2008年汶川地震和1999年集集地震都给人类社会带来了巨大灾难.已有的研究表明，汶川地震和集集地震具有类似的区域构造环境和发震断层类型^{[1, 2]}.1999年9月21日集集地震(M_W7.6)是台湾板内新生代挤压造山带百年来规模最大的地震，在车笼铺断层上形成的地震地表破裂长度约100km, 最大垂直位移约8m, 为少见的逆断层型地震；地震地表破裂带和震源机制显示其发震断层为大致平行于山麓带近南北走向的低角度逆断层^{[2, 3]}.2008 年5月12日汶川地震(M_W7.9)是四川有史以来规模最大的地震，发生在青藏高原东南缘巴颜喀拉与华南两大地块间强烈挤压环境下强烈隆升的龙门山麓带，同时使龙门山推覆构造带北川-映秀断裂和灌县-江油断裂产生地表破裂，其中北川-映秀断裂上地表破裂带长度达240km, 最大垂直位移6.5m, 最大右旋位移4.9 m；灌县-江油断裂上地表破裂带长约72km, 最大垂直位移3.5m^[4]，亦为全球罕见的逆断层型地震特例；地震地表破裂类型和组合特征等显示其地震断层近地表为70°±10°的高角度逆冲断层，地震破裂过程反演得到的震源起始破裂面(震源断层)属走向北东、兼有右旋走滑分量的低角度逆断层^[5].

由于上述2 次逆断层型地震的特殊性和重要性，针对2次逆断层型地震地表破裂类型、同震位移分布特征、断层几何结构、震源破裂过程、深部构造背景、近断层强地面运动纪录、地震应力降大小、地面建筑物破坏特征、地质灾害效应等已作过大量研究^[1~8]，但鲜见涉及地震发生的征兆讨论.汶川地震所在的南北地震带是我国地震前兆观测台网最为密集的地区，共有包括形变、电磁、流体等学科在内的688个测项，汶川地震前有“异常"变化的测项共72项，比例为10.5%；距离震中300km 范围内共有19项“异常"变化，仅占2.8%^[9]；而罗兰格等^[10]归纳距离震中100km 范围内中国大陆西南地区7级以上地震“前兆"异常占78%、距离震中100~200km 范围内占69%、距离震中200~500 km 范围内占39%，可见汶川地震“前兆"异常比例大大低于以往经验.另外，汶川地震前有逆断层型震源机制解增加现象^[11]；集集地震前b值存在异常变化过程^[12]，这些研究应该说是具有地震前兆意义的探索，但迄今为止还没有对两次地震发生前构造应力场是否存在类似的转换样式作过专门研究.

巨大地震孕震过程中不同阶段的震源机制解在一定程度上反映了孕震过程中构造应力场随时间的变化，是震源深处介质与结构和其物理-力学属性变异的脉搏^[13]，也是寻找地震前兆进行地震预告的一条重要途径.本文通过对汶川地震和集集地震前不同时段震源机制解分析，讨论挤压构造环境下逆断层型地震孕震过程中构造应力场的变化规律及其可能的前兆指示意义，可为科学地预测未来逆断层型地震发生时间和地点提供能够借鉴的依据，对最大限度地减少地震造成的经济损失，保障社会的稳定与可持续发展也具有十分重要的现实意义.

地震释放的能量是由推动断层运动的动态应力引起的，构造应力场是导致构造运动，或由于构造运动而产生的地应力场，大地震必然受到构造应力场的制约.目前，震源机制是研究构造应力场的基本资料.单次地震得出T，B，P轴方向只与该地震释放应力有关，而不能当作地下震源实际运动的构造应力方向.或者说，双力偶点源模型的T，B，P轴不等于构造应力场的3个主应力轴.而由多个地震的P，B，T轴数据可以反映在一定条件下(如断层面的取向有随机性，地震散布于全区等)某区构造应力场的最大、中等和最小主压应力方向^[14].在全球范围内，美国哈佛大学的CMT(矩心矩张量)解给出的最佳双力偶解是应用最为普遍的数据.台湾中央气象局实时传输台网在岛内密集而且比较均匀地布设了700个强震台站，M_L4 级以上地震足可以被大多数台站清晰记录，能够得到可信的P 波初动震源机制解.汶川地震震源区附近波形资料来源于四川数字地震台网和震中附近的紫坪铺水库数字地震台网，震源机制解采用垂直向记录的P、S 波振幅比资料测定^[15].构造应力场由格点尝试法求出平均解的压应力轴P、张应力轴T和中等应力轴B，分别作为应力场的最大主压应力轴σ₁、中等主压应力轴σ₂ 和最小主压应力轴σ₃^{[14, 16]}.

