由構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究汶川地震斷層的分段性

盛書中 萬(wàn)永革，

1）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

2）中國(guó)河北三河市燕郊065201防災(zāi)科技學(xué)院

由構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究汶川地震斷層的分段性

盛書中1，2）萬(wàn)永革1，2），

1）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

2）中國(guó)河北三河市燕郊065201防災(zāi)科技學(xué)院

采用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性對(duì)斷層或板塊邊界進(jìn)行分段的方法，利用“裁剪－粘貼”法給出的余震震源機(jī)制解資料，進(jìn)一步從應(yīng)力場(chǎng)角度確定汶川地震發(fā)震斷層南、北段分界點(diǎn)位置及南、北段震后應(yīng)力場(chǎng).研究結(jié)果表明，發(fā)震斷層南、北段分界點(diǎn)位于北川附近，與先前的研究結(jié)果較為一致.南、北段震后應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果顯示，南、北段的最大主應(yīng)力軸方位均呈北東東向，且近水平.南、北段應(yīng)力場(chǎng)反演的平均擬合殘差和置信區(qū)間均較大，主要原因可能是因?yàn)槟?、北段?nèi)應(yīng)力場(chǎng)不均勻性造成的.因?yàn)楸疚膬H由大余震給出了震源斷層的一級(jí)分段，南、北段內(nèi)應(yīng)做進(jìn)一步的細(xì)分.

汶川地震 震源機(jī)制解 應(yīng)力場(chǎng) 斷層分段

引言

2008年5月12日14時(shí)28分，在青藏高原東緣、南北地震帶中段的龍門山斷裂帶上發(fā)生了汶川MS8.0強(qiáng)烈地震.地震造成的地表破裂帶長(zhǎng)度達(dá)約250km，最大垂直及水平向錯(cuò)距分別約為6.2m和4.9m（徐錫偉等，2008）.

對(duì)于龍門山中央斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)性分段特征的研究，國(guó)內(nèi)許多研究人員都已給出了各自的認(rèn)識(shí)（唐榮昌等，1991；李勇等，2006；周榮軍等，2008；李智武等，2008；朱艾斕等，2008），基本觀點(diǎn)認(rèn)為沿走向以NE－SW的臥龍—懷遠(yuǎn)一線和北川—擂鼓鎮(zhèn)—安縣一線為界可劃分為3段，即南段（鹽井—五龍斷裂）、中段（北川—映秀斷裂）和北段（北川—林庵寺斷裂）.本研究中龍門山斷裂南、北段分別對(duì)應(yīng)于地質(zhì)上的龍門山斷裂中段和北段.陳國(guó)光等（2007）根據(jù)地貌、地質(zhì)構(gòu)造、布格重力異常和地震活動(dòng)等資料的綜合分析，對(duì)龍門山斷裂帶晚第四紀(jì)活動(dòng)性分段的初步研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以位于虎牙—北川—安縣一線的近SN向虎牙斷裂和擂東斷裂為界劃分出斷裂帶西南段和北東段，其活動(dòng)性迥然不同.西南段晚更新世以來(lái)活動(dòng)強(qiáng)烈，北東段活動(dòng)稍弱.朱艾斕等（2008）認(rèn)為，余震條帶在空間上具有明顯的分段性特征，大致以安縣高川階區(qū)為界，可分為南北2個(gè)段落，南段以逆沖運(yùn)動(dòng)為主，兼有右旋走滑分量；北段同時(shí)兼有右旋走滑和逆沖運(yùn)動(dòng)分量.其中，每一段落南端的逆沖分量較大，向北右旋走滑分量逐漸增大.馬寅生等（2008）認(rèn)為，汶川地震中的龍門山活動(dòng)斷裂，同震變形運(yùn)動(dòng)方式具有明顯的分段性，映秀—擂鼓鎮(zhèn)段，表現(xiàn)為逆沖，走滑現(xiàn)象不明顯；北川—青川段，既有逆沖又有右旋走滑分量.石玉濤等（2009）對(duì)汶川地震余震序列快剪切波偏振方向的研究結(jié)果顯示，沿龍門山斷裂帶的主壓應(yīng)力方向存在分段特征，以安縣為界，可以分為北東段和西南段，北東段的區(qū)域主壓應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向，西南段的區(qū)域主壓應(yīng)力方向?yàn)楸蔽飨?王勤彩等（2009）由汶川地震序列的寬頻帶波形數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)間域矩張量反演方法，得到了該序列88次地震的矩張量解，并根據(jù)震源機(jī)制解類型的空間分布特征，將主破裂帶自西南至東北分為6段.李志雄等（2009）根據(jù)對(duì)汶川地震余震序列的部分測(cè)震學(xué)指標(biāo)計(jì)算，結(jié)果表明汶川地震序列可能是以綿竹為界.趙翠萍等（2009）利用全球臺(tái)網(wǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站記錄波形資料研究了汶川地震震源破裂過(guò)程，結(jié)果表明，此次地震破裂過(guò)程存在顯著的分段特性，即沿龍門山斷裂帶以綿竹為界，此次地震破裂過(guò)程可分解為都江堰—綿竹段及北川—青川段.王敏（2009）基于GPS同震位移場(chǎng)約束反演2008年5月12日汶川大地震破裂空間分布，表明映秀—北川主破裂帶的南段，特別是在發(fā)震斷層的起始段，斷層錯(cuò)動(dòng)以逆沖為主，而北川以北則走滑明顯大于逆沖.張勇等（2009）將利用遠(yuǎn)場(chǎng)地震波形資料獲取大震震源機(jī)制的方法應(yīng)用于汶川地震，結(jié)果表明，地震斷層的南端為近乎逆沖，隨著破裂向東北方向延伸，斷層走滑分量逐漸加大，從以逆沖為主到以走滑為主的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在震中東北大約190km的位置.杜義等（2009）通過(guò)對(duì)龍門山斷裂帶震后斷層擦痕的測(cè)量，得到311條斷層擦痕數(shù)據(jù)，利用由斷層滑動(dòng)資料反演構(gòu)造應(yīng)力張量的計(jì)算方法，得到研究區(qū)8個(gè)測(cè)點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)力張量數(shù)據(jù)，并獲得了研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征：區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以近水平擠壓為主，最大主應(yīng)力方向σ1為76°—121°，平均傾角9°，應(yīng)力結(jié)構(gòu)以逆斷型為主.受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及斷層幾何特征的影響，地表破裂呈現(xiàn)出分段性：映秀—北川段主要以NW盤逆沖為主，垂直位移明顯；北川以北段為逆沖兼走滑，水平位移量與垂直位移量基本相當(dāng)，或水平位移略大.由震源機(jī)制解資料給出龍門山地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的最大主壓應(yīng)力方向?yàn)?10°左右（鐘繼茂，程萬(wàn)正，2006；胡幸平等，2008），呈WNW向.鄭勇等（2009）利用“裁剪－粘貼”（cut and paste，簡(jiǎn)寫為CAP）法，對(duì)MS4.0以上余震震源機(jī)制解進(jìn)行了反演.基于上述有關(guān)主震斷層性質(zhì)及應(yīng)力場(chǎng)研究結(jié)果，我們利用鄭勇等（2009）給出的震源機(jī)制解結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)2008年汶川地震發(fā)震斷層帶進(jìn)行分段研究.由于震源機(jī)制解資料的限制，本研究目標(biāo)僅限于從應(yīng)力場(chǎng)角度給出斷層南、北段分界點(diǎn)位置及南、北段震后應(yīng)力場(chǎng).

