2008年5月12日四川汶川M_S8.0地震发生在NE 向龙门山断裂带的中-北段；该地震破裂从点位31°N、103.4°E 开始，向北东沿龙门山中央断裂单侧扩展，且局部扩展到龙门山前山断裂中段，形成总长约240km 的地表破裂带^[1]，而余震带则长达近330km(图 1).由图 1 看到，龙门山断裂带的北西侧还存在若干从东昆仑断裂带东段和东端向南分岔出的次级断裂，主要有NNW 向转为近S-N 向的岷山构造带(由虎牙和岷江断裂带组成)、NWW 向转为近S-N 向的白龙江断裂(舟曲-文县之间)、以及NE 向龙日坝断裂带(松潘以西)，等等，它们与龙门山断裂带共同组成巴颜喀拉与华南块体之间的边界带，且由于位置上偏向于巴颜喀拉块体一侧，也可称为巴颜喀拉块体东边界^[2].

图 1

Fig. 1

图 1 研究区活动断裂、M≥6.0历史地震震源区、2008 年汶川地震及其Ms≥5.0余震分布（据文献[11]改编） Fig. 1 Map of the study area for active faults,sources of M≥6.0 historical earthquakes,and epicentral distributions of the 2008 Wenchuan earthquake and its Ms≥5.0 aftershocks (Moditied from Ref. [11])

巴颜喀拉块体东边界带不仅是强烈的活动构造带，也是我国南北地震构造带中段的一部分.GPS测量反映跨越该带在E-W 方向上的水平缩短速率约为4~6mm/a, 平行该带的右旋剪切变形速率约为2~6mm/a^[2]，具有发生强震与大地震的构造与动力学环境^[3].

关于2008年汶川M_S8.0地震的发震机理已经进行了大量研究^[4~12].目前获得的主要观点认为，该地震是巴颜喀拉块体朝东-南东方向的挤出运动受到华南地块阻挡、沿该块体与四川盆地(华南地块)之间的龙门山断裂带长期积累应力应变并突然释放的结果^{[1， 2， 4~9]}.因此，汶川地震前，龙门山断裂带，特别是该带的中-北段，应当经历了长期的闭锁与应力积累.易桂喜等^[13]曾通过研究震级-频度关系中参数b值的空间分布特征，指出龙门山断裂带中-北段的绵竹-茂县段与江油-平武段正处于高应力闭锁状态，属于最可能发生强震的潜在危险断裂段落，而这两个段落正好处于2008年汶川地震破裂的中心地带.因此，沿断裂带的现代地震活动性参数的空间分布与断裂带现今活动习性的分段具有很好的相关性，并可在一定程度上指示具有潜在强震、大地震危险的断裂段^[13~26].

本文利用四川区域地震台网获得的最近30多年的地震资料，对汶川M_S8.0地震之前沿龙门山-岷山构造带多个地震活动性参数的空间分布进行系统的回顾性研究.同时，利用数字地震波信息计算了震前2年多该区域M_L≥3.5地震的视应力.在此基础上分析、探讨汶川地震之前龙门山-岷山构造带，特别是龙门山断裂带活动习性的空间差异及其与汶川M_S8.0 地震破裂及主要余震(M_S≥5.0)空间分布的关系，以期从中获取对于大地震中-长期危险地点预测研究、对于解释汶川地震呈单侧破裂扩展的原因的有用结果.

本文的研究区是龙门山-岷山构造带展布区，由龙门山断裂带及其北西侧的岷山构造带(即岷江断裂带与虎牙断裂带)组成，是构成巴颜喀拉块体东边界的最主要活动构造带.

文中地震活动性参数计算所用资料来源于四川区域地震台网.为避免受到1976 年松潘-平武M_S7.2震群及其余震的影响，以及便于与已有研究结果^[13]进行对比分析，选用1977年1月至2008年5月11日期间的地震目录资料.

研究区及其附近绝大多数地震台站建于1977年之前，这使得在本研究时段内有较好的地震监测能力.图 2给出了研究区M_L≥1.0 地震的震级-频度分布，可以看出，2.0级以上地震基本满足线性关系，即研究时段内M_L≥2.0 地震的记录是完整的，因此，确定研究区的最小完整性震级M_C为M_L2.0.图 2同时也给出了震级大于和等于最小完整性震级M_C地震的震级-频度关系拟合直线，其斜率b=1.1，即为研究区在研究时段内的平均b值.图 3是研究区内M_L≥2.0地震的震中分布，图中用黑色三角形绘出了位于研究区内的地震台站分布.

