震源斷層方法在活斷層探測(cè)中的應(yīng)用*

楊雅瓊，馮向東，刁桂苓，徐錫偉

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021；2.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

傅承義先生[1]指出地震成因性的構(gòu)造活動(dòng)常起源于地殼深處，要闡明孕震過(guò)程，不能僅靠地質(zhì)觀測(cè)，還需要地震學(xué)的方法來(lái)研究深部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。用深地震測(cè)深和地震波的方法可以探明地殼深部的構(gòu)造和介質(zhì)環(huán)境，分析地震圖的初動(dòng)方向和其他震相的振幅可以推算地震斷裂的運(yùn)動(dòng)方向，而現(xiàn)今的數(shù)字地震儀可以劃出地下微弱震動(dòng)的震中匯集帶——這可能就是地殼深部地震成因斷裂在地面上的痕跡。地震學(xué)方法可以彌補(bǔ)地質(zhì)方法之不足，對(duì)了解地震的構(gòu)造環(huán)境大有幫助。

地震的震源錯(cuò)動(dòng)或破裂與活動(dòng)斷裂作用是有區(qū)別的，但許多地震沿地表可見(jiàn)活動(dòng)斷層產(chǎn)生一定類型的地表破裂帶，表明深淺構(gòu)造之間確實(shí)存在著某種內(nèi)在的力學(xué)聯(lián)系或地殼介質(zhì)變形的深淺轉(zhuǎn)換[2-4]。震源斷層、構(gòu)造斷層、地震斷層是既互相聯(lián)系又有一定區(qū)別的概念[5]。確定震源斷層的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，分析震源斷層與構(gòu)造斷層、地震斷層之間的關(guān)系，是地震研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，還有很多未解決的問(wèn)題。地震活動(dòng)與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系是地震地質(zhì)學(xué)研究的基本內(nèi)容，也是本學(xué)科應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)的主要依據(jù)。地震與地質(zhì)構(gòu)造之間的主要矛盾之一是兩者在空間上的差異，即地殼深部的震源構(gòu)造與淺層地質(zhì)構(gòu)造的差異[6-10]。地震定位確定的震源位置是地震初始破裂點(diǎn)，震級(jí)低則震源體積也小，作為一級(jí)近似，可用初始破裂點(diǎn)表示中小地震的震源體。當(dāng)震源位置在地表的投影——震中分布密集成帶時(shí)，表明這些破裂點(diǎn)相當(dāng)集中。雖然大量小震震源體未必相互銜接，但是它們共存于一個(gè)條帶上，應(yīng)當(dāng)具有成因上的聯(lián)系。強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，震源錯(cuò)動(dòng)必然使斷層面及其兩側(cè)巖體處的介質(zhì)相對(duì)破碎，在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下震源區(qū)易于發(fā)生小震，我們可以將其作為研究對(duì)象，尋找深部斷層活動(dòng)的證據(jù)[11-14]。

活斷層探測(cè)項(xiàng)目屬于科學(xué)工程，具有一定的探索性。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)現(xiàn)在的地震活動(dòng)斷層的定義比較適合于我國(guó)西部[15]，東部的情況比較復(fù)雜，存在深淺構(gòu)造不一致的問(wèn)題，而地震往往和深部構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。因此在《中國(guó)地震活動(dòng)斷層探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》[16]的總則中明確指出：應(yīng)依據(jù)本技術(shù)規(guī)范的要求，結(jié)合本地區(qū)的實(shí)際情況，確定具體的目標(biāo)與技術(shù)途徑。鼓勵(lì)開(kāi)拓和引進(jìn)先進(jìn)有效的新技術(shù)、新方法。鄧起東[17-18]在討論“城市活動(dòng)斷裂探測(cè)和地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)問(wèn)題”時(shí)用“有沒(méi)有、活不活、深不深，震不震，錯(cuò)不錯(cuò)，好對(duì)策”這6句話來(lái)涵蓋其核心內(nèi)容，這6個(gè)方面相輔相成、缺一不可。由于活動(dòng)斷層探測(cè)的目標(biāo)區(qū)一般位于盆地或平原區(qū)，被不同厚度的第四紀(jì)松散沉積物所覆蓋，探測(cè)的目標(biāo)斷層絕大多數(shù)為隱伏斷層，僅僅依靠地表地質(zhì)地貌工作已不可能對(duì)斷層定位和活動(dòng)性進(jìn)行全面研究。因此，地球物理、地球化學(xué)等方面的探測(cè)就成為城市活動(dòng)斷層探測(cè)中必不可少的重要手段。已有的工作實(shí)踐證明，在城市活動(dòng)斷層探測(cè)和斷層活動(dòng)性評(píng)價(jià)中，地質(zhì)地貌、地球物理、地球化學(xué)和鉆探工程等有機(jī)結(jié)合起來(lái)是正確解決斷層定位和活動(dòng)性的根本保證[19-24]。

