芦山7.0级地震序列的震源位置与震源机制解特征

吕 坚，王晓山，苏金蓉，潘林山，李 正，尹利文，曾新福，邓 辉

1江西省地震局，南昌 330039

2河北省地震局，石家庄 050021

3四川省地震局，成都 610041

4河南省地震局，郑州 450016

5河北联合大学，唐山 063009

1 引 言

继2008年5月12日汶川8.0级特大地震后，四川省再次发生2013年4月20日芦山7.0级强烈地震，造成了惨重的人员伤亡.地震发生后，国内外多家机构和研究小组快速反演了主震的震源机制解和震源矩心深度，对满足抗震救灾需求和开展后续科学研究都有重要意义.根据现有的成果［1－8］，这次芦山7.0级地震为逆冲型地震，但已有研究给出的震源机制解略有差别，震源矩心深度也在10～22 km间变化，这种差别对于确定地震断层面形态和精细反演震源破裂过程存在一定影响.除了主震的震源参数外，余震序列的震源位置测定和震源机制解研究对于确定震源破裂过程、判定发震构造和分析未来地震趋势也非常重要.因此，本文将在充分整理四川数字地震台网记录的基础上，对早期序列中的ML2.0级以上地震进行精确定位，反演ML4.0级以上地震的震源机制解和矩心深度.在此基础上，结合前人研究和地震应急获得的系列成果，重点讨论芦山地震序列的震源深度、震源机制和震源破裂面特征，探讨可能的发震构造.

2 地震重新定位和震源机制解反演

4月20日芦山7.0级地震的余震序列发育，截止到4月29日0时，共记录余震5700余次，其中ML2.0～2.9级667次，ML3.0～3.9级237次，ML4.0～4.9级42次，ML5.0～5.9级7次.通过分析全国统一编目结果和震相观测报告，我们挑选出具有5个以上台站记录的ML2.0级以上地震，共计898次，采用HypoDD方法［9］对这些地震的震源位置进行重新定位.定位时采用的地壳速度结构综合王椿镛等［10－11］、朱介寿等［12］、赵珠等［13］人工地 震测深和天然地震反演的成果，列于表1.在计算过程中，采用共轭梯度法求解方程，得到阻尼最小二乘法解，同时将奇异值分解法应用于部分资料以获得有关模型参数的误差、分辨度等信息.经过重新定位后，得到了889次地震的震源位置，平均走时残差由重定位前的1.23s降至0.28s，震源位置在水平向的平均估算误差为1～2km，在垂直向的平均估算误差为2～3km.

表1 地壳速度结构Table 1 Crustal velocity model

在获得精确的震源位置后，我们采用CAP方法（Cut and Paste方 法 的 简 写）［14－16］进行震源机制解和震源矩心深度联合反演.该方法的一大优势是反演结果对速度模型和地壳横向变化的依赖性相对较小，甚至可以应用在速度结构变化差异很大的地区，具有较高的可靠性［17－22］，本研究采用的是该方法中P波初动方向和波形拟合联合反演的算法.在4月20—28日间，芦山地震序列发生了50次ML4.0级以上地震，我们对于每个地震都挑选出震中距小于300km的台站［23］，这些台站可以合理地包围震中（图1）.在波形记录质量的逐条分析后，只能筛选出其中的36次地震待研究，另有14次地震的波形记录受到明显干扰，信噪比很低.在选用震相时，我们先识别原始记录UD分量的P波初动方向，再将原始记录扣除仪器响应，从UD－NS－EW分量旋转为Z－R－T分量，分成Pnl和面波两个部分，并将Pnl部分经带宽为0.05～0.20Hz、面波部分经带宽为0.05～0.15Hz的4阶Butterworth带通滤波器滤波.选择这样的分析频率范围，既可以滤掉长周期地脉动和由速度积分到位移造成的长周期漂移，也可以有效避免介质细结构所带来的影响，既可得到恰当的标量地震矩也能较充分地反映地震波携带的震源信息.由于7.0级主震造成了很多台站的波形限幅，而且对于近台而言不太满足点源模型的假定，我们进行特殊处理，震中距200km内的台站只采用P波初动符号信息，震中距200～250km的台站采用没有限幅的Pnl波形信息，震中距250～300km的台站采用没有限幅的全部波形信息.

