基于重復地震研究川滇地區主要斷裂帶的深部變形

李樂， 陳棋福， 鈕鳳林

1 中國地震局地震預測研究所， 北京 100036 2 中國科學院地質與地球物理研究所， 中國科學院地球與行星物理重點實驗室， 北京 100029 3 中國科學院大學地球與行星科學學院， 北京 100049 4 中國石油大學(北京)非常規油氣科學技術研究院，油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249 5 Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences, Rice University, Houston, TX 77005, USA

0 引言

斷層活動速率(或滑動速率)是斷裂帶變形(深部和淺部)的定量描述，也是評估地震危險性和分析發震潛勢的重要依據.了解斷裂帶深部變形及其時空變化特征，是我們認識強震復發和孕震機理與預測地震的重要途徑.

研究者在板塊邊緣的活動斷裂帶和俯沖帶等不同的構造單元(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)及板內大陸地區如中國(如Schaff and Richards, 2004, 2011；Li et al., 2007，2009，2011，2017；李樂和陳棋福，2010；李樂等，2013，2015；Ma et al., 2014；Liu et al., 2019; 孫慶山和李樂，2020；Deng et al., 2020)和韓國(Kim W Y and Kim K H, 2014)等，相繼發現了重復發生在同一斷層部位具有高度相似波形的微小地震(即重復地震或重復微震).隨著研究的深入，重復地震逐漸被定義為：重復發生在同一斷層部位具有高度相似性的波形且破裂面積相互重疊的微小地震.重復地震的孕育發生過程反映了其周圍斷層蠕滑區的應變積累和深部滑動狀態，其大小和周期性則可用以研究斷層深部的滑移行為及其時空演化特征.由此重復地震的研究開啟了一種直接精細量化探測斷裂帶深部變形和活動狀態的探索途徑，同時也成為現代地震學研究構造變形與強震活動的前沿領域之一.

近20年來，利用重復地震在地下“原位觀測”斷層深部滑動速率的研究逐漸進入人們的視野，并取得了顯著進展.Nadeau和McEvilly(1999)率先利用美國加州San Andreas斷裂帶Parkfield地區的重復地震成功地獲取了地表以下不同深度的斷層滑動速率，展示了深淺滑動差異分布.Li等(2007)首次基于中國大陸區域臺網的波形資料，通過波形互相關技術和高精度相對定位的震源位置識別出了唐山斷裂帶上破裂面積相互重疊的重復地震，并提出了適合于我國的板內重復地震計算斷層深部滑動速率的方法，為唐山斷裂帶孕震深處的變形提供了難得的定量依據.唐山斷裂帶深部變形的重復地震研究的成功試點，激勵我們將研究重點逐步轉到地震活動頻繁且相繼發生強震的川滇地區.

位于南北構造帶中南段的川滇地區是我國青藏高原向東逸出最強烈的部位，發育著一系列NW向、NE向和近NS向的多種活動斷裂(圖1)，其中巴顏喀拉地塊與華南地塊邊界的NE向龍門山斷裂帶以擠壓逆沖為主并兼有右旋走滑運動分量，而巴顏喀拉地塊與川滇地塊邊界的NW向鮮水河—小江斷裂帶則以左旋走滑作用為主，川滇地塊與滇緬地塊邊界的紅河斷裂帶以右旋走滑剪切作用為主(張培震等，2003a；徐錫偉等，2003).沿這些地塊邊界展布的活動斷裂帶也是強震和特大地震的頻發帶，有數十次7級以上地震活動的記載，尤以1833年嵩明8級地震和2008年汶川8.0級地震最為顯著，因而川滇地區已成為探索大陸地區板內重復地震研究的最佳場所之一.

圖1 川滇地區地質構造與地震活動和臺站分布圖圖中紅色三角代表云南和四川數字地震臺網的臺站，橙色三角代表水庫地震臺站，藍色空心三角代表川西臺陣寬頻帶流動地震臺站，空心灰色圓圈代表1999—2015年數字地震臺網記錄到的地震.黑色五角星代表1833年嵩明8級地震和2008年汶川8.0級地震，黑色圓點和沙灘球示意給出了2008年5月12日汶川8.0級地震、2013年4月20日蘆山7.0級地震、2014年11月22日康定6.3級地震、1996年2月3日麗江7.0級地震、1998年11月19日寧蒗6.2級地震和2001年5月24日寧蒗5.8級地震的震中及其震源機制(震源機制結果來自https:∥www.globalcmt.org).棕色線段代表斷裂. F1，龍門山斷裂帶；F2,小江斷裂帶；F3，鮮水河斷裂帶；F4，紅河斷裂帶；F5，麗江—寧蒗斷裂帶.左下插圖表示印度板塊和青藏高原以及次級塊體及其相對于穩定的西伯利亞地盾的運動速率(張培震等，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 regionThe 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).

