引言

腾冲地区处于印度板块和欧亚板块交汇地区,西邻印度板块向东斜俯冲挤压消减带,东邻古板块缝合带,处在历代板块的边缘活动区(王绍晋等,1998)。该区域及周围地区有大盈江断裂、龙川江断裂等主要断裂,以及怒江断裂带、龙陵-瑞丽断裂带等深大断裂,具体如图1(a)所示。多个板块在此汇聚,相互碰撞或俯冲,使得该地区地震活动频繁,表现出复杂的构造格局和地质地貌。其中火山、地震及山链也呈现有规律分布,存在大型断裂系,弧形构造与弧后盆地发育,受到地块运动和造山作用的影响,这使得腾冲地区在大地活动构造研究上具有重要地位(皇甫岗等,2000)。

2011年腾冲地区发生了多次中强地震,其中主要包括5月31日21时13分发生的M4.5级地震(98.7°E,25.04°N)、6月20日18时16分发生的M5.3级地震(98.69°E,25.05°N)和8月9日19时50分发生的M5.2级地震(98.7°E,25.033°N),这3次中强地震及余震序列的发生位置基本处于同一区域,即位于龙川江东侧大盈江断裂和龙川江断裂交汇地区,距离腾冲县城东侧20km左右的区域,处于腾冲火山活动区东缘。这里的腾冲火山活动区是指98°15′—98°45′E,24°40′—25°30′N的地区,其长约90km,宽约50km的狭窄区域,如图1(a)矩形框所示。此区域历史地震活动较弱,中强地震活动较周边地区相对平静,1512—2005年,腾冲地区有记载的5级以上地震大约有46次。而在腾冲火山活动区以北和以南地区,地震活动则较为频繁。以北的中缅边界地区历史上曾发生过多次6 级以上地震,以南地区也发生过1976年龙陵7.3、7.4级强震(钱晓东等,1998)。

云南台网2011年记录到腾冲地区ML>1.0级地震298次,ML>3.0级地震34次。图1(b)为腾冲地区2011年全年ML>1.0级地震的震中分布图。本文应用双差定位(hypoDD)算法(Waldhauser等,2000)对上述3次中强地震及序列进行了重新定位,并利用相关地震波形记录及重定位结果,运用全波形模拟的方法对3次中强地震及序列的震源机制解进行了计算。同时利用震源机制解及地震序列重定位结果等资料,对震源区发震构造特征、发震过程动力特征及地震活动性进行了研究。正如图1(a)所示,3次中强地震发生位置与以往腾冲地区中强地震的主要活动区域有所区别,震源区从1965—2010年并未发生过4级以上地震。因此,本文对这3次中强地震震源地区发震构造的初步研究结果,可为腾冲地区及邻区活动构造的进一步研究提供相应的信息。


五角星为2011年3次中强地震的震中
圆圈为1965—2010年4级以上历史地震的震中
F1:大盈江断裂 F2:龙川江断裂 F3:怒江断裂 F4:龙陵-瑞丽断裂
图 1 震中地区地震活动性 Fig. 1The seismic activity in epicenter area
1 方法和资料

震源机制、震中位置、震源深度等是地震学研究的重要基础资料。其中震源机制解可给出发震断层的几何产状、错动性质、破裂特征等动力学特征,以及地震等效释放应力场的3个主应力轴参数(王绍晋等,2000)。而对地震基本参数、震源机制空间分布及其特征的综合研究,是震源地区发震构造特征、发震过程动力特征及地震活动性分析的有效方法。

随着求解震源机制解方法的不断发展,现阶段利用区域地震记录研究震源机制解主要有运用初动方向和波形模拟两种方法。其中利用初动方向进行震源机制解研究已被广泛运用(刘杰等,2004;刘丽芳等,2009),但也存在局限性,因为其受到地震波低信噪比、P波初动复杂性、仪器安装方向及人为因素等众多干扰因素的严重影响(Oppenheimer等,1988)。另一类方法是利用波形信息进行波形模拟,该方法充分利用了数字化地震记录的信息,在理论计算格林函数的基础上反演地震的震源参数,如CAP方法(Zhao等,1994;Zhu等,1996)是常用的波形模拟方法,此方法仅利用了部分波形信息,对位移波形进行研究。本文采用全波形模拟方法(Xu等,2010),通过对地面运动速度的模拟,反演震源机制。而模拟相对高频的速度波形对于研究震级较小的区域地震和余震序列具有较好的效果。

