2013年蘆山地震序列震源機制與震源區(qū)構(gòu)造變形特征分析

易桂喜, 龍鋒 , Amaury Vallage, Yann Klinger, 梁明劍， 王思維

1 四川省地震局， 成都　610041 2 四川賽思特科技有限責(zé)任公司， 成都　610041 3 Tectonique et Mècanique de la Lithosphère, Institut de Physique du Globe de Paris, Paris, France

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2013年蘆山地震序列震源機制與震源區(qū)構(gòu)造變形特征分析

易桂喜1,2, 龍鋒1,2, Amaury Vallage3, Yann Klinger3, 梁明劍1， 王思維1

1 四川省地震局， 成都610041 2 四川賽思特科技有限責(zé)任公司， 成都610041 3 Tectonique et Mècanique de la Lithosphère, Institut de Physique du Globe de Paris, Paris, France

基于四川區(qū)域地震臺網(wǎng)記錄的波形資料，利用CAP波形反演方法，同時獲取了2013年4月20日蘆山M7.0級地震序列中88個M≥3.0級地震的震源機制解、震源矩心深度與矩震級，進而利用應(yīng)變花(strain rosette)和面應(yīng)變(areal strain)As值，分析了蘆山地震序列震源機制和震源區(qū)構(gòu)造運動與變形特征. 獲得的主要結(jié)果有：(1)蘆山M7.0級主震破裂面參數(shù)為走向219°/傾角43°/滑動角101°，矩震級為MW6.55，震源矩心深度15 km. 蘆山地震余震區(qū)沿龍門山斷裂帶走向長約37 km、垂直斷裂帶走向?qū)捈s16 km. 主震兩側(cè)余震呈不對稱分布，主震南西側(cè)余震區(qū)長約27 km、北東側(cè)長約10 km. 余震分布在7～22 km深度區(qū)間，優(yōu)勢分布深度為9～14 km，序列平均深度約13 km，多數(shù)余震分布在主震上部. 粗略估計的蘆山地震震源體體積為37 km×16 km×16 km. (2)面應(yīng)變As值統(tǒng)計顯示，蘆山地震序列以逆沖型地震占絕對優(yōu)勢，所占比例超過93%. 序列主要受傾向NW、傾角約45°的近NE-SW向逆沖斷層控制；部分余震發(fā)生在與上述主發(fā)震斷層近乎垂直的傾向SE的反沖斷層上；龍門山斷裂帶前山斷裂可能參與了部分余震活動.P軸近水平且優(yōu)勢方位單一，呈NW-SE向，與龍門山斷裂帶南段所處區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向一致，反映蘆山地震震源區(qū)主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場控制，蘆山地震是近NE-SW向斷層在近水平的NW-SE向主壓應(yīng)力擠壓作用下發(fā)生逆沖運動的結(jié)果. 序列中6次非逆沖型地震均發(fā)生在主震震中附近，且主震震中附近P軸仰角變化明顯，表明主震對其震中附近局部區(qū)域存在明顯的應(yīng)力擾動. (3)序列整體及不同震級段的應(yīng)變花均呈NW向擠壓白瓣形態(tài)，顯示蘆山地震震源區(qū)深部構(gòu)造呈逆沖運動、NW向純擠壓變形. 各震級段的應(yīng)變花方位與形狀一致，具有震級自相似性特征，揭示震源區(qū)深部構(gòu)造運動和變形模式與震級無關(guān). (4)不同深度的應(yīng)變花形態(tài)以NW-NWW向擠壓白瓣為優(yōu)勢，顯示震源區(qū)構(gòu)造無論是總體還是分段均以NW-NWW向擠壓變形為特征. 但應(yīng)變花方位與形狀隨深度仍具有較明顯的變化，可能反映了震源區(qū)構(gòu)造變形在深度方向上存在分段差異. (5)蘆山地震震源體尺度較小，且主震未發(fā)生在龍門山斷裂帶南段主干斷裂上，南段長期積累的應(yīng)變能未能得到充分釋放，南段仍存在發(fā)生強震的危險.

蘆山地震； 震源機制； 應(yīng)變花； 面應(yīng)變； 構(gòu)造變形

1　引言

位于青藏高原東緣、南北地震帶中段的龍門山斷裂帶是中國大陸西部最主要的地震構(gòu)造帶之一，2008年5月12日在該斷裂帶中段發(fā)生汶川M8.0級地震；時隔不到5年，2013年4月20日，在距汶川M8.0級地震震中西南約87 km的斷裂帶南段再次發(fā)生蘆山M7.0級地震(見圖1)，兩次大地震及頻繁發(fā)生的強余震給震區(qū)造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失.

作為巴顏喀拉塊體與四川盆地的構(gòu)造分界(見圖1)，傾向NW、總體走向呈N30°～50°E的龍門山斷裂帶全長約500 km，寬約30～50 km，斷裂帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由后山斷裂F1(南段：耿達—隴東斷裂，中段：茂縣—汶川斷裂，北段：青川—平武斷裂)、中央斷裂F2(南段：鹽井—五龍斷裂、中段：北川—映秀斷裂，北段：北川—林庵寺斷裂)、前山斷裂F3(南段：大川—雙石斷裂，中段：灌縣—安縣斷裂，北段：江油斷裂)三條主干斷裂以及山前隱伏斷裂組成(陳國光等，2007；陳立春等，2008；唐方頭等，2008)，斷裂活動特征具有明顯的分段性(陳國光等，2007；陳立春等，2013). 汶川地震前，龍門山斷裂帶無7級以上地震文字記載，最大地震為1657年汶川M61/2級地震，地震活動強度明顯低于其西側(cè)的鮮水河斷裂帶和北側(cè)的岷江斷裂帶與虎牙斷裂帶(圖1). 2008年汶川M8.0級地震破裂沿龍門山斷裂帶中北段呈NE向單側(cè)擴展(Zhang et al., 2010)，同時破裂了龍門山斷裂帶的中段和北段，并在中央斷裂(F2)形成了總長約240 km、前山斷裂(F3)長約72 km的地表破裂帶(Xu et al., 2009)(見圖1紅線標(biāo)示)，余震帶則長達340 km(張培震等，2009). 2013年蘆山M7.0地震震后野外現(xiàn)場調(diào)查則未發(fā)現(xiàn)明顯的地表破裂(李傳友等，2013；徐錫偉等，2013；Li et al., 2014)，因此，現(xiàn)有研究多推測其發(fā)震構(gòu)造可能是龍門山斷裂帶南段的山前盲沖斷層(徐錫偉等, 2013; Li et al., 2014). 蘆山地震發(fā)生在汶川地震后的應(yīng)力增強區(qū)內(nèi)(Parsons et al., 2008; Toda et al., 2008; 單斌等，2009；萬永革等，2009；邵志剛等，2010；Zhu and Wen, 2010; Nalbant and McCloskey，2011；易桂喜等，2013)，暗示汶川地震對此次蘆山地震具有一定的觸發(fā)作用(杜方等，2013；單斌等，2013；王衛(wèi)民等，2013).