考虑构造因素，去除菲律宾海板块与欧亚板块相互作用地带的地震，按照集集地震地表破裂带向外围扩展200km, 仅收集自1977 年以来台湾纵谷断裂带以西的25个CMT(矩心矩张量)解(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/sopar/)，用来反演台湾内陆中西部的构造应力场.震前全部 CMT 解投影结果见图 1，左上角黑色较大投影绘出的是平均解和主震CMT 解(文字标注).其中，最大主压应力轴σ₁ 接近水平，中等主压应力轴σ₂ 近于水平，最小主压应力轴σ₃ 近于直立.呈现典型的挤压应力状态.与每年以8cm 的速度向西北方向推进的菲律宾海板块的俯冲作用方式相符^[17].1999年9月21日集集主震的CMT 解也符合震前其他地震的CMT 解反演的构造应力场作用方式.

图 1

Fig. 1

图 1 1977~1999年集集地震前的CMT 解投影，左上是平均解的投影，左下是主震CMT 解 Fig. 1 Focal mechanisms of earthquakes occurredduring 1977~1999 before the Chi-Chr earthquake.The focal mechanism rn the upper left corner is the average solution； the one rn the lower left is the solution of the main shock.

为了分析集集地震前破裂带附近构造应力场的变化信息，取台湾气象局1991年3月29日~1999年9月20日(M_L≥4)震源区附近P 波初动震源机制解，得到M_L4.0~5.7的82个解^[12](见图 2).同样由格点尝试法求出平均解(图 2 左上).由大震前震源区小范围震源机制求得平均解类型为走滑类型.节面倾角呈直立，表明局部应力场以水平向的压应力和张应力作用为主，与主震的逆冲破裂方式不同.由不同时间、空间范围与震级下限的震源机制解反演构造应力场，能够得到两种不同尺度的应力场，这两种应力场中的最大压应力主轴相同，方位NWW，低倾俯角.

图 2

Fig. 2

图 2 台湾中央气象局1991-03-29~1999-09-04 (ML≥4) P波初动解和平均解(左上) Fig. 2 Focal mechanism solutions determined using P-waves first motion method of earthquakes occurred during 1991-03-29~1999-09-04 (ML>4) and the average solution of them (upper left)

同样以哈佛大学的CMT 解为基本资料，按照汶川地震地表破裂带各向外围扩展400km, 仅取青藏块体东部的地震，自1977 年以来至汶川地震前71个CMT 解反演构造应力场.震前CMT 解投影结果见图 3，中部黑色图绘出的是平均解投影(文字标注).其中，最大主压应力轴σ₁ 接近水平，方位 NWW；中等主压应力轴σ₂ 近于直立；最小压应力主轴σ₃ 接近水平，方位NNE.呈现典型的走滑应力状态，与青藏高原向南东东滑移的作用方式相符^[18].图 3 右下是2008 年5 月12 日大震逆断层类型的 CMT 解，与震前其他地震的CMT 解反演的构造应力场不同，与NWW 向近水平的压应力轴一致.

