2020年云南巧家MS5.0地震微震檢測及發震構造初步探討

徐志國 梁姍姍 劉敬光 翟璐媛 史健宇 周元澤

1)國家海洋環境預報中心，北京 100081 2)中國科學院大學，地球與行星科學學院，北京 100049 3)中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

據中國地震臺網中心(CENC)正式測定，北京時間2020年5月18日21時47分云南昭通市巧家縣發生MS5.0地震，震中位于27.18°N、103.16°E，震源深度8km。此次地震震級不大，但由于震源較淺，云南昭通、四川宜賓與西昌等地震感明顯，造成了一定程度的人員傷亡和財產損失。

巧家MS5.0地震發生于川滇菱形塊體東緣的南北地震帶中南段的NE向早更新世活動的蓮峰斷裂和NE向昭通-魯甸斷裂之間(徐錫偉等，2014)(圖1(a))。這2條斷裂帶屬于川滇塊體-華南地塊邊界帶，也是大涼山次級塊體與華南地塊之間的邊界帶。由于受印度板塊NE向俯沖碰撞的影響，研究區域內構造運動較強烈，中強地震活躍。該區內曾發生1974年5月11日云南永善大關MS7.1地震。同時，自2000以來，沿NE向昭通-魯甸地震斷裂附近地震活動極其活躍。例如，先后發生2003年魯甸MS5.0和MS5.1地震、2004年魯甸MS5.6地震，以及距離此次震中東南側不到20km的2014年魯甸MS6.5地震。

巧家MS5.0地震發生后，震源區余震活動持續不斷。據云南省區域地震臺網測定，震后24h內，震源區及鄰近區域(27°N～27.3°N，103°E～103.3°E)共記錄到ML≥1.8余震48個，其中最大震級為ML3.8。然而，受背景噪聲干擾、波形相互疊加等因素影響，傳統的地震識別方法會遺漏較多的余震事件，特別是主震發生后數分鐘到數小時內，常規地震目錄遺漏的事件較多。

模板匹配定位方法是一種有效識別小微震事件的可靠方法(Zhang et al，2015)，基于較為完備的地震序列的時空分布形態，其可以直接反映發震斷層的深部構造及主震發震機制等。因此，本文使用巧家MS5.0地震震源區附近臺站記錄的連續波形數據，通過模板匹配定位方法，檢測主震發震后24h內常規地震目錄遺漏的地震事件，研究巧家地震震后24h序列的特征和發震構造，并進一步探討該地震與2014年魯甸MS6.5地震之間的關聯以及發震斷層與周圍斷裂帶之間的相互作用。

1 數據與方法

本研究使用巧家地震發生后24h內、云南和四川區域地震臺網記錄的震中距在1°以內的5個臺站的連續波形資料，進行余震的模板匹配識別，所使用地震臺站分布如圖1(b)所示。參考云南省地震局提供的快報地震目錄，選取主震后ML≥1.8的48個地震事件波形作為模板(圖1(b))。

圖 1 研究區域內MS≥5.0歷史地震分布(a)及所使用的臺站和模板事件分布(b)斷層數據引自中國地震局地質研究所(1) https://www.eq-igl.ac.cn/

本研究采用張淼(2015)提出的匹配定位(Match and Locate，簡稱M&L)方法，對常規地震目錄中遺漏的地震事件進行微地震檢測，該方法利用地震模板事件波形與可能的微震信號做互相關疊加來檢測小微地震事件。在波形疊加之前，需要對模板地震周圍的三維空間網格進行掃描搜索，計算可能的地震位置與參考位置之間在同一個臺站上的相對走時差，根據走時差來對互相關波形進行校正疊加(張淼，2015)。因此，相比傳統的模板檢測方法，M&L方法不僅對微震檢測更加有效，而且能同時獲得高精度的地震位置信息，此外還可以檢測到距離模板事件較遠的地震事件。

檢測之初，需要對連續波形進行去均值、去線性趨勢等預處理。進行微震檢測時，地震波的濾波頻段設為2～8Hz；以參考模板事件震源位置為中心，在三維網格空間內搜索微震位置，經度和緯度方向的搜索范圍為0.05°，搜索間隔為0.01°；深度方向的搜索范圍為2km，搜索間距為0.1km；計算模板事件與每個可能微震記錄的走時差，然后按照走時差對互相關波形進行走時校正并疊加。