1　方法

近年來(lái)隨著數(shù)字地震觀測(cè)技術(shù)的提高和數(shù)字地震臺(tái)的廣泛布設(shè)，使得震相拾取越來(lái)越精確，地震定位精度大幅提高[25-29]?；谛≌鹂臻g分布對(duì)地質(zhì)構(gòu)造及地球物理相關(guān)問(wèn)題的研究引起地球科學(xué)家的關(guān)注，特別是近年來(lái)中國(guó)地震局廣泛開(kāi)展的城市活斷層探測(cè)項(xiàng)目，除了用地震測(cè)深方法得出地下結(jié)構(gòu)的信息外，還可以利用大量小震位置獨(dú)立地給出活斷層的幾何形態(tài)，并采用局部應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)得到斷層的滑動(dòng)性質(zhì)，提供另外一種約束。前人研究采用小震精確定位的叢集性描述斷層幾何形態(tài)大多數(shù)為定性描述，迫切需要一種方法來(lái)對(duì)深部斷層的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為精確的定量化描述。根據(jù)成叢小震發(fā)生在大震斷層面及其附近的原則，萬(wàn)永革等[30]將模擬退火算法和高斯——牛頓算法結(jié)合，提出利用小震密集程度求解主震斷層面走向、傾角、位置及其誤差的穩(wěn)健估計(jì)方法，并在考慮區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力參數(shù)的基礎(chǔ)上，給出了估計(jì)已求得的斷層面的滑動(dòng)角的方法。該方法不僅能在全局搜索最優(yōu)解，而且可以估計(jì)參數(shù)的誤差，并且在求得大震斷層面后還可以根據(jù)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)得到斷層面上滑動(dòng)角的估計(jì)。如果在地震之后快速確定小震的震源位置，則可以獨(dú)立于體波、面波和大地測(cè)量數(shù)據(jù)之外給出地震斷層面參數(shù)的另外一種約束。近年來(lái)隨著相對(duì)定位方法和波形互相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，小震定位精度越來(lái)越高，使得采用小震的叢集性確定深部活斷層幾何形態(tài)成為可能。通過(guò)地質(zhì)方法僅能觀測(cè)活斷層的地表破裂形跡，深部斷層與淺部破裂構(gòu)造形態(tài)可能存在較大差異，該方法在確定地質(zhì)活斷層震源深度的幾何形態(tài)具有重要意義。此外，本方法還可用于小震活躍地區(qū)活斷層走向、傾角和滑動(dòng)角的確定。

萬(wàn)永革等[30]的方法通過(guò)小震密集程度求解發(fā)震斷層參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，即尋求一個(gè)平面，使所有小震震源位置到這個(gè)平面距離的平方和最小。由于確定斷層參數(shù)的小震已分別確定，采用90% 的小震所在區(qū)域?yàn)閿鄬用娴奈恢盟坪跏呛侠淼?，這樣只有10% 的小震落在斷層面外的區(qū)域。因此，將最上面的2.5%小震的底邊界作為該斷層面的上邊界，將最深部發(fā)生的2.5%的小震的上邊界作為該大震斷層面的下邊界，將地震叢集最左端的2.5% 小震的右邊界作為大震斷層面的左邊界，將地震叢集右端的2.5% 小震的左邊界作為大震斷層面的右邊界，由此可以確定大震斷層面的4個(gè)頂點(diǎn)位置?；诤侠砑俣ā卣饠鄬渝e(cuò)動(dòng)方向與局部應(yīng)力場(chǎng)在該斷層面上作用的剪切應(yīng)力方向一致，計(jì)算得到滑動(dòng)角，滑動(dòng)角對(duì)于討論地震斷層相互作用是至關(guān)重要的。

