2013年4月20日四川蘆山MS7．0地震：一個高角度逆沖地震

曾祥方，羅 艷，韓立波，石耀霖＊

1 中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點實驗室，中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

2 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

3 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

1 引 言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2013 年4 月20日8時02分46秒四川省雅安市蘆山縣（30．3°N，103．0°E）發(fā)生MS7．0 地震（圖1，以下簡稱蘆山地震）．震源機制解研究是認(rèn)識地震發(fā)震斷層的重要手段，也是理解深部構(gòu)造應(yīng)力和地震發(fā)震機理的重要依據(jù)．地震發(fā)生后國內(nèi)外研究機構(gòu)，通過各種地震學(xué)方法，初步研究了震源機制解、破裂過程等震源參數(shù)［1－2］，結(jié)果表明蘆山地震是發(fā)生在龍門山斷裂帶南段上的一次逆沖地震，但是不同機構(gòu)所給出的地震斷層面傾角存在一定差異．在震源參數(shù)研究中，遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)對逆沖地震的傾角具有較好的約束，而近震可以較好地確定斷層走向．本文利用近遠(yuǎn)震數(shù)字波形記錄，分別利用P 波初動和波形聯(lián)合反演方法，探討本次地震的震源機制解，通過分析不同參數(shù)對斷層面傾角的影響，并結(jié)合短期余震機制解，確認(rèn)了蘆山地震是一個高角度逆沖地震．

2 近遠(yuǎn)震P波初動聯(lián)合反演

利用P波初動反演震源機制解的基本原理是通過對比不同機制解預(yù)測的各臺站P 波初動符號與實際觀測結(jié)果的差異，求得矛盾符號最小的一個或一組解作為地震機制解結(jié)果［4］．該方法較為簡單，但是結(jié)果可靠性較為依賴所用臺站分布和離源矢量誤差．臺站分布則決定了離源矢量在震源球上的采樣，不同震中距的采樣空間不同，遠(yuǎn)震臺站的離源矢量主要集中在震源球中心區(qū)域，近震臺站除了少數(shù)震中距較小的臺站可以采樣中心區(qū)域外，大部分近震臺站集中在外圍區(qū)域．蘆山地震的初步研究結(jié)果表明其為一高角度逆沖地震，近震臺站初動符號對斷層的傾角和滑動角的約束不夠理想．而遠(yuǎn)震臺站可以密集采樣震源球中心位置，對近震臺站數(shù)據(jù)形成了有效補充．我們從IRIS（Incorporated Research Institutions for Seismology）數(shù)據(jù)中心下載了蘆山地震在全球地震臺網(wǎng)（Global Seismographic Network，GSN）的寬頻帶數(shù)字波形記錄，選取震中距在35°～85°，清晰直達(dá)P波信號的36個臺站的記錄（圖1b）讀取遠(yuǎn)震P波初動符號，而近震初動符號則在國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心［5］提供的波形數(shù)據(jù)中，選取了200km 以內(nèi)初動最清楚的18 個臺站，進(jìn)行P波初動拾?。?/p>

圖1 （a）近震臺站分布圖；（b）遠(yuǎn)震臺站分布圖紅色五角星代表蘆山地震震中，藍(lán)色三角代表臺站，黑色實線代表活動斷層［3］．Fig．1 （a）Regional station distribution map；（b）Teleseismic station distribution mapStar denotes epicenter while triangles indicate stations．black lines denotes fault．

離源矢量計算中的誤差主要來自震源深度誤差和地震波速度模型誤差．本文采用中國地震臺網(wǎng)快報目錄給出的蘆山地震震中位置，深度為13km，將深度誤差設(shè)為1km．近震離源角計算中所用速度模型為前人汶川地震余震研究中所用速度模型［6］基礎(chǔ)上修改得到（表1，WC），而遠(yuǎn)震離源角計算采用IASP91模型．Hardebeck 和Shearer提出速度模型和震源深度的誤差可以根據(jù)離源角、方位角、深度誤差，進(jìn)行隨機擾動，生成新的離源矢量，然后進(jìn)行網(wǎng)格搜索并得到最可信解［7］．由于地殼中地震波傳播較為復(fù)雜，將近震出射角的誤差設(shè)為5°，而遠(yuǎn)震地震波出射角誤差一般較小，設(shè)為2°，方位角誤差均為1°．震源深度的誤差為1km，進(jìn)行50次嘗試后，得到斷層面參數(shù)為212°/44°/92°（圖2），該解給出的理論初動符號與實際觀測結(jié)果相符，其走向與龍門山斷裂帶走向接近．

圖2 P波初動反演結(jié)果＋表示初動為正，○表示初動為負(fù)，紅色區(qū)域為壓縮區(qū)域，理論初動為正，白色區(qū)域為拉張區(qū)域，理論初動為負(fù)．Fig．2 P wave first－motion focal mechanismPlus denotes positive first motion，while circle means negative one．

表1 蘆山地震震源區(qū)地殼地震波速度模型Table 1 Seismic velocity model of epicenter regionof the Lushan earthquake

