利用断层围陷波资料研究汶川MS8.0地震构造特征

孙 译, 赖晓玲

(1.中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002；2.中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000)

利用断层围陷波资料研究汶川MS8.0地震构造特征

孙 译1,2, 赖晓玲1*

(1.中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002；2.中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000)

利用汶川地震区不同地段的断层围陷波记录，分析了该地震断层的分段性特征。对断层北东段的关庄测线分析研究结果表明：地壳内破碎带的宽度大约160～180 m，地下破碎带的中间与地表破裂的位置对应，并且地下破碎带在断层的两盘边缘较均匀地分布，反映了北东段的断层倾角较陡，近似直立断层。对断层南西段的虹口测线研究结果表明：地壳内破碎带的宽度大约180～200 m，地下破碎带主要分布在地表断层陡坎上盘所对应的地壳内，反映了南西段断层倾角比北东段断层倾角小。本文的研究结果可以为汶川8.0级地震的构造背景研究提供依据。

汶川地震；断层围陷波；地震记录；破碎带

0 引言

断层围陷波是波在断层的两个边界内侧多次反射并相干迭加而形成的。该类波可由天然地震激发，也可由人工震源激发，震源位于断层带内或紧靠断层附近即可。围陷波是由断层带内低速介质和高速围岩之间的相干多次反射波构成的，因而其振幅和频率强烈地依赖于断层带内介质的物理性质和断层的几何形态。所以观测、分析断层围陷波能够确定断层在深部的细节。

但是，在常规的地震资料中，我们几乎找不到断层围陷波。要获得断层围陷波的观测资料，需要有特殊的观测技术，并需同时具备测线位置、断层通道、地震活动相匹配的条件。因此，该方法只能用于一些特定地区的专门研究，断层围陷波的方法在美国、日本、意大利等国家的地震破裂带细结构研究方面得到了应用[1-5]。

2008年的汶川MS8.0级地震，地表破裂带长约 240 km，但是发震断层在地壳内的破碎带需要通过地震观测才能得到。近几年，我们在汶川地震区不同地段布设了数条断层围陷波测线，进行余震观测，其中，平通测线的成果已发表[6]。由于有多条测线未处理，所以没有对汶川地震主破裂带进行整体的分析。2013年4月20 日，在汶川地震西南约85 km处的芦山县又发生了1次7.0级地震。为了对该区域强震的发震构造研究提供更多的依据，本文将对汶川地震主破裂带几条测线的记录进行对比分析，得到不同地段的差异性特征。

1 汶川地震构造及断层围陷波测线位置

汶川8.0级地震发生在龙门山断裂带，该断裂带由3条北东走向的断裂组成，西边的汶川-茂县断裂(后山断裂)，中间的映秀-北川断裂(中央断裂)，汶川8.0级地震破裂主要发生在该断裂上,以及东边的灌县-江油断裂(前山断裂)。断层围陷波测线主要布设在中央断裂，本文的汶川地震断层主要指中央断裂。

由于汶川地震断裂带为北东走向，断层围陷波测线是横跨断层布设，所以测线是北西走向。本文将对横跨中央断裂的3条围陷波测线的典型记录进行对比分析。3条测线的位置见图1，从北东向南西测线的名称依次为：关庄测线、擂鼓测线、虹口测线。

图1 汶川地震区的地震构造及断层围陷波测线位置(据文献[8]修改)

2 青川县关庄镇断层围陷波观测

关庄镇位于汶川地震断层的北东段，在地震科考中没有发现明显的地表破裂带，因此，推测汶川地震地表破裂带北东段可能终止于关庄镇以南[7]。但是关庄镇及其周围在汶川8.0级大震中受灾非常严重，为了对该地段的地下断层进行研究，2011年6—7月， 我们在关庄镇进行了断层围陷波探测。地震仪沿公路布设， NW-SE向展布，与NE走向的断层大致垂直。沿公路共放了20台数字地震仪，观测点距约25 m。

3 关庄测线资料处理分析

在关庄测线获得了大量余震记录，但是包含断层围陷波的记录不多。因此，资料挑选的工作量是很大的。经过初步整理、挑选、滤波等步骤，可以得到包含有断层围陷波的地震记录。下面给出几个观测到断层围陷波的地震记录，并进行分析和讨论。

