2021, Vol. 64
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院地球与行星物理重点实验室, 北京 100029;
3. 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049;
4. 中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院, 油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249;
5. Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences, Rice University, Houston, TX 77005, USA
2. Key Laboratory of Earth and Planetary Physics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Unconventional Petroleum Research Institute, State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum Beijing, Beijing 102249, China;
5. Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences, Rice University, Houston, TX 77005, USA
断层活动速率(或滑动速率)是断裂带变形(深部和浅部)的定量描述，也是评估地震危险性和分析发震潜势的重要依据.了解断裂带深部变形及其时空变化特征，是我们认识强震复发和孕震机理与预测地震的重要途径.
研究者在板块边缘的活动断裂带和俯冲带等不同的构造单元(如Nadeau et al., 1995；Matsuzawa et al., 2002；Peng and Ben-Zion, 2005；Chen et al., 2009；Yu, 2013；Dominguez et al., 2016；Schmittbuhl et al., 2016；Materna et al., 2018)及板内大陆地区如中国(如Schaff and Richards, 2004, 2011；Li et al., 2007, 2009, 2011, 2017；李乐和陈棋福，2010；李乐等, 2013, 2015；Ma et al., 2014；Liu et al., 2019; 孙庆山和李乐，2020；Deng et al., 2020)和韩国(Kim W Y and Kim K H, 2014)等，相继发现了重复发生在同一断层部位具有高度相似波形的微小地震(即重复地震或重复微震).随着研究的深入，重复地震逐渐被定义为：重复发生在同一断层部位具有高度相似性的波形且破裂面积相互重叠的微小地震.重复地震的孕育发生过程反映了其周围断层蠕滑区的应变积累和深部滑动状态，其大小和周期性则可用以研究断层深部的滑移行为及其时空演化特征.由此重复地震的研究开启了一种直接精细量化探测断裂带深部变形和活动状态的探索途径，同时也成为现代地震学研究构造变形与强震活动的前沿领域之一.
近20年来，利用重复地震在地下“原位观测”断层深部滑动速率的研究逐渐进入人们的视野，并取得了显著进展.Nadeau和McEvilly(1999)率先利用美国加州San Andreas断裂带Parkfield地区的重复地震成功地获取了地表以下不同深度的断层滑动速率，展示了深浅滑动差异分布.Li等(2007)首次基于中国大陆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变形提供了难得的定量依据.唐山断裂带深部变形的重复地震研究的成功试点，激励我们将研究重点逐步转到地震活动频繁且相继发生强震的川滇地区.
位于南北构造带中南段的川滇地区是我国青藏高原向东逸出最强烈的部位，发育着一系列NW向、NE向和近NS向的多种活动断裂(图 1)，其中巴颜喀拉地块与华南地块边界的NE向龙门山断裂带以挤压逆冲为主并兼有右旋走滑运动分量，而巴颜喀拉地块与川滇地块边界的NW向鲜水河—小江断裂带则以左旋走滑作用为主，川滇地块与滇缅地块边界的红河断裂带以右旋走滑剪切作用为主(张培震等，2003a；徐锡伟等，2003).沿这些地块边界展布的活动断裂带也是强震和特大地震的频发带，有数十次7级以上地震活动的记载，尤以1833年嵩明8级地震和2008年汶川8.0级地震最为显著，因而川滇地区已成为探索大陆地区板内重复地震研究的最佳场所之一.
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图 1 川滇地区地质构造与地震活动和台站分布图 图中红色三角代表云南和四川数字地震台网的台站，橙色三角代表水库地震台站，蓝色空心三角代表川西台阵宽频带流动地震台站，空心灰色圆圈代表1999—2015年数字地震台网记录到的地震.黑色五角星代表1833年嵩明8级地震和2008年汶川8.0级地震，黑色圆点和沙滩球示意给出了2008年5月12日汶川8.0级地震、2013年4月20日芦山7.0级地震、2014年11月22日康定6.3级地震、1996年2月3日丽江7.0级地震、1998年11月19日宁蒗6.2级地震和2001年5月24日宁蒗5.8级地震的震中及其震源机制(震源机制结果来自https://www.globalcmt.org).棕色线段代表断裂. F1，龙门山断裂带；F2, 小江断裂带；F3，鲜水河断裂带；F4，红河断裂带；F5，丽江—宁蒗断裂带.左下插图表示印度板块和青藏高原以及次级块体及其相对于稳定的西伯利亚地盾的运动速率(张培震等，2003a). Fig. 1 Geographic map showing major faults (brown solid lines), seismicity (open grey circles) in 1999—2015, and seismic stations (triangles) in the Sichuan and Yunnan region The permanent stations of the provincial seismic networks and the reservoir seismic network are shown in solid red and orange triangles, respectively, while the temporal West Sichuan Seismic Array are indicated by open blue triangles. The two black stars represent the historic 1833 Songming M8 earthquake and the 2008 M8.0 Wenchuan earthquake. The black dots and the beach balls indicate the epicenter and the focal mechanism of the 12 May 2008 M8.0 Wenchuan earthquake, the 20 April 2013 M7.0 Lushan earthquake, the 22 November 2014 M6.3 Kangding earthquake, the 3 February 1996 M7.0 Lijiang earthquake, the 19 November 1998 M6.2 Ninglang earthquake, and the 24 May 2001 M5.8 Ninglang earthquake (Focal mechanisms from https://www.globalcmt.org). F1, Longmenshan fault zone; F2, Xiaojiang fault zone; F3, Xianshuihe fault zone; F4, Red River fault zone; F5, Lijiang-Ninglang fault zone. Bottom left inset shows the surface motion of the India plate and different blocks within the Tibetan Plateau relative to the stable Siberian craton (Zhang et al., 2003a). |
本文系统汇总了近十多年来我们在川滇地区陆续开展的重复地震研究资料(李乐，2008；Li et al., 2009, 2011, 2017；李乐等, 2008, 2013, 2015；Li, 2017；孙庆山和李乐，2020)，重建了川滇地区重复地震的时空分布和断裂带深部变形时空演化特征，在一定程度上弥补了浅表观测资料探测断裂带深部变形的不足，提供了断裂带深部变形特征更多的量化约束信息，为判定川滇地区可能存在的闭锁断层段和地震危险性评估提供了新的地震学研究结果.
