基于强震和测震数据对鲁甸6．5级地震发震断层方向的研究

冯　蔚　刘　杰　罗佳宏　侯建盛　徐婉桢

1）中国地震台网中心，北京　100045

2）中国地震局地震预测研究所，北京　100036

3）中国地震局地质研究所，北京　100029

4）中国地震局，北京　100036

基于强震和测震数据对鲁甸6．5级地震发震断层方向的研究

冯蔚1，2）刘杰1）*罗佳宏3）侯建盛4）徐婉桢2）

1）中国地震台网中心，北京100045

2）中国地震局地震预测研究所，北京100036

3）中国地震局地质研究所，北京100029

4）中国地震局，北京100036

2014年8月3日16时30分，云南省昭通市鲁甸县发生M6.5地震，宏观震中位于鲁甸县龙头山镇（27.1°N，103.3°E），深度约12km。发震断层为NW向包谷垴－小河断裂，是NE向昭通－鲁甸断裂系的NW向次级走滑断层。文中利用鲁甸地震50个强震台站观测记录与135个测震台站观测记录，分别进行峰值加速度计算和S波辐射图案匹配，对此次地震发震断层方向进行讨论。结果表明，“NW向”的断层方向更符合强震、测震仪器观测值，同时与地震灾害现场调查结果一致。

鲁甸6．5级地震破裂方向峰值加速度S波辐射图案

0　引言

2014年8月3日16时30分，云南省昭通市鲁甸县（27.1°N，103.3°E）发生6.5级地震。地震造成云南省昭通市鲁甸县、巧家县、昭阳区、永善县、曲靖市会泽县共55个乡镇遭受不同程度破坏，617人死亡、112人失踪、3 143人受伤，22.97万人紧急转移安置。

表1　震源机制解参数Table 1　Focal mechanism solution of the Ludian earthquake

震后利用地震波形记录，通过P波初动方向快速求得震源机制解（表1）。结果显示2个节面的走向分别为NE向和NW向。由于此次震中位于NE向昭通－鲁甸断裂附近，初期做出了地震为NE向破裂的误判。后期，通过余震空间优势分布方位、强地震动记录、现场地震灾害和次生地质灾害调查获得的极震区展布和遥感影像等信息，综合判定鲁甸6.5级地震的发震断层为NW向包谷垴－小河断裂，是NE向昭通－鲁甸断裂系的NW向次级走滑断层。此次地震为一次左旋走滑型地震（徐锡伟等，2014）。

如果将地震作为一个点源，利用地震波资料，采用P波初动、CAP等方法，所解得的2个节面均可能为断层面，而断层破裂方向的判定对震害评估是一个至关重要的参数。断层面的确定多采用地质活断层资料，节面与断层走向相近的为断层面。目前采用的判断方法包括：开展现场地质调查，识别地震破裂带（徐锡伟等，2008）；开展准确的余震精定位工作，震后余震的空间分布多沿断层面走向（苏金蓉等，2013）；极震区等震线长轴方向应为断层面走向（刘启方等，2004）；INSAR、GPS解算的同震位移数据直接表示断层错动方向（国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”项目组，2008；屈春燕等，2008）等。徐锡伟等（2014）、赵旭等（2014）和许冲等（2014）利用鲁甸地震的野外考察资料、地震烈度长轴方位、震源运动学特征分析、滑坡编录信息等，判定了鲁甸地震的发震断层。但这些方法获取相关资料需要一定时间，在震害快速评估早期阶段无法得到结果。此外，这次鲁甸地震余震的精定位显示余震有2个优势分布方向，分别为SE向和SW向，具有不对称的共轭分布特征（房立华等，2014），这为利用余震分布判定发震断层方向提出一个新的问题。

地震后及时得到的数据是主震的强震动数据和测震台站的波形数据。强震动观测结果是对地表震动强弱程度的直接表述。一般而言，沿断层方向衰减较慢，垂直于断层方向衰减较快。破裂传播正向和反方向上地震动强度和频率的时间过程有显著的不同（谢俊举等，2011）。在强震台站分布适度的前提下，其等震线长轴方向多能准确地反映断层面走向。鲁甸地震后，冀昆等（2014）利用强震动台网中心相关数据进行鲁甸地震强震动特征与震害分析，PGA与PGV衰减均具有方向性。

