曾祥方，羅 艷，韓立波，石耀霖＊

1 中國科學(xué)院計(jì)算地球動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

2 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

3 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

1 引 言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2013 年4 月20日8時02分46秒四川省雅安市蘆山縣（30．3°N，103．0°E）發(fā)生MS7．0 地震（圖1，以下簡稱蘆山地震）．震源機(jī)制解研究是認(rèn)識地震發(fā)震斷層的重要手段，也是理解深部構(gòu)造應(yīng)力和地震發(fā)震機(jī)理的重要依據(jù)．地震發(fā)生后國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)，通過各種地震學(xué)方法，初步研究了震源機(jī)制解、破裂過程等震源參數(shù)［1－2］，結(jié)果表明蘆山地震是發(fā)生在龍門山斷裂帶南段上的一次逆沖地震，但是不同機(jī)構(gòu)所給出的地震斷層面傾角存在一定差異．在震源參數(shù)研究中，遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)對逆沖地震的傾角具有較好的約束，而近震可以較好地確定斷層走向．本文利用近遠(yuǎn)震數(shù)字波形記錄，分別利用P 波初動和波形聯(lián)合反演方法，探討本次地震的震源機(jī)制解，通過分析不同參數(shù)對斷層面傾角的影響，并結(jié)合短期余震機(jī)制解，確認(rèn)了蘆山地震是一個高角度逆沖地震．

2 近遠(yuǎn)震P波初動聯(lián)合反演

利用P波初動反演震源機(jī)制解的基本原理是通過對比不同機(jī)制解預(yù)測的各臺站P 波初動符號與實(shí)際觀測結(jié)果的差異，求得矛盾符號最小的一個或一組解作為地震機(jī)制解結(jié)果［4］．該方法較為簡單，但是結(jié)果可靠性較為依賴所用臺站分布和離源矢量誤差．臺站分布則決定了離源矢量在震源球上的采樣，不同震中距的采樣空間不同，遠(yuǎn)震臺站的離源矢量主要集中在震源球中心區(qū)域，近震臺站除了少數(shù)震中距較小的臺站可以采樣中心區(qū)域外，大部分近震臺站集中在外圍區(qū)域．蘆山地震的初步研究結(jié)果表明其為一高角度逆沖地震，近震臺站初動符號對斷層的傾角和滑動角的約束不夠理想．而遠(yuǎn)震臺站可以密集采樣震源球中心位置，對近震臺站數(shù)據(jù)形成了有效補(bǔ)充．我們從IRIS（Incorporated Research Institutions for Seismology）數(shù)據(jù)中心下載了蘆山地震在全球地震臺網(wǎng)（Global Seismographic Network，GSN）的寬頻帶數(shù)字波形記錄，選取震中距在35°～85°，清晰直達(dá)P波信號的36個臺站的記錄（圖1b）讀取遠(yuǎn)震P波初動符號，而近震初動符號則在國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心［5］提供的波形數(shù)據(jù)中，選取了200km 以內(nèi)初動最清楚的18 個臺站，進(jìn)行P波初動拾取．

圖1 （a）近震臺站分布圖；（b）遠(yuǎn)震臺站分布圖紅色五角星代表蘆山地震震中，藍(lán)色三角代表臺站，黑色實(shí)線代表活動斷層［3］．Fig．1 （a）Regional station distribution map；（b）Teleseismic station distribution mapStar denotes epicenter while triangles indicate stations．black lines denotes fault．