1 资料和方法 1.1 资料中国地震局于20世纪90年代末和2000年先后完成了云南和四川地震台网的宽频带数字化改造(见图 1红色三角所示台站分布)，又经过“十五计划”期间(2007年完成)和汶川地震灾后重建的改建和扩建，显著改善了川滇地区的地震监测能力.2006年10月到2009年7月在中国川西地区布设并运行的川西台阵是由297个密集流动宽频带地震台组成的，其台站间距约20~30 km(见图 1空心三角所示台站分布).自数字化改造以来的云南台网(YSN)、四川台网(SSN)和水库台网(RSN)以及研究区内布设的密集流动台阵的数字波形资料，是我们开展川滇地区重复地震研究的基础资料.
1.2 重复地震识别考虑到要尽可能保证所用资料的完整和质量，在将不同格式(EVT或者SEED)的原始波形资料统一转换为SAC格式的过程中，将台网观测报告中识别的P波和S波的震相到时标记到相应的事件波形的头段变量值中，同时人工补漏纠错修正波形震相到时.然后将波形统一进行预处理：进行1~10 Hz的带通滤波，并采用在频域补零的方法来获取高的采样率(亚采样间隔0.3125 ms，以满足相对到时拾取误差 < 0.5 ms要求)，从而实现时域内插.基于相似地震的定义(如Li et al., 2011)，选取合适的全波段时间窗(P波前1 s至S波后5 s)进行互相关计算，挑选出至少有一个台站波形互相关系数达到0.8以上的相似地震序列, 并在此基础上，根据实际台站记录条件以更高的相关系数阈值及不同台站分布情况下的定位约束来辨识重复地震，即识别发生在同一断层部位具有高度相似性的波形且破裂面积相互重叠的微小地震.在相对密集台站记录条件下(如Li et al., 2007, 2011, 2017；Li，2017)，通过相似地震的P波段和S波段的互相关延时估计来获取S-P的相对到时差ΔtS-P，然后分别对每一组地震进行多事件相对精定位来获取每个地震的相对位置，通过计算每个地震的破裂面积，来挑选出破裂面积几乎重叠的地震作为重复地震；另一方面，在稀疏台站分布条件下，通过地震的相对位置Δx与S-P相对到时差ΔtS-P之间的定量关系来判定，采用在子采样条件下ΔtS-P的阈值来约束地震相对位置从而确保震源破裂部位的相互重叠.我们提出的该分析流程成功地识别出了龙门山断裂带北川地区的重复地震(见Li et al., 2011)，并应用到了小江断裂带和鲜水河断裂带南段以及红河断裂带南段的重复地震识别研究(李乐等, 2013, 2015；孙庆山和李乐，2020).
1.3 断层深部滑动速率估算基于重复地震的地震矩和重复间隔简单估算滑动速率的方法是在唐山断裂带的重复地震研究(Li et al., 2007)中发展建立的.方法具体流程如下：首先在利用谱比法(Vidale et al., 1994)验证现有地震目录中地震震级(近震震级ML)基本符合地震矩-震级的经验关系前提下，可以采用地震矩-震级的经验关系计算地震矩，并基于圆盘破裂断层模型，在设置应力降Δσ为常量的情况下，依据地震矩来估算破裂半径r，同时基于地震矩的定义来计算滑动量，最后通过线性拟合重复地震序列的累积滑动量来确定重复地震发生深度处的断层平均滑动速率.
由重复地震估算的滑动速率依赖于所选用的地震矩-震级经验关系和设定的地震应力降.赵翠萍等(2011)获取的中国大陆中小地震的地震矩M0和近震震级ML的经验关系，其与全球其他区域的研究结果基本一致，换算系数都在1左右，因此我们认为Abercrombie(1996)提出的经验关系式是适用于川滇地区的.川滇地区中小地震应力降Δσ研究结果显示：云南地区ML2.0~5.3地震的应力降年均值基本介于2.30~5.05 MPa之间，而四川地区ML3.0~5.1的地震应力降年均值分布在5.11~8.72 MPa之间(刘丽芳等，2010).鉴于目前我们在中国大陆地区识别出的绝大部分重复地震震级在2.0以下，据此在云南和四川地区分别设定应力降值为3 MPa和5 MPa.
