Numerical simulation of near-field pulse-like ground motion for the Shuantung fault in Taiwan region
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摘要: 根据我国台湾地区西部的地质地貌特征和1999年集集MW7.6地震的震源参数，建立了三维速度结构模型和两类震源模型。基于地壳中断层的位错积累量和岩石破裂后应力应变的传播特性，采用三维有限差分法对双冬断层活动可能产生的近场脉冲型地震动进行了模拟研究。结果表明：走滑断层垂直于断层走向的水平分量和逆断层垂直分量的峰值速度较大；由方向性效应所产生的双向速度脉冲主要集中在垂直于断层滑动分量方向，而由滑冲效应所产生的单向速度脉冲则主要集中在平行于断层滑动分量的方向；受方向性效应和上盘效应的共同制约，近场脉冲型地震动呈不对称带状分布，速度脉冲多分布在距离走滑断层迹线15 km和逆断层迹线10 km的范围内；速度反应谱在断层面的覆盖范围内沿破裂方向逐渐增大，且速度脉冲可能会对大型建筑物产生严重的剪切破坏。受凹凸体特性的影响，地震波场显示南投、台中和苗栗处于强地震动危险区。Abstract: Based on the geological and geomorphological characteristics of western Taiwan and the source parameters of the 1999 MW7.6 Jiji （Chi-Chi） earthquake, we have established a 3D velocity structure model and two types of source models. Based on the accumulation of dislocation in the crust and the propagation characteristics of stress and strain after the rock fracture, 3D finite difference method was used to simulate the near-field pulse-like ground motion that would occur in the Shuantung fault activity. The results show that the peak velocity of the horizontal component perpendicular to the fault strike of the strike-slip fault is large, and so is the peak velocity of the vertical component of the reverse fault. The double-sided velocity pulses generated by the directivity effect are mainly concentrated in the direction perpendicular to the fault sliding component, while the single-sided velocity pulses generated by the fling-step effect are mainly concentrated in the direction parallel to the fault sliding component. Because of the mutual control of the directivity effect and the hanging wall effect, the near-field pulse-like ground motions exhibit an asymmetrical zonal distribution, and the velocity pulses mostly distributed within 15 km from the strike-slip fault trace and 10 km from the reverse fault trace. The velocity response spectrum gradually increases along the rupture direction within the coverage of the fault plane, and the velocity pulse may cause severe shear damage to large buildings. Influenced by the characteristics of the asperities, the seismic wave field shows that Nantou, Taichung, and Miaoli are in risk region of strong ground motion.
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引言
据中国地震台网测定，2022年1月2日15时2分在云南省丽江市宁蒗县发生MS5.5地震，震中位置为（27.79°N，100.65°E），震源深度为10 km。本次地震造成30人受伤，其中2人重伤，28人轻伤，经济损失达3.23亿元（云南省地震局，2022）。本次地震是继2012年6月24日宁蒗—盐源MS5.7地震后永宁盆地内发生的又一次M≥5.0强震，两次地震震中相距11 km左右，且均发生在川滇菱形地块内部，因此研究其发震构造及特点有助于更好地认识地块内部的中强震成因机理。