Wyss和Lu（1995）提出了利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性對(duì)斷層或板塊邊界進(jìn)行分段的方法，該方法還可以用于檢驗(yàn)應(yīng)力場(chǎng)間差異的顯著性.他們將該方法應(yīng)用于圣安德列斯斷層（San Andreas Fault）的分段研究.結(jié)果將該斷層劃分為5個(gè)子斷層段，其中4個(gè)子斷層和基于非定量的構(gòu)造劃分法的分段結(jié)果是一致的.所以應(yīng)用該方法對(duì)斷層進(jìn)行分段，不但使對(duì)斷層或板塊邊界的劃分更量化和客觀化，還能找出構(gòu)造劃分法難以找出的子段.他們還將該方法應(yīng)用于阿留申板塊邊界的分段（Lu，Wyss，1996）.Lu等（1997）還將該方法用于阿拉斯加俯沖帶的分段和應(yīng)力場(chǎng)研究.Ratchkovski（2003）應(yīng)用該方法對(duì)2002年阿拉斯加Denali斷層地震前后震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分段研究.利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性對(duì)斷層或板塊邊界進(jìn)行分段的方法是定量地劃分出各個(gè)子段，并能給出子段間差異的顯著性，物理意義明確，是其顯著的優(yōu)點(diǎn).對(duì)汶川地震斷層的科學(xué)分段有利于我們深入理解龍門山斷裂的孕震機(jī)理和地質(zhì)構(gòu)造，為地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供基礎(chǔ)資料.

