2021年四川瀘縣MS6.0地震震源性質(zhì)及震前區(qū)域應(yīng)力場特征

劉慧敏 謝祖軍 李 赫 熊 熊

1 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，武漢市魯磨路388號，430074

2 天津市地震局，天津市友誼路19號，300201

四川盆地位于青藏高原東緣，構(gòu)造上是穩(wěn)定揚(yáng)子地塊的西北部分，西北邊界為龍門山逆沖斷裂帶，西南邊界為夾持在龍門山斷裂帶和鮮水河-安寧河-則木河斷裂帶之間的大涼山弧形構(gòu)造帶(由一系列NNW-NS向逆沖斷裂和褶皺構(gòu)造組成)，東南邊界是武陵山褶皺帶[1-3]。四川盆地巖石圈強(qiáng)度大，構(gòu)造相對穩(wěn)定。GPS觀測顯示，四川盆地與華南地區(qū)運(yùn)動(dòng)一致，盆地內(nèi)部變形較小(剪切應(yīng)變率約為4～8×10-9/a)，地震活動(dòng)性總體較弱[1,3]。

2008年汶川地震以來，四川盆地及周邊，尤其是盆地南部地區(qū)地震活動(dòng)明顯增強(qiáng)，發(fā)生了一系列中強(qiáng)地震，如2012年彝良MS5.7、MS5.6地震，2014年魯?shù)镸S6.5地震，2014年永善MS5.0、MS5.3地震及2018年文興MS5.3和MS5.7地震，2019年長寧MS6.0地震更是打破了四川盆地內(nèi)6級及以上地震的靜默[4]。2021-09-16瀘州市瀘縣發(fā)生MS6.0地震，是繼長寧地震后四川盆地內(nèi)發(fā)生的又一次中強(qiáng)地震。近年來，隨著西部開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和能源資源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，四川盆地及周邊地區(qū)社會易損程度迅速提高，加之人類工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震現(xiàn)象加劇[1,5]，四川盆地及周邊中強(qiáng)地震受到關(guān)注[1,3]，研究這些地震的發(fā)震構(gòu)造及其特征對認(rèn)識四川盆地內(nèi)部及邊緣孕震環(huán)境和發(fā)震機(jī)理具有重要的參考價(jià)值[4]。

地震震源機(jī)制解和矩心深度是研究發(fā)震構(gòu)造、發(fā)震機(jī)理和孕震環(huán)境的基礎(chǔ)信息[1-2,4]，也是推斷震源區(qū)應(yīng)力場特征最常用的資料[6]。瀘縣地震發(fā)生在四川盆地的中南部，附近有盆地內(nèi)最重要斷裂之一的華鎣山斷裂[7]，該斷裂貫穿整個(gè)四川盆地，并將其分為東南部的川東褶皺帶及西北部以龍泉山斷裂為界的川中地塊[3]。從構(gòu)造應(yīng)力角度來看，盆地西南部地區(qū)應(yīng)力場變化明顯[8]，不同地區(qū)應(yīng)力場的特征也不一樣。

本文基于地震學(xué)觀測數(shù)據(jù)，利用CAP方法[9]反演瀘縣地震的矩心深度和震源機(jī)制解，同時(shí)基于四川盆地內(nèi)部瀘縣地震前的震源機(jī)制解，采用阻尼區(qū)域應(yīng)力反演方法[10]反演該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場，分析瀘縣地震的發(fā)震機(jī)理，以期深入認(rèn)識四川盆地西南部地震活動(dòng)的活化機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 震源機(jī)制解和矩心深度

地震震源機(jī)制解和矩心深度是認(rèn)識地震孕育、發(fā)震機(jī)理和地震破裂過程[11]及震源處應(yīng)力狀態(tài)的重要參數(shù)[8]。本文選取四川及周邊地區(qū)地震臺網(wǎng)的高信噪比寬頻帶地震資料(圖1(a))，采用CAP方法反演瀘縣地震的矩心深度和震源機(jī)制解。采用易桂喜等[2]構(gòu)建的震源區(qū)附近的一維速度模型，并參考三維速度結(jié)構(gòu)模型USTClitho1.0[12]和USTClitho2.0[13]，對淺層速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正(見圖1(b)和附表1,本文附圖附表網(wǎng)址為http://www.jgg09.com/CN/item/downloadFile.jsp?filedisplay=20220914105639.pdf)，用于理論地震圖的計(jì)算。反演中，考慮到瀘縣地震震級為MS6.0，其破裂尺度不完全滿足CAP方法的點(diǎn)源假設(shè)，為保證結(jié)果的可靠性，首先剔除震中距150 km范圍內(nèi)的臺站[14]，降低破裂尺度和震中距的可比度；其次，在一定范圍內(nèi)調(diào)整震源時(shí)間函數(shù)[11]，采用較低的濾波頻段(0.01～0.1 Hz 4階Butterworth帶通濾波器)和較長的反演時(shí)間窗長(Pnl部分窗長35 s，面波部分窗長80 s)。