利用测震台站的波形资料，通过地震质心位置与破裂起始位置之间的差异，可测定主震的破裂方向性以及发震断层（秦刘冰等，2014），何骁惠等（个人交流）采用这种方法，测量得到了鲁甸地震质心位置与破裂起始位置的差异，破裂方向由NW向SE破裂长度至少4km，主震的发震断层主要为一条走向为160°的断裂。基于移动源模型的地震波多普勒效应亦可估计断层破裂方向（周庆等，2011；李启成等，2014）。赵旭等（2014）研究结果表明鲁甸地震破裂表现出明显的方向性，主要向SE（沿走向342°相反方向）扩展，故导致SE向多数台站视破裂持续时间总体偏小。虽然上述研究取得了很好的成果，但这些研究需要处理大量资料，在主震发生后很难快速得到。

在假定地震震源为线源情况下，傅淑芳等（1980）指出，求取观测台站SH／SV的S波偏振方向，对于单力偶震源S波位移分布垂直于辅助面，可综合判断破裂面。因此，本文尝试利用测震台站波形数据，计算LQT坐标系下的S波振幅值与单力偶源S波辐射图案匹配，判断发震断层方向。同时，利用强震动台站观测资料，计算三分量合成峰值加速度与水平向峰值加速度分布，判断发震断层方向。综合2种数据结果给出鲁甸地震的结果，并与地震现场应急工作队的灾害调查点资料进行比较，讨论本文结论的可靠性。

1　利用台站强震记录推断破裂方向

根据强震动参数的衰减关系，通过强震动台网记录的地震动加速度数值记录，计算峰值加速度分布可以推断发震断层方向。

选取25°～29°N，101.5°～105.5°E区域，利用国家强震动台网中心提供的50个台站有关2014年鲁甸6.5级地震的强震记录，经基线校正计算峰值加速度（表2），再通过径向基函数（RBF）插值方法得出峰值加速度分布图（图1）。同时，考虑到震源机制解参数表示走滑分量为主要分量，也计算了水平方向上的峰值加速度（图2）。

表2　鲁甸6．5级地震强震动台站峰值加速度与水平峰值加速度Table 2　Peak ground acceleration and horizontal peak ground acceleration of the Ludian M6．5 earthquake recorded by strong motion stations

利用地震动加速度沿发震断层衰减较慢，而与断层垂直方向衰减较快的特征，可推断这次鲁甸地震的断层方向为NW向，应选取震源机制解中的节面1为断层面，节面2为辅助面（表1）。同时，对比三分量合成峰值加速度与水平向峰值加速度，发现两者差别微乎其微，说明水平向运动为主，侧面印证了震源走滑分量为主要分量。

图1　强震动台站与三分量合成峰值加速度分布图Fig．1　The strong motion stations and synthetic peak ground accelerations．

图2　强震动台站与水平向峰值加速度分布图Fig．2　The strong motion stations and horizontal peak ground accelerations．

2　利用测震S波辐射图案匹配

根据单力偶和双力偶源激发的静态位移场表达式（周仕勇等，2010），通过式（1）分别推导出球坐标系下单力偶激发静态位移场表达式（2）和双力偶激发静态位移场表达式（3）。

上式中：ui（i＝1，2，3）为直角坐标系下的位移，径向位移为ur，横向位移为uθ，uφ，，λ和μ为拉梅常数。

根据震源机制解参数与震中台站参数，经坐标旋转计算幅值，单力偶源S波幅值表达式可近似表示为

由式（2）与式（3）得出P波（径向）振幅最大方向与破裂传播方向一致，在垂直于传播方向的位移振幅则最小；S波沿波传播方向的振幅最小，在垂直于传播方向则位移振幅最大。对于单力偶的S波辐射图案不同于双力偶，单力偶的S波辐射图案为花生形曲线（图4a，b），沿力的作用方向S波表现较弱。

