汶川地震強(qiáng)余震_M_s_5_6_的震源機(jī)制解及其與發(fā)震構(gòu)造的關(guān)系.doc

汶川地震強(qiáng)余震(Ms5.6)的震源機(jī)制解及其與發(fā)震構(gòu)造的關(guān)系鄭勇, 馬宏生*, 呂堅(jiān), 倪四道, 李迎春, 韋生吉 中國科學(xué)院測量與地球物理研究所, 武漢 430077; 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081; 中國地震局地震預(yù)測研究所, 北京 100036; 江西省地震局, 南昌 330039; 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 合肥 230026; 江蘇省地震局, 南京 210014* 聯(lián)系人, E-mail: 收稿日期: 2008-10-08; 接受日期: 2009-02-12中國科學(xué)院創(chuàng)新工程方向性項(xiàng)目(編號(hào): KZCX3-SW-153)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 40604004)、中國科學(xué)院創(chuàng)新工程方向性項(xiàng)目(編號(hào): KZCX2-YW-116-1)和國家科技支撐項(xiàng)目(編號(hào): 2006BAC01B02-01-02)資助摘要在 2008 年 5 月 12 日汶川 8.0 級(jí)地震之后, 發(fā)生了數(shù)十個(gè) M5, 數(shù)百個(gè) M4 以及更多的關(guān)鍵詞震源機(jī)制 發(fā)震構(gòu)造 汶川地震 裁剪-粘貼M3 的余震, 固定和流動(dòng)地震臺(tái)站對(duì)這些地震進(jìn)行了較完整的監(jiān)測. 通過利用 P 波到時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)M3 的余震進(jìn)行重新定位, 發(fā)現(xiàn)余震分布有兩個(gè)明顯的趨勢, 絕大部分的余震都分布在沿龍門山 斷裂帶的北東向上, 但在汶川地震的震中附近有一個(gè)北西向的余震分布區(qū). 利用中國國家數(shù)字地 震臺(tái)網(wǎng)和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的波形記錄, 采用“裁剪-粘貼”法, 獲得了較大余震的震源機(jī)制解(Ms5.6). 從震源機(jī)制解來看, 盡管多數(shù)較強(qiáng)余震顯示出逆沖的性質(zhì), 但在斷裂帶的北部余震仍有一部分顯示出明顯的走滑性質(zhì). 震源機(jī)制解顯示北川-映秀斷裂(BYF)的南部發(fā)生的余震主要為逆沖 型地震, 和主震的滑移狀態(tài)一致; 在 BYF 斷層的北部余震同樣以逆沖狀態(tài)為主, 這和主震在該區(qū) 域的破裂性質(zhì)有很大差異. 在青川-平武斷裂附近, 震源機(jī)制以右旋走滑為主, 且震源深度比較深 (18 km). 由此猜測主震在北部可能發(fā)生在北川斷裂和青川斷裂兩個(gè)斷裂上, 而不是只發(fā)生在中 央斷層上. 這種復(fù)雜的余震機(jī)制顯示出龍門山斷裂帶斷層系統(tǒng)的復(fù)雜性.北京時(shí)間 2008 年 5 月 12 日 14:28, 在四川省西部龍門山斷裂帶上發(fā)生了里氏 8.0 級(jí)強(qiáng)烈地震, 破裂 面長達(dá) 330 km(圖 1). 造成了至少 6 萬人死亡, 數(shù)以 百萬計(jì)的建筑物倒塌的重大損失. 同時(shí), 大地震發(fā)生 后, 至 7 月 14 日, 已經(jīng)發(fā)生了 2 萬多次余震, 其中 4 到 5 級(jí)的余震 200 多次, 5 到 6 級(jí)的余震 30 次, 6 級(jí)以 上的余震 6 次(中國地震臺(tái)網(wǎng)目錄). 由于災(zāi)區(qū)目前建 筑物和山體受主震的破壞, 這些余震極可能造成二次災(zāi)害. 因此, 了解強(qiáng)余震的震源性質(zhì), 分析其與發(fā)震構(gòu)造的關(guān)系, 對(duì)理解余震的孕震機(jī)理, 以及分析未 來可能的發(fā)生趨勢和危險(xiǎn)性均有極其重要的現(xiàn)實(shí)意 義.震源機(jī)制解直觀地反映了地震破裂幾何特征和 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征, 是研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的基礎(chǔ). 因此震源機(jī)制解和震源深度是地震工作者們所關(guān)心的重要參數(shù)2.汶川地震余震發(fā)生在地震多發(fā)的四川、陜西和圖 1 Ms3.0 的余震分布余震的位置通過主事件雙差法進(jìn)行了重新定. 黑色圓圈代表余震的位置, 大小代表震級(jí)情況. 五角星表示主震的位置, 灰色的線條為第 四紀(jì)斷層1, 方框里面的字母為斷層名稱的代號(hào): MJ, 岷江斷裂; HY, 虎牙斷裂; HQD, 哈南-青山灣斷裂; LRB, 龍日壩斷裂; QC, 青川斷 裂; PG, 彭縣-灌縣斷裂; BY, 北川-映秀斷裂; JGA, 江油-灌縣斷裂; JGU, 江油-廣元斷裂; LQS, 龍泉山斷裂; CHL, 茶壩-林庵寺斷裂; MW, 茂縣-汶川斷裂; MYL, 米亞羅斷裂甘肅等地, 這些區(qū)域目前已經(jīng)建立了較完善的地震臺(tái)網(wǎng), 為研究余震的震源機(jī)制和精確定位提供了良 好的觀測基礎(chǔ). 同時(shí), 地震發(fā)生后, 中國地震局緊急 布設(shè)了一批流動(dòng)地震臺(tái)站, 這些臨時(shí)觀測臺(tái)網(wǎng)也為 研究余震提供了更多的資料. 