引用本文
尹得余, 刘启方, 刘畅, 季鑫洋. 基于近场强震记录和同震位移的汶川地震破裂过程[J]. 地震地质, 2018,40(3): 698-717.
YIN De-yu, LIU Qi-fang, LIU Chang, JI Xin-yang. ESTIMATING THE WENCHUAN EARTHQUAKE RUPTURE PROCESS USING NEAR FIELD STRONG MOTION RECORDS AND COSEISMIC DISPLACEMENTS[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(3): 698-717.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.03.014
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基于近场强震记录和同震位移的汶川地震破裂过程
尹得余1, 刘启方1, 刘畅2, 季鑫洋2
1中国地震局工程力学研究所, 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,哈尔滨 150080
2淮阴工学院建筑工程学院, 淮安 223001

〔作者简介〕 尹得余, 男, 1987年生, 2017年于中国地震局工程力学研究所(哈尔滨)获防灾减灾工程及防护工程专业博士学位, 讲师, 研究方向为震源破裂过程反演, 电话: 18994555131, E-mail: yindeyuiem@163.com。

收稿日期: 2017-02-14
基金项目: 国家自然科学基金(51378479)、 中国地震局工程力学研究所基本科研业务专项(2016A04)与国家重大科技专项(2013zx06002001-09)共同资助
摘要

基于方位角覆盖较均匀的近场宽频带强震记录和同震位移资料, 采用非负最小二乘法和多时间视窗技术, 反演了2008年汶川地震破裂过程。从运动学的角度, 对北川断层南段、 彭灌断层和小鱼洞断层可能的破裂顺序进行了分析, 同时探讨了北川断层南段浅部高倾角部分起始破裂的时间。得到如下结论: 1)通过近场记录波形拟合残差结合同震位移资料得到, 只有北川断层南段在与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂, 断层西南侧台站合成记录才符合观测记录, 同时不会在彭灌断层南段近地表处产生远大于观测值的位错。得到1种可能的破裂方式为: 主震从北川断层南段深部低倾角部分开始, 造成浅部的彭灌断层破裂, 彭灌断层往北侧破裂传播触发小鱼洞断层, 进而引起北川断层南段浅部高倾角部分与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂。2)通过分析断层西南侧台站合成记录的第2个波包波形拟合的结果, 发现北川断层南段高倾角部分起始破裂可能有8s的 “停滞”。从时间上来说, 相互平行的北川断层南段和彭灌断层在破裂时可能存在先后顺序, 北川断层南段浅部区域的破裂可能滞后于彭灌断层。同时, 北川断层南段可能存在多点破裂的情况。3)断层面上滑动速度较大的区域, 滑动速率的值与周边台站有较好的对应关系。断层面上产生较大滑动速率的区域, 其周边台站往往有较大的 PGV产生。

关键词: 汶川地震; 近场强震记录; 同震位移资料; 小鱼洞断层; 破裂顺序
中图分类号:P315 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)03-698-20
ESTIMATING THE WENCHUAN EARTHQUAKE RUPTURE PROCESS USING NEAR FIELD STRONG MOTION RECORDS AND COSEISMIC DISPLACEMENTS
YIN De-yu1, LIU Qi-fang1, LIU Chang2, JI Xin-yang2
1)Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration; Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration of China Earthquake Administration, Harbin 150080, China
2)Huaiyin Institute of Technology, Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huai’n 223001, China;
Abstract

Based on the extensive near field broadband strong-motion records with uniform azimuthal coverage and coseismic displacements, the rupture process of 2008 Wenchuan earthquake is inversed by the non-negative least square method and multiple-time window technique. The possible rupture sequence among southern Beichuan Fault, Pengguan Fault and Xiaoyudong Fault and the initial rupture time of high dip angle part of southern Beichuan Fault are analyzed from kinetic aspects, which have been seldom focused on. The results indicate that: (1)The near field waveform fitting residuals and the coseismic displacements show that only a bilateral rupture occurs on the intersection between the southern Beichuan Fault and Xiaoyudong Fault can the synthetic records of the stations located near the southwestern end of the Beichuan Fault conform to the observed ones, and meanwhile, the Pengguan fault cannot generate large slips on its southwestern part. The possible rupture sequence is that the earthquake started at the low dip angle part of Beichuan Fault and propagates to the Pengguan Fault in the shallow area, the Xiaoyudong Fault is triggered by the Pengguan Fault, and then producing bilateral rupture on the high dip angle part of Beichuan Fault at the intersection with the Xiaoyudong Fault.(2)Through analysis of the synthetic second packet records of stations at the southwest area of the fault, we obtain the initial rupture time on the high dip angle part of Beichuan Fault may have a 8s stagnation. In terms of timing, there may be rupture sequence between the southern Beichuan Fault and Pengguan Fault which are parallel to each other. The rupture of the southern shallow part of Beichuan Fault with high dip angle may lag behind the Pengguan Fault. At the same time, there may be a multipoint rupture in the southern section of the Beichuan Fault.(3)There is a good correspondence between the area on the fault with larger slip rate and the surrounding stations with larger PGV. In areas where slip rate on the fault plane is large, the stations tend to have larger peak ground velocities.