此次鲁甸地震震源机制解表现为走滑占主要部分，震源可近似看作由多个双力偶源沿发震断层方向构成的单力偶震源。利用实际观测S波的振幅分布，依据单力偶模型S波幅值表达式（4），可以判断出发震断层的大致走向。利用S波辐射图案匹配具体计算步骤如下：

（1）依据中国台网中心的测震台站波形数据，剔除质量较差与近场台站的数据，共采用135个台站的波形数据记录。由采用测震台站分布（图3）可以看出，使用的测震台站构成的台网基本包括了此次地震。

（2）将地震计输出的N－S，E－W和U－D 3个方向的地震波形，从坐标系ZNE旋转到坐标系LQT，转换矩阵如式（5），φBAZ为反方位角，为入射角。根据台站的位置、震中的位置和速度模型，可以求出反方位角和入射角。其中，L分量是沿地震射线方向的分量，射线方向为正方向。Q方向在垂直于T轴的平面内，其正方向是L正方向顺时针旋转90°所指方向。使用SAC软件包及MATLAB，将记录波形数据从ZNE坐标系旋转到LQT坐标系。

图3　鲁甸6.5级地震采用测震台站分布图Fig．3　The distribution map of seismic stations in Ludian M6.5 earthquake．

图4　单力偶模型辐射图案与归一化辐射图Fig．4　The radiation amplitude patterns of couple source＆normalized radiation diagram．

（3）由LQT坐标构建可知：P波能量集中在L分量，SV能量集中在Q分量，SH能量集中在T分量。采用式（6）分别读取各时刻SV波和SH波的振幅，矢量叠加取平均幅值得到S波振幅。

（4）结合鲁甸地震的震源机制解参数画出2个节面的理论S波辐射图案（图4a，b）。采用上述步骤计算的各测震台站S波振幅，并乘以距离的平方，以实现距离的归一化。在此基础上，以震中为圆心，方位角每5°划分一个辐射扇面，将同扇面的振幅值平均后，并将各扇面的振幅进行归一化处理，绘制测震台站实际观测的S波辐射图（图4c）。对比可见，NE－SW方向的振幅值明显大一些，即台站观测资料与节面1（走向165°，图4a）的S波辐射图案更为匹配。

（5）进一步，依据双力偶的单侧破裂模型，计算双力偶沿发震断层走向构成的90°扇面中S波幅值（图4c）。以165°为中线，逆时针展开45°形成2个扇面，计算2个扇面角度的平均归一化幅值（表3）。方位角为120°～210°（红色影区）平均归一化幅值为0.351 5，略大于方位角为300°～30°（黄色影区）平均归一化幅值0.347 0。从而确定发震断层为NW向左旋走滑型，以双向破裂为主，略有向SE向破裂趋势。

需要指出的是，地震的具体破裂方向角度与破裂尺度需要根据震源机制解和实际断层勘测等资料综合确定，本文计算只能给出定性结果。

3　结论与讨论

通过鲁甸6.5级地震的强震观测和测震波形的数据计算，并结合震源机制解结果推断发震断层为NW向左旋走滑型，以双向破裂为主，略有向SE方向破裂的趋势。

依据地震台站观测与计算结果，针对鲁甸6.5级地震的具体讨论分析有以下几点：

（1）根据峰值加速度衰减关系与此次地震的强震观测数据所计算的三分量峰值加速度分布图，推断沿NW向衰减较慢的为发震断层节面。同时，水平方向的峰值加速度分布图与三分量合成的峰值加速度分布图接近，说明水平分量占据主要部分。另外，尽管贵州省缺少强震动台站分布，对插值结果会造成一定影响，但是不足以影响本文对发震断层方向的判断。

（2）需要指出的是，地震台站记录是速度记录，非地震的静态位移。但真实地震位移精确记录是很困难的，地震学观测大多采用速度记录替代位移记录，如震级计算。静态位移分布与观测点最大速度分布具有可类比性。鲁甸地震线源破裂比较明显，震源可近似看作由多个双力偶源沿发震断层方向构成的单力偶震源，所提取的S波振幅，其辐射图案表现为沿断层走向S波振幅较小，匹配NW走向断层的单力偶源S波辐射图案。