圖1　龍門山斷裂帶及鄰區(qū)主要構(gòu)造與6級以上歷史地震震源分布(據(jù)易桂喜等(2011)改編)F1-后山斷裂，F(xiàn)2-中央斷裂，F(xiàn)3-前山斷裂.Fig.1　Tectonic units, distribution of the historical M≥6.0 earthquakes in Longmen Shan fault zone and its adjacent areas (Modified from Yi et al. (2011))F1-Back range fault, F2-Central fault, F3-Range-front fault.

地震序列震源機制與震源空間分布可直觀反映地震破裂的幾何特征與運動學(xué)特征，對勾畫斷層形態(tài)、厘清主余震與發(fā)震構(gòu)造的關(guān)系、了解震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)等均具有重要意義(鄭勇等，2009；易桂喜等，2012；楊宜海等，2015；張致偉等，2015). 同時，利用強震序列震源機制解研究震源區(qū)構(gòu)造變形特征，也是認識強震發(fā)震機理的重要手段(Vallage et al.，2014). GPS觀測是研究區(qū)域構(gòu)造運動與變形的重要手段(張培震等，2003；Burchfiel，2004；唐文清等，2008)，但由地表觀測獲得的地殼變形并非直接來自深部震源區(qū)域的信息(江在森等，2009)，其所反映的構(gòu)造運動與變形特征深度約束相對較弱. 近年來，已逐步開展利用區(qū)域小震或強震序列震源機制解揭示大區(qū)域或強震震源區(qū)構(gòu)造運動與變形特征的研究，例如，Amelung和King(1997)提出了基于小震震源機制解的應(yīng)變花(strain rosette)方法，研究了美國舊金山灣地區(qū)大尺度區(qū)域構(gòu)造變形特征；胡幸平等(2012)利用有限元方法，模擬不同構(gòu)造變形模式下的構(gòu)造應(yīng)力場，通過分別計算理論震源機制解，并與汶川地震序列實際震源機制解進行對比，初步探討了汶川余震區(qū)的構(gòu)造變形模式；Vallage等(2014)則以美國阿拉斯加Denali斷裂帶為例，基于Amelung和King(1997)的應(yīng)變花方法，進一步引入面應(yīng)變(areal strain)As，利用小震震源機制解研究了斜滑構(gòu)造單元的局部滑動與變形分配，并探討了其可能的動力學(xué)模式. 利用應(yīng)變花與面應(yīng)變As，可以更直觀判斷震源區(qū)發(fā)震斷層的受力狀態(tài)、運動學(xué)特征與變形特征.

蘆山地震發(fā)生后，不同研究組通過獲得序列震源機制解，陸續(xù)開展了發(fā)震構(gòu)造及其運動學(xué)特征、震源區(qū)應(yīng)力場特征等相關(guān)研究(劉杰等，2013；曾祥方等，2013；呂堅等，2013；蘇金蓉等，2013；Han et al., 2014; Fan et al., 2015; Long et al., 2015; 楊宜海等，2015；羅艷等，2015；張致偉等，2015)，而基于震源機制解的震源區(qū)構(gòu)造變形則研究甚少. 蘆山地震發(fā)生在四川區(qū)域地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力較強的地區(qū)，豐富的余震波形資料為我們利用該序列震源機制解研究其震源區(qū)深部構(gòu)造運動與變形特征提供了資料保障. 本文采用近年來廣泛使用的由Zhao和Helmberger(1994)提出、經(jīng)Zhu和Helmberger(1996)發(fā)展的CAP (Cut and Paste)波形反演方法，同時求取了蘆山地震序列M≥3.0級地震的震源機制解、震源深度與矩震級，進而利用應(yīng)變花(Amelung and King，1997)與面應(yīng)變As值(Vallage et al.，2014)，分析了蘆山地震序列震源機制與震源區(qū)深部構(gòu)造運動與變形特征. 研究結(jié)果可為建立區(qū)域地球動力學(xué)模型、研究龍門山斷裂帶強震發(fā)震機理提供基礎(chǔ)依據(jù).

2　基于CAP方法的蘆山地震序列震源機制解與震源深度計算

在計算蘆山地震序列震源機制解之前，我們采用Long等(2015)的多階段定位方法，對截止至2015年12月底的蘆山地震序列進行重新定位，以期獲得相對準(zhǔn)確的地震震中位置.該方法定位過程如下：首先，基于Long等(2015)的蘆山地區(qū)速度模型，利用HYPOINVERSE2000(Klein,1989)對序列進行初定，獲取震源位置和臺站方位角等信息；然后，挑選其中具有6個以上臺站記錄、且方位角間隙小于150°的事件的觀測報告，采用VELEST(Kissling, 1988；Kissling et al., 1994, 1995)反演蘆山地區(qū)新的最小一維速度模型和臺站校正；接著，將反演得到的新速度模型和臺站校正代入HYPOINVERSE2000進行重新定位；最后，采用5 km的搜索半徑，對校正后的震源位置進行雙差定位(Waldhauser and Ellsworth, 2000). 蘆山地震序列重新定位最終結(jié)果定位誤差為：EW向～0.4 km，NS向～0.3 km，深度誤差～0.6 km，平均走時殘差約0.12 s.

