2015年5月云南雙柏ML 4.1地震活動機理初探

李濤 付虹 徐甫坤

1）云南省地震局，昆明市北辰大道148號 650224

2）云南天文臺，昆明 650216

0 引言

在初始構造應力場中，流體對局部地震活動的觸發起著重要的作用，人為因素導致的空隙流體壓力變化，例如水庫蓄水或深部加壓注水等均可能誘發地震（Aki et al，1982；Talwani et al，1984；刁守中等，1990；Zond et al，1997；Phillips，2000；Gupta，2002）。雖然水庫蓄水產生的附加應力很小，不能使完整巖體產生破壞，但是巨大體積的蓄水可以使庫底水壓增加，流體載荷通過水體重力對庫區地下巖體的加載，可以促使已有初始應力的突然釋放，進而改變庫區原有應力的平衡狀態，并觸發地震。近幾十年來，隨著國內外大型水庫的興建，已有許多水庫蓄水誘發地震的例子（胡先明，2004；陳翰林等，2009；馬文濤等，2013；陳俊華等，2013；張永久等，2013）。

2015年5月19日9時58分，云南雙柏、峨山一帶發生了ML2.1地震，之后出現密集的小震活動，并于6月14日發生ML4.1地震，形成顯著的震群事件。該震群位于南華扭動褶皺區東緣，該區域以NNW向為長軸的褶皺和部分傾伏背斜為主，區內斷裂并不發育，附近主要有NW向的楚雄建水斷裂以及近NS向的綠汁江斷裂和易門斷裂（蘇有錦等，2001）。距該震群10km的范圍內有一龍門水庫（圖1），該水庫地處峨山縣大龍潭鄉以他斗村地界，屬于綠汁江上梯級電站，壩高28.5m，庫容620萬m3，自2015年5月20日開始蓄水并試行發電，且水位迅速達到1021m。鑒于此次雙柏震群活動與龍門水庫蓄水在時間上存在明顯的相關性，因此，研究此次震群的活動特征，并進一步研究水庫地震發生的環境及機理十分重要。而龍門水庫庫區地震事件的精確定位是以上研究的基礎，為提高定位的精度和質量，本文利用雙差定位法對此次震群進行了精定位，并結合震源機制解，探討該震群活動的孕育過程和發震機理。

圖1 雙柏震群及龍門水庫的位置

1 地震活動概況與水庫蓄水過程

1.1 地震活動概況

2015年5月19日9時58分，云南雙柏縣、峨山縣、易門縣的交界處發生ML2.1地震，同日，又發生4次ML≥3.0地震。從時間分布（圖2）來看，該震群經歷了2個明顯的地震密集期：一是自5月19日起，地震活動頻繁，20日之后地震次數明顯減少；二是6月10日起，發生多次ML≥3.0地震，之后2、3級地震持續活躍，并于6月14日發生ML4.1地震，3級地震持續到6月17日，之后開始出現衰減，但1、2級地震仍持續活動。截至6月30日，云南地震臺網一共記錄到該區ML＞0地震356次（含單臺記錄201次）（圖1），其中，ML0.0～0.9的82次，ML1.0～1.9的211次，ML2.0～2.9的48次，ML3.0～3.9的14次，ML4.0～4.9的1次，最大震級地震為2015年6月14日15時38分發生的ML4.1地震（24.415°N，101.968°E），其微觀震中位于雙柏縣東南的安龍堡附近。

