汶川8.0和蘆山7.0級地震序列應(yīng)力場時空特征

張致偉 周龍泉 龍 鋒 阮 祥

1)四川省地震局，成都 610041

2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

龍門山斷裂帶位于青藏高原東緣巴顏喀拉塊體東邊界南段與華南地塊西北緣交界地帶。主要由茂汶-汶川斷裂(MWF)、北川-映秀斷裂(BYF)和灌縣-江油斷裂(GJF)等3條主干斷裂組成，全長約500km，寬40～50km，整體走向N45°E，傾向NW，近地表傾角50°～70°(徐錫偉等，2005;張培震等，2008;李勇等，2009)。有記錄以來，2008年汶川8.0級地震之前，龍門山斷裂帶未發(fā)生過7級以上地震，最大地震為1657年汶川6.5級地震(聞學(xué)澤等，2009)，而最近5年該斷裂帶接連發(fā)生了2008年汶川8.0級和2013年蘆山7.0級強(qiáng)震(圖1)。

2008年5月12日汶川8.0級地震發(fā)生在龍門山斷裂帶的中北段，地震破裂從SW向NE方向呈單側(cè)擴(kuò)展，沿北川-映秀斷裂和灌縣-江油斷裂分別形成長度約240km和72km的地表破裂帶(圖1黑色粗線)，震源機(jī)制解顯示以逆沖為主兼右旋走滑分量，發(fā)震斷層為出露地表的走滑逆斷層(徐錫偉等，2008);2013年4月20日蘆山7.0級地震發(fā)生在龍門山斷裂帶南段，地震破裂從NE向SW方向擴(kuò)展，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的具有構(gòu)造地質(zhì)意義的地震地表破裂帶，震源機(jī)制解呈純逆沖型，結(jié)合余震的空間分布特征、震源機(jī)制等資料推測蘆山地震屬典型的盲逆斷層型地震(徐錫偉等，2013)。已有研究表明，汶川和蘆山2次強(qiáng)震可能是巴顏喀拉塊體向SE運(yùn)動在龍門山構(gòu)造帶附近與穩(wěn)定的華南塊體碰撞、擠壓引起地殼縮短的產(chǎn)物(徐錫偉，2013)。

龍門山斷裂帶及其鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場已有大量研究，且研究結(jié)果比較一致。如闞榮舉等(1977)分析認(rèn)為龍門山斷裂帶的壓應(yīng)力方向存在空間差異，其南側(cè)為NWW向，而北側(cè)為NEE向;成爾林(1981)基于1933—1978年的強(qiáng)震震源機(jī)制得出龍門山斷裂帶上主壓應(yīng)力軸的方位為NW，幾乎與龍門山斷裂帶的走向正交;許忠淮等(1987)基于多個小震同樣推斷出龍門山斷裂帶北段的壓應(yīng)力方向?yàn)镹EE，其南側(cè)為NWW;謝富仁等(2004)根據(jù)中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)的研究結(jié)果，得出龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)镹WW-SEE。

巨大地震孕震過程中不同階段的震源機(jī)制解在一定程度上反映了孕震過程中構(gòu)造應(yīng)力場隨時間的變化，地震序列震源機(jī)制對于理解主余震的發(fā)震構(gòu)造、孕震機(jī)理及震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)等具有重要意義(鄭勇等，2009;羅艷等，2010;刁桂苓等，2011)。國內(nèi)諸多學(xué)者也對2次強(qiáng)震序列震源機(jī)制及震源區(qū)應(yīng)力場開展了相關(guān)的研究工作，如鄭勇等(2009)利用CAP方法反演了汶川部分強(qiáng)余震(MS≥5.6)的震源機(jī)制解，指出序列南部以逆沖為主而北部則以走滑為主;王勤彩等(2009)利用時間域矩張量反演方法得到汶川序列88個地震的矩張量解，結(jié)果顯示震源機(jī)制解的類型具有明顯的空間分段特征;易桂喜等(2012)基于汶川地震序列中312個4.0級以上余震震源機(jī)制解和震源深度，分析了主震后余震震源機(jī)制時空變化特征;在獲取蘆山主震震源機(jī)制解的同時，部分學(xué)者也相繼開展了較大震級余震震源機(jī)制的相關(guān)研究(林向東等，2013;呂堅(jiān)等，2013;趙博等，2013)，獲得的主要認(rèn)識為絕大多數(shù)較大震級的余震震源機(jī)制表現(xiàn)出與主震類似的逆沖破裂特征。