地震精确定位是研究地下隐伏断裂、获得深部介质结构的重要手段。目前双差定位法(hypoDD)已广泛应用到地震精确定位中,它在确定地震之间相对位置方面具有很高的精度,是研究特定地区地震活动特征、活动断层空间展布等的重要方法(王长在等,2011)。为了解3次中强地震破裂特征,笔者利用双差定位法(hypoDD)对云南台网2011年记录到腾冲地区ML>1.0级的298次地震进行了重新定位,所用震相数据为全国统一编目正式报告结果,震相到时数据共有6754个,其中P波到时3323个,S波到时3431个。进行重定位时,使用的分层速度模型参考了“腾深99工程”的人工地震测深结果(皇甫岗等,2000)。模型共分4层,每层的顶界面深度分别为0、12、23、40km,对应的层速度分别为5.0、5.9、6.17、6.65km/s。根据附近台站的接收函数反演结果(贺传松等,2004),波速比设定为1.76。

云南台网2011年记录到腾冲地区ML>3.0级地震34次,运用格点搜索算法(Xu等,2010)对3次中强地震及ML>3.0级地震序列的波形数据资料进行全波形模拟。云南地区地质结构复杂,同一速度模型不能满足不同震中距范围的波形模拟计算,对不同地质构造内的地震应采用不同的速度模型。对于位于红河断裂以西的地震,笔者采用Xu等(2007)接收函数研究中MC21台站的地壳速度模型(如图3b)计算格林函数,得到ML>3.0级的23个地震的震源机制结果,23个地震的波形模拟最佳拟合系数范围为0.5131—0.7756,具体如表1所示。

表1 2011年3次腾冲地震序列中23个地震震源机制解 Table 1 Parameters of 23 events in three 2011 Tengchong earthquake sequences

5月31日M4.5级、6月20日M5.3级和8月9日M5.2级地震的波形模拟最佳拟合系数分别为0.6813、0.7512、0.7561。图2(a)为2011年6月20日M5.3级地震全波形模拟的结果示意图。在波形模拟结果中黑色线为理论波形,灰色线为实际观测波形。图2(b)为最佳拟合系数图,拟合系数最高的即为该地震的震源机制解。图2(c)为震中区域台站分布图。

图 2 2011年6月20日M5.3级地震震源机制结果及参数 Fig. 2The parameters and focal mechanism of the M 5.3 earthquake in June 20th 2011
2 结果及分析

利用双差定位法(hypoDD)对腾冲地区ML>1.0级298次地震的震源位置进行重新定位,最终得到282次地震的重定位结果;利用相关地震波形记录数据及重定位结果,运用全波形模拟方法得到了其中ML>3.0级的23个地震的震源机制、震源深度和矩震级。

2.1 2011年腾冲中强地震及序列震源机制解

地震序列的震源机制解结果,如表1、图3(a)所示。表1中序号与图3(a)中序号相对应。通过震源机制给出的节面走向、倾向及滑动角等破裂面信息可以看出,震源机制的节面走向具有以下特征:23个震源机制的节面A中有22个节面分布在135°—180°、315°—360°之间,节面B中有20个节面分布在45°—90°、225°—270°之间,说明北西-北北西向与北东-北东东向这两组走向占优势,根据云南省地震局腾冲地震调查小组对6月20日和8月9日2次M>5.0级中强地震的现场评估结果,2次地震极震区烈度为Ⅵ度,地震宏观烈度最内等震线长轴走向为北西向,调查结果同理论计算得到的地震震源机制中的节面A的走向基本一致,据此推断序列的发震断层为北西向破裂面;而23个震源机制给出的46个节面倾角结果中接近直立(60°—90°)的节面有39个,约占节面总数的85%,倾斜(30°—60°)的节面有7个,没有近于水平(0°—30°)的节面,说明节面倾角的优势取向为近于垂直,表明发震断层倾角陡直;通过分析节面滑动角信息可知,在23个震源机制中节面A有16个节面的滑动角在150°—180°、150°—180°角域内,属于右旋走向滑动错动性质。节面B有22个节面的滑动角在0°—30°、0°—30°角域内,属于左旋走向滑动错动性质(程万正等,2006),走滑性质的节面约占总数的83%,少数节面具有倾滑性质(120°—149°,120°—149°),走滑断层占绝对优势。

