地球物理学报  2016, Vol. 59 Issue (10): 3711-3731   PDF    
引用本文
易桂喜, 龙锋, AmauryVallage 等. 2016. 2013年芦山地震序列震源机制与震源区构造变形特征分析. 地球物理学报, 59(10): 3711-3731, doi: 10.6038/cjg20161017.  
YI G X, LONG F, Amaury V, et al. 2016. Focal mechanism and tectonic deformation in the seismogenic area of the 2013 Lushan earthquake sequence, southwestern China. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 59(10): 3711-3731, doi: 10.6038/cjg20161017.  
2013年芦山地震序列震源机制与震源区构造变形特征分析
易桂喜1,2 , 龙锋1,2 , AmauryVallage3 , YannKlinger3 , 梁明剑1 , 王思维1     
1. 四川省地震局, 成都 610041;
2. 四川赛思特科技有限责任公司, 成都 610041;
3. Tectonique et Mècanique de la Lithosphère, Institut de Physique du Globe de Paris, Paris, France
收稿日期 2016-05-12, 2016-08-16 收修定稿
基金项目: 国家自然科学基金（41574047），四川赛思特科技有限责任公司西部大开发优惠政策节税资金投资项目（XDK2015001），四川省外国专家局引智项目（S201637）共同资助
作者简介: 易桂喜, 1964年生, 博士, 研究员, 主要从事地震预报方法与壳幔速度结构反演等研究.E-mail:yigx64@163.com
摘要: 基于四川区域地震台网记录的波形资料，利用CAP波形反演方法，同时获取了2013年4月20日芦山M7.0级地震序列中88个M≥3.0级地震的震源机制解、震源矩心深度与矩震级，进而利用应变花（strain rosette）和面应变（areal strain）As值，分析了芦山地震序列震源机制和震源区构造运动与变形特征.获得的主要结果有：（1）芦山M7.0级主震破裂面参数为走向219°/倾角43°/滑动角101°，矩震级为MW6.55，震源矩心深度15 km.芦山地震余震区沿龙门山断裂带走向长约37 km、垂直断裂带走向宽约16 km.主震两侧余震呈不对称分布，主震南西侧余震区长约27 km、北东侧长约10 km.余震分布在7~22 km深度区间，优势分布深度为9~14 km，序列平均深度约13 km，多数余震分布在主震上部.粗略估计的芦山地震震源体体积为37 km×16 km×16 km.（2）面应变As值统计显示，芦山地震序列以逆冲型地震占绝对优势，所占比例超过93%.序列主要受倾向NW、倾角约45°的近NE-SW向逆冲断层控制；部分余震发生在与上述主发震断层近乎垂直的倾向SE的反冲断层上；龙门山断裂带前山断裂可能参与了部分余震活动.P轴近水平且优势方位单一，呈NW-SE向，与龙门山断裂带南段所处区域构造应力场方向一致，反映芦山地震震源区主要受区域构造应力场控制，芦山地震是近NE-SW向断层在近水平的NW-SE向主压应力挤压作用下发生逆冲运动的结果.序列中6次非逆冲型地震均发生在主震震中附近，且主震震中附近P轴仰角变化明显，表明主震对其震中附近局部区域存在明显的应力扰动.（3）序列整体及不同震级段的应变花均呈NW向挤压白瓣形态，显示芦山地震震源区深部构造呈逆冲运动、NW向纯挤压变形.各震级段的应变花方位与形状一致，具有震级自相似性特征，揭示震源区深部构造运动和变形模式与震级无关.（4）不同深度的应变花形态以NW-NWW向挤压白瓣为优势，显示震源区构造无论是总体还是分段均以NW-NWW向挤压变形为特征.但应变花方位与形状随深度仍具有较明显的变化，可能反映了震源区构造变形在深度方向上存在分段差异.（5）芦山地震震源体尺度较小，且主震未发生在龙门山断裂带南段主干断裂上，南段长期积累的应变能未能得到充分释放，南段仍存在发生强震的危险.
关键词: 芦山地震      震源机制      应变花      面应变      构造变形     
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     
1. Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China;
2. Sichuan Seistech Corporation Ltd., Chengdu 610041, China;
3. Tectonique et Mècanique de la Lithosphère, Institut de Physique du Globe de Paris, Paris, France
Abstract: The April 20th, 2013 Lushan M7.0 earthquake sequence occurred on the southern segment of the Longmen Shan fault zone, southwestern China. Utilizing the waveform data of M≥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 87 M≥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. The major findings are as follows:(1) The parameters of the ruptured plane are of strike 219°, dip 43° and slip 101° for the Lushan M7.0 mainshock with a moment magnitude of MW6.55 and centroid depth of 15 km. The 87 M≥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 of P-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..
Key words: Lushan earthquake      Focal mechanism      Strain rosette      Areal strain      Tectonic deformation     
1 引言

位于青藏高原东缘、南北地震带中段的龙门山断裂带是中国大陆西部最主要的地震构造带之一，2008年5月12日在该断裂带中段发生汶川M8.0级地震；时隔不到5年，2013年4月20日，在距汶川M8.0级地震震中西南约87 km的断裂带南段再次发生芦山M7.0级地震(见图 1)，两次大地震及频繁发生的强余震给震区造成了巨大的人员伤亡和财产损失.