離源矢量計(jì)算中的誤差主要來自震源深度誤差和地震波速度模型誤差．本文采用中國地震臺網(wǎng)快報(bào)目錄給出的蘆山地震震中位置，深度為13km，將深度誤差設(shè)為1km．近震離源角計(jì)算中所用速度模型為前人汶川地震余震研究中所用速度模型［6］基礎(chǔ)上修改得到（表1，WC），而遠(yuǎn)震離源角計(jì)算采用IASP91模型．Hardebeck 和Shearer提出速度模型和震源深度的誤差可以根據(jù)離源角、方位角、深度誤差，進(jìn)行隨機(jī)擾動，生成新的離源矢量，然后進(jìn)行網(wǎng)格搜索并得到最可信解［7］．由于地殼中地震波傳播較為復(fù)雜，將近震出射角的誤差設(shè)為5°，而遠(yuǎn)震地震波出射角誤差一般較小，設(shè)為2°，方位角誤差均為1°．震源深度的誤差為1km，進(jìn)行50次嘗試后，得到斷層面參數(shù)為212°/44°/92°（圖2），該解給出的理論初動符號與實(shí)際觀測結(jié)果相符，其走向與龍門山斷裂帶走向接近．

圖2 P波初動反演結(jié)果＋表示初動為正，○表示初動為負(fù)，紅色區(qū)域?yàn)閴嚎s區(qū)域，理論初動為正，白色區(qū)域?yàn)槔瓘垍^(qū)域，理論初動為負(fù)．Fig．2 P wave first－motion focal mechanismPlus denotes positive first motion，while circle means negative one．

表1 蘆山地震震源區(qū)地殼地震波速度模型Table 1 Seismic velocity model of epicenter regionof the Lushan earthquake

3 近遠(yuǎn)震波形聯(lián)合反演

P波初動反演可以快速給出地震機(jī)制解，但是缺少其他震源參數(shù)，而利用波形反演方法，可以充分利用地震記錄中各種震相到時、振幅、相位等信息，對震源機(jī)制提供有效約束，不僅可以提供斷層面參數(shù)，還可以提供標(biāo)量地震矩、矩心深度、破裂持續(xù)時間等震源參數(shù)［8－9］．傳統(tǒng)的地震波形反演方法一般只單獨(dú)采用近震或遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，陳偉文等［9］發(fā)展了改進(jìn) 的“剪切—粘貼”方法（Cut－And－Paste joint，CAPjoint），利用近遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演，表明近遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)可以相互補(bǔ)充，更好地約束地震震源參數(shù)，尤其是對于逆沖地震，遠(yuǎn)震對傾角的約束具有一定優(yōu)勢［9］，因此本文采用該方法進(jìn)行波形反演．

遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)可包括豎直向P 波和切向SH波，其格林函數(shù)計(jì)算過程分為震源區(qū)地殼、地幔、臺站區(qū)地殼三步．由于不同區(qū)域的地殼地震波速度結(jié)構(gòu)差異，需要選取特定震源區(qū)地殼模型，利用傳播矩陣方法計(jì)算震源區(qū)和臺站區(qū)地殼部分傳播效應(yīng)，地幔部分則采用初步地球參考模型（Primarily Reference Earth Model，PREM），計(jì)算幾何擴(kuò)散效應(yīng)和非彈性衰減效應(yīng)，最后將三者卷積得到格林函數(shù)［10］．近震波形數(shù)據(jù)包括體波和面波部分，格林函數(shù)計(jì)算采用頻率波數(shù)域積分方法（F－K）［11］．反演方法則與“剪切—粘貼”（Cut－And－Paste，CAP）方法［8］相似，搜索不同震源深度的最佳雙力偶解，然后對比不同深度反演誤差，得到最佳震源深度和雙力偶解．遠(yuǎn)震和近震震源區(qū)地殼地震波速度結(jié)構(gòu)模型都采用初動反演所用模型．