在研究过程中，我们采用表1中的速度模型和频率－波数法（F－K方法）［14－16］计算理论地震图.对于每个地震，首先在各深度对断层走向、倾角、滑动角以2°间隔进行最佳双力偶解搜索，然后对比不同深度反演误差，得到最佳震源矩心深度和双力偶解（表2）.限于篇幅，我们只给出了7.0级主震（图2和图3）和4月20日10时38分ML4.7级余震（图4和图5）的波形拟合结果作为示例.

图1 地震震中与CAP反演使用的台站分布图Fig.1 Seismic epicenter and stations oriented CAP study

表2 震源机制解Table 2 Focal mechanism solution

表3 震源机制解的结果对比Table 3 Comparison of focal mechanism results

3 结果分析与讨论

芦山地震后，多家机构和研究小组给出了7.0级主震的震源机制参数，刘杰等［1］、曾祥方等［2］、谢祖军等［6］也相继发表了他们的研究成果，加上本文结果均列于表3中.除了美国地质调查局的结果外，其余八组结果的双力偶断层面解均存在一组相对接近的节面，走向在215°±6°间，倾角在42°±8°间，滑动角在98°±9°间.其中中国地震局地球物理研究所刘超等和韩立波等（http：／／www.cea－igp.ac.cn／tpxw／266824.shtml）的两个结果走向一致、倾角和滑动角相差较大，GlobalCMT结果（http：／／www.globalcmt.org／CMTsearch.html）和刘杰等［1］的结果倾角相对较缓，而中国地震局地震预测研究所（http：／／www.seis.ac.cn／manage／html／8a9080 a125b29b1b0125b2a3093a0002／content／13＿04／27／1367035859616.html）、曾祥方等［2］、谢祖军等［6］和本文的结果是非常接近的，断层面解的三个角度最大偏差均不超过5°，这种偏差可能与反演过程中选取的台站分布、网格搜索步长或者速度模型不同存在一定关系.从震源矩心深度上看，GlobalCMT结果和刘杰等［1］的结果相对较深，其余结果的深度在14±2km间，考虑到龙门山地区速度结构比较复杂，并且芦山地震存在一定的破裂尺度，这些偏差是完全可以接受的.如果具备更精细的三维速度模型，后续的深入研究或许可以体现出地震的复杂性质.这次地震的矩震级应该为6.6级或者略强一些，根据已有破裂过程的研究结果［3－5］，本次地震可能存在两次子事件，主要滑动在第一次子事件期间（0～10s）就已经形成，第二次子事件发生15s之后，所对应的滑动分布比较零散，需要进一步确定，两次子事件累计释放的标量地震矩相当于1次MW6.6～6.8级地震.相比之下，刘杰等［1］的结果震级相对偏小，可能与选取的震源持续时间稍短有关系.总体而言，本次芦山7.0级地震的走滑分量非常微弱，可视为纯逆冲型地震.而本文的主震震源机制解研究结果综合考虑了P波初动方向和波形拟合联合反演，和中国地震局地震预测研究所、曾祥方等［2］、谢祖军等［6］的结果可以相互验证，而且这些结果基于多个不同的速度结构模型计算得到，也说明了CAP方法对速度模型的依赖性较小，适合于龙门山地区的地震震源机制解研究.

图5 4月20日10时38分ML4.7级地震的理论地震图与观测地震图虚线为理论地震图，实线为观测地震图.波形下方上面的数字为理论地震图相对观测地震图的移动时间，下面的数字为理论地震图与观测地震图的相关系数.Fig.5 Comparison between the synthetic and the observed seismograms of the ML4.7earthquake at 10：38on April 20 The dashed line are synthetic seismograms and the solid line are data.The numbers under the seismograms are the time shifts（upper）and cross－correlation coefficient in percent（lower）.Positive time shifts mean that the synthetics have been delayed or shifted to the right.