图 1 龙门山断裂带及邻区主要构造与6级以上历史地震震源分布(据易桂喜等(2011)改编) F1-后山断裂，F2-中央断裂，F3-前山断裂. 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.

作为巴颜喀拉块体与四川盆地的构造分界(见图 1)，倾向NW、总体走向呈N30°~50°E的龙门山断裂带全长约500 km，宽约30~50 km，断裂带结构复杂，主要由后山断裂F1(南段：耿达—陇东断裂，中段：茂县—汶川断裂，北段：青川—平武断裂)、中央断裂F2(南段：盐井—五龙断裂、中段：北川—映秀断裂，北段：北川—林庵寺断裂)、前山断裂F3(南段：大川—双石断裂，中段：灌县—安县断裂，北段：江油断裂)三条主干断裂以及山前隐伏断裂组成(陈国光等，2007；陈立春等，2008；唐方头等，2008)，断裂活动特征具有明显的分段性(陈国光等，2007；陈立春等，2013).汶川地震前，龙门山断裂带无7级以上地震文字记载，最大地震为1657年汶川M61/2级地震，地震活动强度明显低于其西侧的鲜水河断裂带和北侧的岷江断裂带与虎牙断裂带(图 1). 2008年汶川M8.0级地震破裂沿龙门山断裂带中北段呈NE向单侧扩展(Zhang et al., 2010)，同时破裂了龙门山断裂带的中段和北段，并在中央断裂(F2)形成了总长约240 km、前山断裂(F3)长约72 km的地表破裂带(Xu et al., 2009)(见图 1红线标示)，余震带则长达340 km(张培震等，2009). 2013年芦山M7.0地震震后野外现场调查则未发现明显的地表破裂(李传友等，2013；徐锡伟等，2013；Li et al., 2014)，因此，现有研究多推测其发震构造可能是龙门山断裂带南段的山前盲冲断层(徐锡伟等, 2013; Li et al., 2014).芦山地震发生在汶川地震后的应力增强区内(Parsons et al., 2008; Toda et al., 2008; 单斌等，2009；万永革等，2009；邵志刚等，2010；Zhu and Wen, 2010; Nalbant and McCloskey，2011；易桂喜等，2013)，暗示汶川地震对此次芦山地震具有一定的触发作用(杜方等，2013；单斌等，2013；王卫民等，2013).

地震序列震源机制与震源空间分布可直观反映地震破裂的几何特征与运动学特征，对勾画断层形态、厘清主余震与发震构造的关系、了解震源区应力状态等均具有重要意义(郑勇等，2009；易桂喜等，2012；杨宜海等，2015；张致伟等，2015).同时，利用强震序列震源机制解研究震源区构造变形特征，也是认识强震发震机理的重要手段(Vallage et al., 2014). GPS观测是研究区域构造运动与变形的重要手段(张培震等，2003；Burchfiel，2004；唐文清等，2008)，但由地表观测获得的地壳变形并非直接来自深部震源区域的信息(江在森等，2009)，其所反映的构造运动与变形特征深度约束相对较弱.近年来，已逐步开展利用区域小震或强震序列震源机制解揭示大区域或强震震源区构造运动与变形特征的研究，例如，Amelung和King(1997)提出了基于小震震源机制解的应变花(strain rosette)方法，研究了美国旧金山湾地区大尺度区域构造变形特征；胡幸平等(2012)利用有限元方法，模拟不同构造变形模式下的构造应力场，通过分别计算理论震源机制解，并与汶川地震序列实际震源机制解进行对比，初步探讨了汶川余震区的构造变形模式；Vallage等(2014)则以美国阿拉斯加Denali断裂带为例，基于Amelung和King(1997)的应变花方法，进一步引入面应变(areal strain)As，利用小震震源机制解研究了斜滑构造单元的局部滑动与变形分配，并探讨了其可能的动力学模式.利用应变花与面应变As，可以更直观判断震源区发震断层的受力状态、运动学特征与变形特征.