1 分段方法

Wyss和Lu（1995）提出了利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性對(duì)斷層或板塊邊界進(jìn)行分段的方法.該方法也可以用來(lái)檢驗(yàn)應(yīng)力場(chǎng)間差異的顯著性.該方法假定在斷層或板塊邊界的每一子段內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是均勻的，在不同段內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是不均勻的，且構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在不同段間的變化是突然和顯著的，并用每次地震震源機(jī)制解與參考應(yīng)力張量間的殘差（misfit）作為斷層或板塊邊界的分段參數(shù)，殘差采用Gephart和Forsyth（1984）定義的震源機(jī)制解和參考應(yīng)力張量間的廣義最小旋轉(zhuǎn)角.如果上述假設(shè)是正確的，我們可以將發(fā)生在三維空間里的地震事件，視為沿?cái)鄬幼呦蚧虬鍓K邊界分布的一維事件，而忽略其在深度上的分布.因?yàn)橥蛔佣蝺?nèi)應(yīng)力場(chǎng)是均勻的，所以同一子段內(nèi)震源機(jī)制解和參考應(yīng)力張量間的殘差大小也是相似的.不同子段內(nèi)的震源機(jī)制解和參考應(yīng)力張量間殘差大小是不一樣的，且差異是顯著的，因此作出沿?cái)鄬幼呦虻牡卣鹦驍?shù)的關(guān)系曲線（即沿?cái)鄬幼呦虻臍埐罾鄯e曲線）.該曲線在斷層的各個(gè)子段內(nèi)斜率為不同的常數(shù)，即在不同子段內(nèi)斜率不同.相鄰段的斜率差異越顯著，則相鄰段間的應(yīng)力場(chǎng)差異越大.相鄰子段間差異的顯著性可以用z（當(dāng)樣本數(shù)大于等于30個(gè)時(shí)）或t（當(dāng)樣本數(shù)小于30個(gè)時(shí)）檢驗(yàn)法加以檢驗(yàn).具體統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)公式為

式中，μ1為子段1的平均殘差，μ2為子段2的平均殘差，s1和s2分別為兩個(gè)子段內(nèi)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差，n1和n2分別為兩個(gè)子段內(nèi)震源機(jī)制解個(gè)數(shù).

關(guān)于參考應(yīng)力張量的選取，一般選擇需要分段斷層中某段具有均勻應(yīng)力場(chǎng)的子段的應(yīng)力張量為參考應(yīng)力張量.Lu等（1997）在阿拉斯加俯沖帶的分段和應(yīng)力場(chǎng)研究中，首先根據(jù)任意參考應(yīng)力張量計(jì)算出殘差累積曲線，再選用殘差累積曲線中具有穩(wěn)定斜率的數(shù)據(jù)段反演出新參考應(yīng)力張量，然后再由新參考應(yīng)力張量計(jì)算出新的殘差累積曲線.在新殘差累積曲線中該數(shù)據(jù)段應(yīng)該具有最小的斜率，該段即為斷層中的一個(gè)子段.由新的殘差累積曲線找到其它穩(wěn)定斜率的數(shù)據(jù)段并反演出這些數(shù)據(jù)段的應(yīng)力張量，再用這些張量作為參考應(yīng)力張量，重復(fù)上述過(guò)程，直至找出所有子段.Ratchkovski（2003）在對(duì)2002年阿拉斯加Denali斷層地震前后震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分段研究時(shí)，將所有地震事件按經(jīng)度排列，用窗長(zhǎng)為20次地震，步長(zhǎng)為5次地震的滑動(dòng)窗，計(jì)算了整個(gè)斷層上每個(gè)滑動(dòng)窗內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)，并選用殘差最小的應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)作為參考應(yīng)力張量.

2 南、北段分段研究及其應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果

2.1 資料選取

我們選用鄭勇等（2009）利用“裁剪－粘貼”法反演得到的207次MS4.0以上余震震源機(jī)制解資料.由于該方法同時(shí)采用了地震體波和面波信息，因此求解出的震源機(jī)制可能更為準(zhǔn)確.這些余震發(fā)生于2008年5月12日—8月7日，震源機(jī)制解及其空間分布見圖1.由震源機(jī)制解來(lái)看，MS4.0以上余震機(jī)制類型多以走滑和逆沖型為主，拉張型地震較少且主要分布在余震區(qū)南部以及北川附近.由震源機(jī)制解的空間分布圖可見，余震主要分布在主震破裂斷層附近，南部米亞羅斷裂上也發(fā)生了較多的走滑型地震.龍門山斷裂段構(gòu)造復(fù)雜，為了避免周圍斷層上發(fā)生的地震對(duì)主震斷層分段的影響，我們選用如圖1中矩形框所示的余震資料.余震震源深度分布見圖2a.從圖2中我們可以看出，余震主要集中發(fā)生在7—17km的深度范圍內(nèi).在后續(xù)的應(yīng)力場(chǎng)反演中和斷層分段研究中，為了避免自由表面的影響等深度因素（Bokelmann，Beroza，2000），我們僅選用7—17km深度范圍內(nèi)的余震資料用于后續(xù)研究.最終選用的震源機(jī)制解數(shù)為108個(gè)，其震級(jí)分布見圖2b，矩震級(jí)范圍主要集中在3.7—4.7級(jí)之間.

2.2 參考應(yīng)力張量的反演及南、北段分界點(diǎn)的確定

Gephart和Forsyth（1984）給出了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)反演的網(wǎng)格搜索法.利用該方法我們可以獲得全應(yīng)力張量中的4個(gè)分量，即3個(gè)主應(yīng)力軸方向和反映3個(gè)主應(yīng)力相對(duì)大小的R值（R值定義見式（3）），同時(shí)還可以給出應(yīng)力張量的95%可信度范圍.

