近場位移數(shù)據(jù)約束的2013年蘆山地震破裂模型及其構(gòu)造意義

譚凱， 王琪， 丁開華， 李恒， 鄒蓉，聶兆生， 王迪晉， 楊少敏， 喬學(xué)軍

1 中國地震局地震研究所，地震大地測量重點實驗室， 武漢 430071 2 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，地球物理與空間信息學(xué)院，行星科學(xué)研究所， 武漢 430074 3 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，信息工程學(xué)院， 武漢 430074

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近場位移數(shù)據(jù)約束的2013年蘆山地震破裂模型及其構(gòu)造意義

譚凱1， 王琪2*， 丁開華3， 李恒1， 鄒蓉2，聶兆生1， 王迪晉1， 楊少敏1， 喬學(xué)軍1

1 中國地震局地震研究所，地震大地測量重點實驗室， 武漢 430071 2 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，地球物理與空間信息學(xué)院，行星科學(xué)研究所， 武漢 430074 3 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，信息工程學(xué)院， 武漢 430074

以往的研究顯示了2013年蘆山MS7.0級地震發(fā)震斷層的隱伏逆沖斷層基本特征，但是破裂深部細節(jié)差異較大．本文以近場密集的同震形變數(shù)據(jù)約束蘆山地震破裂面幾何形狀及滑動分布, 結(jié)果顯示蘆山地震破裂面具有鏟狀結(jié)構(gòu)，上部16 km為43°～50°高角度斷層，深部16～25 km為小于27°的低角度斷層，破裂深度與重定位的余震分布深度一致．破裂分布模型清楚顯示上下兩個斷層上各有一個滑動幅度大于0.5 m的峰值破裂區(qū)，最大滑動量1.5 m位于13 km深處．重定位的余震分布基本都落在最大滑動量等值線外部庫侖應(yīng)力增加的區(qū)域．蘆山地震破裂面幾何形狀和滑動分布特征與2008年汶川MS8.0級地震映秀—北川破裂相似，支持龍門山?jīng)_斷帶發(fā)育大規(guī)模的近水平滑脫層, 是青藏高原東緣地殼縮短增厚、龍門山擠壓隆升的重要證據(jù)．

蘆山地震； 同震形變； 斷層幾何形狀； 破裂滑動分布

1 引言

龍門山推覆構(gòu)造帶是中國大陸南北地震構(gòu)造帶中段的重要組成部分，繼2008年汶川MS8.0特大地震后，緊接著2013年龍門山西南段爆發(fā)蘆山MS7.0級地震，野外地質(zhì)考察沒有觀測到明顯的地表破裂(徐錫偉等，2013)．USGS公布的震源機制解顯示震源深度約12.3 km，傾角33°．趙博等(2013)利用GSN/IRIS臺網(wǎng)和國家臺網(wǎng)及四川省區(qū)域臺網(wǎng)的波形數(shù)據(jù)對主震及部分余震進行了震源機制解反演，表明主震為逆沖地震，震源機制解斷層傾角為45°．王衛(wèi)民等(2013)反演的破裂過程給出的傾角為38.5°，最大滑動量位于10～12 km深度，以逆沖為主向上擴展．Jiang等(2014)用GPS連續(xù)站數(shù)據(jù)反演了震中位置、破裂產(chǎn)狀和滑動分布，破裂傾角為43°，最大滑動位于深度13 km 處．這些結(jié)果最大的差別在于破裂斷層的傾角差異較大，主要原因可能是，遠場地震波的空間分辨率較低，而近場形變約束數(shù)據(jù)較少，所以一般都假設(shè)單傾角的矩形平面破裂，無法對破裂深部的幾何形狀進行精細約束，不能判斷蘆山地震是否具有類似汶川地震的深部滑脫層破裂特征．

本文利用蘆山地震震區(qū)各類GPS大地控制網(wǎng)復(fù)測資料以及強震臺網(wǎng)記錄獲取近場50多個站點同震變形資料，并基于彈性半空間位錯模式反演地表位移，對龍門山西南段發(fā)震斷層幾何、運動學(xué)特征進行更為準(zhǔn)確的約束．我們的研究結(jié)果證實龍門山構(gòu)造帶西南段同樣具有斷坡-滑脫構(gòu)造．

2 構(gòu)造背景與蘆山地震形變資料

龍門山構(gòu)造帶南起瀘定、天全，向北東延伸經(jīng)寶興、都江堰、江油、廣元進入陜西勉縣一帶，全長約500 km，寬40～50 km，由走向N45°E、傾向NW、傾角50°～75°的4條逆斷裂疊瓦狀組合而成，自北西往南東分別為龍門山后山斷裂、中央斷裂、前山斷裂和山前隱伏斷裂(鄧起東等，1994；陳國光等,2007)．跨龍門山區(qū)的GPS觀測表明其現(xiàn)今地殼縮短速率在3 mm·a-1以內(nèi)，右旋走滑兼逆沖運動性質(zhì)(張培震等,2008)．

龍門山斷裂帶具有長期活動性．2008年前，龍門山斷裂帶中、小地震(震級M<7的地震)活動頻繁，但未有發(fā)生過7級以上大地震的歷史記載(張勇等,2008)．但是探槽開挖揭示龍門山地區(qū)存在多次古地震事件(冉勇康等，2008；陳立春等，2009；史翔，2009；張岳橋和李海龍，2010；王煥，2011)．在過去的6000年里，龍門山地區(qū)曾發(fā)生過三次古地震事件(包括汶川地震)，平均復(fù)發(fā)間隔不超過3000年(Ran et al.,2013)，汶川5.12地震之前的事件(倒數(shù)第二個)與汶川MS8.0地震地表變形規(guī)模相當(dāng)(冉勇康等，2008)，測年數(shù)據(jù)表明該事件發(fā)生在2300～3300 aBP(Ran et al.,2010)，倒數(shù)第三個事件的發(fā)生時間晚于5920～5730 aBP(Ran et al.,2013)．另有學(xué)者指出，在接近6000 aBP的一次古地震事件中，中央斷裂帶和前山斷裂帶曾同時活動(江娃利等，2009)．