受青藏高原内部物质向东的推挤作用，川滇菱形地块围绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转（张培震等，2003；刘晓霞，邵志刚，2020）。丽江—小金河断裂将川滇菱形地块分割成川西北和滇中两个次级地块，是川滇菱形地块内一条重要的横向活动构造带（向宏发等，2002；徐锡伟等，2003）。2022年宁蒗MS5.5地震震中所在的永宁盆地位于丽江—小金河断裂西南段，是川滇菱形地块顺时针旋转运动最强烈的部位，盆地内活动断裂体系十分复杂（常祖峰等，2013；吴中海等，2015），区域内中强地震频发，被称为“地震窝”（常祖峰等，2013）。1970年以来台网记录显示丽江—小金河断裂西南段（丽江—宁蒗段）的中小地震比较活跃（李乐等，2008），基于GPS速度场和负位错模型反演结果同样显示出该断裂西南端活动性更强（刘晓霞，邵志刚，2020）。1950年以来，丽江—小金河断裂及周边区域共发生MS≥5.0地震27次（不含余震），其中MS5.0—5.9地震22次，MS6.0—6.9地震4次，MS7.0—7.9地震1次，最大地震为1996年2月3日丽江MS7.0地震（图1）。宁蒗及周边地区的MS≥5.0地震主要发生在丽江—小金河断裂带周边及其南侧，断裂带北侧的地震较少。
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图 1 宁蒗MS5.5地震震源区周边历史地震和断裂分布及研究区构造背景F1：德钦—中甸—大具断裂；F2：丽江—大具断裂；F3：丽江—小金河断裂；F4：程海断裂；F5：宁蒗断裂；F6：盐源—棉垭断裂；F7：博科—木里断裂；F8：日古鲁—岩瓦断裂；F9：永宁断裂。构造数据引自邓起东（2007）和常祖峰等（2013）；地形起伏数据为SRTM15+ ，引自Tozer等（2019）Figure 1. Distribution of historical earthquakes and faults around the focal area of the MS5.5 Ninglang earthquakeF1：Deqin-Zhongdian-Daju fault；F2：Lijiang-Daju fault；F3：Lijiang-Xiaojinhe fault；F4：Chenghai fault；F5：Ninglang fault；F6：Yanyuan-Mianya fault；F7：Boke-Muli fault；F8：Rigulu-Yanwa fault；F9：Yongning fault. Geological data is cited from Deng （2007） and Chang et al （2013）；topographic relief data is RTM15+ ，from Tozer et al （2019）钱晓东等（2012）研究表明，永宁盆地发生的地震在发震机制、余震分布、震害展布特征等方面与丽江—小金河断裂发生的地震存在明显差异。而从区域地质构造（胡朝忠等，2012）、地震序列精定位（常祖峰等，2013）和主震震源机制解（王光明等，2015）等方面分析则认为2012年MS5.7地震是永宁断裂正断的结果。2022年宁蒗MS5.5地震发生在2012年MS5.7地震的北侧，深入研究本次MS5.5地震的发震构造及两次地震的关系，对地震序列后续余震活动强度和宁蒗—盐源地区未来地震危险性分析具有重要意义。
本研究拟使用双差定位方法对2022年1月2日宁蒗MS5.5地震序列进行重新定位，基于地震序列高精度的时空分布特征，结合震源机制解、历史地震序列、区域地质构造等信息，分析此次地震可能的发震构造，以期为认识川滇菱形地块内部中强地震的成因机理提供参考。
1. 震源区地质构造
2022年1月2日宁蒗MS5.5地震震源区的地质构造复杂，新生代以来，在以近水平的NNW向主压应力为主的现代构造应力场的作用下，形成NE向和NW向两组几何形态呈“棋盘式”的复杂断裂系统（图2），其中NE向断裂以左旋走滑运动为主，NW向断裂以右旋走滑运动为主（阚荣举等，1977；薛代福，1980；常祖峰等，2013；安晓文，常祖峰，2018）。NE向断裂包括彼此平行展布的广西山断裂、安家村断裂和日古鲁—岩瓦断裂；NW向断裂为永宁断裂。
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F1：温泉断层；F2：永宁断层；F3：阿拉凹断层；F4：格瓦叶口断层；F5：马家坪断层；F6：安家村断裂；F7：广西山断裂Figure 2. Geological structure of the source region of MS5.5 Ninglang earthquake focal area （after Xue，1980；An and Chang，2018）F1：Wenquan fault；F2：Yongning fualt；F3：Ala’ao fault；F4：Gewayekou fault；F5：Majiaping fault； F6：Anjiacun fault；F7：Guangxishan fault广西山断裂是NE向的正断裂，走向约为30°，倾向为NW，倾角约为40°，生成时期可能是华力西晚期（薛代福，1980）；安家村断裂为近场区的一条深大断裂，前人物探资料显示其性质为高角度逆断裂，两侧的沉积建造、构造形态等方面均有明显差异，断裂走向约为40°，倾向为NW，倾角约为40—50°，全长约105 km，形成于晋宁运动之后，有明显的早古生代活动迹象（薛代福，1980）；日古鲁—岩瓦断裂由格瓦叶口断层和马家坪断层组成，整体走向45°，主体倾向为NW，局部倾向为SE，倾角为40—70°，长度约为70 km，早期以逆冲为主，第四纪以来以左旋走滑为主，是晚更新世活动断裂（常祖峰等，2013）；永宁断裂由彼此斜列的温泉断层、永宁断层和阿拉凹断层组成，长度分别为16，30和10 km，三条断层整体走向为290—335°，倾向为NE，性质以右旋走滑兼正断为主。地貌上温泉断层与永宁断层的断层槽地行迹清晰，共同控制了永宁盆地东、西两侧，并对泸沽湖形态产生一定影响。永宁断层北段（忠实—火山村）发育断层陡崖（平均高度为20—30 m），局部可见冲沟右旋位错及洪积扇形变。阿拉凹断层延伸较短，但对大凹河支流具有明显控制作用，河流两侧存在不对称阶地，局部连续出现断层三角面定向排列。结合常祖峰等（2013）研究成果，认为永宁断裂为晚更新世活动断裂。
2. 数据和方法
2.1 台站分布和数据筛选
2022年1月2日宁蒗MS5.5地震发生在川滇交界区域，云南区域测震台网对该区域地震监测能力相对较差，震中50 km范围内无固定地震台站，仅四川区域测震台网的LGH台在震中50 km范围内，台站分布如图3所示。为改善余震监测能力，宁蒗MS5.5地震发生后，云南省地震局在震中周围竹地村、瓦都村和牦牛厂村增设了3个流动测震台站（图3），于1月3日11时相继投入运行。王光明等（2015）研究表明，台站分布不均匀会明显影响重定位的误差。为提高重定位结果的精度，本研究将四川台网测震台站的震相到时数据应用到重定位中。
