蘆山7.0級地震序列的震源位置與震源機制解特征

呂 堅，王曉山，蘇金蓉，潘林山，李 正，尹利文，曾新福，鄧 輝

1江西省地震局，南昌 330039

2河北省地震局，石家莊 050021

3四川省地震局，成都 610041

4河南省地震局，鄭州 450016

5河北聯(lián)合大學，唐山 063009

1 引 言

繼2008年5月12日汶川8.0級特大地震后，四川省再次發(fā)生2013年4月20日蘆山7.0級強烈地震，造成了慘重的人員傷亡.地震發(fā)生后，國內(nèi)外多家機構(gòu)和研究小組快速反演了主震的震源機制解和震源矩心深度，對滿足抗震救災需求和開展后續(xù)科學研究都有重要意義.根據(jù)現(xiàn)有的成果［1－8］，這次蘆山7.0級地震為逆沖型地震，但已有研究給出的震源機制解略有差別，震源矩心深度也在10～22 km間變化，這種差別對于確定地震斷層面形態(tài)和精細反演震源破裂過程存在一定影響.除了主震的震源參數(shù)外，余震序列的震源位置測定和震源機制解研究對于確定震源破裂過程、判定發(fā)震構(gòu)造和分析未來地震趨勢也非常重要.因此，本文將在充分整理四川數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的基礎上，對早期序列中的ML2.0級以上地震進行精確定位，反演ML4.0級以上地震的震源機制解和矩心深度.在此基礎上，結(jié)合前人研究和地震應急獲得的系列成果，重點討論蘆山地震序列的震源深度、震源機制和震源破裂面特征，探討可能的發(fā)震構(gòu)造.

2 地震重新定位和震源機制解反演

4月20日蘆山7.0級地震的余震序列發(fā)育，截止到4月29日0時，共記錄余震5700余次，其中ML2.0～2.9級667次，ML3.0～3.9級237次，ML4.0～4.9級42次，ML5.0～5.9級7次.通過分析全國統(tǒng)一編目結(jié)果和震相觀測報告，我們挑選出具有5個以上臺站記錄的ML2.0級以上地震，共計898次，采用HypoDD方法［9］對這些地震的震源位置進行重新定位.定位時采用的地殼速度結(jié)構(gòu)綜合王椿鏞等［10－11］、朱介壽等［12］、趙珠等［13］人工地 震測深和天然地震反演的成果，列于表1.在計算過程中，采用共軛梯度法求解方程，得到阻尼最小二乘法解，同時將奇異值分解法應用于部分資料以獲得有關(guān)模型參數(shù)的誤差、分辨度等信息.經(jīng)過重新定位后，得到了889次地震的震源位置，平均走時殘差由重定位前的1.23s降至0.28s，震源位置在水平向的平均估算誤差為1～2km，在垂直向的平均估算誤差為2～3km.

表1 地殼速度結(jié)構(gòu)Table 1 Crustal velocity model

在獲得精確的震源位置后，我們采用CAP方法（Cut and Paste方 法 的 簡 寫）［14－16］進行震源機制解和震源矩心深度聯(lián)合反演.該方法的一大優(yōu)勢是反演結(jié)果對速度模型和地殼橫向變化的依賴性相對較小，甚至可以應用在速度結(jié)構(gòu)變化差異很大的地區(qū)，具有較高的可靠性［17－22］，本研究采用的是該方法中P波初動方向和波形擬合聯(lián)合反演的算法.在4月20—28日間，蘆山地震序列發(fā)生了50次ML4.0級以上地震，我們對于每個地震都挑選出震中距小于300km的臺站［23］，這些臺站可以合理地包圍震中（圖1）.在波形記錄質(zhì)量的逐條分析后，只能篩選出其中的36次地震待研究，另有14次地震的波形記錄受到明顯干擾，信噪比很低.在選用震相時，我們先識別原始記錄UD分量的P波初動方向，再將原始記錄扣除儀器響應，從UD－NS－EW分量旋轉(zhuǎn)為Z－R－T分量，分成Pnl和面波兩個部分，并將Pnl部分經(jīng)帶寬為0.05～0.20Hz、面波部分經(jīng)帶寬為0.05～0.15Hz的4階Butterworth帶通濾波器濾波.選擇這樣的分析頻率范圍，既可以濾掉長周期地脈動和由速度積分到位移造成的長周期漂移，也可以有效避免介質(zhì)細結(jié)構(gòu)所帶來的影響，既可得到恰當?shù)臉肆康卣鹁匾材茌^充分地反映地震波攜帶的震源信息.由于7.0級主震造成了很多臺站的波形限幅，而且對于近臺而言不太滿足點源模型的假定，我們進行特殊處理，震中距200km內(nèi)的臺站只采用P波初動符號信息，震中距200～250km的臺站采用沒有限幅的Pnl波形信息，震中距250～300km的臺站采用沒有限幅的全部波形信息.

