利用余震震中分析芦山MS7.0地震发震构造

赵荣涛 安美建 冯 梅 张士安 张纪中 侯春堂

（中国北京100081中国地质科学院地质力学研究所）

引言

2013年4月20日四川芦山MS7.0地震是继汶川MS8.0地震后在龙门山断裂上发生的又一次破坏性地震.该地震发生在龙门山断裂带的南段，震中位于双石—大川断裂以东（图1）.但地表调查表明除了在受灾较严重地区（如芦山县太平镇、宝盛乡、龙门乡、双石镇等地区）的河流阶地或河漫滩上发育有NE向和NW向地裂缝及沿这些地裂缝出现喷水冒砂等现象外，未发现明显的沿区域断裂发育的同震破裂（洪海春等，2013；徐锡伟等，2013；张岳桥等，2013）.同震破裂的缺失给主震断裂的辨认造成了困难.例如，张岳桥等（2013）推测主震断裂与双石—大川断裂深部断坡构造有关；徐锡伟等（2013）则认为主震断裂可能是一条尚未出露地表的盲逆断层；李传友等（2013）认为芦山地震的主要发震构造是大川—双石断裂与新开店断裂之间的龙门山前缘滑脱带，该滑脱带的运动可能带动了上面的双石—大川断裂和新开店断裂的活动.芦山主震后短时间内的余震分布跨越了双石—大川断裂的上、下盘，并斜切该断裂地表迹线.研究人员利用双差重定位对台站间距大于20km的流动观测台和震中距大于15km的固定台站7—18天所进行的余震观测进行了分析.虽然所得结果（房立华等，2013；苏金蓉等，2013；赵博等，2013）基本相近，但由于余震带状分布不明显导致不同研究给出了不同的解释.苏金蓉等（2013）认为大邑—名山断裂是芦山地震主震的发震断裂；赵博等（2013）则认为主震与大邑断裂西北侧的隐伏断裂有关；房立华等（2013）认为主震断裂延伸至地表与上述两者接近，同时主破裂面逆冲前段受阻反向逆冲而出现一条反冲断层，两者共同构成了“Y”字型断层.由此可见，芦山地震主震的发震断裂比较复杂，各研究得出的结论差别较大.

芦山地震发生后，在中国科学技术大学等的协助下，中国地质科学院地质力学研究所在芦山地震震中及周边地区部署了29个间距约5km的高频台站（图1），这些台站对震中区实现了较好的覆盖.对微、小余震进行研究可以获取主震发震断层及其周边断层在深部的几何特征和运动特征（An et al，2009，2010）.利用高密度台站获得的高频观测可以有效地提高余震定位精度，利用更长时间的余震观测也可能得到更有价值的结果.本文利用这些高密度短周期台站记录的一年多的观测数据，确定了震源附近的微、小余震位置，期望根据主震和余震的位置能够给出芦山地震发震构造更准确的结论.

图1 芦山主震及其周边构造简图3个爆炸图形为不同机构给出的芦山地震主震震源位置，其中红色引自中国地震台网中心（2013），紫色引自国际地震台网中心（International Seismological Centre，2013），橙色引自美国地质调查局（U S Geological Survey，2013）；蓝色实线表示剖面位置，蓝色虚线矩形表示垂直投影到剖面的地震范围；主震震源机制解引自Global CMT（Dziewonski et al，2012；Ekströmet al，2012）.断裂信息简化自中国1∶20万地质图，断裂名称参考李传友等（2013）和徐锡伟等（2013）Fig.1 Simplified tectonic map of Lushan main shock and its surrounding regionsThree explosive stars mark the epicenter of Lushan mainshock：the red is from China Earthquake Networks Center（2013），the purple from International Seismological Centre（2013），the orange from U S Geological Survey（2013）.Blue solid line is position of transect，and blue dashed lines delineate the range of earthquakes projected on the transect.Focal mechanism of the mainshock is from Global CMT（Dziewonski et al，2012；Ekströmet al，2012）.All faults are simplified from 1∶200000 geological map，names of faults are from Li et al（2013）and Xu et al（2013）

