2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036;
3. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081;
4. 国家海洋环境预报中心, 北京 100081
2. Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
3. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China;
4. National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081, China
青藏高原东缘的四川地区位于南北地震带中部,巴颜喀拉地块、华南地块里的四川盆地和川滇地块在区域内交汇,区域内分布有多条地震活断层,如龙门山断裂、鲜水河断裂等(如图 1).2008年5月12日,在龙门山断裂带上发生了汶川M8.0地震.时隔五年之后,2013年4月20日,龙门山断裂带南段发生了芦山M7.0地震.2017年8月8日,在岷江断裂与塔藏断裂交汇区发生了九寨沟M7.0地震.中国地震台网中心地震目录显示,自2010年01月01日至2017年12月31日,四川地区共发生M≥5.0地震17次,5.0>M≥4.0地震大约有100多次.汶川M8.0地震的发生,对区域内构造应力场有调整作用,研究汶川震后中强地震活动和震源机制及区域应力场分布特征,分析中强地震深度分布有重要意义.
中强地震的震源机制解和准确的震源深度有益于对区域应力特征、地震活动特性、发震断层结构等的理解.研究显示,震源机制解和震源深度分别是认识断层产状结构,确定发震断层,了解震源区应力状态,判定发震机理和后续发震趋势等的重要依据(Waldhauser and Ellsworth, 2000; 易桂喜等, 2016, 2017a; Rubin, 2002; Hauksson et al., 2012; 高原等, 1997; 赵博等,2013).震源深度定位的准确性一直是地震学研究的难题.传统的走时定位受到台站分布和区域地震波速度模型等的影响,在深度方向上的定位精度较低.经典的盖格法在线性化、最小二乘求解以及观测系统的误差分布上有局限性(许力生等, 2013a, b).特别是深度定位,受到定位方法、台站分布、区域速度结构的影响较大,本研究拟根据面波能量谱特征进行深度定位,以避免目标函数线性化、台站分布、区域速度结构等对深度的影响.本研究首先利用波形拟合反演法对四川地区17次M≥5.0地震和100多次5.0>M≥4.0震源机制解进行反演(Herrmann, 2013),然后根据震源机制解计算理论地震图,根据面波振幅谱特征,尝试对震源深度进行准确定位(Tsai and Aki, 1970; Fox et al., 2012; Heyburn et al., 2013).Tsai和Aki提出了利用地震面波振幅谱精确确定震源深度的方法, 并论证了方法的可行性(Tsai and Aki, 1970).地震面波能量与震源机制、观测方位和震源深度有密切关系.当震源机制与观测方位确定后,可以利用面波振幅谱与震源深度唯一依赖关系,确定震源深度.
1 背景和数据四川地区中强地震大多分布在区域内主要构造块体的交汇区和活动断层附近.川西—青藏交汇区地震活动背景一直很强(Gao et al., 2000).如图 1,汶川M8.0地震、芦山M7.0地震和九寨沟M7.0地震均发生在巴颜喀拉块体和华南块体的交汇区.根据震源机制解资料和剪切波分裂参数研究,在巴颜喀拉地块东部、龙门山断裂带南段的主压应力方向为NWW—近EW向(Zhao et al., 2012; 赵博等,2013;高原等,2013).四川盆地—龙门山—巴颜喀拉一线的地震勘探剖面显示,该地区地壳厚度在龙门山两侧变化很大(滕吉文等,2008; 朱介寿,1984;Zhang et al., 2010).在2008—2017年期间,研究区内破坏性地震发生频繁.汶川地震和芦山地震的发震断层为龙门山断裂带,九寨沟地震发生在虎牙断裂、岷江断裂、塔藏断裂所围限的区域.四川地区南部为川滇块体和巴颜喀拉块体的交汇区.道孚M5.0地震、炉霍M5.4、康定M6.4和M5.9地震均发生在该区域的鲜水河断裂上,白玉M5.5地震、理塘M5.2地震、得荣M5.2地震则发生在德格—乡城断裂、理塘断裂、金沙江断裂和德钦—中甸断裂的交汇区.在华南块体和川滇块体的交汇区,发生过越西M5.2地震和金口河M5.0地震.