图2为2011年6月25日12点12分，青川ML1.8余震记录。图中S-P到时大约4 s，震源距约为32 km。图中台站编号1～19，所指的测线方向为从SE到NW台站编号递增。在原始记录图2a上P波和S波震相很清楚，但是看不到断层围陷波，经过滤波后，在6～13号站之间的各记录道上，断层围陷波能量增强，见图2b虚线勾出的波组。该波组出现在P波和S波之后，围陷波的频率较低，优势频率约为3 Hz左右。

a 原始地震记录 b 经过0.5～3 Hz滤波的地震记录

图3为2011年6月26日21时48分，青川ML1.0余震记录。S-P到时约为3 s，震源距大约为24 km。虽然在原始地震记录图3a上断层围陷波不太清楚，但经过波段滤波后，该波组非常明显，尤其在8号台站到13号台站之间的各记录上，断层围陷波相当强，见图3b虚线勾出的波组。

断层围陷波是由于波在断层的两个边界内侧多次反射并相干迭加而形成的，因此，在断层带内部或非常靠近断层带的台站上其振幅较大。测线相邻台站之间距离约为25 m,据此初步推测，地壳内断层破碎宽度大约160～180 m。该地段虽然没有明显的地表破裂带，但是地壳内破碎带是存在的。

a 原始地震记录 b 经过0.5～3 Hz滤波的地震记录

4 擂鼓测线、虹口测线资料分析

擂鼓测线位于汶川地震断层的北东段，该地段在汶川8.0级地震中有地表破裂带，并且开挖了地震探槽。断层围陷波测线是以探槽和地表破裂位置为大致中点，横跨断层，沿NW-SE方向两端延伸。图4为擂鼓测线的一个围陷波记录，地震事件是2008年7月17日14时40分，ML2.4级。图中台站编号1～13，所指的测线方向为从SE到NW台站编号递增。图4b虚线勾出的波组是断层围陷波，该波组在3号台站到10号台站之间的各记录，断层围陷波相当强，推测地壳内断层破碎宽度大约160～180 m。图中箭头所指7号台站的位置是地表破裂。可以看出地下破裂带的中部位于地表破裂的正下方，地下破裂带较对称的分布在断层的两盘边缘。

a 原始地震记录 b 经过0.5～3 Hz滤波的地震记录

虹口测线位于汶川地震断层的南西段，该地段位于汶川8.0级地震震中附近。虹口八角庙地表有逆断层的陡坎，并且可见断层擦痕[8-9]。断层围陷波测线横跨逆断层陡坎，大多数的仪器放置在逆断层的上盘。图5为虹口测线的一个围陷波记录，地震事件是2008年7月21日00时44分，ML2.1级。图中台站编号1～16，所指的测线方向为从SE到NW台站编号递增。图5b虚线勾出的波组是断层围陷波，该波组在5～13号台站之间断层围陷波相当强，推测地壳内断层破碎宽度大约180～200 m。图中箭头所指的5～6号台站之间的位置是断层陡坎，可以看出地下破裂带主要集中在逆断层陡坎的上盘。

a 原始地震记录 b 经过0.5～3 Hz滤波的地震记录

5 结论与讨论

关庄测线地段，虽然未见明显的地表破裂带，但是断层围陷波的探测结果表明，地壳内破碎带是存在的。由此可见，该方法可以用于补充地表科考未呈现的地震断层在深部的构造信息。

汶川地震断层北东段的关庄测线断层围陷波探测结果表明，地壳内破碎带的宽度大约160～180 m。地下破碎带的中间与地表破裂的位置对应，地下破碎带在断层的两盘边缘较均匀地分布，反映了该地段断层倾角较陡，可能近似直立断层。汶川地震断层南西段的虹口测线断层围陷波探测结果表明，地壳内破碎带的宽度大约180～200 m。地下破碎带主要分布在地表断层陡坎上盘所对应的地壳内，反映了该地段断层倾角比北东段较缓一些。擂鼓测线可能位于断层分段性特征的过渡区，断层倾角比较陡，但兼有断层南西段的一些特征。