基于這些條件, 我們可 以通過采用波形反演的方法得到較大余震的震源機(jī) 制, 并結(jié)合主震發(fā)震構(gòu)造和龍門山斷裂帶構(gòu)造背景, 研究這些較大余震的余震機(jī)制和可能的發(fā)震斷層特 點(diǎn), 為推測未來余震發(fā)展趨勢提供參考.目前, 已經(jīng)發(fā)展了多種波形反演方法研究震源 機(jī)制解, 包括: 長周期面波36 、體波79 和近場記不均一性: 在青藏高原區(qū)域地殼厚度為 60 km 左右,km1518.而四川盆地只有 40在這種環(huán)境下, P 波和面波的到時(shí)在不同方位有很大的不同, 采用傳統(tǒng)的不將不同震相分開進(jìn)行反演的方法, 必然影響反演 結(jié)果的可靠性.近年來, 一個(gè)新的震源機(jī)制反演方法: “裁剪-粘 貼”19,20 波形反演法(CAP)開始被用于地震的震源機(jī) 制解反演中. 由于該方法對(duì)體波和面波分別進(jìn)行反 演, 因此可以在很大程度上減小地殼速度結(jié)構(gòu)模型 對(duì)反演結(jié)果的影響. 同時(shí), 由于采用近震擬合, 因此 可以提高信噪比和反演精度, 還能減小對(duì)臺(tái)站數(shù)量 和方位角分布的要求, 在理想情況下, 利用一個(gè)記錄 良好的近震波形就能得到不錯(cuò)的結(jié)果21. 因此該方 法能夠在很大程度上消除龍門山斷裂帶區(qū)域地殼速 度結(jié)構(gòu)不均一的影響, 得到較為可靠的余震震源機(jī)錄1012.汶川地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上, 該區(qū)域介于四川盆地和青藏高原的交界帶上, 由于四川盆地的阻擋 , 來自青 藏高原的 物質(zhì)在龍門 山下部積 累1215,從而導(dǎo)致該地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)在橫向有很大的中國科學(xué) D 輯: 地球科學(xué)2009 年 第 39 卷 第 4 期制解.本文首先對(duì)主震和 ML3.0 的余震進(jìn)行重新定 位, 然后在此基礎(chǔ)上基于中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的近震 資料, 采用 CAP 方法, 選取合適的地殼速度模型, 反 演 5.6 級(jí)以上強(qiáng)余震的震源機(jī)制和深度. 結(jié)合汶川地 震主震的發(fā)震構(gòu)造和龍門山斷裂帶的構(gòu)造背景, 分 析余震的空間分布特征, 并討論該地區(qū)余震的發(fā)震 構(gòu)造和未來可能的余震發(fā)展趨勢.震位移和觀測地震位移 u(t)一致作為判斷標(biāo)準(zhǔn):u(t)=s(r).(2)由于要求解的震源機(jī)制解的未知參數(shù)不多, 且0s360, 090, 180180, 因此求解方程(2)可定義一個(gè)誤差函數(shù)來衡量 s 與 u 的差異,直接采用網(wǎng)格搜索的方法在 M0, s, , 以及震源深度空間搜索得到最佳的震源機(jī)制解和矩震級(jí).考慮到因幾何擴(kuò)散產(chǎn)生的衰減對(duì)波形的影響,本研究使用經(jīng)震中距矯正后的絕對(duì)誤差值作為誤差1 研究方法1.1 精確定位方法本文利用震時(shí)四川區(qū)域臺(tái)網(wǎng)、水庫臺(tái)網(wǎng)和震后架 設(shè)的流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的地震記錄, 首先采用 Geiger22方法函數(shù)20,定義為p r e = | u s | .(3) r0 上式中, r 為震中距, r 為選定的參考震中距, p 為指數(shù)0確定主震和余震序列的絕對(duì)震源位置,定位23 方法對(duì)地震序列進(jìn)行相對(duì)定位,得更為精確的震源位置.再利用雙差從而期望獲因子, 主要用來矯正震中距對(duì)波形的影響, 一般而言,體波 p1, 面波 p0.5.以往的研究結(jié)果表明, CAP 方法在反演震源機(jī)制 解和確定震源深度上具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1) 綜合利用了近震中的體波和面波信息, 約束 全面. CAP 方法將 Pnl 和面波分開進(jìn)行擬合, 并在反演的過程中允許它們在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間變化范圍內(nèi)相對(duì)移動(dòng), 一定程度上消除了地下速度模型誤差造成的 影響. 由于龍門山斷裂帶附近構(gòu)造復(fù)雜, 該特性對(duì)于 我們研究汶川地震的余震具有極為重要的意義.(2) 反演過程中分別對(duì) Pnl 和面波賦以不同權(quán)重, 通過給 Pnl 部分賦更大的權(quán)重來避免面波在反演過程 權(quán)重過大的影響, 對(duì)震源深度及震源機(jī)制解有更好 的約束.(3) 在誤差函數(shù)中引入距離影響因子, 充分考慮 到了因距離產(chǎn)生的衰減對(duì)波形的改造, 從而避免反演主要受最近臺(tái)站記錄影響.1.2 震源機(jī)制解反演方法震源機(jī)制解研究中, 傳統(tǒng)上采用 P 波初動(dòng)方法或 者單一波形的方法. 然而, P 波初動(dòng)法存在的 3 個(gè)缺 點(diǎn)可能影響到震源機(jī)制解的可靠性: (1) P 波初動(dòng)需要 大量的方位角和震中距分布較好的臺(tái)站; (2) 對(duì)于節(jié) 面方位角附近的地震記錄, 很難判斷 P 波初動(dòng)的極性; (3) P 波初動(dòng)法無法得到地震的深度和震級(jí)大小. 