圖2 2015年雙柏震群ML＞0地震M-t圖

1.2 水庫蓄水過程

龍門水庫自2015年5月20日開始蓄水，圖3給出了水庫蓄水水位與雙柏震群的日頻次、地震震級之間的關系。由圖3可見，水庫蓄水后，水位迅速上升，從1021m升至1037m，5月27日出現小幅回落，隨后緩慢上升，并于6月8日達到最高水位1038.5m，之后，水位在升降交替的過程中呈現總體下降的趨勢。ML＞0地震日頻次統計結果（圖3（a））顯示，伴隨水位的升降變化，雙柏震群出現了2次比較明顯的地震活動高頻次過程，第1次是5月19日水位迅速上漲初期，共發生地震46次，之后，隨著水位緩慢上升，地震頻次明顯減少。6月8日龍門水庫蓄水達到最高水位，隨后，6月10日地震又開始密集發生，出現第2次地震高頻次活動，并于6月14日出現最高頻次67次，之后，地震活動逐漸減弱。從水位和地震震級間的關系（圖3（b））可以看出，該震群經歷了2次比較明顯的能量釋放過程。自5月19日，隨著水位的升高，震級逐漸減小，直至6月10日左右開始增大，并于6月14日發生該震群的最大震級地震，即ML4.1地震，之后，震級又逐漸減小。

圖3 2015年5月18日～6月30日龍門水庫蓄水與地震活動間的關系

由圖3可見，此次雙柏震群與龍門水庫蓄水活動間有明顯的時空相關性，是一次與水庫蓄水過程直接相關的震群活動。整體來看，震群活動與水位變化較大的時段在時間上具有同步性，且主要發生在高水位后水位處于下降期的卸載時段內。這可能是水庫迅速蓄水導致庫水的荷載作用加強，使得原有的應力平衡狀態被打破，能量釋放而產生地震的。為了進一步探索該震群的發震機理，筆者首先對地震進行精確定位，以便為后續研究提供較高精度的定位結果。

2 地震定位

2.1 雙差定位方法

雙差地震定位方法是Waldhauser等（2000）提出的一種研究叢集地震定位的有效方法，該方法使用地震對的走時差進行定位，最大限度地減小了速度模型對定位結果的影響。其基本原理為：如果2個地震震源之間的距離小于事件到臺站的距離和速度不均勻的尺度，那么，則認為震源區與該臺站之間的整個射線路徑幾乎相同。此時，在某個臺站觀測到的2個事件的走時差來自于事件之間的高精度的空間偏移。該方法不要求有主地震，適用于比主事件地震定位法空間跨度更大的地震群體，同時消除了主地震定位精度對待定地震定位精度的影響，因此，已被國內外地震學家廣泛應用到實際的地震定位中（Waldhause，2001；Waldhauser et al，2002、2004；楊智嫻等，2003、2004a、2004b；李志海等，2004；Okada et al，2005；王小平等，2005；黃嬡等，2006；馮建剛，2008；朱艾斕等，2008；劉文邦等，2011；房立華等，2011）。

2.2 臺站分布及資料

本文挑選了2015年5月19日～6月30日至少被3個臺站記錄到的155次ML＞0.0地震，這些地震共有P波初至震相1287個，S波震相1146個，本文只選取震中距≤300km的43個臺站（圖4）所記錄到的2165個震相進行重新定位。

2.3 速度模型的選取

地震波速度模型對地震定位精度的影響很大，對地殼結構認識越精細，則地震定位精度越高。雙差定位方法能夠很好地克服橫向不均勻性的影響，對地殼速度模型的依賴性相對較小，因此，本文采用水平分層速度模型。鄭鈺等（2008）曾利用川滇速度模型、中西部速度模型、PREM模型和AK135速度模型對2007年云南普洱6.4級地震進行重新定位，從重定位事件的個數、平均殘差的角度來考慮，PREM模型相對比較好。因此，本文采用PREM速度模型。該模型共分為6層，各層速度如表1所示，波速比vP／vS設為1.73。

2.4 定位計算

一般情況下，初至P波震相的讀數精度高于S波，但本研究中地震震中距較小，震相比較單一，S波的讀數精度幾乎不會受到影響。因此，計算過程中對P波、S波讀數分別賦予1.0、0.7的權重值。