图6是芦山地震序列精确定位后的震中分布和沿不同剖面的震源深度分布图，可以看出震中分布的优势长轴走向为北偏东30°左右，和本文得到的主震双力偶断层面解的一组节面走向（走向209°）吻合.震源深度剖面图显示出：沿着震中分布的优势长轴走向（A－B剖面），ML2.0以上地震的集中分布尺度在30km左右，这和张勇等［3］、刘成利等［5］得到的主震破裂断层长度30km左右接近，小于王卫民等［4］得到的地震破裂尺度54km左右的结果.垂直震中分布的优势长轴走向剖面（C－D剖面）反映了沿断层倾向的震源分布特征，ML2.0级以上余震主要分布在5～27km的深度上，ML3.5级以上较大余震则集中分布在9～25km的深度上，并较为清晰地揭示出可能的发震断层倾向北西（北西盘为上盘），倾角大致在45°左右.经过重新精确定位后，7.0级主震的震源位置为30.30°N、102.97°E，初始破裂深度为15km左右，和震源矩心深度14km左右相近.

图6 精确定位后的地震震中分布和沿不同剖面的震源深度分布图Fig.6 Distributions of the seismic epicenter after precise relocation and the different cross sections of hypocenters

为了确定可能存在的发震断层面，我们采用了万永革等［24］提出的利用小震分布和区域应力场确定大震断层面参数方法，该方法根据成丛小震发生在大震断层面及其附近的原则，将模拟退火算法和高斯－牛顿算法结合，给出了利用小震密集程度求解主震断层面走向、倾角的稳健估计方法，在此基础上考虑区域构造应力参数，还可以估计在已求得的断层面上的滑动角，目前已在唐山地震序列的研究中得到了非常可靠的结果.根据方法原理，我们结合地震序列优势长轴走向（210°左右）和本文主震震源机制解存在的一组节面走向（209°），将从南西—北东的地震分布顺时针旋转61°为从西—东分布，然后按选定的矩形区域四边各剔除0.5%的离散数据进行拟合（图7a、图7b），得到选定地震至假定断层面距离拟合标准差最小的平面为走向207°，倾向北西，倾角50°（图7b、图7c）.我们根据主震震源机制解确定P轴方位296°、仰角1°，T轴方位188°、仰角87°为区域应力场参数，计算出假定断层破裂的滑动角为92°，上述结果与本研究得到的主震震源机制解存在的走向209°、倾角46°、滑动角94°的节面非常接近.图7d中显示了选定地震离开断层面的距离，可以看出绝大多数余震发生在断层面附近10km左右的区域.综合主震在震中平面图和深度剖面图的位置（图6）、初始破裂深度和震源矩心深度相近的现象，推测主震破裂过程自初始点沿断层的两侧扩展破裂，南侧破裂比北侧稍长，滑动量主要集中在初始破裂点附近，地表以下5km深度以内无大的错动，因此该深度范围内余震也很少.