本文以汶川8.0級和蘆山7.0級地震為例，分別基于汶川M≥4.0和蘆山M≥3.0余震震源機(jī)制解，采用Michael提出的應(yīng)力場反演方法深入分析汶川、蘆山余震區(qū)壓應(yīng)力(S1)和應(yīng)力張量方差的空間分布特征，進(jìn)而研究了應(yīng)力張量方差時空變化與強(qiáng)余震活動的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 資料

針對汶川余震，系統(tǒng)查閱了2008年5月12日至2011年6月5日四川區(qū)域臺網(wǎng)和流動臺站記錄的寬頻帶地震波資料，選取記錄臺站震中距＜250km、波形連續(xù)且信噪比較高的M≥4.0余震數(shù)字波形，采用Zhao等(1994)提出、并經(jīng)Zhu等(1996)發(fā)展的“CAP”(Cut and Paste)波形反演方法進(jìn)行計算，最終獲得了312個M≥4.0余震的震源機(jī)制解。余震震源機(jī)制均勻展布于NE向龍門山斷裂帶中北段，形成長約330km的條帶(圖2a)。

圖2 汶川M≥4.0(a)、蘆山M≥3.0(b)余震震源機(jī)制空間分布Fig.2 The spatial distribution of focal mechanisms for Wenchuan M≥4.0(a)and Lushan M≥3.0(b)aftershocks.

針對蘆山余震，同樣查閱了2013年4月20日至6月1日四川區(qū)域臺網(wǎng)和流動臺站記錄的寬頻帶地震波資料，選取記錄臺站震中距＜250km、波形連續(xù)且信噪比較高的M≥3.0余震數(shù)字波形，基于“CAP”和振幅比(梁尚鴻等，1984)2種方法，反演獲得了114個M≥3.0余震的震源機(jī)制解，余震震源機(jī)制展布于NE向龍門山斷裂帶南段，形成長約40km的條帶，具有一定的叢集特征(圖2b)。如此豐富的震源機(jī)制解資料為深入研究汶川8.0、蘆山7.0級強(qiáng)震后余震區(qū)應(yīng)力場的時空變化特征提供了保障。

1.2 應(yīng)力張量計算方法

其反演方差被定義為misfit角度(單個地震的滑動矢量與在假設(shè)應(yīng)力張量作用下產(chǎn)生的理論滑動矢量之間的夾角)與其平均數(shù)之差的平方和的平均數(shù)，是衡量地震震源釋放應(yīng)力場與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場一致性程度的定量指標(biāo)(Michael，1987，1991)。當(dāng)方差＜0.1時，意味著可以用1個統(tǒng)一的應(yīng)力張量來解釋觀測到的震源機(jī)制解，也可以理解為該區(qū)域的應(yīng)力場是均勻的，震源機(jī)制具有很好的一致性;當(dāng)方差＞0.2時，表明該區(qū)域的應(yīng)力場在時間和空間上具有非均勻性，或者說該區(qū)域的震源機(jī)制比較紊亂(Lu et al.，1997)。實(shí)驗(yàn)證明，通過上述方法獲得的區(qū)域應(yīng)力張量是符合觀測實(shí)際的，國外眾多學(xué)者基于該方法已經(jīng)開展了大量的研究工作(Michael，1991;Wiemer et al.，2002)。

