2021年四川泸县MS6.0地震震源性质及震前区域应力场特征

刘慧敏 谢祖军 李 赫 熊 熊

1 中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，武汉市鲁磨路388号，430074

2 天津市地震局，天津市友谊路19号，300201

四川盆地位于青藏高原东缘，构造上是稳定扬子地块的西北部分，西北边界为龙门山逆冲断裂带，西南边界为夹持在龙门山断裂带和鲜水河-安宁河-则木河断裂带之间的大凉山弧形构造带(由一系列NNW-NS向逆冲断裂和褶皱构造组成)，东南边界是武陵山褶皱带[1-3]。四川盆地岩石圈强度大，构造相对稳定。GPS观测显示，四川盆地与华南地区运动一致，盆地内部变形较小(剪切应变率约为4～8×10-9/a)，地震活动性总体较弱[1,3]。

2008年汶川地震以来，四川盆地及周边，尤其是盆地南部地区地震活动明显增强，发生了一系列中强地震，如2012年彝良MS5.7、MS5.6地震，2014年鲁甸MS6.5地震，2014年永善MS5.0、MS5.3地震及2018年文兴MS5.3和MS5.7地震，2019年长宁MS6.0地震更是打破了四川盆地内6级及以上地震的静默[4]。2021-09-16泸州市泸县发生MS6.0地震，是继长宁地震后四川盆地内发生的又一次中强地震。近年来，随着西部开发战略的实施和能源资源产业的发展，四川盆地及周边地区社会易损程度迅速提高，加之人类工业活动诱发地震现象加剧[1,5]，四川盆地及周边中强地震受到关注[1,3]，研究这些地震的发震构造及其特征对认识四川盆地内部及边缘孕震环境和发震机理具有重要的参考价值[4]。

地震震源机制解和矩心深度是研究发震构造、发震机理和孕震环境的基础信息[1-2,4]，也是推断震源区应力场特征最常用的资料[6]。泸县地震发生在四川盆地的中南部，附近有盆地内最重要断裂之一的华蓥山断裂[7]，该断裂贯穿整个四川盆地，并将其分为东南部的川东褶皱带及西北部以龙泉山断裂为界的川中地块[3]。从构造应力角度来看，盆地西南部地区应力场变化明显[8]，不同地区应力场的特征也不一样。

本文基于地震学观测数据，利用CAP方法[9]反演泸县地震的矩心深度和震源机制解，同时基于四川盆地内部泸县地震前的震源机制解，采用阻尼区域应力反演方法[10]反演该区域构造应力场，分析泸县地震的发震机理，以期深入认识四川盆地西南部地震活动的活化机制。

1 数据和方法

1.1 震源机制解和矩心深度

地震震源机制解和矩心深度是认识地震孕育、发震机理和地震破裂过程[11]及震源处应力状态的重要参数[8]。本文选取四川及周边地区地震台网的高信噪比宽频带地震资料(图1(a))，采用CAP方法反演泸县地震的矩心深度和震源机制解。采用易桂喜等[2]构建的震源区附近的一维速度模型，并参考三维速度结构模型USTClitho1.0[12]和USTClitho2.0[13]，对浅层速度结构进行修正(见图1(b)和附表1,本文附图附表网址为http://www.jgg09.com/CN/item/downloadFile.jsp?filedisplay=20220914105639.pdf)，用于理论地震图的计算。反演中，考虑到泸县地震震级为MS6.0，其破裂尺度不完全满足CAP方法的点源假设，为保证结果的可靠性，首先剔除震中距150 km范围内的台站[14]，降低破裂尺度和震中距的可比度；其次，在一定范围内调整震源时间函数[11]，采用较低的滤波频段(0.01～0.1 Hz 4阶Butterworth带通滤波器)和较长的反演时间窗长(Pnl部分窗长35 s，面波部分窗长80 s)。

为测试不同的数据选择对结果的影响，尝试剔除250 km范围内的台站数据重新进行反演(附图1)，结果的走向和滑动角没有变化，倾角仅有4°差异，说明基于本文数据选择得到的结果是稳健的。另外，根据USTClitho1.0模型，取震中范围3°内的平均值得到一维模型，重新进行反演(附图2)，尽管波形拟合情况有所变化，主要是理论地震图和观测地震图拟合最佳时的相对时间移动，但基于不同的速度模型得到的震源深度、震源机制解结果是完全一致的。这也是CAP方法的优点，通过不同波段的不同时移，降低反演结果对速度结构的依赖性。

