地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (2): 478-491   PDF    
利用重复微震估算红河断裂带北段深部滑动速率
孙庆山1,2, 李乐1     
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. 辽宁省地震局, 沈阳 110034
摘要:利用云南数字地震台网1999-2015年的波形资料,通过识别在断层同一位置发生的重复微震来估算红河断裂带北段不同孕震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,采用基于子采样条件下S-P相对到时差约束地震相对位置,从而确保震源位置一致性的方法,在红河断裂带北段及其附近区域识别出23组重复微震,其复发间隔变化明显.重复微震的时空变化初步分析表明,研究区频繁的背景地震活动和相邻较近的重复微震之间的相互作用都会对重复微震的复发间隔产生影响.利用重复微震的震级和复发间隔,估算得到红河断裂带北段6.0~13.4 km孕震深处的滑动速率为2.3~10.0 mm·a-1,显示不同孕震深度的滑动速率存在差异.
关键词: 红河断裂带北段      重复微震      深部滑动速率     
Deep slip rates along the northern segment of the Red River fault zone estimated from repeating microearthquakes
SUN QingShan1,2, LI Le1     
1. Key Laboratory of Earthquake Prediction, Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
2. Liaoning Earthquake Agency, Shenyang 110034, China
Abstract: Deep slip rates at depths along the northern segment of the Red River fault zone were estimated using repeating microearthquakes between 1999 and 2015 recorded by the Yunnan Seismic Network (YSN). Due to the sparsity of the network stations 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. Using this method, we finally identified a total of 23 sequences of repeating microearthquakes. In each sequence, the occurrences of the earthquakes are rather aperiodic. Based on the spatial-temporal distribution of repeating sequences, we found that the changing of the stress field caused by large earthquakes occurred near the repeating sequences may cause the reduction of recurrence intervals. Some repeating sequences are located closely, the interactions between these sequences are tied to the irregularity of earthquake recurrence. Based on the magnitudes and recurrence intervals of the repeating sequences, we computed the fault slip rates along the northern segment of the Red River fault zone varies from 2.3 to 10.0 mm·a-1 at the depth range of 6.0~13.4 km, and shows substantial difference at different seismogenic depths.
Keywords: Northern segment of the Red River fault zone    Repeating microearthquakes    Deep slip rates    
0 引言

位于滇西的红河断裂带是中国最长的走滑断裂带之一,具有漫长的发育历史和十分复杂的演化过程,具有很高的地震潜势(Peltzer and Tapponnier, 1988钟大赉等,1989范承钧和张翼飞,1993).作为青藏高原东缘一条重要的大地构造和活动块体边界,红河断裂及其周边地区地震活动较为强烈.公元1500年至今,红河断裂带北段曾发生6.0~6.9级地震7次,7.0~7.9级地震2次(见图 1中红色五角星).2008年汶川M7.9地震后,南北地震带进入了新的强震活跃期,红河断裂带北段的地震危险性也备受关注,研究红河断裂带北段的深部变形对于分析该地区的断裂带活动性和地震危险性具有重要意义.

图 1 红河断裂带及其邻近地区地质构造和地震活动以及台站分布图 图中蓝色三角代表云南数字地震台网的台站,灰色圆圈代表1999—2015年云南数字地震台网记录到的地震,红色五角星代表红河断裂带北段及其周边地区历史上发生的6级以上的地震,棕色线段代表断裂,黑色方框代表本文研究区的范围. Fig. 1 Geographic map showing major faults, seismicity and seismic stations along the Red River fault zone and its surrounding areas The blue triangles and the grey circles indicate the Yunnan Seismic Network (YSN) stations and the seismicity in the period of 1999—2015. The red open stars show the historical earthquakes along the northern segment of the Red River fault zone with M>6. The brown solid lines indicate major faults, and the black box shows the study area.