本文系統匯總了近十多年來我們在川滇地區陸續開展的重復地震研究資料(李樂，2008；Li et al., 2009，2011，2017；李樂等，2008，2013，2015；Li, 2017；孫慶山和李樂，2020)，重建了川滇地區重復地震的時空分布和斷裂帶深部變形時空演化特征，在一定程度上彌補了淺表觀測資料探測斷裂帶深部變形的不足，提供了斷裂帶深部變形特征更多的量化約束信息，為判定川滇地區可能存在的閉鎖斷層段和地震危險性評估提供了新的地震學研究結果.

1 資料和方法

1.1 資料

中國地震局于20世紀90年代末和2000年先后完成了云南和四川地震臺網的寬頻帶數字化改造(見圖1紅色三角所示臺站分布)，又經過“十五計劃”期間(2007年完成)和汶川地震災后重建的改建和擴建，顯著改善了川滇地區的地震監測能力.2006年10月到2009年7月在中國川西地區布設并運行的川西臺陣是由297個密集流動寬頻帶地震臺組成的，其臺站間距約20～30 km(見圖1空心三角所示臺站分布).自數字化改造以來的云南臺網(YSN)、四川臺網(SSN)和水庫臺網(RSN)以及研究區內布設的密集流動臺陣的數字波形資料，是我們開展川滇地區重復地震研究的基礎資料.

1.2 重復地震識別

考慮到要盡可能保證所用資料的完整和質量，在將不同格式(EVT 或者SEED)的原始波形資料統一轉換為SAC格式的過程中，將臺網觀測報告中識別的P波和S波的震相到時標記到相應的事件波形的頭段變量值中，同時人工補漏糾錯修正波形震相到時.然后將波形統一進行預處理：進行1～10 Hz 的帶通濾波，并采用在頻域補零的方法來獲取高的采樣率(亞采樣間隔0.3125 ms，以滿足相對到時拾取誤差<0.5 ms要求)，從而實現時域內插.基于相似地震的定義(如Li et al., 2011)，選取合適的全波段時間窗(P波前1 s至S波后5 s)進行互相關計算，挑選出至少有一個臺站波形互相關系數達到0.8以上的相似地震序列,并在此基礎上，根據實際臺站記錄條件以更高的相關系數閾值及不同臺站分布情況下的定位約束來辨識重復地震，即識別發生在同一斷層部位具有高度相似性的波形且破裂面積相互重疊的微小地震.在相對密集臺站記錄條件下(如Li et al., 2007，2011，2017；Li，2017)，通過相似地震的P波段和S波段的互相關延時估計來獲取S-P的相對到時差ΔtS-P，然后分別對每一組地震進行多事件相對精定位來獲取每個地震的相對位置，通過計算每個地震的破裂面積，來挑選出破裂面積幾乎重疊的地震作為重復地震；另一方面，在稀疏臺站分布條件下，通過地震的相對位置Δx與S-P相對到時差ΔtS-P之間的定量關系來判定，采用在子采樣條件下ΔtS-P的閾值來約束地震相對位置從而確保震源破裂部位的相互重疊.我們提出的該分析流程成功地識別出了龍門山斷裂帶北川地區的重復地震(見Li et al., 2011)，并應用到了小江斷裂帶和鮮水河斷裂帶南段以及紅河斷裂帶南段的重復地震識別研究(李樂等，2013，2015；孫慶山和李樂，2020).

1.3 斷層深部滑動速率估算

基于重復地震的地震矩和重復間隔簡單估算滑動速率的方法是在唐山斷裂帶的重復地震研究(Li et al., 2007)中發展建立的.方法具體流程如下：首先在利用譜比法(Vidale et al.,1994)驗證現有地震目錄中地震震級(近震震級ML)基本符合地震矩-震級的經驗關系前提下，可以采用地震矩-震級的經驗關系計算地震矩，并基于圓盤破裂斷層模型，在設置應力降Δσ為常量的情況下，依據地震矩來估算破裂半徑r，同時基于地震矩的定義來計算滑動量，最后通過線性擬合重復地震序列的累積滑動量來確定重復地震發生深度處的斷層平均滑動速率.

由重復地震估算的滑動速率依賴于所選用的地震矩-震級經驗關系和設定的地震應力降.趙翠萍等(2011)獲取的中國大陸中小地震的地震矩M0和近震震級ML的經驗關系，其與全球其他區域的研究結果基本一致，換算系數都在1左右，因此我們認為Abercrombie(1996)提出的經驗關系式是適用于川滇地區的.川滇地區中小地震應力降Δσ研究結果顯示：云南地區ML2.0～5.3地震的應力降年均值基本介于2.30～5.05 MPa之間，而四川地區ML3.0～5.1的地震應力降年均值分布在5.11～8.72 MPa之間(劉麗芳等，2010).鑒于目前我們在中國大陸地區識別出的絕大部分重復地震震級在2.0以下，據此在云南和四川地區分別設定應力降值為3 MPa和5 MPa.