（3）测震数据S波幅值归一化计算结果与震源机制解参数结合，推断发震断层为NW向左旋走滑型。由于SE向幅值与NW向幅值差异不大，以双向破裂为主，其略有向SE方向破裂趋势的结果仅为初步估计，具体的破裂过程还需要其他方法做出精细论证。

（4）地震现场灾害调查工作显示，震区最高烈度为Ⅸ度，等震线长轴总体呈NNW走向，Ⅵ度及以上区域总面积约为10 350km2（图5）。与本文方法判断鲁甸6.5级地震发震断层为NW向的结果吻合，地震灾害分布印证了本文结果的可靠性。

表3　台站归一化幅值Table 3　The normalized amplitudes of seismic stations

本文采用资料均为主震在测震台与强震动台的原始观测记录，分析方法也较为简便。理论上，可在主震后开展计算分析工作，产出判断结果，时效性强，为地震灾害快速评估与应急辅助决策提供必要信息。同时，测震资料与强震动资料互相验证，使其成为一种可行的发震断层方向的分析方法。

图5　鲁甸6.5级地震现场调查点分布图Fig．5　The distribution map of Ludian M6.5 earthquake survey spots．

致谢感谢国家强震动台网中心提供了鲁甸地震的强震动数据，感谢中国地震台网中心提供了台站波形数据。

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Abstract

Ludian M6.5 earthquake on August 3，2014 occurred in Ludian country，Zhaotong City，Yunnan Province．The epicenter is located at longitude 103.3°E and latitude 27.1°N with focal depth of 12km．Macro epicenter is located in Longtoushan Town，Ludian Country．The seismogenic fault is the NW-striking Baogunao-Xiaohe Fault，which is a second-order strike-slip fault of the NE-striking Zhaotong-Ludian Fault system．In this paper，we use observation records of 50 strong motion stations in the Ludian earthquake to calculate the distributions of peak ground acceleration and horizontal peak ground acceleration．According to the records，we find that the strong motion records decay slowly along the northwestern direction，thus we infer that the seismogenic fault is in NW direction．Meanwhile，the horizontal peak acceleration distribution map is similar with the synthetic three-component peak acceleration distribution map，which illustrates the horizontal component is the main part．Normalized S－wave radiation patterns are drawn using the observation records of 135 seismic stations．In contrast to single couple source radiation pattern，we infer that the seismogenic fault is in NW direction．The amplitude in the southeast direction is slightly larger than the amplitude in the northwest and the difference is not big，showing that the rupture trends slightly to the southeast．The above results show that，the conclusion of Ludian M6.5 earthquake rupture along the northwest direction is in consistency with the observation results of the strong motion stations and the seismic stations．In addition，the distribution of earthquake disaster also supports this conclusion．

A STUDY ON DIRECTION OF THE SEISMOGENIC FAULT OF LUDIAN M6.5 EARTHQUAKE BASED ON STRONG MOTION AND SEISMOGRAPHIC DATA

FENG Wei1，2）LIU Jie1）LUO Jia-hong3）HOU Jian-sheng4）XU Wan-zhen2）
1）China Earthquake Networks Center，Beijing100045，China
2）Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing100036，China
3）Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
4）China Earthquake Administration，Beijing100036，China

Ludian M6.5 earthquake，rupture direction，peak ground acceleration，radiation amplitude pattern of S－wave

P315

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0331－11

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．026

冯蔚，男，1985年生，2008年毕业于长安大学地球物理学专业，工程师，目前主要从事地震信号处理分析、地震灾害评估与应急，电话：010－59959410，E－mail：fengwei＠seis．ac．cn。

2014－09－17收稿，2015－01－23改回。

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAK19B02）和中国地震局“云南鲁甸6.5级地震专题研究”项目共同资助。

刘杰，研究员，E－mail：liujie＠seis．ac．cn。