李 峰 張效亮 賈啟超 劉華國 龔 飛

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利用精定位小震資料反演1933年疊溪7?地震震源斷層面參數(shù)1

李 峰 張效亮 賈啟超 劉華國 龔 飛

（中國地震災害防御中心，北京 100029）

1933年疊溪發(fā)生7?級強震，關于此次地震的發(fā)震構造存在較大爭議，有些學者認為NW向松坪溝斷裂是此次地震的發(fā)震構造，另有學者認為近NS向岷江斷裂南段才是這次地震的發(fā)震構造。本文根據(jù)成叢小震發(fā)生在大震斷層面附近的原則，利用1990—2014年精定位小震目錄，根據(jù)萬永革等（2008）提出的震源斷層面擬合方法，反演了疊溪地震震源斷層走向、傾角和位置。斷層走向和傾角分別是172.8°和82.9°，傾向偏向西。本文結果更支持岷江斷裂南段為疊溪地震發(fā)震構造這一結論。

1933年疊溪地震 岷江斷裂 發(fā)震構造 斷層反演 小震精定位

引言

1933年8月25日四川省茂汶縣（現(xiàn)為茂縣）北部疊溪鎮(zhèn)發(fā)生7?級強烈地震，地震滑坡誘發(fā)了嚴重的次生山地災害和洪災，將整個疊溪鎮(zhèn)淹沒，造成重大生命財產(chǎn)損失，現(xiàn)今幾個規(guī)模較大的堰塞湖仍然存在，稱為“疊溪海子”。疊溪所處的高山深切峽谷地帶發(fā)育復雜的快速侵蝕-堆積地貌，所以地表斷錯現(xiàn)象不明顯，迄今沒有發(fā)現(xiàn)可靠的同震地表破裂。在地質構造上，疊溪地處較場弧形構造的樞紐部位，在弧形構造兩翼發(fā)育多條NWW或NEE走向的斷層，在震中一帶形成復雜的地表構造疊加現(xiàn)象。前人對這次地震進行過大量研究，并取得了一系列重要成果，但是關于疊溪地震的發(fā)震構造問題，學術界至今仍有不同看法。

以唐榮昌等（1983）和黃祖智等（2002）為代表的學者認為1933年疊溪地震的發(fā)震構造是較場弧形構造西翼NW向松坪溝斷裂。四川省地震局分別于1979年和1981年組織了兩次疊溪地震現(xiàn)場補充考察，并成立了專門的“疊溪地震調查組”，調查結果記錄在《一九三三年疊溪地震》（四川省地震局，1983）一書中。書中詳細論述了疊溪地震周邊的地質構造背景和歷史地震的時空分布特征，并初步探討了疊溪地震的發(fā)震機制和構造應力場。該次調查的最大成果是在前人收集的宏觀資料的基礎上，在地震周邊較大范圍內調查了大量宏觀現(xiàn)場破壞點，繪制了疊溪地震等烈度線圖，在此基礎上得出結論：較場弧形構造西翼NW向松坪溝斷裂是1933年疊溪地震的發(fā)震構造。

另有學者認為1933年疊溪地震的發(fā)震構造是NS走向岷江斷裂帶的南延部分，即岷江斷裂南段，以鄧起東等（1994）、Chen等（1994）、錢洪等（1999a，1999b）以及王康等（2011）為代表。鄧起東等（1994）和Chen等（1994）沿岷江斷裂南延的鎮(zhèn)江關—較場—茂縣段發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶發(fā)育，在解放村附近的新的松散堆積物中見斷層存在，較場壩基巖斷層面清楚，并在第四紀沉積臺地上發(fā)育高2.5m、長100m的斷層陡坎及深約3—5m的溝槽，據(jù)此推測它們是1933年疊溪7?級地震的產(chǎn)物。錢洪等（1999b）通過野外調查認為岷江斷裂以較場為界分為南北兩段，岷江斷裂北段沿岷江西岸通過，岷江斷裂南段在岷江東岸出露，南北兩段規(guī)模相當，斷層長度都在50km以上，另外該文還給出了岷江斷裂南段晚第四紀活動的證據(jù)?；谏鲜隼碛桑X洪等（1999b）認為1933年疊溪地震的發(fā)震構造是橫貫震區(qū)的近NS向岷江斷裂南段。王康等（2011）從當時全球地震臺站中挑選了具有疊溪地震P波初動符號的臺站記錄，重新定位了此次地震的震中，并采用格點嘗試法重新計算了震源機制解，結果顯示左旋走滑為主兼具逆沖分量的岷江斷裂南段是1933年疊溪地震的發(fā)震構造。