1 地质构造背景

龙门山断裂带是青藏高原与华南地块的边界构造带，是两大地块强烈挤压碰撞的产物，具有复杂的地质构造和演化历史（许志琴等，1992，2007）.芦山县位于龙门山断裂带南段，该区域主要发育有双石—大川断裂、始阳—思延断裂、新开店断裂、火井—高何断裂以及名山断裂（李传友等，2013）（图1）.双石—大川断裂是龙门山西南段的主要断裂，从天全以南向北经大溪、双石、大川、西岭等，向北东可能与安县—灌县断裂相连（Densmore et al，2007）.双石—大川断裂不是一个单一延伸的孤立断层，而是由多条断层组成，这些断层呈叠瓦状排列，产状相同，以逆冲推覆为主兼具右旋走滑性质（林茂炳，陈运则，1996）.该断裂的总体走向大致为N45°E，倾向NW，倾角45°—65°不等（杨晓平等，2009；赵博等，2013）.龙门山山前发育有新开店断裂（又称山前隐伏断裂）、名山断裂和北部的火井—高何断裂，均属于广义上的大邑—名山断裂，是其向南延伸的部分（李传友等，2013），地表断续出露一些小断层和单斜构造（邓起东等，1994；徐锡伟等，2005）.大邑断裂的遥感影像特征不明显，是一条右旋逆冲活动性质的全新世活动断裂（Densmore et al，2007；董绍鹏等，2008；张岳桥等，2013）.新开店断裂位于成都平原西北缘，是隐伏于平原区地表之下的若干级次级逆断裂，走向N55°—60°E，倾向主要为NW（唐荣昌，韩渭宾，1993；中国地震局监测预报司，2009）.火井—高何断裂始于北部的火井、高何，在西南终止于分水岭一带，总体走向N40°E左右.此外，在芦山县所在的盆地内还发育有始阳—思延断裂和其向北延伸可能存在的隐伏断裂（图1中推测隐伏断裂）.始阳—思延断裂南段始于始阳镇，向北延伸至思延乡附近，长约14km，走向N40°E.其向北部的延伸可能隐伏于第四纪沉积物之下（李传友等，2013）.震源区的西部和北部山区分布有大面积的宝兴杂岩（图1），主要由强烈变形、中低级变质的火成岩组成，岩石组合主要为斜长角闪岩、绿泥石片岩、辉长质片麻岩、闪长质片麻岩、英云闪长质片麻岩和少量块状二长花岗岩（刘树文等，2009）.

历史上龙门山断裂带南段曾发生过几次破坏性较强的地震.历史地震研究表明，在过去的1 100多年中龙门山断裂带南段未发生过M≥7.0大地震（闻学泽等，2009）.M≥6.0地震历史记载有3次，分别为1327年天全M≥6.0，1941年泸定—天全一带M6.0和1970年大邑M6.2（陈立春等，2013）.其中，1327年地震发生在鲜水河断裂南段（Wen et al，2008）.1941年M6.0地震震中位于泸定与天全之间，破坏较为严重的地区包括康定、泸定和宝兴（中国地震局震害防御司，1999；孙成民，2010）.1970年大邑M6.2地震极震区位于芦山县大川长石坝—双河大飞水一带（中国地震局震害防御司，1999；陈立春等，2013）.Densmore等（2007）根据探槽揭示双石—大川断裂最近的活动是在全新世，最近一次破裂事件发生于距今（930±40）—（860±40）年.

2 数据和方法

本文使用芦山地震主震震中及其周边地区的29个高密度流动地震台站（图1）2013年4月26日—2014年5月8日记录到的地方震事件观测波形.这些台站基本实现了对主震震中区域较好的覆盖（图1）.各台使用Sercel L-22E短周期探头，其有效频率大于2Hz.图2给出了地震台站记录到的一次余震的波形，可以看出，该波形数据的信噪比很高，P波初动时刻也非常清晰.

首先，我们对记录的地震事件波形进行人工震相标注等预处理.Hypo71（Lee，Lahr，1975），Hypoinverse（与2000版兼容修改后称为 Hypo2000）（Klein，1978）和 Hypoellipse（Lahr，1979）是3个一直被广泛使用的地震定位软件.本文利用Hypo71进行绝对定位，该程序使用了Geiger（1912）提出的经典思想，即将非线性方程组线性化，通过最小二乘原理求解.