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图 3 宁蒗MS5.5地震震中周边的台站分布Figure 3. Distribution of stations around the epicenter of the MS5.5 Ninglang earthquake本次宁蒗MS5.5地震序列的M-t图显示，主震发生后至1月3日13时，仅记录到7次余震，其中ML≥3.0余震1次，相较于该地区历史地震序列（2001年MS5.8地震序列震后第一天ML≥3.0余震发生4次（杜方，吴江，2008）；2012年MS5.7地震序列震后第一天ML≥3.0余震发生4次，余震数量偏少，序列衰减较快（钱晓东等，2012）。1月3日13时之后，临时台站，记录到的余震数量逐渐增多。截止到1月24日18时，云南台网在震源区共记录到846次地震，其中ML1.0—1.9地震187次，ML2.0—2.9地震21次，ML3.0—3.9地震4次，ML4.0—4.9地震1次，MS5.0—5.9地震1次，最大余震为1月5日ML4.4 （MS3.9）地震（图4）。
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图 4 2022宁蒗MS5.5地震序列M-t图Figure 4. Magnitude-time distribution of the MS5.5 Ninglang earthquake sequence为确保数据可靠和定位精度，本研究选取震中距200 km范围内至少有6个震相记录的地震事件进行重新定位。经过处理，最终选取735次地震事件、69 651条走时差数据参与重定位，其中P波走时差数据35 430条，S波走时差数据34 221条。
2.2 双差定位法
高精度的震源位置是发震构造研究和地震灾害评估的基础（Lin，2020；He et al，2021）。为了获取高精度的震源位置，采用双差定位法（Waldhauser，Ellsworth，2000）对2022年宁蒗MS5.5地震序列进行重新定位。双差定位法的核心是基于一定的规则（如空间距离、震相对数量等）将地震序列中的地震事件进行配对，计算地震对中两个地震到同一个台站的双差走时（观测走时差和理论走时差之差），然后使用地震序列中所有地震对到监测台网中所有台站的双差数据，即可反演得到整个地震序列精确的相对位置。该方法的输入数据是地震序列的初始位置和震相到时，在定位过程中通过双差加入更多约束，进而得到更加精确的重新定位结果。该方法目前已成为国内外地震序列研究最常用的方法之一（Fang et al，2015；Wang et al，2018；Jiang et al，2019；Lin，2020；龙锋等，2021；李金等，2021；He et al，2021）。
研究表明，震源区速度模型的精度对双差定位方法的计算结果影响较大（Michelini，Lomax，2004；黄媛，2008）。因此，需提供准确精细的区域地壳速度模型。本研究采用王光明等（2015）基于人工地震探测和速度结构反演等研究结果给出的宁蒗地区地壳速度模型（表1）进行重新定位。
表 1 宁蒗地区速度模型（引自王光明等，2015）Table 1. Velocity model of Ninglang area （after Wang et al，2015）层序号 每层厚度/km vP/（km·s−1） vS/（km·s−1） 1 1.0 4.60 2.659 2 10.0 6.35 3.671 3 14.0 6.40 3.699 4 10.5 6.55 3.786 5 20.5 7.45 4.306 6 18.0 8.15 4.711 7 − 8.50 4.913 3. 地震序列重定位
本次宁蒗MS5.5地震序列重定位参数设置如下：最大震中距为200 km，最小地震对数量为6，反演方法为共轭梯度法（the conjugate gradients methods，缩写为LSQR），反演迭代为5组27次。经过重新定位，获得了宁蒗MS5.5地震序列694次地震事件的相对位置，重定位率为94%。重定位后宁蒗MS5.5主震震中位置为（27.817°N，100.635°E），震源深度为13.71 km。重定位后地震序列空间分布如图5所示。
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图 5 2022年宁蒗MS5.5地震序列重定位在空间分布（a） 震中分布；（b−e） 深度剖面Figure 5. Spatial distribution of the MS5.5 Ninglang earthquake sequence and in 2022 after relocation（a） Epicenter distribution；（b−e） Depth profiles由于双差定位程序中LSQR方法反演给出的误差并非是真实误差（Waldhauser，Ellsworth，2000），因此本研究使用bootstrap方法来估计重定位结果的精度。首先对到时数据添加高斯分布的随机误差，然后使用相同的反演参数进行重新定位，重复上述过程200次，分析重定位次数大于160次的地震事件，计算这些地震事件多次定位结果的标准差，将其作为地震序列的定位误差。结果显示，宁蒗地震序列东西向定位误差约为1.0 km，南北向定位误差约为1.5 km，深度向定位误差约为1.3 km，重定位后宁蒗地震序列之间的相对位置精度明显提高。
3.1 2022年1月2日宁蒗MS5.5地震序列空间分布
重定位后的震中分布（图5a）显示，2022年宁蒗MS5.5地震序列位于安家村断裂、格瓦叶口断层、永宁断层和温泉断层的交会处，地质构造复杂。宁蒗MS5.5主震位于地震序列南部，余震自主震向北东方向扩展，最大余震ML4.4发生在主震正北向，主震周边余震相对分散，余震主要分布在ML4.4地震周边。地震序列主体活动区域长约11 km，宽约6 km，整体呈现出NNE至近NS向的优势分布方向，与主震震源机制解节面Ⅱ走向（191°）一致。此外，主震北西侧广西山断裂处出现一丛分布相对散乱、无明显的优势分布方向的ML＜3.0地震。
