利用斷層圍陷波資料研究汶川MS8.0地震構造特征

孫 譯, 賴曉玲

(1.中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002；2.中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000)

利用斷層圍陷波資料研究汶川MS8.0地震構造特征

孫 譯1,2, 賴曉玲1*

(1.中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002；2.中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000)

利用汶川地震區(qū)不同地段的斷層圍陷波記錄，分析了該地震斷層的分段性特征。對斷層北東段的關莊測線分析研究結果表明：地殼內(nèi)破碎帶的寬度大約160～180 m，地下破碎帶的中間與地表破裂的位置對應，并且地下破碎帶在斷層的兩盤邊緣較均勻地分布，反映了北東段的斷層傾角較陡，近似直立斷層。對斷層南西段的虹口測線研究結果表明：地殼內(nèi)破碎帶的寬度大約180～200 m，地下破碎帶主要分布在地表斷層陡坎上盤所對應的地殼內(nèi)，反映了南西段斷層傾角比北東段斷層傾角小。本文的研究結果可以為汶川8.0級地震的構造背景研究提供依據(jù)。

汶川地震；斷層圍陷波；地震記錄；破碎帶

0 引言

斷層圍陷波是波在斷層的兩個邊界內(nèi)側多次反射并相干迭加而形成的。該類波可由天然地震激發(fā)，也可由人工震源激發(fā)，震源位于斷層帶內(nèi)或緊靠斷層附近即可。圍陷波是由斷層帶內(nèi)低速介質(zhì)和高速圍巖之間的相干多次反射波構成的，因而其振幅和頻率強烈地依賴于斷層帶內(nèi)介質(zhì)的物理性質(zhì)和斷層的幾何形態(tài)。所以觀測、分析斷層圍陷波能夠確定斷層在深部的細節(jié)。

但是，在常規(guī)的地震資料中，我們幾乎找不到斷層圍陷波。要獲得斷層圍陷波的觀測資料，需要有特殊的觀測技術，并需同時具備測線位置、斷層通道、地震活動相匹配的條件。因此，該方法只能用于一些特定地區(qū)的專門研究，斷層圍陷波的方法在美國、日本、意大利等國家的地震破裂帶細結構研究方面得到了應用[1-5]。

2008年的汶川MS8.0級地震，地表破裂帶長約 240 km，但是發(fā)震斷層在地殼內(nèi)的破碎帶需要通過地震觀測才能得到。近幾年，我們在汶川地震區(qū)不同地段布設了數(shù)條斷層圍陷波測線，進行余震觀測，其中，平通測線的成果已發(fā)表[6]。由于有多條測線未處理，所以沒有對汶川地震主破裂帶進行整體的分析。2013年4月20 日，在汶川地震西南約85 km處的蘆山縣又發(fā)生了1次7.0級地震。為了對該區(qū)域強震的發(fā)震構造研究提供更多的依據(jù)，本文將對汶川地震主破裂帶幾條測線的記錄進行對比分析，得到不同地段的差異性特征。

1 汶川地震構造及斷層圍陷波測線位置

汶川8.0級地震發(fā)生在龍門山斷裂帶，該斷裂帶由3條北東走向的斷裂組成，西邊的汶川-茂縣斷裂(后山斷裂)，中間的映秀-北川斷裂(中央斷裂)，汶川8.0級地震破裂主要發(fā)生在該斷裂上,以及東邊的灌縣-江油斷裂(前山斷裂)。斷層圍陷波測線主要布設在中央斷裂，本文的汶川地震斷層主要指中央斷裂。

由于汶川地震斷裂帶為北東走向，斷層圍陷波測線是橫跨斷層布設，所以測線是北西走向。本文將對橫跨中央斷裂的3條圍陷波測線的典型記錄進行對比分析。3條測線的位置見圖1，從北東向南西測線的名稱依次為：關莊測線、擂鼓測線、虹口測線。

圖1 汶川地震區(qū)的地震構造及斷層圍陷波測線位置(據(jù)文獻[8]修改)

2 青川縣關莊鎮(zhèn)斷層圍陷波觀測

關莊鎮(zhèn)位于汶川地震斷層的北東段，在地震科考中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的地表破裂帶，因此，推測汶川地震地表破裂帶北東段可能終止于關莊鎮(zhèn)以南[7]。但是關莊鎮(zhèn)及其周圍在汶川8.0級大震中受災非常嚴重，為了對該地段的地下斷層進行研究，2011年6—7月， 我們在關莊鎮(zhèn)進行了斷層圍陷波探測。地震儀沿公路布設， NW-SE向展布，與NE走向的斷層大致垂直。沿公路共放了20臺數(shù)字地震儀，觀測點距約25 m。

