汶川地震前震中周圍地殼應(yīng)力場及應(yīng)力方向集中的特征

王曉山 萬永革

1)河北省地震局，石家莊 050021

2)防災(zāi)科技學(xué)院，三河 065201

3)河北省地震動力學(xué)重點實驗室，三河 065201

0 引言

地殼應(yīng)力場研究是地球動力學(xué)研究的一個重要方面，在解釋板塊運動、造山帶成因和地震活動分布方面具有重要意義(Zobacketal.，1989； Zoback，1992； 謝富仁等，2003)。地震是由于地殼應(yīng)力積累到一定程度致使斷層破裂的結(jié)果，因此詳細研究大地震之前的地殼應(yīng)力場對于理解地震孕育過程具有重要意義。欲研究大地震之前的應(yīng)力場對地震孕育的作用，首先需要精確確定應(yīng)力場。地殼應(yīng)力場的研究包括應(yīng)力大小和應(yīng)力方向2個方面。除現(xiàn)場應(yīng)力測量結(jié)果可以較為確定地給出應(yīng)力大小外，雖然有一些工作嘗試對地殼深部應(yīng)力的大小開展研究，但目前還沒有一種普遍適用的可靠觀測與求解方法。人們對深部應(yīng)力大小的精確了解僅限于相對應(yīng)力大小(Gephartetal.，1984； Michael，1984)，并且相對于應(yīng)力方向而言其不確定性較大。應(yīng)力場方向可以通過研究區(qū)域的地震震源機制求解(Gephartetal.，1984； Michael，1984； Wanetal.，2016)，也可以通過大量P波初動求解綜合震源機制，進而求得綜合應(yīng)力場(李欽祖等，1973； 許忠淮等，1979，1983； Xuetal.，1992； Robinsonetal.，2000)。由于后者可以利用大量不能單獨確定地震震源機制的P波初動資料(萬永革等，2011)，對于P波初動資料相對較少、地震震級較低的地區(qū)具有獨特優(yōu)勢。而2008年汶川地震發(fā)生前，其周圍區(qū)域即具有上述特點，因此本研究將采用P波初動資料求解綜合震源機制，從而確定該區(qū)的應(yīng)力場方向。

由于地震是地殼應(yīng)力積累到一定程度的結(jié)果，根據(jù)理論推測，大地震發(fā)生前利用震源區(qū)域大量中小地震求解的應(yīng)力場方向?qū)②呌谝恢隆Ｔ摲矫娴难芯靠梢宰匪莸?0世紀70年代，陳颙(1978)首先根據(jù)海城前震序列的研究，提出用震源機制的一致性作為判別大地震發(fā)生的新參數(shù)。然而當(dāng)時由于大地震之前獲得的震源機制太少，并且他采用了直接比較斷層走向標準差的方法，未考慮震源機制中斷層的傾角和滑動角。刁桂苓等(1994)分析了夏威夷Kaoiki地區(qū)的震源機制變化，提出利用震源區(qū)應(yīng)力場的改變進行地震預(yù)測的思路。他們的研究小組將大地震之前地震震源機制的P、T、B軸與構(gòu)造應(yīng)力場的最大、最小和中等主應(yīng)力軸的夾角之和作為地震震源機制的差異參數(shù)，基于哈佛大學(xué)測定的千島島弧地區(qū)地震的矩心矩張量(CMT)解，分析該地區(qū)震源機制的一致性特征，其結(jié)果表明MW≥7.5地震之前都有差異參數(shù)降低的現(xiàn)象(王俊國等，2005)。然而由于其采用的地震震源機制數(shù)據(jù)相當(dāng)有限，只能采用5點滑動平均值分析震源機制的差異(一致性)參數(shù)隨時間的變化，使得震源機制的差異參數(shù)具有明顯的振蕩特性，較難識別出地震震源機制參數(shù)一致性蘊含的前兆信息。萬永革(2008)和Wan等(2009)引入Kagan(1991)描述2個位錯模型所表現(xiàn)的矩張量的主軸方向差別的四元數(shù)法計算其三維空間旋轉(zhuǎn)角，以給出應(yīng)力主方向的差別，并將其應(yīng)用于震源機制解資料較為豐富的美國加利福尼亞南部地區(qū)，較為確切地得到了Landers和Hector Mine地震之前的應(yīng)力方向集中于促使主震破裂的應(yīng)力場方向。本研究擬根據(jù)綜合震源機制所表現(xiàn)的應(yīng)力場方向求解2008年5月12日汶川8.0級地震之前應(yīng)力方向集中于促使主震破裂應(yīng)力場方向的現(xiàn)象。

