Seismogenic structure identification of the 2013 Eryuan MS5.5 and MS5.0 earthquake sequence
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摘要: 采用Hypo2000和双差定位方法对2013年云南洱源MS5.5和MS5.0地震序列进行了重新定位. 结果显示: 精定位后洱源地震序列分布优势方向集中在160°； 用CAP方法反演了两次5级地震震源机制， 节面Ⅱ的走向158°和157°与余震优势分布方向一致； 现场考察MS5.5和MS5.0地震极震区的长轴方向也是NW向. 上述结果与维西—乔后断裂NNW走向一致， 据此判定该断裂为洱源MS5.5和MS5.0地震的发震构造. 序列震源机制解显示， 洱源地震序列表现出不同的错断性质以及不同方向主压应力， 可能与维西—乔后断裂所处区域复杂构造应力场有关.Abstract: The Eryuan MS5.5 and MS5.0 earthquake sequence are relocated by using absolute location (Hypo2000) and double-difference earthquake location (HypoDD) methods. The results show that the dominant direction of relocated aftershocks concentrated at 160°. Focal mechanisms of the MS5.5 and MS5.0 earthquakes are inverted by CAP method. The inversion result shows that the strike angles of the nodal plane Ⅱ were 158° and 157°, respectively, which are consistent with dominant distribution direction of aftershocks. Field survey suggests that the major axis of the meizoseismal region was also in NW direction. The above three directions were consistent with the NNW strike orientation of Weixi--Qiaohou fault, which can be considered as the seismogenic structure of the Eryuan earthquake sequence. Focal mechanisms of the sequence indicate that different focal dislocations and different orientations of principal compression stresses, may have relationship with the complex regional structural stress field of Weixi--Qiaohou fault.
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引言
2013年3月3日13时41分15秒云南省大理州洱源县发生MS5.5地震(25.9°N，99.7°E)，一个多月后，震区于4月17日9时45分54秒又发生MS 5.0地震． 据云南省地震局地震现场工作队调查，两次地震均造成云南洱源、 漾濞、 云龙等县的部分乡镇房屋建筑和工程结构不同程度的破坏云南省地震局. 2013. 2013年3月3日洱源5.5级地震灾害直接损失评估报告.， 云南省地震局. 2013. 2013年4月17日洱源5.0级地震灾害直接损失评估报告.．
震区所处的滇西地区为三江复合造山带(贺传松等，2004)的重要组成部分，是青藏高原东缘异常活跃的陆内变形区． 该区地质构造复杂，岩浆活动频繁，构造变形与变质作用强烈(钟大赉，1998)，是青藏高原东部地壳块体旋转挤出的重要通道和构造转折带． 震区主要有NNW向维西—乔后断裂、 NW向红河断裂和NE向程海断裂、 龙蟠—乔后断裂．
云南省地震速报目录显示，整个序列(ML≥1.0)无优势分布方向(图 1c)，震源位置参数的精度不能满足我们讨论震源断层位置的需要． 不同机构给出的MS5.5地震的震源机制解略有差异(表 1)，两个节面的走向均呈NW向，无法判定发震节面． 据地震后云南省地震局地震现场工作队考察，MS5.5和MS 5.0地震极震区的长轴方向均为NNW，揭示可能的发震断层为NNW向维西—乔后断裂． 为研究洱源地震序列的发震断层及其发震机理，我们对该序列进行了精定位，测定了主要地震震源机制解，并结合地震宏观考察结果，讨论了该序列的空间分布特征和震源错断类型，进而识别该序列的发震构造．