2008至2013年不到5年間，龍門山斷裂中北段和南段相續(xù)爆發(fā)汶川MS8.0級和蘆山MS7.0級地震，在周邊引起可觀的地表變形，為研究龍門山構(gòu)造帶結(jié)構(gòu)、變形特征和地震活動性提供了豐富的地殼形變信息．

2008年5月12日，四川汶川MS8.0級地震在地表錯開了龍門山中央斷裂和前山斷裂．地質(zhì)野外考察表明，灌縣—江油斷裂的地表破裂帶長約72 km，純逆沖性質(zhì)．映秀—北川斷裂的地表破裂帶長約240 km，基本呈直線展布，從映秀的逆沖逐漸過渡到青川的走滑運動(徐錫偉等，2008)．GPS、三角測量等多源數(shù)據(jù)獲得的近場密集同震形變顯示，從映秀到馬爾康，同震形變由最大5.3 m 減低到0.2 m，地表破裂帶160 km 以遠變形依然醒目(楊少敏等，2012)．譚凱等(2013)以同震形變?yōu)榧s束，用格網(wǎng)搜索法結(jié)合最小二乘法論證了破裂上部傾角較高，而下部傾角較為平緩的特征，表明龍門山中北段深部滑脫層的存在是青藏高原擠壓隆升的證據(jù)．

2013年蘆山地震后，“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”(簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))(李強等,2012)、“四川GPS連續(xù)觀測網(wǎng)絡(luò)”(廖華等,2013)以及在蘆山周邊加密布設(shè)的GPS連續(xù)站(Jiang et al.，2014)，為同震形變計算提供了可靠的數(shù)據(jù)(圖1)，GPS數(shù)據(jù)用GIPSY 軟件處理，數(shù)據(jù)處理方法見楊少敏等(2012)文獻，水平位移中誤差在3 mm 以內(nèi)．為增強同震位移資料約束，我們對蘆山震區(qū)的“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”區(qū)域站和國家GPS大地控制網(wǎng)C級點約20多點進行復(fù)測，復(fù)測工作于震后一年內(nèi)完成，每站總計觀測12～36 h．在綜合考慮震間和震后形變的基礎(chǔ)上，獲得流動觀測站同震位移場，其水平位移中誤差在5 mm以內(nèi)．另外，采用類似的零線校正方法(Iwan et al.，1985)，對近場8臺強震儀記錄的加速度波形曲線進行二次積分獲得同震靜態(tài)形變．與附近的GPS位移比較，兩者的大小和方向基本一致，估計強震儀水平位移中誤差約10 mm 左右．后續(xù)反演中，GPS連續(xù)站和流動站數(shù)據(jù)用實際中誤差定其權(quán)重，強震儀水平位移按2倍中誤差降權(quán)處理．強震儀位移垂直精度較差，舍棄不用．總共新增約30個近場站點的同震靜態(tài)水平位移觀測值．

同震形變主要集中在邛崍與天全間方圓80～100 km的范圍內(nèi)，最大形變值67 mm位于距離震中16 km 的蘆山站，距離震中約29 km 的天全站向南西位移21 mm．位移場運動方向顯示破裂以龍門山前山隱伏斷裂為分界，通過震中的斷裂縱剖面上的位移方向呈現(xiàn)垂直斷裂的對沖方式，上盤測站向南東運動指向震中，而下盤測站向北西運動，顯示明顯的破裂逆沖方式．沿斷裂走向從震中往兩側(cè)，下盤測站位移基本都垂直斷裂向北西運動，但是上盤測站位移方向很快離開垂直斷裂方向而向外側(cè)的南西或北東偏移，有可能這幾個站點已經(jīng)超出破裂斷層范圍，或者破裂方式發(fā)生了變化．(圖1)

圖1 蘆山地震構(gòu)造背景與同震形變場藍箭頭：陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)和四川GPS連續(xù)站形變；紅箭頭：加密觀測站形變；黑箭頭：Jiang等(2014)測站形變；綠箭頭：強震儀測站形變；F01：大邑隱伏斷裂；F02：隱伏斷裂；F11:龍門山前山斷裂的大川—雙石斷裂；F12：灌縣—江油斷裂； F21：龍門山中央斷裂的鹽井—五龍斷裂；F22:映秀—北川斷裂；F31：龍門山后山斷裂的耿達—隴東斷裂；F32：汶川—茂汶斷裂；灰曲線：斷層.Fig.1 The tectonic setting and coseismic deformation of the Lushan earthquakeBlue arrow: deformations of Crustal Movement Observation Network of China and Sichuan GPS continusly operating reference stations;red arrow: deformations of repeated measure stations;black arrow:deformations of Jiang′s stations (2014); green arrow:deformations of seismic strong motion stations; F01:Dayi fault; F02:a blind fault; F11:Dachuan-Shuangshi fault; F12:Guanxian-Jiangyou fault; F21:Yanjing-Wulong fault; F22:Yingxiu-Beichuan fault; F31:Gengda-Longdong fault; F32:Wenchuan-Maowen fault;gray curve:fault.