滑动速率是断层变形的定量描述,地表地质调查、地表形变测量和以空间观测为主的GPS、InSAR等资料提供了很好的红河断裂带滑动约束信息(如Allen et al., 1984虢顺民等,1984张培震等,2003bShen et al., 2005Schoenbohm et al., 2006向宏发等,2007Wang et al., 2011),但是这些结果大都局限于断裂带浅部的变形,更多有关断裂带深部变形特征的有效约束信息严重匮乏.

利用数字地震学的资料和方法辨识出的发生在同一断层位置的重复地震(或称重复微震),作为天然的地下蠕变计(Turner et al., 2013),具有原位探测断裂带不同孕震深处变形信息的独特优势.Nadeau和McEvilly(1999)首次利用1987—1998年帕克菲尔德地区发生的重复地震研究断层滑动速率的时空变化,发现断层滑动速率在深浅部存在差异的现象.Igarashi等(2003)识别出日本东北俯冲带上的重复地震,并利用这些重复地震给出了板块边界滑动速率的分布情况.Li等(2007)首次基于我国区域台网的波形资料,通过波形互相关技术和高精度相对定位的震源位置识别出了唐山断裂带上破裂面积相互重叠的重复地震,并提出了适合于我国的板内重复地震计算断层深部滑动速率的方法,为唐山断裂带孕震深处的滑动速率给出了宝贵的定量依据.Li等(2011)利用识别出的2008年汶川M7.9地震震源区周缘的重复地震,估算汶川地震前龙门山断裂带的深部滑动速率,发现滑动速率随深度增加而增大的现象,孕震深处的滑动速率约为GPS等浅表观测值的2~3倍.有关龙门山地区的有限元模拟结果验证了汶川震前断裂带深浅部变形存在空间差异(陈棋福等,2015),同时发现在汶川震前出现了不同程度的滑动短期加速变化的迹象(陈棋福和李乐,2018).Ma等(2014)分析了2008年汶川主震后的余震波形资料,由波形极为相似的地震估算得到断层滑动速率约为5 mm·a-1,与Li等(2011)估算所得的震前滑动速率的平均值基本相当.

本文利用云南数字地震台网的波形记录,通过波形互相关分析和精确定位等方法识别和确定红河断裂带北段的重复微震及其震源位置,并基于重复微震的地震矩和复发间隔获取不同孕震深处的滑动速率,从而定量研究断裂带深部变形特征,为红河断裂带北段的活动性和危险性分析提供新的地震学研究结果.

1 重复微震识别 1.1 资料

云南测震台网自数字化改造投入运行以来,积累了大量的地震波形数据,其中团山台(TUS)、鹤庆台(HEQ)、云龙台(YUL)、丽江台(LIJ)皆位于红河断裂带周缘(见图 1中蓝色三角),自20世纪90年代末开始就有数字波形记录.本文收集了1999—2015年云南数字地震台网的地震观测报告和数字波形资料,观测报告中记录的发生在红河断裂带北段及其周缘(见图 1中黑色方框)的地震有8961次,震级分布范围ML-0.5~5.8,其中至少有3个台站记录到的地震有7986次,只有单台记录的地震有935次,有可用波形记录的地震有7980次.

1.2 相似地震筛选

重复微震在时间上的周期性和空间上的一致性表征为波形的高度相似性.首先对事件波形进行1~10 Hz的带通滤波,并将观测报告中的震相到时标识到事件波形中,之后对事件波形逐一进行人工复核,拾取漏分析和错标的震相.选取垂直向波形P波之前1 s,S波之后5 s的时间窗进行互相关计算,将至少有一个台站记录到的互相关系数CC>0.8的地震定义为相似地震,最终识别出788组相似地震序列,分布情况如图 2所示,包括390组由2个地震组成的相似地震对(doublet)和398组由2个以上地震组成的多重相似对(multiplet),总计4636次地震,震级分布范围ML-0.1~4.3.图 3展示了一组相似地震在团山台(TUS)的归一化波形.