與上述兩種觀點不同，張岳橋等（2016）認為NW向的松坪溝斷裂和NS向的岷江斷裂南段與1933年疊溪地震發(fā)震構造沒有直接關系，上述斷層地表活動證據(jù)不足，進而提出另外一個與2013年蘆山7.0地震發(fā)震構造類似的逆沖盲斷層發(fā)震構造模型（即隱伏斷坡型逆沖斷層）：一個西傾逆沖斷坡隱伏在在疊溪地震活躍區(qū)10—15km深部，該斷坡在近東西向擠壓應力的作用下向東逆沖，因而造成疊溪地區(qū)地震活動頻繁。

限于各種因素，上述研究仍缺乏地震地質方面的直接證據(jù)。一般來說，地震空間分布與活動構造有著密切的關系，大地震一般發(fā)生在具有明顯活動的斷裂帶上，而小震分布則相對分散，這與地下復雜的應力狀態(tài)以及斷層帶復雜的結構有關。尤其是大地震發(fā)生后在相當長的一段時間內，在斷層面及其附近仍然會有許多小震活動。因此，對于現(xiàn)今小震活動依然頻繁的歷史大震，可以根據(jù)小震的叢集性，使用現(xiàn)今小震資料來反演歷史大震發(fā)震構造的形狀和位置。萬永革等（2008）在前人工作的基礎上優(yōu)化了計算方法，給出了斷層反演程序，并求解了唐山地震序列的斷層面參數(shù)。此后，該方法應用到很多地區(qū)的歷史大震和小震密集帶的斷層面參數(shù)反演中，比如1303年山西洪洞8級地震（齊玉妍等，2017）、1668年郯城8?級地震（周翠英等，2013）、1679年三河平谷8級地震（Wang等，2014）、1830年河北磁縣7?級地震（刁桂苓等，1999）、1879年武都南8級地震（劉白云等，2012）和1927年古浪8級地震（劉白云等，2015）等。

本研究采用1990—2014年發(fā)生在地震破裂區(qū)的精定位小震目錄，根據(jù)成叢小震發(fā)生在大震斷層面附近的原則，選定了一個矩形研究區(qū)域，采用萬永革等（2008）提出的震源斷層面擬合方法，反演了1933年疊溪7?級地震震源斷層面參數(shù)。

1 方法與資料

1.1 反演方法

根據(jù)多數(shù)余震叢集分布于斷層面附近的特點，可以假定一個平面來模擬震源斷層面，采用合適的數(shù)學方法可以求取這個平面，使得一定區(qū)域范圍內的所有小震到這個平面的距離平方和最?。ㄍ貘Q等，1992），該平面就是震源斷層面，震源斷層面參數(shù)包括走向、傾角和位置（即斷層面上4個拐點的坐標）。

在地理坐標系中，和分別表示斷層面走向和傾角，表示斷層面到坐標原點的距離，（xy，z）表示第個小震的震源位置，則斷層面法向量可表示為（sin· sin，cos· sin，cos），斷層面方程采用如下公式表示：

震源點（xy，z）到平面的距離為：

對于上述三元非線性函數(shù)的求解問題，傳統(tǒng)的做法有局部算法和全局算法。針對上述兩種算法的缺點，萬永革等（2008）提出了模擬退火全局搜索和高斯牛頓局部搜索相結合的算法，開發(fā)了斷層反演的Matlab程序，并以唐山地震序列等為例驗證了方法的可信度，反演結果與前人采用其他資料和方法得到的結果近似。該方法綜合了局部算法和全局算法的優(yōu)點，在給出全局搜索最優(yōu)解的同時，還可用于參數(shù)誤差的估計，這樣在某次大震之后如能快速確定小震的震源位置，則可以獨立于體波、面波和大地測量數(shù)據(jù)之外給出地震斷層面參數(shù)的另外一種約束（萬永革等，2008；刁桂苓等，2013）。

1.2 資料選取

豐富的觀測資料以及較高的定位精度是斷層反演的基礎。朱艾斕利用雙差定位法（朱艾斕等，2005）重新定位了南北地震帶北段自1990年1月至2014年12月發(fā)生的地震，重新定位時使用了其研究區(qū)周圍300km內四川、甘肅、陜西臺網(wǎng)等共65個臺站的數(shù)據(jù)。定位均方根殘差由重新定位前的2.2s下降到0.45s，平均定位誤差為水平向1.0km，垂直向1.1km，起始完整震級是L2.0。本文以上述精定位小震目錄作為斷層反演使用的基礎地震目錄。