為測試不同的數(shù)據(jù)選擇對結(jié)果的影響，嘗試剔除250 km范圍內(nèi)的臺站數(shù)據(jù)重新進(jìn)行反演(附圖1)，結(jié)果的走向和滑動(dòng)角沒有變化，傾角僅有4°差異，說明基于本文數(shù)據(jù)選擇得到的結(jié)果是穩(wěn)健的。另外，根據(jù)USTClitho1.0模型，取震中范圍3°內(nèi)的平均值得到一維模型，重新進(jìn)行反演(附圖2)，盡管波形擬合情況有所變化，主要是理論地震圖和觀測地震圖擬合最佳時(shí)的相對時(shí)間移動(dòng)，但基于不同的速度模型得到的震源深度、震源機(jī)制解結(jié)果是完全一致的。這也是CAP方法的優(yōu)點(diǎn)，通過不同波段的不同時(shí)移，降低反演結(jié)果對速度結(jié)構(gòu)的依賴性。

附表1 反演震源機(jī)制和矩心深度所使用的一維速度模型

附表2 四川盆地內(nèi)震源機(jī)制解

1.2 構(gòu)造應(yīng)力場

本文基于震源機(jī)制解，采用Hardebeck等[6]提出的區(qū)域應(yīng)力張量阻尼反演方法(DRSSI)，利用基于MATLAB平臺開發(fā)的MSATSI程序?qū)o縣地區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行反演[8,10]。同時(shí)，收集整理四川盆地內(nèi)瀘縣地震前的地震震源機(jī)制[1-4,8]，經(jīng)過篩選得到震源機(jī)制解155個(gè)，其中正斷型占7.7%，走滑型占14.1%，逆斷型占50%，不確定型占28.2%，主要集中于盆地的南部地區(qū)(圖2和附表2)。

在反演中，網(wǎng)格劃分單元為0.1°×0.1°，反演模型長度和擬合差的折中曲線如圖3所示，根據(jù)折中曲線確定最佳阻尼系數(shù)為1.0，即曲線的最大拐點(diǎn)處(圖3中藍(lán)色十字處)。

2 結(jié) 果

經(jīng)過CAP方法的全局搜索，當(dāng)震源深度為3 km時(shí)，擬合誤差最小(圖1(c))。對應(yīng)深度的波形擬合相關(guān)性系數(shù)普遍較高，80%的分量擬合相關(guān)系數(shù)大于0.8(圖4)。類似Bootstrap思想，本文測試了多組不同臺站的組合，得到的結(jié)果是一致的，表明震源參數(shù)反演結(jié)果是可靠的。

需要指出的是，本文反演得到的矩震級只有MW5.3左右，與MS6.0對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)矩震級有較大的差異(中國大陸地區(qū)中強(qiáng)地震矩震級數(shù)值一般比面波震級小0.2～0.3)[2,4,11]。從波形擬合來看(圖4)，當(dāng)震中距較小時(shí)(300 km以內(nèi))，理論波形(圖4中紅色波形)Pnl部分和徑向部分振幅比觀測波形(圖4中黑色波形)要小。針對這一現(xiàn)象，首先對所采用模型中的衰減因子進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；其次對震源時(shí)間函數(shù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行測試重選，最終取為6 s。調(diào)整參數(shù)后反演結(jié)果表明，在保證80%的分量擬合相關(guān)系數(shù)大于0.8的前提下，矩心深度沒有變化，震源機(jī)制解變化在一個(gè)搜索步長內(nèi)，震級依然為MW5.3左右。而多家機(jī)構(gòu)(如中國地震局地球物理研究所、美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、德國地學(xué)研究中心(GFZ))的初步研究結(jié)果均給出該地震的矩震級在MW5.4±0.1范圍內(nèi)。盡管震級大小不影響震源機(jī)制和震源深度反演結(jié)果，但瀘縣地震面波震級與矩震級偏差較大的原因值得進(jìn)一步研究。