为详细分析此次宁蒗MS5.5地震序列的空间展布特征，在穿过地震序列平行于优势分布方向、垂直于优势分布方向分别做了AA′，BB′和CC′等三个深度剖面（图5b，c，d），另外垂直于广西山断裂做了DD′深度剖面（图5）。AA′深度剖面显示，2022年宁蒗MS5.5地震序列主要分布在4—11 km的深度范围内，主震位于地震序列最下方，主震发生后一天内的地震较深，可能是发震初期缺乏近台数据，导致对这几次地震的震源深度约束较差，偏离地震序列主要活动深度（李姣等，2021），地震序列在AA′深度剖面上呈现出自南向北逐渐变深的现象（图5b）；BB′和CC′深度剖面显示，余震在浅部相对集中，但是随着向深处发展，逐渐分为东、西两个分支，西侧分支在BB′剖面上较为明显（图5c），而东侧分支在CC′剖面上比较明显，体现了两个分支主体活动区域的差异，地震序列中震级较大的余震主要分布在东侧分支上，而且东侧分支的倾角与主震震源机制解节面Ⅱ倾角（81°）基本吻合，因此推测该分支为主断层面（图5d中红色虚线）；DD′剖面显示，主震北西侧的小震呈现出北西深、南东浅的特征，而且震源深度较余震主体活动地区更深，约为5—12 km，结合地震震中分布散乱、震级较小的特征分析认为，该部分地震可能是宁蒗MS5.5主震触发了倾向为北西的断裂活动的结果（图5e）。
3.2 2022年MS5.5地震序列与2012年MS5.7地震序列的关系
2012年6月24日宁蒗—盐源MS5.7地震震中位于2022年宁蒗MS5.5地震东南侧约11 km处，考虑到两者密切的时空关系，本研究将两次地震的重定位结果进行联合分析。两次地震序列的空间分布如图6所示。震中分布（图6a）显示2012年MS5.5地震序列震中位于温泉断层附近，给出的MS5.7主震震源机制解（表2）（USGS ，2022）显示该地震为正断型，倾角为30°。因此，根据震源机制解的倾向、倾角、震源深度以及震中与发震断层地表迹线之间的距离等简单几何关系分析，其发震断层应为主震西侧的永宁断层，而非主震震中附近的温泉断层。
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图 6 2012年宁蒗—盐源MS5.7 和2022年宁蒗MS5.5的地震序列重定位空间分布（a） 震中分布；（b−e） 深度剖面Figure 6. Spatial distribution of the MS5.7 Ninglang-Yanyuan earthquake sequence in 2012 and the MS5.5 Ninglang earthquake sequence in 2022 after relocation（a） Epicenter distribution；（b−e） Depth profiles表 2 2012年宁蒗—盐源MS5.7和2022年宁蒗MS5.5地震的震源机制解（引自USGS，2022）Table 2. Focal mechanism solutions of the MS5.7 Ninglang-Yanyuan earthquake in 2012 and the MS5.5 Ninglang earthquake in 2022 （from USGS，2022）发震日期 MW 震源深度/km 节面Ⅰ 节面Ⅱ 走向/° 倾角/° 滑动角/° 走向/° 倾角/° 滑动角/° 2012-06-24 5.5 13.0 335 30 −92 158 60 −89 2022-01-02 5.4 40.5 293 35 −165 191 81 −56 2012年MS5.7地震序列震中分布呈现出NW−SE向分布特征，与2022年MS5.5地震序列震中分布特征类似，存在与余震主体活动区域分离的小震丛集，而且均位于安家村断裂南北两侧。安家村断裂南侧区域为余震主要活动区域，ML≥3.0余震均发生在该区域内；而安家村断裂北侧区域地震较少，以ML1.0—2.0地震活动为主。上述地震分布特征在深度剖面上更为明显，安家村断裂北侧地震集中在深度10 km左右，而安家村断裂南侧的地震序列主活动区内的余震则呈现出自东南向西北逐渐变浅的特征。2012年MS5.7地震序列的两个地震集中活动区之间存在明显的空段，而2022年MS5.5地震序列的主要分布区域就在此空段上，震中分布图和深度剖面均具有上述分布特征（图6）。
尽管2022年MS5.5地震序列发生在2012年MS5.7地震序列的余震空段上，但是它们的余震分布特征并不完全相同。如前文所述，2022年MS5.5地震序列主要呈NNE−近NS走向，而2012年MS5.7地震序列呈NW−SE走向；2012年MS5.7地震序列在EE′剖面上呈现出东南浅、北西深的特征，但是2022年MS5.5地震序列展布特征则相反，自东南向西北逐渐加深。而且两次主震的震源机制解（USGS，2022）也不相同，2012年MS5.7地震的为正断型地震，震源机制解北西向节面与永宁断裂走向一致；而2022年MS5.5地震为兼具正断分量的走滑型地震，震源机制解的两个节面与永宁断裂走向具有明显的差异。
基于地震序列空间分布特征和主震震源机制解分析，可以得出：2022年宁蒗MS5.5地震序列与2012年MS5.7地震序列存在密切的时空关系，表明两者具有相互联系的动力学成因，但是两者的发震构造并不相同。
4. 讨论与结论
本研究使用双差定位方法对2022年1月2日云南宁蒗MS5.5地震序列进行重新定位，获得了序列高精度的时空分布图像。2022年宁蒗MS5.5地震序列震中分布优势方向为NNE至近NS向，余震主体活动区域长约11 km，宽约6 km。除此之外，主震北西侧存在一组与序列主体活动区域分离的、分布相对散乱的小地震。2022年宁蒗MS5.5地震序列主要分布在4—11 km的深度范围内，3 km以上几乎无余震活动，表明发震断层并未破裂到地表。余震在垂直于优势分布方向的BB′和CC′剖面上自浅部向深处分成东西两个分支，表明可能存在产状不同的断层分支共同活动形成了本次地震序列。2022年宁蒗MS5.5地震震源机制解两个节面走向分别为293°和191° （表2），结合重定位后地震序列优势分布方向和倾角分析，认为节面Ⅱ走向（191°）应该是本次地震的主破裂面。综合重定位后地震序列空间分布特征和主震震源机制解，初步分析认为2022年宁蒗MS5.5地震应该是NNE至近NS向兼具正断层分量的左旋走滑断层活动的结果，发震断层倾向NW，倾角约为81°。主震北西侧的小震丛集在垂直于北东向断层的DD′剖面上呈现出北西深、南东浅的特征，指示该部分余震可能是倾向NW的断裂活动的结果。