芦山地震发生后，不同研究组通过获得序列震源机制解，陆续开展了发震构造及其运动学特征、震源区应力场特征等相关研究(刘杰等，2013；曾祥方等，2013；吕坚等，2013；苏金蓉等，2013；Han et al., 2014; Fan et al., 2015; Long et al., 2015; 杨宜海等，2015；罗艳等，2015；张致伟等，2015)，而基于震源机制解的震源区构造变形则研究甚少.芦山地震发生在四川区域地震台网监测能力较强的地区，丰富的余震波形资料为我们利用该序列震源机制解研究其震源区深部构造运动与变形特征提供了资料保障.本文采用近年来广泛使用的由Zhao和Helmberger(1994)提出、经Zhu和Helmberger(1996)发展的CAP (Cut and Paste)波形反演方法，同时求取了芦山地震序列M≥3.0级地震的震源机制解、震源深度与矩震级，进而利用应变花(Amelung and King，1997)与面应变As值(Vallage et al., 2014)，分析了芦山地震序列震源机制与震源区深部构造运动与变形特征.研究结果可为建立区域地球动力学模型、研究龙门山断裂带强震发震机理提供基础依据.

2 基于CAP方法的芦山地震序列震源机制解与震源深度计算

在计算芦山地震序列震源机制解之前，我们采用Long等(2015)的多阶段定位方法，对截止至2015年12月底的芦山地震序列进行重新定位，以期获得相对准确的地震震中位置.该方法定位过程如下：首先，基于Long等(2015)的芦山地区速度模型，利用HYPOINVERSE2000(Klein, 1989)对序列进行初定，获取震源位置和台站方位角等信息；然后，挑选其中具有6个以上台站记录、且方位角间隙小于150°的事件的观测报告，采用VELEST(Kissling, 1988；Kissling et al., 1994, 1995)反演芦山地区新的最小一维速度模型和台站校正；接着，将反演得到的新速度模型和台站校正代入HYPOINVERSE2000进行重新定位；最后，采用5 km的搜索半径，对校正后的震源位置进行双差定位(Waldhauser and Ellsworth, 2000).芦山地震序列重新定位最终结果定位误差为：EW向~0.4 km，NS向~0.3 km，深度误差~0.6 km，平均走时残差约0.12 s.

计算震源机制解的方法有多种，本文选用的CAP方法(Zhao and Helmberger, 1994; Zhu and Helmberger, 1996)可同时求取地震的震源机制解、震源矩心深度和矩震级.该方法将宽频带数字地震波形记录分为体波Pnl与面波两部分，分别对Pnl波、面波进行带通滤波，计算理论地震波形与观测波形之间的误差函数，通过网格搜索，获得给定参数空间中误差函数达到最小的最佳解(郑勇等，2009).

与求取震源机制解的其他方法相比，CAP方法具有所需台站少、反演结果对地壳横向变化不敏感、对速度模型依赖性相对较小等优点(Tan et al., 2006；郑勇等，2009；龙锋等，2010；易桂喜等，2012；罗艳等，2015)，保证了震源机制计算结果的稳定性与可靠性，同时，该方法在反演过程中通过Pnl中的sPmP(或者sPg)、sPn等深度震相以及Pnl与面波的相对强度进行深度约束，可以较好地确定震源矩心深度(罗艳等, 2015).

我们基于四川区域地震台网记录的波形资料和重新定位的震源参数，利用CAP方法，计算了2013年4月20日至2015年12月31日芦山地震序列中所有M≥3.0级地震的震源机制解与震源矩心深度及矩震级.对于余震，选取台站震中距在250 km以内且记录完整清晰的波形资料；对于主震，因近台波形存在严重限幅，选取台站震中距在100 km至300 km之间具有完整清晰记录的波形资料. CAP计算所用主震震中300 km范围内的台站分布见图 2a.考虑到CAP方法对速度模型不敏感，本文计算理论地震图时仅使用我们获得的芦山地区一维速度模型(见图 2b).计算时，体波与面波截取波形窗长分别设置为30 s与60 s，相应的带通滤波频带宽度分别为0.05～0.2 Hz和0.05～0.1 Hz，网格搜索步长为5°，深度计算步长1 km.我们首先利用所有满足上述条件的台站记录进行震源机制初定，然后，删除多数分量波形拟合相关系数低于60%的台站，进行修订计算.同时，为了进一步保证序列震源机制解的可靠性，要求：(1)参与修订拟合的台站至少5个，(2)四分之三以上的分量波形拟合系数高于60%，(3)震源机制修订解与初定解类型一致，只有当上述3个条件同时满足时，才认为计算结果(震源机制解、震源深度hCAP与矩震级MW)是可信的.

