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2011盈江5.8级地震序列的震源参数和震源机制探讨

中国学术期刊网【理学专业论文】 编辑:天问 地球物理学进展 2016-05-01
2011盈江5.8级地震序列的震源参数和震源机制探讨论文作者:邓菲 刘杰 杨文,原文发表在《地球物理学进展杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 震源参数 震源机制相关性 聚类分组 2011年盈江地震序列
摘要: 基于2011年盈江MS 5.8级地震序列资料和Brune模型理论,得到地震的震源参数.利用震源谱参数计算谱振幅相关系数,并结合已有MS≥4级地震的震源机制解,对地震序列的震源机制进行聚类分组.结果显示,盈江地震序列存在二组相关性较高的震源机制解类型,一组是跟构造应力场有关的主震震源机制解类型,走滑断层,P轴方位角为NNE方向,倾角均较小,呈压性特征;另外一组为与局部构造有关的震源机制解类型,正断层,P轴方位角为SSE方向,倾角较大,呈张性特征.在地震精定位基础上,分析地震序列的应力降和震源机制解类型的时空分布特征:(1)前震阶段,震源机制解类型趋于一致,主震震源机制解类型的地震占绝对优势.主震前1个月地震的应力降有逐渐增高的趋势,但总体不高.主震附近地震的应力降较高;(2)密集余震阶段,震源机制解发散为二组:沿大盈江断裂分布的地震为主震震源机制类型,与大盈江断裂共轭分布的地震为与局部构造有关的震源机制解类型,两者地震个数相近.高应力降地震沿着大盈江断裂分布,多数集中在主震附近;共轭条带上地震的应力降大部分呈低值;(3)后期余震阶段,与局部构造有关的震源机制解类型减少,震源机制解大部分恢复到主震类型.地震的应力降较前2个阶段高,高应力降地震沿大盈江分布,范围较为分散和随机.低震级、高应力降和高震级、低应力降的地震的发生可能是地震序列起伏活动的标志.震源参数与震源机制解的联合分析为地震序列的应力场演化分析提供一个有效、实用的手段.

邓菲1, 刘杰2 , 杨文2
1. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081;
2. 中国地震台网中心, 北京 100045
收稿日期: 2015-03-11 修回日期: 2015-11-09.
基金项目: "十二五"国家科技支撑计划项目(2012BAK19B02)资助.
作者简介: 邓菲,女,1989年生,在读博士,主要从事数字地震学研究.
通讯作者: 刘杰,男,1965年生,研究员,博士,主要从事地震预报方法与数字地震学等研究.

0 引 言

地震是岩石圈断裂在构造应力作用下突发失稳的结果,因而捕捉震源区应力动态变化信息的能力是探索震源结构特征、地震孕育与发生过程的关键(谢富仁等,2005).不同阶段发生地震的震源参数和震源机制解在一定程度上反映了大震孕育过程中构造应力场的变化,国内外诸多学者研究认为基于震源参数和震源机制解反演应力场的时空变化能够捕捉到强震前的震兆信息(许忠淮等,1989;阮祥等,2010;刁桂苓等,2011).

地震的震源参数,如应力降、视应力,反映了地震过程中构造应力场的大小和释放水平(Chinnery,1964;Kanamori and Anderson et al,1975;Richardson and Solomon et al,1977;Hanks,1977;刘丽芳等,2011),其时空分布特征对地震序列趋势的估计提供了具有物理意义的依据.近年来,震源参数用于震源区地壳应力动态变化研究和地震序列趋势判断方面已获得了很多重要研究成果.不少研究指出震前和震后震源参数的变化与地震活动性有关,应力降、视应力越高震源区应力水平越高:大地震发生之前震源区应力积累,震源参数存在着升高趋势(Scherbaum and Kisslinger et al,1984;肖蔚文,1990;张天中等,2000;孙燕萍和史勇军,2007;陈学忠和李艳娥,2007),主震后应力大量释放,震源参数呈逐渐衰减的状态,应力降和视应力值普遍较低(秦嘉政等,2005;郑建常等,2008;华卫等,2009).刘红桂等(2006)根据云南地区4个地震序列的视应力统计结果,认为视应力具有较好的预测意义:地震序列中只要发生了视应力超过1Mpa的中小地震,后面一般有中强地震发生.易桂喜等(2011;2013)发现汶川地震前地震视应力的空间分布沿龙门山断裂带呈一定的分段特征,应力水平低的地段短期内发生强震的可能性较小.赵翠萍等(2011)计算中国大陆不同地区的应力降,综合探讨了应力降与震源深度、机制解类型、震级等各种因素的关系.根据相关研究,在一定震源模型下,应力降约是视应力的4.3倍(Baltay et al.,2011),因此,本文仅使用应力降探讨应力场的释放水平.