2022年宁蒗MS5.5地震序列主体活动区域位于2012年宁蒗—盐源MS5.7地震序列余震空段上，显示出两次地震序列密切的时空关系。然而两次地震序列的空间分布特征和震源机制解结果并不一致，表明他们的发震断层存在差异。前人基于地震空间分布特征、震源机制解和区域地质构造分析认为，2012年宁蒗—盐源MS5.7地震是永宁断裂正断活动的结果（钱晓东等，2012；胡朝忠等，2012；常祖峰等，2013；王光明等，2015）。本次地震震源机制与2012年MS5.7地震不同，其主破裂面走向与该区域已知的活动断层走向均不一致。近年来云南地区中强地震活动多次出现主破裂面与已知活动断层性质不一致的现象，如2014年景谷MS6.6地震是茶房—普文断裂带贯通过程的构造响应（吴坤罡等，2016），2018年墨江MS5.9地震是在现今构造应力场作用下NW向的阿墨江断裂带局部活动产生北东向破裂所致（常祖峰等，2019），2021年漾濞MS6.4地震是兰坪—思茅块体内部左旋走滑断层在现今应力场作用下产生右旋走滑运动的结果（王光明等，2021）。遥感地貌（图1）和区域地质构造（图2）显示，震源区存在近NS向的构造地貌特征，如线形沟谷、线形突变等，这些构造地貌特征指示震源区可能存在近NS向的断层活动。基于上述历史震例和构造地貌特征，推测2022年宁蒗MS5.5地震可能是区域应力场作用下震源区先存的NNE至NS向兼具正断层分量的左旋走滑断层发生错动的结果。
尽管2022年宁蒗MS5.5地震和2012年宁蒗—盐源MS5.7地震的发震断层并不一致，但是密切的时空关系表明两次地震之间存在明显的动力学成因联系。为研究2012年MS5.7地震对2022年MS5.5地震的影响，本研究计算了2012年MS5.7地震引起的库仑应力变化，震源断层依据震源机制解、序列重定位分析结果及矩震级（USGS，2022）与断层滑动面积之间的经验关系MW＝lgA－2.0 （式中A为滑动面积，单位为m2）（Leonard，2010），假设断层面摩擦系数为0.4。考虑到矩张量反演时所采用的方法对震中位置不敏感，因此矩张量反演时使用了精定位得到的震源坐标，而不是矩心位置（雷兴林等，2021）。计算结果如图7a所示，2022年MS5.5地震发生在库仑剪应力增加的区域，表明2012年MS5.7地震对2022年MS5.5地震的发生具有促进作用。
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图 7 2022年宁蒗MS5.7地震引起的库仑剪应力变化及该地震与2012年MS5.5地震发震断层间的运动学关系Figure 7. Change of Coulomb failure stress caused by the MS5.7 Ninglang earthquake and kinematic relationship between seismogenic faults of the MS5.7 earthquake in 2022 and the MS5.5 earthquake in 2012基于两次地震发震断层的运动属性，分析认为两者间的运动学关系如图7所示，该活动构造体系与宾川盆地的活动构造体系类似（罗睿洁等，2015；黄小龙等，2021），研究表明近东西向伸展和微地块顺时针旋转的共同作用是形成宾川帚状活动构造体系的主要因素。考虑到本次地震所在的宁蒗地区和程海断裂带所在的永胜—宾川地区受到相同的NW−SE向挤压和NE−SW向拉张的区域构造应力场作用（王金泽等，2018）。王金泽等（2018）研究认为上述构造应力场来源于两种动力作用：① 在青藏高原物质东流和华南块体阻挡作用下呈现NW−SE向挤压和NE−SW向拉张的走滑应力状态；② 印度板块缅甸弧深部的ENE向低角度俯冲作用，导致浅部地壳物质具有ENE−WSW向的拉张分量。这两种动力的共同作用导致该地区内既发生走滑型地震，又发生正断型地震。
综上所述，初步分析认为2022年宁蒗MS5.5地震的发震构造应该是NNE至近NS向兼具正断层分量的左旋走滑断层，断层倾向WNW，倾角约为81°，该断层并未破裂到地表。除此之外，2022年宁蒗MS5.5地震可能还触发了邻区的局部断裂活动。2022年宁蒗MS5.5地震发生在2012年宁蒗—盐源MS5.7地震的北侧，地震序列空间分布和震源机制解结果显示两者发震断层并不一致，库仑应力反演结果显示，2012年MS5.7地震对2012年MS5.5地震的发生具有促进作用。
本文图件主要使用GMT6软件（Wessel et al，2019）绘制，拉蒙特-多尔蒂地球观测站的Felix Waldhuaser教授为本研究提供了双差定位程序，云南省地震台网为本文提供了宁蒗地震序列的观测报告，四川省地震局龙锋高级工程师为本文提出了有益的建议，审稿专家提出了宝贵的意见，作者在此一并表示感谢。
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图 1 研究区内断层分布和本文假设断层面在地表的投影
Figure 1. The distribution of faults （solid lines） in the studied area and the projection of the fault plane at the surface （dashed box） assumed in this paper
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图 2 断层模型示意图
红色区域Ⅰ和Ⅱ分别表示两个凹凸体，蓝色弧线表示破裂方式及传播时间
Figure 2. Sketch of the fault model
The red areas Ⅰ and Ⅱ indicate two asperities，the blue arc indicates the rupture model and propagation time
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图 3 走滑断层（a）和逆断层（b）在多个台站的三分量速度时程
每个子图中从上到下为C5，D5，···，J5等台站相应的速度时程，PGV的单位为cm/s
Figure 3. Three-component velocity time histories at the stations for strike-slip fault （a） and reverse fault （b）
Each subgraph from top to bottom corresponds to the velocity time history of stations such as C5，D5，···，J5，the unit of PGV is cm/s