表1列出了防災(zāi)科技學(xué)院萬永革小組整理的不同機(jī)構(gòu)和作者的研究結(jié)果?？傮w上，不同機(jī)構(gòu)得到的結(jié)果走向、傾角和滑動(dòng)角間有近20°的差異，其原因與所采用的數(shù)據(jù)、速度模型及方法密切相關(guān)，如USGS和GFZ采用遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)，而國內(nèi)多家機(jī)構(gòu)(表1中序號3～5，https:∥mp.weixin.qq.com/s/LecUvbiqgxs54wn6hz_mCA)雖采用CAP方法和近震數(shù)據(jù)，但模型及反演參數(shù)并不完全一致。盡管如此，這些結(jié)果均反映出此次地震逆沖分量占絕對大的成分。為了解地震的發(fā)震機(jī)理，對震前構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行反演。

表1 不同機(jī)構(gòu)給出的瀘縣地震震源機(jī)制解

根據(jù)阻尼區(qū)域應(yīng)力反演方法計(jì)算各網(wǎng)點(diǎn)的最佳應(yīng)力張量，得到四川盆地內(nèi)應(yīng)力場空間分布(圖5)。受限于所用的震源機(jī)制解分布，反演得到的應(yīng)力場大致可分為3個(gè)區(qū)域：1)盆地北部(圖5中藍(lán)色橢圓區(qū)域)，最大主壓應(yīng)力近乎水平，方位為SN向；最小主壓應(yīng)力傾伏角較小，走向近東西向；2)華鎣山斷裂東北段，最大主壓應(yīng)力呈NEE-SWW向，具有較小的傾伏角；最小主壓應(yīng)力呈NNE-SSW向，具有較大的傾伏角(圖5中綠色橢圓區(qū)域)；3)盆地南部(圖5中紅色橢圓區(qū)域)，應(yīng)力場比較復(fù)雜。總體上，最大主壓應(yīng)力傾伏角都較小，但方位有一定的變化，而最小主壓應(yīng)力傾伏角都比較大，這些特征與前人的研究結(jié)論[1-2]一致。

3 討 論

構(gòu)造地震是巖體(斷層)在構(gòu)造應(yīng)力作用下失穩(wěn)滑動(dòng)的體現(xiàn)。一個(gè)地區(qū)，即使構(gòu)造應(yīng)力均勻，如果斷層產(chǎn)狀不一致，地震的性質(zhì)也不一樣。根據(jù)庫侖破裂準(zhǔn)則，在一定的應(yīng)力場作用下，斷層面與最大主應(yīng)力夾角為30°時(shí)，斷層最容易滑動(dòng)，稱為優(yōu)勢滑動(dòng)斷層[1]。因此，在分析構(gòu)造應(yīng)力與地震性質(zhì)之間關(guān)系時(shí)，構(gòu)造應(yīng)力場和斷層性質(zhì)都需要準(zhǔn)確確定。

瀘縣地震位于華鎣山斷裂西南段分支和余脈之間的寬谷中(圖6)，定位的震中位置與周邊已知斷層存在約10 km的空間距離。如果定位誤差小于5 km，那么瀘縣地震并非發(fā)生在已知斷層上。此外，本文反演的瀘縣地震走向?yàn)镹WW或SEE向，與地震烈度分布顯示的地震等震線NWW-SEE長軸走向(圖6)是一致的，也證明本文反演的斷層面解是可靠的。顯然，瀘縣地震走向與周邊已知斷層NNE走向存在明顯差異，進(jìn)一步說明瀘縣地震可能發(fā)生在未知或未標(biāo)注斷層上。余震活動(dòng)也可提供參考信息，但與2019年長寧地震[4]不同，瀘縣地震的余震數(shù)目很少。截至2021-09-19共記錄到余震101次，最大為M2.8(圖6)，與西北部華鎣山斷裂上榮昌地區(qū)的地震活動(dòng)有明顯差異[1]。從中國地震局給出的余震正式目錄來看(圖6)，余震優(yōu)勢分布方位與烈度長軸是一致的， 沿NWW向展布?；谝陨显蛲茰y，瀘縣地震不是發(fā)生在NNE走向的華鎣山斷裂上，更可能發(fā)生在與之共軛的斷層上，該斷層活動(dòng)聯(lián)通了華鎣山斷裂分支和余脈斷層，但沒有觸發(fā)華鎣山斷層活動(dòng)。GPS速度結(jié)果[15]顯示，在瀘縣-榮昌附近，平行于華鎣山斷層的運(yùn)動(dòng)速度在斷層兩側(cè)沒有明顯的變化，而沿?cái)鄬幼呦驈奈髂系綎|北有一定的減小，即沿?cái)鄬幼呦蛏铣蕯D壓變形。而從余震稀少的角度來看，與盆地內(nèi)2010年遂寧M5.1地震[16]和統(tǒng)景M5.2、M5.4地震相類似，深部超壓流體的作用可能比較有限[1]，因此瀘縣地震的構(gòu)造作用力主要來自側(cè)向擠壓。