汶川8.0级地震及其余震序列重定位结果[10],给出了几个震源深度剖面图，剖面位置与围陷波测线位置有一定对应关系。在汶川地震断层的南西段，余震主要分布在地表破裂带的西北侧(图6a)，但是在该断层的北东段，余震在地表破裂的两侧均有分布 (图6b)。 震源深度剖面图反映的断层分段特征是南西段断层倾角比较缓，北东段断层倾角为高角度西倾，与围陷波获得的结果较一致。地质所在震后地质调查得到的地表破裂带也有大致的南西段和北东段不同的特征，本文断层围陷波分段探测结果表明，该地震断层在地壳内的分段特征与地表呈现的形式基本是一致的。

注：倒三角形标示地表破裂位置

[1]Lewis, M. A., Z. Peng, Y. Ben-Zion,et al. Shallow seismic trapping structure in the San Jacinto fault zone near Anza, California[J]. Geophys. J. Int. , 2005，162, 867-881.

[2]Li, Y.G.and Leary, P.G.. Fault zone trapped seismic waves[J]. Bull. Seism. Soc. Am., 1990,80, 1245-1271.

[3]Mizuno, T., and Nishigami K.. Deep structure of the Nojima Fault, southwest Japan, estimated from borehole observations of fault-zone trapped waves[J]. Tectonophysics, 2006，417:231-247.

[4]Mizuno T., Kuwahara Y., Ito H., et al.Spatial Variations in Fault-Zone Structure along the Nojima Fault, Central Japan, as Inferred from Borehole Observations of Fault-Zone Trapped Waves[J].Bull. Seism. Soc. Am., 2008，98(2)，558-570.

[5]Rovelli, A., Caserta, A., Marra F., et al. Can Seismic Waves Be Trapped inside an Inactive Fault Zone？ The Case Study of Nocera Umbra, Central Italy[J].Bull. Seism. Soc. Am. ， 2002，92(6)，2217-2232.

[6]赖晓玲，李松林.汶川地震区平通镇断层围陷波探测[J].大地测量与地球动力学，2008，28(6):6-10.

[7]李传友，叶建青，谢富仁，等. 汶川MS8.0地震地表破裂带北川以北段的基本特征[J].地震地质， 2008, 30(3)：683-696.

[8]徐锡伟，闻学泽，叶建青，等.汶川MS8.0地震地表破裂带及其发震构造[J].地震地质，2008, 30(3)：597-629.

[9]刘静，孙杰，张智慧，等.汶川地震映秀-北川地表破裂带虹口乡段精细填图、位移特征和地震构造分析[J].第四纪研究，2010,30(1)：1-29.

[10]黄媛，吴建平，张天中，等.汶川8.0级大地震及其余震序列重定位研究[J].中国科学D辑，2008,38(10)：1242-1249.

Study on Seismic Structure of WenchuanMS8.0 Earthquake Using Fault Zone Trapped Waves

SUN Yi1,2, LAI Xiao-ling1

(1.Geophysical Exploration Center, CEA, Zhengzhou 450002, China;
2.Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, China)

Using the trapped waves data on different sections of Wenchuan earthquake region, the segmentation characteristic of the fault is obtained. Guanzhuang observation line is located at the northeastern portion of the fault, and the result indicates that the width of the rupture zone underground is about 160～180 m. The center position of rupture zone underground corresponds to the surface breaking trace, and is equally distributed at the edges of the two fault walls. It reveals that, for the northeastern portion, the dip angle of the fault is greater and the fault is near vertical. However, Hongkou observation line is located at the southwestern portion of the fault, and the result indicates that the width of the rupture zone underground is about 180～200 m. The rupture zone underground is mainly distributed below fault scarp. It reveals that, for the southwestern portion, the dip angle of the fault is smaller. The results will provide evidence for the research on the structure background of WenchuanMS8.0 earthquakes.

Wenchuan earthquake; fault zone trapped waves; seismic record; rupture zone

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.001

2014-01-15

国家自然科学基金(项目编号：41374099；41074069)；地震动力学国家重点实验室课题(项目编号：LED2013A01)；中国地震局地球物理勘探中心(项目编号：RCEG201304)

孙译(1985—)，男(汉族)，河南郑州人，工程师，硕士研究生，主要从事震害防御研究.

*通讯作者:赖晓玲(1957—)，女，研究员；主要从事地震成像,地震测深资料处理和解释工作.E-mail:lxling04@163.com

P315.251

A

1003-1375(2014)03-0001-04