孫蒙， 王衛(wèi)民， 王洵， 何建坤

大陸碰撞與高原隆升重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院青藏高原研究所， 北京 100101

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2013年7月22日甘肅岷縣—漳縣MS6.6地震震源破裂過程

孫蒙， 王衛(wèi)民*， 王洵， 何建坤

大陸碰撞與高原隆升重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院青藏高原研究所， 北京 100101

2013年7月22日，在甘肅岷縣漳縣交界處發(fā)生MS6.6地震，地震震中位置靠近臨潭—宕昌斷裂.本文通過構(gòu)建有限斷層模型，利用國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心提供的12條強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)三分量資料，通過波形反演方法來研究這次地震的震源破裂過程.結(jié)果顯示這次地震是發(fā)生在甘東南地區(qū)岷縣—宕昌斷裂帶東段附近的一次MW6.1級(jí)逆沖兼具左旋走滑破裂事件，最大滑動(dòng)量約為80 cm.發(fā)震斷層走向及滑動(dòng)性質(zhì)與岷縣—宕昌斷裂吻合，推斷本次地震與東昆侖斷裂向北的擴(kuò)展和推擠密切相關(guān)，是岷縣—宕昌斷裂進(jìn)一步活動(dòng)的結(jié)果.

岷縣—漳縣地震； 強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)； 模擬退火方法； 震源破裂過程

1 引言

北京時(shí)間2013年7月22日7時(shí)45分，甘肅定西市岷縣與漳縣交界處發(fā)生MS6.6地震.地震造成95人死亡，1366人受傷，七十余萬人受災(zāi)，并引發(fā)了滑坡、崩塌和塌陷等多種次生災(zāi)害，造成了一定程度的人員和經(jīng)濟(jì)損失.

地震發(fā)生區(qū)域?qū)儆谇嗖馗咴瓥|北部的甘東南地區(qū)，是中國構(gòu)造分區(qū)中南北與東西構(gòu)造分區(qū)的交匯位置(鄭文俊等，2013).這一地區(qū)歷史上地震活動(dòng)比較頻繁(賈科和周仕勇，2012)，強(qiáng)震有842年碌曲6～7級(jí)地震(顧功敘等，1983；國家地震局蘭州地震研究所，1989)，1573年岷縣6級(jí)(鄭文俊等，2007a)和1837年岷縣北6級(jí)地震(鄭文俊等，2007b)等；本次地震前，這一地區(qū)發(fā)生了2003年11月13日岷縣5.2級(jí)地震(李亞榮等，2006)和2004年9月7日岷縣—卓尼5.0級(jí)地震.如圖1所示，本次地震震中位于兩條區(qū)域性斷裂西秦嶺北緣斷裂和臨潭—宕昌斷裂中間，靠近臨潭—宕昌斷裂.由于青藏高原的北東向擠壓，甘東南地區(qū)成為從東昆侖斷裂向西秦嶺北緣斷裂逐漸轉(zhuǎn)換過渡的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在東昆侖斷裂和西秦嶺北緣斷裂之間存在很多以逆沖為主兼具左旋走滑分量的斷裂來實(shí)現(xiàn)其構(gòu)造轉(zhuǎn)換.臨潭—宕昌斷裂就是其中的一條，臨潭—宕昌斷裂帶由幾條次級(jí)斷裂組成，斷裂的總體性質(zhì)是以向南逆沖為主，兼具左旋走滑分量.臨潭—宕昌斷裂帶各斷裂段活動(dòng)性差異較為明顯，且每段內(nèi)也呈現(xiàn)出斷裂活動(dòng)的不均勻性.此次地震發(fā)生在靠近臨潭—宕昌斷裂東段的區(qū)域(何文貴等，2013).

