2016, Vol. 31
2. 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室, 桂林 541004
2. Key Laboratory of Geological Engineering Centre of Guangxi Province, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China
集集地震，于1999年9月20日17时47分15.9秒(本文所述时间均为世界协调时间)，在台湾中部山区发生.主震震中在北纬23.85度、东经120.82度，约于南投县集集镇境内，震源深度8.0 km，里氏规模7.3(台湾“中央”气象局，2000)，美国地质调查局测得矩震级7.6~7.7(2012).大多数余震发生在主震破裂带周围，分布于车笼埔断层东方及震中南方一带.
震源机制解反映地震破裂的几何特征和动力学特征，是研究区域构造应力的基础.裁剪-粘贴波形反演法(cut and paste，以下均简称为CAP)是其中较新的震源机制反演方法.该方法将体波和面波分别反演，所以能在很大程度上减小速度模型对反演结果的影响(Zhao and Helmberger, 1994；Zhu and Helmberger, 1996；Tan et al，2006).目前, 国内一些研究结果(吕坚等，2005；韦生吉等，2009；黄建平等，2009；郑勇等，2009；吕坚，2009)充分证明了CAP在震源机制解乃至矩心深度研究方面的有效性和可靠性.
解与矩心深度研究方面的有效性与可靠性集集地震过去已近17年.使用较新的CAP重新研究得到新结果有重要意义.
1 研究方法一个双力偶源产生的理论地震位移可以表示为(Zhu and Helmberger, 1996)
|
(1) |
其中M0是标量矩.i=1, 2, 3，分别对应垂直的走滑断层、垂直的正断层和45度的倾滑断层.θ、δ、和λ分别是震源的走向、倾角和滑动角，是反演主要的未知参数.
反演判断标准是正演的格林函数和实测数据的位移足够一致.CAP按网格搜索的方式在上述未知参数和震源深度搜索震源机制解.误差定义函数为(Zhu and Helmberger, 1996)：
|
(2) |
其中r是震中距，r0是参考震中距，p是指数因子，用于矫正震中距对波形的影响.
2 数据和模型 2.1 余震和台站分布台湾BATS宽频观测网(1996)为笔者提供了波形数据(seed格式)(Kao et al，2002)，其中包含169个地震，分布在台湾岛“中央”山脉周围.台站是13个宽频高增益地震台，其中台湾岛10个，金门、马祖和兰屿各一个，如图 1.
|
图 1 台站分布 Figure 1 Station distribution |
台湾岛主要由欧亚板块和菲律宾板块的聚合作用产生.根据GPS观测资料，菲律宾海板块以每年8.2公分的移动速度向西北移动(Yu et al，1997).在台湾岛西部，欧亚板块隐没于菲律宾海板块之下，而在北边，则是菲律宾海板块在欧亚板块之下，如图.板块聚合作用使得台湾岛逐渐隆起，并且形成了东南方的菲律宾海沟、马尼拉海沟、吕宋海槽和吕宋岛弧，以及北方的琉球海沟和琉球岛弧(Shyu et al，2005).菲律宾海板块以每年7 cm的速度向西北方移动，造成新生代的沉积物有200公里的范围从4百万年至今遭到挤压.遭到挤压的物质则以每年5 mm速度上升形成山脉([ Zhang and He, 2002).如图 2.
|
图 2 台湾地质构造(Ernst et al，1985). Figure 2 Geological structure of Taiwan |
震源机制解本身无法分辨断层面与辅助面，要区分开来需要其他资料综合分析.许雅儒分析了1993年到1999年之间的GPS原始测量资料，然后绘制了间震期的GPS速度场图 2004度场图(2004)，如图 3.根据速度的分布，可以做如下解释：平行于板块运动的分量在东南沿海的花莲到台东一线因为属于向西北方向挤压的菲律宾板块，故具有最大的速度；因为发生碰撞、被褶皱、地震等吸收，往西北方向的速度逐渐减小.因为受到来自东南方向的挤压，又被西北方向的欧亚板块阻碍，地表物质被向西南方向挤出，所以台湾南部具有较大的垂直于板块运动的速度.这说明台湾岛主要受到东南--西北方向的应力挤压.