在研究過程中，我們采用表1中的速度模型和頻率－波數(shù)法（F－K方法）［14－16］計算理論地震圖.對于每個地震，首先在各深度對斷層走向、傾角、滑動角以2°間隔進行最佳雙力偶解搜索，然后對比不同深度反演誤差，得到最佳震源矩心深度和雙力偶解（表2）.限于篇幅，我們只給出了7.0級主震（圖2和圖3）和4月20日10時38分ML4.7級余震（圖4和圖5）的波形擬合結(jié)果作為示例.

圖1 地震震中與CAP反演使用的臺站分布圖Fig.1 Seismic epicenter and stations oriented CAP study

表2 震源機制解Table 2 Focal mechanism solution

表3 震源機制解的結(jié)果對比Table 3 Comparison of focal mechanism results

3 結(jié)果分析與討論

蘆山地震后，多家機構(gòu)和研究小組給出了7.0級主震的震源機制參數(shù)，劉杰等［1］、曾祥方等［2］、謝祖軍等［6］也相繼發(fā)表了他們的研究成果，加上本文結(jié)果均列于表3中.除了美國地質(zhì)調(diào)查局的結(jié)果外，其余八組結(jié)果的雙力偶斷層面解均存在一組相對接近的節(jié)面，走向在215°±6°間，傾角在42°±8°間，滑動角在98°±9°間.其中中國地震局地球物理研究所劉超等和韓立波等（http：／／www.cea－igp.ac.cn／tpxw／266824.shtml）的兩個結(jié)果走向一致、傾角和滑動角相差較大，GlobalCMT結(jié)果（http：／／www.globalcmt.org／CMTsearch.html）和劉杰等［1］的結(jié)果傾角相對較緩，而中國地震局地震預測研究所（http：／／www.seis.ac.cn／manage／html／8a9080 a125b29b1b0125b2a3093a0002／content／13＿04／27／1367035859616.html）、曾祥方等［2］、謝祖軍等［6］和本文的結(jié)果是非常接近的，斷層面解的三個角度最大偏差均不超過5°，這種偏差可能與反演過程中選取的臺站分布、網(wǎng)格搜索步長或者速度模型不同存在一定關(guān)系.從震源矩心深度上看，GlobalCMT結(jié)果和劉杰等［1］的結(jié)果相對較深，其余結(jié)果的深度在14±2km間，考慮到龍門山地區(qū)速度結(jié)構(gòu)比較復雜，并且蘆山地震存在一定的破裂尺度，這些偏差是完全可以接受的.如果具備更精細的三維速度模型，后續(xù)的深入研究或許可以體現(xiàn)出地震的復雜性質(zhì).這次地震的矩震級應該為6.6級或者略強一些，根據(jù)已有破裂過程的研究結(jié)果［3－5］，本次地震可能存在兩次子事件，主要滑動在第一次子事件期間（0～10s）就已經(jīng)形成，第二次子事件發(fā)生15s之后，所對應的滑動分布比較零散，需要進一步確定，兩次子事件累計釋放的標量地震矩相當于1次MW6.6～6.8級地震.相比之下，劉杰等［1］的結(jié)果震級相對偏小，可能與選取的震源持續(xù)時間稍短有關(guān)系.總體而言，本次蘆山7.0級地震的走滑分量非常微弱，可視為純逆沖型地震.而本文的主震震源機制解研究結(jié)果綜合考慮了P波初動方向和波形擬合聯(lián)合反演，和中國地震局地震預測研究所、曾祥方等［2］、謝祖軍等［6］的結(jié)果可以相互驗證，而且這些結(jié)果基于多個不同的速度結(jié)構(gòu)模型計算得到，也說明了CAP方法對速度模型的依賴性較小，適合于龍門山地區(qū)的地震震源機制解研究.

圖5 4月20日10時38分ML4.7級地震的理論地震圖與觀測地震圖虛線為理論地震圖，實線為觀測地震圖.波形下方上面的數(shù)字為理論地震圖相對觀測地震圖的移動時間，下面的數(shù)字為理論地震圖與觀測地震圖的相關(guān)系數(shù).Fig.5 Comparison between the synthetic and the observed seismograms of the ML4.7earthquake at 10：38on April 20 The dashed line are synthetic seismograms and the solid line are data.The numbers under the seismograms are the time shifts（upper）and cross－correlation coefficient in percent（lower）.Positive time shifts mean that the synthetics have been delayed or shifted to the right.

