地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (12): 4037-4047   PDF    
近场全波形反演:芦山7.0级地震及余震矩张量解
林向东1,2 , 葛洪魁3 , 徐平2 , DouglasDreger4 , 苏金蓉5 , 王宝善1 , 武敏捷2     
1. 中国地震局地震观测与地球物理成像重点实验室(中国地震局地球物理研究所), 北京 100081;
2. 北京市地震局, 北京 100080;
3. 中国石油大学(北京)非常规天然气研究院, 北京 102249;
4. 美国加州大学伯克利分校地震实验室 94720-4760;
5. 四川省地震局, 成都 610041
摘要: 2013年4月20日四川芦山发生了7.0级地震.该地震是自2008年汶川8.0级地震以来发生在龙门山断裂带上的最强地震,截至5月5日,四川省数字遥测台网记录到了52个(ML≥4.0)余震.我们搜集了信噪比相对较高的宽频带数据,根据已有的三个分别适合于四川盆地和龙门山断裂东南地区、西南山区、西北山区速度模型,利用TDMT_INVC方法计算矩张量,获得了芦山主震及其16个余震的高质量矩张量解;根据P轴、B轴和T轴的倾角对主震及余震的断层类型进行了分类,结果表明:芦山地震的震级为Mw6.46(矩震级),地震矩为0.61×1019 Nm,震源深度为13 km,震源机制类型为逆断层.芦山余震类型简单,主要为逆冲型;芦山地震序列震中分布于龙门山断裂带西南端的彭县-灌县断裂上,本研究获得的主震和余震的震源机制主要为逆冲型,这表明了龙门山断裂西南端主要为逆冲特征.芦山地震震源性质与汶川地震相近,发震间隔时间短,且均发生于同一构造单元内,表明了该地震与汶川地震可能有密切关系.
关键词: 芦山地震      余震      矩张量      龙门山断裂     
Near field full waveform inversion:Lushan magnitude 7.0 earthquake and its aftershock moment tensor
LIN Xiang-Dong1,2, GE Hong-Kui3, XU Ping2, Douglas Dreger4, SU Jin-Rong5, WANG Bao-Shan1, WU Min-Jie2     
1. Key Laboratory of Seismic Observation and Geophysical Imaging, Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China;
2. Earthquake Administration of Beijing Municipality, Beijing 100080, China;
3. Unconventional Natural Gas Institute, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
4. Berkeley Seismological Laboratory, University of California, Berkeley, 94720-4760, USA;
5. Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China
Abstract: On April 20, 2013, the Lushan magnitude 7.0 earthquake occurred in Sichuan, China. It is the largest earthquake occurred on the Longmen Shan fault since 2008 Wenchuan 8.0 earthquake. Following the mainshock to date May 5, 52 (ML≥4.0) aftershocks were recorded by the Sichuan Seismic Network. Based on the previous velocity model results respectively for the Sichuan basin and southeast area, southwest mountain area and northwest mountain area, we analyzed the broadband waveforms for mainshock and aftershock with sufficient signal-to-noise levels to invert for seismic moment tensors. We finally obtained Lushan mainshock and its 16 aftershock moment tensors with the TDMT_INVC method. We sorted the moment tensors based on the plunge of P, B, and T axes. The results show that: the Lushan earthquake's magnitude is Mw6.5, Mo is 0.638×1019 Nm, depth is 13 km, and focal mechanism is reverse. The type of the aftershocks is simple and mainly as reverse. The Lushan earthquake sequence distributed at the Penxian-Guanxian fault on southwest end of Longmen Shan fault and the focal mechanisms studied in this study mainly as reverse. This phenomenon indicate that the southwest end of Longmen Shan fault mainly as thrust feature. The similar source feature, short occurrence time interval, and located in the same tectonic structure of the Lushan and Wenchuan earthquake, may suggest they have close relationship with each other..
Key words: Lushan earthquake      Aftershock      Moment tensor      Longmen Shan fault     
1 引言