本研究收集了2010年1月1日—2017年12月31日,四川地区发生的中强地震的波形数据(图 2),其中包括60多个四川区域地震台网和140多个国家地震台网波形数据.震源机制反演所用的波形数据为区域台网近场波形数据(震中距≤500 km),震源深度确定所用的数据为国家台网远场波形数据(震中距≥500 km).
震源机制反演方法有多种,例如,P波初动法、振幅比法、波形拟合法等.本研究通过计算理论地震图,采用CPS程序进行波形拟合反演(Herrmann, 2013).对于M6.0以上的强震,可以利用远场波形记录和大尺度速度模型(如AK135模型)进行反演,但对于区域中等强度地震,如5.0≤M≤5.9的地震,远场波形记录信噪比不高,因此可以选择区域台网记录的近场波形进行反演.本研究利用四川省区域台网的波形记录,对2010年1月1日—2017年12月31日四川地区中强地震进行震源机制反演.M≥5.0地震参数见表 1(包括汶川地震主震震源参数),所采用的速度模型为表 2(赵珠等,1997).
以2014年11月22日四川康定M6.4地震为例,简单介绍震源机制反演过程.首先,计算理论波形并与观测波形进行波形拟合(图 3),同时根据最佳拟合结果进行震源机制随深度变化的拟合度分布分析(图 4).最终反演得到本次地震震源机制解为:节面一:走向238°,倾角80°,滑动角-165°;节面二:走向145°,倾角75°,滑动角-10°;矩震级MW=5.81,标量地震矩:M0=6.53×1019N·cm.对于本次地震,前人也给出了反演结果:节面一:走向234°,倾角81°,滑动角-172°;节面二:走向143°,倾角82°,滑动角-9°(易桂喜等,2015);康定地震发生在鲜水河断裂,震源机制解显示,本次地震为高倾角走滑型,结合震源区断层走向,推断该次地震为左旋走滑型地震.除本次康定M6.4地震外,鲜水河断裂上的大部分M≥4.0地震均为左旋走滑型.鲜水河断裂是川滇块体和巴颜喀拉块体的交界区,川滇菱形块体的顺时针旋转及鲜水河断裂的高倾角断层产状结构,是该地区左旋走滑型地震的主要成因.其他地震震源机制反演结果见图 5,表 2给出了本研究结果与GCMT(Global Centroid Moment Tensor)结果对比.
通过大量震源机制解资料,可以得到区域的应力场分布情况(许忠淮等,1984),如果对一个地区许多地震的P轴方向和T轴方向做统计平均,就有可能获得该地区构造应力的方向(陈运泰和顾浩鼎,2007).本研究采用力轴张量计算法(钟继茂和程万正,2006)对四川地区构造应力方向进行了反演.
图 5给出了汶川M8.0主震和四川地区2010年1月1日至2017年12月31日发生的M≥4.0中强地震震源机制解的空间分布.在龙门山地区,震源机制呈现明显的空间分布差异,这与前人的研究一致(易桂喜等,2012;郑勇等,2009).龙门山断裂带中部,震源机制以逆冲型为主,与青藏高原向东推覆挤压运动有关.断裂带西北段青川—平武地区,震源机制以逆冲为主,兼有走滑分量.青川—平武段的剪切波分裂研究显示,该地区快剪切波偏振方向呈现与断裂带走向一致的特点(石玉涛等,2009),这与该地区震源机制解兼有走滑分量相符.在理县地区,震源机制解以走滑型为主.汶川地震余震序列重新定位结果显示,该地区余震与龙门山断裂带走向共轭分布(即呈NW向),即沿米亚罗断裂走向(Zhao et al., 2011; 易桂喜等,2012).米亚罗断裂为高倾角断层,这与左旋走滑型震源机制解反映结果一致.利用龙门山断裂带地震震源机制解(除芦山序列),反演得到该区域主压应力场方向为105.9°.前人剪切波分裂研究结果显示,该区域快剪切波偏振方向也为近WNW向(石玉涛等,2009).芦山地震发生在龙门山前山断裂南端(易桂喜等,2016;赵博等,2013),为逆冲型地震.利用芦山地震主震及其余震震源机制解反演得到了本地区的主压应力场方向为112.0°.剪切波分裂结果显示,MDS(雅安台)快剪切波偏振方向为106°(石玉涛等,2009).剪切波分裂快波偏振方向与区域主压应力场一致,通过震源机制解应力场反演和剪切波分裂分析结果推断,龙门山地区不同位置应力场方向有差异,但总体方向为WNW—近EW向.