2 断裂带深部变形特征 2.1 丽江—宁蒗断裂带NE向的丽江—宁蒗断裂、NW向的中甸断裂和近NS向的程海断裂在丽江—宁蒗地区相互切割交错，在这些大型共轭断裂和区域应力场的复合作用下，先后发生了1511年永胜西北的6级以上地震、1996年2月3日的丽江7.0级地震、1998年11月9日的宁蒗6.2级地震和2001年5月24日的宁蒗5.8级地震(见图 1).以左旋走滑运动为主的丽江—小金河断裂将川滇菱形地块分割成南、北2个次级活动地块，北部和南部地块的运动速率分别为13 mm·a-1和9 mm·a-1(张培震等，2003a)，在川滇地块整体向SSE方向的运动和顺时针的旋转(见图 1插图)推挤过程中，丽江—小金河断裂起到了屏蔽和吸收作用，中强地震频繁发生.
利用云南数字地震台网1999—2006年记录的丽江—宁蒗断裂及其周缘发生的2684次(ML0.1~5.8)地震事件波形，李乐等(2008)对其地震活动性和深部滑动速率进行了初步研究.双差重定位后的地震分布图像展示了不同深度段的地震活动显著差异，结合地震活动性参数b值分析，揭示了8~15 km深度可能处于应力积累的闭锁阶段而导致的缺震现象.基于2组发生在脆-韧性转换深度的重复地震，获取了约23 km深处的滑动速率分别为5.4±0.4 mm·a-1和4.3±0.9 mm·a-1，这与浅表地质调查(沈军等，2001)以及同时期的GPS观测(Shen et al., 2005)获得的结果相符.鉴于研究时段内“九五”期间(1996—2000年)地震台站分布以及重复地震识别方法的限制，将这一结果作为滑动速率的最高估计(即滑动速率的上限)更为客观合理些.有关丽江—宁蒗断裂带不同深度、不同时间段的深部滑动速率的分布特征，还有待于基于更多地震波形资料的分析论证.
2.2 小江断裂带小江断裂带属川滇菱形地块的东边界，是川滇地区典型的变形带和强震活动带(宋方敏等，1998).1500年以来的资料记载表明，该断裂带至今曾发生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和图 2).断裂活动和地震活动性综合分析表明，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(Wen et al., 2008).
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图 2 由29组重复地震估算的小江断裂带的滑动速率分布图(修改自李乐等，2013) 不同颜色的圆圈代表不同深度的重复地震.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地震的质心位置.灰色圆点代表双差重定位后的地震的位置.黑色空心五角星代表具有代表性的历史强震事件.棕色线段代表断裂.F1, 小江断裂带；F2，普渡河断裂；F3，曲江断裂. Fig. 2 Map view of the slip rates along the Xiaojiang fault zone estimated from the 29 repeating earthquake sequences (modified from Li et al., 2013) Depth of these sequences is indicated by color circles. The size of the crosses is proportional to slip rate. The center of each cross shows the centroid of each sequence. Grey solid circles show the location of earthquakes relocated by the HypoDD method. Major historical earthquakes are indicated by black open stars. Brown solid lines indicate major faults. F1, Xiaojiang fault zone; F2, Puduhe fault; F3, Qujiang fault. |
针对小江断裂带，李乐等(2013)收集并分析了1999—2011年云南数字地震台网记录的9488次0.1~5.2级地震波形，考虑到断裂带附近台站分布较稀疏的情况，应用子采样条件下基于S-P相对到时差约束地震相对位置的方法，发现了小江断裂带周缘复发间隔存在差异变化的29组重复地震.基于重复地震的时空分布图像，发现相邻的背景地震和位置相近的重复地震活动都有可能会影响重复地震的复发间隔，较大背景地震的发生是缩短其周缘重复地震的复发间隔的可能因素之一.
基于源于同一部位破裂的29组重复地震估算所得的断层深部滑动速率分布，展示了小江断裂带在不同段落、不同分支的深部变形的非均匀性(图 2)，在3.0~12.3 km深度的滑动速率为1.6~10.1 mm·a-1，其估算误差为0.1~1.4 mm·a-1.由重复地震得到的不同几何分段的滑动速率为：在南段深度5~10 km的范围内滑动速率为2.9~6.2 mm·a-1；中段滑动速率变化显著，在3.0~12.3 km深度范围内滑动速率为1.6~10.1 mm·a-1；中段东支的地震活动弱且分散，仅由一组重复地震序列估算得出了1.7 mm·a-1滑动速率.由重复地震给出的较高滑动速率，切实体现了中段西支的小震密集活动特性.
小江断裂带强震破裂段在不同孕震深度存在差异明显的深部变形特征(图 2)，沿断裂带从北到南不同强震破裂段的滑动速率依次为：1733年东川M73/4地震破裂段在约5 km深度存在10.1 mm·a-1的高滑动速率，1833年嵩明M8地震破裂段在4~12 km深度存在2.7~8.9 mm·a-1的滑动速率分布，1500年宜良M≥7地震破裂段在浅部3 km左右存在1.7 mm·a-1的低滑动速率，1789年华宁M7地震和1970年通海地震7.8级地震破裂段在3~10 km深度范围内存在1.6~7.5 mm·a-1滑动速率分布，1606年建水M63/4地震破裂段在孕震深度6.5 km处存在4.0 mm·a-1的较低滑动速率.
2.3 红河断裂带滇西地区的红河断裂带是一条经历了漫长而复杂演化过程的构造变形带和大型走滑断裂带(Peltzer and Tapponnier, 1988；钟大赉等，1989).红河断裂带的地震活动总体表现为北强南弱，北段地震频次高、强度大，1500年至今曾发生7次6.0~6.9级地震和2次7.0~7.9级地震，如1652年弥渡7级和1925年大理7级地震(见图 3)，而南段至少在近300年间没有强震记录，且小震活动也比较稀少.