图 2 红河断裂带北段相似地震分布图 图中不同颜色和形状表示包含不同地震个数的相似地震序列,灰色小圆点代表双差法重新定位后背景地震的位置,图例中第二列数字表示每组相似地震序列中所包含的地震个数,最后一列数字代表相应的相似地震序列个数. Fig. 2 The spatial distribution of the similar event sequences along the northern segment of the Red River fault zone The similar event sequences are shown in different color symbols. The grey dots indicate the relocated background seismicity using the hypoDD method. The second column in the legend shows the number of events in each sequence. The last column in the legend indicates the number of doublets/multiplets.
图 3 一组相似地震在团山台(TUS)的归一化波形示例 序列中每个地震的发震时刻和震级标注在图中左侧,最下一行给出了相似地震波形叠加的结果. Fig. 3 An example of normalized seismograms of one similar event sequence recorded at the station TUS Each trace was normalized by its maximum amplitude, origin times and magnitudes are shown in the left. The last row shows the overlap of all the seismograms.

变异系数(Coefficient of Variation)是衡量一组数据变化程度的统计量,定义为一组数据的标准差与平均值的比值.一般情况下,COV < 1表示数据起伏变化不大,COV>1表示数据起伏变化较大.对于时间序列而言,COV < 1表示准周期特征(COV=0代表严格周期特征),COV=1表示泊松分布,COV>1则表示时间丛集性.图 4展示了相似地震序列震级和复发间隔及其变异系数的情况,统计显示相似地震的震级变化不大(图 4b),但是其复发间隔变化较为明显(图 4d).大部分相似地震持续时间较短,仅为数天(图 4e),且呈现出非周期特征(图 4d),说明这些地震序列可能是震群或余震.

图 4 相似地震序列震级和复发间隔及其变异系数统计图 (a)相似地震震级统计直方图;(b)相似地震序列震级变异系数统计直方图;(c)相似地震序列复发间隔统计直方图;(d)相似地震序列复发间隔变异系数统计直方图;(e)相似地震序列持续时间统计直方图;(f)相似地震序列复发间隔及其变异系数关系图. Fig. 4 The magnitudes and recurrence intervals of similar event sequences and their coefficient of variation (COV) (a) Histogram of the magnitudes distribution of similar events; (b) COV in magnitudes for multiplets; (c) Histogram of the recurrence intervals distribution for multiplets; (d) COV in recurrence intervals for multiplets; (e) Histogram of the durations for multiplets; (f) The relationship of the recurrence interval and its COV.
1.3 重复微震辨识

除重复微震外,一些震群或余震通常也具有较高的波形相似性,它们与重复微震的区别在于重复微震的破裂面是相互重叠的,而震群或余震的破裂面是彼此分开的(Rubin and Gillard, 2000).为进一步从相似地震中辨识重复微震,通常需要对每组序列中的地震进行精确定位,计算地震的破裂半径,从而判断地震的破裂面是否重叠(Rubin et al., 1999; Li et al., 2007, 2011).考虑到研究区台站分布较为稀疏,难以满足严格意义上识别重复微震所需的至少有3个台站波形互相关系数CC>0.9的高精度定位必需的条件,采用提高波形互相关阈值及限定震相拾取精度和平均复发间隔的方法来筛选地震序列.首先,根据精确定位的必需条件,提高互相关系数的阈值,采用1.2节中全波段互相关计算的结果,从中挑选出至少有一个台站记录到的互相关系数CC>0.9的地震;其次,子采样条件下相对到时拾取误差是衡量互相关延时精度的一项指标,采取在频域补零,时域内插的方法获取高采样率的波形,使得内插之后的相对到时拾取误差达到0.3125 ms;最后,考虑到重复微震的平均复发间隔基本与断裂带蠕滑状态和研究区区域加载速率有关,红河断裂带位于以整体运动和相对稳定变形为特征的川滇地块西南边界,张培震等(2003a)根据GPS观测资料给出了川滇地块的平均加载速率约为9~13 mm·a-1,由此估算得到研究区发生ML-0.1(研究区相似地震震级下限)地震的复发间隔下限为19~27天.据此挑选出平均复发间隔>19天的153组多重相似对作为备选.