自2008年汶川发生8.0地震以来,龙门山断裂带上发生了数百个大于ML4.0级的余震,但是位于断裂的东北端以及西南端附近,很少有较大地震的发生.2013年4月20日,在雅安芦山再次发生了7.0级强震,该地震恰好位于龙门山断裂带西南端的彭县-灌县断裂上.主震发生后,截至5月5日,四川省数字遥测台网记录到了52个(ML≥4.0)余震.为了研究清楚该地震的孕震机制,以及与汶川地震的关系,对该地震及余震的矩张量研究具有重要意义.国内外多家机构和研究小组快速反演了主震的震源机制解及破裂过程,如中国地震局地震预测研究所(http://www.seis.ac.cn/manage/html/8a9080a125b29b1b0125b2a3093a0002/content/13_04/27/1367035859616.html);刘超等和韩立波等(http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/266824.shtml);刘杰等[1];王卫民等[2];GCMT(http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html);张勇等[3];郑勇等(http://www.whigg.ac.cn/.);曾祥方等[4];吕坚等[5];杜方等[6].这些研究结果为认识芦山地震的孕震机制提供了重要的信息,但是目前还没有人利用近场的宽频带资料对芦山主震及余震的矩张量进行研究,充分利用近场地震波形资料,对主震和余震的震源参数进行综合研究将有利于更好地揭示芦山地震的孕震机制及应力场细节信息.本文将利用TDMT_INVC全波形反演方法[7-8],重点研究雅安芦山主震及余震的地震矩张量,揭示发震断层的性质及构造意义.

2 数据、方法及速度模型 2.1 数据

本文搜集了四川省台网记录到雅安芦山7.0级主震及(ML≥4.0)余震的信噪比较高的波形数据[9].在波形反演中主要用到34个四川省台网的宽频带台站(图 1).在数据处理上,我们去除了仪器响应和随时间的趋势变化,并将波形积分为位移,旋转到径向、切向和垂直向.在进行矩张量反演之前,利用Butterworth频带为0.02~0.05 Hz带通非因果滤波器对数据进行滤波.这个滤波器能够给出相当稳定的长周期波形,并且已经证明了在震源反演中能产出高质量的结果[10-11].为了保证结果的可靠性,每次反演至少使用3个台站的波形数据.

图 1 地震台站、速度剖面和断裂分布 白色三角的台站反演中使用P1模型;棕色三角的台站使用RS模型;绿色三角的台站使用RN2模型.黑色线为断裂:f1茂县-汶川断裂;f2北川-映秀断裂;f3彭县-灌县断裂;f4龙泉山断裂;f5青川断裂;f6茶坝-林庵寺断裂;f7江油-广元断裂.黄色线为人工地震剖面:1西秦岭-东昆仑宽角反射剖面[16];2奔子栏-唐克剖面[13];3竹巴龙-资中剖面[13]. Fig. 1 Seismic stations, reflection profiles, and fault distribution Triangles are seismic stations and are color coded for velocity models used in the inversion.
2.2 方法

采用Minson和Dreger[8]给出的层状介质中点源位错所产生的地震波场表达式和频率-波数方法(F-K方法)[12]计算地震在地表产生的理论位移.通过线性最小二乘方法,使给定震源深度的地震的理论与观测位移的拟合残差最小,得到地震的矩张量解.震源距为r时任意一个点源位错和爆炸源在地表所产生的垂向、径向和切向位移可分别表示为[8]

(1a)

(1b)

(1c)

式中,raz分别是台站到震源的距离和方位角,ZSS,ZDS,ZDD,RSS,RDS,RDD,RSS,RDS,ZEP和REP是用于计算层状介质中任意点位错源和爆炸源产生的位移场所需的10个格林函数,其中ZSS,ZDS,ZDD分别是纯走滑断层、纯倾滑断层和45°斜滑断层所产生的垂直分量位移.对于位错源引起的地震,ZEP,REP为零,Mzz=-(Mxx+ Myy),则公式(1)中包含5个独立的标量地震矩.本文只考虑位错点源的情况,因此只需计算8个格林函数,反演问题变成用最小二乘方法求5个独立变量的解.用层状介质计算理论地震图时,震源深度将影响理论地震图的形状,进而影响矩张量的反演结果,所以本文取不同深度分别进行矩张量反演,取方差缩减(VR)最大以及残差和每个解的DC比(RES/Pdc)最小的解为最佳解.方差缩减表达式为[7]

(2)

式中,data和synth分别表示观测数据和理论数据,求和符号是指对所有台站和所有分量的数据求和.

