML1.4,最大震级为ML3.5.上述对比可以看出流动台站的布设显著提高了研究区的地震监测能力.
采用完备震级这个国际上普遍用于估计地震台网监测能力这个定量标准(李智超和黄清华,2014)来估计南迦巴瓦地震台网的地震监测能力,同时也为地震活动性研究提供了重要参数(Wiemer and Wyss, 2000).地震目录的完备震级主要取决于台站分布,同时还受到数据处理方法的影响.通过完备震级的评估,保证完备震级以上地震目录的完整性,使用在完备震级以上的地震目录来讨论地震序列的特征,这样可以保证讨论结果的准确性.
确定完备震级的方法有很多(Ogata et al., 1991; Ogata and Katsura, 1993),本文采用最大曲率法进行完备震级的分析.最大曲率法是进行完备震级分析最常用的方法之一(冯建刚等,2012;王亮等,2015),该方法认为震级-频度曲线一阶导数最大值对应的震级为完备震级.在实际工作中,这个震级往往对应非累积震级-频率分布中拥有最多地震数目的震级(王鹏等,2017)
用最大曲率方法估计,试运行阶段南迦巴瓦台网地震目录的完备震级为ML1.2,以起算震级为ML1.2进行统计,利用最大似然法(Aki, 1965; Shi and Bolt, 1982; Marzocchi and Sandri, 2003; 侯金欣和王宝善,2017)进行b值计算,2017年1—5月期间研究区的b值为0.65±0.13.具体见图 2b所示的震级-频度分布.
1.2 米林地震序列监测情况米林地震时,南迦巴瓦台网中5个连续实时传输的流动地震台站全部正常工作.本文对南迦巴瓦台网台站(图 1)的连续波形数据进行人工检索,鉴别余震事件和地震震相.为了统一地震震级计算,地震震级计算时采用了仿真基数,将连续地震波形数据仿真为伍德·安德森(W. Anderson)仪器记录数据,再计算近震震级ML.
按照上述事件处理方式,截止到2017年12月18日0时,南迦巴瓦台网观测到3台或3台以上记录的地震事件1507个.其中ML5.0以上事件1次(主震),ML4.0~5.0事件6次,ML3.0~4.0事件107次,ML2.0~3.0事件705次,ML2.0以下事件688次.
利用最大曲率法进行完备震级分析,得到可以定位的米林地震序列地震目录的完备震级为ML2.0.
1.2.1 震相识别和定位米林地震发生后,一段时间内余震高频次发生,特别是在第一天,许多余震相互叠加在一起,这给震相识别造成极大困难.为了余震序列的完备性,首先,通过地震事件的人工检索,区分开叠加在一起的两个或多个地震事件;其次,只选用三个或三个以上地震台站能记录到震相的余震事件,人工地读取Pn、Pg和Sg震相到时(如图 3所示).这样一方面保证一定震级以上余震事件的完备性,另一方面保证地震定位的准确性.在震相识别时,为排除背景干扰,提高震相识别精度,使用带通滤波对地震记录进行处理,突出震相的位置,尽可能精确识别震相到时.
为了地震定位的精确性,速度模型以crust1.0为基础并参考了彭淼等(2017)得出的林芝地区地壳厚度,建立了林芝地区一维速度模型(见表 1).根据台站分布特点选用了单纯形法进行地震定位,定位软件采用MSDP,地震定位结果的震相走时残差在±0.4 s范围内.
定位结果显示,所定位的1506个余震,走时残差均方根为0.07,其中最大残差为0.37 s.米林地震序列定位结果如图 4所示.
使用南迦巴瓦地震台网观测到的数据,采用本文1.2.1节所用的速度模型、人工判读震相,利用同样的定位方法对米林主震进行了重新定位,重定位结果为29.89°N,95.04°E,震源深度约为16.7 km,走时残差为0.137 s,所用到的地震震相及走时残差详见表 2.重新定位的主震位置位于中国地震台网所定位的位置的正北约10 km处.相比于中国地震台网中心的定位结果,南迦巴瓦台网的台站距离震中较近,台站分布对震中的包围更好,定位震相走时残差明显小于中国地震台网中心结果,所以,可以认为南迦巴瓦台网定位结果可信度更高.