Li等(2011)针对台站分布稀疏的情况,提出了基于子采样条件下S-P相对到时差约束地震相对位置,确保震源位置一致性的方法,并成功地使用该方法识别出龙门山断裂带北川段、小江断裂带以及鲜水河断裂带南段的重复微震(Li et al., 2011李乐等, 2013, 2015).本文中同样使用该方法辨识红河断裂带北段的重复微震.

图 5所示,假设有两个地震事件1和事件2,它们到台站的距离分别为RR′,地震之间的距离为Δx,其与S-P相对到时差ΔtS-P的定量关系可表述如下(具体公式推导见Li et al., 2011李乐等,2013):

(1)

图 5 三个矢量间三角法则示意图 Fig. 5 A schematic diagram illustrating the triangular relationship among the three vectors

上式中γ表示P波与S波的波速比,假定P波速度VP=6.0 km·s-1且波速比γ=1.7,则有

(2)

假设事件1与事件2的破裂半径分别为rr′,当两个地震间的相对距离小于它们的破裂尺度,即Δx < r+r′时,我们认为地震是重复地震;而当Δx>r+r′或时,则认为地震不属于重复地震序列(见图 5).有关破裂半径的计算见2.1节.

利用S-P相对到时差阈值挑选地震序列中重复地震成员时,首先要选定一个参考事件,参考事件需有相对多的台站记录到且波形具有较高的信噪比,以便与序列中其余事件进行比较计算;其次,分别计算序列中其余各事件与参考事件的破裂面是否重叠;最后,挑选出破裂面相互重叠的地震作为序列中的重复地震.图 6为利用S-P相对到时差阈值挑选图 3地震序列中重复地震成员示意图,图中横坐标表示互相关系数CC,纵坐标表示S-P相对到时差与事件破裂半径之和的比值ratio,即,其值小于1表示两个事件的破裂面相互重叠.考虑到垂直向(UD)波形资料的P波较为清晰,在计算时主要参考垂直向波形资料,当0.8 < ratio < 1时,尤其只有单台记录时,需要综合考量三分量(UD、EW、NS)波形资料的计算结果,如果三分量中有两个分量的计算结果小于0.8,则认为该事件是重复地震.最终挑选出地震序列中与参考事件计算后ratio < 0.8的事件作为序列中的重复地震成员.

图 6 利用S-P相对到时差阈值挑选地震序列中重复地震成员示意图 图中横坐标表示互相关系数CC,纵坐标表示S-P相对到时差与地震事件破裂半径之和的比ratio,三角形代表P波段互相关系数CC,五角星代表S波段互相关系数CC,地震事件的发震时刻标注在图中左上位置. Fig. 6 A diagram illustrating for selecting repeating earthquake members from the similar earthquake sequence based on S-P differential times The abscissa represents the cross-correlation coefficient, the ordinate represents the ratio of S-P differential times to the sum of rupture radius. P-wave and S-wave cross-correlation coefficient are shown by triangles and stars, respectively. Origin times are shown in the upper left.

采用上述方法,最终在红河断裂带北段识别出23组重复微震(见表 1),震级范围ML0.6~2.6,共计145次地震,约占地震总数的1.6%.图 7展示了图 3中的相似地震经筛选后得到的重复微震S15在团山台(TUS)的归一化波形.

表 1 红河断裂带北段识别出的重复微震序列 Table 1 Repeating microearthquake sequences identified along the northern segment of the Red River fault zone
图 7 重复微震S15在团山台(TUS)的归一化波形 序列中每个地震的发震时刻和震级标注在图中左侧,最下一行给出了重复微震波形叠加的结果. Fig. 7 Normalized seismograms of repeating microearthquakes in sequence S15 recorded at the station TUS Each trace was normalized by its maximum amplitude, origin times and magnitudes are shown in the left. The last row shows the overlap of all the seismograms.
1.4 重复微震震源位置精确确定

为了获取红河断裂带北段重复微震的空间分布图像,分析断裂带不同深度的滑动速率分布情况,需要对重复微震进行重新定位.我们采用结合波形互相关技术的双差定位法中的共轭梯度算法(LSQR)对红河断裂带北段1999—2015年发生的地震的震源位置进行了求解,重新定位后的地震活动图像见图 11图 12底图中的灰色小圆点.考虑到双差定位法中的共轭梯度算法给出的定位误差并不具备实际意义,我们采用利用“理论地震”目录估算定位误差的方法(Hardebeck, 2013)进行定位误差分析,结果显示水平和垂直方向定位误差的最大值均为1.6 km(孙庆山和李乐,2018).