|
图 3 GPS速度场(許雅儒，2004) 灰阶代表地形起伏，主要的断层绿色表示，红色圆点表示GPS测点，黄色和蓝色直线分别为GPS速度场投影至平行和垂直板块的分量. Figure 3 GPS velocity field (Xu Y R, 2004) |
CAP方法对于速度模型的要求不高，但一个较准确的地壳速度模型仍然可以在一定程度上提高结果的准确性(郑勇等，2009).台湾岛复杂的地形和地下结构给确定一个较为准确的地壳速度模型带来了困难.Ma等(1996)利用CWBSN台网的75个三分量地震仪的高精度P波和S波到时数据，经层析成像得到了台湾岛地壳和上地幔的三维速度模型.邵志刚等(2009)将这个三维模型转化为了一维速度模型.这个模型适用于FK格林函数计算，本文使用的正式这个模型.具体参数如表 1所示：
|
表 1 速度模型 Table 1 Velocity model |
169个地震中有1个实际没有包含波形文件，无法反演.剩下的168个地震中，残差低于0.1的，共138个，平均残差为0.014610.
图 4到7是其中2个地震的拟合情况.两个地震的波形拟合效果图都显示波形拟合度比较高.深度-残差图横轴为深度，纵轴为残差.两个地震的深度-残差图可以看到均收敛良好.
|
图 4 1999年9月21日8时3分17.4秒地震CAP反演波形拟合效果图 Figure 4 Waveform fitting effect of CAP inversion in 8 minutes and 17.4 minutes 3 seconds in September 21, 1999 |
|
图 5 1999年9月21日8时3分17.4秒地震CAP反演深度-残差图 Figure 5 September 21, 1999 8, 3 minutes and 17.4 seconds seismic CAP inversion depth-residual |
|
图 6 1999年11月12日1时9分49.8秒地震CAP反演波形拟合效果图 Figure 6 Waveform fitting effect of CAP inversion in 1 minutes and 49.8 minutes 9 seconds in November 12, 1999 |
|
图 7 1999年11月12日1时9分49.8秒地震CAP反演深度-残差图 Figure 7 November 12, 1999 1, 9 minutes and 49.8 seconds seismic CAP inversion depth-residual |
第一行给出了震源的机制解，其中黑色阴影代表压缩区，白色部分代表拉张区.震源球上的小圆圈代表台站在震源球下半球上的投影位置.文字部分包含了事件名称、模型名称、震源深度、断层面解的走向、倾角和滑动较(单位：度，采用Aki描述)、震级类型、震级大小和拟合残差等信息其中波形部分，一行对应一个台站，最左侧是台站名.一个台站的三分量记录的全波列是经变换坐标系和裁剪为Pnl V、Pnl R、SV、SR和SH波的.黑色实线的是实测波形，灰色虚线的是理论波形.台站名称下方的数字是震中距和P波初至相对理论初至时刻的移动时间(s).波形下面第一行数字代表观测波形的各波段相对理论波形的移动时间(s)，第二行是各波段的拟合度大小(%).
震级大于5级的较强余震(结果中5级地震12个，6级地震7个)的震源机制解如图 8.
|
图 8 震源机制解 Figure 8 Focal mechanism solution |
图中，白色五角星是主震震中.曲线线条是断层出露.折线线条是5、6级地震的分界.213_5.14等表示213号地震，震级为5.14.地震的编号是按照BATS宽频观测网的地震目录来的，其具体地震目录见表 2.