2.3 速度模型

芦山地震震中位于龙门山断裂西南端的彭县-灌县断裂带上.该地震震中附近区域地壳结构复杂,从川西块体到东部的四川盆地,地壳平均厚度从64 km变化到43 km[13].地壳厚度变化梯度最大的地方在龙门山,从东南的41.5 km到西北52.5 km[14].区域地壳结构的复杂性决定了我们在利用全波形反演地震矩张量的过程中不能使用单一的速度模型.因此我们充分考虑了区域横向非均匀性以及台站的空间分布情况.针对不同台站利用不同的速度模型[15]来计算格林函数满足反演需求(图 1-2),这些模型是根据该地区的人工地震剖面结果[13, 16]并做适当调整获得的.图 1中白色三角台站在反演使用P1模型,棕色三角的台站使用RS模型,绿色三角的台站使用RN2模型,这些模型已经在汶川余震矩张量研究中证明了它们的可靠性[15].芦山地震同位于龙门山断裂带区域,所以可以用它们来进行芦山地震序列的矩张量研究.

图 2 P1、RS、RN2速度模型 Fig. 2 The velocity models:P1, RS and RN2 used in this study
3 结果

Romanowicz等[17]比较了使用单台和多台三分量波形资料反演得到的矩张量解,发现在速度结构得到很好控制的条件下,单台三分量反演结果与4个台站的反演结果非常一致.但是单台反演对波形数据质量要求比较高,如果波形有相对的干扰,就会导致解的不稳定性.考虑到减少单台数据受到随机性未知干扰带来的误差及龙门山断裂带地区速度结构复杂性,我们在每个地震的反演过程中至少使用了三个台站的波形数据,而且最终VR和DC值均要求大于80(见图 4b),充分保证解的可靠性和准确性.通过反演,一共得到了包括主震在内的17个高质量矩张量解.所得的结果中:13、14、16号因为震级较小导致数据信噪比高的台站较少,只用了3个台;5号地震用了4个台;15号地震用了6个台;4号地震用了7个台;12号地震用了9个台;其余10个地震均用了10个台以上参与反演(见图 4b).这些解的高VR和DC值,低CLVD和RES/Pdc值,以及多台参与反演充分说明了我们结果的可靠性.

图 4 (a)4月20日11时34分16秒四川天全的MS5.3级地震矩张量解VR,DC,CLVD,RES/Pdc随深度变化结果;(b)本研究所有矩张量解VR,DC,CLVD,及每个解反演中所用的台站数分布 Fig. 4 (a) The DC, CLVD component, VR and RES/Pdc iterated with the depth; (b) The DC, CLVD component, used stations quantity in each inversion and VR distribution of all the 17 moment tensor solutions

图 3是一个反演例子,该地震是本研究中的3号地震,于4月20日11时34分16秒发生在四川天全的MS5.3级地震.通过去除那些信噪比和VR值较低,以及波形数据有问题的台站,在反演中总共用了21个台站的数据.其中SC.BYD,SC.BZH,SC.CD2,SC.HLI,SC.HMS,SC.HYS,SC.JLI,SC.JLO,SC.JMG,SC.JYA,SC.LBO,SC.MBI,SC.PGE,SC.YGD,SC.YZP使用P1模型;SC. BTA,SC.LTA,SC.RTA,SC.XJI,SC.YJI使用RS模型;SC.SPA使用RN2模型.通过深度迭代反演,在深度为10 km时VR和DC值达到了最高,CLVD和RES/Pdc达到最小(图 4a),该解为最佳解.由图 3可以看出,理论波形和观测数据拟合结果非常好,而且所用台站众多,这说明了我们的速度模型和矩张量结果非常可靠.

图 3 2013年4月20日11时34分16秒四川天全的MS5.3级地震矩张量解 (黑色实线是观测波形,虚线为理论波形) Fig. 3 Moment tensor solution for the Tianquan MS5.3 earthquake that occurred at BJ time 11 : 34 : 16, April 20, 2013
3.1 主震矩张量

芦山主震于4月20日8时2分47秒发生.在本研究中我们共用了13个振幅未限幅的宽频带台站的资料反演芦山7.0级地震的矩张量(图 5),其中SC.AXI,SC.PWU,SC.XHA,SC.QCH,SC.HYS,SC.JLO,SC.JMG,SC.MBI等台站使用了P1模型;SC.BTA,SC.DFU,SC.RTA,SC.LTA,SC.YJI等台站使用了RS模型.结果表明芦山7.0级地震在深度为13 km时得到了最佳解,此时的DC为99,CLVD为1,VR为90,RES/Pdc达到最小1.83× 10-6.该解显示芦山主震走向为216°,倾角为47°,滑动角为101°,为逆冲断层,地震矩M0为0.61×1019 Nm.