图 11 基于重复微震估算得到的红河断裂带北段及其周边地区滑动速率分布图 每组重复微震序列用十字表示,十字中心代表每组重复微震序列震源位置的中值,十字的大小与滑动速率成正比;灰色实心圆代表双差法重新定位后的地震位置;红色五角星代表红河断裂带北段1999—2015年发生的M4.0以上地震;棕色线段表示断裂. Fig. 11 Map view of the slip rates estimated from the 23 sequences The centre of each cross indicates the median location of each sequence, the size of crosses is proportional to slip rate. Grey dots represent the relocated background seismicity using the hypoDD method. The red open stars represent earthquakes with M>4 in the period of 1999—2015 along the northern segment of the Red River fault zone. The brown solid lines indicate major faults in the study area.
图 12 基于重复微震估算得到的红河断裂带北段及其周边地区在不同孕震深度的滑动速率分布图 每组重复微震序列用十字表示,十字中心代表每组重复微震序列震源位置的中值,十字的大小与滑动速率成正比;灰色实心圆代表双差法重新定位后的地震位置;红色五角星代表红河断裂带北段1999—2015年发生的M4.0以上地震. Fig. 12 Depth section showing the estimated slip rates along the northern segment of the Red River fault zone The centre of each cross indicates the median location of each sequence, the size of crosses is proportional to slip rate. Grey dots represent the relocated background seismicity using the hypoDD method. The red open stars represent earthquakes with M>4 in the period of 1999—2015 along the northern segment of the Red River fault zone.

在研究区背景地震重新定位的基础上,我们选取上述定位结果作为重复微震的初始震源位置,进一步使用高精度的互相关走时差数据,采用双差定位法中的奇异值分解算法(SVD)再次对23组重复微震分别进行重新定位,将每组序列中所有地震震源位置的中值作为该组重复微震的震源位置,最终获得了20组重复微震的震源位置(S01、S02、S04、S05、S06、S07、S08、S09、S11、S12、S13、S15、S16、S17、S18、S19、S20、S21、S22、S23),具体结果见表 1图 11图 12.我们选用奇异值分解算法获取了高精度的重复微震震源位置,定位结果显示大部分地震的定位误差为数百米,个别地震的定位误差为1 km多.对于重复微震S03、S10和S14,由于震级相对较小,满足定位条件的台站记录数较少,因此没有得到奇异值分解算法求解的双差定位结果.考虑到共轭梯度算法求解背景地震震源位置的过程中,由于选用观测报告中研究时段内的所有地震一同参与定位,地震较为密集且数量较多,在一定程度上弥补了奇异值分解算法中台站记录数较少无法求解的问题,因此这3组重复微震(S03、S10、S14)的震源位置选用整个研究区共轭梯度算法求解的结果(孙庆山和李乐,2018).

1.5 重复微震时空变化

图 8所示,识别出的重复微震复发间隔变化明显,这可能反映了研究区断层变形行为的复杂性.表 1中重复微震复发间隔变异系数COV从0.31到1.40不等,分析复发间隔COV较高的原因:一方面,可能是由于研究区地震活动频繁,COV较高的重复微震几乎都分布在背景地震较为活跃的区域,例如2007年3月18日定西岭发生M4.1地震后,重复微震S23的复发间隔发生了变化;2013年11月28日弥渡东部发生M4.8地震后,重复微震S22的复发间隔明显缩短;2010年1月1日洱源西北部发生M5.1地震后,其周围几组重复微震的复发进程产生了明显的变化(S06、S11、S12).另一方面,有研究指出相距较近的重复微震之间的相互作用也可能对复发间隔产生影响(Li et al., 2011; Chen et al., 2013).如图 11所示,研究区部分重复微震分布较为密集,它们之间的相互影响也会导致复发间隔的变化,例如研究区北部相距较近的10组重复微震中(S01、S02、S03、S04、S05、S06、S07、S08、S09、S10),有8组(S01、S02、S03、S04、S05、S07、S08、S10)的复发间隔变异系数COV>0.5(见表 1).

