玉樹MS7.1地震時空破裂過程及與地表破裂帶的對應(yīng)關(guān)系①

劉白云，袁道陽，2，陳繼鋒，牛延平

（1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 73000；2.中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

2010年4月14日7時49分37秒，在我國青海省玉樹縣發(fā)生了MS7.1地震。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定結(jié)果，玉樹地震震中位置為33.2°N，96.6°E，震源深度約14km，位于玉樹城區(qū)西北約44km處。此次地震造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失［1－2］。有關(guān)該次地震的發(fā)震構(gòu)造背景、震源時空破裂過程以及地表形變帶特征等，一直是廣大科研人員關(guān)注的問題。

在震后的數(shù)小時，張勇等曾快速反演了此次地震的震源時空破裂過程，但限于當(dāng)時可使用的地震波資料較少以及震源位置和震源深度的不確定性。反演結(jié)果與震后實地考察的地表破裂帶只有部分相符，未能完全揭示破裂出露地表的明顯特征。

為深入理解和認(rèn)識玉樹地震的震源時空破裂過程及其與地表形變帶的對應(yīng)關(guān)系，本文利用全球地震臺網(wǎng)（Global Seismographic Network，簡寫為GSN）的長周期數(shù)字地震資料，同時結(jié)合中國地震局臺網(wǎng)中心最新確定的震源位置和震源深度，反演玉樹大地震動態(tài)時空破裂過程，得到此次地震的靜態(tài)滑動量分布、破裂時空變化等參數(shù)，并將這些結(jié)果與震后實地考察的地表破裂帶做對比，進(jìn)一步了解計算結(jié)果與考察結(jié)果的異同，同時檢驗反演算法的健壯性與有效性。

1 地震構(gòu)造環(huán)境

大地構(gòu)造上，玉樹震區(qū)處于青藏高原中部，巴顏喀拉地塊與羌塘地塊交界的金沙江縫合帶附近［3］。地震發(fā)生在NWW走向的玉樹—甘孜斷裂上（圖1）。

圖1 玉樹震區(qū)主要構(gòu)造單元分布（據(jù)文獻(xiàn)［3］）（實心圓為玉樹地震震中位置）Fig.1 The major tectonic units of Yushu earthquake area（from reference［3］）（solid round indicates the epicenter of Yushu earthquake）.

2 玉樹地震震源時空破裂過程反演

為了對地震破裂過程中發(fā)生在斷層面上的破裂傳播行為以及斷層面上不同位置的滑動位錯大小分布有所認(rèn)識，就必須對地震進(jìn)行時空破裂過程反演。震源破裂過程反演的研究工作開始于20世紀(jì)80年代初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，逐漸形成了多種不同的反演方法，包括線性反演和非線性反演。本文采用的是線性反演中的一種直接波形反演方法［9－10］。

2.1 反演理論

不考慮體力和應(yīng)力的間斷性，在一個分界面∑兩側(cè)的位移間斷［uj（ξ，τ）］所引起的彈性位移：

式中，cjkpq為斷層介質(zhì)的彈性模量；υk為斷層面法向方向余弦；Gip（x，t；ξ，τ）為斷層面上ξ點與觀測點x之間的路徑效應(yīng)，即格林函數(shù)；而Gip，q（x，t；ξ，τ）是Gip對ξq的導(dǎo)數(shù)。

在一個均勻、各向同性、完全彈性的無限介質(zhì)內(nèi)，格林函數(shù)可以用解析式表示：

式中，γ是從震源點ξ到接收點x的單位向量；r＝│x－ξ│是兩點間的距離。

如果觀測點的位置離斷層面上所有的點足夠遠(yuǎn)，滿足遠(yuǎn)場成立的條件，那么在格林函數(shù)內(nèi)僅有遠(yuǎn)場項（上式中第二項和第三項）是有意義的。將式（2）代入式（1），利用關(guān)系?／?xq＝－?／?ξq，并對τ積分后得到遠(yuǎn)場位移

對xq求導(dǎo)后，略去所有比r－1衰減快的項，得到ui（x，t）的遠(yuǎn)場項如下：

式中ufi為ui的遠(yuǎn)場項，第一項相當(dāng)于P波，第二項相當(dāng)于S波。

震中距遠(yuǎn)大于斷層面∑的線性尺度時，那么距離r和方向余弦近似為常數(shù)，而與ξ無關(guān)。同時如果斷層面是平面，且斷層面上各點的位錯的方向都相同，則有