图 2

Fig. 2

图 2 研究区Ml≥1.0地震的震级-频度分布 (1977-01-01 〜2008-05-11) Fig. 2 The frequency-magnitude distributions for Ml≥1.0 events of the studied area from Jan. 1, 1977 to May 11, 2008

图 3

Fig. 3

图 3 研究区 ML≥2.0 地震（1977-01-01 〜2008-05-11) 及台站分布 Fig. 3 Distribution of ML≥2.0 earthquakes in and surrounding the studied area from Jan. 1， 1977 to May 11，2008. Black triangles show positions of seismic stations.

强震与大震的孕育和发生与活动断裂带上的高应力凹凸体^[27]或闭锁断裂段关系密切^{[14， 15]}.研究表明，应力的高低与古登堡-里克特震级(M)-频度(N)关系^[28]

(1)

中的b值成反比^[29~31]，这使得我们可以利用b值的空间分布来分析和判断活动断裂带不同段落的相对应力水平，该方法已成为分析断裂现今活动习性空间差异与强震危险性的重要手段^[13~26].(1)式中a、b为回归常数，也是重要的地震活动性参数.与a、b值相关的另一个地震活动性参数是复发间隔T_r, 计算公式^[14]为

(2)

(2) 式中ΔT为使用地震资料的时段长度(年)；M_f为预测震级.

以上基于震级-频度关系的多个地震活动性参数具有不同的物理含义:a值代表地震活动率，b值表示大小地震的比例，比值a/b代表期望震级，T_r值则代表给定震级的地震的平均复发间隔(越小意味着复发的可能性越高).因此，利用多个地震活动性参数值的组合可以更合理地判断断裂带不同段落的现今活动习性与地震危险性^[25].例如，一个断裂段若具有低a值、低b值、偏高a/b值和偏小T_r 值的参数值组合，可能反映它正处于低地震活动率的高应力闭锁状态，具有发生较大地震的能力，且相应震级地震的复发时间间隔较短，从而可能是未来最可能发生强震或大震的地段.相反，具有高a值、高b值，中偏低a/b值和较大的T_r 值的参数值组合的断裂段具有蠕滑特征，现今活动习性以频繁小震滑动为主，无高应力积累，发生大震的可能性相对较小.

将研究区内沿龙门山-岷山构造带现代小震活动相对密集的地带以0.1°×0.1°间距进行网格化，挑选出以每个网格节点为圆心、半经为r的圆形统计单元内的地震目录.确定统计单元内能满足整个研究时段的最小完整性震级M_C；然后，利用最小二乘法由各单元震级M≥M_C的地震资料计算出(1)式中的a、b值与a/b值，进一步在给定预测震级M_f的基础上由(2)式计算出T_r 值.最后，将计算结果作为各单元中心点(即网格节点)a、b、a/b及T_r 等参数的计算值，并分别绘制空间分布等值线图.

为保证对(1)式进行最小二乘拟合结果的可靠性，同时兼顾台网的监测能力，计算时要求每个统计单元内的地震样本数不少于30，并要求参与拟合的有效震级分档数不低于5 档.计算中对于多数节点，统计单元的半径r值取为20km, 但对于地震分布较稀疏的局部区域，将r值适当扩大.本研究将(2)式的预测震级M_f 设定为M_S6.5.

为了分析不同样本量与不同震级下限对参数计算结果及其异常区域分布的影响，本研究以b值为例进行了测试.结果显示:当震级下限取最小完整性震级M_L2.0、统计单元内地震样本量下限分别取30和50时，获得的b值空间分布特征无明显差异，b值异常区无变化；当统计单元内地震样本量下限为30，取不同的完整性震级下限，获得的b值分布具有相似特征，异常区位置变化不大，但异常区面积略有差异.图 4 给出了以最小完整性震级M_L2.0为震级下限、统计单元内地震样本量下限为30时获得的各参数空间分布图像.

图 4

Fig. 4

图 4 2008年汶川地震前龙门山一岷山构造带的地震活动性参数分布（1977-01-01〜2008-05-11，Ml≥2.0) (a)b值，带编号的蓝色实心圆点代表表1中所列地震的震中；（b)a值；（c)a/b值；（d)Tr值. Fig. 4 Maps of seismicity parameters for Ml≥2.0 earthquakes on the Longmenshan-Minshan tectonic zones before the 2008 Wenchuan earthquake ( Jan. 1, 1977, to May 11, 2008) (a) b values, the numbered blue dots denote the epicenters of the events listed in Table 1；(b)avalues; (c) a/b values； (d) Tr values.