計算震源機制解的方法有多種，本文選用的CAP方法(Zhao and Helmberger, 1994; Zhu and Helmberger, 1996)可同時求取地震的震源機制解、震源矩心深度和矩震級. 該方法將寬頻帶數(shù)字地震波形記錄分為體波Pnl與面波兩部分，分別對Pnl波、面波進行帶通濾波，計算理論地震波形與觀測波形之間的誤差函數(shù)，通過網(wǎng)格搜索，獲得給定參數(shù)空間中誤差函數(shù)達到最小的最佳解(鄭勇等，2009).

與求取震源機制解的其他方法相比，CAP方法具有所需臺站少、反演結(jié)果對地殼橫向變化不敏感、對速度模型依賴性相對較小等優(yōu)點(Tan et al., 2006；鄭勇等，2009；龍鋒等，2010；易桂喜等，2012；羅艷等，2015)，保證了震源機制計算結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，同時，該方法在反演過程中通過Pnl 中的sPmP(或者sPg)、sPn 等深度震相以及Pnl 與面波的相對強度進行深度約束，可以較好地確定震源矩心深度(羅艷等, 2015).

我們基于四川區(qū)域地震臺網(wǎng)記錄的波形資料和重新定位的震源參數(shù)，利用CAP方法，計算了2013年4月20日至2015年12月31日蘆山地震序列中所有M≥3.0級地震的震源機制解與震源矩心深度及矩震級. 對于余震，選取臺站震中距在250 km以內(nèi)且記錄完整清晰的波形資料；對于主震，因近臺波形存在嚴重限幅，選取臺站震中距在100 km至300 km之間具有完整清晰記錄的波形資料. CAP計算所用主震震中300 km范圍內(nèi)的臺站分布見圖2a. 考慮到CAP方法對速度模型不敏感，本文計算理論地震圖時僅使用我們獲得的蘆山地區(qū)一維速度模型(見圖2b).計算時，體波與面波截取波形窗長分別設(shè)置為30 s與60 s，相應(yīng)的帶通濾波頻帶寬度分別為0.05～0.2 Hz和0.05～0.1 Hz，網(wǎng)格搜索步長為5°，深度計算步長1 km. 我們首先利用所有滿足上述條件的臺站記錄進行震源機制初定，然后，刪除多數(shù)分量波形擬合相關(guān)系數(shù)低于60%的臺站，進行修訂計算. 同時，為了進一步保證序列震源機制解的可靠性，要求：(1)參與修訂擬合的臺站至少5個，(2)四分之三以上的分量波形擬合系數(shù)高于60%，(3)震源機制修訂解與初定解類型一致，只有當(dāng)上述3個條件同時滿足時，才認為計算結(jié)果(震源機制解、震源深度hCAP與矩震級MW)是可信的.

圖3展示了蘆山M7.0級主震波形擬合圖(圖3a)與反演誤差隨深度分布圖(圖3b)，因主震記錄臺站較多，在修訂時僅選用波形各分量擬合系數(shù)均大于60%的臺站參與計算. 可以看出，在15 km深度處，理論波形(紅色)與實際觀測波形(黑色)具有較好的擬合關(guān)系(圖3a)，反演誤差達到最小值(圖3b). 計算結(jié)果顯示，蘆山主震的震源矩心深度為15 km，矩震級MW6.55；震源機制解節(jié)面Ⅰ走向24°、傾角48°、滑動角80°，傾向SE，節(jié)面II走向219°、傾角43°、滑動角101°，傾向NW；P軸仰角3°、方位角121°，T軸仰角82°、方位角230°. 節(jié)面參數(shù)與已有研究結(jié)果基本一致(Hao et al.，2013；陳運泰等，2013；劉杰等，2013；呂堅等，2013；王衛(wèi)民等，2013；曾祥方等，2013；謝祖軍等，2013；楊宜海等，2015)，進一步證實了蘆山主震為純逆沖型地震. 結(jié)合蘆山地震余震長軸沿龍門山斷裂帶展布，判定與龍門山斷裂帶傾向和走向一致的節(jié)面II為蘆山主震破裂面(發(fā)震斷層面).

圖2　計算所用臺站分布(a)與速度模型(b)Fig.2　Spatial distribution of the seismic stations (a) and velocity model (b) used in the study

經(jīng)過計算，本文最終獲得了蘆山地震序列包括主震在內(nèi)的88個M≥3.0級地震的震源機制解、震源矩心深度hCAP與矩震級MW，結(jié)果見表1，表中同時列出了這88個地震經(jīng)多階段定位方法重新定位后的震中經(jīng)緯度與震源深度hMS. 表1顯示，所有地震的矩震級均高于MW3.3，此后的震級相關(guān)統(tǒng)計分析均采用本文計算獲得的矩震級.

3　基于地震震源機制解的應(yīng)變花與面應(yīng)變計算

Amelung和King(1997)認為局部地區(qū)的構(gòu)造變形與更大區(qū)域的構(gòu)造變形存在密切關(guān)系，在特定條件下，局部與區(qū)域的應(yīng)變張量形態(tài)(包括形狀與方位)一致，兩者僅存在數(shù)量上的差異，提出了利用地震震源機制解獲取局部應(yīng)變、進而獲取區(qū)域尺度構(gòu)造變形信息的應(yīng)變花(strain rosette)方法. 應(yīng)變花代表應(yīng)變張量的方位和形狀，是應(yīng)變模式的圖像體現(xiàn)(Amelung and King，1997). Vallage等(2014)認為，應(yīng)變花是進行應(yīng)變模式定量比較的有力工具.

地殼內(nèi)一個區(qū)域的地震應(yīng)變εij(Kostrov，1974)可由幾何矩張量Mij(King, 1978)或勢能(Ben-Zion and Zhu，2002)獲得：

(1)

(2)

其中，N為地震個數(shù)，V為該區(qū)域的體積，A為斷層滑動面積，dA為面積元，u為地震滑動，ni為斷層法向矢量，ui為單位滑動矢量(Amelung and King，1997).