式中Δu（ξ，t）是一個標(biāo)量函數(shù)，稱為“震源函數(shù)”。

在平面斷層情況下，遠(yuǎn)場項可寫成Δ˙u（ξ，t）是“震源函數(shù)”的時間微商，也稱為“遠(yuǎn)場震源函數(shù)”。

從式（6）可以看出，只要斷層面上的震源函數(shù)確定，便可確定地震斷層引起的位移場；反之，從地震斷層引起的位移場原則上可以確定地震斷層的震源函數(shù)。震源函數(shù)既是時間的函數(shù)又是空間的函數(shù)。所以，震源的時空破裂過程由震源函數(shù)來描述。確定震源函數(shù)的過程也就是獲取震源破裂過程圖像的過程。

2.2 斷層面參數(shù)及斷層模型

2.2.1 斷層面參數(shù)

美國哈佛（Harvard）大學(xué)、美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）以及中國地震局地球物理研究所劉超等對本次地震的矩張量解反演結(jié)果如下［8］（表1）?？梢?，三組震源參數(shù)不完全一致，但總體上都表明，玉樹地震是一次以左旋走滑為主的淺源地震。其中，USGS與劉超的結(jié)果解比較接近，但節(jié)面Ⅱ相差較大。

表1 玉樹地震的地震矩M0、矩震級MW和斷層面解

根據(jù)玉樹—甘孜斷裂的走向（NWW—NW）和傾向（NE），以及余震震中的分布，可以確定節(jié)面I為發(fā)震斷層，本文選用劉超的結(jié)果即節(jié)面I（走向119°／傾角83°／滑動角－2°）為玉樹地震的斷層面。2.2.2 斷層模型

根據(jù)前人的研究成果以及震后的野外考察并結(jié)合震源的位置，我們選取斷層面上沿斷層面走向長約100km、沿傾向長約30km的長方形區(qū)域作為反演斷層位移（滑動）空間分布的區(qū)域。我們將這個長方形沿走向和傾向方向上劃分為20×6個邊長為5 km的正方形子斷層。將每個正方形子斷層視作點源，用正方形中心的點表示（圖2）。由震源參數(shù)可確定初始破裂點位于走向方向上第3塊、傾向方向上第3塊子斷層處，用黑色五角星來表示（33.2°N，96.6°E，H＝14km）。

2.3 反演數(shù)據(jù)的選取

鑒于水平向P波記錄受干擾較大，本文選取IRIS的15個臺站的垂直向P波記錄（圖3）反演玉樹地震的時空破裂過程。采用全球標(biāo)準(zhǔn)速度模型和格林函數(shù)的反射率計算方法［11－12］，得到了斷層面上的時空破裂過程。

圖2 玉樹地震斷層模型Fig.2 The fault model of Yushu earthquake.

圖3 反演所用的地震波Fig.3 The seismic waveforms for inversion.

2.4 反演結(jié)果

2.4.1 靜態(tài)滑動量分布

玉樹地震斷層面上滑動量分布從震源開始沿斷層走向（東南方向）逐步擴(kuò)展（圖4），表現(xiàn)為典型的單側(cè)破裂特征。初始破裂點從震源開始，沿走向至約13km處，最大滑動量達(dá)1.3m，但未到地表。在距震源20～43km范圍內(nèi)破裂面積和破裂強(qiáng)度均為最大，滑動量達(dá)2m，破裂貫穿至地表。該結(jié)果與中國地震局地質(zhì)研究所陳立春等震后調(diào)查的地表形變破裂帶北側(cè)主破裂的特征十分吻合［1］，玉樹城區(qū)正好位于該區(qū)域范圍內(nèi)，這是玉樹縣城受災(zāi)最為嚴(yán)重的主因所在。第三個滑動量集中的區(qū)域位于距離震源約為56～65km的范圍內(nèi)，最大滑移量為1m，破裂同樣貫穿至地表，與調(diào)查結(jié)果相一致。第四個破裂區(qū)域反演結(jié)果不太明顯，大致位于走向方向90 km以后，最大滑移量約為0.7m左右，反演效果不太明顯，這一結(jié)果有待商榷。

2.4.2 破裂的時空變化

圖4 玉樹地震斷層面上的靜態(tài)（最終）滑移量分布Fig.4 The static slip distribution（final）of Yushu seismic fault plane.