2 斷裂帶深部變形特征

2.1 麗江—寧蒗斷裂帶

NE向的麗江—寧蒗斷裂、NW向的中甸斷裂和近NS向的程海斷裂在麗江—寧蒗地區相互切割交錯，在這些大型共軛斷裂和區域應力場的復合作用下，先后發生了1511年永勝西北的6級以上地震、1996年2月3日的麗江7.0級地震、1998年11月9日的寧蒗6.2級地震和2001年5月24日的寧蒗5.8級地震(見圖1).以左旋走滑運動為主的麗江—小金河斷裂將川滇菱形地塊分割成南、北2個次級活動地塊，北部和南部地塊的運動速率分別為13 mm·a-1和9 mm·a-1(張培震等，2003a)，在川滇地塊整體向SSE方向的運動和順時針的旋轉(見圖1插圖)推擠過程中，麗江—小金河斷裂起到了屏蔽和吸收作用，中強地震頻繁發生.

利用云南數字地震臺網1999—2006年記錄的麗江—寧蒗斷裂及其周緣發生的2684次(ML0.1～5.8)地震事件波形，李樂等(2008)對其地震活動性和深部滑動速率進行了初步研究.雙差重定位后的地震分布圖像展示了不同深度段的地震活動顯著差異，結合地震活動性參數b值分析，揭示了8～15 km深度可能處于應力積累的閉鎖階段而導致的缺震現象.基于2組發生在脆-韌性轉換深度的重復地震，獲取了約23 km深處的滑動速率分別為5.4±0.4 mm·a-1和4.3±0.9 mm·a-1，這與淺表地質調查(沈軍等，2001)以及同時期的GPS觀測(Shen et al., 2005)獲得的結果相符.鑒于研究時段內“九五”期間(1996—2000年)地震臺站分布以及重復地震識別方法的限制，將這一結果作為滑動速率的最高估計(即滑動速率的上限)更為客觀合理些.有關麗江—寧蒗斷裂帶不同深度、不同時間段的深部滑動速率的分布特征，還有待于基于更多地震波形資料的分析論證.

2.2 小江斷裂帶

小江斷裂帶屬川滇菱形地塊的東邊界，是川滇地區典型的變形帶和強震活動帶(宋方敏等，1998).1500年以來的資料記載表明，該斷裂帶至今曾發生6.0～6.9級地震11次，7.0～7.9級地震3次，8級地震1次(見圖1和圖2).斷裂活動和地震活動性綜合分析表明，位于川滇塊體東邊界的小江斷裂帶存在地震空區與潛在的強震危險(Wen et al., 2008).

針對小江斷裂帶，李樂等(2013)收集并分析了1999—2011年云南數字地震臺網記錄的9488次0.1～5.2級地震波形，考慮到斷裂帶附近臺站分布較稀疏的情況，應用子采樣條件下基于S-P相對到時差約束地震相對位置的方法，發現了小江斷裂帶周緣復發間隔存在差異變化的29組重復地震.基于重復地震的時空分布圖像，發現相鄰的背景地震和位置相近的重復地震活動都有可能會影響重復地震的復發間隔，較大背景地震的發生是縮短其周緣重復地震的復發間隔的可能因素之一.

基于源于同一部位破裂的29組重復地震估算所得的斷層深部滑動速率分布，展示了小江斷裂帶在不同段落、不同分支的深部變形的非均勻性(圖2)，在3.0～12.3 km深度的滑動速率為1.6～10.1 mm·a-1，其估算誤差為0.1～1.4 mm·a-1.由重復地震得到的不同幾何分段的滑動速率為：在南段深度5～10 km的范圍內滑動速率為2.9～6.2 mm·a-1；中段滑動速率變化顯著，在3.0～12.3 km深度范圍內滑動速率為1.6～10.1 mm·a-1；中段東支的地震活動弱且分散，僅由一組重復地震序列估算得出了1.7 mm·a-1滑動速率.由重復地震給出的較高滑動速率，切實體現了中段西支的小震密集活動特性.

圖2 由29組重復地震估算的小江斷裂帶的滑動速率分布圖(修改自李樂等，2013)不同顏色的圓圈代表不同深度的重復地震.十字的大小與滑動速率值成正比，十字中心代表每一組重復地震的質心位置.灰色圓點代表雙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歷史強震事件.棕色線段代表斷裂.F1, 小江斷裂帶；F2，普渡河斷裂；F3，曲江斷裂.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.

小江斷裂帶強震破裂段在不同孕震深度存在差異明顯的深部變形特征(圖2)，沿斷裂帶從北到南不同強震破裂段的滑動速率依次為：1733年東川M73/4地震破裂段在約5 km深度存在10.1 mm·a-1的高滑動速率，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的滑動速率分布，1500年宜良M≥7地震破裂段在淺部3 km左右存在1.7 mm·a-1的低滑動速率，1789年華寧M7地震和1970年通海地震7.8級地震破裂段在3～10 km深度范圍內存在1.6～7.5 mm·a-1滑動速率分布，1606年建水M63/4地震破裂段在孕震深度6.5 km處存在4.0 mm·a-1的較低滑動速率.

2.3 紅河斷裂帶

滇西地區的紅河斷裂帶是一條經歷了漫長而復雜演化過程的構造變形帶和大型走滑斷裂帶(Peltzer and Tapponnier，1988；鐘大賚等，1989).紅河斷裂帶的地震活動總體表現為北強南弱，北段地震頻次高、強度大，1500年至今曾發生7次6.0～6.9級地震和2次7.0～7.9級地震，如1652年彌渡7級和1925年大理7級地震(見圖3)，而南段至少在近300年間沒有強震記錄，且小震活動也比較稀少.