3 近遠(yuǎn)震波形聯(lián)合反演

P波初動反演可以快速給出地震機制解，但是缺少其他震源參數(shù)，而利用波形反演方法，可以充分利用地震記錄中各種震相到時、振幅、相位等信息，對震源機制提供有效約束，不僅可以提供斷層面參數(shù)，還可以提供標(biāo)量地震矩、矩心深度、破裂持續(xù)時間等震源參數(shù)［8－9］．傳統(tǒng)的地震波形反演方法一般只單獨采用近震或遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，陳偉文等［9］發(fā)展了改進(jìn) 的“剪切—粘貼”方法（Cut－And－Paste joint，CAPjoint），利用近遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演，表明近遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)可以相互補充，更好地約束地震震源參數(shù)，尤其是對于逆沖地震，遠(yuǎn)震對傾角的約束具有一定優(yōu)勢［9］，因此本文采用該方法進(jìn)行波形反演．

遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)可包括豎直向P 波和切向SH波，其格林函數(shù)計算過程分為震源區(qū)地殼、地幔、臺站區(qū)地殼三步．由于不同區(qū)域的地殼地震波速度結(jié)構(gòu)差異，需要選取特定震源區(qū)地殼模型，利用傳播矩陣方法計算震源區(qū)和臺站區(qū)地殼部分傳播效應(yīng)，地幔部分則采用初步地球參考模型（Primarily Reference Earth Model，PREM），計算幾何擴散效應(yīng)和非彈性衰減效應(yīng)，最后將三者卷積得到格林函數(shù)［10］．近震波形數(shù)據(jù)包括體波和面波部分，格林函數(shù)計算采用頻率波數(shù)域積分方法（F－K）［11］．反演方法則與“剪切—粘貼”（Cut－And－Paste，CAP）方法［8］相似，搜索不同震源深度的最佳雙力偶解，然后對比不同深度反演誤差，得到最佳震源深度和雙力偶解．遠(yuǎn)震和近震震源區(qū)地殼地震波速度結(jié)構(gòu)模型都采用初動反演所用模型．

前期研究表明，由于蘆山地震為逆沖型地震，其遠(yuǎn)震SH 波部分信噪比較P波部分低［12］，因此未參與反演．遠(yuǎn)震P 波經(jīng)去除傾斜，去除儀器響應(yīng)等預(yù)處理后，根據(jù)IASP91計算的理論到時進(jìn)行截取，窗口長度為60s，濾波頻段選為0．05～0．1 Hz．四川盆地和青藏高原東緣速度模型差異較大［13－16］，所以近震波形中主要采用青藏高原東緣臺站，且利用傳播效應(yīng)較為簡單的徑向和豎直向長周期S 波和面波記錄，為了減少速度模型橫向變換的影響，主要選取了震中西部和南部較遠(yuǎn)距離臺站．原始數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，根據(jù)震中位置，將水平記錄旋轉(zhuǎn)徑向和切向，并根據(jù)S波理論到時進(jìn)行截取，窗口長度為60 s，濾波至0．05～0．1Hz．遠(yuǎn)震和近震數(shù)據(jù)間權(quán)重根據(jù)陳偉文等［7］提出的方法進(jìn)行選?。?/p>

我們計算了2～20km 間10個深度下的各臺站格林函數(shù)，破裂時間設(shè)為10s，首先在各深度對斷層走向、傾角、滑動角以10°間隔進(jìn)行搜索，得到的最佳矩心深度為12km，最佳雙力偶機制解為：節(jié)面1：211°/47°/90°；節(jié)面2：30°/43°/89°．根據(jù)中國地震臺網(wǎng)快報目錄（data．earthquake．cn）給出的短期余震分布，我們認(rèn)為節(jié)面1為可能的發(fā)震斷層．在此基礎(chǔ)上，將搜索間隔縮小為2．5°，得到解為：節(jié)面1：216°/47°/93°；節(jié) 面2：31°/43°/86°，矩 震 級 為6．7，其理論波形和實際記錄對比見圖3．由波形對比圖可見波形擬合較好，遠(yuǎn)震P波部分互相關(guān)系數(shù)均不小于0．8，近震面波窗口的徑向和豎直向波形互相關(guān)系數(shù)在0．8左右．

圖3 蘆山地震CAPjoint反演實際波形與理論波形對比紅線為理論波形，黑線為實際波形，波形下方數(shù)字分別為互相關(guān)系數(shù)百分比（%）和對應(yīng)時間偏移（s），臺站名上方數(shù)字為方位角（°）和震中距（km）．Fig．3 CAPjoint modeling for Lushan earthquakeRed line shows theoretical seismogram while black line shows data．Numbers below waveform are cross－correlation（%）in percent（%）and time shift（s）．Numbers above station name are azimuth（°）and epicenteral distance（km）