模板事件波形和連續波形滑動互相關時，一般選取振幅最大的震相作為參考震相，如地方震的Sg震相。在模板匹配中，基于張廣偉等(2014)對2014年魯甸地震序列進行地震定位和震源機制所使用的同一區域速度模型，計算Sg的理論到時和慢度參數，以Sg波理論到時的前1s和后3s作為模板波形的互相關窗口。

在微震檢測過程中，以疊加相關波形的平均互相關系數(CC，CC1>CC2)和信噪比(SNR)作為地震檢測的標準：當求得的平均互相關系數(CC)大于CC1時，則僅用互相關系數作為判定標準；當求得的平均互相關系數(CC)大于CC2而小于CC1時，則采用互相關系數和信噪比聯合約束作為判定標準。在本研究中，互相關系數CC1、CC2和波形信噪比經驗性地設置為0.35、0.3和10倍背景相關系數(陳安國，2018；郭鐵龍等，2020)。當檢測到微震事件時，程序自動根據選取的臺站分量中參考震相的振幅比中位數來確定微震震級(Peng et al，2009；Meng et al，2013；張淼，2015)。地震事件的檢測實例如圖2 所示，圖中以2020年5月19日12時33分發生的2.5級地震事件為模板，檢測到2020年5月18日21時58分發生的1.8級地震事件，地震模板事件波形與檢測的微震信號疊加平均相關系數為0.4711，說明各個臺站地震波形與2.5級模板事件的相關性較好，意味著檢測到一次微地震。

圖 2 模板匹配定位識別微震實例紅色波形為模板地震事件波形；灰色為用于識別微震事件的連續波形；左側大寫字母表示臺站名稱和分量；右側數字表示互相關系數

2 結果分析

2.1 地震事件檢測

利用模板匹配技術對巧家MS5.0地震后24h內的遺漏地震進行檢測和識別，共檢測到327個微震事件(不包含48次自檢測事件)。據云南省地震局提供的常規地震分析目錄，震后24h內相同震源區范圍內共發生147個地震事件，其中可定位地震事件134個，單臺事件13個，微震模板匹配檢測技術所確定的事件個數約為常規地震目錄(可定位個數)的2.4倍。

為評估匹配檢測所獲得的地震目錄質量，我們分析了新舊目錄的完整性，檢測后地震目錄的最小完整震級由臺網目錄的ML1.9降至檢測目錄的ML1.1(圖3(a)、3(b))，表明模板匹配技術可以有效提高區域臺網實際監測能力。隨后，以各自的最小完整震級為起始震級分別計算b值，獲得檢測前后巧家地震序列的b值，檢測前b值為1.04，誤差為±0.21，而檢測后b值為0.77，誤差為±0.05。比較遺漏事件地震補充前后的b值結果，檢測后的b值與誤差均明顯降低，b值的降低也說明檢測后的地震目錄小震級事件更多，計算的b值更為可靠。

圖 3 臺網目錄(a)和微震檢測目錄(b)的最小完整震級

2.2 地震序列活動特征

為了更好地展示巧家地震震源區的地震序列活動特征，我們給出了微震檢測后震源區M-t分布、地震深度分布、深度統計以及震源深度與時間的關系(圖4)。從時間分布(圖4(a))可以看出，巧家地震序列總體呈現衰減趨勢，無論是震級大小還是頻度均相應降低，2020年5月19日4點35分發生了一次ML3.8地震，使得余震水平略有增加；從深度分布(圖4(b)～4(d))可以看出，余震震源深度集中在5～15km，平均震源深度為9.3km，震后24h內余震震源深度的每小時平均值由9.8km減至5.6km，總體呈現出由深變淺的趨勢。

圖 4 M-t分布(a)、震源深度分布(b)、震源深度頻度(c)和震源深度隨時間變化曲線(d)

2.3 發震構造分析

圖 5 震后24h微震檢測后的地震事件平面(a)及縱剖面圖(b)、(c)星號代表巧家地震主震；圓圈代表余震，不同顏色描述不同時間段發生的地震；AA′、BB′剖面縱橫比例1︰1；地震事件為距離剖面1.5km范圍內的地震，震源機制解結果取自中國地震臺網中心梁姍姍給出的應急產品產出結果(3) https://www.cenc.ac.cn

為進一步了解余震的擴展模式，將震后2h內的地震在平面及深度上的分布展示出來，如圖6 所示，由圖可見主震發生后0～1h，余震多集中在主震周圍；主震發生后1～2h，余震擴展范圍增大，主震NNW向和SSE向兩側均有余震分布，且NNW側余震明顯多于SSE側。