利 用波形反演方法則可以克服這些缺點(diǎn), 從而使得結(jié) 果更加精確和可靠, 而且需要的臺(tái)站數(shù)量也少得多. 近年來, 國際上的一些地震學(xué)者建立和發(fā)展了 Cut 和 Paste(CAP)方法, 利用近震地震數(shù)據(jù)反演震源機(jī)制解. 該方法將寬頻帶數(shù)字地震記錄分解為體波部分(Pnl) 和面波部分, 分別計(jì)算它們的合成波形和真實(shí)記錄 的誤差函數(shù), 搜索出最佳深度和震源機(jī)制解, 同時(shí)確 定出地震矩震級(jí).一個(gè)雙力偶源產(chǎn)生的理論地震位移可表示為20322.1數(shù)據(jù)和模型地殼速度模型雖然 CAP 方法對(duì)地殼速度模型的要求不高, 但s(t ) = M 0 Ai ( s , , )Gi (t ),(1)一個(gè)較準(zhǔn)確的地殼速度模型仍然可以在一定程度上提高結(jié)果的準(zhǔn)確性. 20 世紀(jì) 90 年代, 中國科學(xué)院實(shí)驗(yàn) 地震隊(duì)完成了從福建至黑水的地殼測深工作, 其中 包括了四川境內(nèi)的北碚-黑水剖線, 經(jīng)過龍門山斷裂i =1式中 i = 1, 2, 3, 對(duì)應(yīng)于 3 個(gè)基本斷層, 即垂直的走滑斷層、垂直的正斷層和 45的傾滑斷層. A 代表震源輻 射花樣的系數(shù), G 為格林函數(shù), 為臺(tái)站的方位角, M0 為標(biāo)量矩, , , 分別為震源的走向、傾角和滑動(dòng)角, 是震源機(jī)制反演的主要參數(shù). 反演過程中, 以合成地帶24.他們的研究發(fā)現(xiàn), 龍門山斷裂帶地殼結(jié)構(gòu)有幾個(gè)特點(diǎn): (1) 分層明顯, 由上到下分別為結(jié)晶層基底,花崗巖層基底, 殼內(nèi)低速層, 玄武巖層, 在玄武巖層下部有高速薄層, 最下面為 Moho 面; (2) 龍門山中段 和東部的 2030 km 深度上有殼內(nèi)低速層; (3) 四川盆 地地殼厚度為 40 km 左右, 川西高原地殼可達(dá) 50 km. 因此在水平方向上龍門山地區(qū)的地殼有較大的不均2.2 余震的分布和近震臺(tái)站的分布2008 年 5 月 12 日汶川地震發(fā)生后至 7 月 14 日,在兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了兩萬多次余震. 本文將對(duì)M 5.6 級(jí)以上的強(qiáng)余震的震源機(jī)制和深度進(jìn)行研究.s表 2 列出了強(qiáng)余震的地震目錄. 其中, 5 月 12 日14:43:15.0 的余震由于距離主震發(fā)震時(shí)刻只有 15 min, 大多數(shù)的記錄都被主震波形截止, 沒有截止的波形 也由于主震的干擾而難以使用, 因此本文將排除掉 這一余震, 研究其他的 10 個(gè)事件.我們采用近震記錄和 CAP 方法對(duì)震源機(jī)制和深 度進(jìn)行反演. 目前, 在汶川地震區(qū)域分布了中國地震 局布設(shè)的國家臺(tái)網(wǎng)和四川、陜西和甘肅等省區(qū)布設(shè)的 寬頻帶區(qū)域臺(tái)網(wǎng). 其中國家臺(tái)網(wǎng)和四川地區(qū)的 48 個(gè) 寬頻帶地震臺(tái)站對(duì)于研究該區(qū)域的地震震源性質(zhì)提 供了最為重要的資料. 在震源機(jī)制解的反演中, 距離 較近的臺(tái)站記錄相比較遠(yuǎn)的記錄更為適用, 因此, 我 們使用了國家臺(tái)網(wǎng)和四川臺(tái)網(wǎng)距離余震 250 km(主要 為 200 km)之內(nèi)的地震波數(shù)據(jù). 國家臺(tái)網(wǎng)和四川臺(tái)網(wǎng) 的分布如圖 2 所示.一性, 本文將采用來的影響.CAP 方法來減小這種不均一性帶除人工地震剖面結(jié)果以外, Crust2.0 模型在全球尺度上提供了 22分辨率的地殼速度模型, 該模型 雖然空間分辨率不高, 但是給出的大致結(jié)果還是相 當(dāng)可靠的, 同時(shí)該模型還提供地殼各層的密度分布. 因此, 結(jié)合人工地震測深結(jié)果和 Crust2.0 的數(shù)據(jù), 能 夠得到較為理想的速度模型.考慮到四川盆地和川西高原的地殼結(jié)構(gòu)差異, 我們結(jié)合人工地震和 Crust2.0 模型, 分別給出川西地 區(qū)和四川盆地邊緣的地殼速度模型. 為了平衡不同 方向上的地震波到時(shí)差異, 我們對(duì)研究區(qū)域采用四 川盆地和川西高原厚度折衷的辦法來確定地殼厚度, 將地殼厚度設(shè)為 46 km 左右. 表 1 為研究區(qū)域的速度 模型.表 1 龍門山地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu) a)厚度/kmVs/kms1Vp/kms1密度/gcm3QaQb1.01.020.020.04.03.64.02.54.052.83.180080010008001000400600600500600a) Qa 和 Qb 分別是 P 和 S 波的衰減 Q 值表 2 Ms5.6 余震的目錄 a)地震編號(hào)經(jīng)度(E)緯度(N)發(fā)震時(shí)間震級(jí)12345678910*103.6104.0103.4103.4103.2105.0105.4105.6105.5105.5103.531.431.430.931.331.432.2332.632.832.832.831.02008-05-12 19:10:58.42008-05-13 4:08:50.12008-05-13 15:07:11.02008-05-14 10:54:36.52008-05-16 13:25:49.02008-05-18 