图 8 红河断裂带北段识别出的23组重复微震序列持续时间图 灰色实心圆代表每组地震序列中的重复微震事件,实心圆大小代表地震震级大小. Fig. 8 Recurrence times of earthquakes from the 23 sequences The grey solid dots represent the events in each sequence, symbol size is proportional to magnitude of the earthquakes.
2 断层深部滑动速率估算及其分布 2.1 断层滑动速率估算

Li等(2007, 2011)发展了一种利用板内重复微震估算断层深部滑动速率的方法,应用这一方法,Li等成功估算出唐山断裂带、龙门山断裂带、丽江—宁蒗断裂带、小江断裂带、鲜水河断裂带南段和北京平原地区隐伏断裂带等多条活动断层的深部滑动速率(Li et al., 2007, 2011李乐等, 2008, 2013, 2015李乐和陈棋福,2010).本研究中也采用该方法估算红河断裂带北段深部滑动速率,计算流程如下:

首先,根据地震矩-震级经验关系(Abercrombie,1996)获取地震矩M0(单位:N·m):

(3)

其次,基于圆盘破裂模型,利用Kanamori和Anderson(1975)给出的关系计算破裂半径r

(4)

刘丽芳等(2010)计算了云南地区2121次ML2.0~5.3地震的应力降参数,得到云南地区应力降Δσ的年均值在2.30~5.05 MPa之间.1.3节中识别出的重复微震震级范围为ML0.6~2.6,考虑到大部分重复微震的震级位于ML1.1~2.0(约占重复微震总数的85%),且有一部分重复微震的震级大于ML2.0,所以在计算破裂半径r时应力降Δσ的值取3 MPa.

再次,根据地震矩的定义计算滑动量d

(5)

最后,通过重复微震序列累积滑动量的线性拟合获取断层在孕震深处的滑动速率,线性拟合的斜率即为平均滑动速率,如图 9所示.

图 9 重复微震S15累积滑动量分布图 黑色圆圈代表重复微震序列S15中的7个地震,时间轴原点为序列中第一个地震发生的时间. Fig. 9 Cumulative slips calculated from the sequence S15 The black circles indicate the 7 events in sequence S15. The first event in sequence S15 occurred at time zero.

由23组重复微震估算得到红河断裂带北段及其周边地区在4.7~23.4 km孕震深处的滑动速率为0.9~10.0 mm·a-1,平均值为4.7 mm·a-1,中值为4.7 mm·a-1(见表 1图 10a).如图 10b所示,随着重复微震持续时间的增加,滑动速率估算误差有减小的趋势,在一定程度上反映了利用持续时间较长的重复微震估算得到的滑动速率更加稳定,精度更高一些.

图 10 由23组重复微震估算的红河断裂带北段及其周缘区域的深部滑动速率(a)及其标准差(b)与重复微震持续时间关系图 Fig. 10 (a) The slip rates estimated from the 23 sequences along the northern segment of the Red River fault zone and (b) their standard deviations are shown as a function of the sequence duration
2.2 断层滑动速率分布

根据重复微震估算得到的红河断裂带北段及其周边地区的滑动速率分布情况如图 11图 12所示.由研究区北部的11组重复微震(S01、S02、S03、S04、S05、S06、S07、S08、S09、S10、S11)估算得到该地区地下4.7~23.4 km深处的滑动速率为0.9~6.8 mm·a-1,滑动速率的平均值为3.7 mm·a-1,中值为4.4 mm·a-1.需要指出的是这些重复微震就地表位置而言,偏离了红河断裂带的研究范畴,因此由这11组重复微震估算得到的滑动速率值难以直接反映红河断裂带北段的变形活动,但可能在一定程度上提供了与红河断裂带北端相交的龙蟠—乔后断裂与鹤庆—洱源断裂的深部变形信息(见图 11).