前期研究表明，由于蘆山地震為逆沖型地震，其遠(yuǎn)震SH 波部分信噪比較P波部分低［12］，因此未參與反演．遠(yuǎn)震P 波經(jīng)去除傾斜，去除儀器響應(yīng)等預(yù)處理后，根據(jù)IASP91計(jì)算的理論到時進(jìn)行截取，窗口長度為60s，濾波頻段選為0．05～0．1 Hz．四川盆地和青藏高原東緣速度模型差異較大［13－16］，所以近震波形中主要采用青藏高原東緣臺站，且利用傳播效應(yīng)較為簡單的徑向和豎直向長周期S 波和面波記錄，為了減少速度模型橫向變換的影響，主要選取了震中西部和南部較遠(yuǎn)距離臺站．原始數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，根據(jù)震中位置，將水平記錄旋轉(zhuǎn)徑向和切向，并根據(jù)S波理論到時進(jìn)行截取，窗口長度為60 s，濾波至0．05～0．1Hz．遠(yuǎn)震和近震數(shù)據(jù)間權(quán)重根據(jù)陳偉文等［7］提出的方法進(jìn)行選?。?/p>

我們計(jì)算了2～20km 間10個深度下的各臺站格林函數(shù)，破裂時間設(shè)為10s，首先在各深度對斷層走向、傾角、滑動角以10°間隔進(jìn)行搜索，得到的最佳矩心深度為12km，最佳雙力偶機(jī)制解為：節(jié)面1：211°/47°/90°；節(jié)面2：30°/43°/89°．根據(jù)中國地震臺網(wǎng)快報(bào)目錄（data．earthquake．cn）給出的短期余震分布，我們認(rèn)為節(jié)面1為可能的發(fā)震斷層．在此基礎(chǔ)上，將搜索間隔縮小為2．5°，得到解為：節(jié)面1：216°/47°/93°；節(jié) 面2：31°/43°/86°，矩 震 級 為6．7，其理論波形和實(shí)際記錄對比見圖3．由波形對比圖可見波形擬合較好，遠(yuǎn)震P波部分互相關(guān)系數(shù)均不小于0．8，近震面波窗口的徑向和豎直向波形互相關(guān)系數(shù)在0．8左右．

圖3 蘆山地震CAPjoint反演實(shí)際波形與理論波形對比紅線為理論波形，黑線為實(shí)際波形，波形下方數(shù)字分別為互相關(guān)系數(shù)百分比（%）和對應(yīng)時間偏移（s），臺站名上方數(shù)字為方位角（°）和震中距（km）．Fig．3 CAPjoint modeling for Lushan earthquakeRed line shows theoretical seismogram while black line shows data．Numbers below waveform are cross－correlation（%）in percent（%）and time shift（s）．Numbers above station name are azimuth（°）and epicenteral distance（km）

4 討論與結(jié)論

本文根據(jù)P 波初動和波形反演得到的斷層面參數(shù)為212°/44°/92°和212°/47°/93°，基本符合震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場［17－19］，但是斷層面三個參數(shù)中，走向和滑動角與其他機(jī)構(gòu)結(jié)果相近，但傾角較大．對于逆沖斷層而言，傾角越大，上盤向上錯動所需能量越大，以發(fā)生在同一斷裂帶的汶川地震為例，GlobalCMT（www．globalcmt．org）給出的斷層傾角為35°，而蘆山地震傾角明顯較大．為了研究斷層面傾角的不確定性，需要分離斷層面走向、滑動角、深度等模型參數(shù)影響．采用波形反演得到斷層面的走向（216°）和滑動角（93°），首先計(jì)算了12km 深度下不同傾角的波形反演誤差，結(jié)果見圖4a，隨著傾角遠(yuǎn)離最佳解（47°），誤差迅速增加，表明這一傾角是可靠的，而固定斷層面參數(shù)得到的不同深度反演誤差也表明這一深度結(jié)果較為可靠（圖4b）．

