米亚罗断裂活动与汶川地震序列活动的关系

引用本文

李振月, 万永革, 盛书中. 米亚罗断裂活动与汶川地震序列活动的关系[J]. 地震地质, 2019,41(1): 72-83.
LI Zhen-yue, WAN Yong-ge, SHENG Shu-zhong. STUDY ON RELATIONSHIP BETWEEN THE ACTIVITY OF MIYALUO FAULT AND WENCHUAN EARTHQUAKE SEQUENCE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(1): 72-83. 复制到剪切板

DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.01.005
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米亚罗断裂活动与汶川地震序列活动的关系

李振月¹, 万永革^2,^*, 盛书中²

1中国地震局地球物理研究所, 北京 100081

2防灾科技学院, 三河 065201

*通讯作者: 万永革, 研究员, 主要从事地震学、地球动力学的研究, E-mail: wanyg217217@vip.sina.com。

〔作者简介〕李振月, 男, 1994年生, 2017年于防灾科技学院获地球物理学学士学位, 中国地震局地球物理研究所地球探测与信息技术专业在读硕士研究生, 主要从事震源机制、构造应力场等研究, 电话: 15731687045, E-mail: 952934956@qq.com。

收稿日期: 2017-12-21

基金项目: 国家自然科学基金(41674055、 41704053)和河北省地震局地震科技星火计划项目(DZ20170109001)共同资助

摘要

在挤压应力的背景下, 龙门山断裂带南段的米亚罗断裂在汶川地震序列过程中却发生了大量的走滑型地震。为研究其原因, 分区反演了米亚罗断裂附近的应力张量。结果显示: 米亚罗断裂南北两侧主压应力轴走向近乎垂直于龙门山断裂带走向, 倾角近水平; 主张应力轴走向近竖直。而米亚罗断裂主压应力轴走向为SWW-NEE, 倾角近水平; 主张应力轴走向为NNW-SSE, 倾角近水平, 与该断裂受到左旋剪切力的应力状态相符。据此推测米亚罗断裂在汶川地震序列过程中的活动是由于该断层两侧受力不均衡导致撕裂引起的。为理解以上分区内余震的破裂模式, 将各区余震的矩张量进行叠加得到各区的综合地震矩张量, 发现米亚罗断裂南侧与北侧综合地震矩张量各分量分布趋势相似(表明其破裂模式具有一致性), 且南侧大部分分量大于北侧, 尤其是垂直于龙门山断裂带走向的水平压缩分量和竖直方向的膨胀分量, 说明南侧向SE逆冲的分量大于北侧的对应分量, 两者的差异导致了米亚罗断裂的撕裂, 并且这种撕裂的分量与南北两侧逆冲分量的差异大致在同一量级, 故完全可以由南北两侧的逆冲差异解释其活动原因。根据以上研究提出了能对上述现象进行解释的米亚罗断裂活动的动力学模型。