图 5 (a)四川芦山7.0级地震矩张量解(黑色实线是观测波形,虚线为理论波形);(b)芦山7.0级地震矩张量解的VR,DC,CLVD,RES/Pdc随深度变化结果 Fig. 5 (a) Moment tensor solution for the Lushan 7. 0 earthquake that occurred at BJ time 08 :02 : 47, April 20, 2013; (b) The DC, CLVD component, VR and RES/Pdc iterated with the depth of the Lushan 7. 0 earthquake moment solution

芦山7.0级主震发生后,多个研究小组给出了其震源机制和破裂过程参数(表 1-2),张广伟等[18]通过余震精确定位给出了主震倾角约44°,深度为15~25 km.通过对比可以看出,11个研究小组的双力偶断层面解均存在一组相对接近的节面,除去王卫民等[2],USGS和吕坚等[5]的结果走向在205°±6°之间,其余结果走向在215°±6°间;倾角在42°±9°间;除去USGS的滑动角结果为71°外,其余在99°±9°间.这些结果之间小幅度差异可能与反演过程中台站、速度模型的选取有关,而本研究充分考虑了龙门山断裂带及邻近区域复杂的速度结构,根据台站方位采用不同的速度模型进行反演,这保证了我们结果的可靠性.从震源深度看GCMT和张广伟等人通过余震精确定位获得的结果相对较深,其余均在13±3 km之间,研究的深度结果与中国地震台网中心所提供的目录一致,说明了台网目录对该地震深度约束是比较好的.从所得到的地震矩来看(表 1-2),≥1.0×1019 Nm的5个,其余三个为0.6× 1019 Nm左右,这可能与使用不同数据和模型有关.从震级上看,除了刘杰等人的结果为6.4相对较低外,本研究结果为6.46,也相对较低,可能与用近台数据有关,其余所有结果均在6.6及以上,所以该地震矩震级应该在6.6左右.

表 1 芦山主震震源机制解的结果对比 Table 1 Comparison of Lushan mainshock moment tensor results
表 2 2013年4月20日芦山地震破裂过程的反演结果 Table 2 Inversion results of the rupture process of the April 20, 2013 Lushan earthquake
3.2 余震矩张量

在主震之后,截至5月5日,中国数字遥测台网共记录ML>1.0余震1005次(图 6a),其中记录到了52个(ML≥4.0)余震.从余震空间分布来看,芦山的余震相对比较集中分布在彭县-灌县断裂带附近,芦山主震的破裂尺度大概在40多公里,通过去除受到主震影响和数据信噪比较低的事件后,本研究共得到了16个质量较好的余震矩张量解(图 6b表 4).由图 6表 2可以看出,这些余震震源机制解与主震震源机制解比较相似.根据Zoback[20]断层分类原则(表 3),除15号地震为带有走滑分量的逆断层外,其余15个余震均为纯逆冲断层,该结果显示了该区的发震断层应力主要为逆冲模式,与汶川地震相似.ML≥4.0级以上余震我们的震源机制结果与吕坚等[5]利用CAP方法计算得到的结果相似,几乎均为逆冲破裂特征,这也说明了我们结果的可靠性.

图 6 (a)芦山7.0级地震及ML > 1.0余震分布(地震目录来自中国地震台网中心统一编目网);b)芦山主震余震矩张量空间分布(黑色为逆断层;灰色为带有走滑分量的逆断层);f1 -f4为断裂,具体名称请见图 1 Fig. 6 (a) Epicenters spatial distribution of the ML > 1.0 aftershock (the catalog is from Digital Seismograph Network of China); (b) Mainshock and aftershock's moment tensor distribution along the Penguan fault
表 4 余震矩张量解 Table 4 Aftershock moment tensor solutions
表 3 根据PBT轴倾角的断层应力特征分类方法[20] Table 3 Stress regime characterization based on Plunge (pl) of P, B, and T Axes[20]
4 讨论与结论 4.1 讨论

2008年5月12日,龙门山断裂的中北段发生了8.0级地震,时隔近5年,芦山又发生7.0级地震,该地震位于龙门山断裂的西南端,与汶川地震震中仅相距约90 km,刘杰等[1]和杜方等[6]指出汶川和芦山地震的余震密集区相距约50 km,两次地震是相对独立的地震事件.但是根据汶川地震8.0级的发生使龙门山断裂南段库仑应力明显增加的研究结果[21-24];易桂喜等根据b值和视应力提出汶川地震后龙门山断裂南段部分地区应力增强情况[25];以及这两地震仅相隔5年时间发生在同一构造单元上,而且从震源机制来看,汶川主震为带有少部分走滑成分的逆冲断层[26],同样芦山主震为逆冲断层.这些说明了两个地震可能具有密切的联系.