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图 4 走滑断层（a）和逆断层（b）上盘内的台站三分量峰值速度（PGV）沿垂直于断层走向的变化
Figure 4. Variation of three-component peak ground velocity （PGV） along the direction perpendicular to the fault strike at the stations of the hanging wall for strike-slip fault （a） and reverse fault （b）
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图 5 走滑断层（蓝色实线）和逆断层（红色虚线）上盘内的台站三分量峰值速度（PGV）沿断层走向的变化
Figure 5. Variation of three-component peak ground velocity （PGV） along the fault strike on the hanging wall for strike-slip fault （blue solid line） and reverse fault （red dashed line）
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图 6 真实地震和模拟地震的脉冲记录随断层距的分布
Figure 6. Distribution of pulse recordings with fault distance for the real earthquakes and simulated earthquakes
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图 7 走滑断层（a）和逆断层（b）的峰值速度（PGV）等值线图
Figure 7. Peak ground velocity contour maps of strike-slip fault （a） and reverse fault （b）
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图 8 走滑断层（a）和逆断层（b）在C5−J5台站的三分量速度反应谱
Figure 8. Three-component velocity response spectrum at the stations of C5−J5 for strike-slip fault （a） and reverse fault （b）
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图 9 走滑断层在地震过程中不同时刻的地面运动波场快照
Figure 9. Snapshots of the wave field at different moments for the ground motion of strike-slip fault
表 1 研究区域地壳参数
Table 1 Structure parameters for the studied area
层序号 深度/km vP/（km·s−1） vS/（km·s−1） 密度/（103 kg·m−3） Q 1 2 4.66 2.57 2.25 250 2 5 5.45 2.67 2.45 250 3 10 5.76 2.88 2.55 300 4 15 6.15 3.31 2.60 300 5 25 6.71 3.72 2.90 500 6 30 7.11 4.07 3.15 500 
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表 2 真实脉冲型地震记录的参数
Table 2 Parameters of pulse-like earthquakes
地震名称 发震日期 MW 记录数 帝王谷地震 1979−10−15 6.5 15 北岭地震 1994−01−17 6.7 11 集集地震 1999−09−21 7.6 26
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高孟潭,俞言祥,张晓梅,吴健,胡平,丁彦慧. 2002. 北京地区地震动的三维有限差分模拟[J]. 中国地震,18(4):356–364. doi: 10.3969/j.issn.1001-4683.2002.04.005 Gao M T,Yu Y X,Zhang X M,Wu J,Hu P,Ding Y H. 2002. Three-dimensional finite-difference simulations of ground motions in the Beijing area[J]. Earthquake Research in China,18(4):356–364 (in Chinese).
贺秋梅. 2012. 地震动的速度脉冲对结构反应及结构减隔震性能影响研究[D]. 北京: 中国地震局地球物理研究所: 1−10. He Q M. 2012. Study on the Influence of Seismic Velocity Pulse on Structural Response and Isolation Properties[D]. Beijing: Institute of Geophysics, China Earthquake Administration: 1−10 （in Chinese）.
姜慧,黄剑涛,俞言祥,温增平. 2009. 地表破裂断层近场速度大脉冲研究[J]. 华南地震,29(2):1–9. doi: 10.3969/j.issn.1001-8662.2009.02.001 Jiang H,Huang J T,Yu Y X,Wen Z P. 2009. Study on large velocity pulses near surface rupture faults[J]. South China Journal of Seismology,29(2):1–9 (in Chinese).