3 關莊測線資料處理分析

在關莊測線獲得了大量余震記錄，但是包含斷層圍陷波的記錄不多。因此，資料挑選的工作量是很大的。經(jīng)過初步整理、挑選、濾波等步驟，可以得到包含有斷層圍陷波的地震記錄。下面給出幾個觀測到斷層圍陷波的地震記錄，并進行分析和討論。

圖2為2011年6月25日12點12分，青川ML1.8余震記錄。圖中S-P到時大約4 s，震源距約為32 km。圖中臺站編號1～19，所指的測線方向為從SE到NW臺站編號遞增。在原始記錄圖2a上P波和S波震相很清楚，但是看不到斷層圍陷波，經(jīng)過濾波后，在6～13號站之間的各記錄道上，斷層圍陷波能量增強，見圖2b虛線勾出的波組。該波組出現(xiàn)在P波和S波之后，圍陷波的頻率較低，優(yōu)勢頻率約為3 Hz左右。

a 原始地震記錄 b 經(jīng)過0.5～3 Hz濾波的地震記錄

圖3為2011年6月26日21時48分，青川ML1.0余震記錄。S-P到時約為3 s，震源距大約為24 km。雖然在原始地震記錄圖3a上斷層圍陷波不太清楚，但經(jīng)過波段濾波后，該波組非常明顯，尤其在8號臺站到13號臺站之間的各記錄上，斷層圍陷波相當強，見圖3b虛線勾出的波組。

斷層圍陷波是由于波在斷層的兩個邊界內(nèi)側多次反射并相干迭加而形成的，因此，在斷層帶內(nèi)部或非?？拷鼣鄬訋У呐_站上其振幅較大。測線相鄰臺站之間距離約為25 m,據(jù)此初步推測，地殼內(nèi)斷層破碎寬度大約160～180 m。該地段雖然沒有明顯的地表破裂帶，但是地殼內(nèi)破碎帶是存在的。

a 原始地震記錄 b 經(jīng)過0.5～3 Hz濾波的地震記錄

4 擂鼓測線、虹口測線資料分析

擂鼓測線位于汶川地震斷層的北東段，該地段在汶川8.0級地震中有地表破裂帶，并且開挖了地震探槽。斷層圍陷波測線是以探槽和地表破裂位置為大致中點，橫跨斷層，沿NW-SE方向兩端延伸。圖4為擂鼓測線的一個圍陷波記錄，地震事件是2008年7月17日14時40分，ML2.4級。圖中臺站編號1～13，所指的測線方向為從SE到NW臺站編號遞增。圖4b虛線勾出的波組是斷層圍陷波，該波組在3號臺站到10號臺站之間的各記錄，斷層圍陷波相當強，推測地殼內(nèi)斷層破碎寬度大約160～180 m。圖中箭頭所指7號臺站的位置是地表破裂?？梢钥闯龅叵缕屏褞У闹胁课挥诘乇砥屏训恼路剑叵缕屏褞л^對稱的分布在斷層的兩盤邊緣。

a 原始地震記錄 b 經(jīng)過0.5～3 Hz濾波的地震記錄

虹口測線位于汶川地震斷層的南西段，該地段位于汶川8.0級地震震中附近。虹口八角廟地表有逆斷層的陡坎，并且可見斷層擦痕[8-9]。斷層圍陷波測線橫跨逆斷層陡坎，大多數(shù)的儀器放置在逆斷層的上盤。圖5為虹口測線的一個圍陷波記錄，地震事件是2008年7月21日00時44分，ML2.1級。圖中臺站編號1～16，所指的測線方向為從SE到NW臺站編號遞增。圖5b虛線勾出的波組是斷層圍陷波，該波組在5～13號臺站之間斷層圍陷波相當強，推測地殼內(nèi)斷層破碎寬度大約180～200 m。圖中箭頭所指的5～6號臺站之間的位置是斷層陡坎，可以看出地下破裂帶主要集中在逆斷層陡坎的上盤。

a 原始地震記錄 b 經(jīng)過0.5～3 Hz濾波的地震記錄

5 結論與討論

關莊測線地段，雖然未見明顯的地表破裂帶，但是斷層圍陷波的探測結果表明，地殼內(nèi)破碎帶是存在的。由此可見，該方法可以用于補充地表科考未呈現(xiàn)的地震斷層在深部的構造信息。