3 地震破裂模型反演

一般假設(shè)地震區(qū)為彈性空間，則矩形斷層位錯引起的地表變形可用彈性半空間(Okada,1985)或地殼分層(Wang et al.,2003)的彈性位錯公式計算，主要與斷層幾何特征7參數(shù)(長、寬、深、走向、傾向、水平投影坐標(biāo))和滑動參數(shù)(走滑量、傾滑量、張性分量)有關(guān)，以形變觀測值為約束可以反演斷層破裂參數(shù)．如果假設(shè)破裂由少數(shù)幾個面積比較大的斷裂組成，則反演的目的主要是求得破裂的大體幾何形狀和平均意義的滑動量．如果將破裂細分為更多的子斷層，則反演的目的是為了獲得精細的破裂滑動分布．兩種反演方法都應(yīng)該滿足觀測數(shù)據(jù)擬合度和滑動分布粗糙度最小(minimum)，即

‖W(Gs-d)‖2+β2‖Ls‖2=min

(1)

這里d是形變觀測值，W是觀測值的權(quán)矩陣，是觀測值方差-協(xié)方差D的逆矩陣，即D=W-1W，G是格林函數(shù)，s是子斷層滑動矢量，β是平滑因子, 單位為m-1,L是拉普拉斯有限差分算子．

地表位移是斷層幾何形狀參數(shù)和滑動參數(shù)的非線性函數(shù)，可通過非線性優(yōu)化方法求解．如果假定斷層幾何形狀參數(shù)已知，則地表位移是滑動參數(shù)的線性函數(shù)，可用線性反演方法求解滑動參數(shù)，滑動分布反演結(jié)果主要取決于破裂面先驗幾何特征．蘆山地震破裂尚未出露地表，斷裂位置、走向、長度、傾角、寬度等具有較大的不確定性．本文先用非線性反演的模擬退火算法，確定斷層幾何形狀參數(shù)及其置信區(qū)間，即將斷裂用數(shù)個斷裂段表示，用模擬退火算法確定破裂面的幾何形狀，獲得合理的、最優(yōu)的幾何形狀參數(shù)，如斷裂傾角等，并估算其置信區(qū)間；然后，在最佳幾何形狀模型的基礎(chǔ)上，將破裂面離散化為更多的子斷層，用線性反演方法，如非負最小二乘法確定最終的破裂滑動分布模型．

3.1 破裂面幾何形狀參數(shù)及置信區(qū)間

本節(jié)用幾個必要的矩形斷裂表征破裂面的幾何形狀，用模擬退火算法求解其幾何形狀參數(shù)和平均滑動量，因而用彈性半空間矩形位錯模型(Okada,1985)計算形變格林函數(shù)即可滿足精度要求．目標(biāo)函數(shù)采用(1)式的觀測數(shù)據(jù)擬合度和滑動分布粗糙度之和，其中用平滑因子β來平衡兩者的權(quán)重．根據(jù)交叉驗證的殘差平方和(CVSS)選取平滑因子(MatthewsandSegall,1993)，其原理是：平滑因子在某個范圍內(nèi)依次取值；對于每個選取好的平滑因子，將每個測站依次從n個數(shù)據(jù)里排除，用剩下的n-1個測站反演最佳模型，并用該模型計算被漏掉的那個數(shù)據(jù)的模擬殘差，循環(huán)所有測站獲得全部數(shù)據(jù)的殘差平方和CVSS；CVSS最小值對應(yīng)的平滑因子就是合理的平滑因子．

首先嘗試假設(shè)蘆山地震破裂面是單個矩形斷層．由于地質(zhì)調(diào)查沒有發(fā)現(xiàn)破裂出露地表，所以需要在較大的范圍內(nèi)尋找破裂走向的最優(yōu)解．根據(jù)平滑因子與CVSS曲線選取β=3，反演獲得破裂最優(yōu)模型的走向約為212°，與地質(zhì)調(diào)查的龍門山南段走向接近．破裂長度約16.8 km，寬度約24.7 km，以逆沖為主，兼有少量走滑．觀測值殘差均值為5.0 mm．

然后假設(shè)破裂面由上下相接的2個矩形斷裂段組成，選取β=3，最優(yōu)斷層模型走向為211°，上層傾角大于40°,下層斷裂傾角小于30°，以逆沖為主，殘差均值為 4.7 mm，比單斷裂模型提高0.3 mm．

誤差影響的觀測值反演獲得的結(jié)果都有可能是破裂模型的最優(yōu)解，以此可以估算模型參數(shù)的置信區(qū)間．令某個觀測值的中誤差為mi，將所有觀測數(shù)據(jù)加上(-2mi,+2mi)之間的一個隨機數(shù)，作為觀測值誤差干擾，分別重復(fù)反演單斷裂模型、雙斷裂模型1000次．然后將各參數(shù)結(jié)果按大小排列，去掉最小的2.5%和最大的2.5%，得到每個參數(shù)的95%置信區(qū)間(表1，表2)．圖2是將單斷裂模型的10個參數(shù)配對繪制的參數(shù)分布，圖3是將雙斷裂模型的10個主要參數(shù)(第一斷裂段的長、寬、深、傾角、走向、走滑量、第二斷裂段的寬、深、傾角、走滑量)配對繪制的參數(shù)分布．

從參數(shù)分布圖可以到斷裂走向、位置的變化．在圖2的單斷裂模型參數(shù)分布圖中，走向在207°～215°左右，傾角約39°～42°，下邊界深度約20～24 km，走滑量很?。m然斷裂滑動量變動較大，但基本呈現(xiàn)逆沖的特征，逆沖量與破裂長度成反相關(guān)．長度取15 km，則逆沖量有1 m；長度取20 km，則逆沖量只有0.8 m．

圖2 單斷裂模型參數(shù)分布length:長；width：寬； depth：深；dip：傾角；strike：走向；east：X坐標(biāo)；north：Y坐標(biāo)；strike slip：走滑量；dip slip：傾滑量；open slip：張性分量.Fig.2 One-fault-model parameters distribution

圖3 雙斷裂模型參數(shù)分布1：雙斷裂上層；2：下層.Fig.3 Two-fault-model parameters distribution

表1 單斷裂模型參數(shù)的搜索上下界、最優(yōu)模型和95%置信區(qū)間Table 1 Searching ranges, optimum models and confidence intervals of one-fault-model parameters

注：斷層X、Y坐標(biāo)定位于斷層下邊界中點.深度是下邊界埋深.坐標(biāo)原點的地理坐標(biāo)是103.18°E，30.21°N.