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图 1 洱源地震序列M-t图(a)、 目录完整性分析(b)和精定位前序列震中分布图(c)图(a)中横坐标为距离2013年3月3日洱源MS5.5地震天数； 图(b)中正方形为累计 频度，斜线为累计频度-震级最大似然法拟合曲线； 图(c)中红色圆为3月3日洱源 MS5.5及其后续地震，蓝色圆为4月17日洱源MS5.0及其后续地震Figure 1. M-t diagram of Eryuan earthquake sequence; (b) Completeness of earthquake catalogues; (c) Epicentral distribution of Eryuan sequence before accurate locationThe x-axis in Fig.(a) means the days from Eryuan MS5.5 earthquake on March 3, 2013; squares in Fig.(b) are accumulative frequency, the black line is accumulative frequency-magnitude fitting curve using maximum likelihood method; in Fig.(c) red circles are the epicenters of MS5.5 and its following shocks, blue circles are those of MS5.0 and its following shocks表 1 本文与GCMT、 CEA-IGP得到的震源机制解比较Table 1. A comparison among focal mechanism solutions from this study, GCMT and CEA-IGP
1. 方法与资料
1.1 地震重新定位方法
高精度的定位能更加准确揭示地震序列的空间分布特征，探讨与断裂构造活动的关系和地震成因． 本文首先用Hypo2000定位方法(Klein，1978)进行了绝对定位，再使用双差相对定位法(Waldhauser，Ellsworth，2000)进一步给出准确的地震相对位置．
Hypo2000定位方法的基本原理是，通过计算近场特定模型下的走时，反演地震的震中位置和深度． 双差定位法的原理，是使用一组丛集地震中的两个震源位置相近地震的走时差的观测值与理论计算值的残差，来确定这两次地震之间的相对位置． 该方法能有效地消除震源至台站共同传播路径效应，从而获得较为准确的相对定位结果．
双差定位时迭代计算采用了共轭梯度法，共采用两组迭代，每组迭代15次，阻尼值设为80． 第一组迭代时，除“空中地震”(air earthquake)外不删除任何事件； 第二组迭代中，不断降低标准偏差的倍数，舍去残差大于截断值的震相数据．
1.2 震源机制解反演方法
基于体波与面波联合反演的“剪切-粘贴法”(cut and paste，简写为CAP)方法，将宽频带数字地震记录分为体波(Pnl)部分和面波部分，分别计算它们的合成波形与真实记录的误差函数，在相关参数空间中搜索最佳矩张量解． 由于CAP方法能将体波与面波分开进行拟合，并在反演过程中允许它们在适当的时间变化范围内相对移动，一定程度上消除了地下速度结构不准确所造成的影响，即使在格林函数和地震位置不是很准确的情况下也可以得到较好的结果． 另外该方法通过赋予体波部分更大的权重来避免面波在反演过程中权重过大的影响，对地震深度及机制解有更好的约束． CAP方法在国内多次重要地震的震源机制反演中均取得较好效果(韦生吉等，2009； 郑勇等，2009； 罗艳等，2010； 龙锋等，2010； 韩立波等，2012)．
1.3 资料
2013年3月3日洱源MS5.5地震后，云南地震现场工作队在震区周边架设了4台测震仪，这些流动台完整记录了2013年4月17日MS 5.0地震及其后续地震(图 1a)． 从该序列近50天的震级-频度分布曲线和最大似然法分析结果(图 1b)来看，序列中ML1.0以上地震记录基本完备．
在进行双差地震定位时，需要确定P波和S波的先验权重． 由于S波震相不易识别，使得其到时读取精度要比P波震相低很多，所以在实际操作中对S波的权重可以根据资料实际情况予以不同权重． 本文中多数S波震相均为震后流动台记录的近震震相，数据相对可靠，因此赋予P波、 S波到时的权重分别为1.0和0.7． 在挑选地震时，保证每次地震至少有6个震相记录． 地震对之间的最大距离为10 km，地震对使用的最大震相对的数目为50，每一个地震对的相邻地震的最大数目为10，震群与台站的最大距离为200 km． 按照上述标准，从2013年3月3日—4月20日发生的370次ML≥1.0地震中挑选出符合条件的301次1.0≤M≤5.5地震，共计4861条P波和S波震相数据，其中P波震相2692条，S波震相2169条．
2. 地震序列精确定位和震源机制解
2.1 模型选取
在地震定位和CAP矩张量反演中使用的分层速度模型参考了胡鸿翔等(1986)的人工地震测深结果． 模型共分5层，如表 2所示． 波速比的取值根据洱源台站的接收函数h-k扫描结果，设定为1.75(李永华等，2009)．
表 2 洱源地区分层地壳速度模型Table 2. Layered crustal velocity model for Eryuan region
2.2 地震序列精确定位