附表1 反演震源机制和矩心深度所使用的一维速度模型

附表2 四川盆地内震源机制解

1.2 构造应力场

本文基于震源机制解，采用Hardebeck等[6]提出的区域应力张量阻尼反演方法(DRSSI)，利用基于MATLAB平台开发的MSATSI程序对泸县地区区域构造应力场进行反演[8,10]。同时，收集整理四川盆地内泸县地震前的地震震源机制[1-4,8]，经过筛选得到震源机制解155个，其中正断型占7.7%，走滑型占14.1%，逆断型占50%，不确定型占28.2%，主要集中于盆地的南部地区(图2和附表2)。

在反演中，网格划分单元为0.1°×0.1°，反演模型长度和拟合差的折中曲线如图3所示，根据折中曲线确定最佳阻尼系数为1.0，即曲线的最大拐点处(图3中蓝色十字处)。

2 结 果

经过CAP方法的全局搜索，当震源深度为3 km时，拟合误差最小(图1(c))。对应深度的波形拟合相关性系数普遍较高，80%的分量拟合相关系数大于0.8(图4)。类似Bootstrap思想，本文测试了多组不同台站的组合，得到的结果是一致的，表明震源参数反演结果是可靠的。

需要指出的是，本文反演得到的矩震级只有MW5.3左右，与MS6.0对应的经验矩震级有较大的差异(中国大陆地区中强地震矩震级数值一般比面波震级小0.2～0.3)[2,4,11]。从波形拟合来看(图4)，当震中距较小时(300 km以内)，理论波形(图4中红色波形)Pnl部分和径向部分振幅比观测波形(图4中黑色波形)要小。针对这一现象，首先对所采用模型中的衰减因子进行适当调整；其次对震源时间函数在一定范围内进行测试重选，最终取为6 s。调整参数后反演结果表明，在保证80%的分量拟合相关系数大于0.8的前提下，矩心深度没有变化，震源机制解变化在一个搜索步长内，震级依然为MW5.3左右。而多家机构(如中国地震局地球物理研究所、美国地质调查局(USGS)、德国地学研究中心(GFZ))的初步研究结果均给出该地震的矩震级在MW5.4±0.1范围内。尽管震级大小不影响震源机制和震源深度反演结果，但泸县地震面波震级与矩震级偏差较大的原因值得进一步研究。

表1列出了防灾科技学院万永革小组整理的不同机构和作者的研究结果。总体上，不同机构得到的结果走向、倾角和滑动角间有近20°的差异，其原因与所采用的数据、速度模型及方法密切相关，如USGS和GFZ采用远震数据，而国内多家机构(表1中序号3～5，https:∥mp.weixin.qq.com/s/LecUvbiqgxs54wn6hz_mCA)虽采用CAP方法和近震数据，但模型及反演参数并不完全一致。尽管如此，这些结果均反映出此次地震逆冲分量占绝对大的成分。为了解地震的发震机理，对震前构造应力场进行反演。

表1 不同机构给出的泸县地震震源机制解

根据阻尼区域应力反演方法计算各网点的最佳应力张量，得到四川盆地内应力场空间分布(图5)。受限于所用的震源机制解分布，反演得到的应力场大致可分为3个区域：1)盆地北部(图5中蓝色椭圆区域)，最大主压应力近乎水平，方位为SN向；最小主压应力倾伏角较小，走向近东西向；2)华蓥山断裂东北段，最大主压应力呈NEE-SWW向，具有较小的倾伏角；最小主压应力呈NNE-SSW向，具有较大的倾伏角(图5中绿色椭圆区域)；3)盆地南部(图5中红色椭圆区域)，应力场比较复杂。总体上，最大主压应力倾伏角都较小，但方位有一定的变化，而最小主压应力倾伏角都比较大，这些特征与前人的研究结论[1-2]一致。

3 讨 论

构造地震是岩体(断层)在构造应力作用下失稳滑动的体现。一个地区，即使构造应力均匀，如果断层产状不一致，地震的性质也不一样。根据库仑破裂准则，在一定的应力场作用下，断层面与最大主应力夹角为30°时，断层最容易滑动，称为优势滑动断层[1]。因此，在分析构造应力与地震性质之间关系时，构造应力场和断层性质都需要准确确定。