在計算過程中，事件對與臺站間的最大距離參數（MAXDIST）取200km，采用共軛梯度法求解方程。進行2輪迭代，第1輪的8次迭代由地震的初始位置和先驗權重開始，第2輪的7次迭代采用標準差的3倍作為截斷值。通過反復迭代，舍去殘差大于截斷值的震相數據，并用上一次迭代的結果更新震源位置、殘差和偏導數矩陣，每次迭代得到的殘差作為下一次迭代的加權函數，直至得到穩定的解。

圖4 用于重新定位的震中距≤300km的臺站分布

表1 雙差定位采用的速度模型

2.5 定位結果分析

重新定位后，得到142個事件的震源位置，為原來地震的91.6%。據此作出定位前后的地震空間分布圖（圖5）。由圖5可見，該震群發生于綠汁江斷裂帶南段的北端，其分布特征與該斷裂的走向一致。重定位前后，地震的總體分布格局變化不大，這說明臺網的初步定位結果在水平方向上已很精確，但經過雙差定位得到的地震震中分布更加集中，外圍少數地震被舍棄，并有向內收斂的趨勢，呈現出明顯的NNE優勢分布方向。

為了分析地震的深度分布情況，筆者將地震分別沿經度和緯度方向進行投影（圖6）。由圖6所示的深度投影以及深度分布柱狀圖（圖7）可見，雙差精定位前后，地震的震源深度分布發生了變化。精確定位之前，深度為4～12km，且總體較為零散；而精確定位之后，深度優勢分布在6～12km，其中，又以8～10km范圍內更為明顯。

圖5 雙柏震群ML＞0.0地震重新定位前后的震中分布

圖6 震源深度沿緯度方向（a）與經度方向（b）的投影

圖7 雙差定位前（a）、后（b）震源深度分布

2.6 誤差分析

經過上述精確定位后，該地震序列走時殘差平方和由原來的0.303s降為0.034s，得到的震源位置估算誤差（2倍標準偏差）在EW方向平均為0.210km，在NS方向平均為0.173km，在垂直方向平均為0.175km（圖8）。由圖8可見，3個方向上的定位誤差基本為100～300m。

圖8 重定位后EW方向（a）、NS方向（b）和UD方向（c）誤差

3 ML≥2.5地震震源機制解

3.1 方法原理

由于受小地震激發的能量有限、高頻信號隨震中距衰減快等因素的影響，在一般的地震臺網中，能夠清晰地記錄小地震事件的臺站數量仍非常有限。因此，在現有觀測條件下，運用經典的初動-振幅類方法準確求解小地震的震源機制一直是一個棘手的問題。

在綜合考慮現有方法優、缺點的基礎上，嚴川等（2014）提出了一種地方、區域地震震源機制的非線性反演技術——廣義極性振幅技術（GPAT）。該方法是對現有初動-振幅類方法的一般化，也是對包括遠震震源機制反演在內的所有地震震源機制反演方法的一般化。因為該方法不僅考慮P波初動的極性，同時也包括了任何一個或多個振幅的極性，所采用的震相也不再局限于P波、S波或面波，而是所有能在地震波記錄上識別出來的震相的最大振幅都被采用。另外，它不但適合于地方地震、區域地震，也適合于遠場地震。也就是說，根據GPAT的技術原理，三分向記錄的任何極性信息和振幅資料都可被利用，且地震不分震級大小，都可用該方法來求解震源機制。與現有方法不同，該方法以觀測波場與合成波場的相似性為準則，以觀測矢量與合成矢量的相關系數為目標函數，并采用變步長網格搜索技術求解該目標函數，既保證了解的精度，又保證了解的穩定。從逐一考慮、綜合考慮臺站布局、臺站數目、隨機噪聲、震中位置誤差、震源深度誤差和速度模型誤差的數值實驗結果來看，廣義極性振幅技術是可行的，具有良好的抗干擾能力，這里不再贅述其原理。