表2 雙斷裂模型參數(shù)的搜索上下界、最優(yōu)模型和95%置信區(qū)間Table 2 Searching ranges, optimum models and confidence intervals of two-fault-model parameters

注: N指該參數(shù)不獨立,沒有給出其搜索范圍進行搜索,而是根據(jù)其他參數(shù)直接計算.

雙斷裂模型(圖3)與單斷裂模型具有相似的特征，斷裂走向和位置與單斷裂模型差異不大，走向約205°～214°．總深度與單斷層模型的基本一致，但分辨出兩個傾角，上層傾角大于43°，而下層傾角小于30°．長度主要與上層逆沖量成反比相關(guān)，似乎主要由上層逆沖量控制，而與下層逆沖量的相關(guān)性不是很明顯．上層破裂平均滑動量大于0.5 m，破裂長度為14～20 km，與單斷裂模型一致．可以分辨出下層具有大于0.3 m 的逆沖量．

基于雙斷裂模型上陡下緩特征、以及能量最小原理考慮，破裂面傾角也可能從地表的高傾角連續(xù)變化到近水平傾角狀態(tài)，但是這種復(fù)雜模型未知參數(shù)多，需要更多的先驗假設(shè)，降低了形變觀測數(shù)據(jù)的分辨力，使反演難以收斂于穩(wěn)定解．由于雙斷裂模型幾何參數(shù)可以被形變觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)健分辨，反演結(jié)果穩(wěn)定，并且與地質(zhì)調(diào)查和震源機制解比較吻合，我們認為雙斷裂模型反映了破裂基本特征，可以做為后續(xù)研究的基礎(chǔ) ．

3.2 破裂滑動分布

本節(jié)假設(shè)前面的破裂幾何形狀參數(shù)為已知，將斷層分割為更多數(shù)目的子斷層，以獲得更精細的滑動分布．以雙斷裂最優(yōu)模型為基礎(chǔ)，固定斷裂的走向和傾角，考慮破裂可能超出雙斷裂模型范圍，新建模型的破裂面有意向兩側(cè)和深處延長并超過余震分布范圍(長54 km，寬56 km)，下層斷裂長度、走向與上層斷裂一致．最后新建破裂面都被離散化為約1.3×1.1 km的2142個矩形子斷層．

如此則地表位移是子斷層滑動參數(shù)的線性函數(shù)，遵循(1)式觀測數(shù)據(jù)擬合度和滑移分布粗糙度最小的原則，采用非負最小二乘法解算所有子斷層的走滑量和傾滑量．經(jīng)試算證實：相同的平滑因子約束下，半空間的彈性位錯模型與地殼分層的彈性位錯模型反演的滑動分布基本一致；如果平滑因子取值在7～14內(nèi)，彈性半空間模型與地殼分層模型都可以明顯分辨出淺部和深部各有一個滑動峰值區(qū)，其中最大破裂都位于12～14 km深處．為簡單起見，采用彈性半空間位錯模型計算地殼形變格林函數(shù)．

Du等(1992)以分辨率矩陣R來評估模型的可靠性，其對角線元素rj(j=1,2,…,2n,n是子斷層數(shù))反映子斷層滑動分量估算強度．如果該分量能夠完全分辨，其值為1；完全不能分辨，其值為0；通常對角元素 0

圖4 滑動分布模型平滑因子與CVSS曲線Fig.4 Smooth factor VS. CVSS of slip distribution models

圖5 同震滑動分布模型Fig.5 Coseismic slip distribution model

(2)

這里α代表子斷層的線性尺度，在本模型為1.3 km.ρ代表了模型能夠可靠分辨的滑動分布尺度大小．分析可知，模型上層十多公里深處分辨率達7 km左右，下層二十多公里深處分辨率也在10 km左右．因此可以認為，模型顯示上層大于1 m的主滑動區(qū)，以及下層大于0.5 m的滑動區(qū)是可靠的．

3.3 模型比較

以往基于遠震地震波或大地測量資料反演蘆山地震破裂模型，揭示了破裂的基本特征．這些模型顯示在震源附近二十多公里范圍內(nèi)，破裂以逆沖為主，尚未出露地表(表3)．

表3所列以地震波資料約束的破裂模型假設(shè)震源機制的破裂幾何參數(shù)和震源位置為已知．由于各家采用的震源機制來源不同，預(yù)設(shè)的破裂走向、傾角、震源位置差異較大．這些破裂模型顯示了破裂滑動的量級，以及逆沖為主、滑動區(qū)域較小等基本特征，滑動分布的空間位置不具備可比性．張勇等(2013)假設(shè)USGS最早發(fā)布的破裂斷層走向219°、傾角33°、震中位置和深度為已知，反演結(jié)果顯示震級約MW6.8，兩次破裂子事件都發(fā)生在破裂起始點附近，集中在一個長寬皆約為25 km的滑動區(qū)域，最大滑動量約1.3 m，破裂沒有大規(guī)模出露地表．趙翠萍等(2013)參考中國地震局地球物理研究所劉超等的矩張量反演結(jié)果(http:∥www.cea-gp.ac.cn/tpxw/266824.shtml), 假設(shè)斷層走向220°、傾角35°、震中位置和深度為已知，結(jié)果顯示震級MW6.8，破裂滑動集中在起始破裂點之上40 km×30 km 的區(qū)域, 最大滑動量達1.8 m．而王衛(wèi)民等(2013)綜合震源機制解以及發(fā)震斷層地質(zhì)構(gòu)造背景，假設(shè)走向205°、傾角38.5°為已知，結(jié)果顯示震級MW6.7，最大滑動量1.6 m．