由于主震能量过大,近震震级出现饱和,且震中附近的台站均出现限幅,使用南迦巴瓦台网数据计算得到的震级数据可信度较低.因此,主震震级使用Zhang等(2018)给出的矩震级结果MW6.5,经换算公式(李莹甄等,2014)得到近震震级ML6.7.本文分析中所使用其他地震目录的震级数据,也均使用换算公式(刘瑞丰等,2005;李莹甄等,2014)转换成近震震级.
2 米林地震序列时空特征 2.1 米林地震序列的时间特征使用对原始数据分析处理后得到的地震序列M-T图,地震频次b值、h值来考察米林地震序列时间特征.
米林地震序列的累计频度曲线及M-T图显示(图 5),主震震后5天,研究区余震活动频次最高,多数ML3.0以上余震发生在这段时间区间内.22日前后地震活动水平明显降低,甚至出现几个小时的平静时段,震级也相应有所下降,地震事件震级大多数在ML3.0以下.到23日10时14分,发生了一次ML4.0余震,之后余震活动频次上升,并发生多次ML4.0以上的余震,研究区的地震活动又达到较高水平.27日后研究区地震活动显著变弱,累积频度曲线平缓,M-T图中也出现大量的空区.11日前后研究区再次发生ML4.0以上强余震,余震水平略有增加.由时间分布来看,米林余震序列总体呈现显著衰减趋势,衰减过程中伴随强余震出现会有一段时间余震频次增强,而强余震往往出现在余震活动的短暂平静之后.根据刘正荣等(1979)的余震频度衰减公式计算,米林地震的h值为1.26(图 6),相应的地震序列为正常衰减,其后应无更强地震.
米林余震序列总体呈现显著衰减趋势,衰减过程中伴随强余震出现会有一段时间余震频次增强,而强余震往往出现在余震活动的短暂平静之后.
2.2 米林地震序列的空间分布特征从米林地震余震震中分布图(图 4)可以看出,余震序列主要沿NW向分布,长度为40 km左右,地震序列横穿雅鲁藏布江断裂的北部断裂,西北部抵达米林断裂,东南部终止于图 1中的Fx断裂,分布趋势几乎与帕隆—旁辛断裂平行,整个余震序列的空间分布在南迦巴瓦峰和加拉白磊峰连线的东北部靠近帕隆—旁辛断裂.
在震源深度分布上(图 8),米林地震序列主要集中于3~20 km范围内,20 km以下的地震较少,这可能受研究区20~40 km深度范围内存在的低速层影响(程成等,2017).同时在短轴剖面上地震分布呈现上陡下缓的结构面,推断可能反映的是这次米林地震滑移面.滑移面在NE方向受到雅鲁藏布江缝合带与拉萨地块边界阻隔,由近水平的倾角变为近垂直的倾角.
上述分析的余震空间分布特征与Zhang等(2018)给出的本次地震南倾节面的走向、倾角(127°/39°)比较一致.本次米林地震应为走向NW的逆冲型地震.
2.3 米林地震序列的震级特征南迦巴瓦台网的震级计算经仿真后严格按照里氏震级ML来计算,地震目录中的地震事件只包含人工检测三个或三个以上地震台站同时记录到的余震,所以,在对三台及三台以上记录事件的检测和震级计算被认为是完备的.
在这样的前提下,讨论南迦巴瓦台网地震目录得到的震级-频度分布应当是有效的统计(见图 7).根据最大曲率法估计南迦巴瓦台网对可定位余震的监测能力为ML2.0,以ML2.0为起算震级,用最大似然法计算得到米林地震序列的b值为0.84±0.02.相比于南迦巴瓦台网于2017年1月—5月期间观测的b值结果(0.65±0.13)以及邵翠茹得到的2008年b值结果(0.78;邵翠茹,2009),米林地震后研究区b值(0.84±0.02)处于较高水平.