Keyword: Wenchuan earthquake; near field strong-motion records; coseismic displacements; Xiaoyudong Fault; rupture sequence
0 引言

2008年5月12日汶川MW7.9大地震造成了大量人员伤亡和非常严重的工程震害。地震发生在龙门山断裂带上, 野外调查结果表明(徐锡伟等, 2008), 接近平行的NE向北川-映秀断裂和灌县-江油断裂这2条主破裂带都有地表破裂产生, 前者长达240km, 后者长约72km。值得关注的是, 还存在1条与两者近垂直的小鱼洞断裂, 长约6km(邓起东等, 2011), 位于震中东北侧约45km处。北川-映秀断裂和灌县-江油断裂在小鱼洞断裂两侧出现了明显的错位和不连续现象, 小鱼洞断裂西南侧两者相距5~7km, 小鱼洞断裂东北侧则相距7~15km。余震精定位结果显示, 在小鱼洞断裂的NW延伸方向存在1条近直立的长50~60km的余震分布带, 余震震源机制解表明其为左旋走滑性质, 与北川-映秀断裂高川以南(北川断层南段)的余震表现出的逆冲性质明显不同。这表明, 断层破裂到与小鱼洞断裂相交处可能出现了某种重要的转换。一些研究对小鱼洞断裂的运动学和构造意义进行了分析(邓起东等, 2011; 谭锡斌等, 2013; 贺鹏超等, 2014; 王鹏等, 2014)。例如, 谭锡斌等(2013)根据详细的野外调查资料得到: 产生如此复杂的地表破裂, 其根本原因是北川-映秀断裂的产状变化, 其在小鱼洞断裂以北向NW方向偏移约3.5km。王鹏等(2014)从库仑应力分析的角度给出了一种可能: 小鱼洞断层引起了北川断层南段双侧破裂。少数的震源破裂过程反演也表明(Shao et al., 2010; Hartzell et al., 2013), 北川断层南段的破裂是从与小鱼洞断层相交的近地表处开始的双侧破裂。而以往大部分震源破裂研究采用的破裂方式为: 初始破裂点位于北川断层南侧, 往北侧传播引起北川断层南段后续部分和彭灌断层破裂, 不考虑小鱼洞断层的作用(王卫民等, 2008; Shen et al., 2009; Feng et al., 2010; Fielding et al., 2013; Chen et al., 2015)。关于小鱼洞断层在破裂扩展中的作用还有待进一步的研究。

近场强震记录有较高的空间分辨率, 对于揭示断层破裂的细节至关重要(Lee et al., 2006)。例如Hartzell等(2013)联合远场、 近场和GPS资料反演汶川地震破裂过程时得到: 为了满足断层西南侧部分近场台站的合成记录, 北川断层南段需要产生往南侧的破裂(与破裂方向相反)。本文根据汶川地震断层剖面信息、 余震分布和地表破裂调查等研究建立发震断层模型, 基于方位角覆盖较均匀的46个近场强震记录(图1)和同震位移资料, 反演震源破裂过程。针对断层破裂在小鱼洞断层处出现的多分支扩展路径问题, 尝试从运动学的角度分析, 即讨论北川断层南段、 彭灌断层和小鱼洞断层三者之间可能的破裂顺序。同时探讨了北川断层南段浅部高倾角区域是否存在破裂 “ 停滞” 的现象。

图 1 汶川地震地表破裂带、 断层模型的投影及所用46个近场台站位置
红色线为地表破裂带, 棕色和黑色矩形分别为北川断层和彭灌断层, 黑色三角形表示台站, 红色五角星为震中Fig. 1 Surface rupture of Wenchuan earthquake and projection of the fault model and locations of 46 near field stations.