芦山地震根据余震分布可以看出主震破裂尺度大约为40 km,余震分布相对比较集中在彭县-灌县断裂带附近,而在与该断裂平行的,同为龙门山断裂组成部分的重要的茂县-汶川断裂与北川-映秀断裂几乎没有地震发生,这说明芦山地震的发生并没有触发同为龙门山断裂构造单元西南端的茂县-汶川断裂与北川-映秀断裂的活动.芦山余震几乎均为逆冲断层,类型单一.相对于芦山地震,汶川地震震级更大,破裂尺度长大约300 km,破裂过程更为复杂,从汶川的余震矩张量类型分布可以看出具有明显的分段特征,且震源机制解类型复杂[15].对于余震的震源机制解类型,首先是取决于已有断层的走向,震源区的应力状态,以及由于主震引起的应力变化.余震震源机制类型的复杂性通常表明了震后复杂的应力状态及显著的构造应力释放状态.

通过芦山余震和汶川余震的类型相比,可以看出:芦山余震类型单一,应力有一定释放,而汶川余震类型复杂,地震应力释放更为彻底;芦山地震破裂主要集中在龙门山断裂的一支,前山断裂彭县-灌县断裂带附近,而汶川断裂破裂贯通了整个龙门山断裂组合包括前山、中央和后山断裂;通过余震分布可以得出,芦山和汶川地震均没有触发相对更多的断层活动.

关于汶川主震破裂为什么到小鱼洞断裂以南约55 km附近就停止的原因,可能与汶川地震以南和芦山地震以北存在明显低波速异常[27]和高泊松比异常[28]体有关.汶川主震破裂传播到此处时受到了该异常体的阻隔,主震能量受到“反弹”,因此形成了垂直于龙门山断裂的以走滑为主的小鱼洞断裂.李勇等[29]研究指出小鱼洞断裂是由于龙门山的子断裂之间的运动差异形成的捩断层,从另外一个方面可能证实小鱼洞断裂以南的异常体的存在.虽然震源机制解结果[15]和地质调查研究[30-31]表明龙门山断裂具有走滑特征,但是相对沿着断层的走滑运动,逆冲运动在整个断裂运动中占据了主导作用.龙门山断裂带的西南端,在整个大的青藏高原物质向东南挤出的环境下,同样受到了强度较大的NNW向的构造应力,相对于汶川地震对芦山地震的影响,NNW向的构造应力对芦山地震的发生起的是主导作用,而在接近汶川余震区的部分依然没有破.可能与小鱼洞断裂以南的断裂带部分低波速异常体有关,而且龙门山断裂带本身并不是均一的,决定了断裂局部的脆性和强度不一样.因此芦山地震的发生,破裂并没有贯通汶川地震破裂的南端,同样芦山地震的发生并没有触发同为龙门山断裂构造单元西南端的茂县-汶川断裂与北川-映秀断裂的活动,这说明了龙门山断裂西南端芦山地震的发生可能仅仅是应力的局部释放.

4.2 结论

芦山地震与汶川地震是相对独立的地震事件,但是它们之间可能具有密切的关系;龙门山断裂具有走滑特征,但是相对沿着断层的走滑运动,逆冲运动在整个断裂运动中占据了主导作用.相对于汶川地震对芦山地震的影响,NNW向的构造应力对芦山地震的发生起的是主导作用.芦山7.0级主震的震源深度为13 km左右,震源机制最佳双力偶解的节面Ⅰ为走向216°,倾角47°,滑动角103°,节面Ⅱ为走向20°,倾角44°,滑动角78°,地震矩为0.61× 1019 Nm,为走滑分量极小的逆冲型断层;大多数ML4.0级以上余震的震源机制与主震震源机制类似,均表现为逆冲特征,而且震中相对集中,这有可能说明了发震断层单一,破裂尺度相对较小,应力有一定释放,并没有触发周边更多的断层活动.芦山地震的发生并没有触发同为龙门山断裂构造单元西南端的茂县-汶川断裂与北川-映秀断裂的活动,这说明了龙门山断裂西南端芦山地震的发生仅仅是应力的局部释放.

致谢

四川省地震局和中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”为本研究提供了地震波形数据,钮凤林教授对本文进行了精心指导,审稿专家给出重要修改意见,在此一并致谢!

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