2　震源斷層的實(shí)例

2.1　1976年唐山7.8級(jí)地震

通常我們討論一條斷裂的活動(dòng)性，最直接的證據(jù)就是依據(jù)該斷裂所切割的最新地層或地貌面，而斷裂上斷點(diǎn)(斷裂所斷錯(cuò)的最高層位)的年齡代表了斷裂的最新活動(dòng)時(shí)代。因此，斷裂的上斷點(diǎn)對(duì)于判定斷裂活動(dòng)性是至關(guān)重要的。以往凡是涉及到斷裂活動(dòng)性的研究，其主要地質(zhì)證據(jù)無(wú)一例外地都是一條斷裂被某套地層所覆蓋，表明該斷裂活動(dòng)在此地層堆積之前。但是，由于第四系松散堆積對(duì)斷裂活動(dòng)可能具有吸收和隱藏作用，使得許多研究者注意到這樣一個(gè)問(wèn)題，發(fā)育在第四系較厚覆蓋區(qū)的隱伏斷裂的上斷點(diǎn)不一定就代表了斷裂的最新活動(dòng)時(shí)代[31]。有些斷裂雖未破裂到地表(全新統(tǒng)覆蓋)，但有可能是全新世活動(dòng)斷裂。對(duì)于這些斷裂如何確定其活動(dòng)時(shí)代？埋在地表以下較深部位的斷裂能否發(fā)生較大地震？1976年的唐山7.8級(jí)地震的地表破裂帶長(zhǎng)僅約8～l0 km。震區(qū)第四系覆蓋層厚度有幾百米，可能存在未破裂到地表的隱伏活動(dòng)斷裂。對(duì)于該地區(qū)的斷裂活動(dòng)性如何評(píng)價(jià)，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[32-33]。

1976年7月28日發(fā)生的唐山7.8級(jí)地震，產(chǎn)生的地表破裂帶最大右旋位錯(cuò)1.53 m，垂直位錯(cuò)0.70 m。唐山地震區(qū)位于4條具有一定規(guī)模的第四紀(jì)活動(dòng)斷裂所圍限的構(gòu)造復(fù)雜的菱形塊體內(nèi)，雖然一直以來(lái)人們對(duì)于該地震的發(fā)震構(gòu)造條件存在較大分歧，但根據(jù)地震地表破裂帶的空間分布、幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)以及地球物理探測(cè)結(jié)果等顯示，唐山斷裂帶作為該次地震的主要發(fā)震斷裂已被大多數(shù)研究者所接受。特別是近期的淺層人工地震探測(cè)結(jié)果[34]，進(jìn)一步證明了該斷裂與1976年唐山地震的密切關(guān)系。唐山斷裂帶位于菱形塊體鈍角對(duì)角線中央部位，是一條與褶皺相伴生的復(fù)雜斷裂構(gòu)造帶。唐山地震以前，在唐山地震極震區(qū)附近并未發(fā)現(xiàn)大的活動(dòng)斷裂。即使發(fā)生地震以后，地表破裂帶長(zhǎng)也不過(guò)10 km，而且僅出露于極震區(qū)。雖然淺層人工地震探測(cè)顯示唐山斷裂斷錯(cuò)第四系全新統(tǒng)—下更新統(tǒng)4個(gè)界面，甚至斷到地表，但這些探測(cè)剖面也主要集中于唐山地震約l0 km的地表破裂帶范圍附近。在該地表破裂帶以外，唐山斷裂在第四系中的位錯(cuò)并不明顯。因此，依據(jù)淺層人工地震探測(cè)得到的唐山斷裂上斷點(diǎn)，只能推斷極震區(qū)存在一條長(zhǎng)約l0 km的活動(dòng)斷裂，這與作為7.8級(jí)這樣大震的一條發(fā)震斷裂是不相符的。于是，有人發(fā)出這樣的疑問(wèn)，何以在唐山斷裂如此小的構(gòu)造上醞釀成大震。由于沒(méi)有確鑿的地質(zhì)證據(jù)，研究者們關(guān)于唐山斷裂的活動(dòng)性一直以來(lái)含糊其辭。那么，唐山斷裂是如其上斷點(diǎn)所反映的僅僅為一條長(zhǎng)約10 km的活動(dòng)斷裂呢，還是一條區(qū)域的大型活動(dòng)斷裂？

表1　唐山地震主震震源斷層參數(shù)

將震源斷層擬合方法用于唐山地震序列[30]，采用2002年4月1日至2006年5月31日發(fā)生在地震破裂區(qū)的雙差精定位地震目錄，求得了唐山地震的斷層面走向、傾角、位置及滑動(dòng)角參數(shù)如表1、圖1所示。