图 3 腾冲地震序列震源机制结果 Fig. 3The focal mechanism results of Tengchong earthquake sequences

3次中强地震震源机制解结果基本一致,其中8月9日地震的发震断裂倾角较5月31日和6月20日2次地震的发震断裂倾角更为陡直;而5月31日和8月9日两次地震的发震断裂走向更为一致。对于6月20日和8月9日2次M>5.0级的中强地震,笔者将研究结果与哈佛大学的矩心矩张量解参数(CMT)和中国地震台网中心(CENC)给出的震源机制解结果进行了对比,如图3(c)所示。对比6月20日发生的M5.3级地震,本文的结果与中国地震台网中心给出的结果较为接近,为走滑型地震;而与哈佛大学的矩心矩张量解参数(CMT)给出的结果则具有较大差别,为逆断型地震。比较此地震余震序列震源机制解,本文的结果和中国地震台网中心的结果与此地震余震序列震源机制解结果基本一致,因此笔者认为本文的结果更为可靠;而对比8月9日发生的M5.2级地震,三个结果基本相同,为走滑型地震。

对23个地震的震源机制解应力主轴参数P、T、B轴仰角(δP,δT,δB)进行分析比较,23个地震中所有地震的δP<40°,而δT<40°与δB>45°的地震有21个,为走滑型地震;表1中8月9日和6月20日2次地震的δP<20°,δT>45°,为逆走滑型地震。据此可以看出,3次中强地震及其序列地震以走滑型地震为主要类型,并包含少量具有逆断性质的走滑型地震。这一结果符合云南地区走滑型地震占绝大多数,逆走滑型地震偏多的地震类型特点(钱晓东等,2011)。根据全波形模拟得到23个地震震源深度均小于11km,限于上地壳为浅源地震。对滑动角分析,同样说明地震序列是以走滑型地震为主,与震源机制解应力主轴划分方式得到的结果基本一致。通过震源机制解分析,笔者认为3次中强地震及序列的震源机制解结果基本一致或相似,所处发震断层呈北西走向,在水平应力作用下具有走滑错动的断层特征,断层位于上地壳区域内,断层面较为陡直。

2.2 序列时空分布特征

利用双差定位法(hypoDD)对云南台网2011年记录到的腾冲地区ML>1.0级298次地震的震源位置进行重新定位,最终得到282次地震的重定位结果。原目录数据的震中分布如图1(b)所示;重定位数据震中分布如图4(a)。对比两者可以看出,图1(b)的震中空间分布较为分散,无明显方向性;而经重定位后的图4(a),其3次震中分布基本处于同一位置,余震震中空间分布较为集中,且具有北西向优势分布的特征,如图4(a)中AA’线段所示。这说明3次中强震发生在同一发震断层,断层具有北西走向的特征,且此特征同震源机制分析和实际调查给出的结果相吻合。

图4(b)和(c)所示为重新定位结果在不同方向截面的震源深度分布。其中图4(b)为震源深度沿AA’截面的分布情况;而图4(c)为震源深度沿BB’截面的分布情况。从图中可以看出,3次中强地震及其余震位于同一发震断层,如图4(b)所示沿AA’截面地震分布稍微分散,分布宽度为25km左右,地震集中分布于AA’截面西北端5—12km的范围内,东南端有零星地震分布;如图4(c)所示沿BB’截面地震分布较为集中狭窄,分布宽度仅为5km左右,说明发震断层主要沿AA’轴向延展。同时从两图还可以看出,震源深度分布主要集中在3—9km,原目录所定震源深度集中在3.0—11.0km,重新定位后的震源深度在2.36—12.07km,两结果震源深度范围基本一致均未超过15km。另外笔者利用全波形模拟得到23个ML>3.0级地震的震源深度也在此范围内,说明这3次中强地震及其序列地震均属于浅源地震,而余震的震源深度基本小于主震的震源深度,同样表明3次中强地震的发震断层位置较浅。从图4(b)和(c)给出的震源深度分布具有集中且陡直的特点,此情况与震源机制解中倾角较为垂直的结果基本吻合。5月31日M4.5级、6月20日M5.3级和8月9日M5.2级地震的震源深度重定位结果分别为6.77km、7.12km和7.31km,而根据全波形模拟得到的震源深度结果分别为7km、8km和11km。