2 汶川余震區(qū)應(yīng)力場時空分布特征

基于汶川312次M≥4.0余震震源機(jī)制解，采用Michael提出的應(yīng)力場反演方法，將汶川余震區(qū)內(nèi)震源機(jī)制相對密集的地帶以0.05°×0.05°進(jìn)行網(wǎng)格化，選取每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)及其周圍至少15個地震震源機(jī)制進(jìn)行應(yīng)力場反演，采用ZMAP軟件①http:∥www.earthquake.ethz.ch/software/zmap。計算出區(qū)域內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)的壓應(yīng)力S1方位。為了精細(xì)刻畫余震區(qū)壓應(yīng)力的空間分布特征，結(jié)合已有的地表破裂考察結(jié)果(徐錫偉等，2008)及震源機(jī)制解的分段特征(王勤彩等，2009;易桂喜等，2012)，將余震區(qū)沿龍門山斷裂帶自西南至東北劃分為5段(A1～A5)，并將余震區(qū)南段明顯偏離龍門山斷裂帶走向的理縣NW向分支(A6)單獨(dú)劃分。同時基于上述各分段的震源機(jī)制解，采用Michael提出的應(yīng)力場方法計算了每個分段整體的應(yīng)力主軸球面投影，對其壓應(yīng)力方位、傾角及相應(yīng)的應(yīng)力類型進(jìn)行分析(圖3)。

圖3 汶川余震區(qū)壓應(yīng)力S1方位及分段應(yīng)力主軸球面投影圖Fig.3 The orientation of compressive stress(S1)and subsection projection of principal stress axis in Wenchuan aftershock zone.

整個余震區(qū)壓應(yīng)力S1方位復(fù)雜，存在明顯的空間差異。汶川8.0級主震所在的A1段S1方位比較紊亂，起始破裂點(diǎn)受主震的影響較大，局部小區(qū)域自南向北表現(xiàn)出由近NW向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻麼E向，這與逆沖兼右旋走滑分量的汶川主震非常吻合，該段的整體壓應(yīng)力方位為85.0°，傾角為3.3°，應(yīng)力類型表現(xiàn)為逆斷型;A2段為汶川—茂縣一帶，其S1方位呈現(xiàn)較好的一致性，即NW向，已有研究也表明該段斷層面上的滑動方向幾乎與斷層走向垂直(王勤彩等，2009)，考察結(jié)果證實(shí)該區(qū)域?yàn)辇堥T山鎮(zhèn)-清平次級斷裂，主要以逆沖滑動為主(徐錫偉等，2008)。該段的整體壓應(yīng)力方向?yàn)?20°，傾角為17.6°，應(yīng)力類型表現(xiàn)為逆斷型;A3段位于茂縣—平武一帶，該段S1方位出現(xiàn)明顯變化，呈現(xiàn)由近NEE向逐漸逆時針旋轉(zhuǎn)為NNE方向，該段與北川-南壩次級斷裂重合，王勤彩等(2009)的早期研究結(jié)果表明該段震源機(jī)制類型復(fù)雜，3種類型交替出現(xiàn)，滑動矢量方向一致性很差。該段的整體應(yīng)力方向?yàn)?7°，傾角為2.3°，應(yīng)力類型為逆斷型;A4段為平武—青川之間的狹小區(qū)域，S1方向又與其南北兩側(cè)截然不同，壓應(yīng)力方向?yàn)镹W向，震源機(jī)制以逆沖為主，整體的壓應(yīng)力方位為121°，傾角為2.8°，應(yīng)力類型為逆斷型;青川以北的A5段S1方向呈現(xiàn)近EW向，壓應(yīng)力方位為90°，傾角為3.3°，應(yīng)力類型也為逆斷型;A6段系余震區(qū)南段偏離龍門山斷裂帶的NW向余震分支，壓應(yīng)力S1方位呈近NEE向，野外考察顯示該段存在左旋走滑運(yùn)動的小魚洞斷裂帶(徐錫偉等，2008)，震源機(jī)制以走滑類型占絕對優(yōu)勢(易桂喜等，2012)，整體的壓應(yīng)力S1的方位為70°，傾角為2°，應(yīng)力類型為走滑型。汶川余震區(qū)A3、A4段壓應(yīng)力方位變化顯著，認(rèn)為可能是汶川震源斷層以逆沖為主的南段和以右旋走滑為主的北段之間寬闊的過渡帶。