图2 地震台站记录到的一次芦山余震的垂向分量波形Fig.2 Vertical-component waveforms of one Lushan aftershock recorded by seismic stations

定位误差主要取决于震相到时标注和波速结构.由于S波到时标注的误差较大，P波到时比较精确，因此在定位时只采用P波到时.我们使用的地震波信号频率为10—30Hz，该频段的微地震P波震相标注误差小于0.1s.Sun等（2014）在盈江地震定位时通过测试得出，震相标注误差为0.1s时对震源深度和水平位置造成的误差不超过1km.盈江地震位于微地震台网之外，而本研究所用的地震台网对余震实现了很好的覆盖，因此本文的定位精度更高.

图3 本文余震定位时使用的3个波速模型Fig.3 Three velocity models used to locate aftershocks in this study

我们在定位中使用了3个不同的模型（图3），其中模型1和2分别基于赵珠等（1997）和Wang等（2007）给出的龙门山地区一维波速模型修改得到.考虑到近地表岩层裂隙度随深度的加大而缩小可导致岩层波速快速升高，我们把前人模型中近地表波速均匀层改为由数个波速渐变层所组成（图3）.模型3在20km深度以上的波速与前两者差别较大.基于不同模型得到的结果的差别可看作由波速模型误差导致的定位结果误差.计算结果表明，利用模型1定位时水平向和垂向上的平均误差分别为0.65km和1.06km，平均定位残差为0.09s；利用模型2定位时平均误差分别为0.73km和1.19km，平均定位残差为0.10s；使用模型3定位时平均误差分别为0.62km和0.96km，平均定位残差为0.08s.利用3个波速模型所得到的余震水平分布没有明显差别，但在垂直方向却存在一定的差别.图4给出了利用3个波速模型获得的余震沿剖面1—1′（位置见图1）的分布对比.可以看出，利用模型1和模型2获得的余震震源深度定位结果基本相同，利用模型3获得的余震震源深度比利用模型1和2获得的约深4km，但余震在垂向上聚集形态基本一样.总之，余震在水平位置上的误差较小，而在深度上可能存在4km的误差，但这个深度误差对余震聚集形态的影响不明显.由于获得模型2的人工地震剖面距离龙门山南段更近，因此后面只介绍利用模型2获得的结果.

图4 利用3个模型获得的余震在剖面1—1′上的分布Fig.4 Distribution of aftershocks obtained using the three models along the transect 1—1′

图4 给出的各模型结果中余震明显呈带状分布，且这个带状分布比前人利用较大间距台站观测的双差重定位结果更清楚.鉴于本文绝对定位的结果已明显呈带状分布，故不再进行相对重定位分析.

3 结果

利用Hypo71程序，在一年多的观测中确定了约1 960个余震事件的震源位置（图5）.图5给出了根据模型2获得的定位结果（利用另外两个模型获得的结果与该结果基本一致）.可以看出，余震主要分布在芦山县以北及主震的SW和NW两个方向，余震主要沿着NE走向的双石—大川分支断裂及其周边分布.

图5 2013年4月26日—2014年5月8日芦山地震的余震分布Fig.5 Aftershocks of Lushan earthquake from April 26，2013to May 8，2014

图6 给出了余震沿大致垂直和平行区域断层走向的垂直剖面（1—1′，2—2′，A－－A′，B－－B′）的分布.各剖面宽度（图6a中的虚线）均为4km，即距各剖面2km范围之内的所有余震（所有深度范围）均被垂直投影到该剖面上.图6只给出了根据模型2得到的余震在剖面上的分布，另外两个模型获得的余震在聚集形态上与此一致.结果表明，余震在深度上主要分布在5—20km之间.5km以上很少有余震发生，这与芦山地震主震没有造成明显的地表同震破裂是一致的.

图6b中，剖面1—1′近似垂直于区域内NE走向的双石—大川分支断裂（图6a）.该剖面中，余震主要沿着倾向相反、在12km深度左右相互交叉的两个条带（P1，P2）分布.其中，P1余震带的倾角在12km深度有一定的变化，即在小于12km的深度（图6b中P1－1），余震带的倾角比12km以下（图6b中P1－2）更大.图6b显示倾向NW的P1余震带（图6b中P1－1）延伸至地表与双石—大川分支断裂（F1－2）东侧芦山县盆地内的推测隐伏断裂位置（F2）基本重合；P2余震带倾向SE，其延伸至地表的位置与双石—大川断裂（F1－1）位置非常接近.