地震發(fā)生以后，很多學(xué)者對其震源機(jī)制解、主震及余震重定位以及地震孕育機(jī)制等進(jìn)行了研究.陳繼鋒等(2013)反演了本次地震的矩張量解，并對其可能的發(fā)震斷層進(jìn)行了探討；馮紅武等(2013)對主震及其余震進(jìn)行了重定位；葛偉鵬(2013)通過對跨震源區(qū)的P波Q值深度剖面分析，認(rèn)為此地區(qū)有存在“下地殼流動(dòng)”變形的可能性.

本文利用國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心提供的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)三分量記錄反演本次地震的滑動(dòng)分布和破裂傳播過程，并用國際地震學(xué)聯(lián)合會(huì)(IRIS)地震數(shù)據(jù)中心提供的遠(yuǎn)場P波、SH波波形記錄約束和檢驗(yàn)用強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)反演得到的震源參數(shù).強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)資料可提供較高的空間分辨率，但資料的公開和獲取需要較長時(shí)間，而且很多情況下沒有這方面的資料可用.本次甘肅岷縣地震由于有較好的地震資料的支持，可以對其破裂過程有較為深入的研究，研究結(jié)果可以為該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和發(fā)震斷層情況等提供更深入的認(rèn)識(shí).同時(shí)，我們用遠(yuǎn)場實(shí)際觀測地震資料來約束強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)資料反演得到的結(jié)果，從而確定本次地震斷層面上的震源參數(shù)及地震破裂過程.

2 資料和研究方法

地震發(fā)生以后，許多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者給出了2013年7月22日甘肅岷縣6.6級(jí)地震的震源參數(shù)(見表1).對比不同定位結(jié)果得到的波形擬合效果后，本文采用中國地震局地球物理研究所的定位結(jié)果(34.54°N，104.189°E)作為震源位置.

圖1 甘東南地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造圖黑色震源球?yàn)楸敬蔚卣鸢l(fā)生前十年內(nèi)所發(fā)地震的震源機(jī)制解,紅色震源球?yàn)楸敬胃拭C岷縣—漳縣地震的震源機(jī)制解；紅色等值線所圍成的區(qū)域?yàn)橹袊卣鹁止嫉谋敬蔚卣鸬牧叶确植记闆r；綠色箭頭為區(qū)域應(yīng)力的方向；黑色三角形為本文所用強(qiáng)震臺(tái)站.Fig.1 Geological condition map of the east-south of Gansu Black focal spheres are the focal mechanism of earthquakes occurred in the last 10 years before 2013 MS6.6 Minxian-Zhangxian earthquake, red focal sphere is the focal mechanism of the Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake; the red area is the seismic intensity distribution of this earthquake; green arrows stand for the regional stress; black triangles are the near-source stations.

機(jī)構(gòu)節(jié)理面I節(jié)理面Ⅱ走向/(°)傾角/(°)滑動(dòng)角/(°)走向/(°)傾角/(°)滑動(dòng)角/(°)震源深度/km地震距IGPCEA1)180471203205162206．1IGCEA2)188．458．8142301．357．33866．47gCMT3)19657151303663717．16．0USGS4)177601083243462155．9Gssb5)19554149305654013．56．0本文186．247．5132．3300．26647．776．1

注：1)中國地震局地球物理研究所(IGPCEA,http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/267408.shtml)；2)中國地震局地質(zhì)研究所(IGCEA,http://www.eq-igl.ac.cn/admin/upload/files/20130722Dingxi.pdf)；3)Global CMT webpage(http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html)；4)USGS NEIC(http://www.isc.ac.uk/iscbulletin/search/catalogue/)；5)中國地震局蘭州地震研究所(陳繼鋒等，2013).