位于红河断裂带北段周缘的12组重复微震(S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20、S21、S22、S23)估算得到6.0~13.4 km孕震深处的滑动速率为2.3~10.0 mm·a-1,平均值为5.6 mm·a-1,中值为4.9 mm·a-1,显示出红河断裂带北段不同孕震深度的滑动速率存在差异.其中弥渡盆地周缘的3组重复微震(S21、S22、S23)展示出地下6.6~8.8 km深处存在7.2~10.0 mm·a-1的高滑动速率,揭示了该地区断层深部变形的活跃性,这与计凤桔等(1997)认为红河断裂带第四纪以来的主要活动具有从北向南逐渐减弱的趋势,现今活动最强烈的中心位于断裂带北段大理、弥渡一带的观点较为吻合.重复微震S12位于红河断裂、通甸—巍山断裂和龙蟠—乔后断裂三条断裂的交汇部位,展示了交汇区地下6.0 km深处约6.7 mm·a-1的较高滑动速率,由地质地貌方法得到的断层滑动速率(任俊杰等,2007向宏发等,2007汤勇,2014)与由重复微震得到的断层深部滑动速率存在一定差异,可能反映了该地区断层滑动行为的复杂性,由重复微震S12获取的较高滑动速率值可能是三条活动断裂相互作用的综合结果.

有关川滇菱形地块其他活动断裂的重复微震研究结果表明:龙门山断裂带在2008年汶川M7.9地震前约4~18 km孕震深处的滑动速率为3.5~9.6 mm·a-1(Li et al., 2011),小江断裂带3~12 km孕震深处的滑动速率为1.6~10.1 mm·a-1(李乐等,2013),鲜水河断裂带南段3.6~18.7 km孕震深处的滑动速率为3.0~10.2 mm·a-1(李乐等,2015),结合本文研究结果即红河断裂带北段在地下6.0~13.4 km深处存在2.3~10.0 mm·a-1的滑动速率,综合分析表明龙门山断裂带、小江断裂带、鲜水河断裂带南段和红河断裂带北段的深部变形的定量化结果是比较一致的,反映了川滇地块相对稳定的整体变形特征.

3 讨论与结论 3.1 讨论

图 11重复微震的分布图所示,大部分重复微震似乎都位于研究区主要断层的周缘或是断层交汇处,具体分析可能有如下几点原因:其一,有关红河断裂带地壳结构的研究发现红河断裂两侧地壳由SW向NE逐渐增厚,表明红河断裂带是陡立的大断裂,且在地壳范围内倾向SW(王夫运等,2014陈思文等,2016),断层倾向SW的产状可能导致发生在断层深部的地震在地表的投影位置与断层在地表的出露位置有一定的偏移;其二,滇西地区温泉分布广泛,深部流体可能对地震的发生有重要影响,林元武(1993)认为温泉热储温度和温泉密度是影响断裂弱化程度的两个因素,向才英和周真恒(2000)发现红河断裂带位于地热高值区,并指出岩石圈热结构所引起的地壳脆韧性转变控制着震源深度,深大断裂的存在为地壳深部热流物质上涌提供了通道,上涌的热流物质沿着脆弱的断裂或断裂交汇处释放应力,从而引发地震(孙洁等,1989徐常芳,2002李其林等,2019),文中部分重复微震即发生在断裂交汇处(S12、S15、S16、S17、S18、S19、S20、S21、S22、S23);其三,有关滇西北地区构造应力场的最新研究(武永彩等,2018)表明由“鹤庆洱源断裂—红河断裂北段—程海断裂”圈起的区域,其内部的张性应力值明显低于外部,这种张性应力低值区往往是地震活动的频发区,本文识别出的大部分重复微震均位于该研究指示出的张性应力低值区内(S01、S03、S04、S05、S07、S09、S11、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20).