震源机制一致性参数也是判断强震危险性的一个有用指标.利用震源机制解的一致性参数,陈颙(1978)分析了前震和余震,震群的震源机制解差异,指出不同震群类型震源机制的变化过程存在不同的规律.刁桂苓等(1992,1994,2005)提出采用系统聚类,分析震源机制解类型定量研究应力场方向变化,但鉴于传统常用的p波初动法和振幅比法求解震源机制解时,由于台站、资料的限制和求解方法欠严格性(吴大铭等,1989;刘杰等,2004),并不能大量求解中小地震震源机制解,这方面新的进展较少.另一方面,Lund和Bodvarsson(2002)提出用计算体波谱振幅相关性的方法,研究地震序列的震源机制变化过程.该方法优势在于不要求得到每个地震的震源机制解,但可以描述一组地震的震源机制是否一致.朱航等(2006)利用此方法,研究发现强震序列和小震序列的滑动平均谱振幅相关系数时序曲线存在明显差异,并且某些强震序列的初期震源机制有从散乱到一致的过程,认为孕震应力场的应力大小对孕震区内地震的破裂方向有明显的约束作用.崔子健等(2012)用该方法研究认为,大震孕育过程中震源区介质应力水平增强,裂隙呈优势取向排列,使得强震前的小震群序列与一般性小震群序列相比,谱振幅相关系数明显较大.但是,体波谱振幅相关性方法仅能给出地震序列整体的震源机制解是否一致,不能给出震源机制的变过程化.随着数字化波形资料的应用,很多中等地震(MS>4.0)的震源机制解通过CAP波形反演方法(Zhu and Helmberger et al,1996;黄建平等,2009;洪德全等,2011)能够准确有效的获取.本文尝试用体波谱相关系和系统聚类,并结合部分地震的震源机制解,研究地震序列的震源机制解变化过程.

2011年云南盈江发生MS 5.8地震,震前数月该地震发生许多前震,震后余震活动也比较丰富.许多学者针对盈江MS 5.8地震都做过相关研究,房立华等(2011)、Lei等(2012)通过精定位结果指出2011年盈江序列余震分布出现了明显的共轭分布,赵小艳等(2012)研究了2011年盈江序列MS>4级地震的震源机制和发震构造.本文旨在联合盈江5.8级地震序列的中小地震的震源参数和震源机制解相关性分析,重点研究其前震与余震的差异及整个地震序列的演化过程,并在精定位结果的基础上分析震源机制解类型和应力降大小的空间分布特征.

1 研究方法
1.1 地震的震源参数计算方法

在任一台站观测到的任一地震地面运动的傅立叶谱可以表示为


式中Uij(f)为第j个台站记录的第i个地震的观测谱,f 为频率,R为地震与台站之间的距离,Ωi为第i个地震的震源谱,Pij(r)为几何衰减函数,Fij(f,R)为非弹性衰减系数,表达式为

其中VS横波波速,Q(f)为频率依赖的介质品质因子,Sj(f)为第j个台站的场地响应,Ij(f)为第j个台站的仪器响应.
由(1)式可见,对台站的观测谱扣除几何衰减、非弹性衰减、台站场地响应及仪器响应后才能获得震源谱,其中地震波衰减影响采用Atkinson和Mereu(1992)提出的三段几何衰减模型来反演,台站的场地响应利用Moya等(2000)(刘杰等,2003)提出的采用多台、多地震联合反演的方法得到.本研究是在中小震的破裂模型满足Brune圆盘模型条件下计算震源参数,其理论震源谱可以表示为(Brune,1970;Atkinson and Mereu et al,1992)


式中Ω0i为地震i的震源谱低频渐近线值,即零频极限值,称为零频谱振幅;fc为低频渐近线与高频渐近线交点处的频率,称为拐角频率.
根据Brune模型,地震矩M0、震源特征尺度r和应力降Δσ可分别为



其中ρ为介质密度,取为2.9 g/cm3; Rij为地震波的辐射因子,对水平向记录计算时取值为
1.2 体波谱振幅相关系数求震源机制变化的研究方法

根据式(1)同一频率下,不同地震在同一个台站的观测谱值比(朱航等,2006)可以表示为


对于两个地震震源位置足够接近(两个地震之间的距离远小于地震到台站之间的距离),同一个台站记录到的这两个地震的几何扩散、非弹性衰减、场地响应和仪器响应是一样的.那么根据式(3)、(4)上式可以写为

当f<
式中,U1j(f0)和U2j(f0)表示两个台站观测谱的零频谱值,为常数.
由公式(9)可知,对于同一震源区的两个地震,同一台站的零频观测谱值比与辐射图型因子之比线性相关,而辐射图型因子取决于震源机制解的几何特性.由此可以推测,地震发生在一个小范围内,其传播途径,场地响应完全相同,不同台站记录到的两个地震的零频观测谱值差异主要来自两个地震的震源机制差异.所以,对同一震源区不同地震在不同台站得到的零频观测谱值进行比较,可以推测不同地震之间的震源机制差异.