在深度方面，瀘縣地震矩心深度僅為3 km左右，與該地區(qū)發(fā)生的其他地震(如長寧地震主震、榮縣-威遠(yuǎn)-資中地區(qū)地震)震源深度一致[2,4]，都位于沉積蓋層內(nèi)，是蓋層滑脫褶皺構(gòu)造楔體的活化。極淺的破裂特征再次指示，瀘縣地震應(yīng)該不是發(fā)生在華鎣山斷裂帶上，因?yàn)槿A鎣山斷裂帶終止于寒武系地層下部的滑脫層[7]，而寒武系地層在4 km深度以下[1]。四川盆地內(nèi)這種發(fā)生在沉積蓋層中的極淺地震，是地震致災(zāi)的一個(gè)重要因素[16]，而且該類型地震也極易受到地表及淺地表人類活動(dòng)的影響[5]，是近年來的研究熱點(diǎn)。

在震中附近，沿華鎣山斷裂從西南到東北最大主壓應(yīng)力方位角上有明顯的旋轉(zhuǎn)，在震中處，最大主壓力軸方位在101°，近乎水平，傾角為4.6°；最小主應(yīng)力傾角較大，方位為189°；中間主壓應(yīng)力也近乎水平。在這樣的應(yīng)力作用力下，優(yōu)勢滑動(dòng)斷層為純逆沖類型[1]，與本文得到的震源機(jī)制性質(zhì)是完全一致的。張?jiān)罉騕3]認(rèn)為，四川盆地南部地震區(qū)代表了一個(gè)新生的、次級地震活動(dòng)區(qū)，受青藏高原物質(zhì)向東擠出作用，經(jīng)過大涼山的截彎取直及向東推擠，在近E-W至NWW-SEE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力作用下導(dǎo)致四川盆地內(nèi)淺層滑脫斷層擠壓活化，形成中強(qiáng)地震活動(dòng)區(qū)。瀘縣地震即是在這種構(gòu)造應(yīng)力作用下，受華鎣山斷裂帶分支和余脈共軛的淺層滑脫斷層活動(dòng)的結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文基于四川及周邊地區(qū)地震臺網(wǎng)的寬頻帶地震記錄，利用CAP方法反演獲得2021-09-16瀘縣MS6.0地震的震源機(jī)制解和矩心深度。同時(shí)，收集整理震前四川盆地內(nèi)2003～2020年155個(gè)ML≥3.0地震的震源機(jī)制解，采用區(qū)域應(yīng)力張量阻尼反演方法對四川盆地西南部的構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行反演。瀘縣地震震源矩心深度為3 km，震級約為MW5.3，地震位于華鎣山斷裂西南段分支與余脈之間，節(jié)面走向100°或280°，與華鎣山斷裂NE-SW走向及其在滑脫層之下、深度深于4 km有明顯差異，推測瀘縣地震不是發(fā)震于華鎣山斷裂，而是華鎣山斷裂分支和余脈間極淺的蓋層滑脫斷層。瀘縣地震震中附近震前構(gòu)造應(yīng)力最大主壓應(yīng)力和中間主壓應(yīng)力都近乎水平，最大主壓應(yīng)力在震中附近走向?yàn)?01°，這種應(yīng)力作用下，優(yōu)勢滑動(dòng)斷層為純逆沖性質(zhì)，與瀘縣地震的滑動(dòng)完全吻合。瀘縣地震所受構(gòu)造應(yīng)力主要來自側(cè)向作用，初步認(rèn)為是四川盆地西南部不同程度卷入青藏高原物質(zhì)東向擴(kuò)展、淺部滑脫斷層活化的結(jié)果。

關(guān)于此次地震，還有一些重要的信息，如發(fā)震斷層面的確定、對華鎣山斷裂今后活動(dòng)的影響、與工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系及面波震級或地方震級與矩震級差異較大的原因等，都值得根據(jù)更多的資料進(jìn)行進(jìn)一步探討。

致謝：文中使用的地震波形數(shù)據(jù)來自中國地震局地球物理研究所國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心，應(yīng)力張量反演程序來自MSATSI程序包，大部分圖件采用GMT軟件繪制，在此一并表示感謝。