1 断层模型

汶川地震发生在叠瓦状曲面断层上, 部分研究对发震构造进行了分析(徐锡伟等, 2008; Zhang et al., 2009; Hubbard et al., 2009, 2010; Jia et al., 2010)。本文断层模型中将北川-映秀断裂记为北川断层, 灌县-江油断裂记为彭灌断层(PGF), 小鱼洞断裂记为小鱼洞断层。总结断层模型有如下特点: 北川断层高川以南(北川断层南段)倾角从深往浅逐渐增大, 初始破裂点附近的剖面显示, 在深15~18km处断层倾角约为20° , 10~15km处倾角约为33° , 在4~10km处倾角约为45° , 在近地表处分为2支, 一支保持倾角不变扩展到地表, 一支以约63° 的倾角扩展到地表。彭灌断层与北川断层在深约15km处相交, 在12~15km时倾角与北川断层南段深部15~18km的倾角相同, 约为20° , 在4~12km时倾角约为33° , 在近地表处倾角约为28° 。往北侧在与小鱼洞断层相交处附近的剖面显示, 北川断层南段倾角与初始破裂点处相近, 但近地表没有出现分支; 而彭灌断层变化较大, 此时彭灌断层与北川断层南段在深约10km处相交, 倾角约为33° 。往北侧北川断层高川以北(北川断层北段)倾角大于南段。根据上述研究结果, 考虑北川断层南段倾角的变化和南北段倾角的不同, 本文构建了如图2所示的三维断层模型, 在此关注断层在与小鱼洞断层相交的特点, 所以北川断层南段模型采用小鱼洞断层附近的剖面建立, 包括北川断层和彭灌断层(PGF)。断层走向根据地表破裂带展布的方向取224° 。北川断层南段由深向浅倾角依次为20° (BCF4)、 33° (BCF3)、 50° (BCF2)和65° (BCF1)。断层最深达21.7km, 其中BCF4与BCF3相交于深16.6km处, BCF2和PGF在深10km处相交, BCF2与BCF1在深5.4km处相交, PGF倾角与BCF3相同, BCF1和PGF在地表相距9.1km。在此将BCF1和BCF2称为北川断层南段高倾角部分。北川断层北段(BCF5)倾角参考Nakamura等(2010)的结果取60° 。PGF与北川断层南段长132km, 北川断层北段长180km, 共312km。表1为断层参数, 发震时刻取北京时间2008年5月12日14时27分58.7秒(陈培善, 2008), 震中位置参考USGS的结果, 取30.986° N, 103.364° E, 震源深度14.0km(中国地震台网中心), 在BCF3上。沿走向和倾向将断层划分为5km× 3km的子断层, 共854个子断层。

图 2 汶川地震三维断层模型和过震中与走向垂直方向的剖面Fig. 2 The three-dimensional model of Wenchuan earthquake and sectional view crossing the epicenter and perpendicular to strike.

表1 断层参数 Table1 Fault parameters
2 近场台站的选取及分析

从中国地震局工程力学研究所 “ 国家强震动台网中心” 选取发震断层两侧分布较均匀且质量较好, 断层距163km内的46个台站三分量加速度记录。将加速度记录积分成位移记录, 经0.08~0.5Hz带通无相移滤波, 记录重采样为间隔0.2s, 长度取120s。台站位置、 震源距和断层距等信息如表2所示。

表2 近场46个台站的信息 Table2 Information of 46 near field stations

由发震时刻和台站P波理论到时, 可得理论到时对应的时刻, 由记录触发时刻和观测到时可得观测到时对应的时刻, 两者的差值如表2。46个台站中, 记录触发时刻准确的有36个台, 其中62WIX、 51JZG、 51JZB和51GYZ震源距> 240km, P波可能出现丢头现象。将其余台站(占89%)垂直向加速度记录按震源距从近到远排列, 如图3所示, 其中0时刻表示发震时刻, 曲线表示P波理论到时。大部分台站理论到时与观测到时差别较小, 在2.0s之内, 小于1个时间视窗的持续时间, 可认为对反演结果影响较小(Wu et al., 2001)。虽然选用的是简单的1维介质速度构造, 但得到的P波震相到时较准确, 因此可认为所选速度构造能够较好地反映真实情况, 可用来近似计算格林函数。62WIX、 51JZG、 51JZB和51GYZ位于北川断层北段附近, 由于北段周边台站较少, 为了更好地限制滑动分布, 将4个台站S波到时校正为理论S波到时后作为反演资料。9个台站触发时刻与临近台有较大差异, 如51DXY、 51QLY和51CDZ等, 51MZQ台站触发时刻丢失。将这10个台的P波到时校正为理论P波到时。

图 3 上(a)、 下(b)盘台站垂直向记录按震源距从近到远排列
曲线表示P波理论到时, 0时刻表示发震时刻; 为了突出P波初始处的波形, 对某些记录做了放大处理Fig. 3 Vertical acceleration of hanging wall(left)and footwall(right)with hypocentral distances from near to far.
The curve is P-wave arrival-time from the velocity model.