图 4 双差定位法重定位结果 Fig. 4The results of HypoDD relocation
图 5 重定位结果的时空变化 Fig. 5The spatiotemporal change of relocation results

图5(a)所示为震源深度随时间的分布变化情况。从图中可以看出,3次中强地震的震源深度随发震时间的先后依次变深,如图5(a)中线段AA’所示,震源深度分布随时间有向下发展的趋势。而图5(b)显示了重定位后地震在空间分布上随时间的变化特征,3次中强震及余震均分布于相对集中的空间范围,在8月9日M5.2级地震发生前地震分布的时空变化并不明显,而当此次地震发生后,余震分布呈现出向东南方向发展的趋势。通过对重定位结果的分析后笔者认为,3次中强震及余震序列发生在同一发震断层,断层具有北西走向,并有向东南方向延展的特征。断层面极为陡直,断层较浅仅位于上地壳部分,活动过程有向深部发展的趋势。

2.3 发震构造分析

腾冲地区存在多条大型断裂带,如图6所示。其中,怒江断裂带(F1)在云南境内总体呈近似南北向延伸;大盈江断裂(F2)沿大盈江向北东延伸,总体走向北东,是一条规模较大、逐渐发育起来的断裂;龙陵-瑞丽断裂(F4)总体走向北东,有主干大断裂,且包含多条规模较大的平行分支断裂,该区域构造活动十分强烈,是云南中强地震高活动区。2011年腾冲地区发生的3次中强地震及其序列地震震源区域位于大盈江断裂和龙川江断裂(F3)交汇区附近。该区域同时也属于传统认为的腾冲火山活动区,如图6小矩形框内的范围。腾冲火山活动区内断裂多是由不同走向、断续延伸、规模较小且杂乱分布的断裂组成,主要有南北向断裂及配套的北东向、北西向断裂(姜朝松等,1998)。3次中强地震及其序列地震发生在多组断裂的交汇区域,震源区附近存在近南北向断裂、北西向断裂及北东向断裂,地质构造复杂,这给发震构造的确认带来一定困难。

根据震源机制解结果,3次中强地震及其序列地震的主压应力优势方向为北北东-北东向;主张应力优势方向为南东东向,3次中强地震北西向节面以右旋走滑错动为主。重定位结果显示其震中空间分布呈北西向的线性走向特征。结合震源机制解结果可以推断,3次中强地震及其序列地震处于同一发震构造,此发震构造呈北西走向,破裂面倾角陡直,在接近水平的北北东向压应力场作用下作右旋水平走滑错动。在与此发震构造可能相关的断裂或隐伏断裂中(如图6所示),北东走向的大盈江断裂(F2)为左旋走滑断裂,近南北走向的龙川江断裂(F4)为左旋走滑断裂,而桥头-蒲青断裂(F5)是近南北走向大部隐伏的断裂,这几条断裂其构造特征与研究结果不符,笔者认为这几条断裂不是发震构造。震源区附近还存在一条部分隐伏的北西向断裂,即瑞滇-鬼魔针断裂(F6)。此断裂经瑞滇西南、固东街东、鬼魔针、赵家寨等地向东南方向延伸,总体走向北西,在后坝及其东南,有右旋的断错山脊和断层沟发育(姜朝松等,1998)。3次中强震震源区位于此断裂东南端,发震构造呈北西走向,作右旋水平走滑错动的特征与此断裂的构造特征基本一致,但此断裂(F6)与震源区相隔较远,与震源区位置无明显衔接,而震源区附近无其他已知断裂与发震构造特征吻合,据此推断2011年腾冲地区3次中强地震及余震序列的发震构造没有明显已知构造与其对应,可能为未知隐伏构造。