关键词: 龙门山断裂带; 米亚罗断裂; 撕裂; 综合地震矩张量

中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)01-0072-12

STUDY ON RELATIONSHIP BETWEEN THE ACTIVITY OF MIYALUO FAULT AND WENCHUAN EARTHQUAKE SEQUENCE

LI Zhen-yue¹, WAN Yong-ge², SHENG Shu-zhong²

1)Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China

2)Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, Hebei, China

Abstract

Under the background of thrusting stress regime, a large number of strike-slip earthquakes occurred on the Miyaluo Fault during the Wenchuan earthquake sequence process, which is in the southern part of the Longmenshan Fault. In order to find the cause of their occurrence, stress tensors in subregions near the Miyaluo Fault are estimated. The result shows that in both north and south side of the Miyaluo Fault, the direction of principal compressive stress is nearly perpendicular to the Longmenshan Fault, and its dip is nearly horizontal, and the direction of tensile stress is nearly vertical. While in the Miyaluo fault zone, the direction of principal compressive stress is SWW-NEE, and its dip is nearly horizontal, the direction of principal tensile stress is NNW-SSE, also its dip is nearly horizontal. It is consistent with sinistral shear stress state in the Miyaluo fault zone. It was referred that the behavior of Miyaluo Fault during the Wenchuan earthquake sequence process was caused by tearing effect generated from unbalanced forces of two sides of the fault. To understand the rupture mode of the aftershocks in subregions as described above, the total seismic moment tensors are estimated by adding the corresponding component separately of the seismic moment tensor of aftershocks in each region. The result shows the similar trend of total seismic moment tensor components in the north and south side of the Miyaluo Fault(indicating the consistency of rupture mode in the north and south side of the Miyaluo Fault), and most seismic moment tensor components in the south side is higher than that in the north side, especially the compression component perpendicular to Longmenshan Fault and expansion component in the vertical direction. It indicates that thrusting component in the southeast direction in the south side is greater than that in the north side, and the thrusting difference causes the sinistral tearing effect of the Miyaluo Fault. We also find that the sinistral tearing component of the Miyaluo Fault is the same order of magnitude with the thrusting difference of its two sides, which indicates that the tearing effect of Miyaluo Fault can be completely explained by thrusting difference of its two sides. According to the analysis, we put forward the dynamic model of the Miyaluo Fault, which can explain the above phenomenon.

Keyword: the Longmenshan Fault; the Miyaluo Fault; tearing effect; total seismic moment tensor

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0 引言

地壳中普遍存在一定大小的应力, 是地球板块运动、构造演化以及地震等一切构造运动的直接动力来源(郑建常等, 2013)。通过对地壳构造应力场的研究, 可以深入了解地壳中断层的成因和运动发展方式等动力学问题。

龙门山断裂带是中国地震活动性较强的一个大型逆冲断层, 其上发生了大量地震。由于该处布设有密集的地震台网, 因此这些地震具有方位覆盖较好的地震记录, 为研究该区的构造应力场提供了良好的数据基础。2008年5月12日, 该断裂带附近的汶川发生了M_S8.0强震, 造成了长约250km的地表破裂, 最大垂直及水平向错距分别达6.2m和4.9m(徐锡伟等, 2008; Shen et al., 2009; Wan et al., 2017)。此次主震以后, 发生了大量的余震, 引起了很多地震学者的关注。很多学者对汶川地震序列的震源机制解进行了求解(胡幸平等, 2008; 王勤彩等, 2009; 郑勇等, 2009; 崔效锋等, 2011; 易桂喜等, 2012), 并分析了龙门山断裂带的活动成因。这些研究结果均表明龙门山断裂带是由巴颜喀拉块体向SE推挤华南地块而形成的, 汶川地震就是该地球动力学过程中的一个重要事件。王勤彩等(2009)基于汶川地震序列的宽频带波形数据, 通过时间域矩张量反演方法, 得到了该序列88次地震的矩张量解, 并根据震源机制解类型的空间分布特征将主破裂带自SW至NE分为6段。盛书中等(2012)将Wyss等(1995)提出的利用构造应力场均匀性对断层或板块边界进行分段的方法应用于汶川地震破裂区, 将汶川地震破裂区以北川附近为界分为2段。魏柏林等(2011)研究了汶川地震余震震源机制变化的原因, 认为较大余震的震源机制与主震一致, 是在背景应力场作用下发生在主震断层面上的次级事件; 出现震源机制与主震不一致的余震是由于在逆断层的上盘或下盘滑动的岩块中介质不均匀, 致使断层面周围小块体单元滑动快慢不一, 产生转换应力场, 以致震源机制发生变化。

虽然前人对汶川地震余震的震源机制进行了较为详细的研究, 得出了对地球动力学有意义的分析结果, 然而已发表的汶川地震余震的分布情况显示, 在主震破裂南部区域出现一个向NNW延伸的 “ 突起” , 这些余震的震源机制以走滑为主。该 “ 突起” 向NNW延伸, 与米亚罗断裂相连, 而沿相反方向基本对应于小鱼洞断裂。为方便起见, 本研究将其统称为米亚罗断裂。在米亚罗断裂的南侧和北侧震源机制绝大部分为逆冲型, 在米亚罗断裂附近的区域震源机制绝大部分为走滑型, 主压应力轴为SWW-NEE向。为何米亚罗断裂走滑型地震集群分布?前人的研究结果仅给出了米亚罗断裂附近区域的震源机制解以及应力场情况, 未明确说明发生大量走滑型地震的原因。本研究基于此问题展开, 以期揭示该断裂活动的动力学机制。