對地震分布相對密集的紅河斷裂帶北段及其附近區域，李樂(2008)、孫慶山和李樂(2020)陸續收集并分析了云南數字地震臺網記錄的1999—2015年8961次-0.5～5.8級地震的資料，通過全波段波形互相關分析，識別出互相關系數CC>0.8的788組相似地震.基于稀疏臺網條件下重復地震的辨識方法，篩選出研究區的23組復發間隔變化明顯的重復地震(圖3).重復地震的時空變化揭示了研究區深部斷層活動的復雜性，與小江斷裂帶同樣存在著頻繁的背景地震活動和相距較近的重復地震活動對重復地震的復發進程都有影響的現象.

圖3 基于23組重復地震估算得到的紅河斷裂帶北段及其周邊的滑動速率分布圖(修改自孫慶山和李樂，2020)不同顏色的圓圈、十字、灰色圓點、棕色線段和黑色空心五角星同圖2.F1，紅河斷裂帶；F2，通甸—巍山斷裂；F3，龍蟠—喬后斷裂；F4，鶴慶—洱源斷裂； F5，程海斷裂.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.

23組重復地震中分布在紅河斷裂帶北端以北的11組重復地震(圖3)，就地表位置而言偏離了紅河斷裂帶的范疇，由此獲取的地下4.7～23.4 km深度的0.9～6.8 mm·a-1滑動速率更多地提供了與紅河斷裂帶北端相交的龍蟠—喬后斷裂與鶴慶—洱源斷裂的深部活動信息.由位于紅河斷裂帶北段附近的12組重復地震，獲取的6.0～13.4 km深度的滑動速率為2.3～10.0 mm·a-1(圖3)，相對應的估算誤差為0.3～1.3 mm·a-1.分布圖像顯示不同深度的滑動速率存在差異，彌渡盆地附近6.6～8.8 km深處的7.2～10.0 mm·a-1高滑動速率揭示了其斷層深部變形的活躍性，也印證了有研究(如，計鳳桔等，1997)認為紅河斷裂帶現今活動最活躍的區域位于大理和彌渡一帶的觀點.圖3還表明：在多條斷裂共同作用的交匯區，可能存在較高的深部滑動速率.在紅河斷裂帶中南段，因現今地震活動很弱且僅有零星的固定地震臺站分布，開展重復地震研究的條件不是很充分，借助中國地震科學臺陣探測一期的寬頻帶流動地震臺觀測數據的聯合分析，也許能夠對紅河斷裂帶的深部滑動速率提供更多的約束信息.

2.4 鮮水河斷裂帶

鮮水河斷裂位于青藏高原側向滑移構造系統的東邊界，是現今構造變形集中帶和強震活動帶.鮮水河斷裂北段結構較為單一，南段呈現出若干條分支斷層組成的復雜結構，其中雅拉河斷層、色拉哈—康定斷層、折多塘斷層及磨西斷層等在空間展布上呈羽列排列，石棉附近的鮮水河斷裂帶南段則與安寧河斷裂帶和大涼山斷裂帶相接(張世民和謝富仁，2001).在瀘定附近，鮮水河斷裂帶南段與龍門山斷裂相交匯，是華南地塊、巴顏喀拉地塊、川滇地塊的交叉口(張培震等，2003a).位于南段康定到石棉之間的貢嘎山地區正處于川滇地塊北部邊界(鮮水河斷裂)和東部邊界(安寧河斷裂帶和大涼山斷裂帶)的轉折帶，也是川滇塊體內橫向構造帶(麗江—小金河斷裂)和邊界構造帶(鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶)的交匯區.

在2014年康定6.3級地震發生前，李樂等(2015)整合分析了2000—2013年四川數字地震臺網、瀑布溝水庫臺網以及川西流動臺陣記錄的9645次-0.3～5.0級地震資料，通過全波段的波形互相關分析，識別出635組相似地震，并基于稀疏臺網條件下重復地震的辨識方法，獲得了鮮水河斷裂帶南段周緣11組0.7～2.8級的重復地震.基于重復地震的震級和重復間隔估算所得3.0～18.7 km深度的滑動速率分布范圍為3.0～10.2 mm·a-1(圖4)，平均值和中值分別為6.7 mm·a-1和6.4 mm·a-1，滑動速率估算的誤差為0.3～4.3 mm·a-1.

由重復地震獲得的鮮水河斷裂帶南段的深部滑動速率分布存在顯著的差異.歷史上曾發生過3次7級以上強震的康定—折多塘構造區(見圖4)，其地下約7 km 處得到的8.3～9.7 mm·a-1的較高滑動速率值，與該區域研究時段(2000—2013年)內較弱的背景地震活動(見圖4灰色圓點所示，無4.0級以上的地震發生)明顯不符，而2014年11月 22日發生的康定6.3級地震發生則很可能“協調”了該構造區的震前深部滑動速率高而背景地震活動性弱的局面.由此也再次表明：要特別關注深部變形劇烈而地震活動弱這樣反差明顯區域的潛在地震危險性.在石棉強震三叉構造區(張世民和謝富仁，2001)的西北側曾發生過1786年瀘定得綏7級地震，該石棉強震構造區在研究時段內小震較為活躍(見圖4)，位于石棉附近的2組重復地震展示了鮮水河斷裂帶最南端在5～14 km深度的滑動速率為3.0～9.2 mm·a-1，約14 km深度呈現出9.2 mm·a-1的高滑動速率，可能是“三叉構造”共同活動的結果.