Lund和Bodvarsson(2002)提出一种计算体波谱振幅相关性的方法:对同一震源区两次事件的相同台的波形记录,使用直达体波零频谱振幅值计算相关系数.对于S波的三个分向波形记录,每个台站可以得到3个零频谱值:垂向、径向和切向(SZ、SR、ST),称这三个谱值为谱值分量.每个地震都有多个台站记录到,计算两个地震不同台站的谱值分量的线性相关系数,就可以比较两次事件的相似性,定义rxy为体波谱振幅相关系数,公式为


式中,xij是一次事件在第i个台站的第j个谱值分量的对数,x是xij的平均值;yij是另一次事件的谱值分量的对数.
在求得序列中任何一个事件与其他事件之间的谱振幅相关系数的基础上,可根据事件之间相关系数的大小进行聚类分组.聚类分析是对于不知道其类别的一批样本,使用某种方法把样本中的元素进行合理的分类,使得同一类的元素比较接近,不同类的元素相差较多.

对于n个地震,其两两之间的谱振幅相关系数形成一个距离矩阵,距离相近的地震先聚成类,距离相远的后聚成类,过程一直进行下去,每个地震总能聚到合适的类中.系统聚类过程是:假设总共有n个地震,第一步将地震独自聚成一类,共有n类;第二步根据所确定的地震“距离”公式,把距离较近的两个地震聚合成一类,其他的地震仍各自聚为一类,共聚成n-1类;第三步将“距离”最近的两个类进一步聚成一类,共聚成n-2类;以上步骤一直进行下去,最后将所有的地震聚成一类.

本文定义距离dxy为1与谱振幅相关系数的差值,公式为


含义为两次地震事件距离越大,其相似程度越低.x、y表示的是不同的两次地震事件,dxy小则x、y先聚成一类.
本文使用聚类方法中的类平均法,是一种聚类效果较好的方法.定义类间距离平方为这两类元素两两之间距离平方的平均数,即为两类地震间的平均距离为


CK表示的是第K类,CL表示的是第L类,NK、NL分别为CK、CL中的地震个数,用rxy代表两个地震之间的距离,DKL为第G水平的类CK和CL类之间的距离.
若类CK和CL类合并为的类CM,则类CM和CJ类的距离的递推公式为


最后得到类与类有一定层次关系的聚类图.这样的聚类图不仅能反应某一类元素(地震)之间的相关程度,也能反应类与类之间的相关程度.
2 数据资料

根据云南省地震台网记录,2011年3月10日发生云南盈江MS 5.8级地震,从2011年1月至主震前,该地区前震活动频繁,发生MS≥2地震347次,MS≥3地震51次,MS≥4的地震5次.该地震的余震活动也十分丰富,尤其主震后的2个月余震活动密集.主震后至2011年12月底,发生MS≥2级地震490次,MS≥3级地震52次,MS≥4级的地震6次.依据上述特征,将该地震序列分成三个阶段:前震阶段、密集余震阶段和后期余震阶段(图 1).盈江地震序列是典型的前震—主震—余震型地震序列,资料比较丰富,适合用震源参数和震源机制研究其前震、余震时空变化特征.本文收集云南地震台网中心2011年1月至12月MS≥2.5级地震波形记录良好的共计16个台站的数据,包括296次地震的波形数据,5226条P、S震相数据(图 2).

图 1
Fig.1
图 1 2011年盈江MS 5.8地震序列(MS≥2.5)M-t图 Fig.1 M-t curve of MS 5.8 Yingjiang earthquake sequence in 2011(MS≥2.5)


图 2
Fig.2
图 2 2011年盈江MS 5.8地震序列震中及台站分布图 Fig.2 Distribution of the MS 5.8 Yingjiang earthquake sequence in 2011 and stations used
为了更好分析地震序列的空间分布特征,本文选取房立华的速度模型(房立华等,2011),利用双差方法对地震序列进行了精定位(Waldhauser and Ellsworth et al.,2000),并与已有结果进行了对比.在此基础上,选取盈江地震序列记录良好的16个台站,利用已有的云南地区S波非弹性衰减Q值(苏有锦等,2006)、台站的场地响应(刘丽芳等,2007)结果,对每个台站记录到的S波数据进行校正,反演每个地震的震源谱并计算震源参数.计算谱振幅相关系数时,考虑到使用不同方位的台站以及台站和震源区的距离远大于震源区半径的条件,本文只选取BaS,YuL,MaS,WaD,YoD五个台站计算相关系数(图 2).