图 2 计算所用台站分布(a)与速度模型(b) Fig. 2 Spatial distribution of the seismic stations (a) and velocity model (b) used in the study

图 3展示了芦山M7.0级主震波形拟合图(图 3a)与反演误差随深度分布图(图 3b)，因主震记录台站较多，在修订时仅选用波形各分量拟合系数均大于60%的台站参与计算.可以看出，在15 km深度处，理论波形(红色)与实际观测波形(黑色)具有较好的拟合关系(图 3a)，反演误差达到最小值(图 3b).计算结果显示，芦山主震的震源矩心深度为15 km，矩震级MW6.55；震源机制解节面Ⅰ走向24°、倾角48°、滑动角80°，倾向SE，节面II走向219°、倾角43°、滑动角101°，倾向NW；P轴仰角3°、方位角121°，T轴仰角82°、方位角230°.节面参数与已有研究结果基本一致(Hao et al., 2013；陈运泰等，2013；刘杰等，2013；吕坚等，2013；王卫民等，2013；曾祥方等，2013；谢祖军等，2013；杨宜海等，2015)，进一步证实了芦山主震为纯逆冲型地震.结合芦山地震余震长轴沿龙门山断裂带展布，判定与龙门山断裂带倾向和走向一致的节面II为芦山主震破裂面(发震断层面).

图 3 2013年芦山主展波形拟合图 (a)理论地震图与观测地震图拟合.红线表示31论地震图，黑线表示观测地震图，波形左侧台站名上方的数字为震中距(中.位：km)，下部的数字为方位角(单位：°); 波形下方的两行数字分别表示理论地震图相对观测地鹿图的移动时间(单位：s)及二者的相关系数(用百分比表示)；(b)反演误差随深度的变化.给出不同崧源深度下搜索的璲源机制解所对应的误差.当深度为15 km时，误差最小，即为最佳解. Fig. 3 Waveform fitting and focal mechanism of the 2013 Lushan mainshock (a) Comparison of synthetic waveforms with observations. Red and black lines arc synthetics and observations, respectively. The station names arc given on the left and the numbers above and below the names arc cpiccntral distance (in km) and azimuth (in degree). Numbers below the traces arc the time shifts (in seconds) of the synthetics relative to the observations and the corresponding cross-correlation coefficients (in percentage); (b) Fitting error as a function of focal depth. It shows the fitting error of focal mechanism at each searched depth. The error is the minimum and the focal mechanism result is the best at 15 km depth.

经过计算，本文最终获得了芦山地震序列包括主震在内的88个M≥3.0级地震的震源机制解、震源矩心深度hCAP与矩震级MW，结果见表 1，表中同时列出了这88个地震经多阶段定位方法重新定位后的震中经纬度与震源深度hMS. 表 1显示，所有地震的矩震级均高于MW3.3，此后的震级相关统计分析均采用本文计算获得的矩震级.

表 1 芦山地震序列88个MW>3.3地震的震源机制解 Table 1 Focal mechanism solutions of 88 MW>3.3 events of the Lushan earthquake sequence
3 基于地震震源机制解的应变花与面应变计算

Amelung和King(1997)认为局部地区的构造变形与更大区域的构造变形存在密切关系，在特定条件下，局部与区域的应变张量形态(包括形状与方位)一致，两者仅存在数量上的差异，提出了利用地震震源机制解获取局部应变、进而获取区域尺度构造变形信息的应变花(strain rosette)方法.应变花代表应变张量的方位和形状，是应变模式的图像体现(Amelung and King, 1997). Vallage等(2014)认为，应变花是进行应变模式定量比较的有力工具.

地壳内一个区域的地震应变εij(Kostrov，1974)可由几何矩张量Mij(King, 1978)或势能(Ben-Zion and Zhu, 2002)获得：

(1)

Mij(e)为第e个地震的几何矩张量：

(2)

其中，N为地震个数，V为该区域的体积，A为断层滑动面积，dA为面积元，u为地震滑动，ni为断层法向矢量，ui为单位滑动矢量(Amelung and King, 1997).

几何矩张量Mij与地震矩张量Mij的关系为(King, 1978)：

(3)

式中，μ为剪切模量.几何矩张量与地震矩张量大小不同，但形状相同(Amelung and King, 1997；Vallage et al., 2014).

应变花即应变张量的径向分量作为方位角函数的体现(Vallage et al., 2014)：

(4)

其中方位角t在0°~360°之间变化.εrr>0表示应变花的白色挤压瓣，εrr < 0即代表应变花的黑色拉张瓣.

Vallage等(2014)基于Amelung和King(1997)的应变花方法，引入面应变(Areal strain)As：

(5)

定量评估断层变形与运动学特征. (5)式中ΔA为面积变化量；A0为初始面积；A1为应变花挤压瓣(白瓣)的长度，A2为应变花拉张瓣(黑瓣)的长度. A1由经利用公式(4)计算的εrr的最大绝对值归一化后的所有εrr正值的最大值确定，A2由经归一化后的所有εrr负值的最大绝对值确定. As即表征应变花挤压瓣长度A1与拉张瓣长度A2之间的差异.对于单个地震，As的值在[-1, +1]之间，As=-1代表纯拉张，As=0为纯走滑，As=+1表示纯挤压逆冲，As介于-1~0之间为正倾滑；As在0~+1之间为逆倾滑.对于同一个地震，无论选择哪个节面，应变花相同, 因此，即使不能确定发震断层面，仍可利用As进行发震构造变形比较(Vallage et al., 2014).根据面应变As值，将震源机制与构造变形分成5类，分类标准见表 2.