图 3

Fig. 3

图 3 汶川震前附近CMT 及其平均解(偏左上)和汶川地震主震CMT 解(偏右下) Fig. 3 CMT solutions of earthquakes occurred before the Wenchuan earthquake near the source region and the average solution of them (upper left) and the CMT solution of mainshock (lower right)

取龙门山推覆构造带附近的57个中小地震的震源机制解，这些中小地震发生在2004 年至2008年汶川大震前破裂带附近^{[11, 19]}.求出的小范围震源机制平均解为走滑类型(图 4)，节面呈直立状态，表明局部应力场以水平向的压应力和张应力作用为主.可见在汶川地区，不同时间范围与震级下限得到的应力场虽然都是走滑类型，但应力场的应力主轴方向一致.

图 4

Fig. 4

图 4 龙门山2004~2008年4月57个小震震源机制解和平均解(中部黑色) Fig. 4 Focal mechanism solutions of 57 earthquakes occurred in Longmenshan fault zone during 2004~2008.4，the black one in the center is the average solution

震源机制可以划分为正断层、逆断层和走滑断层3种基本类型，以及正断层与走滑断层或者逆断层与走滑断层的复合类型.3种基本类型中，正断层对应于拉张应力作用、逆断层对应于挤压应力作用、走滑断层对应于水平剪切应力作用.因此，震源机制类型的转换可以理解为构造应力场的改变.

由震源机制的P、T、B3 个应力轴的倾俯角 plug的最大值，判断震源机制破裂类型的归属.如P_plug最大，即P轴直立或者接近直立，则认为属于正断层破裂类型；如T_plug最大，即T轴直立或者接近直立，则认为属于逆断层破裂类型；如B_plug最大，则认为属于走滑断层破裂类型.按逆断层、走滑断层、正断层分类，取汶川地震和集集地震震源区附近地震的震源机制作时序图(图 5a、b)，可见走滑断层破裂类型居多，由此反演的区域应力场必然属于走滑类型，但大震前存在与主震破裂类型相同的优势时间段，同时段正断层型地震没有出现，图 5中由黑色框标出异常的时间段.这可能是一种震源机制类型向主震破裂类型转化的征兆，集集地震和汶川地震2个序列都出现相同的现象.由图 5a可见，与汶川主震破裂类型基本一致的地震集中发生的时间自2008年2月12 日开始至震前.由图 5b 可见，与集集主震基本一致的地震集中出现在1997年11月12日至震前，1999年7月发生的逆断层地震最多，达5次.

图 5

Fig. 5

图 5 (a)汶川地震前震源机制类型随时间分布(箭头标示主震)；(b)集集震前震源机制类型随时间分布(箭头标示主震) Fig. 5 (a) Focal mechanism solutions type-time series before the Wenchuan earthquake (arrow indicate mainshock)；(b) Focal mechanism solutions type-time series before the Chi-Chi earthquake (arrow indicate mainshock)

采用格点尝试法求取异常时间段(图 5 黑色框标出的时段)震源机制的平均解反演震前的应力场(图 6)，可见局部应力场的最小压应力主轴从近水平变化成直立，由水平剪切的状态转为挤压，主震的震源机制与此相符.

图 6

Fig. 6

图 6 与汶川主震机制解(b)基本一致时段的平均解(a)、与集集主震机制解(d)基本一致时段的平均解(c) Fig. 6 Tectonic stress field transformation before mainshock(a) CMT solution of the Wenchuan mainshock； (b) The average solution before Wenchuan mainshock；(c) CMT solution of the Chi-chi mainshock； (d) The average solution before Chi-chi mainshock.

选取不同区域的震源机制能够反演不同尺度的应力场，它们的构造含义是什么?震源机制解具有不同的类型，它们所显示的应力强度是否存在差异?在不同时间段震源机制类型乃至应力场的转换是不是与大地震的孕育、发生有关?等等，对这些相互联系的问题需要展开详细讨论.

地球岩石圈存在不同尺度的应力场.Zoback等^[20]将与全球板块运动有关的大尺度变化的应力场称为一级应力场，并且发现板块内部的最大主压应力方向多数与由全球板块运动模型推断的板块绝对运动速度方向一致.许忠淮^[21]分析的东亚应力场总体特征代表了东亚地区的一级应力场.形成该应力场的最重要的因素是印度板块与欧亚板块的碰撞，由此导致了青藏高原的隆起，但东南部应力方向显著转向特征则明显地与该地区板块绝对运动速度方向不一致.