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图 3 基于23组重复地震估算得到的红河断裂带北段及其周边的滑动速率分布图(修改自孙庆山和李乐，2020) 不同颜色的圆圈、十字、灰色圆点、棕色线段和黑色空心五角星同图 2.F1，红河断裂带；F2，通甸—巍山断裂；F3，龙蟠—乔后断裂；F4，鹤庆—洱源断裂；F5，程海断裂. Fig. 3 Map view of the slip rates along the northern segment of the Red River fault zone estimated from the 23 repeating earthquake sequences (modified from Sun and Li, 2020) The color circles, crosses, grey solid circles, brown solid lines and black open stars are the same as Fig. 2. F1, Red River fault zone; F2, Tongdian-Weishan fault; F3, Longpan-Qiaohou fault; F4, Heqing-Eryuan fault; F5, Chenghai fault. |
对地震分布相对密集的红河断裂带北段及其附近区域，李乐(2008)、孙庆山和李乐(2020)陆续收集并分析了云南数字地震台网记录的1999—2015年8961次-0.5~5.8级地震的资料，通过全波段波形互相关分析，识别出互相关系数CC＞0.8的788组相似地震.基于稀疏台网条件下重复地震的辨识方法，筛选出研究区的23组复发间隔变化明显的重复地震(图 3).重复地震的时空变化揭示了研究区深部断层活动的复杂性，与小江断裂带同样存在着频繁的背景地震活动和相距较近的重复地震活动对重复地震的复发进程都有影响的现象.
23组重复地震中分布在红河断裂带北端以北的11组重复地震(图 3)，就地表位置而言偏离了红河断裂带的范畴，由此获取的地下4.7~23.4 km深度的0.9~6.8 mm·a-1滑动速率更多地提供了与红河断裂带北端相交的龙蟠—乔后断裂与鹤庆—洱源断裂的深部活动信息.由位于红河断裂带北段附近的12组重复地震，获取的6.0~13.4 km深度的滑动速率为2.3~10.0 mm·a-1(图 3)，相对应的估算误差为0.3~1.3 mm·a-1.分布图像显示不同深度的滑动速率存在差异，弥渡盆地附近6.6~8.8 km深处的7.2~10.0 mm·a-1高滑动速率揭示了其断层深部变形的活跃性，也印证了有研究(如，计凤桔等，1997)认为红河断裂带现今活动最活跃的区域位于大理和弥渡一带的观点.图 3还表明：在多条断裂共同作用的交汇区，可能存在较高的深部滑动速率.在红河断裂带中南段，因现今地震活动很弱且仅有零星的固定地震台站分布，开展重复地震研究的条件不是很充分，借助中国地震科学台阵探测一期的宽频带流动地震台观测数据的联合分析，也许能够对红河断裂带的深部滑动速率提供更多的约束信息.
2.4 鲜水河断裂带鲜水河断裂位于青藏高原侧向滑移构造系统的东边界，是现今构造变形集中带和强震活动带.鲜水河断裂北段结构较为单一，南段呈现出若干条分支断层组成的复杂结构，其中雅拉河断层、色拉哈—康定断层、折多塘断层及磨西断层等在空间展布上呈羽列排列，石棉附近的鲜水河断裂带南段则与安宁河断裂带和大凉山断裂带相接(张世民和谢富仁，2001).在泸定附近，鲜水河断裂带南段与龙门山断裂相交汇，是华南地块、巴颜喀拉地块、川滇地块的交叉口(张培震等，2003a).位于南段康定到石棉之间的贡嘎山地区正处于川滇地块北部边界(鲜水河断裂)和东部边界(安宁河断裂带和大凉山断裂带)的转折带，也是川滇块体内横向构造带(丽江—小金河断裂)和边界构造带(鲜水河断裂带和龙门山断裂带)的交汇区.
在2014年康定6.3级地震发生前，李乐等(2015)整合分析了2000—2013年四川数字地震台网、瀑布沟水库台网以及川西流动台阵记录的9645次-0.3~5.0级地震资料，通过全波段的波形互相关分析，识别出635组相似地震，并基于稀疏台网条件下重复地震的辨识方法，获得了鲜水河断裂带南段周缘11组0.7~2.8级的重复地震.基于重复地震的震级和重复间隔估算所得3.0~18.7 km深度的滑动速率分布范围为3.0~10.2 mm·a-1(图 4)，平均值和中值分别为6.7 mm·a-1和6.4 mm·a-1，滑动速率估算的误差为0.3~4.3 mm·a-1.
由重复地震获得的鲜水河断裂带南段的深部滑动速率分布存在显著的差异.历史上曾发生过3次7级以上强震的康定—折多塘构造区(见图 4)，其地下约7 km处得到的8.3~9.7 mm·a-1的较高滑动速率值，与该区域研究时段(2000—2013年)内较弱的背景地震活动(见图 4灰色圆点所示，无4.0级以上的地震发生)明显不符，而2014年11月22日发生的康定6.3级地震发生则很可能“协调”了该构造区的震前深部滑动速率高而背景地震活动性弱的局面.由此也再次表明：要特别关注深部变形剧烈而地震活动弱这样反差明显区域的潜在地震危险性.在石棉强震三叉构造区(张世民和谢富仁，2001)的西北侧曾发生过1786年泸定得绥7级地震，该石棉强震构造区在研究时段内小震较为活跃(见图 4)，位于石棉附近的2组重复地震展示了鲜水河断裂带最南端在5~14 km深度的滑动速率为3.0~9.2 mm·a-1，约14 km深度呈现出9.2 mm·a-1的高滑动速率，可能是“三叉构造”共同活动的结果.