综合上述讨论,从地震频次衰减规律和序列的h值,结合震级-频度分布趋势,可以判断米林地震序列为主震-余震型,相应的震群为正常衰减,其后无更强地震,序列总体呈现显著衰减趋势,衰减过程中伴随强余震出现,会有一段时间余震频次增强,而强余震往往出现在余震活动的短暂平静之后;余震的空间分布比较均匀,呈NW-SE向分布在南迦巴瓦峰和加拉白磊峰连线的东北部,震源区长轴为40 km,短轴为25 km,余震空间分布特征与Zhang等(2018)给出的米林地震南倾节面的走向、倾角(127°/39°)比较一致;受到震源区20~40 km低速层的影响(程成等,2017),米林地震序列的震源深度集中在3~20 km范围.
3 米林地震背景地震活动性探讨讨论南迦巴瓦地区的地震活动性,需要选用一个完备的地震目录.考察中国地震目录,根据统计特点表明,20世纪70年代末期中国地震监测能力有较大提高,因此选择1977年以来中国ML4.0以上地震目录,为了防止遗漏地震事件,结合美国USGS对研究区的地震目录(USGS被认为对于全球(南极地区与北极地区除外)可以保证4级以上地震的监测)形成了南迦巴瓦地区1977年以来的地震目录.
对不同类型震级的地震震级进行了震级换算,得到研究区ML4.0以上较完备的地震目录.结合地质背景资料,对研究区的地震活动性与构造进行探讨.
3.1 米林地震背景地震活动性时间特征米林地震前,研究区地震活动有着明显的时间不均匀性.1977—2017年间研究区M-T图显示(图 9),研究区40年以来地震背景活动水平为ML6.0,并分为不同高峰期:1977—1992年间,研究区的地震活动频度高,ML5.0以上地震8次,最高震级达ML6.0以上,是研究区地震活动最活跃的时期.自1992年研究区发生ML6.2地震后,研究区进入11年的平静期,1993—2003年期间仅发生2次ML5.0地震;到2003年,研究区再次发生ML6.0以上地震,紧跟一次ML5.3地震.此后,又是13年左右地震活动相对平静期, 最大地震震级和地震频次明显减弱,没有ML5.0以上地震,直到本次米林地震发生.类比1966年M7.2邢台地震以及1976年M7.8唐山地震,它们的余震持续了十几年,研究区1977—1992年间地震活动的活跃可能是受1950年M8.6墨脱地震的影响.
西藏地震局在地震台站和监测条件不变的情况下,图 10呈现出2017年6月后,研究区地震活动表现局部有所增强,据查证2017年10月发生了连续两次大型滑坡,分别相当于ML3.8和ML4.5地震(图 10中去掉了这两次滑坡事件).
统计研究区1977—2017年40年间的震中分布图像显示(图 11),研究区的地震分布有着明显的空间不均匀性.米林地震震源区是研究区地震最密集的区域,特别是主震位置处,该地区也是断裂交汇区域,雅鲁藏布江也于此处发生较大的转折.Zeitler等(2014)给出的该地区地震空间分布图像也显示出米林地震震源区是南迦巴瓦地区地震活动最为活跃的区域.此外,沿墨脱断裂(F5)、嘉黎断裂(F2)以及帕隆—旁辛断裂(F4)也有地震分布.
从研究区ML4.0以上的震中分布图来看(图 12),研究区ML4.0以上地震活动整体表现出东北高、西南低的特征,这可能与南迦巴瓦变质体NE向运动有关,变质体NE向运动,导致了东北区域应力积累较强.研究区北部边缘,嘉黎断裂(F2)附近也是ML4.0以上地震密集区, Mukhopadhyay等(2015)曾对该处地震团进行了地震构造分析,认为地震团的出现是因为构造的相互作用以及沿近垂直嘉离断层的右旋走滑运动.
综合图 11和图 12,研究区沿雅鲁藏布江缝合带,特别是缝合带东部的墨脱断裂和帕隆—旁辛断裂,地震活动频繁.变质体的NE向运动导致研究区的东北部应力积累较强,而断裂带区域是应力调整的关键区域,解释了沿墨脱断裂和帕隆旁辛断裂地震活动频发的原因.
4 米林地震发震机理初步讨论Zhang等(2018)给出的米林地震节面的走向、倾角、滑动角为(127°/39°/92°)和(304°/51°/88°), 震源机制解以逆冲型为主.在本文第2节中关于米林地震余震空间分布定位结果(图 4,图 8)展示出NW方向的走向,SW向倾向,与震源机制中节面(127°/39°/92°)相吻合.