1:08:23.42008-05-25 16:21:46.92008-05-27 16:37:53.12008-07-24 3:54:46.52008-07-24 15:09:28.62008-05-12 14:43:15.06.05.96.06.06.0a) 數(shù)據(jù)來自于中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng). *表示地震發(fā)生在主震之后十幾分鐘內(nèi), 受主震干擾很大, 本文中沒有研究該地震的情況中國科學(xué) D 輯: 地球科學(xué)2009 年 第 39 卷 第 4 期圖 2 中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)和四川以及周邊省區(qū)的地方臺(tái)網(wǎng)分布圖實(shí)心三角為臺(tái)站位置, 五角星為汶川地震主震的位置, 灰色線為斷層的位置域的合成地震圖(如圖 3(d)的黑色波形所示), 將這些合成地震圖作為觀測波形. 然后利用圖 3(b)所示的平 均模型反演震源機(jī)制和地震深度. 從反演結(jié)果來看,反演后得到的理論地震圖和不同區(qū)域里不同臺(tái)站的波形吻合很好, 如圖 3(d)的紅線和黑線所示. 只有振 幅上有較小的差異, 這主要是由于臺(tái)站的接收函數(shù) 的差異所致, 對(duì)反演結(jié)果影響不大. 該實(shí)驗(yàn)充分證實(shí) 了 CAP 方法的可靠性和對(duì)模型的適應(yīng)性, 而且深度 的搜索有很好的收斂性(圖 3(c), 從而能夠較準(zhǔn)確的 得到震源深度.2.3 震源機(jī)制解反演方法的可靠性實(shí)驗(yàn)由于龍門山地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)在水平方向上有很大 的不同, 因此反演方法必須要克服這種復(fù)雜的三維 地殼結(jié)構(gòu)帶來的誤差. 為了檢驗(yàn) CAP 反演方法的可 靠性, 我們設(shè)計(jì)了下面的數(shù)值實(shí)驗(yàn): 我們首先利用如 圖 3(a)所示的四種地殼速度模型(為在圖 3(b)所示的 一維速度模型上施加了10%, 5%, 5%和 10%四種不 同的波速干擾而得)代表一個(gè)地震周邊的四種差異很大的速度結(jié)構(gòu), 然后計(jì)算同一個(gè)震源對(duì)這些不同區(qū)圖 3 CAP 反演對(duì)各向不均一性速度結(jié)構(gòu)反演的效果圖(a) 分別為在圖 3(b)模型上施加10%, 5%, 5%和 10%的速度干擾所致, 分別代表一個(gè)地震發(fā)生后周邊 4 種不同區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)模型; 我們用這 4 種模型分別計(jì)算 一個(gè)地震在該地區(qū)模型對(duì)應(yīng)的理論波形, 并以其作為記錄波形, 利用圖(b)的速度模型作為反演的速度模型, 用 CAP 方法反演震源機(jī)制, 并比較反演的波形與記錄波形. (b) 反演用到的速度模型. (c) 反演誤差隨深度變化情況. (d) 波形的擬合情況, 紅色為擬合波形, 黑色為數(shù)據(jù)波形. 可見反演結(jié)果吻合很好, 不同的速度模型 帶來的差別主要體現(xiàn)在面波的時(shí)間移動(dòng)上, 對(duì)震源機(jī)制反演基本沒有影響. 這證明了 CAP 方法對(duì)速度模型依賴性小, 可靠性高的特點(diǎn)中國科學(xué) D 輯: 地球科學(xué)2009 年 第 39 卷 第 4 期余震群分布呈北東-南西走向, 從北西-南東走向米亞羅斷裂的東部端點(diǎn)開始, 延伸至南西-北東走向的彭 灌-茂汶斷裂帶上, 該區(qū)域的震源深度較深, 與主震 的滑移情況一致27.(2) 中部區(qū)域從北川附近開始延伸至平武一帶 (104.9E, 32.3N). 該區(qū)域的余震密度比南部和北部 區(qū)域都小, 且分布寬度也是最窄的, 震源深度主要集 中在 515 km.(3) 北部區(qū)域開始于 104.9E, 32.3N, 然后沿著 青川-平武斷裂帶一直延伸至陜西省內(nèi). 且該區(qū)域的震源深度也比較深, 5 月 25 日的 6.4 級(jí)最大余震的深 度在 1819 km, 幾乎是北部區(qū)域震源最深的地震.近期以來, 該區(qū)域的地震活動(dòng)相對(duì)于其他兩個(gè)區(qū)域越來越頻繁, 在過去的兩個(gè)月中, 大多數(shù)強(qiáng)余震都發(fā) 生在這個(gè)區(qū)域. 通過對(duì)余震分布和事件序列的分析, 我們認(rèn)為青川-平武斷裂帶相當(dāng)活躍, 仍有可能在未 來發(fā)生較大的余震.3結(jié)果和發(fā)震構(gòu)造分析基上文提到的方法和數(shù)據(jù), 我們對(duì) ML3.0 的余震序列進(jìn)行了精確定位, 結(jié)果如圖 1 所示.參考趙珠等25的工作，我們把雙差定位用到的速度模型設(shè)置如 表 3 所示. P 波和 S 波波速比為 1.71, 定位用到的臺(tái)站 如圖 4 所示. 我們用到了固定臺(tái)站、流動(dòng)臺(tái)站、以及 水庫臺(tái)網(wǎng)的資料, 共 75 個(gè)地震臺(tái), 其中一部分臺(tái)站 在地震中受到損壞, 不過后期又得到了修復(fù). 共計(jì)算 了 2153 個(gè)地震, 獲得 1999 個(gè)地震的深度解, 定位誤 差為: 東西 1.4 km, 南北 1.6 km, 垂直 2.7 km, 走時(shí) 的均方根殘差為 0.34 s.從我們的結(jié)果與黃媛等26的定位結(jié)果的比較來 看, 兩者在水平方向和垂直方向上都相差無幾.