Focal Mechanism Solutions and Seismogenic Structure of M≥4.7 Earthquakes Since 2014 in Yongshan, Yunnan
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摘要: 基于Cut-And-Paste（CAP）全波形拟合反演震源机制解方法，利用四川、云南数字地震台网记录的宽频带台站地震波形记录，反演得到2014年以来云南永善3次M≥4.7地震震源机制解及相关参数，并采用双差定位方法对地震序列进行重新定位，最后探讨可能的发震构造。研究结果显示，2014年4月5日M5.3地震的震源机制解属逆冲型地震，2014年8月17日M5.0地震和2019年5月16日M4.7地震均为走滑型地震；结合该区域的地震构造、震后地震烈度分布和余震序列分布，推测2014年以来云南永善地区3次M≥4.7地震及余震的主发震构造为位于莲峰-昭通断裂与峨边-金阳断裂之间的无名断裂，或是莲峰-昭通断裂的前端盲断裂。Abstract: By using the Cut-And-Paste(CAP) inversion method and the HypoDD method, this paper presents the focal mechanism solutions for 3 M≥4.7 earthquakes and the relocated earthquake sequence information in Yongshan region on the basis of broadband seismic wave records from Sichuan and Yunnan digital seismic network. The results of 3 earthquakes show that the focal mechanism solution type of M5.3 earthquake on April 5, 2014 is thrust. The focal mechanism solution types of M5.0 earthquake on August 17, 2014 and M4.7 earthquake on May 16, 2019 are strike-slip. Combining with the regional seismotectonic analyzing and the spatial distribution of seismic epicenter and seismic intensity for the 3 earthquakes, the main seismogenic structure of the 3 earthquakes and aftershocks is an anonymous fault located between the Lianfeng-Zhaotong fault and Ebian-Jinyang fault, or the frontal blind fault of the Lianfeng-Zhaotong fault.
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Keywords:
- Yongshan earthquake /
- focal mechanism solution /
- seismogenic structure /
- CAP method
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0 引言
2014年以来，云南省昭通市永善县先后发生了3次M≥4.7地震，其中最大地震为2014年4月5日M5.3地震。3次地震在大地构造位置分区上属于上扬子陆块西缘四川前陆盆地叙永-筠连叠加褶皱带，在地质背景上均位于雷波-永善三角形块体构造区内，该构造区由NS向的峨边-金阳断裂、NE向的莲峰-昭通断裂和NW向的马边-盐津隐伏断裂围限而成，构造活动性强。其中，峨边-金阳断裂以走滑兼逆冲性质为主；莲峰-昭通断裂主要表现为右旋走滑兼逆冲、或以逆冲为主的错动方式；马边-盐津隐伏断裂以左旋走滑、或左旋走滑兼逆冲性质为主。区域范围内地质条件复杂，全新世和晚更新世活动断裂发育，分布范围广、规模巨大、方向变化大且活动水平较高，属于区域地质构造不稳定地区[1-2]。自有历史记载以来，周边曾发生过1216年马湖7级地震、1936年雷波西宁
$6{\scriptstyle{}^{3}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\;}$ 级地震和1974年大关北7.1级地震[2]。地震的震源机制解从一定角度描述了震源的性质，能够直观地反映地震破裂几何特征、运动学特征和发震构造信息，不仅是研究区域构造应力和地震灾害的基础，也是认识地震活动与地质构造之间关系、勾画活动断层形态等方面的重要参数[3]。因此，及时地确定地震震源机制和发震构造对于研究地震孕震机理、应力场分布和构造的地震危险性具有非常重要的意义。本文利用四川和云南区域台网的宽频带地震波形资料，采用CAP方法计算得到2014年以来云南永善地区3次M4.7以上地震的震源机制解和矩震级等参数，并在此基础上根据余震序列分布、震后地震烈度分布和地质构造特征探讨3次地震的发震构造。