米林地震周边断裂非常发育,主要有米林断裂,雅鲁藏布江断裂,墨脱断裂,帕隆—旁辛断裂和嘉黎断裂.其中嘉黎断裂、墨脱断裂、米林断裂都不具有逆冲特性(章振根等,1992;邵翠茹等,2008).雅鲁藏布江断裂由规模大、结构复杂的断裂组成,其断裂大部分表现出走滑特性,且雅江断裂走向与余震序列展布垂直.帕隆—旁辛断裂,位于雅鲁藏布江大峡谷北前锋,控制了雅鲁藏布江前缘展布,两端被雅江断裂和墨脱断裂所截断,总体走向北西,与余震序列排列方向平行,具逆冲运动特征(邵翠茹等,2008).考虑米林地震断层走向和断层面特性,帕隆—旁辛断裂与本次地震的特征较为吻合.
进一步分析图 4和图 8的米林地震主震和余震时空分布,可以看到余震区西北端终止于米林断裂、东南端终止于Fx断裂(图 1),并分布在南迦巴瓦峰和加拉白垒峰连线的东北部靠近帕隆—旁辛断裂.余震展示出来的发震断层其倾角、长轴以及震源机制分布表明了本次地震发震断裂与帕隆—旁辛断裂特征相近,因此米林地震的发震断裂可能为帕隆—旁辛断裂.
自1950年墨脱地震,尤其是2004年以后,南迦巴瓦峰地区地震活动较弱,而南迦巴瓦峰地区是印度板块俯冲欧亚板块的前沿区域.有GPS资料显示东构造结的拆离构造呈现出闭合的趋势,预示着应力的不断积累,可能会激发一次或多次地震(Devachandra et al., 2014).此次米林地震就是自墨脱地震以后东构造结区域的一次应力释放.帕隆—旁辛断裂,是与雅鲁藏布江断裂和墨脱断裂这两条活动性较强断裂的连接断裂,呈弯曲状.从力学角度来看,断裂交汇地带是应力调整的关键地区,这也促使了米林地震的发生.
5 结论南迦巴瓦地震台网完整地记录了本次地震发生的全过程,提高了南迦巴瓦地区的地震监测能力,为米林地震序列特征的分析提供了有利条件.本文利用南迦巴瓦台网的连续波形数据,并结合中国地震台网中心的数据对南迦巴瓦峰地区的地震活动性进行研究,获得以下结论:
(1) 本次米林地震为主震-余震型,相应的地震序列为正常衰减.重定位结果显示米林地震主震位于29.89°N,95.04°E,震源深度约为16.7 km.余震的空间分布情况显示出与Zhang等(2018)发布震源机制的127°/39°/92°节平面一致的特征.受到低速层的影响(程成等,2017),余震主要集中在3~20 km深度范围.
(2) 历史数据显示,研究区地震活动呈现出周期性,ML6.0以上地震以12年为周期发生.空间分布上,米林地震震源区是研究区地震活动最强的区域,近40年研究区的地震主要集中于米林地震的震中附近.
(3) 米林地震附近断裂分布复杂,但大多数断裂的运动特征与米林地震的逆冲型特征不符,排除作为发震断层的可能.从地震分布和已有断层的关系来看,帕隆—旁辛断裂特征与米林地震序列展示出的断层面特征比较一致,帕隆—旁辛断裂应为米林地震的发震断裂.
GPS资料显示东构造结的拆离构造呈现出闭合的趋势,预示着东构造结地区应力的不断积累(Devachandra et al., 2014).南迦巴瓦地区是东构造结的核心区、印度板块逆冲欧亚板块的前沿区域,该地区断裂分布复杂,是应力调整的关键区域,未来仍可能再激发一次或多次地震.但研究区固定台站不足,很难获取满足分析需要的完备地震目录,流动台站的加入会提高地震目录的质量.本文使用的流动台站仍有数量不足,分布不均的问题,今后仍需进一步加入更多的流动台站,以满足未来对研究区更为细致的监测.
致谢 西藏地震局提供了地震数据资料,尹凤玲博士和侯金欣博士与作者进行了有益探讨,审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持,作者在此一并表示感谢!
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