1 数据

崔效锋等(2011)根据P波初动极性, 利用改进的格点尝试法获得了汶川地震余震序列共121个4.0级以上质量可靠的震源机制解, 本研究所用数据来源于其在米亚罗断裂附近的部分结果(共48个, 见表1和图1), 地震事件的时间跨度为2008年5月12日— 2008年7月25日, 图 1中1、 2、 3区分别包含地震事件的个数为13、 20、 15。由于汶川地震主震断层面破裂几百km, 将其释放的地震矩张量归于震源破裂起始点并不合理, 所以需从数据中剔除主震。参照世界应力图的划分标准(Zoback, 1992)(表2), 根据震源机制解3个应力轴(P、 B、 T轴)倾角的大小, 可将震源机制解类型划分为6种: 正断型(NF)、正走滑型(NS)、走滑型(SS)、逆走滑型(TS)、逆断型(TF)和无法确定型(U)。根据上述分类标准, 在图 1中正断型(NF)、正走滑型(NS)用蓝色绘制(统称为正断型), 走滑型(SS)用黑色绘制, 逆走滑型(TS)、逆断型(TF)用红色绘制(统称为逆断型), 无法确定型(U)用绿色绘制。由图 1可见, 研究区域内几乎没有正断型地震, 米亚罗断裂附近为走滑型地震, 其两侧区域为逆断型地震。米亚罗断裂附近震源机制与两侧完全不同, 体现了2套不同的动力学机制。

表 1 米亚罗断裂附近的 48个震源机制解 Table1 Focal mechanism solutions of 48 earthquakes near the Miyaluo Fault