圖1 汶川地震主震及MS4.0以上余震震源機(jī)制解分布圖圖中黑色矩形框所示范圍為本研究選取數(shù)據(jù)區(qū)域，黑色線條表示斷層，紅色線條表示汶川地表破裂（徐錫偉等，2008）.圖中壓縮區(qū)用深黑色表示的震源機(jī)制解是序號(hào)為10整數(shù)倍的震源機(jī)制解（第59次地震除外），其中的數(shù)字為其排列后的序號(hào).壓縮區(qū)用藍(lán)色表示的震源機(jī)制是張勇等（2009）給出的主震破裂子事件的震源機(jī)制，其它震源機(jī)制的壓縮區(qū)用淺灰色表示.第59次地震和紅色短線示意南、北段分界處位置.主震震源機(jī)制解引自Harvard CMT解Fig.1 Focal mechanisms of Wenchuan main shock and its MS≥4.0aftershocksBlack rectangle indicates the study area，black lines represent faults，red lines denote surface rupture of Wenchuan earthquake（Xu etal，2008）.The compressed areas of focal mechanisms，whose sequential numbers are multiples of 10，are filled with black（except for the 59th earthquake）.The focal mechanisms with blue compressed areas stand for the sub－events given by Zhang etal（2009）.The compressed areas of other focal mechanisms are filled with grey.The 59th earthquake with red compressed area and the red short line indicate the boundary between the northern and southern segments.The main shock focal mechanism was from Harvard CMT catalogue

本研究中我們將所選用的震源機(jī)制解沿?cái)鄬訌哪舷虮边M(jìn)行排列，先用一個(gè)任意的應(yīng)力張量作為參考應(yīng)力張量做出殘差累積曲線，并從其中選取了大體上具有穩(wěn)定斜率的4個(gè)段數(shù)據(jù)，再用Gephart和Forsyth（1984）的網(wǎng)格搜索法反演出這些子段的最佳應(yīng)力張量作為參考應(yīng)力張量.參考應(yīng)力張量數(shù)據(jù)段的選取及其應(yīng)力場(chǎng)的反演結(jié)果見表1.以表1中的應(yīng)力張量作為參考應(yīng)力張量，分別計(jì)算了參考應(yīng)力張量和每次余震間的殘差，繪制殘差累積曲線圖（圖3a）.由圖3a的殘差累積曲線圖可見，在第59次地震處，第2、第3和第4參考應(yīng)力張量的殘差累積曲線斜率均發(fā)生明顯的變化，第1個(gè)參考應(yīng)力張量對(duì)應(yīng)的殘差累積曲線趨勢(shì)變化不明顯.圖3b為相應(yīng)殘差累積曲線的z檢驗(yàn)值（當(dāng)其中某段的地震事件數(shù)少于30個(gè)時(shí)，使用t檢驗(yàn)），圖中橫虛線示意z檢驗(yàn)顯著性水平為0.05的臨界值（該臨界值為1.96）.從圖3b中可見，在第59次地震處，第2、第3和第4參考應(yīng)力張量的殘差累積曲線z檢驗(yàn)值均達(dá)到和超過(guò)臨界值.對(duì)于第1個(gè)參考應(yīng)力張量，南、北段間差異沒有通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn).由于不同的參考應(yīng)力張量對(duì)各段有不同的分辨率，一般為選用的參考應(yīng)力張量與某一子段的應(yīng)力場(chǎng)相近時(shí)，該參考應(yīng)力張量與該子段內(nèi)震源機(jī)制解間的殘差較小，累積殘差曲線的斜率較小，能較好地分辨出該子段，所以對(duì)復(fù)雜的斷層或板塊邊界分段時(shí)，要盡可能用多個(gè)分別與各子段應(yīng)力場(chǎng)相似的應(yīng)力張量作為參考應(yīng)力張量，或使用類似Lu等（1997）的參考應(yīng)力張量選取方法，才能詳盡地區(qū)分出研究區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)子段.故在本研究中我們以多個(gè)參考應(yīng)力張量均通過(guò)z檢驗(yàn)的第59次地震位置作為汶川斷層南、北段的分界位置，即由z檢驗(yàn)結(jié)果可見在0.05的顯著性水平上，南段和北段的差異是顯著的.第59次地震事件的具體參數(shù)見表2，可見其位置大體上對(duì)應(yīng)于北川附近（圖1）.所以第59次地震所在位置就是汶川地震發(fā)震斷層力學(xué)性質(zhì)的分界點(diǎn)，即從應(yīng)力場(chǎng)角度汶川地震發(fā)震斷層以北川為界分為兩個(gè)子斷層段.