本文还计算了2008年汶川地震之前两年多研究区的地震视应力分布，用于辅助证明前述基于地震活动性参数计算结果的分析与推论.地震视应力σ_app是在有关震源介质的均匀弹性、地震破裂的脆性性质假定下^[32~35]，可由地震波信息获得的、与区域平均应力呈正比的物理量，其定义为^[36]:

(3)

式中，E_S 为地震波辐射能量；D代表地震断层面上的平均位移；A为断层面面积；μ 为震源区介质的剪切模量，通常取μ =3.0×10⁴ MPa^{[36， 37]}；M₀ 为地震矩.由(3)式定义的视应力通常与地震的震级相关，但并非简单的线性关系.地震视应力为区域应力水平的下限估计，因此，地震视应力越高，表明震源区的应力水平越高；反之，应力水平则低^[38~41].

为了配合地震活动性参数分析推断汶川8.0级地震之前研究区应力积累相对水平的空间分布，本研究利用四川区域数字化地震台网记录的宽频带地震波形资料，计算了2006年1月至2008年5月11日发生在龙门山-岷山构造带及附近区域M_L ≥3.5地震的视应力σ_app, 结果列于表 1.同时，将用于计算地震视应力的地震震中绘于图 4a中，编号与表 1 对应.

表 1(Table 1)

表 1 2006年1月～2008年5月11日龙门山一峨山构造带及附近区域ML>3.5地震的视应力 Table 1 Apparent stresses of ML≥3. 5 events on and near the Longmenshan-Minshan tectonic zone from Jan. 1, 2006 , to May 11, 2008

表 1 2006年1月～2008年5月11日龙门山一峨山构造带及附近区域ML>3.5地震的视应力 Table 1 Apparent stresses of ML≥3. 5 events on and near the Longmenshan-Minshan tectonic zone from Jan. 1, 2006 , to May 11, 2008

以上计算结果表明，沿龙门山-岷山构造带，多个地震活动性参数与地震视应力分布均存在显著的空间差异(图 4、表 1).

b值图像(图 4a)与易桂喜等^[13]在2008年汶川地震前发表的结果一致，即清楚显示沿龙门山-岷山构造带b值具有明显的分段特征，反映应力积累水平存在显著的空间差异，从而反映出强震危险性的分段差异.其中，龙门山断裂带中段和北东段分别在绵竹-茂县之间与江油-平武之间出现较大面积的、显著低于区域平均b值(1.1)的低b值区，且各有一处b＜0.7的异常低b值部位(绵竹与北川之间和平武以南)，反映汶川8.0级地震之前这两个断裂段已具有高应力积累.表 1的结果也反映汶川地震之前1年多平武境内的龙门山断裂带北东段具有较高的地震视应力水平.这两个断裂段还同时具有整个龙门山断裂带最低的地震活动率a值(图 4b)、相对较高的期望震级a/b值(图 4c)以及相对较短的复发间隔T_r 值(图 4d).这4个参数值的组合(异常低b值、低a值、相对较高的a/b以及相对短的T_r 值)反映在汶川地震之前这两个断裂段正处于高应力闭锁状态，且相对于其他段落发生强震的可能性较高.另外，这两个断裂段也是汶川M_S8.0主震后5级以上强余震频繁发生的地段(图 1)，这在一定程度上反映汶川地震的强余震分布可能与主震前断裂带上的高应力部位有关.

位于以上两段(绵竹-茂县段与江油-平武段)之间的龙门山断裂带北川及其北东约35km 长的断裂段，b值高于研究区的平均b值(图 4a)，其a值为中等水平(图 4b)，期望震级a/b值明显低于相邻段落(图 4c)，且平均复发间隔T_r 值异常长(图 4d).这种参数值组合反映此断裂段在2008 年汶川主震之前属于高应力背景下的应力积累水平明显偏低部位，伴有中等频度的小震活动，可能是位于相邻两个闭锁断裂段(绵竹-茂县段与江油-平武段)之间的非闭锁断裂段.我们注意到，这一断裂段也是2008年汶川M_S8.0地震的余震带中余震活动水平(频度与强度)最低的段落，没有发生过M_S≥5.0 的余震(图 1).因此，M_S≥5.0 余震空段的存在再次反映汶川地震的强余震分布可能与主震前断裂带上的高应力部位相关.