圖2 岷縣—漳縣MS6.6地震震源機(jī)制解采用下半球投影，同時(shí)給出了點(diǎn)源模型的P波垂向位移理論圖(紅線)與資料(黑線)的擬合情況.圖形下方給出了兩組節(jié)面解(左下，λ,δ,θ,h分別表示錯(cuò)動(dòng)傾角、節(jié)面傾角、節(jié)面走向、震源深度)和點(diǎn)源模型的震源時(shí)間函數(shù)(右下).Fig.2 Focal mechanism of the Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake Lower-hemisphere projection is used here. The observed P wave records (black line) and the synthetic seismogram (red line) based on the simple point model are compared. The parameters of two possible fault planes are listed also, with λ, δ, θ, h indicating the rake angle, dip angle, strike direction and source depth respectively, the obtained source time function are plotted.

本文選取了國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心提供的12條強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)三分量記錄(Hartzell and Heaton, 1983)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即將加速度記錄進(jìn)行一次積分并進(jìn)行帶通濾波(頻段0.02～0.4 Hz)，獲得去除高頻成分的速度記錄用于反演計(jì)算.數(shù)據(jù)預(yù)處理后，根據(jù)地質(zhì)資料和震源機(jī)制解構(gòu)建有限斷層模型(姚振興和紀(jì)晨，1997)，反演發(fā)震斷層面上的滑動(dòng)分布.對于有限斷層的破裂過程反演，發(fā)震斷層的走向、傾向和滑動(dòng)角是需要提前給定的.本文利用IRIS提供的12條近場P波波形記錄的初動(dòng)作為極性約束，利用30條遠(yuǎn)場地震記錄進(jìn)行點(diǎn)源反演求得其震源機(jī)制解，如圖2所示.由表1可見，不同機(jī)構(gòu)和學(xué)者得到的本次地震震源機(jī)制解兩個(gè)節(jié)面的走向、傾角和滑動(dòng)角相差不大，但深度相差比較大，震源機(jī)制解表明岷縣漳縣地震的斷層活動(dòng)具有逆沖兼具左旋走滑的性質(zhì).其中走向?yàn)?00.2°的節(jié)面Ⅱ與區(qū)域內(nèi)已知斷層的走向一致(圖1)，且將節(jié)面Ⅱ假設(shè)為實(shí)際破裂面時(shí)反演得到的波形擬合效果比節(jié)面I假設(shè)為實(shí)際破裂面時(shí)更佳，故本文認(rèn)為走向?yàn)?00.2°的節(jié)面Ⅱ?yàn)閷?shí)際破裂面.通過測試震源深度變化對波形擬合度的影響，發(fā)現(xiàn)震源深度在6～10 km時(shí)波形擬合度明顯優(yōu)于深度大于10 km的情況.綜合各機(jī)構(gòu)及本文的研究結(jié)果，我們?nèi)? km為本次地震的震源深度.采用快速地震破裂持續(xù)時(shí)間測定方法(Lomax et al., 2007),利用獲得的遠(yuǎn)場波形記錄估算出岷縣地震主震震源時(shí)間過程的持續(xù)時(shí)間,結(jié)果顯示這次地震事件的斷層破裂持續(xù)時(shí)間約為8 s.

3 有限斷層破裂過程模型

3.1 有限斷層震源模型的構(gòu)建

本文構(gòu)造了一個(gè)長(沿走向)為34 km，寬(沿傾向)為14.4 km的矩形平面來模擬岷縣地震的發(fā)震斷層，為詳細(xì)描述發(fā)震斷層各個(gè)位置的滑動(dòng)情況，我們將該有限斷層剖分為2 km×1.6 km的153(17×9)個(gè)子斷層.經(jīng)矯正各子面元相應(yīng)的時(shí)間延遲后，疊加每個(gè)子面元的理論地震圖，從而獲得有限斷層的理論地震圖.利用強(qiáng)地面震動(dòng)的實(shí)際觀測記錄，進(jìn)行波形反演得到每個(gè)子面元的震源參數(shù)(包括上升時(shí)間τ、錯(cuò)矩D、滑動(dòng)角λ和破裂傳播速度v)，進(jìn)而獲得本次地震的破裂傳播過程.其中震源時(shí)間函數(shù)采用的是開始和結(jié)束時(shí)間各不相同的非對稱余弦函數(shù)(Ji et al., 2003).