3.2 計算結果

本文選取震中距100km范圍內的5個臺站（YIM、CUX、TOH、YUJ和ZHY）所記錄的波形資料，運用GPAT技術對2015年5月19日～6月30日間的28次ML≥2.5地震進行反演，最終得到了24次地震的震源機制解（圖9）。由圖9可見，該震群絕大部分地震的震源機制表現為正斷性質，雖然震源機制并不完全相似，但可以確定的是，這些地震都是受拉張作用而發生的。24次正斷性質的震源機制中，大致分為比較典型的3類，第1類節面走向近似NE-SW向，如第1、5、9、10、18、19、20號地震；第2類節面走向近似NW-SE向，如第17、21號地震；第3類節面走向近似N-S向，如第2、8、14號地震。第1類震源機制所占的比例相對較高，節面NE-SW向的分布特征與震中的優勢分布方向相同，表明這些地震可能由NE-SW向的斷裂活動引起。

圖9 雙柏震群24次ML≥2.5地震震源機制解

圖10為圖9中第20號地震的詳細結果。由圖10可見，觀測資料與合成資料的相關系數達99.5%，說明本文的反演結果是準確可靠的。

圖10 第20號地震的反演結果

對所得到的震源機制解參數P軸、T軸的方位角每10°間隔內頻數歸一化分布（圖11）。由圖11可見，P軸方位主要表現為NW向，T軸方位主要表現為NWW向。

圖11 P軸（左）、T軸（右）方位角分布

本文搜集整理了2000年以來楚雄區域（24°～26°N，101°～102.4°E）內18次M≥3.0歷史地震的震源機制解，圖12為震源機制空間分布圖。由圖12可見，18次地震中，僅2008年10月27日武定M3.0地震為正斷型地震，2009年7月10日姚安M5.2地震和2012年11月10日富民M3.9地震為逆斷型地震，其余15次均為純走滑型地震。

圖12 2015年雙柏地震震區附近的歷史地震震源機制空間分布

結合本文得到的結果可知，此次震群的震源機制類型與歷史地震有所差異，P軸、T軸走向較歷史地震優勢分布方向有所偏轉，這些變化表明該地區應力在背景應力不變的情況下可能有所調整。

圖13 楚雄盆地主要斷裂分布

4 發震機制分析

4.1 地質概況

新構造期，中國大陸主應力方向發生重要調整，滇藏地區成為主要的構造活躍區。來自周鄰板塊不同方向的推擠力，通過紅河斷裂、小金河-龍門山斷裂、鮮水河-小江斷裂等大型深斷裂剪切運動的調節，位于印支地塊、揚子地塊、松潘-甘孜地塊之間的川滇菱形塊體成為應力集中區和重要構造轉換部位。楚雄盆地位于揚子板塊西南緣川滇菱形塊體南部的滇中次級塊體，由紅河斷裂、小金河-龍門山斷裂和小江斷裂所圍限，這3條深大斷裂在中、新生代發生多次走滑運動，在楚雄盆地形成NW、SN、NE向3組扭動斷裂系統（楊慶道等，2014）。

此次雙柏震群發生于楚雄盆地的中部（圖13中紅色五角星處），即川滇菱形塊體的東南部，在地質構造體系中處于云南山字型構造西翼內側馬蹄形盾地北部，西翼受青、藏、滇、緬“歹”字型構造東支中段的影響，構造活動性加強，NW向斷裂、褶皺發育，主壓應力為SW-NE向；東北部為川滇經向構造體系綠汁江斷裂帶，發育著近SN向褶皺、斷裂以及派生“入”字型斷裂；而中、北部為反時針旋卷構造。雙柏震群震區位于南華扭動褶皺區東緣，以NNW向為長軸的褶皺和部分傾伏背斜為主，區內斷裂并不發育，附近主要有NW向的楚雄-蒙自斷裂及近NS向的綠汁江斷裂、易門斷裂（蘇有錦等，2001）。此次雙柏震群發生于近SN向的綠汁江斷裂附近，該斷裂傾角65°，斷面傾向E，屬于正斷層。