龙门山断裂带南西段的b值呈现为中等略偏低(图 4a)，略低于区域平均值(1.1)，反映该断裂段在2008年汶川地震前的应力积累水平明显低于前述的绵竹-茂县段与江油-平武段，与易桂喜等^[13]在2006年得到的结果一致(这一结果^[13]在2008 年5月汶川主震后，曾经作为判断龙门山断裂带南西段短期内不会发生大地震的主要依据之一.至今，该断裂段一直没有发生M_S≥5.0的地震).表 1的结果反映，汶川地震之前龙门山断裂带南西段的地震视应力水平明显低于该断裂带北段，支持基于b值的分析.因此，至少直到2008 年汶川地震之前，龙门山断裂带南西段尚不具备发生强震、大地震的地震活动性参数值组合特征.然而，应注意到该断裂段位于宝兴-大邑之间的部分已显示出相对较低的地震活动率a值(图 4b)和较高的期望震级a/b值(图 4c)；尽管该断裂部分尚未出现异常低b值，但明显低于区域平均值的b值以及2006年9 月2 日M_L3.5地震偏高的视应力(表 1)，表明那里在2008年汶川地震之前的应力积累水平要高于龙门山断裂带南西段的其余部分.因此，应注意龙门山断裂带南西段宝兴-大邑之间的断裂部分可能存在发生中-强地震的危险性.

岷山构造带中，松潘以北的岷江断裂带北段存在局部偏低的a、b值区，但那里的期望震级a/b值未偏高，复发间隔T_r 值偏大(图 4)，且2006年4月11日M_L3.6地震的视应力偏低(表 1).因此，至少至2008年5月11日，岷江断裂带北段中-长期尺度的大地震危险性仍然不明显.松潘以南的岷江断裂带南段发生过1933年茂县叠溪M_S7.5地震(图 1)，该大地震的震源区及其附近区域在2008 年汶川地震之前表现为异常高b值(>1.3)以及高地震活动率a值，同时具有较低的期望震级a/b值以及较长的复发间隔T_r 值(图 4)；这种地震活动性参数值的组合显示，尽管1933 年大地震破裂已经过去数十年，但直到2008年汶川地震之前，那里的断层面仍处于松弛状态，应力积累水平低，并以较频繁小震活动为特征(图 2).该区内2006年12月18日M_L3.5地震的视应力也很低(表 1)，支持我们基于地震活动性参数值组合所作的判断.2008年5月汶川地震以来，这里的地震活动性似乎并无显著的改变.因此，1933年茂县叠溪M_S7.5地震的原震区尚不存在复发强震的危险性.

岷山构造带中的虎牙断裂带发生过1976 年松潘-平武M_S7.2震群(图 1)，那里在2008年5月汶川地震之前具有较高的期望震级a/b值(图 4c)，可能是大震破裂后不久、仍具有偏高的地震活动率a值(图 4b)引起的，但那里接近区域平均值的b值(图 4a)以及频繁的小震(伴有频度不高的M_L4.0~4.9地震)活动特征，反映应力积累水平不高.那里2007年4月27日M_L4.3和2007年7月20日M_L3.6地震的视应力均较低，也支持基于地震活动性参数值组合的分析.因此，虎牙断裂带也暂不具备复发强震的危险性.

沿龙门山断裂带的中-北段，2008 年汶川地震主要余震(M_S≥5.0)的分布具有明显的空间非均匀特征(图 1)，8次M_S=6.0~6.4的强余震中有3次发生在主震破裂的南段，另外5次全部发生在江油、平武及其以东的主震破裂的北东段上，因而在主震破裂中段存在一个长约110km 的6 级余震空段，而且，在该6级余震空段的北东段(北川及其北东)还存在一个明显的5级余震空段.

已有一些研究涉及到汶川地震余震空间分布非均匀性及可能的原因问题.吴建平等^[42]结合P 波速度结构反演结果分析，认为龙门山断裂带地壳局部高速异常体对汶川余震的分布具有明显的控制作用，但并未解释强余震分布的空间差异.其他的研究显示，沿龙门山断裂带的速度结构和断裂几何结构均存在显著的空间差异^[43~47]，其中，断裂带的南西段处于低速区，而中-北段位于高速区^[44~47]，反映中-北段介质强度明显高于南西段，而高速坚硬岩体的发育更有利于应变能的积累与集中释放^{[44， 47]}.因此，龙门山构造带南西段与中北段介质物性的巨大差异以及与此有关的应力积累水平的差异可能在2008年汶川地震的孕育与控制破裂扩展的过程中起着重要的作用^[44].