九寨沟M7.0地震也发生在巴颜喀拉地块,但其发震断层不在龙门山断裂带区域内,其震源机制显示为左旋走滑型.九寨沟地震发生在虎牙断裂、岷江断裂、塔藏断裂和雪山梁子断裂四条断裂所围限区域的树正断裂(易桂喜等,2017b),震中距龙门山后山断裂的平武—青川段的直线距离约为100 km.本研究反演得了主震震源机制解,节面一:走向330°,倾角70°,滑动角-15°;节面二:走向65°,倾角76°,滑动角-159°.根据区域断层走向推断,节面一为发震断层面,本次地震为左旋走滑型震源机制.利用主震及余震序列震源机制解反演的到该地区构造主压应力场方向为106.7°,与龙门山地区压应力轴方向相近.
川滇地块与巴颜喀拉地块交汇区的鲜水河断裂也是四川地区主要的中强地震发断层.鲜水河断裂是分割川滇块体和巴颜喀拉块体的一条呈弧形的大型活动断裂带(Allen et al., 1991).该断裂带北西起与甘孜北,向南东经炉霍、道孚、乾宁、康定等地(唐荣昌和韩渭滨, 1993; 易桂喜等, 2015).康定M6.4和M5.9地震、炉霍M5.4地震、道孚M5.0地震均发生在鲜水河断裂上,震源机制都为左旋走滑型,这与川滇菱形地块顺时针旋转有密切关系.剪切波分裂结果显示,DFU(道孚台)快剪切波偏振方向为108°,SMI(石棉台)快剪切波偏振方向为95°(石玉涛等,2013).鲜水河断裂带自晚更新世以来,构造应力场为近东西向挤压和近南北向拉张,在此应力作用下,鲜水河断裂开始大规模水平错动,并以左旋走滑为主(谢富仁等,1995).2010—2017年,鲜水河断裂上共发生了多次中强地震(M≥4.0),由北向南分别有炉霍、道孚、康定、泸定、九龙等地震,这些地震均为左旋走滑型,利用震源机制解反演的主压应力场方向为108.5°,近EW向.
越西M5.2地震发生在四川东南部,是川滇块体的东部边界.该地区除了越西M5.2地震,还发生多次M≥4.0地震,例如昭觉M4.6,木里M4.2、M4.4、M4.6,普格M4.0等.这些地震震源机制均为走滑型,反演得到该区域主压应力轴方向为147.5°,近NW向.该地区快剪切波偏振方向也呈现为近NW向:MLI(木里台)为161.4°,PGE(普格台)为144.3°,YYC(园艺场台)为126.6°(石玉涛等,2013).剪切波分裂结果和本研究结果均显示该地区的主压应力轴方向为近NW向.
川滇块体西部存在着金沙江断裂、德格—乡城断裂、理塘—义敦断裂、德钦—中甸断裂等一系列地震断层.GPS资料显示,巴塘、理塘一带呈明显的张性运动(李煜航等, 2014),本研究显示,该地区发生的理塘M5.2和得荣M5.2地震以及多次5.0≥M≥4.0地震,其震源机制解都为正断层.川滇地块西部位于扩展裂隙区,既有红河断裂尾端的拉伸区(虢顺民等,1996)又有横切川滇菱形块体的丽江—小金河断裂在区域内交汇,青藏高原东扩及中下地壳物质流动的拖曳作用与构造部位的特殊性叠加形成了显著的拉张应力(王晓山等,2015).剪切波分裂快波偏振方向显示:LTA(理塘台)为48.3°,LGH(泸湖台)为5.5°(石玉涛等,2013).本研究结果反演的到的主压应力轴方向为12.2°,其仰角近40°,该区域的压应力轴方向为NEN向.