圖2 余震深度（a）和震級(jí)（b）分布圖（N表示地震數(shù)）Fig.2 Depth（a）and magnitude（b）statistics of aftershocks.Nrepresents the number of earthquakes

表1 參考應(yīng)力張量的選取及其應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果Table 1 Selection and inversion of the reference stress tensors

先前的研究表明，震級(jí)不同的地震反映出不同尺度區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)信息，地震能反映其破裂尺度20—50倍的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)信息（Luetal，1997；Gillardetal，1992，1996；Gillard，Wyss，1995）.Lu等（1997）認(rèn)為，使用的小地震（ML約為3）對(duì)應(yīng)的破裂尺度約為幾百米的量級(jí)，能反映出10—100km尺度區(qū)域是否具有均勻應(yīng)力場(chǎng)；當(dāng)使用破裂尺度約為10km的較大地震（MS約為5）時(shí)，能反映出300km以上尺度區(qū)域是否具有均勻應(yīng)力場(chǎng).本研究使用震級(jí)范圍為MS4.0以上的地震，該震級(jí)范圍的地震破裂尺度適用于研究100km以上尺度區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)均勻性，即該震級(jí)范圍的地震資料適用于汶川地震斷層的一級(jí)分段，即確定其南、北段間分界點(diǎn)的位置.有關(guān)南、北段內(nèi)的進(jìn)一步分段，則需要更多的小地震的震源機(jī)制解資料.由圖3可見，在第100次地震附近，除第1個(gè)參考應(yīng)力張量的計(jì)算結(jié)果外，其余3個(gè)參考應(yīng)力張量計(jì)算出的殘差累積曲線斜率變化較明顯，且t檢驗(yàn)值也超過(guò)其顯著性水平為0.05的臨界值 （該臨界值為2.00）.由圖1可見，從第100次地震至107次地震所對(duì)應(yīng)的區(qū)域尺度非常小，本研究使用的地震破裂尺度對(duì)這樣小的區(qū)域不具有分辨能力，故雖然有殘差累積曲線斜率變化和達(dá)到t檢驗(yàn)的臨界值，我們也沒有在該處分段.

圖3 殘差累積曲線（a）和z檢驗(yàn)值絕對(duì)值（b）圖（a）中幾種不同符號(hào)的點(diǎn)劃線分別為相應(yīng)的參考張量的殘差累積曲線；圖（b）中的曲線為相應(yīng)殘差累積的z檢驗(yàn)曲線，其中一段數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)小于30個(gè)時(shí)為t檢驗(yàn)值，橫虛線示意z檢驗(yàn)顯著性水平為0.05的臨界值（該值為1.96）Fig.3 Cumulative misfit curves（a）and the absolute values of z－test（b）Dotted lines with different symbols correspond to different cumulative misfit curves calculated with different reference stress tensors（a）；The z－test value curves correspond to the above cumulative misfit curves，t－test value is used when the data number of one segment is smaller than 30，the horizontal dashed line indicates the critical value（equal to 1.96）of z－test for the significance level of 0.05 （b）

表2 第59次地震的具體參數(shù)Table 2 Parameters of the 59th earthquake

2.3 南、北段應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果及檢驗(yàn)

根據(jù)上面的研究結(jié)果，以第59次地震為界將龍門山斷裂分為南、北兩段，分別反演了南、北段震后的應(yīng)力場(chǎng)，反演結(jié)果見圖4和表3.

圖4 南、北段應(yīng)力場(chǎng)施密特圖（a）南段；（b）北段.圖中圓圈表示最大主應(yīng)力，三角形表示中間主應(yīng)力，正方形表示最小主應(yīng)力，小空心符號(hào)所示區(qū)域?yàn)閼?yīng)力場(chǎng)95%置信區(qū)間Fig.4 The principal stress axis Schmidt projection of northern and southern segments（a）Southern segment；（b）Northern segment.Circle，triangle and square indicate maximum，intermediate（null）and minimum （dilational）principal stress axes，respectively.The area covered by small open symbols marks 95%confidence level range of principal stress axes

表3 南、北段應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果Table 3 The stress inversion results of the northern and southern fault segments