经过上述精确定位后，最终得到了2013年洱源MS5.5和MS5.0地震序列258个事件的震源位置． 重新定位后，走时均方根残差由定位前的0.43 s降为0.14 s； 东西向、 南北向和垂直向定位平均误差分别为0.17，0.01，0.04 km． 其中MS5.5地震的震中位置为99.779°E、 25.952°N，震源深度为7.50 km，比中国地震台网中心速报结果更接近宏观震中(炼铁乡前甸村委会新建村—江旁村委会一带)； MS5.0地震的震中位置为99.800°E、 25.900°N，震源深度为8.50 km． 重新定位后的序列NNW向优势分布明显，与维西—乔后断裂走向一致(图 2)．
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图 2 精定位后洱源地震序列(a)和震中分布(b)图实心圆表示余震震中，红色星表示主震震中位置． 色标表示距离两次5级地震发震时刻 的时间差． AB为沿着维西—乔后断裂的剖面，CD为垂直于该断裂的剖面Figure 2. The epicentral distribution of the Eryuan earthquake sequence after accurate locationSolid circles denote epicenters of aftershocks; red stars mean epicenters of the main shocks; the color scale represents the difference of occurrence times between two main shocks. AB is the section along the Weixi-Qiaohou fault， and CD is the section perpendicular to the fault沿序列长轴方向取AB剖面，垂直长轴方向取CD剖面并以剖面的中心为原点(图 2)，分析地震活动与断裂之间的相互关系． 由剖面AB(图 3a)可见，余震区长轴分布宽度约10 km，地震集中分布在地下6—10 km之间． MS5.5序列地震则围绕主震向下扩展，而MS5.0序列地震则围绕主震上下破裂． 在垂直于维西—乔后断裂的CD剖面(图 3b)，整个地震序列中绝大多数地震集中在一个宽约3 km的区域内，表明该序列地震主要沿着断裂分布． 根据图 3b的地震密集区可以勾勒出一个倾角为40°的破裂面，与序列中正倾型地震40°—45°的倾角(表 3)较为接近，地震多发生在正断型断层的上盘．
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图 3 震源深度沿AB剖面(a)与CD剖面(b)的分布实心圆表示余震震中， 星号表示两次5级地震震中， 其余图注同图2Figure 3. Focal depths along the sections AB, CDSolid circles denote epicenters of aftershocks; stars denote the epicenters of two main shocks; the other legends are the same as those in Fig.2表 3 2013年洱源地震序列震源机制解Table 3. Focal mechanism solutions of Eryuan earthquake sequences in 2013
2.3 CAP方法反演震源机制解
利用CAP方法得到的洱源MS5.5地震矩张量反演结果拟合误差随深度的变化，及波形拟合情况分别如图 4和图 5所示． 由图 4可见，深度6 km时具有最小的反演拟合误差，为可能的MS5.5地震的矩心深度，与精定位结果7.49 km的深度相差不大． 此深度对应的双力偶解即为最佳震源机制解． 其中，节面Ⅰ的解为： 走向350°、 倾角48°、 滑动角-82°； 节面Ⅱ的解为： 走向158°、 倾角43°、 滑动角-99°，矩震级MW＝5.5．
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图 4 洱源MS5.5地震震源机制解反演中的误差-深度分布图Figure 4. Misfit error as a function of depth in the focal mechanism inversion of the Eryuan MS5.5 earthquake![]()
图 5 洱源MS5.5地震的理论地震波形(红色)与实际观测地震波形(黑色)波形下面第一行数字为理论地震图相对观测地震图的移动时间； 第二行数字为二者的相关系数； 波形 左侧的字母和数字分别为台站名称和震中距(km); 图中V表示垂直向，R表示径向，T表示切向Figure 5. Comparison between synthetic (red) and observed (black) seismograms of Eryuan MS5.5 earthquakeNumbers in the first line below the waveform curves are the time shifts(in unit of s)between the two kinds of seismograms， and those in the second lines are correlation coefficients of the theoretical and observed seismograms; station’s symbol and its distance are given on the left of each line of the waveforms，respectively将本文得到的震源机制解结果与全球矩心张量结果(GCMT，http://www.global-cmt.org/CMTsearch.html)及中国地震局地球物理研究所(CEA-IGP，http://www.cea-igp.ac.cn/)结果进行对比(表 1)，结果表明本文的洱源MS5.5地震结果与GCMT更为接近，但三者之间均有一定差异． 对洱源波形下面第一行数字为理论地震图相对观测地震图的移动时间； 第二行数字为二者的相关系数； 波形左侧的字母和数字分别为台站名称和震中距(km); 图中V表示垂直向，R表示径向，T表示切向MS5.0地震，GCMT无结果，本文结果与中国地震局地球物理研究所比较接近(表 1)．