在精確定位的基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步利用 CAP 方法 反演了 Ms5.6 級(jí)余震的震源機(jī)制和深度. 結(jié)果如圖5 和表 4 所示.3.1 余震精確定位結(jié)果(Ms3.0)精確定位的結(jié)果顯示, 幾乎所有的余震都分布 在汶川主震斷裂面附近, 從南到北, 余震分布區(qū)域長 達(dá) 330 km 以上, 可以分成 3 個(gè)部分:(1) 南部區(qū)域從 103.3E, 30.8N 開始, 向北延伸 至 104.4E, 31.9N. 該區(qū)域的地震密度相當(dāng)高, 且分 布區(qū)域的寬度也比其他兩個(gè)區(qū)域?qū)? 在主震的發(fā)震 震中以北 20 km 附近有一個(gè)明顯的三角狀余震群, 該3.2 震源機(jī)制和發(fā)震構(gòu)造基于精確定位的結(jié)果, 我們反演了 10 個(gè) 5.6 級(jí)以 上強(qiáng)余震的震源機(jī)制和深度, 結(jié)果如圖 5 所示. 這 10 個(gè)強(qiáng)余震分布在龍門山斷裂帶的幾個(gè)主要斷層上, 包括中央主斷裂帶(由北川-映秀斷裂和茶壩-林庵寺 斷裂組成)、后山斷裂帶(包括茂汶-汶川斷裂)和青川 斷裂. 盡管有些小的余震發(fā)生在前山斷裂(包括江油-表 3 雙差定位用到的速度模型設(shè)置25深度/km0.02.948.3421.7043.0968.51Vp/kms14.885.806.046.827.618.38表 4 強(qiáng)余震的震源機(jī)制解和它們重定位后的位置方位角 1/()傾角 1/()滑動(dòng)角 1/()方位角 2/()傾角 2/()滑動(dòng)角 2/()地震編號(hào)經(jīng)度 E/()緯度 N/()深度/km矩震級(jí) Mw12345678910103.449103.849103.173103.369103.187104.899105.385105.593105.497105.48531.33031.44030.99131.33131.38532.28332.61832.77332.81932.82681811312121814655.725.375.565.255.405.615.785.275.175.42202106290148623293511701057324466084429081656716611655392992928110312622314224123959863091967769545761488162328717791211431738818017054157圖 4 重定位用到的地震臺(tái)站分布圖實(shí)心圓代表水庫地震臺(tái), 倒三角代表固定地震臺(tái), 正三角形代表汶川地震后布設(shè)的流動(dòng)臺(tái), 五角星代表受損的水庫地震臺(tái),方塊代表受損的固定臺(tái)灌縣斷裂和江油-北川斷裂)上, 且地質(zhì)考查也發(fā)現(xiàn)主震在前山斷裂上也存在至少 60 km 的破裂28, 但 5.6 級(jí)及以上的強(qiáng)余震卻沒有發(fā)生在這個(gè)斷裂上, 這是 一個(gè)非常值得注意的現(xiàn)象.從圖 5 可以看到強(qiáng)余震很明顯的分成兩個(gè)部分, 編號(hào) 15 的余震主要集中在大地震破裂帶的南部, 另 外 5 個(gè)集中在破裂帶的北部, 特別是青川-平武斷裂 附近. 這種分布趨勢給我們提供了強(qiáng)余震活動(dòng)性的 重要信息. 為了分析余震的震源機(jī)制和其與發(fā)震構(gòu) 造的關(guān)系, 我們將對(duì)強(qiáng)余震分成兩部分來討論.解顯示該區(qū)域的強(qiáng)余震主要分為兩類: 第 1, 4, 5 號(hào)余震為南西-北東走向的右旋走滑地震或者北西-南東走 向的左旋走滑地震; 而第 2, 3 號(hào)余震則為南西-北東 走向的逆沖型地震. 且三角形震群中的余震震源性 質(zhì)和中央主斷裂帶余震有很大的差異. 下面將該區(qū) 域的余震進(jìn)行詳細(xì)討論.1 號(hào)余震在主震之后第 7 個(gè)小時(shí)發(fā)生, 因此主震 的長周期信號(hào)對(duì)該余震的影響較大, 很難將理論波 形和觀測波形在低頻部分?jǐn)M合得很好. 為了提高擬 合的吻合度, 我們將帶通濾波器的頻率提高. 雖然主 震的干擾使得該余震的擬合誤差比其他事件大. 但 總體來看誤差處于可接受范圍. 從圖 6 可以看到, 大 多數(shù) Pn1 波形的相關(guān)性都大于 75%, 其中有一些在90%以上; SH 波的波形擬合也很好. 面波部分波形擬 合不太好, 主要是由于主震的干擾所致. 我們知道, Pnl 的能量主要集中在高頻段, 而主震引起的持續(xù)時(shí) 間很長的干擾面波能量主要集中在低頻段, 因此對(duì)3.2.1 南部余震的震源機(jī)制南部區(qū)域 5.6 級(jí)及以上的余震有 5 個(gè), 發(fā)生在 5 月 12 日到 5 月 16 日之間, 比較圖 1 和 5 可以看到 1 號(hào)、4 號(hào)和 5 號(hào)余震位于三角形的地震群區(qū)域, 2 號(hào)和3 號(hào)余震發(fā)生在映秀-北川斷裂上. 自 5 月 16 日之后,該地區(qū)沒有再發(fā)生 5.6 級(jí)及以上的強(qiáng)余震. 震源機(jī)制中國科學(xué) D 輯: 地球科學(xué)2009 年 第 39 卷 第 4 期圖 5 Ms5.6 強(qiáng)余震的震源機(jī)制解112 為余震的編號(hào), 110 同表 2; 主震的機(jī)制解來自于 Harvard CMT 解; 黑色線條為第四紀(jì)斷層的位置; DB, 迭部-白龍江斷裂; LJ, 理縣-江口斷裂, 其他斷層名稱與圖 2 相同Pn1 的干擾相對(duì)較小. 