綜上所述，汶川余震區(qū)壓應(yīng)力S1方位復(fù)雜，主震起始破裂區(qū)附近應(yīng)力場相對紊亂，沿余震區(qū)自西南至東北，S1方向由近EW向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹W-SE向，最后在余震區(qū)的北段又轉(zhuǎn)為近EW向，應(yīng)力類型均表現(xiàn)為逆斷型;理縣分支S1方位呈NEE向，應(yīng)力類型為走滑型，整個余震區(qū)S1近水平狀態(tài)。

在獲得汶川余震區(qū)壓應(yīng)力S1方位的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計算了余震區(qū)各節(jié)點(diǎn)震源機(jī)制一致性參數(shù)，并采用應(yīng)力張量方差(variance)表征應(yīng)力場的非均勻程度。結(jié)合M≥5.5余震分布，分析余震區(qū)應(yīng)力張量方差空間分布與強(qiáng)余震的關(guān)系(圖4)，表1列出了其中M≥6.0余震目錄。結(jié)果顯示，整個余震區(qū)應(yīng)力張量方差同樣具有分段特征，主震震中所在的A1段應(yīng)力張量方差最高，為0.25，表明主震起始破裂區(qū)應(yīng)力場在空間上具有非均勻性。Wiemer等(2002)基于1992年蘭德斯MW7.3和1999年赫克托礦MW7.1余震震源機(jī)制解同樣得出主震破裂區(qū)附近具有較高的應(yīng)力張量方差(約0.3);A2段的應(yīng)力張量方差在整個余震區(qū)最低(0.11)，而A3—A6段的應(yīng)力張量方差介于A1和A2段之間，為0.15～0.17，可能反映出汶川余震區(qū)除A1段外，其余各段應(yīng)力場相對比較均勻。從M≥5.5余震的時空分布來看，A1段及邊緣的3次M≥6.0余震(b，c，d)和1次M5.8余震均在汶川主震后1d內(nèi)發(fā)生，主要為汶川8.0級地震后短期內(nèi)應(yīng)力調(diào)整的結(jié)果。后期發(fā)生的5次M≥6.0余震(e—i)和多次5級余震均發(fā)生在應(yīng)力張量方差較小的A2—A6段，應(yīng)力張量方差較高的A1段后期再未發(fā)生M≥5.5余震。

圖4 汶川余震區(qū)應(yīng)力張量方差及M≥5.5余震震中分布圖Fig.4 The distribution diagram of stress tensor variance and Wenchuan M≥5.5 aftershocks.

為了進(jìn)一步分析汶川強(qiáng)余震活動與應(yīng)力張量方差的關(guān)系，鑒于汶川余震區(qū)震源機(jī)制樣本量，選取50個地震作為窗長，10個地震作為步長進(jìn)行滑動計算應(yīng)力張量方差隨時間的變化。圖5給出了應(yīng)力張量方差隨時間的變化曲線與汶川M≥5.5余震M-t圖。截至2011年6月5日，四川臺網(wǎng)共記錄到M6.0～6.9余震8次，最大余震仍為2008年5月25日青川M6.4地震。以最大強(qiáng)余震為界，從時間上可將M≥5.5余震劃分為2組(表1)。汶川8.0級主震發(fā)生之后，余震區(qū)的應(yīng)力場出現(xiàn)了短期的紊亂，第1組強(qiáng)余震就發(fā)生在應(yīng)力調(diào)整的14d內(nèi)，分別為5月12日都江堰M(jìn)6.0、汶川M6.0、5月13日汶川M6.1、5月18日平武M6.0及5月25日青川M6.4地震。最大強(qiáng)余震發(fā)生之后，余震區(qū)又經(jīng)歷了60d的應(yīng)力調(diào)整過程，應(yīng)力張量方差逐漸減小，說明余震震源機(jī)制開始趨于一致，當(dāng)應(yīng)力張量方差接近0.17時，第2組強(qiáng)余震相繼發(fā)生，即2008年7月24日青川M6.0、8月1日平武M6.1及8月5日青川M6.1地震。隨后方差向高值趨勢發(fā)展，汶川余震區(qū)再未發(fā)生M≥6.0地震。澤仁志瑪?shù)?2009)的研究結(jié)果顯示2006年11月15日千島島弧MW8.3地震也具有類似的特征。

表1 2008年5月12日汶川M≥6.0余震目錄(據(jù)四川地震臺網(wǎng))Table 1 Catalogue of the May 12，2008 Wenchuan M≥6.0 aftershocks(Seismic Network of Sichuan Province)

圖5 汶川余震區(qū)應(yīng)力張量方差變化曲線與汶川M≥5.5余震M-t圖Fig.5 The changing curve of stress tensor variance and M-t diagram of Wenchuan M≥5.5 aftershocks.