针对汶川、集集地震，我们以决定构造块体运动的应力场作为构造应力场，如青藏和华南构造块体；取制约断裂活动(如龙门山推覆构造带和车龙埔断裂带)的应力场作为局部应力场.以汶川、集集地震为中心，取较大范围的CMT 解反演得到的应力场作为决定构造运动的构造应力场，与东亚应力图给出的结果一致，并且主震也符合构造应力场的作用方式，表明巨大地震的能量来源于大范围的区域应力积累和作用.短时间、小范围的中小地震则受局部应力场的影响，地震具有一定随机发生的性质，由它们得到的应力场应当属于局部应力场.构造应力场方向应当比较稳定，局部应力场则会发生变化.当然2次主震的挤压构造背景不同:集集地震相对单一，主震与构造应力场类型一致；而汶川地震比较复杂，青藏高原内部和周边的震源机制类型存在差异，内部以走滑和正断层为主，逆断层类型集中在高原边缘附近.汶川地震前中强地震的多年平静期间，主要由块体内部地震资料反演的应力场为走滑类型.汶川地震恰好处于青藏块体的边缘与华南地块挤压作用带上，况且当地的NE 方向龙门山推覆构造带受 NWW 向水平压应力作用，也应发生逆冲兼具右旋走滑错动的地震.主震由多个子事件组成，分别是逆冲或者走滑类型^[22].

李延兴等^[23]分析震前的GPS 速度场发现，震中区的主压应变轴为N105.4°E，与主震的压应力轴方向相同.郑秀芬等^[24]分析了集集地震余震区的剪切波分裂参数随时间的变化，所给出的快剪切波偏振方向大致近东西向，与根据台湾区域GPS观测网的地面形变测量结果得到的该区最大主压应力场方向一致，表明该区的各向异性受构造应力场控制，构造应力场可以由多种资料相互验证.局部应力场的转换表明发震断层在震前出现了变化.

如果能够了解断裂系统的应力强度，则有利于地震预测.应力场由σ₁、σ₂ 和σ₃ 表示最大、中等和最小主压应力.在脆性的地壳上层，由于存在自由地表，必然有一个主应力垂直于地表和两个水平的主应力.将垂直于地表的主应力记为σ_v, 最大和最小水平主应力分别记为σ_H 和σ_h.假定σ_v 分别与σ₁、σ₂、σ₃相等时，可区分出3种不同的应力状态类型，即:

σ_v=σ₁，σ_v>σ_H>σ_h, 最大主压应力轴直立，易发生正断层的应力状态.

σ_v=σ₂，σ_H >σ_v>σ_h, 中等主压应力轴直立，易发生走滑断层的应力状态.

σ_v=σ₃，σ_H >σ_h>σ_v, 最小主压应力轴直立，易发生逆断层的应力状态.

周永胜等^[25]分析汶川地震区的流变结构与发震高角度逆断层滑动的力学条件之后，认为逆断层比正断层和走滑断层具有更高的强度，在相同摩擦系数、流体压力、温度等条件下，一个倾角30°的逆断层滑动所需的剪应力比正断层高约4 倍，比走滑断层高约2倍.随着断层倾角增加，逆断层滑动所需的应力逐渐增大.在巨大地震之前，以往随机发生的中小地震也受到构造应力场的控制.在低应力水平可以发生的正断层型地震不复存在，高应力水平条件下才发生的逆断层型地震集中出现，也反映出局部应力场的应力强度已经达到相当高的水平.当然还需要考虑构造应力类型与构造环境是否匹配，如果先存断层面与构造应力场的作用相符，那么更容易发生相应的地震.即便先存断层面与构造应力场的作用方式有所差异，它的错动有时也比新破裂来得容易一些.

汶川地震和集集地震前均出现局部应力场转换现象，并且这种转换出现在震中附近地区且集中在主震前的几个月，可以认为这很可能是强震孕育到临界破裂过程的征兆.