表3 蘆山地震破裂參數(shù)Table 3 Rupture parameters of the Lushan earthquake

相對而言，近場大地測量資料具有更好的空間分辨率．基于GPS和InSAR數(shù)據(jù)反演的破裂斷層幾何形狀參數(shù)(Jiang et al.,2014;劉云華等,2014)具有較好的一致性，破裂斷層走向、傾角、甚至破裂位置和深度的差異都較小，走向都在208°～212°間，傾角大于40°，最大破裂滑動的深度約13 km，矩震級MW6.6與GCMT結(jié)果一致．本文不但分辨出上部破裂主要傾角46.8°，還分辨出下部16～25 km處破裂傾角低于26.5°，有可能是連接龍門山深部滑脫層的過渡斷層，也可能屬于滑脫層的一部分．上部16 km可能是彈性閉鎖層，釋放地震矩0.70×1019N·m, 占總地震矩的61.7%，相當(dāng)于矩震級MW6.50；下部低角度滑脫層的峰值滑動深22 km，釋放地震矩0.44×1019N·m ，占總地震矩38.3%，相當(dāng)于震級MW6.37. 地震波反演的破裂過程(張勇等,2013；趙翠萍等,2013)也表明蘆山地震由2次破裂事件組成．

本文與地震波資料給出的最大滑動量都超過1 m，而Jiang 等(2014)和劉云華等(2014)給出的結(jié)果都小于1 m．Jiang等(2014)給出的精細滑動分布模型最大滑動量為0.6 m．從物理意義上理解，均勻滑動模型滑動量應(yīng)該是所有滑動量的大概平均，應(yīng)在0～0.6 m 間，但其給出的均勻滑動量為0.7 m．觀測數(shù)據(jù)的空間分布、約束條件或平滑條件的影響，都可能影響均勻滑動模型或滑動分布模型的破裂面積大小，從而影響均勻滑動量或者最大滑動量的大小．劉云華等(2014)沒有分析平滑因子對滑動分布的影響，但均勻滑動模型滑動量0.94 m 略大于滑動分布模型最大滑動量0.91 m，而且均勻滑動模型矩震級與滑動分布模型矩震級不一致，說明至少有一個結(jié)果沒有反映約束數(shù)據(jù)所代表的地震能量．

破裂滑動分布結(jié)果可與余震活動分布相互驗證．為此，根據(jù)本文最優(yōu)破裂模型計算蘆山地震靜態(tài)庫侖應(yīng)力(Toda et al.,2005)分布，將靜態(tài)庫侖應(yīng)力、破裂滑動分布、余震分布分別投影到水平面(圖6a)和垂直剖面(圖6b)上，余震分布采用陳晨和胥頤(2013)重定位結(jié)果．本文有滑動的最大深度是25～26 km，與余震重定位結(jié)果的最大深度一致(圖6b)．大部分余震分布在5～24 km 深度內(nèi)，與本文模型滑動大于0.2 m 的區(qū)域一致，與房立華等(2013)、Jiang等(2014)的結(jié)果基本相同．但是，本文結(jié)果顯示，余震分布基本都落在最大滑動量等值線外部、庫侖應(yīng)力增加的區(qū)域，與2008年汶川地震破裂類似，余震主要分布在高滑動區(qū)外(Wang et al.,2011)，而與Jiang 等(2014)展示的余震分布與高滑動區(qū)相對應(yīng)的結(jié)果不同．

本文解算標(biāo)量地震矩與GCMT估算的標(biāo)量地震矩最接近，略大于Jiang等(2014)、劉云華等(2014)用大地測量資料反演得到的結(jié)果，比張勇等(2013)、王衛(wèi)民等(2013)、趙翠萍等(2013)利用遠震地震波計算結(jié)果都?。惹肮嫉臄?shù)個模型，由于受到遠場資料空間分辨率的制約，或者近場資料的稀少，都只能分辨出單一傾角斷層，以及一個比較集中的滑動峰值區(qū)．本文模型分辨出斷層由上部高傾角斷層下接低傾角斷層組成，與汶川地震破裂的鏟形幾何形狀類似．

4 討論

圖7清晰地展示了汶川地震(譚凱等，2013)、蘆山地震破裂模型(本文結(jié)果)和地質(zhì)調(diào)查結(jié)果．汶川地震和蘆山地震均具有類似的鏟形破裂結(jié)構(gòu)，深部低角度破裂深度都從16 km延伸到23～25 km，兩個模型低角度破裂頂部的水平投影大致平行，說明龍門山斷裂南段與中北段具有類似的深部低角度滑脫結(jié)構(gòu)．在汶川地震中，深部破裂幅度最大可達6～7 m，斷坡-滑脫斷層鏟形結(jié)構(gòu)的觀測值擬合度比高角度斷坡斷層的殘差平方和至少低16～17%，尤其是對斷層西南部觀測值的擬合．蘆山地震位于龍門山斷裂西南段，其深部低角度破裂幅度大于0.5 m，可能在中央斷裂的鹽井—五龍斷裂西北側(cè)(包括后山的耿達—隴東斷裂)的深部逐漸歸入近水平滑脫層．類似結(jié)構(gòu)在1999年臺灣集集MW7.6地震中也有發(fā)現(xiàn)，其破裂模型也延伸至深部近水平的滑脫層(Johnson and Segall,2004)，滑脫層上的滑動量最大達2～4 m．