沿龙门山断裂带展布的彭灌杂岩向东并没有延伸至北川及其以东^{[48， 49]}，且汶川地震地表破裂带的北川段出露古生代页岩和中生代煤系地层等软弱岩层^{[50， 51]}，说明龙门山构造带中-北段上地壳浅部的介质物性同样存在较大的空间差异.王卫民等^[52]在对汶川地震震源过程进行反演时发现，破裂滑动在向北东方向扩展过程中在北川附近出现了2~4s的“停滞"，说明北川段软弱岩层的存在可能是导致破裂滑动出现短暂停滞的原因，且软弱岩性的发育不利于积累高应力，因此，2008 年汶川主震后在北川及其北东侧出现一个缺少M_S≥5.0 余震的断裂段(图 1)，可能与该段在汶川主震前应力积累水平不高有关，而本文研究从地震活动性参数值组合特征印证了在汶川主震前该段属于高应力背景下的局部应力积累水平偏低的部位.

尽管位于105°E 以东的龙门山断裂带北东段因现代小震稀疏，无法通过b值等参数计算来判断其相对的应力积累水平，然而，郭!良等^[53]根据钻孔水压致裂原地应力测量，发现汶川地震之前龙门山断裂带北东段青川一带的主断层段上盘最大水平主应力值为21~22 MPa, 远高于下盘，上下盘应力差达到8~10 MPa.另外，自1970年有区域地震台网监测以来至汶川地震之前的30多年间，龙门山断裂带北东段M_L≥2.0地震稀少，这种少震现象也可能标示了该断裂段在汶川主震前一直处于较高应力下的闭锁状态.2008年汶川主震后，105°E 以东的龙门山断裂带北东段是整个余震区余震活动最强烈的地段，包括2008年5 月25 日发生在该段的M_S6.4最大余震.因此，似乎可以推测:由地震活动性参数分布判定的、汶川主震前龙门山断裂带江油-平武段的高应力区，实际已经扩展到了青川一带.因此，2008年汶川主震后以青川为中心的龙门山断裂带北东段成为M_S≥5.0 余震频繁发生的断裂段(图 1)，可能与该断裂段存在高或较高的应力积累背景有关.

包括汶川地震初始破裂点在内的、汶川以西的龙门山断裂带中央断裂余震区、南西段也是汶川地震强余震频发的地段(图 1).然而，尽管该余震频发地段位于彭灌杂岩分布区南端，具备积累高应力的岩性条件，同时也属于历史强震空段(图 1)，但本文获得的b值图像(图 4a)与地震视应力计算结果(表 1)均揭示在汶川M_S8.0 地震之前，主震震中(初始破裂点)附近断层面的应力水平不高.因此，2008年汶川主震的破裂很可能起始于应力积累并不高的断裂部位.

本研究系统分析了2008年汶川M_S8.0地震之前沿龙门山-岷山构造带的多个地震活动性参数以及该地震之前2年多M_L≥3.5 地震视应力的空间分布，获得的主要结果和认识如下:

(1) 2008年汶川地震之前，研究区的地震活动性参数与地震视应力均存在显著的空间差异.其中，龙门山断裂带中-北段的绵竹-茂县段与江油-平武段具有异常低的b值、低a值、相对较高a/b值以及较短复发间隔T_r 值的参数值组合，地震视应力较高，反映这两个断裂段在汶川地震之前业已处于高应力闭锁状态，且发生M_S≥6.5地震的概率明显高于其他段落；这两个段落也是汶川主震破裂的中心部分和严重地面破坏的地段.

(2) 2008 年汶川地震之前，位于绵竹-茂县段与江油-平武段之间的龙门山断裂带北川及其北东段具有较高b值与a值、较低a/b值的参数值组合，显示应力积累水平不高，这或许是这里在汶川主震后余震强度较低(缺少M_S≥5.0 余震)的重要原因之一.

(3) 地震活动性参数与地震视应力反映龙门山断裂带南西段在2008 年汶川地震前的应力积累水平明显低于该断裂带中-北段(绵竹-茂县段与江油-平武段)，但其中的宝兴-大邑部分的应力积累水平相对偏高，应注意可能存在发生中-强地震的危险性.

(4) 地震活动性参数值组合与地震视应力反映，沿龙门山断裂带应力积累水平的空间非均匀性与2008年汶川M_S8.0地震的强余震分布及主震破裂的北东向单侧扩展之间，可能存在密切联系.

在成文过程中得到朱传镇、吴忠良研究员的大力支持与帮助，并受益于两位审稿人具有建设性的修改建议，在此一并表示衷心感谢!