4 討論與結(jié)論

本文根據(jù)P 波初動和波形反演得到的斷層面參數(shù)為212°/44°/92°和212°/47°/93°，基本符合震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場［17－19］，但是斷層面三個參數(shù)中，走向和滑動角與其他機構(gòu)結(jié)果相近，但傾角較大．對于逆沖斷層而言，傾角越大，上盤向上錯動所需能量越大，以發(fā)生在同一斷裂帶的汶川地震為例，GlobalCMT（www．globalcmt．org）給出的斷層傾角為35°，而蘆山地震傾角明顯較大．為了研究斷層面傾角的不確定性，需要分離斷層面走向、滑動角、深度等模型參數(shù)影響．采用波形反演得到斷層面的走向（216°）和滑動角（93°），首先計算了12km 深度下不同傾角的波形反演誤差，結(jié)果見圖4a，隨著傾角遠(yuǎn)離最佳解（47°），誤差迅速增加，表明這一傾角是可靠的，而固定斷層面參數(shù)得到的不同深度反演誤差也表明這一深度結(jié)果較為可靠（圖4b）．

波形反演過程中地震波速度模型對反演結(jié)果也有一定影響，雖然本文未選取四川盆地內(nèi)部臺站，但是為了考察不同模型對斷層傾角的影響，選取了三個較為典型的速度模型進(jìn)行分析，分別是震中處由CrustModel2．0 模型基礎(chǔ)上的修改模型（表1 中CM2）［12］、較為極端的盆地模型［19－20］（表1中SC）和低速體模型［21］（表1中LVZ）．在已有機制解的斷層走向（200°～230°）和滑動角（80°～110°）附近搜索最佳傾角，結(jié)果見圖5．三個速度模型下，大部分機制解的傾角較高（＞40°），但是低速層模型由于低速層引起較強反射，增加了波形高頻成分，導(dǎo)致誤差分布跳躍較大，且震源深度出現(xiàn)了10km 和16km兩個局部最優(yōu)解．

采用同樣的模型，利用200km 內(nèi)臺站的體波和300km 內(nèi)臺站面波，利用CAP 方法對蘆山地震震后4個小時內(nèi)的較強余震機制解進(jìn)行了初步研究，表2給出了雙力偶解中沿龍門山斷裂帶走向的節(jié)面參數(shù)、震源深度和震級．大部分余震機制解與主震相近，其中3 號地震較為特殊，但另一個節(jié)面解（36°/82°/73°）也為高角度逆沖，具體發(fā)震斷層面仍有待進(jìn)一步分析．同時這一區(qū)域的地質(zhì)考察也表明當(dāng)?shù)卮嬖谳^高傾角斷裂［22］．

表2 蘆山地震短期較強余震震源機制解Table 2 Focal mechanisms of short term aftershocks of Lushan earthquake

如此高角度的逆斷層錯動，只有在極大的差應(yīng)力和長期應(yīng)變能積累后才能發(fā)生［23］．龍門山斷裂帶位于青藏高原東南緣，由于青藏高原隆升引起的地殼物質(zhì)東流，在此遇到四川盆地阻擋，因此應(yīng)變能長期積累，定量計算模擬表明，整個龍門山斷裂帶上地殼底部都是應(yīng)力高增長率區(qū)［24］．在汶川地震破裂過程中，主要破裂集中在龍門斷裂帶北段，而南部基本沒有發(fā)生錯動，余震活動也較小，因此其上積累的應(yīng)變能并沒有得到釋放．汶川地震對周圍斷層的影響較大，根據(jù)完全彈性和黏彈性情況下計算得到的庫侖應(yīng)力變化，蘆山地震震源區(qū)的庫侖應(yīng)力增加量約為0．01MPa［25－27］．近期在龍門山斷裂帶南段進(jìn)行的原位地應(yīng)力測量結(jié)果也表明這一區(qū)域的最大水平主應(yīng)力已達(dá)斷層活動應(yīng)力臨界下限值，斷裂活動進(jìn)入臨界狀態(tài)［16］，蘆山地震正是發(fā)震斷層面上剪切應(yīng)力超過閾值引起的斷層錯動．

本文綜合利用近遠(yuǎn)震地震數(shù)據(jù)，通過P 波初動反演和波形反演方法，確定了蘆山地震的震源機制解，并結(jié)合短期余震的機制解，認(rèn)為發(fā)震斷層為一高角度逆沖斷層．由于在反演過程中采用的點源近似，分層均勻地震波速度模型等與真實情況存在一定差異．地震機制解雖然有助于探討發(fā)震斷層，但具體發(fā)震斷層，仍需要通過震后地質(zhì)考察、高精度主震和余震定位等方法得到．如此高角度逆沖地震的力學(xué)機制則需要通過多種方法得到震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場、介質(zhì)模型、斷層形態(tài)和摩擦系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行定量分析得到．

致 謝 中國地震局地球物理研究所國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心為本研究提供地震波形數(shù)據(jù)，GSN 臺網(wǎng)數(shù)據(jù)由IRIS DMC 提供，本文圖件采用Generic Mapping Tools繪制，在此一并表示感謝．

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