2000年1月15日姚安MS6.5级地震震源破裂过程研究
毛 燕1，2 崔建文2 刘娜2 李君3 张 潜2
（1.昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650224；2．云南省地震局，昆明 650224；
3. ）
摘要：针对2000年姚安MS6.5级地震，利用IRIS上获取的11个台站震相清晰的P波波形记录资料进行了震源破裂过程的反演。结果表明：①地震破裂持续时间为5.6秒，破裂主要集中在破裂开始0.2s后的时间段内，由两次两秒多的破裂组成，而且后一次的破裂强度超过了前一次的破裂强度；②静态滑动位移和应力降分布图均显示由两个区域组成，破裂沿北西向断裂进行。
关键词：姚安地震；震源破裂过程
0 前言
地震破裂过程就是能量释放的过程。随着地震震源研究的不断深入，地震学家们不再满足于只对震源时间函数的了解，试图通过对震源的时空破裂过程的反演了解地震破裂期间发生在断层面上的破裂传播行为以及断层面上不同位置的滑动位错大小分布。中外学者们已发展了多种由地震观测资料反演震源时—空过程的方法。这些方法可分为直接反演和间接反演两类：①由观测地震图直接反演震源时空过程(Kikuchi and Kanamori,1982,1991;Hartzell et al.,1991,1996）；②由观测地震图提取震源时间函数，再由震源时间函数反演震源时空过程(Mori and Hartzell,1990；许力生，1995，1996；周云好，2002a，2002b)。Kikuchi and Kanamori（Kikuchi and Kanamori,1982,1991）假设大地震是由时间空间上分布的一系列小破裂事件组成，从地震图上将那些小破裂事件识别出来，分别定出每个小破裂事件的时空位置和震源机制，并用迭代方法求出这些小破裂事件的标量地震矩和震源时间函数，从而得出大地震时空发展的总体过程，该方法不需要事先假定震源时间函数的形状，但识别每个小破裂事件依赖研究者的经验。Hartzell ( Hartzell et al.,1991,1996)假设大地震过程中机制是不变的，将大地震的平面断层分解为许多子断层，由多台的观测地震图直接反演各子断层的滑动量，从而给出大地震断层面上的滑动分布，但需要设定破裂起始点位置、破裂传播速度、各子断层滑动函数的形状和持续时间。Morio and Hartzell(Mori and Hartzell,1990)也假设大地震在破裂过程中机制是不变的，将大地震的平面断层分解为很多子断层，不同的是用观测地震图与格林函数提取各台依赖于台站方位大震的震源时间函数，再由此时间函数反演各子断层的滑动量，从而求出大地震断层面上的滑动分布，但也需要设定破裂起始点位置、破裂传播速度、各子断层滑动函数的形状和持续时间。
后来，许力生（1996）、周云好（2002a，2002b）等将方法进行了改进，即在用震源时间函数反演大地震平面断层上的滑动分布时不需要预先设定破裂的传播速度、各子断层滑动函数的形状和持续时间等，减少了人为因素。
2000年1月15日7时37分5秒，云南省姚安县发生了MS6.5级地震。笔者利用全球
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基金项目：地震联合基金（606046）、社会发展科技计划-社会事业发展专项（2007CA002）、地震行业科学专项（20708031-5）、云南省科技计划项目（2008ZC160M）联合资助.
11个台的长周期记录的P波波形资料，通过直接波形反演方法（张勇，2008）就该地震的震源破裂过程进行了反演。
1 原理
地震时空破裂过程反演的基本思想是将断层面均匀地划分为若干个子断层，然后依赖于各个台站接收到的波形信息和相应的格林函数，确定各子断层的滑动幅度和时间函数。综合所有子断层的破裂信息，得到整个地震的破裂在时间和空间上的分布。位移表示为（陈运泰，2000）：
为观测记录； 为特定震源机制对应的格林函数； 为各子断层的矩率时间函数。反演过程中，为了使反演保持稳定，我们在空间和时间域加上光滑约束（Yugi , 2004）以及地震矩最小约束：
其中W为对各台站数据施加的权重，D为空间光滑矩阵，T为时间光滑矩阵，Z为约束地震矩最小的矩阵。 和 分别为空间和时间上的光滑权重， 为地震矩最小约束权重。实际反演过程中，我们会调整W，确保矩阵WG绝对值的平均数值在1左右，使得约束权重 、 和 的数值大小与1相当。由于整个系数矩阵较为庞大，我们选择一种反演计算效率较高的带约束的梯度法(Ward,1986)来求解（2）式所表示的线性问题。在梯度法迭代的每一步，我们都对解施以非负的约束条件，即在正值空间中搜索最优解s。
2 数据
笔者从IRIS(Incorporated Research Institution for Seismology)网站上获取了50个震中距离小于90°的远场波形资料，从这些数据中选用了11个台站的震相清晰的垂直向的P波波形资料，选用台站和震中位置图如图1所示，台站参数表见表1。
(Table 1 The parameters of 11 choosen stations)
表1 11个选用台站的参数
名称 纬度（°） 经度（°） 震中距（km）
HYB 17.417 78.553 2473
AKSU 41.1441 80.1098 2584.9