汶川地震斷層北東段的關莊測線斷層圍陷波探測結果表明，地殼內(nèi)破碎帶的寬度大約160～180 m。地下破碎帶的中間與地表破裂的位置對應，地下破碎帶在斷層的兩盤邊緣較均勻地分布，反映了該地段斷層傾角較陡，可能近似直立斷層。汶川地震斷層南西段的虹口測線斷層圍陷波探測結果表明，地殼內(nèi)破碎帶的寬度大約180～200 m。地下破碎帶主要分布在地表斷層陡坎上盤所對應的地殼內(nèi)，反映了該地段斷層傾角比北東段較緩一些。擂鼓測線可能位于斷層分段性特征的過渡區(qū)，斷層傾角比較陡，但兼有斷層南西段的一些特征。

汶川8.0級地震及其余震序列重定位結果[10],給出了幾個震源深度剖面圖，剖面位置與圍陷波測線位置有一定對應關系。在汶川地震斷層的南西段，余震主要分布在地表破裂帶的西北側(圖6a)，但是在該斷層的北東段，余震在地表破裂的兩側均有分布 (圖6b)。 震源深度剖面圖反映的斷層分段特征是南西段斷層傾角比較緩，北東段斷層傾角為高角度西傾，與圍陷波獲得的結果較一致。地質(zhì)所在震后地質(zhì)調(diào)查得到的地表破裂帶也有大致的南西段和北東段不同的特征，本文斷層圍陷波分段探測結果表明，該地震斷層在地殼內(nèi)的分段特征與地表呈現(xiàn)的形式基本是一致的。

注：倒三角形標示地表破裂位置

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[2]Li, Y.G.and Leary, P.G.. Fault zone trapped seismic waves[J]. Bull. Seism. Soc. Am., 1990,80, 1245-1271.

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[4]Mizuno T., Kuwahara Y., Ito H., et al.Spatial Variations in Fault-Zone Structure along the Nojima Fault, Central Japan, as Inferred from Borehole Observations of Fault-Zone Trapped Waves[J].Bull. Seism. Soc. Am., 2008，98(2)，558-570.

[5]Rovelli, A., Caserta, A., Marra F., et al. Can Seismic Waves Be Trapped inside an Inactive Fault Zone？ The Case Study of Nocera Umbra, Central Italy[J].Bull. Seism. Soc. Am. ， 2002，92(6)，2217-2232.

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[8]徐錫偉，聞學澤，葉建青，等.汶川MS8.0地震地表破裂帶及其發(fā)震構造[J].地震地質(zhì)，2008, 30(3)：597-629.

[9]劉靜，孫杰，張智慧，等.汶川地震映秀-北川地表破裂帶虹口鄉(xiāng)段精細填圖、位移特征和地震構造分析[J].第四紀研究，2010,30(1)：1-29.

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Study on Seismic Structure of WenchuanMS8.0 Earthquake Using Fault Zone Trapped Waves

SUN Yi1,2, LAI Xiao-ling1

(1.Geophysical Exploration Center, CEA, Zhengzhou 450002, China;
2.Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, China)

Using the trapped waves data on different sections of Wenchuan earthquake region, the segmentation characteristic of the fault is obtained. Guanzhuang observation line is located at the northeastern portion of the fault, and the result indicates that the width of the rupture zone underground is about 160～180 m. The center position of rupture zone underground corresponds to the surface breaking trace, and is equally distributed at the edges of the two fault walls. It reveals that, for the northeastern portion, the dip angle of the fault is greater and the fault is near vertical. However, Hongkou observation line is located at the southwestern portion of the fault, and the result indicates that the width of the rupture zone underground is about 180～200 m. The rupture zone underground is mainly distributed below fault scarp. It reveals that, for the southwestern portion, the dip angle of the fault is smaller. The results will provide evidence for the research on the structure background of WenchuanMS8.0 earthquakes.

Wenchuan earthquake; fault zone trapped waves; seismic record; rupture zone

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.001

2014-01-15

國家自然科學基金(項目編號：41374099；41074069)；地震動力學國家重點實驗室課題(項目編號：LED2013A01)；中國地震局地球物理勘探中心(項目編號：RCEG201304)

孫譯(1985—)，男(漢族)，河南鄭州人，工程師，碩士研究生，主要從事震害防御研究.

*通訊作者:賴曉玲(1957—)，女，研究員；主要從事地震成像,地震測深資料處理和解釋工作.E-mail:lxling04@163.com

P315.251

A

1003-1375(2014)03-0001-04