圖4 由11組重復地震估算的鮮水河斷裂帶南段的滑動速率分布圖(修改自李樂等，2015)沙灘球示意給出了2013年蘆山7.0級地震以及2014年11月22日康定6.3級地震的震中及其震源機制.不同顏色的圓圈、十字、灰色圓點、棕色線段和黑色空心五角星同圖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.

2.5 龍門山斷裂帶

龍門山斷裂帶地處青藏高原東部巴顏喀拉地塊與華南地塊的分界部位，是由龍門山后山斷裂(茂縣—汶川斷裂)、中央斷裂(映秀—北川斷裂)、山前斷裂(安縣—灌縣斷裂)和山前隱伏斷裂等組成的以逆沖為主兼具少量右旋走滑分量的推覆構造帶(Burchfiel et al., 2008).2008年5月12汶川8.0級地震和2013年4月20日蘆山7.0級地震先后發生在龍門山斷裂帶的中北段和西南段，其中汶川地震是1976年唐山7.8級地震后中國大陸遭受的破壞性最強的一次大地震.汶川地震前，龍門山斷裂帶地震活動較為平靜，尚無7級以上地震的史料記載，如圖5所示，僅有1657年汶川61/2級地震、1958年北川6.2級地震和1970年大邑6.2級地震3次6級以上強震發生的記載.對龍門山斷裂帶發生超強地震的潛在危險性低估的重要依據之一是由地質和GPS等淺表觀測給出的低滑動速率(Zhang, 2013)，汶川8.0級巨震的突然發生對人們通常的“強震(尤其是8級巨震)發生在構造活動強烈地帶”的認知提出了挑戰.由淺表觀測得出的低滑動速率并沒有真實地反映龍門山斷裂帶在強震前的深部變形行為，重復地震的分析研究(Li et al., 2011)為我們提供了“原位觀測”獲得的龍門山斷裂帶深部變形的時空演化特征.

圖5 由重復地震估算所得的龍門山斷裂帶的滑動速率分布圖十字和棕色線段同圖2.藍色的十字代表汶川地震前的12組重復地震獲取的滑動速率(Li et al., 2011)，紅色的十字代表龍門山斷裂帶南端的4組重復地震獲取的滑動速率(李樂等，2015).黃色圓圈代表2008汶川8級地震和2013蘆山7級地震的余震分布.黑色圓點代表龍門山斷裂帶附近發生的具有代表性的6級以上的強震事件.沙灘球示意給出了2008汶川8級地震和2013蘆山7級地震震中及其震源機制.綠色空心三角代表四川臺網和水庫臺網的數字地震臺站.Fig.5 Map view of the slip rates estimated from the repeating earthquake sequences along the Longmenshan fault zoneThe 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 M 7.0 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 M 8.0 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)四川地震臺網(SSN)和紫坪鋪水庫臺網(ZRSN)記錄的龍門山斷裂帶周緣的11171次地震(震級范圍為0.1～4.2)的資料，分別采用不同密度臺網條件下重復地震的識別方法，發現了汶川地震前的12組準周期的重復地震(見圖5藍色五角星所示)，其中10組地震序列位于斷裂帶中北段，2組在南段.采用改進的雙差法精定位后的重復地震的空間展布顯示出大部分重復地震位于2008年汶川地震同震大破裂閉鎖區的邊緣，由此揭示了重復地震活動與未來破壞性大震(孕育強震的大凹凸體)在空間位置上的密切關系(圖6).利用蘆山主震后2個多月的連續波形資料，Li(2017)采用兩步法互相關分析(全波段互相關分析和滑動窗互相關分析)，辨識并精定位給出位于孕震深處5～20 km蘆山主震破裂區周緣的3組重復地震，蘆山主震破裂區周緣發育重復地震的研究實例再次展示了同震滑動和重復地震的空間相關性是確切無疑的表征.

圖6 汶川地震的同震滑動分布與利用重復地震估算所得的滑動速率(Li et al., 2011)對比圖(修改自陳棋福和李樂，2018)十字同圖2.各圖右邊色標表示相應滑動量的大小.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.

基于識別出的12組重復地震，估算得到龍門山斷裂帶在汶川地震前4～18 km深度范圍的滑動速率為3.5～9.6 mm·a-1(Li et al., 2011)，滑動速率估算誤差為0.2～2.2 mm·a-1，且深淺部滑動速率存在明顯差異，滑動速率的最高值出現在地下13～18 km深度處.由重復地震獲取的深部滑動速率約為GPS和地質等淺表觀測得出的滑動速率值的2～3倍(圖6)，揭示出汶川地震孕震閉鎖區在震前存在著構造活動的深淺差異，為汶川地震發震機理研究提供了深部變形依據.陳棋福等(2015)的黏彈性有限元模擬研究驗證了重復地震揭示的深淺變形差異結果，即龍門山斷裂帶深部的滑動速率大于淺表，斷裂帶5～19 km深度是高應力聚集成核區.