幾何矩張量Mij與地震矩張量Mij的關(guān)系為(King, 1978)：

(3)

式中，μ為剪切模量. 幾何矩張量與地震矩張量大小不同，但形狀相同(AmelungandKing，1997；Vallageetal.，2014).

應(yīng)變花即應(yīng)變張量的徑向分量作為方位角函數(shù)的體現(xiàn)(Vallageetal., 2014)：

εrr=εiicos2(t)+εjjsin2(t)+2εijcos(t)sin(t),

(4)

其中方位角t在0°～360°之間變化.εrr>0表示應(yīng)變花的白色擠壓瓣，εrr<0即代表應(yīng)變花的黑色拉張瓣.

Vallage等(2014)基于Amelung和King(1997)的應(yīng)變花方法，引入面應(yīng)變(Arealstrain)As：

(5)

定量評估斷層變形與運動學(xué)特征. (5)式中ΔA為面積變化量；A0為初始面積；A1為應(yīng)變花擠壓瓣(白瓣)的長度，A2為應(yīng)變花拉張瓣(黑瓣)的長度. A1由經(jīng)利用公式(4)計算的εrr的最大絕對值歸一化后的所有εrr正值的最大值確定，A2由經(jīng)歸一化后的所有εrr負值的最大絕對值確定. As即表征應(yīng)變花擠壓瓣長度A1與拉張瓣長度A2之間的差異. 對于單個地震，As的值在[-1,+1]之間，As=-1代表純拉張，As=0為純走滑，As=+1表示純擠壓逆沖，As介于-1～0之間為正傾滑；As在0～+1之間為逆傾滑. 對于同一個地震，無論選擇哪個節(jié)面，應(yīng)變花相同, 因此，即使不能確定發(fā)震斷層面，仍可利用As進行發(fā)震構(gòu)造變形比較(Vallageetal., 2014). 根據(jù)面應(yīng)變As值，將震源機制與構(gòu)造變形分成5類，分類標(biāo)準(zhǔn)見表2.

基于CAP所獲得的蘆山地震序列88個MW>3.3(M≥3.0)地震的震源機制解，計算了每個地震及序列整體的應(yīng)變花與面應(yīng)變As值，結(jié)果分別見圖4和表1最后一列. 序列整體的面應(yīng)變As值為0.98，相應(yīng)的應(yīng)變花用all標(biāo)示于圖4中.

表2　基于面應(yīng)變(As)的地震震源機制與 構(gòu)造變形分類(據(jù)Vallage et al.，2014)Table 2　Classification of focal mechanism and tectonic deformation based on the different domains of areal strain (As)

4　蘆山地震震源機制分布特征與震源區(qū)構(gòu)造運動與變形特征分析

4.1蘆山地震震源機制分布特征

包含主震在內(nèi)的蘆山序列88個MW>3.3(M≥3.0)級地震的震源機制解節(jié)面參數(shù)(見表1)統(tǒng)計圖(圖5a)顯示，序列發(fā)震斷層面走向優(yōu)勢方向單一，呈近NE-SW向，與龍門山斷裂帶總體走向一致；滑動角集中在90°左右，表明這88個地震以純逆沖型為主. 斷面平均傾角近45°，與蘆山主震破裂面傾角(43°)基本一致，說明序列主要受傾角約45°的近NE-SW走向發(fā)震斷層控制.P軸參數(shù)統(tǒng)計圖(圖5b )顯示：P軸近水平，仰角主要集中在20°以內(nèi)(見表1)，仰角均值約14°；P軸優(yōu)勢方位單一，近NW-SE向，與龍門山斷裂帶南段所處區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向一致(成爾林，1981；刁桂苓等，2011；高原等，2013；王成虎等，2014；Meng et al., 2015；Wu etal., 2016)，也與GPS觀測的該區(qū)域速度場方向一致(Shen et al, 2005; Zhang, 2013)，反映蘆山地震震源區(qū)主要受來自青藏塊體南東向擠出的NW-NWW向區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場控制(楊宜海等，2015；Wu et al., 2016)，蘆山地震是近NE-SW向斷裂受到近水平的NW-SE向主壓應(yīng)力擠壓作用發(fā)生逆沖運動的結(jié)果.

圖4　蘆山地震序列88個MW>3.3級地震以及序列整體的應(yīng)變花圖各應(yīng)變花上部的數(shù)字序號同表1. all代表序列整體的應(yīng)變花. Fig.4　Strain rosettes of 88 MW>3.3 events of the Lushan earthquake sequenceThe order number above each strain rosette is the same as in Table 1. The last strain rosette marked by word all represents the one for the entire sequence

圖5　蘆山地震序列節(jié)面走向Strike、傾角dip、滑動角Rake (a) 與P軸方位角Paz和仰角Ppl(b)玫瑰花圖Fig.5　Rose maps of the strike, dip, rake of nodal planes (a) and azimuth Paz, plunge Ppl of P-axis (b) of the Lushan earthquake sequence

基于表1中各地震的面應(yīng)變As值與表2的震源機制分類標(biāo)準(zhǔn)，對序列88個地震的震源機制解進行分類. 圖6展示了序列的面應(yīng)變As值和震源機制類型分布，并采用不同顏色區(qū)分機制類型，紅色、藍色、綠色、黑色、灰色分別代表逆沖型、逆沖兼走滑型、走滑型、正斷兼走滑型、正斷型. 其中，82個地震的As值高于0.7，為逆沖型(圖6中紅色)，占總數(shù)的93.2%；As值在 0.3～0.7之間的逆沖兼走滑型地震(藍色)與As值低于-0.7的正斷型地震(灰色)各2個，均占總數(shù)的2.3%；As值在-0.3～0.3之間的走滑型地震(綠色)及-0.7～-0.3之間的正斷兼走滑型地震(黑色)各1個，各占總數(shù)的1.1%. 上述統(tǒng)計結(jié)果表明，蘆山地震序列以逆沖型占絕對主導(dǎo)，其逆沖型地震比例遠遠高于汶川地震序列(易桂喜等，2012)，反映了龍門山斷裂帶南段和中北段運動學(xué)特征存在顯著的橫向分段差異.