從應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果可見，南、北段的最大主應(yīng)力軸（P軸）方位均呈北東東，且近水平；南段的中間主應(yīng)力軸（B軸）和最小主應(yīng)力軸（T軸）傾角較大，最小主應(yīng)力軸傾角大于45°；北段最小主應(yīng)力軸近直立，應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果的擬合殘差和置信區(qū)間均較大.雖然我們已用累積殘差法驗(yàn)證了它們?cè)?.05的顯著性水平上差異是顯著的，但南、北段應(yīng)力場(chǎng)的最佳主應(yīng)力方向的95%置信區(qū)間存在重疊區(qū)域，故我們用反演獲得的南、北段應(yīng)力場(chǎng)為參考應(yīng)力張量計(jì)算殘差累積曲線和z檢驗(yàn)曲線（圖5）.由圖5a可見，用南、北段應(yīng)力場(chǎng)作為參考應(yīng)力張量，所獲得的殘差累積曲線在第59次地震處其斜率發(fā)生了明顯的變化，且當(dāng)用南段應(yīng)力場(chǎng)作為參考應(yīng)力張量時(shí)（殘差累積曲線為圓圈表示的曲線），圓圈表示的曲線在第1至第59次地震間的斜率要明顯小于第60次至第108次地震間的斜率.同樣，當(dāng)用北段的應(yīng)力場(chǎng)為參考應(yīng)力張量時(shí)，北段的殘差累積曲線斜率要小于南段.這說(shuō)明當(dāng)參考應(yīng)力張量接近或?yàn)槟扯螒?yīng)力場(chǎng)時(shí)，該段中的地震事件與參考應(yīng)力張量間殘差小，殘差累積曲線的斜率相應(yīng)也較小.由圖5b可見，在第59次地震處南、北段間z檢驗(yàn)值超過(guò)了顯著性水平為0.01的臨界值，即南、北段應(yīng)力場(chǎng)間差異達(dá)到99%的置信水平.這也從一定程度上肯定了我們的分段結(jié)果.杜義等（2009）通過(guò)對(duì)龍門山斷裂帶震后斷層擦痕的測(cè)量獲得的龍門山地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以近東西向的擠壓為主要特征，其最大主應(yīng)力方向?yàn)?6°—112°，平均傾角9°；最小主應(yīng)力近直立；中間主應(yīng)力方向?yàn)?53°—30°之間，平均傾角為27°，應(yīng)力結(jié)構(gòu)以逆斷型為主.本研究給出的應(yīng)力場(chǎng)與杜義等（2009）的結(jié)果較為接近，但本研究給出的最大主應(yīng)力方向偏小.

圖5 殘差累積曲線（a）和z檢驗(yàn)值絕對(duì)值（b）圖（a）中圓圈和正方形的點(diǎn)劃線分別為南段和北段應(yīng)力張量為參考應(yīng)力張量的殘差累積曲線；圖（b）中曲線為相應(yīng)累積殘差曲線的z檢驗(yàn)曲線，其中一段數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)小于30個(gè)時(shí)為t檢驗(yàn)值，橫虛線示意z檢驗(yàn)顯著性水平為0.01的臨界值（該臨界值為2.58）Fig.5 Cumulative misfit curves（a）and the absolute values of z－test（b）The circle and square dot lines correspond to the cumulative misfit curves calculated with different reference stress tensors of southern and northern segments（a）；The z－test value curves correspond to the above cumulative misfit curves，t－test value is used when the data number of one segment is smaller than 30，the horizontal dashed line indicates the critical value（equal to 2.58）of z－test for the significance level of 0.01（b）

為驗(yàn)證應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果的可靠性，我們根據(jù)萬(wàn)永革等（2000，2008）給出的由應(yīng)力場(chǎng)確定大震斷層面參數(shù)的方法，利用本研究獲得的應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果和龍門山斷裂模型反推龍門山斷裂南、北段的理論震源機(jī)制解.龍門山斷裂的模型走向和傾角參數(shù)我們參考胡幸平（2010）碩士學(xué)位論文，具體參數(shù)見表4.我們將應(yīng)力場(chǎng)在斷層面上最大剪應(yīng)力方向看作斷層的滑動(dòng)方向，滑動(dòng)角計(jì)算結(jié)果見表4，其理論震源機(jī)制解見圖6.由計(jì)算結(jié)果可見，龍門山斷裂南段滑動(dòng)角為91.5°，震源機(jī)制解類型為純逆沖型；龍門山斷裂北段滑動(dòng)角為127.8°，震源機(jī)制解類型為逆沖兼右旋走滑型.該結(jié)果與實(shí)際的地質(zhì)考察及震源破裂過(guò)程反演得到的結(jié)果一致（徐錫偉等，2008；陳國(guó)光等，2007；華衛(wèi)等，2009；杜義等，2009；張勇等，2009），這從側(cè)面驗(yàn)證了應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果的可靠性.用余震震源機(jī)制解反演得到的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算出主震理論震源機(jī)制解與實(shí)際主震機(jī)制的一致性，說(shuō)明主震沒有完全釋放震源區(qū)應(yīng)力，余震是主震的繼續(xù).圖4與圖6差異較大的原因是，由主應(yīng)力方向判斷震源機(jī)制類型時(shí)，我們一般是把應(yīng)力張量對(duì)應(yīng)的最大剪切應(yīng)力面視為斷層面，而圖6是在斷層幾何參數(shù)確定的情況下，根據(jù)應(yīng)力張量在斷層面上的剪切應(yīng)力方向確定其理論震源機(jī)制解.前者將應(yīng)力張量對(duì)應(yīng)的最大剪切應(yīng)力面視為斷層面，確定震源機(jī)制類型；后者是在存在薄弱斷層面的情況下，由薄弱斷層面上的剪切應(yīng)力方向確定震源機(jī)制類型.故圖4與圖6結(jié)果差異較大.