近年的川滇地區(qū)測震研究提供了關(guān)于深部物質(zhì)結(jié)構(gòu)更精細的資料．鄭勇等(2013)用2007—2009年區(qū)域?qū)掝l帶測震數(shù)據(jù)，使用背景噪聲層析成像方法和遠震接收函數(shù)法，獲得了汶川震區(qū)及周邊地區(qū)精細的S波速度結(jié)構(gòu)．在淺部約5 km深度，四川盆地一側(cè)為低速區(qū)，松潘甘孜地區(qū)為高速區(qū)；在20 km 以下，四川盆地地區(qū)變成高速區(qū)，而松潘甘孜地區(qū)變?yōu)榈退賲^(qū)．深度13～17 km正好是波速變化劇烈的地區(qū)，其下底邊界與本文模型深部滑脫層位置基本一致，破裂向上以高角度出露地表，與地殼厚度和莫霍面深度陡變位置對應(yīng)．巖石成分變化和部分熔融可能導(dǎo)致波速比的變化，使得松潘甘孜上部具備與下部解偶滑脫的構(gòu)造條件；13～17 km深度下四川盆地的波速值逐漸高于松潘甘孜地塊，導(dǎo)致龍門山斷裂帶東側(cè)相對于西側(cè)表現(xiàn)的更加堅固和穩(wěn)定．因此推測，巴顏喀拉塊體向東沿滑脫層擠出，遇到堅硬的四川盆地基底的阻擋積累了足夠的地震能量，爆發(fā)了汶川地震和蘆山地震．

圖7 蘆山地震(本文結(jié)果)、汶川地震(譚凱等,2013)破裂模型比對F01：大邑隱伏斷裂；F02：隱伏斷裂；F11:龍門山前山斷裂的大川—雙石斷裂；F12：灌縣—江油斷裂；F13：江油—廣元斷裂；F21：龍門山中央斷裂的鹽井—五龍斷裂；F22:映秀—北川斷裂；F23:茶壩—林庵寺斷裂；F31：龍門山后山斷裂的耿達—隴東斷裂；F32：汶川—茂汶斷裂；F33:青川—平武斷裂；虛線框：汶川和蘆山地震破裂模型邊界的水平投影；黑曲線：汶川地震地表破裂；灰曲線：斷層.Fig.7 The Lushan earthquake rupture model (in this paper) comparation with the one of the Wenchuan earthquake (Tan et al.,2013)F01:Dayi fault;F02:a blind fault;F11:Dachuan-Shuangshi fault;F12:Guanxian-Jiangyou fault; F13: Jiangyou-Guangyuan fault; F21:Yanjing-Wulong fault;F22:Yingxiu-Beichuan fault;F23:Chaba-Lin′ansi fault;F31:Gengda-Longdong fault;F32:Wenchuan-Maowen fault;F33:Qingchuan-Pingwu fault; dashed line: the fault model border of the Wenchuan and Lushan earthquake;black curve:the Wenchuan earthquake surface rupture;gray curve:fault.

跨青藏高原東緣及四川盆地的大地電磁測深剖面研究表明(張樂天等,2012)，松潘—甘孜地塊淺部高阻、中下地殼低阻，四川盆地淺部低阻、中下地殼相對高阻．龍門山斷裂帶在電性結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為傾角較緩、北西傾向的逆沖高導(dǎo)低阻體，向青藏高原內(nèi)部延伸到20 km深度左右，與我們推測的滑脫層位置一致．其高導(dǎo)電性的成因可能是破碎帶內(nèi)的流體造成的．龍門山斷裂帶下方中下地殼范圍內(nèi)的高阻體很好地體現(xiàn)了揚子地塊所應(yīng)具有的較為穩(wěn)定的高阻特征，說明揚子地塊基底在深部楔入龍門山下部．

李志偉等(2011)用四川地震臺網(wǎng)2000—2008年的地震波數(shù)據(jù)反演獲得的龍門山及鄰區(qū)地殼P波速度結(jié)構(gòu)與鄭勇等(2013)的結(jié)果類似，并且沿龍門山斷裂帶，地殼上部10 km 的蘆山段低速異常與映秀—北川段的低速異常被中間的高速異常所分隔，15 km 以下剛好相反，蘆山段和映秀—北川段的高速異常被中間的低速異常分開．南北差異的速度分布結(jié)構(gòu)說明了介質(zhì)性質(zhì)的橫向變化，有利于地震能量分別積累于蘆山段和映秀—北川段15 km 深度．

蘆山地震和汶川地震破裂模式無疑給出深部滑脫層持續(xù)活動的觀測證據(jù)，進一步支持地殼擠壓縮短增厚作為龍門山隆升的主要機制．龍門山推覆構(gòu)造前緣地帶代表了典型的中生代前陸盆地(許志琴等,1992)，中地殼存在一個低角度的基底滑脫面，下部基底不變形．滑脫面在龍門山一側(cè)逐漸陡立，形成斷坡，呈現(xiàn)大致平行的疊瓦狀沖斷帶．沉積蓋層水平縮短、褶皺、增厚變形，山體抬升(許志琴等,1992)，總體表現(xiàn)為薄皮構(gòu)造．與此對立的觀點是厚皮構(gòu)造，高角度深大沖斷帶的差異性垂直運動調(diào)節(jié)了青藏高原東緣相對四川盆地的抬升，但本文研究顯示，龍門山下部存在切割中下地殼高角度斷層的可能性不大，下地殼的層流不可能是龍門山隆升的唯一機制．