由震中分布圖（圖1）可以看出，在主震附近存在NS向小震密集帶，反映了該方向的斷裂可能參與了活動，因此選取長軸方向為NS向的矩形區(qū)域內的地震反演斷層面參數(shù)。在資料選取過程中，除了小震密集分布區(qū)外，還要綜合考慮極震區(qū)的分布以及與地質構造的協(xié)調。圖1黑色方框右上角小震密集帶可能是1938年3月14日四川松潘南6.0級地震的余震，為了避開該密集小震對斷層反演的影響，在確定選取范圍時，東邊界既要避開右上角小震密集帶，又要將圖1中藍色五角星所示的震中包含在內。另外本文也嘗試以松坪溝斷裂作為小震選取范圍進行斷層反演，但是無法給出合理的斷層參數(shù)。

圖2給出了小震密集帶的震源分布直方圖，從中可以看出，小震震源深度范圍為2—34km，其中在3—15km的深度范圍內分布相對集中。為了降低稀少地震對反演結果精確度的影響，從基礎地震目錄中刪除震源深度小于3km和大于15km的地震。

黑色實線粗方框為斷層反演所用的小震范圍；紅色虛線為反演得到的疊溪地震震源斷層；黑色實線為前人推測的岷江斷裂位置；黑色虛線為前人推測的松坪溝斷裂位置；紅色五角星為微觀震中（中國地震局震害防御司，1999）；藍色五角星為宏觀震中（中國地震局震害防御司，1999）；綠色五角星為重新定位震中（王康等，2011）

圖2 矩形研究區(qū)內小震震源深度分布直方圖

2 結果與分析

按照上述小震資料的處理原則，選取圖1所示的矩形區(qū)域內的小震事件進行反演，求得近NS向震源斷層的走向（172.8°）、傾角（82.9°）和位置，如表1和圖3所示，反演得到的震源斷層在地表的投影見圖1中的虛線。由于地震帶狀分布特征顯著而且參與反演的地震較多，所得走向、傾角的標準誤差均很小。從小震到斷層面的距離分布圖（圖3（d））可以看出，小震基本上在反演所得斷層面的兩側呈對稱分布。

表1 反演得到的1933年疊溪7?級地震震源斷層參數(shù)（走向、傾角和斷層面4個拐點坐標）

（a）小震和反演所得斷層的水平面分布圖（坐標為經(jīng)緯度）；（b）平行于斷層面的縱剖面圖；（c）垂直于斷層面的縱剖面圖；（d）小震到斷層面的距離分布圖；圓圈為精確定位小震的位置，粗線為反演得到的斷層面邊界，AA’為斷層上邊界端點

現(xiàn)代地震學研究結果認為，構造斷層、震源斷層和地震斷層是既互相聯(lián)系又有一定區(qū)別的概念（高祥林等，1992）。構造斷層是一種構造變形現(xiàn)象，是巖層或巖體的一個或一組破裂面沿破裂面兩側的巖層或巖體發(fā)生顯著相對位移的結果，對于地震破裂而言是地質歷史時期形成的先存斷裂。地殼內擴展的剪切破裂面引起了淺源構造地震的彈性振動，這個剪切破裂面就是震源斷層。地震斷層是震中區(qū)伴隨地震出現(xiàn)的、兩側發(fā)生明顯相對錯動的斷層，如果震源斷層破裂至地面則表現(xiàn)為裂縫帶或破裂帶，也就是地質學上的發(fā)震構造，震源斷層沒有破裂至地面則向上延長到達地表的部分稱為地震斷層。一般采用小震分布、震源機制和地震形變反演等地震學方法確定震源斷層的參數(shù)，包括斷層走向、傾角、破裂長度、破裂寬度和位錯量等。

地質學認為的發(fā)震構造應該是震源斷層破裂至地表時的反映，由于疊溪地震地表破裂構造不明顯，本文采用小震密集分布反演到的震源斷層更多地代表了發(fā)震構造的深部情況。圖4給出了疊溪地震等烈度線和震源斷層空間位置，由圖可知，本文反演得到的震源斷層位于疊溪地震等震線的Ⅹ度最高烈度圈內（四川省地震局，1983），與較場弧形構造的褶皺樞紐是協(xié)調的，也反映出背斜核部的深部控制斷層可能就是本文反演得到的震源斷層，與岷江斷裂向南延伸的走向基本一致。本文也試圖將等震線長軸方向作為可能的剖面位置，重新選擇地震目錄進行反演計算，但是反演程序無法給出計算結果，因為斷層反演方法是根據(jù)小震密集分布在斷層面周圍的原理，利用小震密集條帶確定斷層參數(shù)，但是沿等震線長軸方向沒有明顯的小震密集活動，因此無法反演出合理的斷層參數(shù)。等震線雖然可以顯示斷層宏觀破裂面可能的位置，但是等震線的展布與當年烈度調查時居民點的分布有關。1933年疊溪地震的震中地處高山峽谷區(qū)，居民點較少且主要分布于溝谷中，而北西向松坪溝地形最開闊、居民點較多，地表堆積較豐富，是滑坡易發(fā)區(qū)，震害相對嚴重而且記錄也較為豐富。周邊其他方向的高山峽谷區(qū)大多地形狹窄、居民點較少，破壞程度相對較輕，且交通不便，給烈度調查帶來困難。這也是由等震線反映的疊溪地震發(fā)震構造走向長期存在爭議的重要原因。