图6 余震空间切片分布图图（b）－－（e）显示了余震沿4个剖面的分布；倒三角表示区域断裂的地表出露位置或推测断裂位置，F1－1为双石—大川断裂，F1－2为双石－大川分支断裂，F2为推测隐伏断裂，F3为新开店断裂.其它图注同图1或图5；剖面位置见图（a），其中只显示了7—11km内的余震，红色虚线表示余震带的范围，蓝色实线表示剖面位置，蓝色虚线矩形表示垂直投影到剖面的地震范围Fig.6 Distribution of aftershocks along four vertical transectsFigs.（b）—（e）show aftershocks distribution along four transects.Hollow inverted triangles are the positions or inferred positions of surface ruptures.F1－1：Shuangshi－－Dachuan fault，F1－2：Shuangshi－－Dachuan branch fault，F2：a buried fault，F3：Xinkaidian fault.Others are the same as in Figs.1and 5.Locations of the transects are marked in Fig.（a），where only aftershocks in depths of 7—11km are shown，red dashed lines delineate boundaries of aftershocks belts，blue solid lines are positions of transects，and blue dashed lines delineate the range of earthquakes projected on the transect

不同研究机构给出的主震位置均基于较远台站观测确定，它们在水平位置上（图6b）的差别可达10km，这表示这些水平位置可能包含了数千米的误差.理论上来讲，深度误差一般大于水平位置误差.例如ISC所推荐的主震震源深度为33km，与大部分研究机构给出的结果（12—19km）相比差距很大.本文显示的ISC结果中的深度直接采用了中国地震台网中心给出的17km的震源深度.图6b显示，主震震源位置靠近P1与P2余震带相交的位置（图6a中紫色爆炸形）.

为验证P1和P2余震带在侧向上是否成带分布，考虑到P1和P2余震带（图6b）是在小于12km深度上呈带状分布，并在约12km深度处相交，我们把7—11km深度范围内的余震绘在图6a上.可以看出，余震在平面上分成了与图6b中P1和P2对应的大致平行的两个带，P1余震带上的地震非常密集，从北部的宝盛乡一直向西南延伸至芦山县以南的始阳—思延断裂上；P2余震带在中林乡西部地区形成了一个明显的集中，但其南部地震较少.

剖面2—2′（图6c）位于剖面1—1′的西南方向，并与之平行（图6a）.该剖面中P1余震带的优势分布十分清晰，是剖面1—1′的P1余震带向SW方向的延伸（图6a）.剖面2—2′中，P1－1余震带在地表的延伸位置位于推测隐伏断裂（F2）与新开店断裂（F3）之间，P1－2余震带延伸至地表的位置与新开店断裂（F3）位置基本重合.P2余震带上的地震较少，但仍有一定分布.

剖面A－－A′（图6d）和剖面B－－B′（图6e）大致平行于区域内 NE走向的双石—大川分支断裂（图6a），并大致沿P1和P2这两个余震带.图6d和图6e显示了两个余震带上的余震随深度的分布特征.

4 讨论与结论

虽然余震平面分布（图5）显示余震主要分布在双石—大川分支断裂之下，但1—1′和2—2′（图6b，c）两个剖面显示出余震在深部分成了P1和P2两个相互交叉的条带.前人研究（房立华等，2013；苏金蓉等，2013；赵博等，2013）的余震结果中也有这两个条带的大致轮廓，但均无此处显示得清晰.测试表明，本文与前人结果的差别在于本文使用了震中距更小、台站密度更大的台站资料.本文所获得的结果清楚地显示了这两个余震带，并且它们分别对应了两条尚未被清楚认识的芦山县盆地内的隐伏断裂和通向双石—大川断裂的南东倾向的未知断裂.