1 數(shù)據(jù)與方法

準確的地震位置是求解震源機制，特別是采用近震資料求解震源機制和應(yīng)力場的必備要素。我們首先采用四川地區(qū)2001年1月—2008年5月12日汶川8.0級地震之前的Pg、Sg波觀測到時對地震進行了精確定位(萬永革等，2012)。在定位過程中我們對牟磊育等(2006)的地震定位程序進行了發(fā)展，改進了以下幾個方面： 1)采用的反演理論考慮了不同的Pg波和Sg波到時拾取的誤差，并得到了震源位置不確定性的客觀描述； 2)采用改變速度模型第1層厚度的方法考慮臺站高程校正； 3)分別以每層中點的深度為初始深度，避免由于各層速度相差較大而難以搜索到全局最優(yōu)解； 4)將震源深度的迭代范圍限制在合理的區(qū)間內(nèi)，避免了空中地震或較深地震。仿真數(shù)據(jù)的實驗表明，我們的改進可有效搜索到最優(yōu)值。采用Crust 5.1數(shù)據(jù)(Mooneyetal.，1998)作為四川地區(qū)的地殼速度模型，利用改進后的程序反演得到2001—2008年汶川地震發(fā)生前1831個地震的位置(圖 1)，使得平均走時殘差減小為0.35，定位后的位置具有更強的叢集性(圖 1)。

圖 1 研究所用地震(圓圈)、臺站(藍色三角)分布及得到的綜合震源機制壓軸(紅色箭頭)和張軸(藍色箭頭)方向Fig. 1 The earthquakes(circles)and stations(blue triangles)used in this study and the P(Red quivers)and T(blue quivers)directions of the composite focal mechanisms obtained in this study.灰色線段表示研究區(qū)域的斷層，黑色線段表示W(wǎng)an等(2010)計算汶川地震庫侖破裂應(yīng)力分布使用的研究區(qū)域的主要斷層?？招膱A的大小表示地震P波初動的數(shù)量。LMS-F 龍門山斷裂； XSH-F 鮮水河斷裂； HYS-F 華鎣山斷裂； MY-F 馬邊-鹽津斷裂； MJ-F 岷江斷裂； DLS-F 大涼山斷裂； ANH-F 安寧河斷裂； XJH-F 小金河斷裂； ZMH-F 則木河斷裂； LRB-F 龍日壩斷裂

我們讀取了2001—2008年汶川地震發(fā)生前797個地震的1805個P波初動符號，采用這些P波初動符號和修正的震源位置，按照萬永革等(2011)提出的方法求取汶川地震前0.5°×0.5°網(wǎng)格點上的綜合震源機制。在計算臺站相對于震源的離源角時仍采用Crust 5.1數(shù)據(jù)(Mooneyetal.，1998)。由于每個地震與網(wǎng)格點的距離不同，對網(wǎng)格點應(yīng)力方向的貢獻也不相同，故根據(jù)距網(wǎng)格點的距離給予不同地震的P波初動不同的權(quán)重。每個地震的P波初動權(quán)重w仿照Shen等(1996)求取大地測量數(shù)據(jù)應(yīng)變的方式求得：

(1)

其中，D為距離衰減常數(shù)，本研究取為50km，r為震源到臺站的距離，按照式(2)進行計算：

(2)

為了確定每個網(wǎng)格點與P波初動數(shù)據(jù)擬合最好的綜合震源機制解，進而分析其平均P、T軸方向，我們采用1°×1°×1°的網(wǎng)格嘗試方法搜索P、B、T軸的方位。每次嘗試搜索給出與綜合震源機制模型不符合的P波初動符號數(shù)(考慮權(quán)重)與總P波初動符號個數(shù)(考慮權(quán)重)之比的矛盾比，選擇最小的矛盾比所對應(yīng)的P、B、T軸方位，即得到該網(wǎng)格點的綜合震源機制解。由于該方法綜合了多個地震的P波初動數(shù)據(jù)，得到的綜合震源機制解的P和T方位大體可以認為是該網(wǎng)格點的最大和最小壓應(yīng)力的方位(Xuetal.，1992)。如果初動數(shù)據(jù)足夠多，且有很好的方位覆蓋，則可能得到一個矛盾比最小的震源機制解。在得到矛盾比最小的多組震源機制解數(shù)據(jù)后，我們將所有矛盾比最小的震源機制解數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地震矩張量的疊加，然后通過求取本征方向的方法得到該網(wǎng)格點的應(yīng)力場方向(萬永革，2001)。