圖6　蘆山地震序列不同類型震源機制與面應(yīng)變值分布逆沖型、逆沖兼走滑型、走滑型、正斷兼走滑型、正斷型地震分別用紅色、藍色、綠色、黑色和灰色標(biāo)示. 百分比表示落入各區(qū)間的地震比例.Fig.6　Characterization of the focal mechanism solution and areal strain for the Lushan earthquake sequenceCompressional, oblique compressional, strike-slip, oblique extensional and extentional events are shown in color red, blue, green, black and grey, respectively. Percentages express the proportion of earthquakes falling into each class.

序列88個地震的震源機制解平面分布圖像(見圖7a)顯示，絕大多數(shù)地震的震源機制解節(jié)面走向與龍門山斷裂帶走向一致；余震區(qū)南、北兩端均為逆沖型地震，與汶川余震區(qū)兩端存在大量走滑型地震活動(易桂喜等，2012)有明顯差異. 序列中6次非逆沖型地震(即表1與圖4中No.07、17、45、55、65、73地震)集中發(fā)生在主震震中兩側(cè)附近區(qū)域. 圖7b為P軸方位空間分布，短線段延伸方向代表P軸方位，黑色短線段代表P軸仰角低于20°的地震，綠色短線段表示仰角高于20°的地震，可以看出，P軸優(yōu)勢方位NW向、與龍門山斷裂帶走向近乎垂直，多數(shù)地震的P軸仰角在20°以內(nèi)，P軸仰角高于20°的地震主要分布在主震震中(圖7b中紅色★)附近.主震震中附近余震震源機制類型的多樣性以及P軸仰角的明顯變化可能是因主震的發(fā)生引起其震中附近局部區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生擾動、并在應(yīng)力調(diào)整過程中觸發(fā)不同運動性質(zhì)的斷層活動所致(羅艷等，2015). 此外，根據(jù)表1和圖4，我們沒有發(fā)現(xiàn)類似汶川地震序列所呈現(xiàn)的震源機制類型隨時間的顯著變化現(xiàn)象(易桂喜等，2012).

圖7　蘆山地震序列88個MW>3.3地震的震源機制解(a)與P軸方位(b)空間分布(a) 中帶字母標(biāo)示的黑色長實線為剖面位置. 紅色長實線為龍門山前山斷裂F3(大川—雙石斷裂).Fig.7　Focal mechanism solutions and azimuths of P-axis for 88 MW>3.3 events of the Lushan earthquake sequenceBlack solid long lines with letters mark the positions for vertical cross-sections. Red solid long line is the range-front fault F3 (Dachuan-Shuangshi fault).

4.2蘆山地震序列震源深度分布特征

CAP波形反演獲得的蘆山地震序列88個地震的震源矩心深度分布在7～22 km深度區(qū)間(見表1)，與已有研究結(jié)果(趙博等，2013；蘇金蓉等，2013；楊宜海等，2015)基本一致. 不同方法獲得的地震震源深度值存在一定的差異，對比表1中88個地震由CAP波形反演獲得的震源矩心深度hCAP與利用多階段定位方法獲得的震源深度hMS，統(tǒng)計顯示：占總數(shù)62.5%的地震hCAP與hMS差值小于2 km，約28.4%的地震差值在2.0～4.0 km之間，僅9.1%的地震差值超過4.0 km，差異最大的2個地震即表1中No.38和No.62地震，深度差值分別為5.55 km和5.4 km，而這兩個地震理論波形與實際觀測波形均擬合較好，至少有8個臺站所有分量波形擬合相關(guān)系數(shù)全部高于60%. 序列總體hCAP與hMS差異均值約1.82 km. 我們認為，CAP方法在波形反演過程中通過深度震相以及體波與面波的相對強度進行深度約束(羅艷等, 2015)，所獲得的震源深度hCAP比hMS更準(zhǔn)確.

圖8展示了3個深度剖面的序列震源矩心深度分布，剖面位置見圖7a(黑色實線). 沿龍門山斷裂帶走向的A-B剖面(圖8a)顯示余震帶長約37 km，主震兩側(cè)余震呈不對稱分布，其中，南西側(cè)長約27 km，北東側(cè)長約10 km. 序列中超過77%的余震分布在主震上部9～14 km深度上，整個序列震源深度均值約13 km.

垂直于龍門山斷裂帶走向的C-D(圖8b)、E-F(圖8c)深度剖面包含剖面兩側(cè)各10 km寬度范圍內(nèi)的地震，均顯示余震可能發(fā)生在多條斷裂上，余震區(qū)寬度約16 km. 在E-F剖面圖(圖8c)上，可以看出NW傾向的主發(fā)震斷層FM自約12 km深度向淺部傾角變大，與Zhang等(2015)關(guān)于蘆山主震發(fā)震斷層形態(tài)的推論相吻合. 從圖8c還可以發(fā)現(xiàn)，震源區(qū)存在著與NW傾向的主發(fā)震斷層FM近乎垂直的SE傾向反沖斷層FY(Fan et al., 2015; Long et al., 2015)，蘆山主震發(fā)生在FM與FY交匯部位，因此，推測該反沖斷層FY的活動應(yīng)屬主發(fā)震斷層FM牽動所致(Fang et al., 2015). 此外， C-D(圖8b)、E-F(圖8c)剖面圖還顯示，前山斷裂F3(即南段的大川—雙石斷裂)不是主發(fā)震斷裂，但可能參與了部分余震活動. 由此可見，蘆山序列受多條斷裂控制.

圖8顯示，蘆山序列中沒有發(fā)現(xiàn)類似汶川余震區(qū)南、北兩端深度小于5 km的超淺源地震活動(羅艷等，2010；易桂喜等，2012). 蘆山序列余震最小震源深度(7 km)接近Jiang等(2014)利用GPS資料反演得到的蘆山地震震源斷層面上界深度(7.7 km)，最大深度22 km與陳運泰等(2013)的蘆山地震破裂下界深度(約20 km)基本一致，7～22 km的余震深度分布與震源破裂過程反演得到的主要破裂分布深度(Hao et al., 2013；劉成利等，2013；金明培等，2014)相吻合，也與陳棋福等(2015)基于有限元模擬獲得的龍門山斷裂帶應(yīng)力聚集成核區(qū)5～19 km深度基本一致. 上述結(jié)果均表明蘆山地震震源體埋藏較深，主震震級較小且主震破裂在斷層面上的分布較集中(王衛(wèi)民等，2013)，很難產(chǎn)生地表破裂，這可能是發(fā)生在盲沖斷層上的蘆山地震沒有觀測到明顯地表破裂(徐錫偉等，2013)的重要原因.