圖5表示地震斷層面上的滑動量隨時間（0～40 s）和空間的（0～100km）的變化圖像。從發(fā)震時刻開始到4s的時間范圍內(nèi)，破裂不太明顯；此后在發(fā)震后5－13s期間，在震源處開始快速破裂，并快速沿斷層走向（SE方向）傳播，但破裂未到達(dá)地表；在發(fā)震后14－22s內(nèi)，距離震源約22km處的地方開始新的破裂，在這個階段破裂涉及的范圍最大，幅度最強(qiáng)，是玉樹地震的一個主要過程；在發(fā)震后的23－32s內(nèi)，在距離震源東南方向約50km處又發(fā)生了一次相對于主破裂規(guī)模較小，幅度較弱的破裂事件；在此后的反演時間段內(nèi)，發(fā)生了一次規(guī)模很小，幅度十分微弱的破裂事件，至此整個破裂過程結(jié)束。

圖5 玉樹地震斷層面上的位移隨時間變化的快照（發(fā)震后的第40s的累積滑動量即靜態(tài)滑動量分布，參見圖4）Fig.5 The snapshots of displacement over time on Yushu seismic fault plane.

據(jù)此可以判斷，玉樹地震的震源過程較為單一，破裂以朝向斷層走向方向（SE方向）的單側(cè)破裂為主，地震的多普勒效應(yīng)使破裂傳播方向上地震能量強(qiáng)烈聚焦。

3 地表破裂帶與時空破裂過程的對應(yīng)關(guān)系

圖6 玉樹地震地表破裂分布簡圖（據(jù)文獻(xiàn)［1］）Fig.6 The schematic plot of Yushu seismic surface ruptures（from reference［1］）.

地震發(fā)生后，中國地震局地質(zhì)研究所以及中國地質(zhì)調(diào)查局在第一時間組織科考組對此次地震的地表破裂帶做了詳細(xì)的調(diào)查。野外調(diào)查結(jié)果表明，玉樹MS7.1地震的地表破裂出現(xiàn)在該斷裂走向方向上，此次地震較清晰的地表破裂帶由3條主破裂左階組成，北側(cè)主破裂長約16km，中間主破裂長約9 km，南側(cè)主破裂長約7km，總長約31km（圖6），屬左旋走滑性質(zhì)［1］。北段主破裂位于震中沿斷層走向20～40km范圍內(nèi)，實測水平走滑位移量為1.1～1.8m，最大位移量為1.8m。與本文中反演得到的第二個破裂區(qū)域?qū)Ρ瓤芍摻Y(jié)果基本完全與本文反演得到的結(jié)果一致。中段主破裂與北段破裂呈左階相連，破裂帶長約9km，特征與北段主破裂基本一致，但相對強(qiáng)度要小，這一帶實測的最大水平位錯量為0.9m。同樣，與本文反演得到的第三個破裂區(qū)域的特征做對比也十分吻合。南段主破裂與中段破裂呈左階相連，破裂特征與其他兩段基本一致，在（33°11′50.0″N，96°49′31.9″E）處實測河岸岸邊的水平位錯量約0.5m。這一破裂區(qū)域在本文反演得到的第四個破裂區(qū)域上有所顯示，但結(jié)果不是十分明顯，究其原因，有待進(jìn)一步研究。

通過對比地表破裂帶與玉樹地震時空破裂過程之間的關(guān)系，可以看出，野外調(diào)查結(jié)果基本上與反演結(jié)果相一致。這說明通過地震時空破裂過程的反演，可以大致得出基本的地表破裂范圍及強(qiáng)度，這無論是對震后應(yīng)急救援還是科學(xué)考察都很有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)IRIS全球地震臺網(wǎng)15個臺的長周期地震儀記錄的P波資料，直接用遠(yuǎn)場體波地震圖反演震源破裂過程的方式，研究了2010年4月14日玉樹MS7.1地震的震源破裂過程。反演得到的破裂過程表明，玉樹地震的震源破裂過程是以沿斷層走向（SE方向）朝單側(cè)破裂的方式進(jìn)行的，破裂最大區(qū)域約從距離震源東南方向20km處開始，直至距離震源100km的范圍內(nèi)，最大錯動量達(dá)到2m，主要有3個破裂區(qū)域貫穿到地表。規(guī)模較大、破裂貫穿至地表的第二個破裂事件是玉樹城區(qū)遭受嚴(yán)重破壞在震源方面的主要原因。將反演得到的玉樹地震的震源時空破裂過程與震后實地考察的地表破裂帶做對比，結(jié)果表明反演所得到的破裂區(qū)域以及最大滑移量均與考察結(jié)果一致。這說明反演所得到的結(jié)果是真實可信的。因此，作者認(rèn)為在今后的震后應(yīng)急救援和科學(xué)考察中可以參考結(jié)合應(yīng)用這種反演方式。

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