由于小地震分布存在不同方向而且相互銜接的2個(gè)條帶，表明唐山地震至少由2個(gè)子事件組成。我們分別擬合了兩個(gè)子事件的震源斷層，累積長(zhǎng)度達(dá)到66 km，與唐山大地震破裂尺度匹配。唐山地震的震源斷層在脆性層的深度(6.4～22.9 km)產(chǎn)生破裂。二條震源斷層的傾角較高，作右旋走向滑動(dòng)，與唐山斷裂的實(shí)際活動(dòng)一致。圖1中紅色線段為唐山斷裂帶，黃色虛線為震源斷層在地表的投影。雖然并不完全重合，但是相當(dāng)接近。

圖1　唐山斷裂和震源斷層投影

唐山城市活動(dòng)斷層探測(cè)布設(shè)了跨唐山斷裂帶的地震深反射剖面，結(jié)果如圖2所示。反射剖面揭示了唐山斷裂帶在淺部為典型的花狀構(gòu)造，在深部的上下地殼分界面和殼幔過(guò)渡帶都顯示明顯的橫向間斷和反射波能量的變化，表明唐山斷裂帶下方存在深斷裂切割和擾動(dòng)了下地殼物質(zhì)和殼幔過(guò)渡帶[34]，可以推斷唐山大地震是發(fā)生在地殼深斷裂之上。

圖2　唐山深地震反射剖面解釋圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[34]修改)

圖3　反演后的1668年級(jí)地震震源斷層在地表投影F1昌邑一大店斷裂，F(xiàn)2白芬子-浮來(lái)山斷裂，F(xiàn)3沂水-湯頭斷裂，F(xiàn)4鄌郚-葛溝斷裂

2.2　1668年郯城級(jí)地震

周翠英等[35]使用震源區(qū)的雙差精定位目錄采用震源斷層擬合方法對(duì)郯城地震的震源斷層進(jìn)行了研究，反演結(jié)果的主要參數(shù)由表2給出，擬合精度較高、誤差小。走向NNE，近于直立，錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)為右旋走滑，兼有少量逆沖。破裂深度從4 km到32 km。

表2　郯城地震震源斷層參數(shù)

圖4　泗水到連云港地殼速度剖面圖注：實(shí)心圈為本文給出的級(jí)震源、綠色線為擬合的震源斷層位置示意

圖4給出了張碧秀等的速度剖面[38]及大震震源和震源斷層的投影，在速度較高的中下地殼震源斷層兩側(cè)存在顯著的差異，并且存在斷層西部速度普遍低于東部的情況，這種速度差異處易于積累和釋放能量，屬于容易發(fā)生大震的部位。

2.3　2013年蘆山7.0級(jí)地震

圖5　蘆山地震發(fā)震構(gòu)造模型平衡剖面圖

圖6　蘆山地震震源斷層分析圖注：圖6a中黑色封閉線是Ⅹ度和Ⅸ度等震線，藍(lán)色框上震源斷層在地表的投影，藍(lán)色線為震源斷層延伸到地表的位置，可見(jiàn)它們共同控制了極震區(qū)的分布；紅色線上淺表斷層，震源斷層與其無(wú)關(guān)。圖6b是蘆山地震的矩張量解，顯示逆沖性質(zhì)，圖6c為地震模型。

蘆山地震區(qū)發(fā)育著龍門山推覆構(gòu)造帶南段大邑隱伏斷裂、雙石—大川斷裂、鹽井—五龍斷裂、耿達(dá)—隴東斷裂等活動(dòng)斷層。蘆山地震沒(méi)有形成明顯的地震地表破裂帶，僅在陡峻地形邊坡附近發(fā)育大量張性地裂縫和滑坡體[39]。分析蘆山地震及其余震的分布特征發(fā)現(xiàn)，平面分布顯示余震呈N32°E 密集條帶狀分布,長(zhǎng)約45 km，NW向?qū)捈s27 km，明顯斜切雙石—大川斷裂(圖5)，說(shuō)明蘆山地震與地表出露的雙石—大川斷裂關(guān)系不大。在橫切蘆山地震NE向余震密集帶的深度剖面上，余震有面狀分布特征，說(shuō)明蘆山地震的發(fā)震斷層為尚未出露地表的盲逆斷層。7 km 以上基本上沒(méi)有余震分布，在構(gòu)造上對(duì)應(yīng)于盲逆斷層上斷點(diǎn)以上的斷層擴(kuò)展背斜部位(圖5)，對(duì)應(yīng)于蘆山縣城與雅安城區(qū)一帶的背斜山地。因此，深度在7～9 km 的余震陡傾角條帶(F2)也有可能為斷層擴(kuò)展背斜陡傾翼變形較大的膝折帶，推測(cè)蘆山地震屬典型的盲逆斷層型地震。