根据徐锡伟等(2008, 2010)的结果, 采用表4所示的同震位移数据作为破裂过程反演的限定条件, 约束地表子断层的滑动。所取子断层长5km, 当1个子断层对应多个同震位移时取其平均值。考虑相邻子断层滑动不出现大的突变, 未观测到同震位移的部分子断层走滑和倾滑值都取1.0m(表3)。表3中, PGF、 BCF1和BCF5子断层编号都从最南端近地表处开始, 南端子断层编号1, 北端子断层编号分别为26、 26和36。

表 3 北川断层和PGF地表子断层滑动量约束值 Table3 Constrained slip values of the surficial sub-faults of Beichuan and Pengguan faults

所用台站除51WCW、 51BXZ和51MXT等8个为基岩台外, 其余都是土层台站, 绝大部分位于Ⅱ 类场地。参考喻烟(2012)给出的台站钻孔信息, 由 f=Vs/4H可得台站所在场地的卓越频率, 其中 Vs是剪切波速, H是土层厚度。可以看出, 卓越频率基本都在2.0Hz以上, 大于所用的频率上限0.5Hz, 所以计算格林函数可不考虑表层土的影响。PGF和北川断层南段台站方位角覆盖较均匀且数量较多, 断层距60km内有15个台站, 紧靠发震断层有51WCW、 51SFB、 51MXN等台。BCF5台站的方位角覆盖相对较差, 断层距60km内只有51JYH、 51JYC、 51JYD和51GYZ台, 断层东北端没有台站。北川断层南段台站分布优于北段, 北段的反演结果可能控制不好。断层西南侧的51PXY、 51DXY和51QLY等台站, 位移记录分2个波段。第1个波段从P波到时开始, 持续25s左右, 幅值较小; 接着为第2个波段, 幅值比第1波段大很多, 也持续25s左右。

3 反演方法

采用Hartzell等(1983)提出的非负最小二乘法反演断层破裂过程。将断层面离散为大小相同的若干子断层, 利用多重时间视窗技术模拟断层面上滑动过程和破裂速度的变化。子断层上升时间分为一系列的时间视窗, 允许子断层在任意时间视窗发生滑动。滑动时间函数取2.0s的等腰三角形函数, 相邻时间视窗破裂间隔2.0s。通过子断层初始破裂时间视窗的位置描述破裂速度的变化。设定破裂速度后, 子断层在第1个或后续的时间视窗发生滑动, 则破裂速度等于或低于设定值。对于汶川地震, 采用5个时间视窗, 子断层允许最大上升时间10s。子断层格林函数取滑动角为90° 和180° , 子断层走滑和倾滑矢量和给出最终的滑动量和滑动方向。反演方程如式(1)所示:

Cd-1Gλ1Sλ2Mλ3Bλ4Fx≅Cd-1b000D(1)

式(1)中, G和 x分别是子断层格林函数及滑动量组成的矩阵; b是观测记录组成的矩阵。 G是病态矩阵, 格林函数或记录较小的扰动, 会导致解 x产生较大变化, 结果不稳定, 求解时施加约束使结果稳定且符合实际物理过程。在此施加平滑和地震矩最小约束, 考虑到断层周边不出现应变突变, 限定周边子断层滑动量很小。式中 Cd-1是对记录进行归一化的对角矩阵, 使反演中记录占相同权重。 S为平滑矩阵, 限定同一子断层内相邻时间视窗和相邻子断层的走滑以及倾滑量接近。 M是单位对角矩阵, B矩阵约束除地表外的周边子断层的滑动量, F矩阵约束地表子断层滑动量接近同震位移值。D矩阵表示地表子断层滑动量约束值(表3)。系数 λ1、λ2、λ3和 λ4既要满足约束条件, 也要满足合成记录。合成记录与观测记录的残差如式(2):

misfit=∑i∫(xi(t)-yi(t))2dt∑i∫xi(t)2dt(2)

式(2)中, xi和yi分别表示观测记录与合成记录。采用离散波数法计算格林函数, 滤波频带和采样间隔与记录相同。考虑断层下盘和上盘所在的四川盆地和青藏高原的地壳厚度不同, 参考Hartzell等(2013)的结果, 选用不同的速度构造(表4)。断层面上近场格林函数沿深度方向和走向都有明显差异, 正是这种差异可用来揭示断层破裂的细节。