表 2 基于面应变(As)的地震震源机制与构造变形分类(据Vallage et al.，2014) Table 2 Classification of focal mechanism and tectonic deformation based on the different domains of areal strain (As)

基于CAP所获得的芦山地震序列88个MW>3.3(M≥3.0)地震的震源机制解，计算了每个地震及序列整体的应变花与面应变As值，结果分别见图 4和表 1最后一列.序列整体的面应变As值为0.98，相应的应变花用all标示于图 4中.

图 4 芦山地震序列88个MW>3.3级地震以及序列整体的应变花图 各应变花上部的数字序号同表 1. all代表序列整体的应变花. Fig. 4 Strain rosettes of 88 MW>3.3 events of the Lushan earthquake sequence The 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
4 芦山地震震源机制分布特征与震源区构造运动与变形特征分析 4.1 芦山地震震源机制分布特征

包含主震在内的芦山序列88个MW>3.3(M≥3.0)级地震的震源机制解节面参数(见表 1)统计图(图 5a)显示，序列发震断层面走向优势方向单一，呈近NE-SW向，与龙门山断裂带总体走向一致；滑动角集中在90°左右，表明这88个地震以纯逆冲型为主.断面平均倾角近45°，与芦山主震破裂面倾角(43°)基本一致，说明序列主要受倾角约45°的近NE-SW走向发震断层控制. P轴参数统计图(图 5b)显示：P轴近水平，仰角主要集中在20°以内(见表 1)，仰角均值约14°；P轴优势方位单一，近NW-SE向，与龙门山断裂带南段所处区域构造应力场方向一致(成尔林，1981；刁桂苓等，2011；高原等，2013；王成虎等，2014；Meng et al., 2015；Wu et al., 2016)，也与GPS观测的该区域速度场方向一致(Shen et al, 2005; Zhang, 2013)，反映芦山地震震源区主要受来自青藏块体南东向挤出的NW-NWW向区域构造应力场控制(杨宜海等，2015；Wu et al., 2016)，芦山地震是近NE-SW向断裂受到近水平的NW-SE向主压应力挤压作用发生逆冲运动的结果.

图 5 芦山地震序列节面走向Strike、倾角dip、滑动角Rake (a)与P轴方位角Paz和仰角Ppl(b)玫瑰花图 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中各地震的面应变As值与表 2的震源机制分类标准，对序列88个地震的震源机制解进行分类. 图 6展示了序列的面应变As值和震源机制类型分布，并采用不同颜色区分机制类型，红色、蓝色、绿色、黑色、灰色分别代表逆冲型、逆冲兼走滑型、走滑型、正断兼走滑型、正断型.其中，82个地震的As值高于0.7，为逆冲型(图 6中红色)，占总数的93.2%；As值在0.3~0.7之间的逆冲兼走滑型地震(蓝色)与As值低于-0.7的正断型地震(灰色)各2个，均占总数的2.3%；As值在-0.3~0.3之间的走滑型地震(绿色)及-0.7~-0.3之间的正断兼走滑型地震(黑色)各1个，各占总数的1.1%.上述统计结果表明，芦山地震序列以逆冲型占绝对主导，其逆冲型地震比例远远高于汶川地震序列(易桂喜等，2012)，反映了龙门山断裂带南段和中北段运动学特征存在显著的横向分段差异.

图 6 芦山地震序列不同类型震源机制与面应变值分布 逆冲型、逆冲兼走滑型、走滑型、正断兼走滑型、正断型地震分别用红色、蓝色、绿色、黑色和灰色标示.百分比表示落入各区间的地震比例. Fig. 6 Characterization of the focal mechanism solution and areal strain for the Lushan earthquake sequence Compressional, 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个地震的震源机制解平面分布图像(见图 7a)显示，绝大多数地震的震源机制解节面走向与龙门山断裂带走向一致；余震区南、北两端均为逆冲型地震，与汶川余震区两端存在大量走滑型地震活动(易桂喜等，2012)有明显差异.序列中6次非逆冲型地震(即表 1与图 4中No.07、17、45、55、65、73地震)集中发生在主震震中两侧附近区域. 图 7b为P轴方位空间分布，短线段延伸方向代表P轴方位，黑色短线段代表P轴仰角低于20°的地震，绿色短线段表示仰角高于20°的地震，可以看出，P轴优势方位NW向、与龙门山断裂带走向近乎垂直，多数地震的P轴仰角在20°以内，P轴仰角高于20°的地震主要分布在主震震中(图 7b中红色★)附近.主震震中附近余震震源机制类型的多样性以及P轴仰角的明显变化可能是因主震的发生引起其震中附近局部区域应力场发生扰动、并在应力调整过程中触发不同运动性质的断层活动所致(罗艳等，2015).此外，根据表 1和图 4，我们没有发现类似汶川地震序列所呈现的震源机制类型随时间的显著变化现象(易桂喜等，2012).