雖然 SH 波頻段小于面波, 但是 SH 震相只存在于切向方向, 考慮到 1 號(hào)余震與主 震位于不同平面, 因此汶川地震對(duì) SH 波波形的干擾 較小, 接收到 SH 波形相對(duì)比較“干凈”. 由于上述 原因, Pn1 和 SH 波形的擬合情況很好. 但是, 主震對(duì) 面波的干擾無法消除, 導(dǎo)致面波擬合要差于以上兩 種波形.從發(fā)震構(gòu)造來看, 1 號(hào)余震震中非?？拷h-汶 川斷裂(MW), 地質(zhì)調(diào)察表明該斷裂以南西-北東向右旋走滑運(yùn)動(dòng)為主. 而 1 號(hào)余震的走向、傾角、滑動(dòng)角 分別為 220, 73和166, 與地質(zhì)考查的結(jié)果很一致.0cf/_content/08_05/30/1212118520734.html; /faculty/ji/big_earthquakes/2008/05/12/ShiChuan.html; 王衛(wèi)民等27), 茂汶斷裂可能比主中央斷裂要淺.4 號(hào)余震(Ms5.6)和 5 號(hào)余震(Ms5.4)震中距離 1 號(hào) 余震很近, 精確定位結(jié)果表明兩次余震之間的距離 小于 10 km, 5 號(hào)余震距 1 號(hào)余震 20 km. 三次余震都 位于三角形余震群. 但是, 三次余震的震源機(jī)制有明 顯差別: 1 號(hào)和 5 號(hào)余震以右旋走滑破裂為主, 而 4 號(hào)余震包含一定正斷層運(yùn)動(dòng). 三次余震的走向和傾 角也存在差異, 如果 4 號(hào)余震發(fā)生的斷層為南西-北 東向, 那么其傾角將為 54, 和 1 號(hào)余震傾角很接近, 但是走向相差 180. 另外從深度來看, 4 號(hào)余震的震 源深度只有 3 km, 這一方面可能表明茂汶斷裂在垂 直方向存在很大差異, 另一方面也可能是由于 4 號(hào)余 震發(fā)生在另一條南東-北西向的左旋走滑斷層之上. 5 號(hào)余震的走向角為 148或 241, 分別對(duì)應(yīng)著米亞羅因此, 我們認(rèn)為1號(hào)余震可能發(fā)生在茂縣-汶川斷裂之上. 如果這一觀點(diǎn)是正確的, 那么茂汶斷裂北段的傾角就比較大, 該斷裂以右旋走滑運(yùn)動(dòng)為主, 略帶逆 沖分量. 1 號(hào)余震震源深度 8 km, 該余震發(fā)生于上地 殼. 與主震的破裂深度(20 km)相比(/manage/html/8a8587881632fa5c0116674a01830圖 6 2008-05-12 19:10 發(fā)生的 1 號(hào) Ms6.0 余震的震源機(jī)制擬合圖虛線為合成圖, 實(shí)線為觀測圖. Pnl 部分的濾波頻率為 0.050.2 Hz, 面波和切向 SH 波濾波頻率為 0.030.10 Hz. 第一行顯示擬合的誤差和 一個(gè)節(jié)面的機(jī)制解, 以及震源機(jī)制沙灘球的形狀. 沙灘球上的小圓點(diǎn)為臺(tái)站的位置. 在本圖中采用下半球投影來畫沙灘球. 第一列文字 分別表示臺(tái)站的方位角, 臺(tái)站名和震中距(km). 其他的 5 列分別表示合成和觀測地震圖的比較, 由左至右分別為: 垂直 Pnl (PnlV)、水平 Pnl (PnlR)、垂直面波(SurV)、水平面波(SufR)和 SH 波分量斷裂和汶茂斷裂的走向. 考慮到汶茂斷裂的深度和水平位置, 我們認(rèn)為 5 號(hào)余震很可能發(fā)生在米亞羅斷 裂上. 具體原因?yàn)? (1) 發(fā)生在汶茂斷裂上的 1 號(hào)余 震表明該斷層上的傾角為 70, 如果 5 號(hào)余震發(fā)生在 汶茂斷裂上那么它的震源深度就將大于 12 km; (2) 5 號(hào)余震的走向非常接近米亞羅斷裂, 且該余震距離 米亞羅斷裂較茂汶斷裂更近; (3) 米亞羅斷裂為北西-南東向左旋走滑斷裂, 與 5 號(hào)余震的震源機(jī)制吻合.從圖 5 我們可以看到, 米亞羅斷裂并沒有延伸到 5 號(hào) 余震的震中位置, 這可能意味著汶川 8.0 級(jí)地震導(dǎo)致 了米亞羅斷裂的破裂并增加了它的長度.發(fā)生在主中央斷裂上余震的震源機(jī)制與發(fā)生在 茂汶、米亞羅斷裂上的余震存在很大差異. 2 號(hào)余震 (Ms5.7)和 3 號(hào)余震(Ms6.1)發(fā)生在映秀-北川斷裂(BY)中國科學(xué) D 輯: 地球科學(xué)2009 年 第 39 卷 第 4 期上, 與 M8.0 主震震源機(jī)制解類似, 都以逆沖運(yùn)動(dòng)為主. 兩次余震的差異反映了映秀-北川斷裂不同位置 的性質(zhì)差異. 2 號(hào)余震傾角為 24, 而 3 號(hào)余震傾角為54. 兩次余震的震源深度分別為 18 和 11 km, 表明離主震已經(jīng) 70 多天, 它們的震源機(jī)制和震源深度都和前兩類的 3 個(gè)余震有很大的不同.6 號(hào)余震為純逆沖型地震, 走向和傾角分別為239和 48. 其震中非?？拷鑹?林庵寺斷裂(CHL), 走向也很一致, 因此我們推斷 6 號(hào)余震發(fā)生在該斷裂 上. 從地質(zhì)構(gòu)造來看 CHL 斷裂也屬于中央破裂帶, 因此可以認(rèn)為中央破裂帶為逆沖斷層, 在其上發(fā)生 的破裂應(yīng)以逆沖運(yùn)動(dòng)為主. 這與汶川地震的破裂類 型相矛盾, 大多數(shù)破裂模型表明破裂帶北端以右旋 走滑運(yùn)動(dòng)為主, 只含有少量的逆沖分量. 我們據(jù)此推 測, 汶川地震可能不僅僅引起了中央斷裂和灌縣-江 油斷裂南端破裂, 還有可能引起了北端的某右旋走 滑斷層破裂.這條右旋走滑斷層可能是青川-平武斷層(QC). 上面提到, 7 號(hào)和 8 號(hào)余震是右旋走滑型地震, 震中位 置距 QC 斷裂很近. GPS 觀測29表明 QC 青川斷裂為 右旋走滑斷層, 因此, 7 號(hào)和 8 號(hào)余震很可能發(fā)生在青 川-平武斷裂. 7 號(hào)余震(Ms6.4)是至今記錄到的最大余 震, 8 號(hào)余震震級(jí)為 Ms5.7. 