圖 6 主震發生后2h內地震的平面(a)及深度剖面圖(b)星號代表巧家地震主震；圓圈代表余震，不同顏色描述不同時間段發生的地震；AA′剖面縱橫比例1︰1；地震事件為距離剖面1.5km范圍內的地震

對比巧家MS5.0地震和2014年8月3日魯甸MS6.5地震的余震序列分布(圖7)可以看出，2次地震序列分布均展示出發震斷層具有高傾角的特征，有所不同的是巧家余震優勢展布方向為NW向，呈現出單側擴散模式，而在主震區東南方向十余千米處的2014年魯甸地震主震區的余震優勢展布方向為NW向和NE向，呈明顯的共軛性破裂模式。前人結合斷裂構造性質、主震震源機制和余震時空分布特征等綜合認為，2014年魯甸MS6.5地震的發震斷層為NW向的包谷垴-小河斷裂，該斷裂為NE向昭通-魯甸地震的次級斷裂，同屬小江斷裂系(房立華等，2014；張廣偉等，2014；張勇等，2015；徐錫偉等，2014)。

圖 7 巧家地震序列、魯甸地震序列平面(a)及深度剖面圖(b)圓圈大小代表震級大小；剖面縱橫比例1︰1；地震事件為所有地震在剖面AA′上的投影；魯甸地震序列重定位和主震震源機制解結果取自張廣偉等(2014)

根據震源區余震展布特征和震源機制解結果，認為巧家地震的發震斷層為NNW向的走滑斷裂，這表明魯甸MS6.5地震和巧家MS5.0地震的發震斷層均為NW向走滑斷裂，且此次巧家地震和魯甸地震均發生在小江斷裂、昭通-魯甸斷裂和蓮峰斷裂所圍限的塊體內。由于2次地震的震源位置較為接近，故認為這2次地震有著緊密的聯系。從前人給出的地震波速結構來看，巧家地震和魯甸地震均發生在地殼厚度和泊松比變化較為劇烈的區域(王興臣等，2015)，且震中區域地殼內存在高、低速相間的多層層狀異常結構(李永華等，2014；李大虎等，2019)，而巧家地震的震源體低速異常顯著，深度可達15km(張娜等，2019)。特有的深部結構可能為此次巧家地震的發生提供了孕震環境。因此，我們認為巧家地震的發生機制與2014年8月3日云南魯甸MS6.5和2011年云南盈江MS5.8地震相同(楊婷等，2016)，其與印度板塊和歐亞板塊相互作用形成的高溫、高壓深部流體作用于斷裂帶密切相關。值得注意的是，巧家地震序列并未顯現出像魯甸地震序列和盈江地震序列觸發共軛斷層的特征，可能與本研究所用資料的時間較短或者震級規模較小有關，需要進一步增加震后余震序列資料來證實。

3 結論

本文使用匹配定位方法對2020年5月18日云南巧家MS5.0主震后24h的波形進行遺漏事件檢測，總共檢測出327個新的地震事件，約為臺網目錄的2.4倍。檢測后，地震目錄的完整性有了明顯改善，最小完整震級由最初的ML1.9降至ML1.1，從而完善了巧家地震序列目錄，為該地區的地震活動性和構造分析提供了豐富的微震數據。通過對檢測后的地震事件進行活動性分析，初步分析了此次地震的發震構造，獲得如下認識：

(1)巧家地震序列總體呈現衰減趨勢，無論是地震大小還是頻度均相應降低；從深度分布可以看出，主震后24h內余震震源深度總體呈現出由深變淺的趨勢。

(2)余震在平面上顯示出NNW-SSE向優勢展布方向，長度約14km，震源優勢深度集中在3～15km之間；深度剖面展示出主震的發震斷層面較陡，并且具有向西傾的趨勢。由于震源區內臺站分布比較稀疏，關于此次地震的可能發震斷層面，仍需要結合其他資料進一步分析。

(3)此次巧家地震發生在小江斷裂、昭通-魯甸斷裂和蓮峰斷裂所圍限的塊體內，是自2014年魯甸6.5級地震以來在該區域發生的最大一次地震，2次地震的震中相距僅19.9km，從震源位置、震源機制類型、余震展布形態和速度結構等方面，我們均認為這2次地震關系密切，并認為本次地震的發生與印度板塊和歐亞板塊相互作用形成的高溫、高壓深部流體作用于斷裂帶密切相關。關于此次巧家地震和2014年魯甸地震之間的關系還有待進一步深入研究。