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图 4 由11组重复地震估算的鲜水河断裂带南段的滑动速率分布图(修改自李乐等，2015) 沙滩球示意给出了2013年芦山7.0级地震以及2014年11月22日康定6.3级地震的震中及其震源机制.不同颜色的圆圈、十字、灰色圆点、棕色线段和黑色空心五角星同图 2. Fig. 4 Map view of the slip rates along the southern segment of the Xianshuihe fault zone estimated from the 11 repeating earthquake sequences (modified from Li et al., 2015) The beach balls indicate the focal mechanism of the 2013 M7.0 Lushan earthquake and the 22 November 2014 M6.3 Kangding earthquake. The color circles, crosses, grey solid circles, brown solid lines and black open stars are the same as Fig. 2. |
龙门山断裂带地处青藏高原东部巴颜喀拉地块与华南地块的分界部位，是由龙门山后山断裂(茂县—汶川断裂)、中央断裂(映秀—北川断裂)、山前断裂(安县—灌县断裂)和山前隐伏断裂等组成的以逆冲为主兼具少量右旋走滑分量的推覆构造带(Burchfiel et al., 2008).2008年5月12汶川8.0级地震和2013年4月20日芦山7.0级地震先后发生在龙门山断裂带的中北段和西南段，其中汶川地震是1976年唐山7.8级地震后中国大陆遭受的破坏性最强的一次大地震.汶川地震前，龙门山断裂带地震活动较为平静，尚无7级以上地震的史料记载，如图 5所示，仅有1657年汶川61/2级地震、1958年北川6.2级地震和1970年大邑6.2级地震3次6级以上强震发生的记载.对龙门山断裂带发生超强地震的潜在危险性低估的重要依据之一是由地质和GPS等浅表观测给出的低滑动速率(Zhang, 2013)，汶川8.0级巨震的突然发生对人们通常的“强震(尤其是8级巨震)发生在构造活动强烈地带”的认知提出了挑战.由浅表观测得出的低滑动速率并没有真实地反映龙门山断裂带在强震前的深部变形行为，重复地震的分析研究(Li et al., 2011)为我们提供了“原位观测”获得的龙门山断裂带深部变形的时空演化特征.
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图 5 由重复地震估算所得的龙门山断裂带的滑动速率分布图 十字和棕色线段同图 2.蓝色的十字代表汶川地震前的12组重复地震获取的滑动速率(Li et al., 2011)，红色的十字代表龙门山断裂带南端的4组重复地震获取的滑动速率(李乐等，2015).黄色圆圈代表2008汶川8级地震和2013芦山7级地震的余震分布.黑色圆点代表龙门山断裂带附近发生的具有代表性的6级以上的强震事件.沙滩球示意给出了2008汶川8级地震和2013芦山7级地震震中及其震源机制.绿色空心三角代表四川台网和水库台网的数字地震台站. Fig. 5 Map view of the slip rates estimated from the repeating earthquake sequences along the Longmenshan fault zone The crosses and brown solid lines are the same as Fig. 2. The observed slip rates from 12 repeating earthquake sequences occurred before the Wenchuan main shock along the Longmenshan fault zone (Li et al., 2011) and 4 repeating earthquake sequences at the southernmost Longmenshan fault zone (Li et al., 2015) are shown in blue and red crosses, respectively. Yellow circles represent aftershocks of the 2008 M8.0 Wenchuan earthquake and the 2013 M7.0 Lushan earthquake. Black dots indicate major historical strong earthquakes with M>6 that occurred along the Longmenshan fault zone. The beach balls indicate the focal mechanism of the 2008 M8.0 Wenchuan earthquake and the 2013 M7.0 Lushan earthquake. The stations of the Sichuan seismic network and the reservoir seismic network are shown in open green triangles. |
汶川地震后，Li等(2011)收集了2000年5月至汶川地震前(2008年4月)四川地震台网(SSN)和紫坪铺水库台网(ZRSN)记录的龙门山断裂带周缘的11171次地震(震级范围为0.1~4.2)的资料，分别采用不同密度台网条件下重复地震的识别方法，发现了汶川地震前的12组准周期的重复地震(见图 5蓝色五角星所示)，其中10组地震序列位于断裂带中北段，2组在南段.采用改进的双差法精定位后的重复地震的空间展布显示出大部分重复地震位于2008年汶川地震同震大破裂闭锁区的边缘，由此揭示了重复地震活动与未来破坏性大震(孕育强震的大凹凸体)在空间位置上的密切关系(图 6).利用芦山主震后2个多月的连续波形资料，Li(2017)采用两步法互相关分析(全波段互相关分析和滑动窗互相关分析)，辨识并精定位给出位于孕震深处5~20 km芦山主震破裂区周缘的3组重复地震，芦山主震破裂区周缘发育重复地震的研究实例再次展示了同震滑动和重复地震的空间相关性是确切无疑的表征.