7 號(hào)余震傾角 81, 震源深 度達(dá) 18 km, 表明青川-平武斷裂的斷層面深且陡峭. 此外, 汶川地震主震北端的破裂滑動(dòng)與青川-平武斷 層的運(yùn)動(dòng)很相似, 而在破裂面北端并沒有其他大的 右旋走滑斷層, 由此我們猜測主震可能在青川-平武 斷裂上延伸了相當(dāng)長的距離, 與王衛(wèi)民等27 的結(jié)果 吻合.北部區(qū)域的余震在時(shí)間序列上非常值得關(guān)注. 5 月 27 日 8 號(hào)強(qiáng)余震發(fā)生以后兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)沒有其他 強(qiáng)余震發(fā)生, 這使得人們認(rèn)為持續(xù)的強(qiáng)余震已經(jīng)結(jié) 束. 但是, 7 月 24 日一天之內(nèi)發(fā)生了 3 次較強(qiáng)余震, 其 中兩次大于 5.6 級(jí). 此后一些天內(nèi), 又陸續(xù)記錄到多 次 4 級(jí)以上的余震. 眾所周知, 在歷史上大地震后23 個(gè)月內(nèi)發(fā)生過多次極具破壞性的余震, 比如 1976 年唐山地震. 因此, 這兩個(gè)強(qiáng)余震的發(fā)生可能意味著 該區(qū)域仍存在發(fā)生破壞性強(qiáng)震的危險(xiǎn).精定位的結(jié)果表明, 9 號(hào)和 10 號(hào)余震震中位置十 分接近, 但是震源機(jī)制相差很大, 9 號(hào)余震為逆沖型 地震, 而 10 號(hào)地震以走滑運(yùn)動(dòng)為主. 9 號(hào)地震的走向 為北西-南東向, 近似垂直于青川-平武斷層. 10 號(hào)地 震雖然走向有一個(gè)節(jié)面為南西-北東向, 接近青川-平 武斷裂走向, 但是方向還是有很大的不同, 而且這兩映秀-北川斷裂近地表處的傾角要大于深部,和地震的關(guān)系可能如圖 7(a)所示的狀態(tài).該斷層圖 7 地震和發(fā)震構(gòu)造關(guān)系圖(a) 南部 2, 3 號(hào)地震與 BY 斷裂帶在垂直方向上的構(gòu)造示意圖; 由 于 3 號(hào)地震淺, 傾角大, 2 號(hào)地震深, 傾角小, 意味著 BY 斷裂淺部 的傾角大于深部. (b) 北部 7, 8, 9, 10 四個(gè)地震與構(gòu)造的關(guān)系, 可 以看出 7, 8 地震發(fā)生在 QC 斷裂上, 而 9, 10 號(hào)地震則可能發(fā)生在 兩個(gè)地質(zhì)上沒有觀察到的斷層 F1, F2 上, 其中 F1 為右旋走滑斷裂, F2 為逆沖斷裂3.2.2 北部余震的震源機(jī)制5 月 18 日之后, 較大余震主要發(fā)生在主破裂帶 的北部地區(qū). 從圖 5 可以看出 5 個(gè)較大余震屬于 3 種 不同的類型: 6 號(hào)余震為一類, 屬于純逆沖型; 7 號(hào) 和 8 號(hào)余震為一類, 屬于右旋走滑型; 9 號(hào)和 10 號(hào)余 震則屬于另一種類型, 這兩個(gè)余震發(fā)生在 7 月 24 號(hào),次余震的震源深度都很淺, 和青川-平武斷裂上地震的深度差異也很大, 加上這兩個(gè)地震距離青川-平武 斷裂比較遠(yuǎn), 因此不太可能發(fā)生在青川-平武斷裂上. 然而令人感到疑惑的是, 在該地區(qū)并沒有地質(zhì)上發(fā) 現(xiàn)的斷層(圖 5). 一種可能的解釋是這兩次余震發(fā)生 在兩個(gè)新的或者以前沒有發(fā)現(xiàn)的斷層上, 如圖 7(b)所 示: 9 號(hào)地震可能發(fā)生在北西-南東走向的逆沖斷層 F2 上, 10 號(hào)地震發(fā)生在南西-北東走向的右旋走滑斷 層 F1 上. 從地形圖來看(圖 7(b), 確實(shí)能夠發(fā)現(xiàn)垂直 于龍門山斷裂帶的一條北西-南東向的峽谷, 可能是 一條以前沒有考察到的斷層或者盲斷層, 而在 9, 10 號(hào)地震的位置附近也存在一條南西-北東走向的谷底, 可能意味著該地區(qū)存在一條右旋的走滑斷裂.不管怎樣, 7 號(hào)和 8 號(hào)余震表明汶川地震主破裂 帶北段是一比較活躍的地震帶. 青川-平武斷裂及周 邊地區(qū)在將來仍可能發(fā)生新的余震.的振幅小于 IRIS 的記錄, 這將導(dǎo)致通過中國本地地震圖反演的矩震級(jí)比 IRIS 臺(tái)站的小大約 0.20.3. 這就是為什么我們反演的矩震級(jí)與 USGS 和 Harvard 給出的結(jié)果相比, 相對(duì)較小.4討論及結(jié)論基于觀測報(bào)告和局部地震圖我們對(duì)大于 3.0 級(jí)的余震進(jìn)行了重定位并計(jì)算了 10 個(gè)大于 5.6 級(jí)的強(qiáng)余震的震源機(jī)制, 通過分析我們發(fā)現(xiàn)以下特征:(1) 余震主要集中在汶川 8.0 級(jí)主震的狹窄破裂 帶上. 余震的空間分布圖表明余震可以分為三部分: 南部、北部和中部. 在南部的余震位于三角余震群中. 余震群顯示了該地區(qū)可能存在著一些北西-南東向的 斷層或者一系列南西-北東向的斷層. 綜合分析這些 震源機(jī)制解我們認(rèn)為主震可能增長了米亞羅斷層的 破裂并導(dǎo)致了一些強(qiáng)余震的發(fā)生. 在中部的余震普 遍小于其他地區(qū)的, 震源深度則集中在 515 km, 在 地殼很淺和很深的地方則很少發(fā)生. 北部的余震就 密度而言和南部的差不多, 但發(fā)生時(shí)間則存在明顯 差異: 在主震之后的幾天里, 余震主要發(fā)生在南部地 區(qū), 隨著時(shí)間的推移, 北部地區(qū)的地震活動(dòng)性則越來 越強(qiáng), 主震發(fā)生兩個(gè)月后強(qiáng)余震主要發(fā)生在青川-平 武斷裂及周邊地區(qū).