发震时间		东经 /(° )	北纬 /(° )	深度 /km	震级	节面Ⅰ /(° )			节面Ⅱ /(° )			P轴/(° )		B轴/(° )		T轴/(° )
日期	时刻					走向	倾角	滑动角	走向	倾角	滑动角	走向	倾角	走向	倾角	走向	倾角
2008-5-12	19:11	103.41	31.27	14.2	6	31	84	-168	300	78	-6	256	13	57	76	165	4
2008-5-12	23:29	103.35	31.02	17.8	5.3	128	68	94	297	22	81	215	23	306	3	44	66
2008-5-13	4:09	103.84	31.43	12.8	5.6	194	30	92	11	60	89	102	15	12	1	278	75
2008-5-13	7:46	103.36	31.31	14.1	5	212	84	-158	120	68	-6	78	19	226	68	344	11
2008-5-13	10:15	103.96	31.59	25.8	5	259	66	101	54	26	67	341	21	75	10	189	67
2008-5-13	15:07	103.18	31.03	13.6	6.1	228	44	129	359	58	58	111	7	18	26	216	63
2008-5-13	16:21	103.88	31.4	4.8	5.3	213	36	95	27	54	87	119	9	29	3	282	80
2008-5-14	3:52	103.28	31	14.6	4.8	181	58	57	51	44	131	293	8	199	27	38	61
2008-5-14	10:55	103.32	31.35	7.1	5.6	40	83	-171	309	81	-7	265	11	75	79	174	2
2008-5-14	17:26	103.91	31.44	15.5	5	198	52	90	17	38	89	288	7	18	0	110	83
2008-5-15	1:17	103.81	31.5	20.3	4.5	204	39	74	44	53	102	125	7	217	10	359	77
2008-5-15	1:33	103.48	31.35	21.6	4.7	189	76	169	282	79	14	55	2	319	72	146	17
2008-5-15	3:59	103.51	31.06	10.8	4.3	23	87	-178	293	88	-3	248	4	87	86	338	1
2008-5-16	13:26	103.19	31.43	6.8	5.9	240	73	-159	144	70	-18	103	27	278	63	12	2
2008-5-17	4:17	103.46	31.31	2.1	5	358	81	-176	267	86	-9	222	9	64	80	313	3
2008-5-17	7:23	103.72	31.3	23.4	4.5	26	79	143	124	54	14	80	16	191	52	338	33
2008-5-18	9:05	103.63	31.15	8.6	4.3	100	88	19	10	71	178	233	12	105	71	327	15
2008-5-18	20:53	103.83	31.41	25.1	4	21	90	-153	291	63	0	250	19	22	63	153	18
2008-5-21	21:59	103.88	31.42	17	4.5	168	35	76	5	56	100	88	11	180	8	306	77
2008-5-23	1:38	103.6	31.29	15.1	4.9	232	35	136	360	67	63	109	17	11	25	231	59
2008-5-23	9:23	103.48	31.22	14.4	4.3	44	79	-155	309	66	-13	269	25	67	63	175	9
2008-5-26	8:40	103.33	30.82	17.9	4.8	26	81	121	131	32	17	92	29	201	30	327	45
2008-5-27	7:01	103.27	31.05	19.4	4	110	79	-173	18	83	-11	334	12	168	77	64	3
2008-5-27	7:22	103.9	31.4	24	4.2	215	61	99	16	31	74	298	15	30	8	147	73
2008-5-27	22:14	103.43	31.27	19.7	4.5	10	86	-177	280	87	-4	235	5	63	85	325	1
2008-6-1	11:24	103.96	31.62	21.6	4.5	150	29	87	333	61	92	62	16	152	1	248	74
2008-6-4	16:20	103.33	30.93	11.1	4.3	179	69	106	320	26	54	256	23	353	15	114	62
2008-6-4	19:24	103.89	31.44	15.9	4	206	57	84	36	33	99	300	12	209	5	97	77
2008-6-5	5:22	103.39	31.18	19.9	4.5	330	33	-163	226	81	-58	168	45	40	32	291	29
2008-6-5	14:35	103.41	30.89	14.3	4.1	218	25	102	25	65	85	119	20	27	5	284	69
2008-6-6	19:04	103.73	31.25	21.9	4.4	275	55	-177	183	87	-35	133	26	359	55	235	22
2008-6-6	22:39	103.3	31.12	22.1	4.7	189	55	86	16	35	95	282	10	192	3	85	79
2008-6-7	8:48	103.43	31.22	17.4	4.8	352	72	-96	191	19	-72	252	63	354	6	87	26
2008-6-11	6:23	103.28	30.91	16.4	5	192	30	81	22	60	95	108	15	200	4	306	74
2008-6-14	14:28	103.28	30.94	17.3	4.3	60	54	-179	329	89	-36	279	25	148	54	21	24
2008-6-15	8:11	103.65	31.19	15.4	4.9	329	79	156	64	66	12	18	9	126	63	284	25
2008-6-18	6:43	103.39	31.29	12.2	4.2	7	71	-173	275	84	-20	229	18	78	69	322	9
2008-6-19	10:55	103.43	31.22	17.4	4.6	322	85	-159	230	69	-6	188	18	336	68	95	11
2008-6-24	2:19	103.39	31.01	10.7	4.1	94	86	117	191	28	9	160	35	271	27	30	43
2008-6-27	8:56	103.37	31.06	4.6	4.3	1	82	176	91	86	8	226	3	116	81	316	8
2008-6-28	2:21	103.27	31.53	1	4.8	235	78	-175	144	85	-12	99	12	302	77	190	5
2008-6-30	3:52	103.4	31.4	5	4.1	17	68	179	108	89	22	240	15	110	68	335	16
2008-7-2	3:58	103.9	31.39	22.2	4.8	162	14	54	19	79	98	102	33	198	8	300	55
2008-7-6	2:50	104.06	31.57	16	4.5	222	47	74	65	46	106	324	1	234	11	57	78
2008-7-8	20:13	103.93	31.4	22.6	4.9	188	48	96	359	42	83	274	3	4	4	148	85
2008-7-15	3:57	103.99	31.61	13.2	4.8	311	86	57	216	33	174	69	33	314	33	192	39
2008-7-15	17:26	104.01	31.58	12.3	5	180	79	-52	284	40	-163	127	43	352	38	242	24
2008-7-25	4:54	103.32	30.8	15.7	4.7	184	48	86	10	42	94	277	3	187	3	53	86

表 1 米亚罗断裂附近的 48个震源机制解 Table1 Focal mechanism solutions of 48 earthquakes near the Miyaluo Fault

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	图 1 震源机制分布及其类型图中震源机制解符号简化为4种: 正断型、逆断型、走滑型和不确定型。左上角坐标系为本文计算综合地震矩张量所用坐标系。从图中可以看出米亚罗断裂沿SE方向延伸, 大致对应于汶川地震余震的 “ 突起” 部分Fig. 1 Focal mechanisms distribution and their types.