3 震源深度确定震源深度的准确定位是地震学研究的一个基本但重要的内容,准确的震源深度对理解发震断层结构、板块运动和构造,识别非天然地震等有重要意义(Waldhauser and Ellsworth, 2000; Stein and Wiens, 1986; Heyburn et al., 2013; 高原等, 1997).本研究采用面波振幅谱能量衰减特征定位方法,对研究区域内中强地震进行深度定位,该方法能够准确测定震源深度.Rayleigh波在0.01~0.08 Hz频段内振幅谱特征与震源深度有密切关系,其频谱形状随深度变化比较敏感.在某一频段内,Rayleigh波振幅谱能量会出现陷波特征,即能量突然衰减.能量衰减对应的频段与震源深度有密切关系,可以根据这种关系进行深度定位.
Aki和Richards给出了Rayleigh波辐射花样(Aki and Richards, 2002),公式(1):
(1) |
其中,ϕ为震中-台站方位角,ωn为角频率,kn为波数,M为地震矩张量,α, β分别为P波和S波速度,ρ为密度,r1为水平位移向量特征函数,r3、r4为剪切应力和正应力特征函数,h为震源深度.
Rayleigh波的振幅公式显示,振幅A(ϕ, ωn)是观测方位ϕ与频率ωn的函数,受震源机制和震源深度的影响.矩张量M可以通过其他反演方法获得,或者利用GCMT已知等矩张量目录数据.P波和S波速度,本研究选用全球大尺度速度结构,例如,AK135.r1、r3、r4可以通过解运动应力向量的微分方程获得,该微分方程包含密度、波数以及拉梅常数(λ和μ).
图 6为理论逆冲型地震(倾角为45°、滑动角为90°;当滑动就为-90°时为正断层)和走滑型地震(倾角90°、滑动角0°)在震源深度为15 km和5 km时,Rayleigh波振幅谱在360°方位角上分布特征.图中虚线范围内为面波能量锐减区,该区域出现的频率范围与震源深度有关.
以芦山M7.0地震为例,该地震震源机制解为:走向200°、倾角45°、滑动角95°(赵博等, 2013).为了选择振幅能量衰减明显的观测台站,利用震源机制解计算5 km、10 km、20 km深度全方位角理论振幅谱(图 7).图 7显示不同深度振幅谱特征有明显变化,在震中-台站方位角为40~170°和220~350°范围内,振幅能量衰减特征较为明显.因此选取该方位角范围内的国家地震台网台站用于深度定位.
以QZN台(琼中台)的观测波形为例.计算QZN台的理论地震图振幅谱并与观测波形振幅谱进行对比,在1~50 km深度搜索振幅谱能量衰减区位置的最佳拟合深度.图 8a显示了7~16 km深度理论波形振幅谱与观测波形振幅谱对比,在11.4 km深度时,频谱特征最为相似,能量衰减频率出现的位置最接近.图 8b为国家地震台网AXX、FZCM、GTA和JYG台的测量结果.M7.0芦山地震震源深度定位选用了48个国家地震台网台站,最终确定本次地震的震源深度为13.1 km,均方根误差为1.8 km.表 3为研究区域2010年1月1日至2017年12月31日M≥5.0地震震源深度定位结果和其他机构深度定位结果.
汶川地震后,本地区发生了两次M7.0地震,即芦山地震和九寨沟地震.本研究给出了芦山M7.0震源深度为13.1 km,与USGS给出的震源深度14 km较为一致,CENC地震目录给出的深度为17 km,三者的差别不到4 km.对于九寨沟M7.0地震的震源深度,本研究给出的深度为8.2 km,USGS为9 km,CENC的定位深度为10 km,赵博等(2018b)利用干涉地震震源成像法定位的到本次地震震源深度为9 km,几种结果基本一致.这两次强震都发生在巴颜喀拉地块与华南地块交界附近,综合本研究结果和国内外其他研究机构的定位结果,在龙门山断裂带及其西部区域,地震震源深度的优势分布应该在10~20 km之间的中上地壳.这与龙门山断裂带的叠瓦状结构有关,其基地面大约在20 km以上倾斜展布.