2 汶川地震前的應(yīng)力方向空間分布

采用汶川地震之前的四川臺網(wǎng)記錄到的中小地震P波初動符號，我們得到了綜合震源機制P、T軸在震源周圍的空間分布，圖 1 中的線段越長則表示應(yīng)力軸越水平?？梢姡堥T山斷裂帶以西至龍日壩斷裂的川北地塊的P軸接近SEE-NWW向，T軸方向近垂直，致使該地塊在龍門山斷裂帶上表現(xiàn)為以逆沖為主兼具右旋走滑的運動方式。在汶川地震的發(fā)震點，應(yīng)力方向明顯偏向垂直于斷裂帶的方向，這似乎與汶川地震的孕育過程有關(guān)，使得汶川地震在該段表現(xiàn)為強烈逆沖。由于地殼應(yīng)力場的作用，龍門山斷裂帶中北段逐漸變?yōu)槟鏇_兼右旋走滑的運動特征，這與汶川地震破裂分布的研究結(jié)果(王衛(wèi)民等，2008； 張勇等，2008； Shenetal.，2009； Fengetal.，2010； Tongetal.，2010)一致。而四川盆地地塊的P軸方向相對于川北地塊由EW方向略偏向SEE，T軸方向仍近似直立。

鮮水河斷裂上的P軸方向大體與該斷裂呈45°，T軸方向與地面也有一定角度。該斷裂曾發(fā)生一系列大地震，如1955年康定M7.5地震和1973年M7.9爐霍地震為走滑型。該斷裂帶西南地塊的P軸方向明顯偏向SE-NW，且T軸方向也變得水平，表明該地塊呈現(xiàn)走滑斷層性質(zhì)。由于資料所限，本研究對小金河斷裂、安寧河斷裂和大涼山斷裂帶與鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶交接部位應(yīng)力場的復(fù)雜性沒有分辨，但跨越這些斷層的分界部位，發(fā)現(xiàn)P軸變?yōu)镋W向，T軸方向近垂直，表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)，似乎表明在青藏高原物質(zhì)東流(曾融生等，1992； Leietal.，2014，2016)的過程中，由于四川盆地的阻擋而使得東流物質(zhì)繞過四川盆地向E繼續(xù)流動的特征，但這需要結(jié)合其他地球物理資料進行驗證。

在華鎣山斷裂南部P軸的方向基本垂直于該斷裂走向，T軸接近垂直，表現(xiàn)為強烈的逆沖性質(zhì)，這與華鎣山斷裂的古應(yīng)力場研究結(jié)果基本一致(楊蓉等，2010)。華鎣山斷裂南段區(qū)域的P軸呈NW-SE向，T軸仍近垂直，表明華鎣山斷裂是一個較大的應(yīng)力分界部位，在地形上是分隔川東隔擋式褶皺帶和川中平緩區(qū)的重要斷裂，它是在由SE向NW不斷推進的擠壓力作用下形成的(胡召齊等，2009)，這方面的研究也有地震層析成像資料的支持(孫若昧等，1991； Leietal.，2016)。

圖 2 綜合震源機制的海灘球表達Fig. 2 The beachball representation of the composite focal mechanisms.圖中其他符號與圖1相同

3 汶川地震前應(yīng)力方向趨于主震破裂的應(yīng)力方向研究

圖 3 綜合震源機制(紅色填充海灘球)旋轉(zhuǎn)到汶川地震震源機制(藍色填充海灘球)的震源機制旋轉(zhuǎn)角隨時間的變化(下圖同)Fig. 3 The FMOAs of the composite focal mechanisms(beach balls with red color filled)to Wenchuan earthquake focal mechanism(blue color filled)vs. time(the same below).海灘球上方的數(shù)字表示加權(quán)后的P波初動符號之和，下方的數(shù)字表示最小矛盾比，藍色虛線表示綜合震源機制空間旋轉(zhuǎn)角的平均值加減其標準差

表 1 將綜合震源機制旋轉(zhuǎn)到汶川地震震源機制的最小旋轉(zhuǎn)角及其減去標準差的下限Table1 The FMOAs of the composite focal mechanisms to Wenchuan earthquake focal mechanism and their mean value subtracting its standard deviation value

圖 4 綜合震源機制旋轉(zhuǎn)到映秀—虹口段(a)和北川段(b)的震源機制的三維空間旋轉(zhuǎn)角隨時間的變化Fig. 4 The FMOAs of the composite focal mechanisms to the focal mechanisms which represent the Yingxiu-Hongkou segment(a)and the Beichuan segment(b)vs. time.