圖4 疊溪地震等烈度線和震源斷層位置圖

王康等（2011）從全球臺站中篩選了13個具有明確初動符號的臺站記錄，采用格點嘗試法重新計算得到了疊溪地震震源機制解（圖5），節(jié)面之一是NNW向，范圍是NNW5°—30°，結合岷江斷裂南段為近南北走向的事實和小震南北向密集分布情況，該文章認為以此節(jié)面為疊溪地震的斷層面，與本文反演得到的斷層走向是一致的。

圖5 基于P波初動符號反演的疊溪地震震源機制解（王康等，2011）

3 討論與結論

本文利用1990—2014年精定位小震資料，基于萬永革等（2008）的模擬退火算法和高斯牛頓算法相結合的數(shù)學方法，反演了1933年疊溪7?級地震震源斷層面的詳細參數(shù)。結果表明，此次震源斷層走向172.8°，傾角82.9°，傾向偏向西。

斷層反演方法是根據(jù)小震密集分布在斷層面周圍的原理確定斷層參數(shù)。為了檢驗選取小震范圍的變化對斷層反演的影響，同時為了避開1938年四川松潘南6.0級地震可能的余震密集帶對斷層反演的影響，本文將選取范圍的北邊界向北擴展15km，反演得到斷層走向174.4°，傾角84.5°，與現(xiàn)有結果基本一致。由于等震線可以顯示斷層宏觀破裂面可能的位置，本文以等震線（圖4）北西向長軸作為小震選取范圍進行斷層反演，但是無法給出合理的斷層參數(shù)。另外本文也嘗試以松坪溝斷裂作為小震選取范圍進行斷層反演，也無法給出合理的斷層參數(shù)。綜合認為本文選取的小震范圍是合理的。

前人對1933年疊溪地震發(fā)震構造的認識一直存在著很大的爭議。本文采用由現(xiàn)今小地震資料反演震源斷層空間展布的地震學分析方法，所得結果更支持1933年疊溪地震的發(fā)震構造是近南北走向的斷裂這一結論，而且該斷裂的位置與較場弧形構造的樞紐部位一致，推測岷江斷裂南段沿構成該弧形構造核心的背斜核部位置延伸。

由于采用小震密集分布反演到的震源斷層更多地代表了發(fā)震構造的深部情況，因此作為1933年疊溪地震發(fā)震構造的岷江斷裂南段在地表是否形成地震破裂，還有待更可靠的地震地質證據(jù)支持。但對于地表破裂不顯著而余震密集分布的歷史強震，采用由現(xiàn)今小地震資料反演震源斷層空間展布的地震學分析方法，對于研究此類地震的發(fā)震構造是有益的。

致謝：本文完成過程中，防災科技學院萬永革教授提供斷層面反演程序，中國地震局地質研究所徐錫偉研究員提出了重要的修改意見，上海市地震局朱艾斕副研究員提供了小震精定位地震目錄，河北省地震局王曉山副研究員在反演程序使用過程中給予了指導和幫助，審稿人提出了諸多寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝。

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The Seismogenic Fault Plane Parameters Inversion of the 19337? Diexi Earthquake Using Precisely Located Small Earthquakes

Li Feng, Zhang Xiaoliang, Jia Qichao, Liu Huaguo and Gong Fei

(China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China)

There is a strong controversy about the seismogenic fault of 1933 Diexi7? earthquake. Some scholars believe that the NW-SE striking Songpingpu fault is the seismogenic fault of the earthquake. While others believe N-S striking southern segment of Minjiang fault is the seismogenic fault of the earthquake. According to the principle of the information of small earthquakes in the vicinity of fault, the fault plane parameters are inversed using the method proposed by Wan et al. (2008), with 1990—2014 precisely located small earthquakes. The strike and dip angel are 172.8° and 82.9°. The results of this paper prefer the southern segment of Minjiang fault as the seismogenic fault of the 1933 Diexi7? earthquake.

1933 Diexi earthquake; Minjiang fault; Seismogneic fault; Fault inversion; Precisely located small earthquakes

10.11899/zzfy20170313

地震行業(yè)專項中國地震活動斷層探察——南北地震帶北段（201408023）岷江斷裂和虎牙斷裂活動性鑒定分項目，與中國地震災害防御中心主任基金聯(lián)合資助

2017-05-28

李峰，男，生于1972年。副研究員，博士。主要從事活動構造研究。Email：lfeng10@sina.com