根據(jù)蘆山地震序列的震源位置，擬合出一個(gè)平面，可以近似得到蘆山地震的震源斷層。我們直接使用四川省地震局根據(jù)四川省數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)波形記錄編制的地震目錄。前10 d的地震目錄最早30 min能夠記錄到3.2級(jí)，以此作為震級(jí)下限。刪除外圍(也考慮上盤)的離散地震。擬合得到的震源斷層的走向212.2°(標(biāo)準(zhǔn)差2.0°)、傾向292.2°、傾角49.1°(標(biāo)準(zhǔn)差2.8°)。震源斷層長(zhǎng)29.4 km、寬17.8 km。埋深在12.4～25.4 km之間，沒(méi)有向淺表延伸。震源斷層與龍門山構(gòu)造帶的逆沖性質(zhì)吻合，和矩張量解一致，震源斷層的走向與極震區(qū)長(zhǎng)軸相同。雖然震源斷層的頂端中止在極震區(qū)的中軸線附近，但是上盤上沖至頂部，對(duì)于延伸方向的淺部仍然造成嚴(yán)重破壞。有理由認(rèn)為，震源斷層控制了極震區(qū)。

為了適應(yīng)震后應(yīng)急救援的需求，仍然利用四川省地震局編制的目錄，分別取主震后1 h、2 h和16 h的序列震源位置，做震源斷層擬合，擬合結(jié)果精度很高，標(biāo)準(zhǔn)差為1°～8°，時(shí)間越長(zhǎng)，資料越豐富，誤差越小。走向在207°～216°之間，傾角在44°～61°之間，差別較小，且和矩張量解非常接近。可見(jiàn)，震源斷層的空間取向比較穩(wěn)定，序列早期的結(jié)果也可以限定極震區(qū)的范圍。

3　討論和結(jié)論

由于許多城市依水而居，坐落在平原或者盆地，地表多被較厚的土層覆蓋，斷層全部隱伏于其下。城市活斷層探測(cè)面對(duì)的基本上都是隱伏斷層。

通常認(rèn)為大地震常沿地表活動(dòng)斷裂發(fā)生，并往往形成長(zhǎng)達(dá)幾十到上百公里的地表破裂帶。近年來(lái)的研究表明一些地震并不受地表已知活動(dòng)斷裂的控制，也不形成相應(yīng)的地表破裂。這種類型的地震常發(fā)生在活動(dòng)褶皺和逆斷裂帶上。其特征為地震震源深部的斷裂位移向上快速衰減，在接近地表處漸趨于零，不引起或只形成很小的地表斷裂位移，地震時(shí)的地表變形以褶皺隆起為主。雖然這類地震中的個(gè)別震例可對(duì)應(yīng)已知的地表活動(dòng)斷裂，而更多的地震卻發(fā)生在年輕的褶皺構(gòu)造之下，是由位于褶皺之下深達(dá)數(shù)公里處的盲斷裂(blind thrust)位移而形成的。如1906年新疆瑪納斯8級(jí)地震可能是沿北天山主逆沖斷裂帶發(fā)生的一次典型的盲斷裂和“褶皺地震”[42]，本文提到的2013年蘆山7.0級(jí)地震也是。

當(dāng)然震源斷層方法假定大量地震均勻分布在震源斷層兩側(cè)，相當(dāng)于震源體的介質(zhì)比較均勻、各向同性，嚴(yán)格來(lái)講這種條件難以完全滿足。只要這種差異沒(méi)有嚴(yán)重影響到震源定位的精度，本文使用的方法就是可行的。而且該方法可以給出各個(gè)參數(shù)的誤差，供使用時(shí)考慮，其中滑動(dòng)角的誤差有賴于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的可靠性，但是滑動(dòng)角的意義非同小可，它給出在現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)作用下震源斷層的錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)，具有預(yù)測(cè)含義。如果存在對(duì)應(yīng)的活動(dòng)斷層，可以作出相同的判斷，使得斷層真正“活動(dòng)”起來(lái)。

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