|
|
表 2 较大余震目录 Table 2 Larger aftershock catalog |
余震的震级和震中位置分布具有较强的相关性.参见图 8，点虚线以北除213号地震外，均为6级余震，以南则全部为5级余震(所有不小于5级的地震均绘出).在间震期，GPS速度呈现明显的北小南大的特点.而在地震时，北部震级大，南部小.这可能是在间震期，北部积累了更多的能量，而南部则靠地形变吸收了一些能量的结果.19个5级以上余震，17个发生在车笼埔断层出露的东南方.102、39、38、218、71号地震震中位置非常集中.37号地震则距离主震非常近.仅42号地震距离其他6级以上余震和主震稍微远一些.图 9的测线是从东经120.5度到121.5的北纬23.85纬线(穿过主震震中).可以看到较大余震在深度的分布上，是东深西浅，这和对车笼埔断层一般的认识是符合的.从中可以勾画出大概的断层面.
|
图 9 较大余震分布剖面图 Figure 9 Larger aftershock distribution profile |
主震发生后在30分钟内，发生了3次大于6级的余震，时间非常密集，这也是集集地震灾情较重的重要原因.在这3个6级以上余震后，第一个大于6级的余震是71号地震，发生于主震后约31小时；102号地震则发生在主震5天后；218号地震发生在第二年的6月10日.主震后超过半年依然可以发生超过6级的强余震，这一点对于灾后重建需要特别注意.至于为什么强余震即可以在很短时间内就发生(如38和39地震)，也可能间隔很长时间(218号地震)，笔者认为是随着地震序列的发展，应力积累随位置的分布发生了较大变化的结果.
3.2 震源机制解主震后第一个大于5级的余震是震级为6.09级的37号地震，距离主震仅16分钟，位置上也很近.如果再考虑到之后很短时间内又发生的两个大于6级的余震，这足以说明集集主震释放能量非常不完全；同时，也可以认为集集地震是多主震类型的，而不是单个主震.
参见表 3中，37号地震的面解信息.笔者认为后一组才是断层面.前一组的倾向是向西北，而且是低倾角的，这不符合当地的断层的特点.后一组数据虽然也是向西北倾，但非常陡立，只是向西北略微倾斜而已.故，37号地震的断层是高陡立的右旋走滑断层.
|
|
表 3 5级以上余震震源机制面解 Table 3 Focal mechanism solutions of 5 or more aftershocks |
38、39、71、102和218号地震发生地点接近，但它们彼此的震源机制有较大差别：38和39号地震发震时间和震中都非常接近.考虑到断层往东、南方向倾斜的可能性要高很多，笔者认为38号地震的断层面是strike=314，dip=65，rake=17，39号是strike=151.28，dip=86.66，rake=131.89.虽然按这样思考，39号地震是向北倾的，但非常的陡立，发震断层基本是一个走滑而不是倾滑断层.也就是说38号的断层是向东北倾斜、较陡立的带一点逆冲分量的左旋走滑断层，39号是极陡立的右旋走滑断层.两个地震的发震深度接近.笔者认为这也是能量在一次地震未能完全释放，而再发生地震的结果.时空强都如此接近的两个地震一个左旋，而另一个右旋，笔者认为左旋和右旋是因为物质受东南-西北方向的应力而向两侧挤出和地区应力调整的结果.考虑到车笼埔断层主要是南北走向，往东南倾，笔者认为71号地震的断层面strike=54，dip=32，rake=146，是向东南倾的带逆冲的右旋走滑断层.同样的理由，判断102号地震的断层面是strike=4，dip=24，rake=86，和主震的机制相似，但深度更深.这可能是断层在主震时浅部释放能量后，断层较深部的能量释放.218号地震的断层面应该是strike=306.72，dip=86.07，rake=-98.1.218号地震是最大的正断层余震，再考虑到发震时间距离主震半年多，笔者推断这是应力回调的结果.38、39、71、102和218号地震如前所述位置非常接近，其地震矩心距离主震又有一定距离.这一点笔者猜测是主震地区和这5个余震所在地区在震前应力积累都很大，在主震发生以后，诱发了这个余震聚集区的地震.
42号地震是最大余震，发生于主震后约4小时.还是根据断层主要是向东、南倾的特点，判断断层面是strike=336.02，dip=89，rake=1.00.其滑动角为1度，几乎就是0度，几乎没有竖直方向的运动分量.42号地震的断层是典型的左旋走滑断层.