1 研究方法与数据资料
1.1 方法原理
本文使用CAP[4-5]全波形拟合反演方法对波形数据进行处理，该方法主要是基于双力偶震源模型的假设前提，将宽频带数字地震波形数据分为面波部分和体波部分，分别计算真实观测记录与理论合成波形的误差函数，使用网格搜索法得到最佳深度和震源机制解，同时确定出地震矩震级[6-7]。基本原理如下：
设
$u\left( t \right)$ 为台站记录到的去除仪器响应后的地震波形，$s\left( t \right)$ 为任意一个双力偶源的理论合成位移，即：$$s\left( t \right) = {M_0}\mathop \sum \nolimits_{i = 1}^3 {A_i}\left( {\varphi - \theta ,\delta ,\lambda } \right){G_i}\left( t \right) $$ (1) 式中：i=1，2，3时分别对应垂直走向滑动断层、垂直倾向滑动断层和45°斜滑断层；M0为标量地震矩；
${A_i}$ 为射线系数；${G_i}$ 为格林函数；$\varphi $ 为台站方位角；$\theta ,\delta ,\lambda $ 分别为所求震源机制解的走向、倾角、滑动角参数。以观测地震位移
$u\left( t \right)$ 和合成地震位移$s\left( t \right)$ 是否一致作为反演过程的判断标准，公式（2）所示：$$ u\left( t \right) = s\left( t \right) $$ (2) 其中，射线系数
${A_i}$ 包含震源的辐射信息，$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{A_1}\left( {\theta ,\lambda ,\delta } \right) = {\rm{sin}}2\theta {\rm{cos}}\lambda {\rm{sin}}\delta + 0.5{\rm{cos}}2\theta {\rm{sin}}\lambda {\rm{sin}}2\delta }\\ {{A_2}\left( {\theta ,\lambda ,\delta } \right) = {\rm{cos}}\theta {\rm{cos}}\lambda {\rm{cos}}\delta - {\rm{sin}}\theta {\rm{sin}}\lambda {\rm{cos}}2\delta }\\ {{A_3}\left( {\theta ,\lambda ,\delta } \right) = 0.5{\rm{sin}}\lambda {\rm{sin}}2\delta }\\ {{A_4}\left( {\theta ,\lambda ,\delta } \right) = {\rm{cos}}2\theta {\rm{cos}}\lambda {\rm{sin}}\delta - 0.5{\rm{sin}}2\theta {\rm{sin}}\lambda {\rm{sin}}2\delta }\\ {{A_5}\left( {\theta ,\lambda ,\delta } \right) = - {\rm{sin}}\theta {\rm{cos}}\lambda {\rm{cos}}\delta - {\rm{cos}}\theta {\rm{sin}}\lambda {\rm{cos}}2\delta } \end{array}} \right. $$ (3) 因为需要求解的震源机制解参数不多，并且0≤θ≤2π，
$0{\text{≤}} \varphi {\text{≤}} {}^{{\rm{\pi}} }\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;$ ，0≤λ≤2π，故可直接采用网格搜索得到最佳震源机制解。求解方程（4）可定义一个误差目标函数来衡量s与u的差异：
$$ e = \left\| {{{\left( {\frac{r}{{{r_0}}}} \right)}^p}} \right\| \cdot \left\| {u - s} \right\| $$ (4) 式中：r为震中距；r0为选定的参考震中距；p为指数因子（考虑到几何扩散因子对地震波形的影响），可使地震的矩震级值较为可靠[8]。通常情况下，体波p=1.0，面波p=0.5。
1.2 数据资料
本研究选取的云南永善地区3次M≥4.7地震的基本地震参数见表1。