用同样的方法得到了洱源地震序列其余10次2.9≤ML≤4.5地震震源机制解． 表 3给出了这些地震的断层面参数，图 6给出了这些地震的震源机制球面解． 从12次地震的结果来看，洱源MS5.5及其余震震源断层错断类型均为正倾滑动； 洱源MS5.0余震多为右旋走滑，与维西—乔后断裂右旋扭动运动相符． 从空间分布来看，以洱源MS5.0震中为界，北西均为正倾滑动，东南均为右旋走滑． 从主压应力P轴走向来看，正倾滑地震具有NW向主压应力，走滑型地震具有NNE向至N--S向主压应力．
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图 6 洱源地震序列12次ML≥2.9地震震源机制解蓝色表示洱源MS5.5地震及其余震， 酒红色表示洱源MS5.0地震及其余震Figure 6. Focal mechanism solutions of 12 ML≥2.9 Eryuan earthquakesBlue circles denote epicenters of MS5.5 and its aftershocks; wine red circles denote epicenters of MS5.0 and its aftershocks我们收集了研究区已有地震的震源机制解资料(GCMT； 吴建平等，2004)，图 7给出了这些地震的震源机制球面解及其分布情况，蓝色沙滩球表示本次地震序列的震源机制． 结果显示，在澜沧江断裂以东地区零星分布着一些正倾滑错断性质的地震，与丽江—小金河、 程海断裂之间有部分正断层震源机制解的结果相符(马文涛等，2008)． 故本文得到两次5级地震及部分余震具有正断错动性质的结果并不突兀．
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图 7 2013年洱源地震序列主震位置及其震源机制解、 烈度及台站分布图① 维西—乔后断裂； ② 红河断裂； ③ 程海断裂； ④ 龙蟠—乔后断裂； ⑤ 澜沧江断裂； ⑥ 怒江断裂Figure 7. Distribution of 2013 Eryuan main shocks，focal mechanism solutions， seismic intensity and seismographic stations① Weixi-Qiaohou fault; ② Honghe fault; ③ Chenghai fault; ④ Longpan-Qiaohou fault; ⑤ Lancangjiang fault; ⑥ Nujiang fault3. 发震断层分析
为确定洱源MS5.5地震的发震断层面，计算了地震序列的优势分布方向． Lutz(1986)以及Lutz和Gutmann(1995)从概率格点分布的概念出发，提出了在有限空间范围内基于二维小震分布检测可能的线性构造(破裂迹线)，并测量其优势分布方位的定量方法． 即以主震位置为原点，以正北方向为0°，顺时针方向统计不同方位内的余震频次n(θ)，n(θ)峰值对应的θ即为余震的优势分布或主震的优势破裂方位．
由图 8a可见，序列分布优势方向约为160°，与洱源MS5.5节面Ⅱ的158°、 MS5.0节面Ⅱ的157°走向更为吻合． 另据云南省地震局地震现场工作队调查，两次地震极震区的长轴方向均为NW向(图 7)，由此推测节面Ⅱ，即NNW向的维西—乔后断裂为洱源MS5.5、 MS5.0地震的发震断层．
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图 8 洱源地震序列优势分布方位(a)和确定序列余震优势分布方位示意图(b)星号为示意性的主震位置，θ含义参见正文Figure 8. The dominant distribution orientation of Eryuan earthquake sequence(a) and schematic diagram for determination of the sequence dominant distribution orientation(b)The star denotes the main shock location，the meaning of θ can be found in this paper4. 讨论与结论
4.1 讨论
大震后余震震源机制有的与主震一致，有的则大不一样，反映了震源应力场的变化(魏柏林，1980). 已有研究结果显示，地震序列的震源机制可能存在变化，例如1976年唐山MS7.8地震和2008年汶川MS8.0地震的余震震源机制解在空间分布上明显不同(李轶群，王健，2008； 易桂喜等，2012)； 1988年澜沧—耿马地震序列在主破裂以外的地区P轴方位分布复杂，显示了震后震区应力场方向时、 空上的急剧调整变化(王绍晋等，1991)． 此外还有1975年海城地震(顾浩鼎等，1976)和1966年邢台地震(何志桐，谢挺，1977)等均有此现象．