余震的空間分布在很大程度上反映了地震的破裂范圍(張培震等，2009). 根據(jù)圖8，可以粗略估計出本次蘆山地震震源體大小為：沿龍門山斷裂帶走向長約37 km、垂直斷裂帶走向?qū)捈s16 km、深度范圍16 km，略大于趙旭等(2014)根據(jù)震源破裂過程反演獲得的15 km破裂半徑尺度，但小于Fan等(2015)根據(jù)蘆山地震序列精確定位獲得的沿斷層走向長約55 km、深度范圍約16 km的震源體尺度. 龍門山斷裂帶歷史地震記錄顯示，蘆山地震前，南段僅發(fā)生了1327年9月天全M≥6.0、1941年6月寶興與康定間M6.0、1970年2月大邑M6.2級3次6級以上地震(見圖1)，屬于長期缺少M≥7.0級地震的強震破裂空段(易桂喜等，2013). 本次蘆山M7.0(或MW6.55)級地震的震源體尺度較小，意味著龍門山斷裂帶南段僅破裂了局部區(qū)域，且主震沒有發(fā)生在南段主干斷裂F3上(見圖8b和圖8c)，南段長期積累的應(yīng)變能未能得到充分釋放. 蘆山地震沒有完成龍門山斷裂帶南段整體的斷層解鎖(武艷強等，2013)，或者說蘆山地震的發(fā)生沒有完全緩解南段的強震危險性(Wu et al., 2016)，南段仍存在發(fā)生強震的危險.

4.3蘆山地震震源區(qū)深部構(gòu)造運動與變形特征

蘆山地震序列88個地震的應(yīng)變花形態(tài)(見圖4)與面應(yīng)變As值(見表1)揭示了序列中絕大多數(shù)地震的發(fā)震構(gòu)造運動方式為純逆沖型，以擠壓瓣(白瓣)為優(yōu)勢的應(yīng)變花方位呈與龍門山斷裂帶走向近乎垂直的NW-NWW向，表明震源區(qū)局部構(gòu)造以NW-NWW向擠壓變形為主；88個地震整體的As值為0.98，與主震(見表1)一致，序列整體的應(yīng)變花(圖4中用all標(biāo)示)形態(tài)(包括方位和形狀)也與主震(圖4中No.01地震)一致，呈NW向純擠壓逆沖模式，表明蘆山震源區(qū)構(gòu)造整體以逆沖運動、NW向純擠壓變形為特征, 與利用GPS觀測到的龍門山斷裂帶南段主壓應(yīng)力方向與斷裂帶垂直的受力狀態(tài)(劉峽等，2014)及蘆山地震震源區(qū)呈NW向擠壓應(yīng)變模式(武艷強等, 2013; Zhang, 2013；劉曉霞等，2015)相吻合. 上述表明，在來自青藏塊體南東向擠出的近NW-SE向區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用下，蘆山地震震源區(qū)深部構(gòu)造整體呈NW向純擠壓變形模式.

圖8　蘆山地震序列震源深度剖面圖A-B剖面(a)沿龍門山斷裂帶走向；C-D剖面(b)和E-F剖面(c)垂直于斷裂帶走向，寬度為剖面兩側(cè)各10 km. (c)中黑色虛線為推測斷層面，分別用FM和FY標(biāo)示.標(biāo)示圖7中斷層F3在剖面上的投影位置.Fig.8　Vertical cross-sections of hypocenter depths of the Lushan earthquake sequenceA-B section along the strike of the Longmen Shan fault zone (a), C-D (b) and E-F (c) perpendicular to the strike of the fault zone with projection width 10 km for each side .The Black dashed lines in E-F section (c) are deduced fault planes, marked by FM and FY, respectively. is the mark of F3 in Fig.7 projected on the sections C-D and E-F.

為了分析震源區(qū)應(yīng)變模式是否受震級的影響，我們分別給出了不同震級段地震整體的應(yīng)變花(見圖9)，圖像顯示，各震級段整體的應(yīng)變花形態(tài)均呈NW向擠壓瓣(白瓣)，表明蘆山地震序列的發(fā)震斷層為逆沖運動、震源區(qū)構(gòu)造呈NW向純擠壓變形. 不同震級段一致的應(yīng)變花方位與形狀所展現(xiàn)的這種應(yīng)變模式的相似性揭示出震源所處區(qū)域構(gòu)造變形具有震級自相似性，即震源區(qū)構(gòu)造變形與震級無關(guān). 這一自相似性特征也曾在美國舊金山灣地區(qū)(Amelung and King，1997)和阿拉斯加Denali斷裂帶(Vallage et al.，2014)上觀測到. 上述結(jié)果表明，任何一個震級段均可代表研究區(qū)域的總體變形模式(Vallage et al.，2014).