图 7 芦山地震序列88个MW>3.3地震的震源机制解(a)与P轴方位(b)空间分布 (a)中带字母标示的黑色长实线为剖面位置.红色长实线为龙门山前山断裂F3(大川—双石断裂). Fig. 7 Focal mechanism solutions and azimuths of P-axis for 88 MW>3.3 events of the Lushan earthquake sequence Black 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 芦山地震序列震源深度分布特征

CAP波形反演获得的芦山地震序列88个地震的震源矩心深度分布在7~22 km深度区间(见表 1)，与已有研究结果(赵博等，2013；苏金蓉等，2013；杨宜海等，2015)基本一致.不同方法获得的地震震源深度值存在一定的差异，对比表 1中88个地震由CAP波形反演获得的震源矩心深度hCAP与利用多阶段定位方法获得的震源深度hMS，统计显示：占总数62.5%的地震hCAP与hMS差值小于2 km，约28.4%的地震差值在2.0~4.0 km之间，仅9.1%的地震差值超过4.0 km，差异最大的2个地震即表 1中No.38和No.62地震，深度差值分别为5.55 km和5.4 km，而这两个地震理论波形与实际观测波形均拟合较好，至少有8个台站所有分量波形拟合相关系数全部高于60%.序列总体hCAP与hMS差异均值约1.82 km.我们认为，CAP方法在波形反演过程中通过深度震相以及体波与面波的相对强度进行深度约束(罗艳等, 2015)，所获得的震源深度hCAP比hMS更准确.

图 8展示了3个深度剖面的序列震源矩心深度分布，剖面位置见图 7a(黑色实线).沿龙门山断裂带走向的A-B剖面(图 8a)显示余震带长约37 km，主震两侧余震呈不对称分布，其中，南西侧长约27 km，北东侧长约10 km.序列中超过77%的余震分布在主震上部9~14 km深度上，整个序列震源深度均值约13 km.

图 8 芦山地震序列震源深度剖面图 A-B剖面(a)沿龙门山断裂带走向；C-D剖面(b)和E-F剖面(c)垂直于断裂带走向，宽度为剖面两侧各10 km. (c)中黑色虚线为推测断层面，分别用FM和FY标示.Δ标示图 7中断层F3在剖面上的投影位置. Fig. 8 Vertical cross-sections of hypocenter depths of the Lushan earthquake sequence A-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. Δ is the mark of F3 in Fig.7 projected on the sections C-D and E-F.

垂直于龙门山断裂带走向的C-D(图 8b)、E-F(图 8c)深度剖面包含剖面两侧各10 km宽度范围内的地震，均显示余震可能发生在多条断裂上，余震区宽度约16 km.在E-F剖面图(图 8c)上，可以看出NW倾向的主发震断层FM自约12 km深度向浅部倾角变大，与Zhang等(2015)关于芦山主震发震断层形态的推论相吻合.从图 8c还可以发现，震源区存在着与NW倾向的主发震断层FM近乎垂直的SE倾向反冲断层FY(Fan et al., 2015; Long et al., 2015)，芦山主震发生在FM与FY交汇部位，因此，推测该反冲断层FY的活动应属主发震断层FM牵动所致(Fang et al., 2015).此外，C-D(图 8b)、E-F(图 8c)剖面图还显示，前山断裂F3(即南段的大川—双石断裂)不是主发震断裂，但可能参与了部分余震活动.由此可见，芦山序列受多条断裂控制.

图 8显示，芦山序列中没有发现类似汶川余震区南、北两端深度小于5 km的超浅源地震活动(罗艳等，2010；易桂喜等，2012).芦山序列余震最小震源深度(7 km)接近Jiang等(2014)利用GPS资料反演得到的芦山地震震源断层面上界深度(7.7 km)，最大深度22 km与陈运泰等(2013)的芦山地震破裂下界深度(约20 km)基本一致，7~22 km的余震深度分布与震源破裂过程反演得到的主要破裂分布深度(Hao et al., 2013；刘成利等，2013；金明培等，2014)相吻合，也与陈棋福等(2015)基于有限元模拟获得的龙门山断裂带应力聚集成核区5~19 km深度基本一致.上述结果均表明芦山地震震源体埋藏较深，主震震级较小且主震破裂在断层面上的分布较集中(王卫民等，2013)，很难产生地表破裂，这可能是发生在盲冲断层上的芦山地震没有观测到明显地表破裂(徐锡伟等，2013)的重要原因.