对这些余震震源机制变化的原因目前还没有明确和统一的解释，但多归结于应力状态的不均匀性、 应力场的复杂性(李轶群，王健，2008)、 区域构造的复杂性(易桂喜等，2012)及震源应力场和区域应力场作用于序列的阶段性(魏柏林，1980)． 魏柏林等(2011)试图用转化应力场来解释余震震源机制变化，并应用这一理论解释了汶川余震震源机制变化的原因．
震源机制、 水压致裂测量及断层滑动应力数据结果均显示，在滇西的维西—乔后断裂、 丽江—小金河断裂带和程海断裂带，水平最大主应力方位有NW和NNE向两个优势分布方向(谢富仁等，1994； 崔效峰等，2006)． 滇西北活动构造区内，现代构造应力场以NNE水平挤压为特征，这与本文得到的走滑型地震具有NNE向至N--S向主压应力结果一致； 而本文计算得到正倾滑地震NW向最大主压应力可能是NW向区域应力场作用的结果． 故本文得到的两种错断性质和不同方位主压应力轴的结果与区域应力场的作用结果并不矛盾．
4.2 结论
本文利用精定位后得到的洱源地震序列空间分布及较大地震震源机制解，结合地震宏观烈度线结果，讨论了洱源地震的发震构造及序列震源错断类型的复杂性及其可能原因，得到主要结论如下：
1)重新定位后，洱源地震序列的优势分布方向明显呈NNW向分布，与维西—乔后断裂由南向北的NW向至NNW向走向基本一致．
2)精定位后洱源地震序列分布优势方向集中在160°，与洱源MS5.5、 MS5.0地震158°和157°的走向一致，据此推测其为洱源地震的发震节面．
3)以洱源MS5.0地震震中为界，北西均为正倾滑动，东南均为右旋走滑． 与历史地震震源机制所显示的在丽江—小金河、 程海断裂之间有部分正断层震源机制解的结果相符．
4)从序列主压应力P轴走向来看，正倾滑地震具有NW向主压应力，走滑型地震具有NNE向至N--S向主压应力，可能与维西—乔后断裂所处区域复杂构造应力场有关．
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图 1 洱源地震序列M-t图(a)、 目录完整性分析(b)和精定位前序列震中分布图(c)
图(a)中横坐标为距离2013年3月3日洱源MS5.5地震天数； 图(b)中正方形为累计 频度，斜线为累计频度-震级最大似然法拟合曲线； 图(c)中红色圆为3月3日洱源 MS5.5及其后续地震，蓝色圆为4月17日洱源MS5.0及其后续地震
Figure 1. M-t diagram of Eryuan earthquake sequence; (b) Completeness of earthquake catalogues; (c) Epicentral distribution of Eryuan sequence before accurate location
The x-axis in Fig.(a) means the days from Eryuan MS5.5 earthquake on March 3, 2013; squares in Fig.(b) are accumulative frequency, the black line is accumulative frequency-magnitude fitting curve using maximum likelihood method; in Fig.(c) red circles are the epicenters of MS5.5 and its following shocks, blue circles are those of MS5.0 and its following shocks
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图 2 精定位后洱源地震序列(a)和震中分布(b)图
实心圆表示余震震中，红色星表示主震震中位置． 色标表示距离两次5级地震发震时刻 的时间差． AB为沿着维西—乔后断裂的剖面，CD为垂直于该断裂的剖面
Figure 2. The epicentral distribution of the Eryuan earthquake sequence after accurate location
Solid circles denote epicenters of aftershocks; red stars mean epicenters of the main shocks; the color scale represents the difference of occurrence times between two main shocks. AB is the section along the Weixi-Qiaohou fault， and CD is the section perpendicular to the fault
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图 3 震源深度沿AB剖面(a)与CD剖面(b)的分布
实心圆表示余震震中， 星号表示两次5级地震震中， 其余图注同图2
Figure 3. Focal depths along the sections AB, CD