150、151号地震发生在1999年的10月22日，间隔约1小时.两个地震震中接近，都极为靠近梅山断层.故可以判断这两个地震发生在梅山断层.结合梅山断层的走向，判断断层面分别是strike=65.85，dip=47.62，rake=160.88和strike=60.27，dip=87.28，rap=-154.97.即150号地震是带逆冲的右旋走滑，151号地震是带正断层分量的右旋走滑.其余地震的断层面的确认见表 3.
4 讨论与结论 4.1余震的分布，如前面讨论，非常有规律性：首先震级上来说南小北大，这可能是间震期，南部的应力已经通过地形变释放的结果.然后，6级以上余震震中位置非常集中.这个聚集区距离主震又有一段距离.这可能说明这个聚集区和主震区一样都是应力积累很大的地方.在主震地震后，这个聚集区的地震被诱发.另外，时间上，集集地震6级以上前余震在主震后30分众内发生了3个，所以集集地震可以认为是多主震类型的.
4.2余震的机制解方面：走滑分量普遍大于倾滑分量.另外，正断层的分量少于逆冲，但也占有相当的比例(6级地震中1个，5级地震中6个).笔者对这些现象的解释是：该地区的应力挤压主要是从东南往西北方向的，断层也多往东、南倾.余震期间，受东南-西北方向为主的应力的挤压，应力调整时，断层两盘往两侧相互运动调整，所以出现大量的走滑分量.出现相当比例的正断层分量也可能是应力回调的结果，这一点值得进一步研究.
致谢 感谢中国科学院测量与地球物理研究所郑勇研究员、中国地震局预测研究所研究生李君和中国科学技术大学研究生田冬冬对本研究提供的帮助，感谢审稿专家提出了宝贵的修改意见。| [] | Broadband Array in Taiwan for Seismology. 1996. Institute of Earth Sciences, Academia Sinica[Z]. Taiwan:Institute of Earth Sciences, Academia Sinica, doi:10.7914/sn/tw.. |
| [] | Ernst W G, Ho C S, Liou J G. 1985. Rifting, drifting, and crustal accretion in the Taiwan sector of the Asiatic continental margin[C].//Circum Pacific Energy and Mineral Resource 2008:Tectonostratigraphic Terranes of the Circum-Pacific Region. Menlo Park, CA. |
| [] | Huang J P, Ni S D, Fu R S, et al .2009. Source mechanism of the 2006 MW 5.1 Wen'an Earthquake determined from a joint inversion, of local and teleseismic broadband waveform data[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 52 (1) : 120–130. DOI:10.1002/cjg2.v52.1 |
| [] | Kao H, Liu Y H, Liang W T, et al .2002. Source parameters of regional earthquakes in Taiwan:1999-2000 including the chi-chi earthquake sequence[J]. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 13 (3) : 279–298. |
| [] | Lü J, Zheng Y, Ma Y H, et al .2011. Focal mechanisms and seismogenic structures of the MS 4.7、MS 7.1 and MS 6.3 Yushu earthquakes of April.14, 2010[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 26 (5) : 1600–1606. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2011.05.012 |
| [] | Lü J, Zheng Y, Ni S D, et al .2008. Focal mechanisms and seismogenic structures of the Ms5.7 and Ms4.8 Jiujiang-Ruichang earthquakes of Nov. 26, 2005[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chineses),, 51 (1) : 158–164. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.01.020 |
| [] | Ma K F, Wang J H, Zhao D P .1996. Three-dimensional seismic velocity structure of the crust and uppermost mantle beneath Taiwan[J]. Journal of Physics of the Earth, 44 (2) : 85–105. DOI:10.4294/jpe1952.44.85 |
| [] | Shao Z G, Fu R S, Xue T X, et al .2009. Discussion about the relation of coulumb stress changes and distribution of aftersocks for the case of the chi-chi earthquake[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 24 (2) : 367–374. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2009.02.001 |