(2) 余震主要發(fā)生在構(gòu)造強(qiáng)度比較大地區(qū). 從地 質(zhì)背景中我們知道南部地區(qū)的巖石基本上是強(qiáng)度較大的雜巖地質(zhì)體31, 所以這些地方可以不斷積累應(yīng) 力以致發(fā)生很強(qiáng)的地震. 但在中部地區(qū)則是硬度很低的巖石, 如古生界泥巖和板巖等, 因此在淺部地區(qū) 不能夠積累足夠的能量, 從而不能發(fā)生很大的地震.北部地區(qū)的情況和南部的類似, 這一地區(qū)的巖石主要為前震旦紀(jì)石英巖構(gòu)成的地質(zhì)體或者其他硬度比 較強(qiáng)的地質(zhì)體. 青川-平武斷裂是前震旦紀(jì)石英巖和 千枚巖地質(zhì)體的分界, 硬度的差異導(dǎo)致這里容易發(fā) 生地震, 這也是很多強(qiáng)余震在這里發(fā)生的原因.(3) 較大余震均發(fā)生在汶川地震主震的破裂區(qū) 域. 基于震源機(jī)制解, 我們推斷中央破裂帶是逆沖型斷層, 發(fā)生在這些斷層上的余震受控于主破裂的滑 動(dòng). MW 斷裂和 QC 斷裂上的余震是右旋走滑型. 4 號(hào)和 5 號(hào)余震暗示了 MYL 斷層在汶川地震后有所擴(kuò)展,因此產(chǎn)生了一些左旋走滑型地震.3.3 誤差分析在我們的研究工作中, 誤差主要來源于 3 個(gè)方面: (1) 水平和垂向定位的誤差. 在精確定位的工作中, 我們運(yùn)用雙差定位法反演水平震中. 因此, 誤差 主要來源于震相報(bào)告和速度模型的誤差. 通常, 到時(shí) 識(shí)別的平均誤差小于 0.2 s, 相當(dāng)于 11.5 km 的 P 波 傳播距離. 地殼速度模型的誤差很難估算, 但是地殼 的各向異性可能導(dǎo)致 1 km 甚至更高的定位誤差. 因 此, 整個(gè)的水平定位誤差在 23 km 內(nèi). 運(yùn)用近震波 形擬合的方法, 我們反演了余震的震源深度. 通常, 余震震源深度的定位誤差在 12 km. 由于震源深度 對(duì)面波波形影響較大, 而面波的精度沒有 Pn1 波高, 因此近震波形反演對(duì)震源深度并不十分敏感. 相反, 遠(yuǎn)震波形反演對(duì)震源深度更為敏感30. 因此, 如果我 們聯(lián)合近震和遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)反演就能得到更為精確 的震源深度結(jié)果.(2) 網(wǎng)格搜索的采樣間隔. 在震源機(jī)制的網(wǎng)格搜 索過程當(dāng)中, 我們設(shè)定走向, 傾角和滑動(dòng)角的搜索步 長為 5, 因此我們反演的精度在 5以內(nèi). 考慮到穩(wěn)定性和速度結(jié)構(gòu)的影響, 精度為 5已足夠我們用來研究地震的孕育背景.(3) 中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的系統(tǒng)誤差. 通過比較中 國臺(tái)站和 IRIS 臺(tái)站記錄的振幅, 我們發(fā)現(xiàn)中國臺(tái)站中國科學(xué) D 輯: 地球科學(xué)2009 年 第 39 卷 第 4 期(4) 時(shí)間序列顯示強(qiáng)余震越來越傾向于發(fā)生在破裂區(qū)域的北部, 并且在主震發(fā)生后兩個(gè)月里震源 機(jī)制已經(jīng)改變了許多. 從 9 號(hào)和 10 號(hào)兩次余震中我 們發(fā)現(xiàn), 其震源機(jī)制與在北部發(fā)生的其他地震相當(dāng)不 同. 這可能是地震構(gòu)造應(yīng)力場在近期改變的一個(gè)信號(hào), 一些新的或尚未知道的斷層可能已經(jīng)開始活動(dòng).通過分析一些較大余震的位置和震源機(jī)制解我們得到了一些汶川 8.0 級(jí)地震發(fā)震構(gòu)造的一般性信息.但是仍有些問題需要解決, 如發(fā)震構(gòu)造區(qū)域的地殼 精細(xì)構(gòu)造、大陸型地震的產(chǎn)生機(jī)制等. 我們將進(jìn)一步 分析區(qū)域內(nèi)的地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)和所有震級(jí)超過 4 級(jí)的 余震震源機(jī)制解, 爭取能夠得到有關(guān)應(yīng)力場和發(fā)震 構(gòu)造如何改變的圖像, 這將為將來的地震預(yù)測提供 有用的信息.中國地震臺(tái)網(wǎng)中心和中國地震局地球所數(shù)據(jù)備份中心提供數(shù)據(jù), 臺(tái)網(wǎng)中心的任梟和黃志斌以及備份中心的鄭秀芬為我們工作的順利完成提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和工作平臺(tái), 邵志剛博士和劉桂萍處長的 工作確保完成了這項(xiàng)工作, 評(píng)審人提出了建設(shè)性的意見, 在此一并致謝.致謝參考文獻(xiàn) 123456鄧起東，張培震，冉勇康，等. 中國活動(dòng)構(gòu)造基本特征. 中國科學(xué) D 輯: 地球科學(xué), 2002, 32(12): 10201030內(nèi)蒙古地震局. 內(nèi)蒙古自治區(qū) 2003 年和 2004 年兩次 5.9 級(jí)地震. 北京: 地震出版社, 2005. 37 張國民, 汪素云, 李麗, 等. 中國大陸地震震源深度及其構(gòu)造意義. 科學(xué)通報(bào), 2002, 47(9): 663668McGowan D W. 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