表 1 CENC、NEIC给出3次地震的地震参数序号 发震时刻 震中位置 震源深度/km 震级M 来源 年-月-日 时:分:秒 纬度/°N 经度/°E 1 2014-04-05 06:40:31 28.13 103.59 13 5.3 CENC 2014-04-05 06:40:35 28.17 103.62 25 5.4 NEIC 2 2014-08-17 06:07:58 28.10 103.50 7 5.0 CENC 2014-08-17 06:07:59 28.13 103.55 10 5.0 NEIC 3 2019-05-16 04:33:31 28.07 103.53 10 4.7 CENC 2019-05-16 04:33:37 28.16 103.66 38 4.8 NEIC 注：本文地震参数以中国地震台网中心（CENC）为准，美国国家地震信息中心（NEIC）为参考。 研究主要选用四川和云南区域地震台网记录到的宽频带地震波形数据，台站空间分布见图1。由于研究区域地震构造环境复杂，为了能够保证反演结果的可靠性，首先采用人工目视筛选方法选取其中具有高信噪比的波形数据，其次速度模型参数可能对反演计算结果产生一定影响，因此本研究在选取速度模型时，参考了四川盆地及邻区修正速度模型[9-10]（M1）、云南鲁甸地区速度模型[11]（M2）和西南地区地壳和上地幔速度模型[12]（M3）（图2）。
在上述工作的基础上，采用频率-波数（F-K）方法计算各个台站位置的格林函数，然后由格林函数和震源函数合成理论波形，最后根据公式（4）的误差目标函数搜索出合成理论波形与观测地震波形的误差，并选择误差函数最小的震源机制解作为计算结果[13-14]。通过对比3种速度模型的计算结果（表2），发现速度模型对计算结果影响较小。但根据计算结果稳定性和波形拟合效果，最终选取了计算结果相对稳定且波形拟合平均相关系数较高的四川盆地及邻区修正速度模型（M1）。
表 2 不同地壳速度模型下3次地震震源机制解发震日期 节面Ⅰ/(°) 节面Ⅱ/(°) P 轴/(°) T 轴/(°) MW 速度模型 走向 倾角 滑动角 走向 倾角 滑动角 方位 仰角 方位 仰角 2014-04-05 9 31 47 236 68 112 310 20 180 61 4.85 M1 30 27 84 217 63 93 304 18 134 72 4.90 M2 13 26 56 230 69 105 309 23 164 63 4.95 M3 2014-08-17 49 87 −161 318 71 −3 275 15 182 11 4.96 M1 227 89 160 317 70 1 274 13 180 15 5.00 M2 226 86 161 317 71 4 273 10 180 16 5.01 M3 2019-05-16 266 80 −163 173 73 −10 130 19 39 5 4.60 M1 264 81 −167 172 77 −9 128 16 38 3 4.66 M2 267 73 −160 171 71 −18 129 26 39 1 4.67 M3 2 震源机制解
在数据处理过程中，对每个区域范围内地震波形数据去除仪器响应后积分得到位移记录，再将其由UD-NS-EW分量旋转至Z-R-T三分量，分成面波部分和体波部分[8]。为消除由速度积分到位移时产生漂移和长周期地脉动的影响，分别对面波部分进行0.05～0.10 Hz带宽范围、体波部分进行0.05～0.20 Hz带宽范围的Butterworth带通滤波。反演时使用格点搜索法对不同假想震源的节面参数和震源深度进行搜索，并选取波形拟合误差最小的参数作为最可靠的拟合结果，进而确保反演结果的可靠性[8, 15]。
分别选取3次地震震源机制解计算结果中波形拟合相关系数相对较高且稳定的结果，并将3次地震计算结果和部分研究机构的震源机制解结果进行对比（图3）。尽管不同机构在反演震源机制解的过程中可能采用了不同的台站波形数据、地壳速度模型和反演参数等，但计算结果基本表现一致，再次佐证了3次地震的震源机制解计算结果相对可靠。反演计算结果显示，在震源性质上，3次地震中仅有2014年4月5日M5.3地震为逆冲型地震，其余2次地震均具备高倾角性质，属走滑型地震。
3 分析与讨论
2014年以来，云南永善地区3次M≥4.7地震的P轴方位分别为309°、275°和130°，优势方向为近EW和NW向，T轴方位分别为180°、182°和39°，优势方向为近NS和NE向。根据历史地震和区域地质构造环境研究结果，在时间尺度上研究区内1974年5月11日曾发生永善-大关7.1级地震，张四昌等[16]采用地震活动图像和震源机制解资料进行构造分析，得到永善-大关7.1级地震序列主要破裂特征为NW向左旋断层和NE向右旋断层组合成的共轭破裂。虽然永善-大关7.1级地震的发震时间距2014以来的3次M≥4.7地震相对较长，但二者的空间距离较近，并且应力状态总体上压、张应力主轴优势方向相对一致，反映了本研究结果与前人的研究成果[17-20]相吻合。在空间尺度上，研究区位于青藏高原东南缘的川滇地区，受新构造运动影响显著，断块差异运动强烈，区内断裂发育，主要断裂包括：峨边-金阳断裂、莲峰-昭通断裂、马边-盐津隐伏断裂、大凉山断裂等多条活动断裂，3次地震及其余震序列均位于峨边-金阳断裂、莲峰-昭通断裂和马边-盐津隐伏断裂的围限区域内及断裂周边，其中走向近NS向的峨边-金阳断裂为3次主震距离最近的一条断裂。闻学泽等[1]基于区域活动构造与动力学、重新定位的小震分布和震源机制解等多学科信息，研究得到3条断裂均具备走滑兼逆冲或逆冲为主的错动方式。