表4 龍門山斷裂模型（模型參數(shù)引自胡幸平，2010）及計(jì)算出的滑動(dòng)角Table 4 The fault model of Longmenshan（parameters are selected from Hu，2010）and the calculated slip angle

圖6 汶川地震斷層南段（a）、北段（b）的理論震源機(jī)制解Fig.6 Theoretical focal mechanisms of southern（a）and northern（b）segments of Wenchuan earthquake

3 討論與結(jié)論

本研究在先前的研究基礎(chǔ)上，使用鄭勇等（2009）給出的汶川地震余震震源機(jī)制解資料，利用Wyss和Lu（1995）提出的利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)均勻性對(duì)斷層或板塊邊界進(jìn)行分段的方法，從應(yīng)力場(chǎng)的角度進(jìn)一步研究龍門山斷裂帶南、北段分界點(diǎn)位置.結(jié)果顯示，南、北段分界點(diǎn)位于北川附近，與先前的研究結(jié)果較為一致（唐榮昌等，1991；李勇等，2006；周榮軍等，2008；朱艾斕等，2008；李智武等，2008；陳國(guó)光等，2007；徐錫偉等，2008；王敏，2009；華衛(wèi)等，2009；杜義等，2009；張勇等，2009）.石玉濤等（2009）對(duì)汶川地震余震序列的快剪切波的偏振方向的研究結(jié)果顯示，沿龍門山斷裂帶的主壓應(yīng)力方向存在分段特征，以安縣為界.李志雄等（2009）根據(jù)對(duì)汶川地震余震序列的部分測(cè)震學(xué)指標(biāo)計(jì)算，表明汶川地震序列可能是以綿竹為界.趙翠萍等（2009）利用全球臺(tái)網(wǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站記錄波形資料研究了汶川地震震源破裂過(guò)程.結(jié)果表明，此次地震破裂過(guò)程存在顯著的分段特性，即沿龍門山斷裂帶以綿竹為界，破裂過(guò)程可分解為都江堰—綿竹段及北川—青川段.王勤彩等（2009）根據(jù)震源機(jī)制解類型的空間分布特征，將主破裂帶自西南至東北分為6段，其中第3段和第4段的分界線也大體上位于綿陽(yáng)附近.由圖1可見，本研究結(jié)果與上述由快剪切波的偏振方向、余震序列測(cè)震學(xué)指標(biāo)、震源破裂過(guò)程和震源機(jī)制解類型的空間分布給出的南、北段分界均較為接近.本研究的優(yōu)點(diǎn)是從應(yīng)力場(chǎng)角度對(duì)斷層進(jìn)行定量的分段，且分段結(jié)果與先前的研究結(jié)果較為一致；不足之處是受到資料的限制，未能對(duì)龍門山斷裂進(jìn)行細(xì)分，只給出了一級(jí)分段.本研究分段反演了汶川地震震源斷層南、北段應(yīng)力場(chǎng)，從應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果看，南、北段應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力方向間存在一定的差異.但它們主應(yīng)力方位的95%置信區(qū)間相互重疊，即從南、北段應(yīng)力場(chǎng)最佳主應(yīng)力方向及其95%置信區(qū)間很難判斷它們是否存在顯著差異.但用Wyss和Lu（1995）提出的累積殘差法研究結(jié)果顯示，南、北段應(yīng)力場(chǎng)在0.01的顯著性水平上差異是顯著的.

有關(guān)大震后震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)研究表明，震后震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)可以分為兩類：① 震后震源區(qū)發(fā)生的地震受控于統(tǒng)一的應(yīng)力場(chǎng)作用，例如，1999年土耳其Izmit地震（Polatetal，2002）和1999年集集地震 （Kao，Angelier，2001）；② 震后震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)變的不均勻，例如，1999年美國(guó)加州 Hector Mine地震（Wiemeretal，2002）和1994年Northridge地震（Hardebecketal，1998）.本研究利用汶川地震后余震資料所反映的應(yīng)力場(chǎng)信息對(duì)主震斷層進(jìn)行分段，沒有考慮到主震的影響.若能利用背景地震的應(yīng)力場(chǎng)信息對(duì)該斷層進(jìn)行分段則更具說(shuō)服力.但我們用余震震源機(jī)制解反演得到的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算出主震理論震源機(jī)制解與實(shí)際主震震源機(jī)制一致，說(shuō)明震后應(yīng)力場(chǎng)與震前應(yīng)力場(chǎng)是相似的，主震沒有完全釋放震源區(qū)應(yīng)力.故本研究利用余震資料對(duì)主震斷層進(jìn)行分段對(duì)于本次地震事件是合理的，且所得結(jié)果與先前的研究結(jié)果較為一致，這也是對(duì)本研究使用余震震源機(jī)制解資料獲得的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)主震斷層分段方法的一個(gè)肯定.