余震的空间分布在很大程度上反映了地震的破裂范围(张培震等，2009).根据图 8，可以粗略估计出本次芦山地震震源体大小为：沿龙门山断裂带走向长约37 km、垂直断裂带走向宽约16 km、深度范围16 km，略大于赵旭等(2014)根据震源破裂过程反演获得的15 km破裂半径尺度，但小于Fan等(2015)根据芦山地震序列精确定位获得的沿断层走向长约55 km、深度范围约16 km的震源体尺度.龙门山断裂带历史地震记录显示，芦山地震前，南段仅发生了1327年9月天全M≥6.0、1941年6月宝兴与康定间M6.0、1970年2月大邑M6.2级3次6级以上地震(见图 1)，属于长期缺少M≥7.0级地震的强震破裂空段(易桂喜等，2013).本次芦山M7.0(或MW6.55)级地震的震源体尺度较小，意味着龙门山断裂带南段仅破裂了局部区域，且主震没有发生在南段主干断裂F3上(见图 8b和图 8c)，南段长期积累的应变能未能得到充分释放.芦山地震没有完成龙门山断裂带南段整体的断层解锁(武艳强等，2013)，或者说芦山地震的发生没有完全缓解南段的强震危险性(Wu et al., 2016)，南段仍存在发生强震的危险.

4.3 芦山地震震源区深部构造运动与变形特征

芦山地震序列88个地震的应变花形态(见图 4)与面应变As值(见表 1)揭示了序列中绝大多数地震的发震构造运动方式为纯逆冲型，以挤压瓣(白瓣)为优势的应变花方位呈与龙门山断裂带走向近乎垂直的NW-NWW向，表明震源区局部构造以NW-NWW向挤压变形为主；88个地震整体的As值为0.98，与主震(见表 1)一致，序列整体的应变花(图 4中用all标示)形态(包括方位和形状)也与主震(图 4中No.01地震)一致，呈NW向纯挤压逆冲模式，表明芦山震源区构造整体以逆冲运动、NW向纯挤压变形为特征, 与利用GPS观测到的龙门山断裂带南段主压应力方向与断裂带垂直的受力状态(刘峡等，2014)及芦山地震震源区呈NW向挤压应变模式(武艳强等, 2013; Zhang, 2013；刘晓霞等，2015)相吻合.上述表明，在来自青藏块体南东向挤出的近NW-SE向区域构造应力场作用下，芦山地震震源区深部构造整体呈NW向纯挤压变形模式.

为了分析震源区应变模式是否受震级的影响，我们分别给出了不同震级段地震整体的应变花(见图 9)，图像显示，各震级段整体的应变花形态均呈NW向挤压瓣(白瓣)，表明芦山地震序列的发震断层为逆冲运动、震源区构造呈NW向纯挤压变形.不同震级段一致的应变花方位与形状所展现的这种应变模式的相似性揭示出震源所处区域构造变形具有震级自相似性，即震源区构造变形与震级无关.这一自相似性特征也曾在美国旧金山湾地区(Amelung and King, 1997)和阿拉斯加Denali断裂带(Vallage et al., 2014)上观测到.上述结果表明，任何一个震级段均可代表研究区域的总体变形模式(Vallage et al., 2014).

图 9 不同矩震级MW段应变花应变花左侧数字表示该震级段的地震数. Fig. 9 Strain rosettes for different magnitude MW intervals The number of earthquakes summed within a special moment magnitude range is shown on the left of each strain rosette.

芦山地震余震集中分布在较小的区域，其丰富的余震震源机制解为尝试研究震源区不同深度的构造变形特征提供了条件. 图 10给出了各震源深度上地震整体的应变花.图像显示，各深度地震整体的应变花仍以挤压瓣(白瓣)为优势，方位呈NW-NWW向，表明震源区构造无论是总体还是垂向分段(深度方向)均以逆冲运动、NW-NWW向挤压变形为特征.但应变花方位与形状随深度仍存在一定的差异. 7~12 km深度的应变花方位与形状极为相似，显示此深度范围的震源区构造运动与变形具有很好的一致性，结合图 8c，可以看出，12 km及上部的地震主要受主发震断裂FM控制，因此，该深度区间的构造运动与变形的一致性应反映了主发震断裂在该深度的运动与变形特征. 13 km深度的应变花显示该深度构造呈纯挤压变形，但应变花方位向西偏转为NWW向，即挤压变形为NWW向；14 km深度的应变花以NW向挤压瓣为主，NE向出现微小白瓣，显示该深度的构造以NW向挤压变形为主，同时，在NE方向也存在小量的挤压变形，13~14 km深度应变花方位与形状的上述变化或许与反冲断层FY有关.主震下部的构造虽仍以逆冲运动、挤压变形为主，但16~19 km深度区间的应变花出现较明显的拉张瓣(黑瓣)(图 11)，表明在该深度区间构造运动存在走滑分量，构造变形兼具一定的NE向拉张变形，同时，自18 km以下深度应变花方位出现明显的向西偏转现象，由NW向转为NWW向，即18 km以下深度的构造主要以NWW向挤压变形为优势，与上部震源体存在较明显的差异，从图 8b和图 8c可以看出，18 km以下深度的地震主要发生在主发震断裂FM西侧且倾向更偏西的断层上.由此推测，13 km及深部的应变花形态(方位与形状)随深度的变化可能与震源区深部的地震受多条断裂控制有关.不同深度应变花形态的差异反映了震源区深部构造运动与变形特征在垂向(深度)上可能存在分段差异.