F1:怒江断裂;F2:大盈江断裂;F3:龙川江断裂;F4:龙陵-瑞丽断裂
F5:桥头-蒲青断裂;F6:瑞滇-鬼魔针断裂;矩形框内为腾冲火山活动区
图 6 腾冲地区活动断裂分布图 Fig. 6Active faults in Tengchong area

腾冲火山活动区的中强地震活动与周边地区有显著差异,中强地震主要发生在火山活动区以南的龙陵地区和以北的中缅交界地区。区内中强地震极少,以中、小地震活动为主(钱晓东等,1998),而这些中、小地震活动则主要集中在与火山活动密切相关的现代火山最活跃的地区,马鞍山至热海地区(姜朝松等,2005a;2005b)。2011年腾冲地区3次中强地震及余震序列的发震构造位于腾冲火山活动区东缘,此区域不属于腾冲地区中强地震主要活动区域,至1965年以来未发生过4级以上地震,如图1(a)所示。发震构造所处位置也不属于马鞍山、热海等火山活动区内地震活动多发地区。腾冲火山区由于特殊的地质构造环境,造成该地区地震类型复杂、发震原因不同,例如晏凤桐等(1979)和阚荣举等(1979)发现,1976年7月21日腾冲东南5.1级地震的P波初动全部为正,Pn波初动全部为负,属于上冲型地震;而姜朝松等(2005a;2005b)发现,腾冲火山区存在火山活动所引起的S波湮灭的地震事件,以及火山微破裂、火山颤动引起的大量与火山活动相关的火山地震事件。三次中强地震及其序列地震未发现以上火山地震事件特征,且发震构造下方无明显低速体存在(姜朝松等,2004),如图6所示。因此,笔者认为此发震构造活动没有与火山活动密切相关的直接联系。

根据前人对小滇西地区以及腾冲火山活动区区域构造应力场的研究表明,小滇西地区85%的地震为走滑型,主压应力优势方向为北东向,主张应力优势方向为南东向。P轴仰角小于15°,T轴仰角小于30°,以水平作用为主。80%的地震二节面倾角大于80°,较为陡峭或近于直立。该区断裂在接近水平的北东向压应力场作用下作水平错动,北北西向破裂面呈现出以右旋水平剪切为主的错动性质(钱晓东等,1998;王绍晋等,2000)。3次中强地震所在发震构造的应力场特征与区域现代构造一致,符合震区范围构造应力场研究得到的结果。3次中强震与同一区域及邻区的多次中强地震的震源机制解具有较高的一致性,说明此发震构造活动受区域应力场控制影响,与印度板块对欧亚板块的碰撞、挤压作用相关,3次中强地震应属于腾冲地区较为典型的构造地震。

3 讨论结论

运用全波形模拟方法得到了2011年腾冲地区发生的3次中强地震及其序列地震中ML>3.0级的23个地震的震源机制、震源深度和矩震级;通过双差定位法(hypoDD)对2011年腾冲地区ML>1.0级298次地震的震源位置进行重新定位,最终得到282次地震的重定位结果。

通过对震源机制解、重定位结果的研究和对震区发震构造的分析,笔者认为3次中强地震及其序列地震基本为走滑错动类型地震,是地震序列的主要破裂类型,同时包含少量具有逆断性质的走滑型地震。地震序列中大部分的震源机制解结果具有一致或相似性, 具有序列地震的典型特征;地震序列发生在同一发震构造,发震构造呈北西走向,破裂面倾角陡直,在接近水平的北北东向压应力场作用下作右旋水平走滑错动,断层较浅仅限于上地壳,活动过程有向深部发展的趋势;震源区附近无明显已知构造与发震构造相对应,发震构造可能为未知隐伏构造;发震构造应力场特征与区域构造应力场特征一致,其构造活动受区域应力场控制影响与火山活动无明显联系。

震源区所处位置不属于腾冲地区中强地震主要活动区域,也不属于火山活动区内地震活动多发地区。以往对腾冲地区活动构造的研究主要集中于中强地震活动活跃的主要断裂及地热活动显著的区域,本文对此发震构造的分析,将为腾冲地区活动构造的深入研究提供相应的信息。

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