表4 速度构造 Table4 Velocity models
4 破裂方式

为了分析北川断层南段、 彭灌断层和小鱼洞断层可能的破裂顺序, 采用如下3种破裂方式(图4)。方式1: 破裂从BCF3开始往断层面四周扩展, 往深度方向扩展引起BCF4破裂, 往浅处引起BCF2和PGF同时破裂; BCF2向浅部扩展进一步引起BCF1破裂(过程1)。方式2: 破裂从BCF3开始, 往深度扩展引起BCF4破裂, 往浅处引起PGF破裂(过程1); PGF往北侧传播触发小鱼洞断层, 进而引起BCF1与小鱼洞断层相交处破裂; 之后北川断层南段高倾角部分(BCF1, BCF2)以此交点为中心产生双侧破裂(过程2)。方式3: 破裂从BCF3开始, 往深度破裂引起BCF4破裂, 往浅处引起BCF2和BCF1先后破裂(过程1); BCF1往北侧传播触发小鱼洞断层破裂, 进而触发PGF与小鱼洞断层相交处破裂; 之后PGF以此交点为中心产生双侧破裂(过程2)。3种方式BCF5都由北川断层南段往北侧破裂触发。

图 4 汶川地震3种破裂方式
a, b, c分别表示方式1、 2和3; 实心圆表示最早破裂的子断层, 箭头线表示传播方向, 数字表示破裂过程Fig. 4 Three rupture sequences of Wenchuan earthquake.

3种情况下, BCF3都有相同的破裂方式, BCF4和BCF5也有相同的特点。方式1和3, 北川断层南段高倾角部分破裂方式相同, 都由深部低倾角部分触发; 而方式2不同于1和3, 其由小鱼洞断层触发, 从与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂。方式1和2, PGF破裂方式相同, 都由北川断层南段低倾角部分触发; 而方式3中PGF是由小鱼洞断层触发, 从与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂。方式2和3中, 北川断层高倾角部分和PGF都从近地表区域开始往南北两侧发生双侧破裂。

5 结果分析
5.1 近场记录反演结果区分破裂方式

采用破裂速度3.0km/s, 3种破裂方式反演结果展示于表5和图5。

表5 3种破裂方式反演结果比较 Table5 The inversion results of different rupture sequences

图 5 从上到下依次表示破裂方式1、 2和3断层面滑动量和滑动方向分布
颜色表示滑动大小, 箭头表示滑动方向; A和B点分别表示小鱼洞断层与北川断层南段和彭灌断层地表的交点Fig. 5 Inversion results of rupture sequence 1, 2 and 3.

可以看出, 同一断层面破裂方式相同时, 最大滑动量、 地震矩和位错分布相似。例如, 3种方式下, BCF3和BCF4各自断层面破裂方式相同, 其上位错分布也相似。滑动都集中在北川断层南段初始破裂点附近和断层底部区域。而当破裂方式不同时, 结果差别较大。例如, BCF1和BCF2上, 破裂方式2不同于1和3, 位错分布也不相同, 方式2时北川断层南段的南端有一定的滑动分布, 而方式1和3则不产生滑动。仅从位错分布的结果无法确定合理的破裂方式, 但近场数据具有较高的空间分辨能力, 可通过资料残差来确定。从表5给出的残差可见, 破裂方式2残差最小, 方式1残差最大。方式2残差比方式小11%, 方式3残差比方式1小7%。以上结果表明, 北川断层南段或PGF发生双侧破裂(方式2和3), 波形拟合效果比2个断层单侧破裂(方式1)时好。3种方式, 位于断层南端下盘(以下用区域A表示)的51PXZ、 51DXY和51QLY等台EW向合成记录差别较大(图6), 方式2和3的波形拟合相关系数比方式1高。例如, 方式2和3时51DXY台相关系数比方式1大2倍左右; 对于51PJW台, 方式2和3相关系数为0.5和0.19, 而方式1几乎为0。且合成记录的差异主要表现在第2个波包上。这是由于不同破裂方式北川断层高倾角部分以及PGF的破裂过程不同造成的。

图 6 破裂方式1、 2和3断层西南侧台站EW向合成记录(红线)与观测记录(蓝线)比较
从左到右依次为方式1、 2和3, 字母表示台站, 数字表示相关系数Fig. 6 Comparison of observed(blue lines)and synthetic records(red lines)of southwestern stations for rupture sequence 1, 2 and 3.