3.2 反演結(jié)果

我們利用頻率波數(shù)域法(Zhu and Rivera, 2002; 紀(jì)晨和姚振興，1995)計(jì)算近場的格林函數(shù)，用模擬退火方法(王衛(wèi)民等，2005a)在時(shí)間域進(jìn)行破裂過程反演(王衛(wèi)民等，2005a，2005b).速度模型采用的是王周元等(1996)對甘肅地區(qū)速度結(jié)構(gòu)非均勻分布的研究結(jié)果.反演中，將滑動(dòng)振幅限定于0.0～100.0 cm之間；滑動(dòng)角限定于40°～120°之間；破裂傳播速度限定于2.1～2.9 km·s-1之間.此外，利用斷層面各子面元滑動(dòng)量的微分平均值，作為模型光滑約束.同時(shí)，我們利用近場得到的震源參數(shù)計(jì)算遠(yuǎn)場理論地震圖，與遠(yuǎn)場實(shí)際觀測資料對比來驗(yàn)證模型的正確性和約束地震矩M0，從而確定了本次地震的滑動(dòng)分布和破裂過程.

結(jié)果模型的理論地震圖與實(shí)際觀測三分量記錄擬合情況如圖3所示.由圖可以看到，基于單平面有限斷層震源模型計(jì)算得到的理論位移與觀測資料能較好地吻合.由反演得到的斷層面上的滑動(dòng)分布情況(圖4)看出，本次地震的斷層面上的破裂比較集中，地表沒有發(fā)生破裂，破裂主要集中在震源附近，最大滑動(dòng)量約為80 cm.其中震源東南側(cè)破裂程度大，北西側(cè)破裂程度較小，滑動(dòng)性質(zhì)為逆沖，兼具左旋走滑.圖5為發(fā)震斷層滑動(dòng)分布地表投影示意圖.圖6為反演得到的震源參數(shù)模型正演計(jì)算遠(yuǎn)場理論地震圖和實(shí)際觀測資料的對比.由該圖可以看到，遠(yuǎn)場理論地震圖和實(shí)際觀測波形可以比較好地?cái)M合，從而進(jìn)一步驗(yàn)證近場反演結(jié)果的可靠性和合理性.

3.3 地震震源破裂過程

根據(jù)單平面有限斷層震源模型的反演結(jié)果，得到岷縣地震的標(biāo)量地震矩M0=1.60×1025dyn·cm，計(jì)算相應(yīng)的矩震級(jí)為MW6.1(Kanamori，1977).

圖7為本次地震斷層面上不同時(shí)刻的滑動(dòng)分布示意圖.從破裂過程來看，地震在前2 s的破裂傳播速度很快，破裂主要沿?cái)鄬用鎯A向向淺部傳播.2 s時(shí),震源附近東南側(cè)發(fā)生集中的高破裂滑動(dòng)，平均滑動(dòng)量約為60 cm. 4 s時(shí)，震源附近的破裂程度已基本固定，最大滑動(dòng)量約為80 cm.5 s開始，斷層面兩側(cè)開始發(fā)生輕微破裂.8 s以后整個(gè)斷層面的破裂基本結(jié)束.

圖3 有限斷層模型的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)資料擬合強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)三分量理論速度(紅線)與實(shí)際觀測波形資料(黑線)的擬合情況，每條記錄的左上表示臺(tái)站名，左下分別表示震中距和方位角，右表示振幅比.Fig.3 Comparison of the observed near field strong motion records with the synthetic waveforms Comparison of observed (black) and synthetic waveforms (red) for strong motion records are shown in the panel, the azimuth, epicentral distance, amplitude ratio and station name are also indicated.