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图 6 汶川地震的同震滑动分布与利用重复地震估算所得的滑动速率(Li et al., 2011)对比图(修改自陈棋福和李乐，2018) 十字同图 2.各图右边色标表示相应滑动量的大小. Fig. 6 Comparison of estimated slip rates (Li et al., 2011) and different slip models of the Wenchuan earthquake (modified from Chen and Li, 2018) The crosses are the same as Fig. 2. The color scale of slip amplitude is given on the right side of the map. |
基于识别出的12组重复地震，估算得到龙门山断裂带在汶川地震前4~18 km深度范围的滑动速率为3.5~9.6 mm·a-1(Li et al., 2011)，滑动速率估算误差为0.2~2.2 mm·a-1，且深浅部滑动速率存在明显差异，滑动速率的最高值出现在地下13~18 km深度处.由重复地震获取的深部滑动速率约为GPS和地质等浅表观测得出的滑动速率值的2~3倍(图 6)，揭示出汶川地震孕震闭锁区在震前存在着构造活动的深浅差异，为汶川地震发震机理研究提供了深部变形依据.陈棋福等(2015)的黏弹性有限元模拟研究验证了重复地震揭示的深浅变形差异结果，即龙门山断裂带深部的滑动速率大于浅表，断裂带5~19 km深度是高应力聚集成核区.
为进一步追踪所识别的重复地震在汶川主震后的复发进程，我们以汶川震前发生的12组重复地震作为参考波形模板，利用模板匹配法(Gibbons and Ringdal, 2006)分析了汶川震后四川台网记录的连续波形资料.对位于龙门山断裂带北、中、南段的ZJG、YZP和MDS三个台站(见图 5绿色三角所示)记录的2008—2013年连续波形资料，进行滑动窗互相关分析来追踪汶川地震后的重复地震成员.模板匹配波形扫描结果显示：位于汶川主震破裂区10组重复地震(S03~S12)以及1组位于汶川和芦山强震破裂空区的重复地震S02在震后都未发现新的成员(即复发进程中断)，而位于龙门山断裂带最南端由7个地震组成的重复地震序列S01e在汶川地震后持续复发，发展成由12个地震组成的重复地震序列S01f，其时间跨越了汶川主震发生的2008年5月12日延续到2010年，持续时间由6.41年(S01e)增至9.19年(S01f).基于重复地震序列S01获取的地下约8.4 km处滑动速率由汶川地震前的3.9±0.6 mm·a-1变为5.8±0.4mm·a-1，不能排除该区段在汶川地震后存在深部变形加剧的可能.
基于李乐等(2015)在龙门山断裂带南端发现的4组相对密集分布的重复地震(S01f、S13、S14、S15)(如图 5红色十字所示)，获取的3.6~18.7 km深度的滑动速率为5.8~10.2 mm·a-1(估算误差为0.4~0.9 mm·a-1，见表 1)，在一定程度上揭示了该区段断层的深部运动较为活跃.陈运泰等(2013)认为芦山地震的发生并没有显著的缓解龙门山断裂带西南段的地震危险性，并指出其南端存在发生7级强震的潜在危险性，我们前述的重复地震分析得出的深部变形较强的量化指示，似乎呼应了陈运泰等(2013)的分析结论.
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表 1 龙门山断裂带识别出的重复地震序列 Table 1 Repeating earthquake sequences identified along the Longmenshan fault zone |
仔细剖析龙门山断裂带中北段检测到的10组重复地震，发现汶川附近14~16 km深度的S06和S07这2组重复地震与北川附近4.3~9.5 km深度的3组重复地震(S10、S11、S12)，在2006年前后出现了不同程度的滑动加速变化的迹象(见图 7a和7c加粗部分)，甚至在断裂带南端发现的S01和S13这2组重复地震分别在2006年和2007年开始都出现了明显的深部加速滑动(见图 7d加粗部分)，与已有研究(赵祎喆等，2008)观察到自2006年初至汶川地震前小震活动的类似于指数上升的明显变化趋势较为相符.我们的结果表明：汶川地震临震阶段，在龙门山断裂带中北段(主震震源区)和南端(非震源区)都出现了深部滑动加速的特征(“加速协同化”)，似乎印证了震源得以错动需要发震断层的整体协调观点(马瑾等，2012).继续观察2组在时间跨度上皆经历2008年汶川地震和2013年芦山地震的重复地震序列S13(深度3.6 km)和S15 (深度18.7 km)，尤其是S15在2012年前后也出现了深部滑动速率加速变化的特征(见图 7d加粗部分).对汶川地震和芦山地震前出现的明显深部加速变形过程，初步推测与震前亚失稳阶段由能量累积到能量释放转换的表现形式有关(王凯英等，2018).