汶川地震的破裂尺度較大，西南部為逆沖破裂(映秀—虹口段)，而東北部為右旋走滑破裂(北川段)。前文對地震的矩心位置進行了研究，但破裂尺度較大且最為顯著的2個集中破裂點的應(yīng)力集中現(xiàn)象又是如何呢？為理解這個問題，我們按照同樣的方法計算了映秀—虹口段和北川段的震源機制空間旋轉(zhuǎn)角(圖 1)，其位置來自Wan等(2017)的文獻，其中映秀—虹口段采用USGS的給出的震源機制進行計算，北川段按照Wan等(2017)得到破裂機制(走向227°、傾角80°、滑動角173°)進行計算(圖 4)。由圖 4 可知，在映秀—虹口段，相比于采用相同震源機制而位置不同的圖3b，震前的三維空間旋轉(zhuǎn)角下降更為明顯，這說明采用這種方法對地震發(fā)生的地點有一定識別作用。而汶川地震發(fā)生前北川段的三維空間旋轉(zhuǎn)角隨時間的變化沒有明顯的下降趨勢，且未降到空間旋轉(zhuǎn)角的標準差之下。這說明汶川地震破裂之前應(yīng)力集中只有利于映秀—虹口段的逆沖破裂，而其東北部的北川段右旋走滑破裂是由于西南部的映秀—虹口破裂引發(fā)的。前人的很多研究也指出映秀—虹口段破裂發(fā)生在北川破裂之前(王衛(wèi)民等，2008； 張勇等，2008)。

圖 5 綜合震源機制(紅色填充海灘球)旋轉(zhuǎn)到Wan(2010)所給出點的代表應(yīng)力場的震源機制的三維空間旋轉(zhuǎn)角隨時間的變化Fig. 5 The FMOAs of the composite focal mechanisms(beach balls with red color filled)to the focal mechanism which represents the stress field direction obtained by Wan(2010)vs. time.

4 結(jié)論與討論

本文基于2001年1月—2008年5月汶川8.0級地震前四川地區(qū)的地震P波初動符號，以0.5°×0.5°為間隔求取了汶川地震周圍地區(qū)的綜合震源機制。結(jié)果表明汶川地震前綜合震源機制的P、T軸方向以龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶和華鎣山斷裂帶為界。龍門山斷裂帶以西的川北地塊的P軸方向為SEE，平行于地面，而T軸垂直于地面，與汶川8.0級地震的震源破裂應(yīng)力大體一致。鮮水河斷裂以南的區(qū)域表現(xiàn)為走滑運動，華鎣山斷裂的東南區(qū)域表現(xiàn)為逆沖運動。以上結(jié)果為分析汶川地震的孕育和發(fā)生背景提供了基礎(chǔ)資料。

基于P波初動符號，以汶川地震震源位置為中心，以1a為時間間隔得到了分時段的綜合震源機制，并求得其旋轉(zhuǎn)到不同作者和機構(gòu)得到的汶川主震震源機制的旋轉(zhuǎn)角，均發(fā)現(xiàn)汶川地震前1a內(nèi)地殼應(yīng)力場有趨于促使主震破裂方向的特點，得到了汶川地震前地殼應(yīng)力場的方向趨近于促使主震破裂方向的時間演化圖像。該結(jié)論有助于利用大量中小地震的數(shù)字地震記錄通過地殼應(yīng)力場的動態(tài)變化研究地震孕育的力學(xué)過程。此現(xiàn)象也與Gao等(1998)報道的大地震之前通過S波分裂所得到震前各向異性增強的過程相對應(yīng)，該認識為揭示地震的孕育過程提供了基礎(chǔ)。

利用P波初動符號求解應(yīng)力方向的方法除與應(yīng)力場方向有關(guān)外，還與主應(yīng)力的比值和研究地區(qū)的摩擦系數(shù)有關(guān)。由于資料有限，本研究未考慮該方面的因素(及假定主應(yīng)力比值為0.5，摩擦系數(shù)為0)，但得到的綜合震源機制P、T軸方向仍與當(dāng)?shù)氐牡厍騽恿W(xué)背景緊密相關(guān)，表明目前的研究結(jié)果仍具有一定的意義。

由于資料有限，我們僅求出了汶川地震周圍的綜合震源機制，解釋其與研究區(qū)域地球動力學(xué)和汶川地震孕育過程的關(guān)系，并揭示了以1a為間隔的綜合震源機制隨時間趨近于促使主震破裂的變化特征。而更進一步的研究，如開展時間和空間間隔更小的應(yīng)力場分析需要更多P波初動資料的支持。基于汶川地震前布設(shè)的大量流動臺陣的數(shù)據(jù)，取得更為精細的P波初動資料和震源機制解以研究地震前的應(yīng)力場是我們今后的研究目標。

致謝本文圖片采用GMT繪圖軟件(Wesseletal.，1998)和MATLAB軟件繪制； 評審專家提出了寶貴的修改意見。在此一并表示感謝！