区域A台站观测记录第2个波包约从40s开始。方式1时, BCF1和BCF2发生从南往北的单侧破裂, 受子断层破裂到时的控制, 龙门山镇到岳家山之间区域(图5a红色矩形框所示)对第2个波包的合成记录有贡献。要合成第2个波包的较大幅值, 需要此区域产生较大滑动, 但会使临近的51SFB、 51MXN和51MXT等台产生远大于观测记录的波形, 因此方式1不能满足区域A台站的合成记录。方式2时, BCF1和BCF2发生双侧破裂, 除龙门山镇到岳家山之间子断层对区域A台站第2个波包的合成记录有贡献外, 还有映秀南侧区域(图5b红色矩形框所示)到时也满足合成记录的要求。与方式1相比, 映秀南侧产生的滑动, 使第2个波包的合成记录更符合观测记录, 得到的相关系数更高。方式3时, PGF发生双侧破裂, 断层南半段区域(图5c红色矩形框所示)到时满足第2个波包合成记录的要求, 同样使得合成记录的效果比方式1好。

从波形拟合残差的角度可知方式2和3比方式1好, 方式2的残差比方式3小3%, 可能说明方式2稍优于方式3。我们注意到, 尽管方式2和3时PGF上近地表子断层滑动与同震位移差别较大, 但PGF在与小鱼洞断层相交处的南侧, 方式3得到较大的近地表子断层滑动量, 最大值达5.8m(图5c黑色矩形框所示), 与野外调查得到此区域不产生地表破裂矛盾; 而方式2的值要小的多(图5b黑色矩形框所示)。所以, 方式2的结果更符合同震位移数据。

综合以上分析, 方式2和3时北川断层南段或PGF在与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂, 区域A台站的合成记录更符合观测记录, 残差也更小。但与同震位移资料相比, 方式3在PGF与小鱼洞断层相交的南侧有达5.8m的近地表子断层滑动量产生, 与野外调查结果相悖; 而方式2此区域近地表子断层滑动量较小。所以, 从波形拟合残差结果结合同震位移资料得到, 3种方式中方式2的结果最合理, 即北川断层南段浅部高倾角区域从与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂。

5.2 北川断层南段浅部高倾角部分起始破裂时间分析

在此需要关注的是, 方式2时区域A台站合成记录第2个波包的幅值偏低。如果破裂从PGF通过小鱼洞断层传递到BCF1和BCF2上, 北川断层南段高倾角区域起始破裂时间有 “ 停滞” , 则BCF1和BCF2上满足第2个波包合成记录的子断层往北侧移动, 将会有更多子断层的到时满足要求, 那么合成记录幅值是否与观测记录更加相符?以往的研究表明, 如果发震断层区域构造复杂, 当破裂从1个断层扩展到另1个断层时, 可能会出现 “ 停滞” 现象, 例如, 1993年日本Hokkaido-Nansei-Oki地震(MW7.5), Kakehi等(1997)将断层分为走向不同的南北2段, 认为破裂从北段传播到南段时有10s的 “ 停滞” , 才能解释断层东南侧台站加速度记录的第2个峰值。对于汶川地震延迟破裂的BCF1和BCF2是否同样有 “ 停滞” 现象, 该问题对深刻分析此次地震的破裂细节至关重要, 作如下算例说明。

根据设定的破裂速度3.0km/s, PGF在15.5s破裂到与小鱼洞断层相交处。破裂前锋经过小鱼洞断层后, BCF1和BCF2起始破裂时间假设有4s、 8s和12s的 “ 停滞” , 分别对应2个、 4个和6个时间视窗的宽度, 在19.5s、 23.5s和27.5s于近地表处发生双侧破裂, 图7— 9给出了相应的结果。

图 7 北川断层高倾角部分起始破裂有不同 “ 停滞” 时间时对应的波形拟合残差Fig. 7 The inverted results of ruptures of high dip angle part of Beichuan Fault with different initial rupture time.

图 8 从左到右依次为北川断层高倾角部分起始破裂时刻 “ 停滞” 0s、 4s、 8s和12s时断层西南侧台站EW向合成记录与观测记录对比Fig. 8 Inversion results of ruptures of high dip angle part of Beichuan Fault with different delay time of 0s, 4s, 8s, and 12s from left to right.

图 9 从上到下依次为北川断层高倾角部分起始破裂时刻 “ 停滞” 4s、 8s和12s时的反演结果Fig. 9 Inversion results of ruptures of high dip angle part of Beichuan Fault with different delay time of 4s, 8s and 12s from top to bottom are.