KMNB 24.4638 118.3882 1729.8
HLQI 40.8415 77.9643 2715.9
SSE 31.0948 121.1908 2045.1
WMQ 43.8138 87.7049 2334.6
TPUB 23.3005 120.6296 1973
TLY 51.68 103.64 2877.4
MAKZ 46.808 81.977 2890.3
HARA 40.1742 76.8367 2761.1
ULN 47.86 107.05 2503.1
3 2000年姚安地震的震源破裂过程
王绍晋（2002）的研究结果表明：姚安MS6.5级地震序列的主要发震断层是走向为北50°西左右、倾角陡立、在南南东向接近水平的主压应力作用下具有以右旋走滑为主的错动性质的构造断裂。毛燕（2006）从余震的震源机制解得出NW-NWW方位的节面占主导地位，结合余震分布尺度可以判断发震断裂是北西向的断裂,且应力场以南南东向接近水平的主压应力为主。根据不同资料来源给出的地震的震源机制解（表2）、震中分布图2、震源机制的分析结果以及地震裂缝等，选取哈佛大学矩张量结果的断层A为发震构造。反演中地震参数为：北纬25.61°、东经101.06°，震源深度30km，矩震级5.9，走向118°，倾角84°，滑动角-168°。
(Table 2 The focal-mechanism solution of Yaoan earthquake in 2000)
表2 2000年姚安地震震源机制解
数据来源 断层A（走向、倾角、滑动角） 断层B（走向、倾角、滑动角）
NEIC矩张量 113° 61° 180° 204° 90° 29°
哈佛大学中心矩张量 118° 84° -168° 209° 85° 17°
王绍晋（P波初动解） 302° 85° -170° 31° 80°
挑选出的11个台的记录信噪比较高，反演前对该记录进行了预处理，去除了直流分量和倾斜分量，并去除了仪器响应，按5sps进行重新采样。
为了客观地反演出实际破裂过程，反演时将破裂区域范围选得足够大，使之大于实际破裂区域。整个区域设定为沿断层走向取65km，沿断层倾向取50km，再将整个区域划分为13*10=130个子断层，也即走向上进行13等分，倾向上进行10等分，每个子断层的尺度大小为5km*5km。震中位于走向第7，倾向第6的子断层上。
首先运用反射—折射率方法计算全球的格林函数（Kennett,1983）。地震的震源时间函数为有限断层面上所有点的震源时间函数的叠加，地震矩随震源破裂时间的释放率函数如图3所示，可以看出地震矩主要在破裂开始0.2s后开始释放，总的破裂持续时间约为5.6s，但分为两次主要的破裂，第二次破裂强度大于第一次的破裂强度。
反演得到的断层面上的静态滑动位移如图4所示，可以看出同样存在着两个明显的区域，最大的静态位移在震中以东的区域，最大值达0.22m，震中以东区域震中东南端的静态位移比西北端的大，这个结果与震源机制得到的北西向的发震断裂结果相吻合。
余震震中的空间分布受控于主震破裂带的走向，呈北西向条带状分布，余震带的东南端比西北端密度大。应力降是表征地震瞬间错动时位错面上的应力变化。根据静态位移分布，采用布龙模型（Brune，1983，1984）计算每个子断层的应力降，应力降分布如图5所示，可以看出存在着主震及主震以东两个比较明显的中心区域，以东的区域应力降呈北西向分布，最大应力降达到3.2MPa,西北端是应力降的低值区，中部为高值区，东南端是应力降的次高区，表明断层破裂面的中部和东南部是姚安地震应力场调整的主要区域。
显示了断层滑动速率的时空分布，每幅子图的时间间隔为0.2秒，可以看出最大滑动速率达0.137m/s。首先是震中区域的滑动，然后是震中以东区域先呈现近南北向的滑动，约0.4s后立即转为近北西向的滑动，但滑动的总体延伸趋势为北西走向。
为了检验反演结果的正确性与可靠性，我们计算了理论地震图，与实际观测波形进行对比，波形拟合如图7所示，图中上方的粗实线为观测波形，下方的细实线为拟合波形，每个子图左方的数从上到下依此为观测波形最大幅度、拟合相关系数、拟合波形最大幅度。从拟合相关系数，我们可以看出观测波形与合成波形的拟合还是比较好的，说明我们得出的反演结果是比较可靠的。
4 结论与讨论
综上所述，2000年姚安MS6.5地震的震源破裂过程反演结果显示：地震的破裂时间约为5.6秒，但地震矩释放主要在两个时间段内进行；且第二次的破裂强度大于第一次的破裂强度；静态滑动位移和应力降均显示存在震中区域及震中以东的区域两个比较明显的区域，这与出现两次破裂较为吻合，在震中以东的区域出现静态滑动位移和应力降最大值，也即这个区域是主要的区域，在该区域里东南端的值比西北端的大，可以看出破裂主要是由北西走向的断裂引发。
这一研究结果与秦嘉政（秦嘉政，2001）得出的姚安地震的发震构造是北西向区域的次级构造一致。
余震的震源机制解(毛燕,2006;2007)显示有少数的余震发震应力场是北东向的主压应力为主。静态滑动位移、应力降及滑动速率时空分布图均显示震中区域先滑动后，震中以东的区域产生了滑动，这可能与北东向断裂的活动有关，但整个破裂过程还是以北西向的断裂活动为主（毛玉平，2001）。
感谢:在此向给予指导和帮助的中国地震局地球物理研究所许力生研究员、张勇及青海省地震局张晓青老师表示感谢！
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