芦山7.0级地震和2008年汶川8.0级地震同处于龙门山断裂带（图1），其中汶川8.0级地震发生在龙门山断裂带中北段，是一次以逆冲为主的地震，造成了龙门山中央断裂240km左右和前山断裂80km左右的地表破裂带［25］.本次芦山地震发生在龙门山断裂带南段，现场考察没有发现明显的地表破裂带.精确定位后的地震序列分布在龙门山前山断裂以东和龙门山山前断裂以西的区域（图6），根据主震的最佳双力偶解和地震序列拟合的断层面参数，可以推测发震断层是一条走向北东、倾向北西的逆冲断层，绝大多数ML4.0级以上余震的震源机制也表现出与主震类似的逆冲破裂特征（图8）.结合主震14km左右的震源深度和46°左右的破裂倾角，发震断层的地表出露应该在主震震中的东侧10～20km的位置，龙门山山前断裂的逆冲性质、断层倾向及在震中区域的展布方向较为符合推测发震断层的特征，地表以下5km深度以内余震很少和主震破裂过程研究显示破裂面上的位移未达地表的现象［3－5］，也在一定程度上可以解释为什么在龙门山山前断裂找不到明显地表破裂的原因.然而，根据中国地震局发布的地震烈度分布图（http：／／www.cea.gov.cn／publish／dizhenj／465／539／2013042618 5746117952058／index.html），Ⅸ度极震区东北自芦山县太平镇、宝盛乡以北，西南至芦阳镇向阳村，长半轴为11.5km，地表存在较明显的横向挤压缩短变形、定向排列的喷沙冒水孔、以及细小的地裂缝等，表现为本次地震造成的地表形变带，是揭示地下发震构造的重要参考，因此我们不能排除在龙门山前山断裂和山前断裂之间还存在一条未知的基底断裂发震的可能性，该断裂具有隐伏性，地表展布位置应该在7.0级主震的震中以东.同时，图8中ML4.0级以上余震的震源机制解也具有一定的分区特征，有个别地震表现为近东西向的纯逆冲破裂，后续我们将收集震区大比例尺的地震地质、地球物理和科学考察资料再深入研究，进一步揭示芦山地震序列的发震机理.

图7 精确定位的小震分布在水平面（a）、断层面（b）和垂直于断层面的横断面（c）上的投影；（d）为地震距断层面距离的分布圆圈表示精确定位小震，粗线表示确定的断层面边界.AB为断层上边界端点.Fig.7 Distribution of precisely located Lushan earthquakes sequences：（a）The map view；（b）Vertical cross－section along the fault plane；（c）Vertical cross－section perpendicular to the fault plane；（d）Histogram of earthquakes sorted by their distances to the fault plane Circles indicate the event locations，thick lines are the fault plane boundaries.AB is the fault upper boundary.

图8 震源机制解结果图（下半球投影，震源球旁的数字为震源矩心深度）Fig.8 Map of focal mechanism results

4 结 论

（1）芦山7.0级主震的震源位置为30.30°N、102.97°E，初始破裂深度为15km左右，震源矩心深度为14km左右，震源机制最佳双力偶解的节面I为走向209°／倾角46°／滑动角94°，节面Ⅱ为走向23°／倾角44°／滑动角86°，走滑分量极小，可视为纯逆冲型地震破裂.

（2）ML2.0级以上余震序列主要发生在主震南北两侧累计30km左右的区域，震源深度主要集中在5～27km，ML3.5级以上较大余震则集中分布在9～25km的深度上，利用小震分布和区域应力场拟合可以得到发震断层参数为走向207°／倾角50°／滑动角92°，绝大多数余震发生在断层面附近10km左右的区域.综合地震序列分布特征、主震震源深度和已有破裂过程研究结果，可以推测主震破裂过程自初始点沿断层的两侧扩展破裂，南侧破裂比北侧稍长，滑动量主要集中在初始破裂点附近，可能没有破裂到地表.

（3）绝大多数ML4.0级以上余震的震源机制表现出与主震类似的逆冲破裂特征，但也具有一定的分区特征，甚至有个别地震表现为近东西向的纯逆冲破裂，后续我们将进一步深入研究这些余震的发震机理.

（4）综合已有的研究成果，初步推测芦山地震的发震构造为龙门山山前断裂，考虑到极震区发现的地震地表形变带，也不排除主震震中东侧还存在一条未知的基底活动断裂发震的可能性.

致 谢 中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”和四川省地震局为本研究提供了地震波形数据，中国地震局地质研究所张培震研究员在汶川地震研究中提供了龙门山区域的断裂数据，中国科学院测量与地球物理研究所谢祖军博士提供大量帮忙，审稿专家给出重要修改意见，在此一并致谢！

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