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图 7 龙门山断裂带检测到15组重复地震序列的时间-滑动量累积图 Fig. 7 Cumulative slip calculated from the 15 repeating earthquakes sequences along the Longmenshan fault zone |
综上所述，通过波形资料分析辨识了川滇地区的76组不同深度的重复地震(图 8和附表 1)，震源深度分布为3.0~23.7 km，震级分布ML0.6~2.8，共计478次地震.如图 8所示，基于重复地震获取的川滇地区主要断裂带深部滑动速率研究结果表明：丽江—宁蒗断裂带在脆韧转换带约23 km处的滑动速率为4.3~5.4 mm·a-1(李乐等，2008)，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)，红河断裂带北段在6.0~13.4 km深处的滑动速率为2.3~10.0 mm·a-1(孙庆山和李乐，2020)，鲜水河断裂带南段3.0~18.7 km深处的滑动速率为3.0~10.2 mm·a-1(李乐等，2015)，龙门山断裂带在约4.0~17.3 km的汶川8.0级地震孕震深处的滑动速率为3.5~9.6 mm·a-1(Li et al., 2011)，龙门山断裂带南端在3.6~18.7 km深度滑动速率为5.8~10.2 mm·a-1.由观测资料分析显示中国大陆大多数活动断裂的GPS滑动速率都在10 mm·a-1之下(张培震等，2003b)，这与重复地震所获取的断层滑动速率在运动量上是大体一致的.由重复地震展示的各个断裂带深部滑移的差异变化，很好地体现了断裂带的非均一的滑动特性.由量化的对比可见：龙门山断裂带的深部变形速率与其邻近的鲜水河断裂带南段和小江断裂带基本相当，表明龙门山断裂带(巴颜喀拉地块东边界)、鲜水河断裂带南段(巴颜喀拉地块的南边界和川滇块体东边界)、小江断裂带(川滇地块东边界)和红河断裂带北段(川滇地块西南边界)等边界断裂带深部变形的定量化结果是比较一致的，展示了川滇菱形地块和巴颜喀拉地块的现今构造运动相对稳定且具有继承性，与边界断裂带深部变形速率相互协调，揭示了其整体协同变形特征(张培震等, 2003a, b；刘峡等，2016).
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图 8 由76组重复地震估算的川滇地区的滑动速率分布图 不同颜色的圆圈、十字和棕色线段同图 2. F1，龙门山断裂带；F2, 小江断裂带；F3，鲜水河断裂带；F4，红河断裂带；F5，丽江—宁蒗断裂带. Fig. 8 Map view of the slip rates estimated from the 76 repeating earthquake sequences in the Sichuan and Yunnan region The color circles, crosses and brown solid lines are the same as Fig. 2. F1, Longmenshan fault zone; F2, Xiaojiang fault zone; F3, Xianshuihe fault zone; F4, Red River fault zone; F5, Lijiang-Ninglang fault zone. |
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附表 1 川滇地区主要断裂带重复地震序列 Appendix Table 1 Repeating earthquake sequences identified along the major faults in the Sichuan-Yunnan region |
通常反演所得的强震同震高滑动区(同震破裂滑动集中区)被解释为断层上具有高应力积累的凹凸体，这些被称为凹凸体的同震大滑动区在孕震期间处于闭锁状态，而凹凸体周围则为相对较弱的蠕滑区，在强震孕育期间处于明显的蠕滑状态(Igarashi et al., 2003)，弱的蠕滑区中一些较小的凹凸体重复破裂形成重复微震(重复地震)(见图 9a；Uchida and Bürgmann，2019).Igarashi等(2003)指出孕育或发生过强震的大凹凸体周缘处于弱耦合状态，其周缘存在的一些孤立的小凹凸体在周围介质蠕滑作用下易于发生重复微震(图 9a)，也表明了重复微震与孕育强震的大凹凸体具有密切的空间相关性.川滇块体东边界断裂带及龙门山断裂带的重复地震震中位置(图 8)与易桂喜等(2008, 2011)的相关区域b值研究结果中高b值或相对偏高的b值区具有很好的空间一致性.重复地震大都出现在高b值区(如Li et al., 2011)的观测事实也表明：重复地震发生在断层强度相对较弱部位，因高b值意味着小地震多发，小地震多发的断层部位不易积累大的应变能.断裂带闭锁区(凹凸体)比蠕变区的剪切强度要高，因而导致了闭锁区的高应力和低b值与蠕变区的低应力和高b值，这一特征证实了重复地震倾向于发生在断裂带上孕育强震的大凹凸体边缘的观测事实.1984年Morgan Hill 6.2级地震、2011年汶川8.0级地震和2013年芦山7.0级地震等同震破裂区周缘发育的重复地震都确切地验证了上述观点(Templeton et al., 2009；Li et al., 2011；Dominguez et al., 2016；Li，2017).重复地震的空间分布可为未来的大震破裂区提供一定的约束，展示了利用重复地震的空间分布勾画强震潜在闭锁区的可能性.
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图 9 板内强震孕育发生的变形模式(修改自陈棋福等，2020) (a)强震闭锁区及其周围重复地震发生部位的示意图(修改自Uchida and Bürgmann，2019)，在周围蠕滑区的作用下发生重复破裂形成重复地震，图上方展示了地震台站记录到的重复地震的相似波形.(b)利用重复地震获得的强震发生(粗黑竖线)前后深部和浅部累积滑动量(蓝色和红色实线)，深部的滑动速率(蓝色和红色虚线)在强震前后存在明显变化，浅部的滑动速率(红点线)与由浅表观测获取的长期滑动速率基本一致. Fig. 9 A schematic model of asperities and their accumulated slips of a strong intraplate earthquake (modified from Chen et al., 2020) (a) A schematic diagram showing the distribution of small repeating earthquakes surrounding an asperity of major earthquake (modified from Uchida and Bürgmann, 2019). The repeating earthquakes produce similar waveforms when observed by the same station because the rupture patch is repeatedly loaded by creep in the surrounding area. (b) The accumulated slips of repeating earthquakes in the deep and shallow parts before and after a major earthquake (vertical line in black) were shown in solid lines in blue and red respectively. The slip rate inferred from deep repeating earthquakes (dashed lines in blue and red) exhibits significantly variation before and after the major earthquake, and the slip rate in the shallow part dotted lines in red is consistent with the long-term slip rate estimated from surface observations. |
地震活动是断裂变形活动的最直接体现，精定位的震源深度则反映了断裂深部发生地震滑动的起始位置.由重复地震获取的不同深度的滑动速率展布特征提供了断裂深部的变形信息.Li等(2011)在龙门山断裂带观测到的汶川大震前深浅滑动速率差异变化的现象，在板缘断裂带的重复地震研究中也有展示.Nadeau和McEvilly(1999)利用重复地震成功地获取了美国San Andreas断层Parkfield地区地下的断层滑动速率深浅差异分布图像，而在重复地震不发育的区域(即断层闭锁区)发生了2004年6.0级地震.Igarashi等(2003)基于重复地震分析得到的日本俯冲带深部的滑动速率与浅部差异显著，而2011年日本东北近海MW9.0地震则就发生在重复地震所揭示的深浅滑动速率差异显著的滑动亏损区(陈棋福和李乐，2018).加拿大北部海域2012年MW7.8 Haida Gwaii地震相关的重复地震研究获取的滑动速率分布，也展示了明显的震前滑动亏损(Hayward and Bostock, 2017).