从图7波形拟合残差变化可见, 随着BCF1和BCF2起始破裂 “ 停滞” 时间的增加, 波形拟合残差逐渐变小, 8s时波形拟合残差最小, 比没有 “ 停滞” 时降低约5%; 但达到12s时残差反而变大。从区域A台站EW向合成记录可以看出(图8), “ 停滞” 8.0s时, 51DXY、 51QLY、 51XJL、 51PJW和51PJD台波形拟合相关系数有明显提高, 比没有 “ 停滞” 时平均增大37%。滑动分布清楚地表明, 随着 “ 停滞” 时间的增加, 参与区域A台站合成记录的子断层往北侧偏移(图9中红色矩形框所示)。不考虑 “ 停滞” 时, 位于断层南端(图5b红色矩形框所示)。有 “ 停滞” 时用红色矩形框标示于图9, 4s时位于映秀南侧25km长的范围内; 8s时集中在映秀附近25km长的范围内; 12s时移动到虹口附近, 但此时合成记录的效果反而变差。这是由于虹口附近滑动分布受其临近台站的控制, 要合成区域A台站的记录, 此区域需产生更大的滑动, 使临近台的合成记录比观测记录大很多, 产生较大的残差。

上述分析表明, 随着北川断层高倾角区域BCF1和BCF2起始破裂 “ 停滞” 时间的增加, 波形拟合残差逐渐变小, “ 停滞” 8.0s时残差最小; 同时满足西南侧台站合成记录第2个波包的区域往北侧偏移, 8s时滑动集中在映秀附近, 相比没有 “ 停滞” 时, 西南侧63%的台站波形拟合相关系数有37%的提高。由此推测, 北川断层高倾角区域BCF1和BCF2起始破裂可能有8s的 “ 停滞” 。对于北川断层南段来说, 发震时其深部低倾角区域产生破裂, 经过约23.5s后浅部高倾角区域开始破裂, 这说明北川断层南段可能存在多点先后破裂的情况。

5.3 破裂方式2近场数据联合同震位移反演结果分析

反演中不加入同震位移的限制, 近地表子断层滑动量与观测值差别较大, 为了限制近地表子断层的滑动分布, 联合近场记录与同震位移资料反演破裂方式2位错分布, 设定北川断层高倾角部分起始破裂有8.0s的 “ 停滞” , 反演结果展示于图10, 其中a为断层的位错分布, b为子断层破裂持续时间, c为子断层滑动速率, d、 e和f为EW、 SN和垂直向观测记录与合成记录对比图。定义凹凸体内子断层滑动量大于断层面平均滑动量的2.0倍(Somerville et al., 1999)。经对比可知, 大部分台站的合成记录与观测记录可较好地吻合。位错分布表明, 断层面上滑动分布很复杂。北川断层南段滑动集中在初始破裂点附近(凹凸体A1)、 映秀到龙门山镇的BCF1和BCF2区域(凹凸体A2), 以及龙门山镇北侧一直到断层北端(凹凸体A3), 释放地震矩0.250× 1021N· m, 占总地震矩的35%。凹凸体A1南侧为右旋走滑错动, 北侧为逆冲为主的错动。凹凸体A2和A3整体以逆冲错动为主。凹凸体A1、 A2和A3 最大滑动量分别为5.2m、 6.9m和6.2m, 面积为60km2、 345km2和90km2, 静态应力降为43.8MPa、 21.6MPa和37.9MPa(表6)。PGF滑动集中在断层北半段, 大体以白鹿为中心(凹凸体A4), 释放地震矩0.095× 1021N· m, 占总地震矩的13%。凹凸体A4总体也以逆冲错动为主, 最大滑动量8.5m, 面积约为360km2, 静态应力降20.5MPa。BCF5滑动集中在断层南端北川近地表处(凹凸体A5)、 南坝到青川区域(凹凸体A6)以及青川北侧区域(凹凸体A7), 释放地震矩 0.375× 1021N· m, 占总地震矩的52%。凹凸体A5、 A6和A7表现为走滑兼逆冲错动。凹凸体A5、 A6和A7最大滑动量分别为6.4m、 8.3m和8.5m, 面积约为270km2、 450km2和435km2, 静态应力降为22.7MPa、 17.1MPa和18.9MPa。整个断层面上凹凸体的总面积约为2i010km2, 约占整个断层面的16%, 与由经验关系得到的凹凸体面积占断层面总面积的22%(Somerville et al., 1999)相近。

图 10 破裂方式2北川断层高倾角部分起始破裂时刻 “ 停滞” 8s反演结果
a 断层面滑动分布; b 子断层破裂持续时间; c 子断层滑动速率; d— f EW、 SN和垂直向观测记录与合成记录对比Fig. 10 The inversion results of rupture type 2 of high dip angle part of Beichuan Fault with delay time 8s.