圖6是蘆山地震序列精確定位后的震中分布和沿不同剖面的震源深度分布圖，可以看出震中分布的優(yōu)勢長軸走向為北偏東30°左右，和本文得到的主震雙力偶斷層面解的一組節(jié)面走向（走向209°）吻合.震源深度剖面圖顯示出：沿著震中分布的優(yōu)勢長軸走向（A－B剖面），ML2.0以上地震的集中分布尺度在30km左右，這和張勇等［3］、劉成利等［5］得到的主震破裂斷層長度30km左右接近，小于王衛(wèi)民等［4］得到的地震破裂尺度54km左右的結(jié)果.垂直震中分布的優(yōu)勢長軸走向剖面（C－D剖面）反映了沿斷層傾向的震源分布特征，ML2.0級以上余震主要分布在5～27km的深度上，ML3.5級以上較大余震則集中分布在9～25km的深度上，并較為清晰地揭示出可能的發(fā)震斷層傾向北西（北西盤為上盤），傾角大致在45°左右.經(jīng)過重新精確定位后，7.0級主震的震源位置為30.30°N、102.97°E，初始破裂深度為15km左右，和震源矩心深度14km左右相近.

圖6 精確定位后的地震震中分布和沿不同剖面的震源深度分布圖Fig.6 Distributions of the seismic epicenter after precise relocation and the different cross sections of hypocenters

為了確定可能存在的發(fā)震斷層面，我們采用了萬永革等［24］提出的利用小震分布和區(qū)域應力場確定大震斷層面參數(shù)方法，該方法根據(jù)成叢小震發(fā)生在大震斷層面及其附近的原則，將模擬退火算法和高斯－牛頓算法結(jié)合，給出了利用小震密集程度求解主震斷層面走向、傾角的穩(wěn)健估計方法，在此基礎上考慮區(qū)域構(gòu)造應力參數(shù)，還可以估計在已求得的斷層面上的滑動角，目前已在唐山地震序列的研究中得到了非?？煽康慕Y(jié)果.根據(jù)方法原理，我們結(jié)合地震序列優(yōu)勢長軸走向（210°左右）和本文主震震源機制解存在的一組節(jié)面走向（209°），將從南西—北東的地震分布順時針旋轉(zhuǎn)61°為從西—東分布，然后按選定的矩形區(qū)域四邊各剔除0.5%的離散數(shù)據(jù)進行擬合（圖7a、圖7b），得到選定地震至假定斷層面距離擬合標準差最小的平面為走向207°，傾向北西，傾角50°（圖7b、圖7c）.我們根據(jù)主震震源機制解確定P軸方位296°、仰角1°，T軸方位188°、仰角87°為區(qū)域應力場參數(shù)，計算出假定斷層破裂的滑動角為92°，上述結(jié)果與本研究得到的主震震源機制解存在的走向209°、傾角46°、滑動角94°的節(jié)面非常接近.圖7d中顯示了選定地震離開斷層面的距離，可以看出絕大多數(shù)余震發(fā)生在斷層面附近10km左右的區(qū)域.綜合主震在震中平面圖和深度剖面圖的位置（圖6）、初始破裂深度和震源矩心深度相近的現(xiàn)象，推測主震破裂過程自初始點沿斷層的兩側(cè)擴展破裂，南側(cè)破裂比北側(cè)稍長，滑動量主要集中在初始破裂點附近，地表以下5km深度以內(nèi)無大的錯動，因此該深度范圍內(nèi)余震也很少.