為進一步追蹤所識別的重復地震在汶川主震后的復發進程，我們以汶川震前發生的12組重復地震作為參考波形模板，利用模板匹配法(Gibbons and Ringdal, 2006)分析了汶川震后四川臺網記錄的連續波形資料.對位于龍門山斷裂帶北、中、南段的ZJG、YZP和MDS三個臺站(見圖5綠色三角所示)記錄的2008—2013年連續波形資料，進行滑動窗互相關分析來追蹤汶川地震后的重復地震成員.模板匹配波形掃描結果顯示：位于汶川主震破裂區10組重復地震(S03～S12)以及1組位于汶川和蘆山強震破裂空區的重復地震S02在震后都未發現新的成員(即復發進程中斷)，而位于龍門山斷裂帶最南端由7個地震組成的重復地震序列S01e在汶川地震后持續復發，發展成由12個地震組成的重復地震序列S01f，其時間跨越了汶川主震發生的2008年5月12日延續到2010年，持續時間由6.41年(S01e)增至9.19年(S01f).基于重復地震序列S01獲取的地下約8.4 km處滑動速率由汶川地震前的3.9±0.6 mm·a-1變為5.8±0.4mm·a-1，不能排除該區段在汶川地震后存在深部變形加劇的可能.

基于李樂等(2015)在龍門山斷裂帶南端發現的4組相對密集分布的重復地震(S01f、S13、S14、S15)(如圖5紅色十字所示)，獲取的3.6～18.7 km深度的滑動速率為5.8～10.2 mm·a-1(估算誤差為0.4～0.9 mm·a-1，見表1)，在一定程度上揭示了該區段斷層的深部運動較為活躍.陳運泰等(2013)認為蘆山地震的發生并沒有顯著的緩解龍門山斷裂帶西南段的地震危險性，并指出其南端存在發生7級強震的潛在危險性，我們前述的重復地震分析得出的深部變形較強的量化指示，似乎呼應了陳運泰等(2013)的分析結論.

仔細剖析龍門山斷裂帶中北段檢測到的10組重復地震，發現汶川附近14～16 km深度的S06和S07這2組重復地震與北川附近4.3～9.5 km深度的3組重復地震(S10、S11、S12)，在2006年前后出現了不同程度的滑動加速變化的跡象(見圖7a和7c加粗部分)，甚至在斷裂帶南端發現的S01和S13這2組重復地震分別在2006年和2007年開始都出現了明顯的深部加速滑動(見圖7d加粗部分)，與已有研究(趙祎喆等，2008)觀察到自2006年初至汶川地震前小震活動的類似于指數上升的明顯變化趨勢較為相符.我們的結果表明：汶川地震臨震階段，在龍門山斷裂帶中北段(主震震源區)和南端(非震源區)都出現了深部滑動加速的特征(“加速協同化”)，似乎印證了震源得以錯動需要發震斷層的整體協調觀點(馬瑾等，2012).繼續觀察2組在時間跨度上皆經歷2008年汶川地震和2013年蘆山地震的重復地震序列S13(深度3.6 km)和S15 (深度18.7 km)，尤其是S15在2012年前后也出現了深部滑動速率加速變化的特征(見圖7d加粗部分).對汶川地震和蘆山地震前出現的明顯深部加速變形過程，初步推測與震前亞失穩階段由能量累積到能量釋放轉換的表現形式有關(王凱英等，2018).

圖7 龍門山斷裂帶檢測到15組重復地震序列的時間-滑動量累積圖Fig.7 Cumulative slip calculated from the 15 repeating earthquakes sequences along the Longmenshan fault zone

表1 龍門山斷裂帶識別出的重復地震序列Table 1 Repeating earthquake sequences identified along the Longmenshan fault zone