图 10 不同深度地震整体的应变花 应变花左侧数字表示该深度的地震数. Fig. 10 Strain rosettes at different depths The number of earthquakes summed at special depth h is shown on the left of each strain rosette.
5 结论

基于四川区域地震台网2013年4月20日至2015年12月31日记录的地震波形资料，本文利用CAP波形反演方法同时获取了2013年芦山M7.0级地震序列中88个MW≥3.3(或M≥3.0)级地震的震源机制解、震源矩心深度与矩震级，进而利用应变花和面应变As值，分析了芦山地震序列震源机制和震源区深部构造运动与变形特征.主要认识有：

(1) 芦山M7.0级地震的矩震级为MW6.55；震源深度为15 km；震源机制解节面Ⅰ走向24°、倾角48°、滑动角80°，倾向SE，节面II走向219°、倾角43°、滑动角101°，倾向NW；P轴仰角3°、方位角121°，T轴仰角82°、方位角230°.与余震分布长轴走向和震源区断裂带走向及倾向一致的节面II为主震发震断层面(破裂面).余震区长轴沿龙门山断裂带走向长约37 km、垂直断裂带走向宽约16 km，主震两侧余震呈不对称分布，主震南西侧长约27 km、北东侧长约10 km.余震分布在7~22 km深度范围，优势分布深度为9~14 km，序列平均深度约13 km，绝大多数余震分布在主震上部.序列主要受倾向NW、倾角约45°的近NE-SW向主发震断层控制，部分余震受控于与主发震断层近乎垂直的SE倾向反冲断层；前山断裂(南段的大川—双石断裂)不是主发震断裂，但可能参与了部分余震活动.未发现类似汶川序列中深度小于5 km的余震活动.芦山地震震源体埋藏相对较深，主震震级较小且主震破裂在断层面上的分布较集中，这可能是芦山地震没有明显地表破裂的主要原因.

(2) 面应变As值统计显示，芦山地震序列以As＞0.7的逆冲型地震占绝对优势，所占比例超过93%. P轴近水平且优势方位单一，呈NW-SE向，与龙门山断裂带南段所处区域构造应力场方向一致，反映芦山地震震源区主要受区域构造应力场控制，芦山地震是在近水平的NW-SE向主压应力挤压作用下NE-SW向断层发生逆冲运动所致.序列中非逆冲型地震均发生在主震附近，且主震附近P轴仰角存在较明显差异，表明主震对震源附近局部区域存在明显的应力扰动.

(3) 序列整体及不同震级段的应变花形态均为NW向挤压白瓣，显示芦山地震震源区深部构造呈逆冲运动、以NW向纯挤压变形为特征.各震级段应变花方位与形状的一致性表明震源区地震应变具有震级自相似性，揭示该震源区构造运动和变形模式与震级无关.

(4) 不同深度地震整体的应变花形状同样以挤压瓣(白瓣)为优势且方位呈NW-NWW向，显示震源区构造无论是总体还是垂向(深度)分段均以逆冲运动、NW-NWW向挤压变形为特征.但应变花形态(包括方位与形状)随深度具有较明显的变化，主震上部7~12 km深度一致的应变花方位与形状显示该深度范围的震源区构造运动与变形具有较好的一致性，呈NW向纯挤压变形. 13 km及以下深度应变花方位和形状出现随深度的明显变化，构造运动与变形的一致性相对降低，可能与深部地震活动受多条断裂控制有关.震源区不同深度应变花形态的差异可能反映了震源区深部构造运动与变形特征在深度方向上存在着分段差异.

(5) 粗略估计的芦山地震震源体尺度为：沿龙门山断裂带走向长约37 km、垂直断裂带走向宽约16 km、深度范围16 km，尺度较小，表明龙门山断裂带南段仅破裂了局部区域，且芦山地震并未发生在南段主干断裂上，其长期积累的应变能没有得到充分释放，龙门山断裂带南段仍存在发生强震的危险.

致谢

两名匿名审稿人给出了具有建设性的修改建议. CAP程序由美国圣路易斯大学的朱露培教授提供.部分图件采用GMT软件绘制.中国地震局地质研究所陈立春研究员为本文提供了龙门山断裂带南段详细的断层数据.

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