4.2 震群發震機制分析

已有研究表明，水庫地震的發生不僅與庫水加卸載過程有關，而且還與水庫庫容、構造地質條件、水文地質條件、巖性條件、應力條件等因素有關（Pradeep et al，1984；Evelyn，1988；丁原章，1989；李安然等，1992；楊主恩等，1995；Simpson et al，1998；Chen et al，1998）。據統計，雙柏震群震區50km內歷史地震活動水平偏低，小震活動較少。但自龍門水庫迅速蓄水后，庫區附近的地震活動水平顯著增強。由地震頻次、地震震級與龍門水庫蓄水水位間的對應關系可知，此次雙柏震群活動與龍門水庫的蓄水在時間、空間上都存在相關性。伴隨水位的升降變化，雙柏震群出現了2次比較明顯的地震活動高頻次過程，第1次是水位迅速上漲初期，第2次則出現在水位達到最高后第2天。這類地震在水庫開始蓄水后很快就發生，主要分布在水庫附近，震級較低，成群活動，且與水庫水位的變化密切相關，屬于快速響應型的水庫誘發地震。

水庫誘發地震是由于水庫蓄水引起庫區已有初始應力的突然釋放而發生的。近年來，滇南地區小震平靜及中強震缺震現象顯著，說明該區域的應力積累可能已經處于較高水平。本文計算得到的震源機制解大多是正斷層，震群的震中位于正斷層的上盤，結合震中附近的斷層性質分析認為，此次雙柏震群可能是在區域高應力背景下，由于龍門水庫蓄水，水載荷重量增加，垂直應力加載作用引起的安龍堡附近小斷裂帶上構造應力調整而觸發的構造地震。

5 結論與討論

（1）對云南雙柏地區2015年5月19日～6月30日發生的、至少被3個臺站記錄到的155次ML＞0.0地震進行重新定位，獲得了142次地震重新定位的震源參數。結果顯示，雙柏地震序列主要發生在安龍堡附近的一條NNE向小斷裂的北端，優勢分布方向與該斷裂走向一致。經過雙差定位后，定位精度得到了很大的提高，走時殘差平方和由原來的0.303s降為0.034s，得到的震源位置估算誤差（2倍標準偏差）在EW方向平均為0.210km，在NS方向平均為0.173km，在垂直方向平均為0.175km。震源深度分布也發生了變化，精定位之前，深度優勢分布為4～12km；精定位之后，優勢分布為6～12km，絕大部分分布在8～10km內。

（2）震源機制解顯示，此次震群的震源機制類型與歷史地震有所差異，絕大部分地震表現為正斷性質。24次正斷性質的震源機制中，大致分為比較典型的3類，第1類節面走向近似NE-SW向，如第1、5、9、10、18、19、20號地震；第2類節面走向近似NW-SE向，如第17、21號地震；第3類節面走向近似N-S向，如第2、8、14號地震。第1類震源機制所占的比例相對較高，節面NE-SW向的分布特征與震中的優勢分布方向相同，表明這些地震可能是由NE-SW向的斷裂活動引起的。

（3）由地震頻次、地震震級與龍門水庫蓄水水位間的對應關系可知，此次雙柏震群活動與龍門水庫的蓄水在時間、空間上都存在相關性。水庫蓄水初期，地震活動增強，在水位迅速上升的過程中，地震頻次、強度逐漸減弱。2015年6月10日起，水位在升降過程中呈下降趨勢，此時地震開始密集發生，地震頻次、強度較之前明顯增強。可見，雙柏震群活動可能是在區域高應力背景下龍門水庫蓄水的庫水載荷加載作用引起安龍堡附近小斷裂帶上構造應力調整而觸發的構造地震。