3 討論

3.1 川滇地區斷裂帶協同變形特征

綜上所述，通過波形資料分析辨識了川滇地區的76組不同深度的重復地震(圖8和附表1)，震源深度分布為3.0～23.7 km，震級分布ML0.6～2.8，共計478次地震.如圖8所示，基于重復地震獲取的川滇地區主要斷裂帶深部滑動速率研究結果表明：麗江—寧蒗斷裂帶在脆韌轉換帶約23 km處的滑動速率為4.3～5.4 mm·a-1(李樂等，2008)，小江斷裂帶3～12 km孕震深處的滑動速率為1.6～10.1 mm·a-1(李樂等，2013)，紅河斷裂帶北段在6.0～13.4 km深處的滑動速率為2.3～10.0 mm·a-1(孫慶山和李樂，2020)，鮮水河斷裂帶南段3.0～18.7 km深處的滑動速率為3.0～10.2 mm·a-1(李樂等，2015)，龍門山斷裂帶在約4.0～17.3 km的汶川8.0級地震孕震深處的滑動速率為3.5～9.6 mm·a-1(Li et al., 2011)，龍門山斷裂帶南端在3.6～18.7 km深度滑動速率為5.8～10.2 mm·a-1.由觀測資料分析顯示中國大陸大多數活動斷裂的GPS滑動速率都在10 mm·a-1之下(張培震等，2003b)，這與重復地震所獲取的斷層滑動速率在運動量上是大體一致的.由重復地震展示的各個斷裂帶深部滑移的差異變化，很好地體現了斷裂帶的非均一的滑動特性.由量化的對比可見：龍門山斷裂帶的深部變形速率與其鄰近的鮮水河斷裂帶南段和小江斷裂帶基本相當，表明龍門山斷裂帶(巴顏喀拉地塊東邊界)、鮮水河斷裂帶南段(巴顏喀拉地塊的南邊界和川滇塊體東邊界)、小江斷裂帶(川滇地塊東邊界)和紅河斷裂帶北段(川滇地塊西南邊界)等邊界斷裂帶深部變形的定量化結果是比較一致的，展示了川滇菱形地塊和巴顏喀拉地塊的現今構造運動相對穩定且具有繼承性，與邊界斷裂帶深部變形速率相互協調，揭示了其整體協同變形特征(張培震等，2003a，b；劉峽等，2016).

圖8 由76組重復地震估算的川滇地區的滑動速率分布圖不同顏色的圓圈、十字和棕色線段同圖2. F1，龍門山斷裂帶；F2,小江斷裂帶；F3，鮮水河斷裂帶；F4，紅河斷裂帶；F5，麗江—寧蒗斷裂帶.Fig.8 Map view of the slip rates estimated from the 76 repeating earthquake sequences in the Sichuan and Yunnan regionThe 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.

3.2 重復地震和孕震閉鎖區

通常反演所得的強震同震高滑動區(同震破裂滑動集中區)被解釋為斷層上具有高應力積累的凹凸體，這些被稱為凹凸體的同震大滑動區在孕震期間處于閉鎖狀態，而凹凸體周圍則為相對較弱的蠕滑區，在強震孕育期間處于明顯的蠕滑狀態(Igarashi et al., 2003)，弱的蠕滑區中一些較小的凹凸體重復破裂形成重復微震(重復地震)(見圖9a；Uchida and Bürgmann，2019).Igarashi等(2003)指出孕育或發生過強震的大凹凸體周緣處于弱耦合狀態，其周緣存在的一些孤立的小凹凸體在周圍介質蠕滑作用下易于發生重復微震(圖9a)，也表明了重復微震與孕育強震的大凹凸體具有密切的空間相關性.川滇塊體東邊界斷裂帶及龍門山斷裂帶的重復地震震中位置(圖8)與易桂喜等(2008，2011)的相關區域b值研究結果中高b值或相對偏高的b值區具有很好的空間一致性.重復地震大都出現在高b值區(如Li et al., 2011)的觀測事實也表明：重復地震發生在斷層強度相對較弱部位，因高b值意味著小地震多發，小地震多發的斷層部位不易積累大的應變能.斷裂帶閉鎖區(凹凸體)比蠕變區的剪切強度要高，因而導致了閉鎖區的高應力和低b值與蠕變區的低應力和高b值，這一特征證實了重復地震傾向于發生在斷裂帶上孕育強震的大凹凸體邊緣的觀測事實.1984年Morgan Hill 6.2級地震、2011年汶川8.0級地震和2013年蘆山7.0級地震等同震破裂區周緣發育的重復地震都確切地驗證了上述觀點(Templeton et al., 2009；Li et al., 2011；Dominguez et al., 2016；Li，2017).重復地震的空間分布可為未來的大震破裂區提供一定的約束，展示了利用重復地震的空間分布勾畫強震潛在閉鎖區的可能性.

3.3 基于重復地震的深部變形時空演化特征與潛在的強震

地震活動是斷裂變形活動的最直接體現，精定位的震源深度則反映了斷裂深部發生地震滑動的起始位置.由重復地震獲取的不同深度的滑動速率展布特征提供了斷裂深部的變形信息.Li等(2011)在龍門山斷裂帶觀測到的汶川大震前深淺滑動速率差異變化的現象，在板緣斷裂帶的重復地震研究中也有展示.Nadeau和McEvilly(1999)利用重復地震成功地獲取了美國San Andreas斷層Parkfield地區地下的斷層滑動速率深淺差異分布圖像，而在重復地震不發育的區域(即斷層閉鎖區)發生了2004年6.0級地震.Igarashi等(2003)基于重復地震分析得到的日本俯沖帶深部的滑動速率與淺部差異顯著，而2011年日本東北近海MW9.0地震則就發生在重復地震所揭示的深淺滑動速率差異顯著的滑動虧損區(陳棋福和李樂，2018).加拿大北部海域2012年MW7.8 Haida Gwaii地震相關的重復地震研究獲取的滑動速率分布，也展示了明顯的震前滑動虧損(Hayward and Bostock，2017).