本研究在對(duì)汶川地震斷層分段的基礎(chǔ)上，分別反演了汶川地震斷層南、北段的震后應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力反演結(jié)果的平均擬合殘差和主應(yīng)力的95%置信區(qū)間均較大.應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果的擬合殘差主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是震源機(jī)制解的誤差，另一個(gè)是應(yīng)力場(chǎng)的不均勻性.由于震源機(jī)制解數(shù)量較少，且該區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，我們暫未對(duì)震源機(jī)制解的誤差大小做統(tǒng)計(jì)分析，所以應(yīng)力場(chǎng)反演殘差中有多少來(lái)自震源機(jī)制解誤差還不能確定.從先前有關(guān)研究結(jié)果可知汶川地震斷層破裂的復(fù)雜性（王敏，2009；張勇等，2009；Shenetal，2009），因此我們推斷南、北段應(yīng)力場(chǎng)反演擬合殘差較大的主要原因可能是因?yàn)槟稀⒈倍蝺?nèi)應(yīng)力場(chǎng)不均勻性造成的.南、北段的劃分可能僅是汶川地震斷層的一級(jí)劃分，南、北段內(nèi)可能還可以做進(jìn)一步分段.大地震的破裂尺度大，對(duì)局部的應(yīng)力場(chǎng)變化不敏感，所以大地震能提供較大區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)的信息；反之，小地震（或破裂）可以在大的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用下發(fā)生，但它們的發(fā)生也可能是局部應(yīng)力場(chǎng)變化的一個(gè)響應(yīng)，所以小地震對(duì)局部的應(yīng)力場(chǎng)敏感.因此，震級(jí)不同的地震反映出不同尺度應(yīng)力場(chǎng)的信息，地震能反映其破裂尺度20—50倍的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)信息（Luetal，1997；Gillardetal，1992，1996）.本研究使用震級(jí)范圍為3.7—4.7級(jí)，該震級(jí)范圍的地震資料剛好適用于汶川地震斷層的一級(jí)分段，即確定其南、北段間分界點(diǎn)的位置.有關(guān)南、北段內(nèi)的進(jìn)一步分段，則需要更多小地震的震源機(jī)制解資料.

由上述討論可見，本研究利用余震震源機(jī)制解資料，從應(yīng)力場(chǎng)的角度對(duì)汶川地震斷層進(jìn)行分段，給出了較好的一級(jí)分段結(jié)果.我們期望今后在震源機(jī)制解資料豐富的基礎(chǔ)上，能夠利用震級(jí)較小的地震震源機(jī)制解資料，對(duì)汶川地震發(fā)震斷層再進(jìn)行下一級(jí)的細(xì)分；在大量背景地震震源機(jī)制解的累積下，對(duì)震后應(yīng)力場(chǎng)和背景應(yīng)力場(chǎng)間關(guān)系以及利用它們對(duì)斷層分段產(chǎn)生的影響作進(jìn)一步深入研究.

感謝中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所鄭勇副研究員為本研究提供了余震震源機(jī)制解資料；感謝中國(guó)地震局地球物理研究所蔣長(zhǎng)勝副研究員對(duì)本研究的幫助和指導(dǎo).

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Segmentation of the Wenchuan earthquake fault derived from tectonic stress analysis

Sheng Shuzhong1，2）Wan Yongge1，2），

1）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China
2）InstituteofDisasterPreventionScienceandTechnology，Yanjiao，SanheCity，HebeiProvince065201，China

This study determined the boundary between southern and northern segments of the Wenchuan earthquake fault based on the analysis of stress field after the main shock.The method of dividing fault or plate boundary into sections by means of stress field uniformity analysis is utilized.Aftershock focal mechanisms were obtained by using“cut and paste”（CAP）method，and used to infer the stress field.The results show that the boundary between the northern and southern segments of the seismogenic fault is located near Beichuan County，similar to those from previous studies.The inverted aftershock stress results show that the orientation of maximum principal stress axes for both northern and southern segments is ENE－WSW，and nearly horizontal.The average misfit and confidence level range of stress inversion result are relatively large，probably due to the stress heterogeneity in the northern and southern segments.Since this research only gives a gross segmentation of the seismogenic fault based on focal mechanism determination of large aftershocks，a further division of the northern and southern segments should be studied in detail in future.

Wenchuan earthquake；focal mechanism；stress field；segmentation of fault

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.06.002

P315.3＋3

A

國(guó)家自然科學(xué)基金（41074072，40874022）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金創(chuàng)新項(xiàng)目（團(tuán)隊(duì)資助計(jì)劃ZY20110101）和防災(zāi)減災(zāi)青年科技基金（200901）資助.

2011－11－12收到初稿，2012－02－28決定采用修改稿.

e－mail：wanyg217217＠vip.sina.com.cn