圖4 利用強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)三分量資料反演得到的地震斷層面上的滑動(dòng)分布圖中分別給出了有限斷層模型的地表投影(左上)和三維示意圖(右上).Fig.4 Slip distribution on the fault invert using near field strong motion three component records Surface projection of fault model (up-left) and 3D view of the fault model (up-right) are shown.

圖6 強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)資料反演結(jié)果計(jì)算得到的遠(yuǎn)場理論位移圖與實(shí)測位移圖對比P波垂向和SH波切向?qū)崪y位移圖(紅線)與理論位移圖(黑線)的對比，并給出每個(gè)記錄的方位角(左上)、震中距(左下)、振幅比(上)和臺(tái)站名(右).Fig.6 Comparison of the observed records with the synthetic waveforms calculated by using source parameters inversed by near field strong motion records Comparison of observed (red) and synthetic waveforms (black) for P vertical components, and SH components are shown in the panel, the azimuth, epicentral distance, amplitude ratio and station name are also indicated.

圖7 岷縣—漳縣MS6.6地震震源破裂過程Fig.7 Rupture process of MS6.6 Minxian-Zhangxian earthquake

4 討論

本次地震發(fā)生在中強(qiáng)地震頻發(fā)的甘東南地區(qū)構(gòu)造過渡轉(zhuǎn)換帶上，來自青藏塊體東北向的擠壓力在該區(qū)域的重分配比較復(fù)雜(卜玉菲等，2013)，震中位置靠近臨潭—宕昌斷裂.臨潭—宕昌斷裂帶由多條規(guī)模不等的次級(jí)斷裂組成，不同斷裂帶上的應(yīng)力分布不均勻，是這一地區(qū)中強(qiáng)地震頻發(fā)的一個(gè)原因.該斷裂帶的形成受到早期西秦嶺北緣斷裂向兩側(cè)的擴(kuò)展和如今青藏高原東北部東昆侖斷裂向北擴(kuò)展和推擠及向東運(yùn)動(dòng)的影響.本次地震發(fā)震斷層的走向以及余震空間分布與臨潭—宕昌斷裂的走向吻合，傾向、傾角等也與臨潭—宕昌斷裂帶東段的總體性質(zhì)相似(葛偉鵬，2013;鄭文俊等，2013)，因此推斷此次地震是臨潭—宕昌斷裂進(jìn)一步活動(dòng)的結(jié)果.本次MS6.6岷縣漳縣地震發(fā)震斷層面上的滑動(dòng)性質(zhì)為逆沖兼具左旋走滑，這與該區(qū)域其他已存在斷層的性質(zhì)一致.GPS資料(Liang et al., 2013)顯示，本次地震震中附近的地殼運(yùn)動(dòng)水平方向?yàn)檎龞|，垂直方向向上.將GPS測得的地殼運(yùn)動(dòng)速度矢量投影到發(fā)震斷層面后可看到震源區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)方向與本文反演得到的斷層面上逆沖兼具左旋走滑的滑動(dòng)性質(zhì)相符合.

本次地震震源過程的研究結(jié)果可以為進(jìn)一步探討臨潭—宕昌斷裂帶各次級(jí)斷裂的活動(dòng)性差異和區(qū)域應(yīng)力的分配提供良好的基礎(chǔ).臨潭—宕昌斷裂作為東昆侖斷裂與西秦嶺北緣斷裂走滑速率不一致而形成的過渡轉(zhuǎn)換帶中的一條，它的活動(dòng)性研究對于青藏高原東緣及東北緣變形和構(gòu)造演化等科學(xué)問題有重要意義.