強(qiáng)震孕育過程中，特別是臨近發(fā)生的時候，震源機(jī)制有趨于一致，應(yīng)力張量方差減小的特征，可能表明震源區(qū)應(yīng)力場在迅速調(diào)整，發(fā)生地震危險性增大。陳颙(1978)通過多次強(qiáng)震震例的研究，提出用震源機(jī)制一致性作為判別大震發(fā)生的新參數(shù);王俊國等(2005)、澤仁志瑪?shù)?2009)的研究結(jié)果顯示，千島島弧MW≥7.5地震發(fā)生之前，都有震源機(jī)制與構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力場的一致性參數(shù)在空間和時間上出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，汶川強(qiáng)余震均發(fā)生在應(yīng)力張量方差低值分布區(qū)或其邊緣附近，且發(fā)震時間也在其出現(xiàn)低值的時段。

3 蘆山余震區(qū)應(yīng)力場空間分布特征

基于蘆山114次M≥3.0余震震源機(jī)制解，采用Michael提出的應(yīng)力張量反演方法，將蘆山余震區(qū)內(nèi)震源機(jī)制相對密集的地帶以0.01°×0.01°進(jìn)行網(wǎng)格化，鑒于震源機(jī)制樣本量，選取每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)及其周圍至少8個地震震源機(jī)制解進(jìn)行應(yīng)力張量反演，同樣采用ZMAP程序計算出區(qū)域內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)的壓應(yīng)力S1方位，并根據(jù)主應(yīng)力軸的關(guān)系給出相應(yīng)的應(yīng)力類型空間分布。為深入研究蘆山余震區(qū)應(yīng)力場的空間分布特征，根據(jù)震源機(jī)制解的叢集性，將其劃分為4個子區(qū)域(虛線圈)進(jìn)行分析，并分別基于上述分區(qū)的震源機(jī)制解，采用Michael提出的應(yīng)力場方法計算出各分區(qū)整體的應(yīng)力主軸球面投影(圖6)。

圖6 蘆山余震區(qū)壓應(yīng)力S1方位及分段應(yīng)力主軸球面投影圖Fig.6 The spatial distribution of compressive stress(S1)and subsection projection of principal stress axis in Lushan aftershock zone.

蘆山余震區(qū)壓應(yīng)力S1方位同樣存在明顯的局部空間分區(qū)差異，應(yīng)力類型主要表現(xiàn)為逆斷型(TF)和走滑型(SS)。區(qū)域①的壓應(yīng)力S1方向局部呈現(xiàn)由NW經(jīng)EW轉(zhuǎn)向NE的漸變式過程，整體壓應(yīng)力方位為115°，傾角為6.7°，應(yīng)力類型以走滑型為主;區(qū)域②位于余震區(qū)中部的西側(cè)，該區(qū)域S1方向總體呈現(xiàn)由NW順時針旋轉(zhuǎn)的微小變化，壓應(yīng)力方位為131°，傾角為17.5°，應(yīng)力類型同樣以走滑型為主;蘆山主震震中所在的區(qū)域③壓應(yīng)力S1相對比較紊亂，與汶川主震附近S1方向的特征相似，該區(qū)域的整體壓應(yīng)力方位為112°，傾角為4.8°，應(yīng)力類型為逆斷型;區(qū)域④的壓應(yīng)力S1方位為122°，呈NW向，傾角近似水平，為0.1°，應(yīng)力類型有逆斷向走滑過渡的現(xiàn)象。