3 计算结果及分析
3.1 地震序列精定位

采用双差方法得到盈江MS 5.8级地震序列中296次MS≥2.5级地震的精定位结果,其中包含109个前震和184个余震(图 3).本文的精定位结果与房立华等(2011)、Lei等(2012)的结果大致一致:前震震中较为集中,沿大盈江断裂方向分布;余震分布明显呈两个优势方向,一支沿大盈江断裂呈NNE向分布,另一支沿着近似垂直于大盈江断裂呈SSE向的错断分布,Lei等(2012)据此推测沿SSE向存在着隐伏断层.

图 3
Fig.3
图 3 盈江MS 5.8级地震序列精定位后震中分布图
图中空心圆圈是未计算出震源参数和震源机制相关系数的地震. Fig.3 Spatial distribution of the MS 5.8 Yingjiang earthquake sequence after relocation
The empty circles denote the earthquake without source parameters and correlationcoefficient.
3.2 地震序列震源参数

本文选取盈江2011年MS≥2.5地震的波形数据,反演得到92次地震的震源参数.结果显示:MS≥3.5地震应力降随震级增大而增大的线性关系明显,MS ≤3.5地震应力降与震级关系不明显(图 4).因此,本文在讨论平均应力降时,扣除了与震级明显相关的应力降.总体上说,余震应力降大于前震应力降,密集余震阶段的应力降小于后期余震的应力降.这反映前震较余震释放的应力少;主震释放大量应力后,密集余震期应力降并不高;随着余震活动趋向结束,后期应力降水平逐渐提高.

图 4
Fig.4
图 4 盈江MS 5.8级地震序列的应力降和震级的关系及其拟合直线 Fig.4 The relations and their fitting lines between stress drop and magnitude of MS 5.8 Yingjiang earthquake sequence
图 5是盈江地震序列的应力降的时间演化过程,可以看到应力降有明显的阶段性特征.

图 5
Fig.5
图 5 盈江MS 5.8级地震序列的应力降随时间的变化
实心圆表MS 3.5以上地震 Fig.5 The evolution of the stress drop of MS 5.8 Yingjiang earthquake sequence
The filled circles indicate the earthquakes with M≥3.5
(1)前震活动阶段,主震前(2011年1-2月)的应力降有增强的趋势,但整体前震的应力降水平不高,平均值为0.63 MPa.尤其是前震阶段发生的3.5级以上地震,虽然次数较余震阶段多(前震8次,余震3次),但是其中的7次3.5级以上前震的应力降低于所有3.5级以上余震应力降(图 4).

(2)3月10日盈江MS 5.8级主震的应力降为序列的最大值6.46 MPa.

(3)密集余震阶段,震后(2011年3-5月)密集的发生大量MS 2-3级的余震,震区应力场处于快速调整阶段.3月份余震活动比较密集,期间地震的应力降波动比较大,4-5月间地震的应力降比较低并且走势平稳.该阶段平均应力水平0.68 MPa,比前震略高.

(4)后期余震阶段,从图 1的M-t图看,该阶段余震活动频次出现明显下降,但是这阶段的整体应力降水平较前震和前期余震阶段上了一个台阶,平均应力降为0.83 MPa.5月31日发生的MS 2.7级地震应力降为2.54 MPa,6月1日发生的MS 3.4级地震的应力降为1.95 MPa,显示震区应力场处于高应力的状态,6-9月地震的应力降有逐渐增高的趋势,直至8月31日发生MS 4.4强余震,其应力降为1.86 MPa,低于上述2次小地震的应力降.之后余震的应力降呈起伏变化,序列末期多数应力降值降至平均应力降水平,标志着序列的结束.

2011年盈江地震序列的应力降变化的特征为:前震平均应力降低于余震平均应力降,多次MS 3.5级以上的前震释放的应力不大.余震密集高活动阶段应力降不高,应力场在主震释放大量应力后处于调整阶段.后期余震应力降较高,显示余震活动趋于结束时震区应力水平有所增高.此外,主震和强余震前,应力降都有一定程度上升趋势,因此,在同一个阶段应力降增高对后续主震和强余震起伏有一定指示意义.
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