隨著重復地震研究的深入，越來越多的研究實例展示了基于重復地震獲取的斷層滑動速率隨時間的演化特征對未來大地震特別是臨震前的特有指示信息(Kato and Ben-Zion，2020).在板緣地震如美國加州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)與日本的北海道2003年M8.0 Tokachi-oki地震(Uchida et al., 2009)和東北近海2011年MW9.0 Tohoku-oki地震(Uchida et al.,2016)，以及發生在中國大陸的2008年汶川M8.0地震和2013年蘆山M7.0地震(圖7)，重復地震序列都出現了震前1～2年或臨震前的深部滑動速率加速變化特征.

如圖9所示，斷裂帶局部閉鎖部位或滑動虧損區(圖9a)很可能處于與強震孕育有關的應變能積累閉鎖階段，表現為淺部的滑動相對較弱，而其周緣發生的重復地震(圖9b)則可能體現了閉鎖區深部的區域構造運動處于定常活動狀態或強震前的非線性變形階段，由此深淺部的重復地震所釋放出的累積滑動量存在顯著差異(圖9b).這種臨震前深部變形隨時間加速變化的現象很可能是進入強震成核階段(Kato et al., 2016；Kato and Ben-Zion, 2020)或是斷層亞失穩階段的具體表征(馬瑾，2016).圖7展示的汶川地震前震源斷層及其附近區域存在幾乎同步的加速變形過程，推測與震前亞失穩應力狀態有關(王凱英等，2018).

圖9 板內強震孕育發生的變形模式(修改自陳棋福等，2020)(a)強震閉鎖區及其周圍重復地震發生部位的示意圖(修改自Uchida and Bürgmann，2019)，在周圍蠕滑區的作用下發生重復破裂形成重復地震，圖上方展示了地震臺站記錄到的重復地震的相似波形.(b)利用重復地震獲得的強震發生(粗黑豎線)前后深部和淺部累積滑動量(藍色和紅色實線)，深部的滑動速率(藍色和紅色虛線)在強震前后存在明顯變化， 淺部的滑動速率(紅點線)與由淺表觀測獲取的長期滑動速率基本一致.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.

4 總結與展望

本文系統分析了川滇地區主要斷裂帶深部變形的重復地震研究結果，得到如下一些認識和啟示：

(1)基于重復地震獲取的川滇地區主要邊界斷裂帶的深部變形定量化結果比較一致，揭示了川滇地塊和巴顏喀拉地塊整體協同變形的特征.

(2)小江斷裂帶和鮮水河斷裂帶南段不同深度的滑動速率分布圖像展示了不同破裂分段區和不同強震破裂區的深部變形存在差異.

(3)震前在汶川主震破裂區和震后蘆山主震震源區周緣發育的重復微震，揭示了重復微震與斷裂帶局部閉鎖段在空間位置上存在密切關聯性.

(4)基于重復地震獲取的龍門山斷裂帶深部滑動速率高于淺部，揭示了汶川主震前孕震閉鎖區存在深淺部構造變形差異，震前1～2年出現的深部滑動速率加速現象可能是斷層亞失穩階段的表征.

通常，地表地質調查和GNSS、InSAR、地表形變測量是探測斷層地表變形的直接手段，并具有相當高的精度.但對于隱伏斷層、構造復雜區、特別是深淺部構造變形差異顯著地區的調查，上述手段具有局限性和不確定性(如Evans, 2018).在深淺部構造變形差異明顯的地區，可能因淺部低變形速率而低估其潛在的強震危險性(陳棋福和李樂，2018).重復發生在同一構造部位并具有高度相似波形的重復地震(重復微震)作為天然的“孕震應變計”，是探測斷裂帶深部變形的強有力途徑.但作為一種被動觀測，不可避免地受限于地震臺站分布和重復地震發生時間的不確定性和完整性等方面的影響.目前，我國大陸內部許多地區的深部構造變形探測還囿于現階段由淺表觀測資料來進行推斷，未來應充分發揮重復微震的原位觀測優勢，集成大地測量學和地質地貌學等多學科進行更有效的深部變形探測分析，對活動斷裂帶深淺部構造變形差異顯著區段以及強構造背景下的弱變形區(如閉鎖區和滑動虧損區)的潛在強震危險性要特別關注.

此外，為能夠與大地測量和地質等淺表觀測結果進行更為有效的綜合分析，嘗試獲取重復微震的震源機制解，參考重復地震的破裂節面或可能確定的破裂方向來約束由重復微震所估算的滑動速率標量的滑動方向，是今后值得深入研究的發展方向.

致謝謹此祝賀陳颙先生從事地球物理教學科研工作60周年.感謝三位評審專家對完善本文提出的具有建設性的意見和建議.四川數字地震臺網和云南數字地震臺網提供了區域固定臺站和水庫臺站波形資料及地震觀測報告和目錄，中國地震局地球物理研究所“地震科學探測臺陣數據中心”提供了川西流動臺陣地震波形數據，本文圖件基本采用GMT繪制(Wessel and Smith，1998)，在此一并表示感謝.

附表1 川滇地區主要斷裂帶重復地震序列Appendix Table 1 Repeating earthquake sequences identified along the major faults in the Sichuan-Yunnan region

續附表1

續附表1