在12km深度以下，P1余震带倾角约为40°—50°，倾向NW；在12km以上，P1余震带（P1－1）的倾角增大为50°—60°，倾向不变.该余震带整体几何形态与芦山地震主震震源机制解所给出的一个节面产状（刘杰等，2013；刘瑞丰等，2013；谢祖军等，2013）大致相同.这说明P1余震带可能是芦山地震的发震断层.图6b中P1－1延伸至地表的位置与推测隐伏断裂位置（F2）基本重合，图6c中P1－1延伸至地表的位置位于推测隐伏断裂（F2）与新开店断裂（F3）之间，但仍然位于芦山县所在的盆地一侧，图6c中P1－2延伸至地表的位置则大致与新开店断裂基本重合.12km深度以上的余震带对应的断裂位置与赵博等（2013）通过双差定位得到的结果是一致的，12km深度以下的余震带所对应的断裂与苏金蓉等（2013）和房立华等（2013）定位的东部的大邑—名山断裂（本文为新开店断裂）的结果相同.鉴于发震断裂应与近地表的余震关系更密切，因此芦山地震的发震断裂（P1）延伸至地表所对应的位置应该是芦山县所在的盆地内的推测隐伏断裂，而不是东侧的新开店断裂.

芦山地震后的现场地质调查在龙门乡附近发现了水泥地面挤压拱曲变形，地表破裂迹象点也呈现出沿NE－－SW向线性分布的特征（韩竹军等，2013）.中国地震局发布的芦山地震烈度图显示，芦山地震的最大烈度区东北自芦山县太平镇、宝盛乡以北，向西南延伸至芦阳镇向阳村（孟令媛等，2014），基本位于芦山县所在的盆地内.这些都从侧面证明了芦山县所在盆地内可能存在一条隐伏断裂，为芦山地震的发震断裂.李传友等（2013）综合震后地质调查、地震数据资料、GPS观测资料等推测该断裂是芦山地震发震断裂最有可能的出露位置.本文结果进一步证明了上述推测.

P2余震带与P1余震带在大致12km深度相交.P2余震带倾角50°—60°，倾向SE.该余震带与P1余震带在12km深度以上的分支带（P1－1）倾向相反，倾角大致相同.另外GPS观测结果显示，芦山站（LS05）所在的块体在地震后发生明显的抬升，而双石—大川断裂东侧的灵关站（LS06）所处的块体却出现小幅下降（武艳强等，2013）.芦山站所在的块体的上升应该是P2余震带所对应的断裂向上逆冲造成的，而灵关站处的下降则可能说明该处处于P2余震带所对应的逆冲断裂的下盘，这说明P2余震带所对应断裂的活动是逆冲性质.P2余震带的几何形态、动力性质与芦山地震主震震源机制的另一个节面产状和活动性质大致相同，这预示着P2余震带所对应的断裂也可能是主震的发震断裂.该余震带延伸至地表的大致位置与双石—大川断裂（F1－1）非常接近，但其倾向与NW倾向的双石—大川断裂相反，所以P2余震带并不代表双石—大川断裂在深部的状态，而有可能是一条未知的次级断裂.

主震震源空间位置的不同可能代表了不同的发震机制，但已经公布的主震震源位置误差较大，这里只能对一些可能进行推测.如果主震位置与P2余震带的空间关联性不明显，那么P1应为主震断裂，P2则对应主震震源机制解的辅助面.芦山地震发生时，P1断裂首先破裂，P2断裂可能是主震断裂P1逆冲滑动受阻而反向逆冲造成的（房立华等，2013）.

上面提到，芦山主震震源可能靠近P1与P2余震带相交的位置.P1和P2这两个余震带的整体几何形态分别与芦山地震主震震源机制解的两个节面产状大体对应.一次地震一般只有一个破裂面，震源机制解中一个节面应该对应这个破裂面；而另一个不是真的破裂面，即为辅助面.由于辅助面不是破裂面，那么余震带不应沿辅助面呈带状分布.本文结果表明，芦山地震余震带有两个，且各自对应一个节面.这说明芦山地震同震破裂过程比较复杂，它是一个不同于一般地震的非常特殊的地震.每个余震带都应是主震开始后破裂的结果，但由于地震破裂并未延伸至地表，破裂过程反演的精度较低，以及主震位置误差较大等因素，我们无法明确判定二者的主次.那么P1和P2余震带所对应的断裂则可能是同时活动的，即芦山地震可能是两条余震带所对应的两条断裂同时活动所产生.

对中国科学技术大学张海江研究组人员、中国科学院青藏高原研究所裴顺平等所有参加和协助野外工作的人员表示感谢.

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