波形反演過程中地震波速度模型對反演結(jié)果也有一定影響，雖然本文未選取四川盆地內(nèi)部臺站，但是為了考察不同模型對斷層傾角的影響，選取了三個較為典型的速度模型進(jìn)行分析，分別是震中處由CrustModel2．0 模型基礎(chǔ)上的修改模型（表1 中CM2）［12］、較為極端的盆地模型［19－20］（表1中SC）和低速體模型［21］（表1中LVZ）．在已有機(jī)制解的斷層走向（200°～230°）和滑動角（80°～110°）附近搜索最佳傾角，結(jié)果見圖5．三個速度模型下，大部分機(jī)制解的傾角較高（＞40°），但是低速層模型由于低速層引起較強(qiáng)反射，增加了波形高頻成分，導(dǎo)致誤差分布跳躍較大，且震源深度出現(xiàn)了10km 和16km兩個局部最優(yōu)解．

采用同樣的模型，利用200km 內(nèi)臺站的體波和300km 內(nèi)臺站面波，利用CAP 方法對蘆山地震震后4個小時內(nèi)的較強(qiáng)余震機(jī)制解進(jìn)行了初步研究，表2給出了雙力偶解中沿龍門山斷裂帶走向的節(jié)面參數(shù)、震源深度和震級．大部分余震機(jī)制解與主震相近，其中3 號地震較為特殊，但另一個節(jié)面解（36°/82°/73°）也為高角度逆沖，具體發(fā)震斷層面仍有待進(jìn)一步分析．同時這一區(qū)域的地質(zhì)考察也表明當(dāng)?shù)卮嬖谳^高傾角斷裂［22］．

表2 蘆山地震短期較強(qiáng)余震震源機(jī)制解Table 2 Focal mechanisms of short term aftershocks of Lushan earthquake

如此高角度的逆斷層錯動，只有在極大的差應(yīng)力和長期應(yīng)變能積累后才能發(fā)生［23］．龍門山斷裂帶位于青藏高原東南緣，由于青藏高原隆升引起的地殼物質(zhì)東流，在此遇到四川盆地阻擋，因此應(yīng)變能長期積累，定量計(jì)算模擬表明，整個龍門山斷裂帶上地殼底部都是應(yīng)力高增長率區(qū)［24］．在汶川地震破裂過程中，主要破裂集中在龍門斷裂帶北段，而南部基本沒有發(fā)生錯動，余震活動也較小，因此其上積累的應(yīng)變能并沒有得到釋放．汶川地震對周圍斷層的影響較大，根據(jù)完全彈性和黏彈性情況下計(jì)算得到的庫侖應(yīng)力變化，蘆山地震震源區(qū)的庫侖應(yīng)力增加量約為0．01MPa［25－27］．近期在龍門山斷裂帶南段進(jìn)行的原位地應(yīng)力測量結(jié)果也表明這一區(qū)域的最大水平主應(yīng)力已達(dá)斷層活動應(yīng)力臨界下限值，斷裂活動進(jìn)入臨界狀態(tài)［16］，蘆山地震正是發(fā)震斷層面上剪切應(yīng)力超過閾值引起的斷層錯動．

本文綜合利用近遠(yuǎn)震地震數(shù)據(jù)，通過P 波初動反演和波形反演方法，確定了蘆山地震的震源機(jī)制解，并結(jié)合短期余震的機(jī)制解，認(rèn)為發(fā)震斷層為一高角度逆沖斷層．由于在反演過程中采用的點(diǎn)源近似，分層均勻地震波速度模型等與真實(shí)情況存在一定差異．地震機(jī)制解雖然有助于探討發(fā)震斷層，但具體發(fā)震斷層，仍需要通過震后地質(zhì)考察、高精度主震和余震定位等方法得到．如此高角度逆沖地震的力學(xué)機(jī)制則需要通過多種方法得到震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場、介質(zhì)模型、斷層形態(tài)和摩擦系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行定量分析得到．

致 謝 中國地震局地球物理研究所國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心為本研究提供地震波形數(shù)據(jù)，GSN 臺網(wǎng)數(shù)據(jù)由IRIS DMC 提供，本文圖件采用Generic Mapping Tools繪制，在此一并表示感謝．

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