随着重复地震研究的深入，越来越多的研究实例展示了基于重复地震获取的断层滑动速率随时间的演化特征对未来大地震特别是临震前的特有指示信息(Kato and Ben-Zion, 2020).在板缘地震如美国加州1989年M7.1 Loma Prieta地震(Nadeau and McEvilly, 2004；Turner et al., 2013)和智利西北部海域2014年MW8.2 Iqique地震(Kato et al., 2016)与日本的北海道2003年M8.0 Tokachi-oki地震(Uchida et al., 2009)和东北近海2011年MW9.0 Tohoku-oki地震(Uchida et al., 2016)，以及发生在中国大陆的2008年汶川M8.0地震和2013年芦山M7.0地震(图 7)，重复地震序列都出现了震前1~2年或临震前的深部滑动速率加速变化特征.
如图 9所示，断裂带局部闭锁部位或滑动亏损区(图 9a)很可能处于与强震孕育有关的应变能积累闭锁阶段，表现为浅部的滑动相对较弱，而其周缘发生的重复地震(图 9b)则可能体现了闭锁区深部的区域构造运动处于定常活动状态或强震前的非线性变形阶段，由此深浅部的重复地震所释放出的累积滑动量存在显著差异(图 9b).这种临震前深部变形随时间加速变化的现象很可能是进入强震成核阶段(Kato et al., 2016；Kato and Ben-Zion, 2020)或是断层亚失稳阶段的具体表征(马瑾，2016).图 7展示的汶川地震前震源断层及其附近区域存在几乎同步的加速变形过程，推测与震前亚失稳应力状态有关(王凯英等，2018).
4 总结与展望本文系统分析了川滇地区主要断裂带深部变形的重复地震研究结果，得到如下一些认识和启示：
(1) 基于重复地震获取的川滇地区主要边界断裂带的深部变形定量化结果比较一致，揭示了川滇地块和巴颜喀拉地块整体协同变形的特征.
(2) 小江断裂带和鲜水河断裂带南段不同深度的滑动速率分布图像展示了不同破裂分段区和不同强震破裂区的深部变形存在差异.
(3) 震前在汶川主震破裂区和震后芦山主震震源区周缘发育的重复微震，揭示了重复微震与断裂带局部闭锁段在空间位置上存在密切关联性.
(4) 基于重复地震获取的龙门山断裂带深部滑动速率高于浅部，揭示了汶川主震前孕震闭锁区存在深浅部构造变形差异，震前1~2年出现的深部滑动速率加速现象可能是断层亚失稳阶段的表征.
通常，地表地质调查和GNSS、InSAR、地表形变测量是探测断层地表变形的直接手段，并具有相当高的精度.但对于隐伏断层、构造复杂区、特别是深浅部构造变形差异显著地区的调查，上述手段具有局限性和不确定性(如Evans, 2018).在深浅部构造变形差异明显的地区，可能因浅部低变形速率而低估其潜在的强震危险性(陈棋福和李乐，2018).重复发生在同一构造部位并具有高度相似波形的重复地震(重复微震)作为天然的“孕震应变计”，是探测断裂带深部变形的强有力途径.但作为一种被动观测，不可避免地受限于地震台站分布和重复地震发生时间的不确定性和完整性等方面的影响.目前，我国大陆内部许多地区的深部构造变形探测还囿于现阶段由浅表观测资料来进行推断，未来应充分发挥重复微震的原位观测优势，集成大地测量学和地质地貌学等多学科进行更有效的深部变形探测分析，对活动断裂带深浅部构造变形差异显著区段以及强构造背景下的弱变形区(如闭锁区和滑动亏损区)的潜在强震危险性要特别关注.
此外，为能够与大地测量和地质等浅表观测结果进行更为有效的综合分析，尝试获取重复微震的震源机制解，参考重复地震的破裂节面或可能确定的破裂方向来约束由重复微震所估算的滑动速率标量的滑动方向，是今后值得深入研究的发展方向.
致谢 谨此祝贺陈颙先生从事地球物理教学科研工作60周年.感谢三位评审专家对完善本文提出的具有建设性的意见和建议.四川数字地震台网和云南数字地震台网提供了区域固定台站和水库台站波形资料及地震观测报告和目录，中国地震局地球物理研究所“地震科学探测台阵数据中心”提供了川西流动台阵地震波形数据，本文图件基本采用GMT绘制(Wessel and Smith，1998)，在此一并表示感谢.
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