汶川地震撕裂了龍門山前山的灌縣—江油斷裂和中央的映秀—北川斷裂，說明前山的灌縣—江油斷裂依然是青藏高原東緣與四川盆地的動力學(xué)分界面．從地形一般可以推斷，同屬前山斷裂的大川—雙石斷裂可能曾經(jīng)也是高原東緣的動力學(xué)分界面．然而，地質(zhì)調(diào)查并沒有發(fā)現(xiàn)蘆山地震在地表有明顯破裂，只是在邛崍高何鎮(zhèn)、雅安下里鎮(zhèn)有地面隆起(徐錫偉等,2013)，與蘆山地震破裂模型的地表跡線一致．這暗示龍門山西南段與四川盆地的動力學(xué)分界面已經(jīng)推移到高何—下里的隱伏斷裂，蘆山地震發(fā)震斷層與屬于前山斷裂的大川—雙石斷裂關(guān)系不大．蘆山地震模型低角度破裂頂部的水平投影幾乎與前山斷裂的大川—雙石斷裂重合，與中央斷裂的映秀—北川破裂平行，說明大川—雙石斷裂深部與映秀—北川斷裂深部動力構(gòu)造更為接近．

地質(zhì)調(diào)查也顯示龍門山斷裂帶中段發(fā)育的3條主要活動斷裂和西南段發(fā)育的3條活動斷裂不是完全一一對應(yīng)(張岳橋和李海龍，2010)，與本文推斷較為一致．雖然余震重定位結(jié)果都顯示余震震中主要沿雙石—大川斷裂地表出露位置的兩側(cè)分布(陳晨和胥頤，2013；房立華等，2013；張廣偉和雷建設(shè),2013)，但是根據(jù)震源深度剖面推測蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造可能為大川—雙石東側(cè)約10 km的一條盲逆沖斷層(陳晨和胥頤，2013；房立華等，2013)，與大川—雙石斷裂直接相關(guān)(張廣偉和雷建設(shè),2013)的可能性不大．

因此，汶川地震和蘆山地震可能是在相同滑脫結(jié)構(gòu)的擠壓造山作用下，在相鄰區(qū)域引起的不同地震事件．汶川地震的發(fā)生對蘆山地震有觸發(fā)作用和解鎖作用，但不是主余震的關(guān)系．并且反演結(jié)果表明汶川地震由映秀往北東方向發(fā)展，而蘆山地震破裂由深部向淺部偏西南滑動．如果忽略微小的滑動量，兩個模型在中央斷裂上有約40 km的破裂空區(qū)，在前山斷裂上有約60 km的破裂空區(qū)．破裂空區(qū)的形成，有可能是深度10 km以上的高速異常區(qū)阻礙了兩個地震破裂的傳播，其上部也許是個障礙體．破裂空區(qū)的形成也有可能與龍門山15 km下低速異常區(qū)沒有積累足夠的地震能量有關(guān)，其深部可能是龍門山斷裂上比較“軟”的部位，使得龍門山蘆山段比較容易向高原東緣擠出．這與Pei等(2014)發(fā)現(xiàn)彭灌雜巖體與寶興雜巖體間較“軟”的低速異常區(qū)相對應(yīng)．高何—下里隱伏斷裂、大川—雙石斷裂、鹽井—五龍斷裂、耿達—隴東斷裂的走向都與龍門山中北段相對應(yīng)的山前隱伏斷裂、灌縣—江油斷裂、映秀—北川斷裂、汶川—茂汶斷裂有微小的偏移，與對應(yīng)斷裂向東錯位15～20 km以上，應(yīng)該是長期東向擠出的結(jié)果．

5 結(jié)論

我們綜合利用GPS靜態(tài)同震位移和強震臺加速度積分推算的同震位移約束蘆山地震幾何與運動學(xué)模型．近場同震資料的大地測量反演結(jié)果顯示，蘆山地震破裂發(fā)生在上陡下緩的鏟式斷層上, 其向下接入近水平的深部滑脫層．相比高角度(大于45°)深大斷裂為主要特征的厚皮構(gòu)造，以斷坡-滑脫斷層為特征的薄皮構(gòu)造作為破裂面擬合地表位移的殘差平方和至少低15%．?dāng)嗥聰嗔焉喜?傾角43°～50°)和下部(傾角<27°)各有一個滑動幅度大于0.5 m 的峰值破裂區(qū)．2013年蘆山地震揭示的龍門山斷裂西南段深部破裂，與2008年汶川地震展示的龍門山中北段深部破裂特征十分吻合，表明剛性的四川盆地基底沿滑脫層被動插入龍門山之下, 龍門山?jīng)_斷帶內(nèi)疊瓦狀鏟式結(jié)構(gòu)的斷坡-滑脫斷層調(diào)節(jié)青藏高原東緣的擠壓變形, 導(dǎo)致龍門山隆升．

致謝 感謝中國地震局預(yù)測研究所的江在森研究員提供部分GPS數(shù)據(jù)，國家強震動臺網(wǎng)中心提供強震動數(shù)據(jù)．審稿專家的建議對本文質(zhì)量的提高有很大的幫助，在此一并致謝．

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(本文編輯 胡素芳)

Rupture models of the 2013 Lushan earthquake constrained by near field displacements and its tectonic implications

TAN Kai1, WANG Qi2*, DING Kai-Hua3, LI Heng1, ZOU Rong2, NIE Zhao-Sheng1,WANG Di-Jin1, YANG Shao-Min1, QIAO Xue-Jun1

1KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,CEA,Wuhan430071,China2InstituteofGeophysics&Geomatics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China3FacultyofInformationEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China

Following the 2008 WenchuanMS8.0 earthquake in the Longmen Shan fault zone, the 2013 LushanMS7.0 earthquake struck its southwestern section. Analysis of seismic waves and coseismic surface displacements together with field investigations all show that this earthquake ruptured a compact areas at depths of 10～15 km, characterized by a predominating thrust motion that may not reach to the surface. Yet the results differ considerably in details about the geometry and distribution of coseismic slip, partly owing to the scarcity of near-field observation, it remains elusive whether the coseismic slip has extended downward in a fashion similar to what the Wenchuan earthquake did along a deep-seated décollement under the Longmen Shan. We used an improved data set of near-field coseismic deformation acquired by GPS receivers and accelerate-meter to constraint the rupture geometry and slip distribution. We show the existent of coseismic slip on a basal detachment fault, which suggests that the Longmen Shan is thickened at this part by crustal shortening between the Tibetan Plateau and the Sichuan Basin.We combined near field coseismic offsets acquired by continuously-operating and campaign GPS stations as well as seismic strong motion stations. We processed GPS data with GIPSY software, and integrate twice acceleration waveforms with zero correction method to obtain static offsets caused by the earthquake. We use these data to constrain the rupture geometry and slip distribution based on the half-space elastic dislocation model. Firstly, we used the simulated annealing algorithm to determine model parameters and corresponding confidence intervals assuming that coseismic slip is distributed on multiple rectangle planes. Then, we divide the optimal model planes further into numerous sub-fault patches, and use the nonnegative least squares to estimate slip values on these patches to outline collectively feature of the distribution of coseismic slip on this optimal rupture plane. In both inversions, we minimize misfits to surface displacements while maintaining smoothness of slip across the neighboring patches by the cross validation sum of squares.The updated data set of static offsets includes additional 30 stations, and are double in number the early one. All stations are located largely in a region in dimension of 80～100 km between Qionglai and Tianquan. The maximum offset of 67 mm is found at one GPS station 16 km away from the epicenter. The surface displacements are all directed to the epicenter, in consistent with thrusting mechanism. The uncertainty for the continuously-operating GPS stations is less than 3 mm, and less than 5 mm for the campaign stations whereas the uncertainty of horizontal components of a strong-motion station is estimated to be about 10 mm by comparing with the GPS data. Our modeling indicates that the strike of the rupture is about 212° parallel to the topographic front of the Longmen Shan. Our preferred model plane is approximated by a listric fault with a steeply-dipping ramp shallower than 16 km, which soles into agently-dipping detachment at 16～25 km. The dip angle is greater than 40° for the ramp and is reduced to less than 30° for the detachment fault. Our slip model consists of two main patches with local pick slip exceeding 0.5 m. One are located at the ramp with dip angles of 43°～50°. The maximum slip of 1.5 m is found at 13 km depth. Another is on the detachment faults that dips 27°. The slip on the detachment fault is extended downwards to the depths of 25～26 km where aftershocks ceased. The relocated aftershocks surround largely the main slip patches. The majority of the aftershocks were restricted to the areas that experienced an enhanced Coulomb stress due to the main shock. The geodetic moment is estimated to 1.14×1019N·m corresponding to the moment magnitudeMw6.6 in accordance with the GCMT solution. The seismic imaging of deep structures beneath the Longmen Shan reveals the P-wave velocities change abruptly at the depths of 13～17 km, coincident with the location of the décollement inferred from our model. The magnetotelluric observation shows that the Longmen Shan fault corresponds to as a gently-dipping conductor that extend downward to the depth of about 20 km, coincident with the location of the décollement.The deep slip caused by the 2013 Lushan earthquake is found along the southern section of the Longmen Shan, and is much consistent with that of central and northern Longmen Shan caused by the 2008 Wenchuan earthquake. The observation provides evidence for the existence of a ramp-décollement preferred by a thin-skined tectonics for the Longmen Shan. The opposite viewpoint is a thick-skinned tectonics that requires a steeper basal fault to uplift the Longmen Shan. Our modelling precludes such a deep fault extending into the mid- and lower crust. The ramp-décollement under the Longmen Shan highlights the crustal shortening across the eastern margin of the Tibetan Plateau to uplift the Longmen Shan. The rigid Sichuan Basin basement underthrusts under the Longmen Shan along the detachment layer. The ramp-décollement adjusts the compressional deformation on the eastern margin of the Tibetan Plateau, resulting in the uplift of the Longmen Shan.

Lushan earthquake; Coseismic deformation; Fault geometry; Rupture slip distribution

譚凱， 王琪， 丁開華等. 2015. 近場位移數(shù)據(jù)約束的2013年蘆山地震破裂模型及其構(gòu)造意義.地球物理學(xué)報，58(9):3169-3182,

10.6038/cjg20150913.

Tan K, Wang Q, Ding K H, et al. 2015. Rupture models of the 2013 Lushan earthquake constrained by near field displacements and its tectonic implications.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(9):3169-3182,doi:10.6038/cjg20150913.

10.6038/cjg20150913

P228, P313

2015-01-09，2015-06-17收修定稿

中國地震局地震研究所所長基金(IS201506220)，國家自然科學(xué)基金(40974012，41304019)，地震行業(yè)科研專項(201208006)資助．

譚凱，博士，研究員，主要從事大地測量與地球動力學(xué)方面的研究.E-mail: whgpstan@163.com

*通訊作者 王琪，博士，教授，主要從事大地測量與地球動力學(xué)方面的研究. E-mail: wangqi@cug.edu.cn