鉴于研究区台站分布相对稀疏,微小地震监测能力有限,漏震现象可能存在.这里我们通过删减重复微震序列的地震来模拟小震的遗漏,从而定量研究遗漏小震对滑动速率估算结果的影响.以图 9中的重复微震S15为例,该序列共有7次地震,震级范围ML1.8~2.3,持续时间5.36年,平均复发间隔0.89年,滑动速率估算值为(3.6±0.4)mm·a-1表 2为遗漏序列中各小震对滑动速率估算值产生的影响.分析表明遗漏小震会对滑动速率的估算结果产生影响,具体影响与序列平均复发间隔的变化有关:如果遗漏小震造成重复微震的平均复发间隔减小,滑动速率的估算值会偏高;如果遗漏小震造成重复微震的平均复发间隔增大,滑动速率的估算值会偏低.在程海断裂与红河断裂交汇处辨识出一组持续时间较短且震级均大于2.0的准周期重复微震S21(复发间隔变异系数COV=0.44),考虑到附近台站较少,可能遗漏小震造成重复微震不完整.随着数字波形资料的不断积累和地震台网监测能力的日益提高,有关红河断裂带北段重复微震的完整性检测工作有待更进一步的研究.

表 2 遗漏小震对重复微震S15滑动速率的影响 Table 2 Effect of missing microearthquakes in sequence S15 on estimation of slip rates

需要指出的是本文由重复微震获取的断层深部滑动速率目前只是一个标量(数值),不具备方向性,本文的研究结果并不足以分析可能的滑动方向.尝试通过求解重复微震的震源机制解,结合重复微震的破裂节面解或可能确定的破裂方向,来约束由重复微震所获取的滑动速率的滑动方向,得到可更好与地质和大地测量结果对比分析的断层深部滑动速率是今后值得思考和需要深入研究的方向.

3.2 结论

基于1999—2015年红河断裂带北段小震重新定位及其波形分析得到如下结论:

(1) 通过波形互相关分析,识别出互相关系数CC>0.8的788组相似地震.针对研究区台站分布稀疏的客观情况,采用基于子采样条件下S-P相对到时差约束地震相对位置,从而确保震源位置一致性的方法,辨识出23组重复微震;

(2) 分析重复微震的时空变化,识别出的重复微震复发间隔变化明显,反映了研究区深部断层活动的复杂性,频繁的背景地震活动和相距较近的重复微震之间的相互作用都会对重复微震的复发进程产生影响;

(3) 识别的重复微震大都位于研究区主要断层的周缘或是断层交汇处,这可能是由断层的深部产状、深部流体对深大断裂的弱化等因素共同引起的;

(4) 基于重复微震的震级和复发间隔,由红河断裂带北段周缘的12组重复微震估算得到孕震区6.0~13.4 km深处的滑动速率为2.3~10.0 mm·a-1,滑动速率分布图像显示不同孕震深度的滑动速率存在差异,滑动速率估算误差有随重复微震持续时间的增加而降低的趋势.由研究区南部弥渡盆地周缘的3组重复微震估算得到的高滑动速率可能反映了该地区断层深部变形的活跃性,由红河断裂、通甸—巍山断裂与龙蟠—乔后断裂交汇处的1组重复微震估算得到的较高滑动速率可能是三条断裂共同作用的结果;

(5) 有关川滇菱形地块其他活动断裂深部滑动速率的重复地震研究结果与本文结果较为一致,反映了川滇地块相对稳定的整体变形特征;

(6) 针对重复微震序列中小震的遗漏对滑动速率估算结果的影响进行了定量研究,分析表明如果遗漏小震造成重复微震的平均复发间隔减小,滑动速率的估算值会偏高;反之,滑动速率的估算值会偏低.

致谢  感谢审稿专家对完善本文提出的宝贵意见与修改建议.文中图件采用GMT绘制(Wessel and Smith, 1998),在此表示感谢.
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