泸县地震位于华蓥山断裂西南段分支和余脉之间的宽谷中(图6)，定位的震中位置与周边已知断层存在约10 km的空间距离。如果定位误差小于5 km，那么泸县地震并非发生在已知断层上。此外，本文反演的泸县地震走向为NWW或SEE向，与地震烈度分布显示的地震等震线NWW-SEE长轴走向(图6)是一致的，也证明本文反演的断层面解是可靠的。显然，泸县地震走向与周边已知断层NNE走向存在明显差异，进一步说明泸县地震可能发生在未知或未标注断层上。余震活动也可提供参考信息，但与2019年长宁地震[4]不同，泸县地震的余震数目很少。截至2021-09-19共记录到余震101次，最大为M2.8(图6)，与西北部华蓥山断裂上荣昌地区的地震活动有明显差异[1]。从中国地震局给出的余震正式目录来看(图6)，余震优势分布方位与烈度长轴是一致的， 沿NWW向展布。基于以上原因推测，泸县地震不是发生在NNE走向的华蓥山断裂上，更可能发生在与之共轭的断层上，该断层活动联通了华蓥山断裂分支和余脉断层，但没有触发华蓥山断层活动。GPS速度结果[15]显示，在泸县-荣昌附近，平行于华蓥山断层的运动速度在断层两侧没有明显的变化，而沿断层走向从西南到东北有一定的减小，即沿断层走向上呈挤压变形。而从余震稀少的角度来看，与盆地内2010年遂宁M5.1地震[16]和统景M5.2、M5.4地震相类似，深部超压流体的作用可能比较有限[1]，因此泸县地震的构造作用力主要来自侧向挤压。

在深度方面，泸县地震矩心深度仅为3 km左右，与该地区发生的其他地震(如长宁地震主震、荣县-威远-资中地区地震)震源深度一致[2,4]，都位于沉积盖层内，是盖层滑脱褶皱构造楔体的活化。极浅的破裂特征再次指示，泸县地震应该不是发生在华蓥山断裂带上，因为华蓥山断裂带终止于寒武系地层下部的滑脱层[7]，而寒武系地层在4 km深度以下[1]。四川盆地内这种发生在沉积盖层中的极浅地震，是地震致灾的一个重要因素[16]，而且该类型地震也极易受到地表及浅地表人类活动的影响[5]，是近年来的研究热点。

在震中附近，沿华蓥山断裂从西南到东北最大主压应力方位角上有明显的旋转，在震中处，最大主压力轴方位在101°，近乎水平，倾角为4.6°；最小主应力倾角较大，方位为189°；中间主压应力也近乎水平。在这样的应力作用力下，优势滑动断层为纯逆冲类型[1]，与本文得到的震源机制性质是完全一致的。张岳桥[3]认为，四川盆地南部地震区代表了一个新生的、次级地震活动区，受青藏高原物质向东挤出作用，经过大凉山的截弯取直及向东推挤，在近E-W至NWW-SEE向挤压构造应力作用下导致四川盆地内浅层滑脱断层挤压活化，形成中强地震活动区。泸县地震即是在这种构造应力作用下，受华蓥山断裂带分支和余脉共轭的浅层滑脱断层活动的结果。

4 结 语

本文基于四川及周边地区地震台网的宽频带地震记录，利用CAP方法反演获得2021-09-16泸县MS6.0地震的震源机制解和矩心深度。同时，收集整理震前四川盆地内2003～2020年155个ML≥3.0地震的震源机制解，采用区域应力张量阻尼反演方法对四川盆地西南部的构造应力场进行反演。泸县地震震源矩心深度为3 km，震级约为MW5.3，地震位于华蓥山断裂西南段分支与余脉之间，节面走向100°或280°，与华蓥山断裂NE-SW走向及其在滑脱层之下、深度深于4 km有明显差异，推测泸县地震不是发震于华蓥山断裂，而是华蓥山断裂分支和余脉间极浅的盖层滑脱断层。泸县地震震中附近震前构造应力最大主压应力和中间主压应力都近乎水平，最大主压应力在震中附近走向为101°，这种应力作用下，优势滑动断层为纯逆冲性质，与泸县地震的滑动完全吻合。泸县地震所受构造应力主要来自侧向作用，初步认为是四川盆地西南部不同程度卷入青藏高原物质东向扩展、浅部滑脱断层活化的结果。

关于此次地震，还有一些重要的信息，如发震断层面的确定、对华蓥山断裂今后活动的影响、与工业生产的关系及面波震级或地方震级与矩震级差异较大的原因等，都值得根据更多的资料进行进一步探讨。

致谢：文中使用的地震波形数据来自中国地震局地球物理研究所国家测震台网数据备份中心，应力张量反演程序来自MSATSI程序包，大部分图件采用GMT软件绘制，在此一并表示感谢。