蘆山地震余震集中分布在較小的區(qū)域，其豐富的余震震源機制解為嘗試研究震源區(qū)不同深度的構(gòu)造變形特征提供了條件. 圖10給出了各震源深度上地震整體的應(yīng)變花. 圖像顯示，各深度地震整體的應(yīng)變花仍以擠壓瓣(白瓣)為優(yōu)勢，方位呈NW-NWW向，表明震源區(qū)構(gòu)造無論是總體還是垂向分段(深度方向)均以逆沖運動、NW-NWW向擠壓變形為特征. 但應(yīng)變花方位與形狀隨深度仍存在一定的差異. 7～12 km深度的應(yīng)變花方位與形狀極為相似，顯示此深度范圍的震源區(qū)構(gòu)造運動與變形具有很好的一致性，結(jié)合圖8c，可以看出，12 km及上部的地震主要受主發(fā)震斷裂FM控制，因此，該深度區(qū)間的構(gòu)造運動與變形的一致性應(yīng)反映了主發(fā)震斷裂在該深度的運動與變形特征. 13 km深度的應(yīng)變花顯示該深度構(gòu)造呈純擠壓變形，但應(yīng)變花方位向西偏轉(zhuǎn)為NWW向，即擠壓變形為NWW向；14 km深度的應(yīng)變花以NW向擠壓瓣為主，NE向出現(xiàn)微小白瓣，顯示該深度的構(gòu)造以NW向擠壓變形為主，同時，在NE方向也存在小量的擠壓變形，13～14 km深度應(yīng)變花方位與形狀的上述變化或許與反沖斷層FY有關(guān).主震下部的構(gòu)造雖仍以逆沖運動、擠壓變形為主，但16～19 km深度區(qū)間的應(yīng)變花出現(xiàn)較明顯的拉張瓣(黑瓣)(圖11)，表明在該深度區(qū)間構(gòu)造運動存在走滑分量，構(gòu)造變形兼具一定的NE向拉張變形，同時，自18 km以下深度應(yīng)變花方位出現(xiàn)明顯的向西偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，由NW向轉(zhuǎn)為NWW向，即18 km以下深度的構(gòu)造主要以NWW向擠壓變形為優(yōu)勢，與上部震源體存在較明顯的差異，從圖8b和圖8c可以看出，18 km以下深度的地震主要發(fā)生在主發(fā)震斷裂FM西側(cè)且傾向更偏西的斷層上. 由此推測，13 km及深部的應(yīng)變花形態(tài)(方位與形狀)隨深度的變化可能與震源區(qū)深部的地震受多條斷裂控制有關(guān).不同深度應(yīng)變花形態(tài)的差異反映了震源區(qū)深部構(gòu)造運動與變形特征在垂向(深度)上可能存在分段差異.

圖9　不同矩震級MW段應(yīng)變花應(yīng)變花左側(cè)數(shù)字表示該震級段的地震數(shù).Fig.9　Strain rosettes for different magnitude MW intervalsThe number of earthquakes summed within a special moment magnitude range is shown on the left of each strain rosette.

圖10　不同深度地震整體的應(yīng)變花應(yīng)變花左側(cè)數(shù)字表示該深度的地震數(shù).Fig.10　Strain rosettes at different depthsThe number of earthquakes summed at special depth h is shown on the left of each strain rosette.

5　結(jié)論

基于四川區(qū)域地震臺網(wǎng)2013年4月20日至2015年12月31日記錄的地震波形資料，本文利用CAP波形反演方法同時獲取了2013年蘆山M7.0級地震序列中88個MW≥3.3(或M≥3.0)級地震的震源機制解、震源矩心深度與矩震級，進而利用應(yīng)變花和面應(yīng)變As值，分析了蘆山地震序列震源機制和震源區(qū)深部構(gòu)造運動與變形特征.主要認識有：

(1) 蘆山M7.0級地震的矩震級為MW6.55；震源深度為15 km；震源機制解節(jié)面Ⅰ走向24°、傾角48°、滑動角80°，傾向SE，節(jié)面II走向219°、傾角43°、滑動角101°，傾向NW；P軸仰角3°、方位角121°，T軸仰角82°、方位角230°.與余震分布長軸走向和震源區(qū)斷裂帶走向及傾向一致的節(jié)面II為主震發(fā)震斷層面(破裂面). 余震區(qū)長軸沿龍門山斷裂帶走向長約37 km、垂直斷裂帶走向?qū)捈s16 km，主震兩側(cè)余震呈不對稱分布，主震南西側(cè)長約27 km、北東側(cè)長約10 km. 余震分布在7～22 km深度范圍，優(yōu)勢分布深度為9～14 km，序列平均深度約13 km，絕大多數(shù)余震分布在主震上部. 序列主要受傾向NW、傾角約45°的近NE-SW向主發(fā)震斷層控制，部分余震受控于與主發(fā)震斷層近乎垂直的SE傾向反沖斷層；前山斷裂(南段的大川—雙石斷裂)不是主發(fā)震斷裂，但可能參與了部分余震活動. 未發(fā)現(xiàn)類似汶川序列中深度小于5 km的余震活動. 蘆山地震震源體埋藏相對較深，主震震級較小且主震破裂在斷層面上的分布較集中，這可能是蘆山地震沒有明顯地表破裂的主要原因.

(2) 面應(yīng)變As值統(tǒng)計顯示，蘆山地震序列以As>0.7的逆沖型地震占絕對優(yōu)勢，所占比例超過93%.P軸近水平且優(yōu)勢方位單一，呈NW-SE向，與龍門山斷裂帶南段所處區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向一致，反映蘆山地震震源區(qū)主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場控制，蘆山地震是在近水平的NW-SE向主壓應(yīng)力擠壓作用下NE-SW向斷層發(fā)生逆沖運動所致. 序列中非逆沖型地震均發(fā)生在主震附近，且主震附近P軸仰角存在較明顯差異，表明主震對震源附近局部區(qū)域存在明顯的應(yīng)力擾動.

(3) 序列整體及不同震級段的應(yīng)變花形態(tài)均為NW向擠壓白瓣，顯示蘆山地震震源區(qū)深部構(gòu)造呈逆沖運動、以NW向純擠壓變形為特征. 各震級段應(yīng)變花方位與形狀的一致性表明震源區(qū)地震應(yīng)變具有震級自相似性，揭示該震源區(qū)構(gòu)造運動和變形模式與震級無關(guān).

(4) 不同深度地震整體的應(yīng)變花形狀同樣以擠壓瓣(白瓣)為優(yōu)勢且方位呈NW-NWW向，顯示震源區(qū)構(gòu)造無論是總體還是垂向(深度)分段均以逆沖運動、NW-NWW向擠壓變形為特征. 但應(yīng)變花形態(tài)(包括方位與形狀)隨深度具有較明顯的變化，主震上部7～12 km深度一致的應(yīng)變花方位與形狀顯示該深度范圍的震源區(qū)構(gòu)造運動與變形具有較好的一致性，呈NW向純擠壓變形. 13 km及以下深度應(yīng)變花方位和形狀出現(xiàn)隨深度的明顯變化，構(gòu)造運動與變形的一致性相對降低，可能與深部地震活動受多條斷裂控制有關(guān). 震源區(qū)不同深度應(yīng)變花形態(tài)的差異可能反映了震源區(qū)深部構(gòu)造運動與變形特征在深度方向上存在著分段差異.