李晓轩. 2016. 速度脉冲提取与夹杂对地震动的影响研究[D]. 哈尔滨: 中国地震局工程力学研究所: 10−11. Li X X. 2016. Study on Extraction of the Velocity Pulse and Effects of Inclusion on Ground Motion[D]. Harbin: Institute of Engi-neering Mechanics, China Earthquake Administration: 10−11 （in Chinese）.
李宗超,高孟潭,陈学良,吴清. 2019. 2016年熊本MJ7.3地震的工程地震动参数模拟及分布特征分析[J]. 地震学报,41(1):100–110. Li Z C,Gao M T,Chen X L,Wu Q. 2019. Engineering ground motion parameters simulation and distribution characteristics analysis of Kumamoto MJ7.3 earthquake in 2016[J]. Acta Seismologica Sinica,41(1):100–110 (in Chinese).
刘启方,袁一凡,金星,丁海平. 2006. 近断层地震动的基本特征[J]. 地震工程与工程振动,26(1):1–10. doi: 10.3969/j.issn.1000-1301.2006.01.001 Liu Q F,Yuan Y F,Jin X,Ding H P. 2006. Basic characteristics of near-fault ground motion[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration,26(1):1–10 (in Chinese).
罗全波,陈学良,高孟潭,李宗超,李铁飞,张振. 2018. 近断层速度脉冲与震源机制的关系浅析[J]. 震灾防御技术,13(3):646–661. Luo Q B,Chen X L,Gao M T,Li Z C,Li T F,Zhang Z. 2018. Relationship between near-fault velocity pulse and focal mecha-nism[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention,13(3):646–661 (in Chinese).
潘波,许建东,关口春子,何宏林. 2006. 北京地区近断层强地震动模拟[J]. 地震地质,28(4):623–634. doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2006.04.010 Pan B,Xu J D,Haruko S,He H L. 2006. Simulation of the near-fault strong ground motion in Beijing region[J]. Seismology and Geology,28(4):623–634 (in Chinese).
蒲武川,梁瑞军,戴枫禹,黄斌. 2017. 基于三角函数的脉冲型近场地震动的近似模型[J]. 振动与冲击,36(4):208–213. Pu W C,Liang R J,Dai F Y,Huang B. 2017. An analytical model for approximating pulse-like near-fault ground motions[J]. Journal of Vibration and Shock,36(4):208–213 (in Chinese).
王海云. 2004. 近场强地震动预测的有限断层震源模型[D]. 哈尔滨: 中国地震局工程力学研究所: 39−64. Wang H Y. 2004. Finite Fault Source Model for Predicting Near-Field Strong Ground Motion[D]. Harbin: Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration: 39−64 （in Chinese）.
王卫民,赵连锋,李娟,姚振兴. 2005. 1999年台湾集集地震震源破裂过程[J]. 地球物理学报,48(1):132–147. doi: 10.3321/j.issn:0001-5733.2005.01.019 Wang W M,Zhao L F,Li J,Yao Z X. 2005. Rupture process of the Chi-Chi (Taiwan)earthquake in 1999[J]. Chinese Journal of Geophysics,48(1):132–147 (in Chinese).
谢俊举,温增平,李小军,李亚琦,吕红山,黄隽彦. 2012. 基于小波方法分析汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性[J]. 地球物理学报,55(6):1963–1972. Xie J J,Wen Z P,Li X J,Li Y Q,Lü H S,Huang J Y. 2012. Analysis of velocity pulses for near-fault strong motions from the Wenchuan earthquake based on wavelet method[J]. Chinese Journal of Geophysics,55(6):1963–1972 (in Chinese).
徐龙军,谢礼立. 2005. 集集地震近断层地震动频谱特性[J]. 地震学报,27(6):656–665. doi: 10.3321/j.issn:0253-3782.2005.06.010 Xu L J,Xie L L. 2005. Characteristics of frequency content of near-fault ground motions during the Chi-Chi earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica,27(6):656–665 (in Chinese).
俞言祥,高孟潭. 2001. 台湾集集地震近场地震动的上盘效应[J]. 地震学报,23(6):615–621. doi: 10.3321/j.issn:0253-3782.2001.06.007 Yu Y X,Gao M T. 2001. Effects of the hanging wall and footwall on peak acceleration during the Chi-Chi earthquake,Taiwan[J]. Acta Seismologica Sinica,23(6):615–621 (in Chinese).
袁一凡, 田启文. 2012. 工程地震学[M]. 北京: 地震出版社: 128−138. Yuan Y F, Tian Q W. 2012. Engineering Seismology[M]. Beijing: Seismological Press: 128−138 （in Chinese）.
Baker J W. 2007. Quantitative classification of near-fault ground motions using wavelet analysis[J]. Bull Seismol Soc Am,97(5):1486–1501. doi: 10.1785/0120060255
Benioff H. 1955. Mechanism and strain characteristics of the White Wolf fault as indicated by the aftershock sequence,earthquakes in Kern County,California during 1955[J]. Calif Div Mines Bull,171:199–202.