| [] | Shyu J, Bruce H, Sieh K, et al .2005. Neotectonic architecture of Taiwan and its implications for future large earthquakes[J]. Journal of Geophysical Research, 110 (B8) : B08402. |
| [] | Taiwan Weather Bureau. 2000. 921 Earthquake Report (in Chinese)[EB/OL]. 2014-04-29. http://scman.cwb.gov.tw/eqv5/special/19990921/1999092101471273043.htm. |
| [] | Tan Y, Zhu L P, Helmberger D V, et al .2006. Locating and modeling regional earthquakes with two stations[J]. Journal of Geophysical Research, 111 (B1) : B01306. |
| [] | USGS. (2012. Historic earthquakes[EB/OL]. 2014-04-29. http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/year/1999/1999_09_20.php. |
| [] | Wei S J, Ni S D, Chong J J, et al .2009. The 16 August 2003 Chifeng earthquake:Is it a lower crust earthquake?[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 52 (1) : 111–119. |
| [] | Xu Y R. 2004. Modeling studies on interseismic, coseismic and postseismic deformations associated with the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake (in Chinese)[Ph. D. thesis]. Taiwan:National Central University. |
| [] | Yu S B, Chen H Y, Kuo L C .1997. Velocity field of GPS stations in the Taiwan area[J]. Tectonophysics, 274 (1) : 41–59. |
| [] | Zhang J H, He L S .2002. Geology of Taiwan Province. Geology of China[M]. Beijing: Geological Publishing House . |
| [] | Zhao L S, Helmberger D V .1994. Source estimation from broadband regional seismograms[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 84 (1) : 91–104. |
| [] | Zheng Y, Ma H S, Lv J, et al .2009. Source mechanism of strong aftershocks (MS≥5.6) of the 2008/05/12 Wenchuan earthquake and the implication for seismotectonics[J]. Science in China Series D-Earth Sciences, 52 (6) : 739–753. DOI:10.1007/s11430-009-0074-3 |
| [] | Zhu L P, Helmberger D V .1996. Advancement in source estimation techniques using broadband regional seismograms[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 86 (5) : 1634–1641. |
| [] | 黄建平, 倪四道, 傅容珊, 等.2009. 综合近震及远震波形反演2006文安地震(MW 5.1)的震源机制解[J]. 地球物理学报, 52 (1) : 120–130. |
| [] | 吕坚, 郑勇, 马玉虎, 等.2011. 2010年4月14日青海玉树MS 4.7、MS 7.1、MS 6.3地震震源机制解与发震构造研究[J]. 地球物理学进展, 26 (5) : 1600–1606. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2011.05.012 |
| [] | 吕坚, 郑勇, 倪四道, 等.2008. 2008. 2005年11月26日九江-瑞昌MS 5.7、MS 4.8地震的震源机制解与发震构造研究[J]. 地球物理学报, 51 (1) : 158–164. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.01.020 |
| [] | 邵志刚, 傅容珊, 薛霆虓, 等.2009. 库仑应力变化与余震对应关系的初步探讨-以集集地震为例[J]. 地球物理学进展, 24 (2) : 367–374. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2009.02.001 |
| [] | 台湾"中央"气象局. 2000. 921大地震地震報告[EB/OL]. 2014-04-29. http://scman.cwb.gov.tw/eqv5/special/19990921/1999092101471273043.htm. |
| [] | 韦生吉, 倪四道, 崇加军, 等.2009. 2003年8月16日赤峰地震:一个可能发生在下地壳的地震?[J]. 地球物理学报, 52 (1) : 111–119. |
| [] | 許雅儒. 2004.集集地震之震前、同震及震後變形模式研究[博士论文].台湾:国立中央大学. |
| [] | 郑勇, 马宏生, 吕坚, 倪四道, 李迎春, 韦生吉, 等.2009. 川地震强余震(MS≥5.6)的震源机制解及其与发震构造的关系[J]. 中国科学D辑:地球科学, 39 (4) : 413–426. |