表6 凹凸体的参数 Table6 The parameters of asperities

取子断层第1个达到最大滑动量10%的视窗作为破裂开始, 最后1个达到最大滑动量10%的视窗作为破裂结束; 子断层破裂持续时间为大于最大滑动量10%的时间视窗破裂时间的总和, 得到的破裂持续时间和滑动速率如图10b, c所示。从子断层破裂持续时间可见, 北川断层南段初始破裂点附近持续时间为4~6s, 浅部高倾角部分持续时间为4~10s, 在观测到较大同震位移的映秀、 虹口、 龙门山镇和清平近地表处, 都有子断层持续时间达10s。PGF上凹凸体区域持续时间也在4~10s之间。总体上看, BCF5的持续时间比北川断层南段和PGF大。北川断层南段初始破裂点附近凹凸体A1平均滑动速率约为0.5m/s, 与临近的51WCW台水平向PGV(EW和SN向的平均值)0.53m/s(Liu et al., 2009)相近。高倾角区域滑动速率较大的区域分布在映秀到清平之间, 为0.2~2.1m/s。紧靠发震断层的51SFB和51MZQ台具有很大的PGV, 其相邻区域的北川断层南段上滑动速率也很大。51SFB台相邻区域的滑动速率最大达1.2m/s, 平均值0.7m/s, 与该台水平向PGV的0.8m/s接近。51MZQ台相邻区域的滑动速率最大达2.1m/s, 是断层面上滑动速率的最大值, 大体位于51MZQ台正下方的子断层内, 平均值达0.6m/s, 与该台水平向PGV的0.8m/s接近。而51MZQ台EW向PGV是所有台站中观测到的最大值, 达1.0m/s。PGF上滑动速率较大的区域集中在断层中间, 在0.2~2.0m/s之间。PGF上与51SFB台临近区域滑动速率也很大, 最大值达1.4m/s, 平均约为1.2m/s。

6 讨论与结论

本文采用近场高质量宽频带强震记录, 反演了汶川地震破裂过程, 揭示了破裂过程的细节。所用的46个台站, 最大限度覆盖了断层的上盘和下盘区域。由选用的1维速度构造模型, 得到大部分台站的P波到时与观测到时误差在1个时间视窗宽度范围内。结果表明: 要满足断层西南侧台站第2个波包的合成记录,

需要北川断层南段浅部高倾角区域或彭灌断层从与小鱼洞断层相交处发生双侧破裂, 比两者单侧破裂的波形拟合残差减小11%和7%。彭灌断层发生双侧破裂, 在与小鱼洞断层相交处的南侧产生较大的近地表子断层滑动, 与同震位移矛盾, 由此得到可能的破裂方式为小鱼洞断层触发北川断层高倾角发生双侧破裂。基于北川断层南段浅部高倾角部分发生双侧破裂, 分析了浅部高倾角起始破裂的时刻。如果起始破裂在时间上有一定的 “ 停滞” , 才能更好地满足西南侧台站第2个波包合成记录的要求。破裂通过低倾角的彭灌断层经过小鱼洞断层传播到高倾角的北川断层时, 可能发生了 “ 停滞” 现象, 说明北川断层南段存在多点破裂的可能性。本文对不同破裂方式的近场记录波形拟合残差的优劣和近地表子断层位错量与观测值之间的符合情况进行了对比和研究, 得到了此种可能的破裂方式和延时破裂的情况, 其深层次的构造意义需要进一步的研究论述。

本文反演结果表明, 断层面上发生较大滑动速率的区域, 其临近的台站往往伴随有较大的PGV产生。这一点, 与1999年9月21日集集地震近场记录反演结果相同(Wu et al., 2001)。从滑动分布可见, 映秀— 虹口和北川区域破裂主要发生在断层浅部, 大部分位于深度10km以上, 且近地表处最大滑动量达10m左右。断层浅部的破裂, 造成了地表较强的震动, 解释了上述2个区域发生严重破坏的主要原因。

Shao等(2010)和Hartzell等(2013)认为BCF1和BCF2破裂起始于近地表; 那么北川断层起始破裂源于深部还是浅部; 本文也做了一些算例, 尝试分析此问题。设定北川断层南段浅部高倾角区域从深度较大的BCF2与小鱼洞断层相交位置发生双侧破裂, 得到从深部和浅部开始破裂, 滑动分布和残差都很相近。汶川地震的下盘四川盆地和上盘青藏高原地壳厚度不同, 速度构造差异也较大。如果采用更精确的三维发震断层, 由三维速度构造模型计算格林函数, 采用近场记录反演能否得到更精细的滑动过程, 能否确定北川断层高倾角部分起始破裂的位置, 目前关于此方面的内容很少, 有待进一步研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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