Bray J D,Rodriguez-Marek A. 2004. Characterization of forward-directivity ground motions in the near-fault region[J]. Soil Dyn Earthq Eng,24(11):815–828. doi: 10.1016/j.soildyn.2004.05.001
Carena S,Suppe J,Kao H. 2002. Active detachment of Taiwan illuminated by small earthquakes and its control of first-order topography[J]. Geology,30(10):935–938. doi: 10.1130/0091-7613(2002)030<0935:ADOTIB>2.0.CO;2
Cattin R,Loevenbruck A,Le Pichon X. 2004. Why does the co-seismic slip of the 1999 Chi-Chi (Taiwan)earthquake increase progressively northwestward on the plane of rupture? [J]. Tectonophysics,386(1/2):67–80.
Chen C H,Teng T L,Gung Y C. 1998. Ten-second Love-wave propagation and strong ground motions in Taiwan[J]. J Geophys Res,103(B9):21253–21273. doi: 10.1029/98JB00613
Chen R Y,Kao H,Liang W T,Shin T C,Tsai Y B,Huang B S. 2009. Three-dimensional patterns of seismic deformation in the Taiwan region with special implication from the 1999 Chi-Chi earthquake sequence[J]. Tectonophysics,466(3/4):140–151.
Chi W C,Dreger D,Kaverina A. 2001. Finite-source modeling of the 1999 Taiwan (Chi-Chi)earthquake derived from a dense strong-motion network[J]. Bull Seismol Soc Am,91(5):1144–1157.
Dickinson B W,Gavin H P. 2011. Parametric statistical generalization of uniform-hazard earthquake ground motions[J]. J Struct Eng,137(3):410–422. doi: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000330
Hanks T C,Kanamori H. 1979. A moment magnitude scale[J]. J Geophys Res,84(B5):2348–2350. doi: 10.1029/JB084iB05p02348
Heaton T H,Hall J F,Wald D J,Halling M W. 1995. Response of high-rise and base-isolated buildings to a hypothetical MW7.0 blind thrust earthquake[J]. Science,267(5195):206–211. doi: 10.1126/science.267.5195.206
Hirasawa T,Stauder W. 1965. On the seismic body waves from a finite moving source[J]. Bull Seismol Soc Am,55:237–262.
Irikura K,Miyakoshi K,Kamae K,Yoshida K,Somei K,Kurahashi S,Miyake H. 2017. Applicability of source scaling relations for crustal earthquakes to estimation of the ground motions of the 2016 Kumamoto earthquake[J]. Earth Planets Space,69(1):10. doi: 10.1186/s40623-016-0586-y
Iwaki A,Morikawa N,Maeda T,Aoi S,Fujiwara H. 2013. Finite-difference simulation of long-period ground motion for the Sagami Trough megathrust earthquakes[J]. J Disaster Res,8(5):926–940. doi: 10.20965/jdr.2013.p0926
Kawase H,Aki K. 1990. Topography effect at the critical SV-wave incidence:Possible explanation of damage pattern by the Whittier Narrows,California,earthquake of 1 October 1987[J]. Bull Seismol Soc Am,80(1):1–22.
Li Z C,Gao M T,Jiang H,Chen X L,Li T F,Zhao X F. 2018. Sensitivity analysis study of the source parameter uncertainty factors for predicting near-field strong ground motion[J]. Acta Geophys,66(4):523–540. doi: 10.1007/s11600-018-0171-9
Luo Q B,Chen X L,Gao M T,Li Z C,Zhang Z,Zhou D. 2019. Simulating the near-fault large velocity pulses of the Chi-Chi (MW7.6) earthquake with kinematic model[J]. J Seismol,23(1):25–38. doi: 10.1007/s10950-018-9791-4
Ma K F,Wang J H,Zhao D P. 1996. Three-dimensional seismic velocity structure of the crust and uppermost mantle beneath Taiwan[J]. J Phys Earth,44(2):85–105. doi: 10.4294/jpe1952.44.85
Murotani S,Miyake H,Koketsu K. 2008. Scaling of characterized slip models for plate-boundary earthquakes[J]. Earth Planets Space,60(9):987–991. doi: 10.1186/BF03352855
Oglesby D D,Archuleta R J. 1997. A faulting model for the 1992 Petrolia earthquake:Can extreme ground acceleration be a source effect? [J]. J Geophys Res,102(B6):11877–11897. doi: 10.1029/97JB00475
Somerville P,Irikura K,Graves R,Sawada S,Wald D,Abrahamson N,Iwasaki Y,Kagawa T,Smith N,Kowada N. 1999. Characterizing crustal earthquake slip models for the prediction of strong ground motion[J]. Seismol Res Lett,70(1):59–80. doi: 10.1785/gssrl.70.1.59
Wang C Y,Chang C H,Yen H Y. 2000. An interpretation of the 1999 Chi-Chi earthquake in Taiwan based on the thin-skinned thrust model[J]. Terr Atmos Ocean Sci,11(3):609–630. doi: 10.3319/TAO.2000.11.3.609(CCE)
Wells D L,Coppersmith K J. 1994. New empirical relationships among magnitude,rupture length,rupture width,rupture area,and surface displacement[J]. Bull Seismol Soc Am,84(4):974–1002.
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