康定M6.4地震和康定M5.9余震的震源深度分别确定为13.2 km和13.1 km,USGS结果皆为9 km,CENC结果分别为20 km和16 km;而ISC地震目录给出的结果较浅,分别为2 km和6.3 km.位于同一断层西北方向约50 km的道孚M5.0地震震源深度为11.5 km,USGS结果为10 km,CENC结果为8 km,ISC结果为12.5 km.鲜水河断裂西北端的炉霍M5.4地震,定位的震源深度为9.5 km,CENC结果为10 km.综合考虑整个鲜水河断裂地震,本研究认为,鲜水河断裂带上的地震震源深度优势分布应该为10 km左右(表 4).
位于川滇块体西南的理塘断裂、巴塘断裂、金沙江断裂、德格—乡城断裂等的地震:白玉M5.5、得荣M5.2、理塘M5.2,震源深度分别为9.4 km、7.6 km、8.9 km.川滇块体西南的这几次地震的震源深度均小于10 km.川滇块体西部,由于下地壳物质东移,对上地壳的拖曳作用,使该地区上地壳呈张性应力状态,而震源机制解反演与应力场反演也证明了这一点.几次中强地震震源深度小于10 km,也表明该地区上地壳受张性拉张应力,其中强地震发震孕震层位于10 km以上的上地壳.
4 结论青藏高原东缘的四川地区是中国大陆的地震多发区,自2010—2017年,该地区共发生18次M5.0以上地震和100多次5.0>M≥4.0地震,其中两次M7.0和一次M6.4强地震.这些地震主要分布在四川西部和南部的巴颜喀拉地块和川滇地块内部以及与四川盆地(华南地块)的交汇区.青藏高原物质向东运移在龙门山地区受到华南地块的阻挡,产生挤压推覆作用.本研究震源机制解反演结果表明,龙门山地区的地震主要以逆冲型震源机制为主,兼有少量走滑分量.在理县附近,震源机制显示为走滑型,这与区域内NW向的高倾角米亚罗断裂有关.而川滇块体西南部的金沙江断裂、巴塘断裂、理塘断裂、德格—乡城断裂等地区,地壳运动显示为张性运动,该地区的震源机制表现为正断层性质.位于川滇块体和巴颜喀拉块体交界的鲜水河断裂,是两大块体的分界,该断层上发生的地震多为走滑型地震.
震源机制解反演的得到的龙门山地区构造应力场主压应力轴方向为105.9°,芦山地震震源区应力场反演结果为112°,九寨沟地震震源区主压应力轴为106.7°.因此,龙门山及其周边地区构造应力场方向应为WNE—近EW向.鲜水河断裂被认为是川滇块体和巴颜喀拉块体的分界.2010年以来,鲜水河断裂上共发生了4次地震:道孚M5.0地震、炉霍M5.4地震和两次康定(M6.4、M5.9)地震以及在九龙、泸定等发生的M4.0左右的地震.这些地震震源机制非常相似,均为走滑型,这与该地区近东西向挤压和近南北向拉张的构造应力有关.应力场反演得到的主压应力轴为108.5°WNW向.川滇块体东部边界地区,其主压应力轴反演结果为147.5°NW向.川滇地块的西部地区,地壳构造应力场呈现近EN向拉张特性,反演得到主压应力轴为12.2°.
中强地震深度定位显示,在龙门山断裂带及其西部区域,地震震源深度的优势分布应该在10~20 km之间的中上地壳.这与龙门山断裂带的叠瓦状结构有关,其基地面大约在20 km以上倾斜展布.鲜水河断裂带上的地震震源深度优势分布在为10 km左右.川滇块体西部,上地壳收到中下地壳物质东向流动的拖曳拉张,使得上地壳受到近EW向的拉张应力控制,其中强地震震源深度均在10 km以上.
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