表 1给出不同时间、空间范围的各个震源机制解的P、T轴与平均解矛盾的比例.存在与应力场矛盾的震源机制也说明数据有一定的不确定性.我们关心的是总体和平均的情况，并没有逐一分析单个震源机制的特征，在统计意义上考虑问题应当可行.总体上集集地震的平均解一致性好于汶川地震(即矛盾比低)，应当是汶川地震比集集地震复杂的显示.汶川地震前平均解的各个震源机制解的P、T轴与平均解矛盾的比例明显低值，集集地震附近的各个震源机制解的P、T轴与平均解矛盾的比例也呈低值，清晰显示震前的应力状态.

表 1(Table 1)

表 1 各个平均解矛盾轴占的比例(%) Table 1 The proportion of conflict-axis in each average solution (%)

表 1 各个平均解矛盾轴占的比例(%) Table 1 The proportion of conflict-axis in each average solution (%)

将两次大震前不同时间空间尺度确定的应力场和主震CMT 解一并绘于图 7，更容易比较它们的异同和变化.通过分析汶川各个平均解可见，代表青藏构造块体东部的构造应力场(图 7a)与代表龙门山断裂带的局部应力场(图 7b)的应力主轴基本一致，震前局部应力场改变为挤压状态(图 7c)，而主震 CMT 解与其相同(图 7d).类似地，我们通过分析集集地震各个平均解，也可见台湾岛中西部的构造应力场呈挤压状态(图 7e)，而车龙埔断裂带的局部应力场则呈水平剪切状态(图 7f)，而主震前局部应力场又转化成挤压状态(图 7g)，主震CMT 解(图 7h)与此吻合，证实两次大地震受大尺度的构造应力场作用控制.

图 7

Fig. 7

图 7 各个平均解及所使用震源机制的应力轴投影 汶川:(a)大范围CMT；(b)局部中小地震解；(c)局部震前解；(d)主震CMT.集集:(e)大范围CMT；(f)局部中小地震解；(g)局部震前解；(h)主震CMT. Fig. 7 The average solution and stress axis projection of focal mechanism used in this paper Wenchuan earthquake: (a) CMT solution in the large scale； (b) Focal mechanism of small and moderate earthquake in local scale； (c) Focal mechanism of small and moderate earthquake before mainshock in local scale； (d) The CMT solution of mianshock.Chi-chi earthquake: (e) CMT solution in the large scale； (f) Focal mechanism of small and moderate earthquake in local scale； (g) Focal mechanism of small and moderate earthquake before mainshock in local scale； (h) The CMT solution of mianshock.

地震释放的能量是由推动断层运动的动态应力引起，因此可以用震源机制研究构造应力场.由震源机制解反演得到代表构造块体运动的大尺度应力场方向稳定.代表发震断层附近的局部应力场既能够与大尺度的构造应力场相同，也会伴随大震孕育产生变化.通过分析汶川和集集两次大震之前震源机制类型乃至构造应力场的差异，发现存在这种变化.

汶川和集集震区附近在震前的震源机制以走滑类型居多，由此反演的区域应力场必然属于水平剪切作用，但大震前几个月转变为与主震相同的逆断层类型优势时间段，同时段正断层型地震没有出现，这可能是一种震源机制类型向主震转化的征兆，汶川、集集两个序列重复出现相同的现象.

应力状态的3 种类型---正断层应力类型、走滑断层应力类型和逆断层应力类型，分别对应低、中、高应力强度.汶川和集集大地震之前，随机发生的中小地震受到应力场的控制，在低应力水平可以发生的正断层型地震不复存在，高应力水平条件下才发生的逆冲地震集中出现.

本文取得的实例勾画出可能的前兆图像，由于可用的基础资料有限，并且震源机制解也有一定的不确定性，如果应用于地震预测，还需要积累更多的例子，在更大的范围进行普适性验证.

匿名审稿专家提出的中肯意见促使作者更加全面地思考，从而提高了本文的质量，在此表示感谢.