綜上所述，蘆山余震區(qū)壓應(yīng)力S1方向總體呈現(xiàn)NW向，傾角近似水平，不僅與趙博等(2013)采用力軸張量法計算獲得的余震區(qū)平均主壓應(yīng)力方向一致，也與該區(qū)域應(yīng)力場的方位一致(成爾林，1981;刁桂苓等，2011)。應(yīng)力類型除了主震震中附近呈現(xiàn)純逆斷性質(zhì)外，其他區(qū)域均表現(xiàn)為走滑型和逆斷層交替出現(xiàn)的特征。

在獲得蘆山余震區(qū)壓應(yīng)力S1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計算了余震區(qū)震源機(jī)制一致性參數(shù)，同樣采用應(yīng)力張量方差表征應(yīng)力場的非均勻性程度。結(jié)合M≥5.0余震分布，分析余震區(qū)應(yīng)力張量方差空間分布與強(qiáng)余震的關(guān)系(圖7)，表2列出了其中M≥5.0余震目錄。以蘆山7.0級地震為界，余震區(qū)NE方向的區(qū)域應(yīng)力張量方差明顯低于西南區(qū)域，說明其東北區(qū)域的應(yīng)力場相對西南區(qū)域比較均勻，余震震源機(jī)制一致性較好。區(qū)域①的應(yīng)力張量方差最低，為0.12，蘆山3次強(qiáng)余震(圖7中的b、d、e)均發(fā)生在應(yīng)力張量方差低值區(qū)及其邊緣，可能說明蘆山余震區(qū)東北區(qū)域的應(yīng)力水平相對較高，故應(yīng)關(guān)注蘆山與汶川余震區(qū)之間“破裂空段”(陳運(yùn)泰等，2013;高原等，2013)的應(yīng)力變化;區(qū)域②—④的應(yīng)力張量方差均相對較高，分別為0.21、0.19和0.22，表明這些區(qū)域的應(yīng)力場在空間上具有非均勻性。

圖7 蘆山余震區(qū)應(yīng)力張量方差及M≥5.0余震震中分布圖Fig.7 The distribution diagram of stress tensor variance and Lushan M≥5.0 aftershocks.

表2 2013年4月20日蘆山M≥5.0余震目錄(據(jù)四川地震臺網(wǎng))Table 2 Catalogue of the April 20，2013 Lushan M≥5.0 aftershocks(Seismic Network of Sichuan Province)

由于蘆山M≥5.0余震均發(fā)生在4月20、21日(表2)，距主震發(fā)震時間較短，因此無法討論蘆山強(qiáng)余震活動與應(yīng)力張量方差隨時間演化的關(guān)系。

4 結(jié)論

本文分別基于汶川M≥4.0和蘆山M≥3.0余震震源機(jī)制解，采用應(yīng)力場反演方法分析了汶川、蘆山余震區(qū)的壓應(yīng)力(S1)和應(yīng)力張量方差空間分布特征，研究了應(yīng)力張量方差時空分布與強(qiáng)余震活動的關(guān)系。得到的初步認(rèn)識如下:

(1)汶川余震區(qū)壓應(yīng)力(S1)方位復(fù)雜，主震破裂區(qū)附近S1方位相對紊亂，余震區(qū)自西南至東北，S1方位由近EW向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹W-SE向，最后在余震區(qū)的北段又轉(zhuǎn)為近EW向，應(yīng)力類型均呈逆斷型。而理縣分支S1方位呈NEE向，應(yīng)力類型為走滑型，整個余震區(qū)S1呈近水平特征。

(2)蘆山余震區(qū)壓應(yīng)力S1方向也存在顯著的分區(qū)差異，總體呈現(xiàn)NW向，傾角近水平，除主震震中附近的應(yīng)力類型為純逆斷型外，其他區(qū)域走滑型和逆斷型的應(yīng)力類型均有存在。

(3)汶川、蘆山主震發(fā)生后短期內(nèi)起始破裂區(qū)應(yīng)力場處于調(diào)整階段，應(yīng)力張量方差相對較高，應(yīng)力張量方差時空分布對于強(qiáng)余震的發(fā)生具有一定的指示意義，汶川、蘆山后期強(qiáng)余震發(fā)生在應(yīng)力張量方差低值分布區(qū)或其邊緣附近。