蘆山7.0級地震和2008年汶川8.0級地震同處于龍門山斷裂帶（圖1），其中汶川8.0級地震發(fā)生在龍門山斷裂帶中北段，是一次以逆沖為主的地震，造成了龍門山中央斷裂240km左右和前山斷裂80km左右的地表破裂帶［25］.本次蘆山地震發(fā)生在龍門山斷裂帶南段，現(xiàn)場考察沒有發(fā)現(xiàn)明顯的地表破裂帶.精確定位后的地震序列分布在龍門山前山斷裂以東和龍門山山前斷裂以西的區(qū)域（圖6），根據(jù)主震的最佳雙力偶解和地震序列擬合的斷層面參數(shù)，可以推測發(fā)震斷層是一條走向北東、傾向北西的逆沖斷層，絕大多數(shù)ML4.0級以上余震的震源機制也表現(xiàn)出與主震類似的逆沖破裂特征（圖8）.結(jié)合主震14km左右的震源深度和46°左右的破裂傾角，發(fā)震斷層的地表出露應該在主震震中的東側(cè)10～20km的位置，龍門山山前斷裂的逆沖性質(zhì)、斷層傾向及在震中區(qū)域的展布方向較為符合推測發(fā)震斷層的特征，地表以下5km深度以內(nèi)余震很少和主震破裂過程研究顯示破裂面上的位移未達地表的現(xiàn)象［3－5］，也在一定程度上可以解釋為什么在龍門山山前斷裂找不到明顯地表破裂的原因.然而，根據(jù)中國地震局發(fā)布的地震烈度分布圖（http：／／www.cea.gov.cn／publish／dizhenj／465／539／2013042618 5746117952058／index.html），Ⅸ度極震區(qū)東北自蘆山縣太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)以北，西南至蘆陽鎮(zhèn)向陽村，長半軸為11.5km，地表存在較明顯的橫向擠壓縮短變形、定向排列的噴沙冒水孔、以及細小的地裂縫等，表現(xiàn)為本次地震造成的地表形變帶，是揭示地下發(fā)震構(gòu)造的重要參考，因此我們不能排除在龍門山前山斷裂和山前斷裂之間還存在一條未知的基底斷裂發(fā)震的可能性，該斷裂具有隱伏性，地表展布位置應該在7.0級主震的震中以東.同時，圖8中ML4.0級以上余震的震源機制解也具有一定的分區(qū)特征，有個別地震表現(xiàn)為近東西向的純逆沖破裂，后續(xù)我們將收集震區(qū)大比例尺的地震地質(zhì)、地球物理和科學考察資料再深入研究，進一步揭示蘆山地震序列的發(fā)震機理.

圖7 精確定位的小震分布在水平面（a）、斷層面（b）和垂直于斷層面的橫斷面（c）上的投影；（d）為地震距斷層面距離的分布圓圈表示精確定位小震，粗線表示確定的斷層面邊界.AB為斷層上邊界端點.Fig.7 Distribution of precisely located Lushan earthquakes sequences：（a）The map view；（b）Vertical cross－section along the fault plane；（c）Vertical cross－section perpendicular to the fault plane；（d）Histogram of earthquakes sorted by their distances to the fault plane Circles indicate the event locations，thick lines are the fault plane boundaries.AB is the fault upper boundary.

圖8 震源機制解結(jié)果圖（下半球投影，震源球旁的數(shù)字為震源矩心深度）Fig.8 Map of focal mechanism results

4 結(jié) 論

（1）蘆山7.0級主震的震源位置為30.30°N、102.97°E，初始破裂深度為15km左右，震源矩心深度為14km左右，震源機制最佳雙力偶解的節(jié)面I為走向209°／傾角46°／滑動角94°，節(jié)面Ⅱ為走向23°／傾角44°／滑動角86°，走滑分量極小，可視為純逆沖型地震破裂.

（2）ML2.0級以上余震序列主要發(fā)生在主震南北兩側(cè)累計30km左右的區(qū)域，震源深度主要集中在5～27km，ML3.5級以上較大余震則集中分布在9～25km的深度上，利用小震分布和區(qū)域應力場擬合可以得到發(fā)震斷層參數(shù)為走向207°／傾角50°／滑動角92°，絕大多數(shù)余震發(fā)生在斷層面附近10km左右的區(qū)域.綜合地震序列分布特征、主震震源深度和已有破裂過程研究結(jié)果，可以推測主震破裂過程自初始點沿斷層的兩側(cè)擴展破裂，南側(cè)破裂比北側(cè)稍長，滑動量主要集中在初始破裂點附近，可能沒有破裂到地表.

（3）絕大多數(shù)ML4.0級以上余震的震源機制表現(xiàn)出與主震類似的逆沖破裂特征，但也具有一定的分區(qū)特征，甚至有個別地震表現(xiàn)為近東西向的純逆沖破裂，后續(xù)我們將進一步深入研究這些余震的發(fā)震機理.

（4）綜合已有的研究成果，初步推測蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造為龍門山山前斷裂，考慮到極震區(qū)發(fā)現(xiàn)的地震地表形變帶，也不排除主震震中東側(cè)還存在一條未知的基底活動斷裂發(fā)震的可能性.

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”和四川省地震局為本研究提供了地震波形數(shù)據(jù)，中國地震局地質(zhì)研究所張培震研究員在汶川地震研究中提供了龍門山區(qū)域的斷裂數(shù)據(jù)，中國科學院測量與地球物理研究所謝祖軍博士提供大量幫忙，審稿專家給出重要修改意見，在此一并致謝！

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