本研究反演结果中2014年4月5日M5.3地震为逆冲型地震，其余2次地震属走滑性质地震，与闻学泽等[1]所得结论较为一致。根据3次地震后1.0级以上地震序列展布情况（图4a），余震序列的优势方位为NE向，同时结合震后地震现场调查的NE向地震烈度衰减长轴方向（图4b～4c），可排除马边-盐津隐伏断裂和大凉山断裂为3次地震发震构造的可能性。此外，2019年5月16日M4.7地震有1个节面与峨边-金阳断裂走向一致，且空间分布上较为接近，故认为峨边-金阳断裂可能参与了地震的孕震过程，且对M4.7地震孕震影响更大。但综合地震震源位错机制、余震序列和地震烈度图来看，发震构造的优势走向为NE向更为合理。因此推测3次地震同时受到莲峰-昭通断裂与峨边-金阳断裂的影响，其发震构造可能是位于2条断裂之间的无名断裂，或是莲峰-昭通断裂的前端盲断裂。
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图 4 3次地震及序列震中分布、地震烈度及构造解释剖面a 地震构造环境及剖面范围；b 2014年4月5日M5.3地震烈度分布；c 2014年8月17日M5.0地震烈度分布；d A-B剖面构造解释（据闻学泽等[1]改）4 结论
本文基于CAP全波形拟合反演震源机制解方法，利用四川和云南数字地震台网记录的宽频带台站地震波形记录，反演得到2014年以来云南永善3次M≥4.7地震震源机制解及相关震源参数，并对地震的发震构造进行了探讨。
1）基于CAP方法得到永善3次M4.7以上地震的震源机制解，2014年4月5日M5.3地震的走向为236°/9°，倾角68°/31°，滑动角112°/47°，矩震级为MW4.85；2014年8月17日M5.0地震的走向为318°/49°，倾角71°/87°，滑动角−3°/−161°，矩震级为MW4.96；2019年5月16日M4.7为走向266°/173°，倾角80°/73°，滑动角−163°/−10°，矩震级为MW4.60。
2）研究区位于青藏高原东南缘的川滇地区，受新构造运动影响显著，断块差异运动强烈，区内断裂发育。受断裂活动等因素影响，3次地震的余震序列优势方向和地震烈度衰减长轴方向表现为NE向；结合区域构造环境和震源机制解结果，推测3次地震的发震构造可能是位于莲峰-昭通断裂与峨边-金阳断裂之间的无名断裂，或是莲峰-昭通断裂的前端盲断裂。
致谢 感谢评审专家宝贵且建设性的修改意见，感谢云南省地震局提供地震现场烈度调查资料；本文部分图件使用GMT和Zmap软件绘制，在此一并表示感谢。
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图 4 3次地震及序列震中分布、地震烈度及构造解释剖面
a 地震构造环境及剖面范围；b 2014年4月5日M5.3地震烈度分布；c 2014年8月17日M5.0地震烈度分布；d A-B剖面构造解释（据闻学泽等[1]改）
表 1 CENC、NEIC给出3次地震的地震参数
序号 发震时刻 震中位置 震源深度/km 震级M 来源 年-月-日 时:分:秒 纬度/°N 经度/°E 1 2014-04-05 06:40:31 28.13 103.59 13 5.3 CENC 2014-04-05 06:40:35 28.17 103.62 25 5.4 NEIC 2 2014-08-17 06:07:58 28.10 103.50 7 5.0 CENC 2014-08-17 06:07:59 28.13 103.55 10 5.0 NEIC 3 2019-05-16 04:33:31 28.07 103.53 10 4.7 CENC 2019-05-16 04:33:37 28.16 103.66 38 4.8 NEIC 注：本文地震参数以中国地震台网中心（CENC）为准，美国国家地震信息中心（NEIC）为参考。 
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表 2 不同地壳速度模型下3次地震震源机制解
发震日期 节面Ⅰ/(°) 节面Ⅱ/(°) P 轴/(°) T 轴/(°) MW 速度模型 走向 倾角 滑动角 走向 倾角 滑动角 方位 仰角 方位 仰角 2014-04-05 9 31 47 236 68 112 310 20 180 61 4.85 M1 30 27 84 217 63 93 304 18 134 72 4.90 M2 13 26 56 230 69 105 309 23 164 63 4.95 M3 2014-08-17 49 87 −161 318 71 −3 275 15 182 11 4.96 M1 227 89 160 317 70 1 274 13 180 15 5.00 M2 226 86 161 317 71 4 273 10 180 16 5.01 M3 2019-05-16 266 80 −163 173 73 −10 130 19 39 5 4.60 M1 264 81 −167 172 77 −9 128 16 38 3 4.66 M2 267 73 −160 171 71 −18 129 26 39 1 4.67 M3
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