2013年7月22日甘肅岷縣漳縣MS6.6地震的發(fā)震位置——甘東南地區(qū)處于青藏高原東北緣.近年來，青藏高原東緣發(fā)生了2008年MS8.0汶川地震、2013年MW6.7蘆山地震兩次強(qiáng)震.有學(xué)者(萬永革等，2009)通過分析汶川地震后周邊庫侖應(yīng)力變化，認(rèn)為甘東南地區(qū)的庫侖應(yīng)力具有正變化趨勢，推測這次岷縣漳縣地震可能受到汶川地震同震及震后變形的影響.本文獲得的這次地震震源過程研究結(jié)果可為這一地震觸發(fā)問題提供更有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

致謝 本文所用寬頻帶地震記錄由IRIS下載.強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)三分量資料由中國地震局工程力學(xué)研究所國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心提供.

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(本文編輯 何燕)

Rupture process of the Minxian-Zhangxian, Gansu,ChinaMS6.6 earthquake on 22 July 2013

SUN Meng, WANG Wei-Min*, WANG Xun， HE Jian-Kun

KeyLaboratoryofContinentalCollisionandPlateauUplift(LCPU),InstituteofTibetanResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

On July 22, 2013, a major earthquake (MS6.6) occurred on the boundary of Minxian and Zhangxian in Gansu province, with its epicenter near the Lintan-Dangchang fault. Based on the finite fault model constructed, the rupturing process of this earthquake was determined by the waveform method using 12 near source strong motion three-component records provided by China Earthquake Data Center.Strike, dip angle, and rake angle of seismogenic fault as well as focal depth are supposed to be known before the waveform inversion based on a finite fault model. The focal mechanism of the earthquake is obtained by a dislocation source model utilizing 30 far-field P vertical waveform records with uniform azimuth coverage and 12 near-field P-wave initial motions. Geometric parameters of the seismogenic fault plane and focal depth adopted in the inversion were determined by considering information such as results of different institutions and scholars, waveform fitting obtained by treating two nodal planes as fault planes, and strike of existing faults in this area. The strike is 300.2°, dip angle is 66°, slip angle is 47.7°, focal depth is 7 km. In the process of inverting rupture process of this earthquake using strong motion records, Green′s function was calculated byf-kintegration and source parameters over the fault，including slip amount, slip rake, rise time and rupture velocity，which were inverted by simulated annealing method. In order to check the accuracy of source parameters deduced by strong motion records, we use the deduced source parameters to calculate the far-field synthetic waveforms and then compare them with observed ones.Results show that slip over the seismogenic fault is centralized nearby the focal source, maximum slip is around 80 cm, and no slip on the surface of ground. This earthquake is dominated by over-thrust with sinistral strike-slip component, consistent with other faults in this area. The rupturing ended at 8 s. Seismic momentM0is 1.60×1025dyn·cm, moment magnitudeMWis 6.1.Considering the strike of the seismogenic fault and aftershocks′ distribution matches with Lintan-Dangchang fault, rake and dip of seismogenic fault are also similar to those of eastern part of Lintan-Dangchang fault, we deduce this earthquake was related with the north forward extrusion of the east Kunlun fault and resulted from the further activity of the Minxian-Dangchang fault.

Minxian-Zhangxian earthquake; Strong ground motion; Simulated annealing method; Rupture process

10.6038/cjg20150607.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41174037)資助.

孫蒙，女，1991年生，在讀碩士生，從事地震震源過程研究. E-mail: sunmeng@itpcas.ac.cn

*通訊作者 王衛(wèi)民，男，1971年生，副研究員，從事地震學(xué)研究. E-mail: wangwm@itpcas.ac.cn

10.6038/cjg20150607

P315

2014-10-30，2015-06-07收修定稿

孫蒙， 王衛(wèi)民， 王洵等. 2015. 2013年7月22日甘肅岷縣—漳縣MS6.6地震震源破裂過程.地球物理學(xué)報(bào)，58(6):1909-1918,

Sun M, Wang W M, Wang X, et al. 2015. Rupture process of the Minxian-Zhangxian, Gansu,ChinaMS6.6 earthquake on 22 July 2013.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(6):1909-1918,doi:10.6038/cjg20150607.