Solid circles denote epicenters of aftershocks; stars denote the epicenters of two main shocks; the other legends are the same as those in Fig.2
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图 4 洱源MS5.5地震震源机制解反演中的误差-深度分布图
Figure 4. Misfit error as a function of depth in the focal mechanism inversion of the Eryuan MS5.5 earthquake
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图 5 洱源MS5.5地震的理论地震波形(红色)与实际观测地震波形(黑色)
波形下面第一行数字为理论地震图相对观测地震图的移动时间； 第二行数字为二者的相关系数； 波形 左侧的字母和数字分别为台站名称和震中距(km); 图中V表示垂直向，R表示径向，T表示切向
Figure 5. Comparison between synthetic (red) and observed (black) seismograms of Eryuan MS5.5 earthquake
Numbers in the first line below the waveform curves are the time shifts(in unit of s)between the two kinds of seismograms， and those in the second lines are correlation coefficients of the theoretical and observed seismograms; station’s symbol and its distance are given on the left of each line of the waveforms，respectively
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图 6 洱源地震序列12次ML≥2.9地震震源机制解
蓝色表示洱源MS5.5地震及其余震， 酒红色表示洱源MS5.0地震及其余震
Figure 6. Focal mechanism solutions of 12 ML≥2.9 Eryuan earthquakes
Blue circles denote epicenters of MS5.5 and its aftershocks; wine red circles denote epicenters of MS5.0 and its aftershocks
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图 7 2013年洱源地震序列主震位置及其震源机制解、 烈度及台站分布图
① 维西—乔后断裂； ② 红河断裂； ③ 程海断裂； ④ 龙蟠—乔后断裂； ⑤ 澜沧江断裂； ⑥ 怒江断裂
Figure 7. Distribution of 2013 Eryuan main shocks，focal mechanism solutions， seismic intensity and seismographic stations
① Weixi-Qiaohou fault; ② Honghe fault; ③ Chenghai fault; ④ Longpan-Qiaohou fault; ⑤ Lancangjiang fault; ⑥ Nujiang fault
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图 8 洱源地震序列优势分布方位(a)和确定序列余震优势分布方位示意图(b)
星号为示意性的主震位置，θ含义参见正文
Figure 8. The dominant distribution orientation of Eryuan earthquake sequence(a) and schematic diagram for determination of the sequence dominant distribution orientation(b)
The star denotes the main shock location，the meaning of θ can be found in this paper
表 1 本文与GCMT、 CEA-IGP得到的震源机制解比较
Table 1 A comparison among focal mechanism solutions from this study, GCMT and CEA-IGP
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表 3 2013年洱源地震序列震源机制解
Table 3 Focal mechanism solutions of Eryuan earthquake sequences in 2013
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