(5) 粗略估計的蘆山地震震源體尺度為：沿龍門山斷裂帶走向長約37 km、垂直斷裂帶走向?qū)捈s16 km、深度范圍16 km，尺度較小，表明龍門山斷裂帶南段僅破裂了局部區(qū)域，且蘆山地震并未發(fā)生在南段主干斷裂上，其長期積累的應(yīng)變能沒有得到充分釋放，龍門山斷裂帶南段仍存在發(fā)生強震的危險.

致謝兩名匿名審稿人給出了具有建設(shè)性的修改建議. CAP程序由美國圣路易斯大學(xué)的朱露培教授提供. 部分圖件采用GMT軟件繪制.中國地震局地質(zhì)研究所陳立春研究員為本文提供了龍門山斷裂帶南段詳細的斷層數(shù)據(jù).

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(本文編輯胡素芳)

Focal mechanism and tectonic deformation in the seismogenic area of the 2013 Lushan earthquake sequence, southwestern China

YI Gui-Xi1,2, LONG Feng1,2, Amaury Vallage3, Yann Klinger3, LIANG Ming-Jian1, WANG Si-Wei1

1EarthquakeAdministrationofSichuanProvince,Chengdu610041,China2SichuanSeistechCorporationLtd.,Chengdu610041,China3TectoniqueetMècaniquedelaLithosphère,InstitutdePhysiqueduGlobedeParis,Paris,France

The April 20th, 2013 LushanM7.0 earthquake sequence occurred on the southern segment of the Longmen Shan fault zone, southwestern China. Utilizing the waveform data ofM≥3.0 earthquakes between 20 Apr. 2013 and 31 Dec. 2015 from Sichuan Regional Seismic Network, our present study determined the focal mechanism solutions, centroid depths and moment magnitudes for the Lushan mainshock and 87M≥3.0 aftershocks by CAP waveform inversion method. Along with analysis on the strain rosette and areal strain (As), we aimed to discuss the focal mechanism of the sequence and its implications to the tectonic deformation in the seismogenic area.

Lushan earthquake; Focal mechanism; Strain rosette; Areal strain; Tectonic deformation

10.6038/cjg20161017.

國家自然科學(xué)基金(41574047)，四川賽思特科技有限責(zé)任公司西部大開發(fā)優(yōu)惠政策節(jié)稅資金投資項目(XDK2015001)，四川省外國專家局引智項目(S201637)共同資助.

易桂喜，1964年生，博士，研究員，主要從事地震預(yù)報方法與殼幔速度結(jié)構(gòu)反演等研究.E-mail:yigx64@163.com

10.6038/cjg20161017

P315

2016-05-12，2016-08-16收修定稿

易桂喜, 龍鋒, Amaury Vallage等. 2016. 2013年蘆山地震序列震源機制與震源區(qū)構(gòu)造變形特征分析. 地球物理學(xué)報，59(10):3711-3731,

Yi G X, Long F, Vallage A, et al. 2016. Focal mechanism and tectonic deformation in the seismogenic area of the 2013 Lushan earthquake sequence, southwestern China.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(10):3711-3731,doi:10.6038/cjg20161017.

The major findings are as follows: (1) The parameters of the ruptured plane are of strike 219°, dip 43° and slip 101° for the LushanM7.0 mainshock with a moment magnitude ofMW6.55 and centroid depth of 15 km. The 87M≥3.0 aftershocks are distributed asymmetrically near the mainshock in a region ～37 km long along the strike of the Longmen Shan fault zone, and ～16 km wide perpendicular to the fault zone. All the aftershocks are located within a depth range of 7～22 km. Most of the aftershocks are above the mainshock, and the average depth of the sequence is about 13 km. No aftershocks were found shallower than 7 km, indicating the seismogenic source was relatively deep. The estimated seismogenic source of the Lushan earthquake is 37 km×16 km×16 km. (2) The values of areal strain (As) show that reverse faulting is dominant for the sequence. The plots of the hypocenters of the sequence on the vertical cross-sections indicate that a NE-SW-striking thrust fault dipping about 45° to NW is the main seismogenic fault of the Lushan earthquake sequence, a portion of aftershocks occurred on the SE-dipping back thrust fault nearly perpendicular to the NW-dipping main fault, and the range-front fault of Longmen Shan fault zone may be responsible for some aftershocks.P-axis is nearly horizontal and orientated in NW-SE direction, coinciding with the regional tectonic stress field. This finding indicates that the seismogenic area is controlled by the stress field, and the Lushan earthquake sequence was resulted from the reverse faulting of the NE-SW-trending faults under a nearly horizontal principle stress with NW-SE orientation. Existence of non-thrusting type earthquakes and obvious variation of the plunge angle ofP-axis surrounding the mainshock together indicate the stress disturbance in the local area was influenced by the Lushan mainshock. (3) The strain rosettes for the entire sequence and different classes of magnitudes all display NW-trending compressional white lobe, therefore, we infer that the geological structures for the entire seismogenic area are of thrust faulting under NW-oriented compressional deformation. The strain rosettes exhibit self-similarity in terms of orientation and shape for all classes of magnitudes, reflecting that the deformation pattern of the seismogenic faults is independent of magnitude. (4) The shape of the strain rosette at each depth is dominated by compressional white lobe in NW-NWW direction, indicating all the geological structures for the entire seismogenic area or individual segments within different depths are under NW-NWW-oriented compressional deformation. However, variation of both the shapes and orientations of the strain rosettes with depth is observed, indicating existence of segmentation of tectonic deformation in the vertical direction. (5) The dimension of the seismogenic source of the Lushan earthquake is relatively small, and the mainshock was not on the main faults along the southern segment of the Longmen Shan fault zone, and further we suggest that the cumulated strain energy was not released thoroughly, posing strong earthquake risk on the southern segment.