表2 震源机制解类型划分标准 Table2 The criteria of classification of focal mechanism solutions

2 应力张量反演

为了验证米亚罗断裂附近及两侧的应力状态是否相同, 需要分别反演其应力张量, 比较应力张量的结构, 以验证米亚罗断裂附近的应力张量与两侧较远处的应力张量是否有较大差别, 并确认米亚罗断裂南西侧和北东侧的应力张量结构是否类似。

2.1 方法

本研究采用Hardebeck等(2006)提出的应力张量反演方法, 在无阻尼的情况下对米亚罗断裂附近的应力张量进行研究。反演基于2个基本假设: 1)在考虑的尺度范围内, 应力场是均匀的; 2)断层面上的滑动方向平行于应力张量的剪切力方向。反演应力张量时, 要明确发生滑动的断层面。地震双力偶源模型中存在2个等可能性的断层面, 因此设置正确断层面的概率为0.5。反演应力张量的应力方向和应力相对大小的不确定度通过对每个网格点的原始输入数据进行重取样获得, 设置重新抽样次数为2i500, 置信水平设置为90%。根据研究区震源机制的变化对目标区域进行划分, 划分详情见图1。

2.2 结果分析

将研究区域根据震源机制分布划分为3个区域, 分别对每个区域反演其应力张量, 区域的划分及应力张量反演结果如图 2所示。由图 2可见: 1区和3区和应力张量非常相似, 表现为以水平挤压为主的逆断型, 与这2个区域地震震源机制类型为逆断型一致。最优主压应力轴(σ ₁)走向为NW-SE, 倾角接近水平; 最优中间应力轴(σ ₂)走向为SW-NE, 倾角接近水平; 最优主张应力轴(σ ₃)走向近乎竖直。2区应力张量表现为走滑型, 与该区发生的地震震源机制为走滑型一致。最优主压应力轴(σ ₁)走向为SWW-NEE, 倾角近水平; 最优中间应力轴(σ ₂)走向近竖直, 倾角近90° ; 最优主张应力轴(σ ₃)走向为NNW-SSE, 倾角近水平。此外, 1区主压应力轴(σ ₁)走向的不确定范围较大, 2区中间应力轴(σ ₂)和主张应力轴(σ ₃)倾角的不确定范围较大, 这对后文的分析没有大的影响。反演得到的米亚罗断裂两侧区域的逆冲型应力状态与汶川地震发震背景一致, 然而在米亚罗断裂呈现剪切型的应力状态。小区域范围内为何应力张量变化如此剧烈?本文推测米亚罗断裂的错动是由于该断层两侧受力不均衡导致撕裂而引发的, 即米亚罗断裂南北两侧沿NW-SE向挤压应力有较大差异。

	Figure Option View Download New Window
	图 2 应力场反演结果红点、绿点、蓝点给出了3个应力轴在置信水平为90%时可能的分布范围, “ +” 代表最优解, σ ₁代表主压应力轴, σ ₂代表中间应力轴, σ ₃代表主张应力轴Fig. 2 Result of stress field inversion.

如果假定区域应力场是均匀的, 若以NW-SE向的主压应力和垂直方向的主张应力为主, 则不会造成不均匀的挤压, 而米亚罗断裂也不会发生走滑运动, 除非龙门山断裂带的破裂不均匀。通过前文的分析已经得到1区和3区的应力结构大致相同, 但地震破裂产生的运动量不同。而描述地震破裂的物理量是地震矩张量(万永革, 2016), 考虑到主震破裂后又发生了大量余震, 本文采用将各区域余震矩张量叠加(本文称之为综合地震矩张量)的方法来验证上面的推测是否符合真实情况。需要指出的是, 反演的应力张量可描述促使研究区域地震发生的构造应力, 而综合地震矩张量可描述地震破裂所释放的总的地震矩, 2个概念所代表的意义不同。

3 各区域综合地震矩张量

3.1 方法

研究中通常用断层滑动来模拟地震。地震学中已证明在连续介质内部的一类体力(或组合)所产生的位移场恰好与内部断层滑动所产生的位移场相同(Maruyama, 1963; Burridge et al., 1964)。地震矩张量则用来描述造成震源断层错动的等效体力, 矩张量给出了作用在弹性介质内某一点体力的通常表达:

$M = [\begin{array}{l} M_{xx} & M_{xy} & M_{xz} \\ M_{yx} & M_{yy} & M_{yz} \\ M_{zx} & M_{zy} & M_{zz} \end{array}] (1)$

M满足角动量守恒, 故M_ij=M_ji。

地震断层和标量地震矩的关系为

$M_{0} = μDA (2)$

其中, μ 为刚度系数, D为断层滑动量, A为断层面积。在已知矩震级(M_W)的前提下, 根据

$M_{W} = \frac{2}{3} \lg M_{0} - 6.033 (3)$

便可求得标量地震矩M₀(N· m)。在北东下(NED)坐标系下地震矩张量表达为(万永革, 2016)

$\begin{array}{l} M_{NN} = - M_{0} (\sin δ \cos λ \sin 2 ϕ + \sin 2 δ \sin λ si n^{2} ϕ) \\ M_{EE} = M_{0} (\sin δ \cos λ \sin 2 ϕ - \sin 2 δ \sin λ co s^{2} ϕ) \\ M_{DD} = M_{0} (\sin 2 δ \sin λ) = - (M_{xx} + M_{yy}) \\ M_{NE} = M_{0} (\sin δ \cos λ \cos 2 ϕ + \frac{1}{2} \sin 2 δ \sin λ \sin 2 ϕ) \\ M_{ND} = - M_{0} (\cos δ \cos λ \cos ϕ + \cos 2 δ \sin λ \sin ϕ) \\ M_{ED} = - M_{0} (\cos δ \cos λ \sin ϕ - \cos 2 δ \sin λ \cos ϕ) \end{array} (4)$

其中, ϕ 、 δ 和λ 分别表示震源断层的走向、倾角和滑动角。

构成地震矩张量分量的9种不同的力偶如图 3所示, 关于各力偶的详细描述可参见《地震学导论》(万永革, 2016)。由方程式(3)和(4)便可求得NED坐标系下单个地震的地震矩张量。本文所用坐标系为将NED坐标系沿着z轴顺时针旋转40° , 使得龙门山断裂带走向为x轴方向(图 1左上角所示的坐标系)。由方程式(3)和(4)可知, 计算单个地震的地震矩张量与震源断层节面的走向、倾角、滑动角以及震级有关, 而这4个参数中仅走向在不同的坐标系下表达不同, 因此只需将NED坐标系中每个震源断层节面的走向减去40° , 倾角、滑动角和震级不变, 利用方程式(3)和(4)便可计算得到每个地震的地震矩张量在本文坐标系下的表达, 将各区域所有地震的地震矩张量叠加, 就得到本文坐标系下各区的综合地震矩张量。

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	图 3 构成矩张量分量的9种不同的力偶Fig. 3 Nine different couples that consist of the moment tensor.

3.2 结果及分析

根据上述方法得到本文坐标系下各区域综合地震矩张量M。M_ij 表示沿i方向展布、沿j方向错开的地震矩张量分量(如图 3所示), 代表了该方向上所有地震导致的破裂滑动量的总和。1、 3区综合地震矩张量各分量结果见图4。从图中可以看出, 1、 3区综合地震矩张量分量M_xx、 M_yz 相差很小, 表明1、 3区在这2个地震矩张量分量对应方向上的滑动量基本相同; 1区其他分量均远大于3区, 表明其他方向上1区滑动量远大于3区; 总体来看, 2个区域的曲线走势大体一致, 其相关系数高达0.96, 体现出较好的相关性。1、 3区综合地震矩张量分量除M_xx、 M_yz 相差很小外, 1区其他分量均大于3区, 显示1区整体滑动量大于3区。其中M_yy、 M_zz 的差别最大, 基本与龙门山断裂带的水平受压情况相吻合, 这一现象说明逆冲差异较大。该结果支持了之前的推测, 即汶川地震序列过程中米亚罗断裂错动是两侧受力不均衡导致的撕裂活动, 且米亚罗断裂南侧挤压力远大于北侧, 故汶川地震序列活动过程中米亚罗断裂发生左旋走滑性质的错动。

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	图 4 1、 3区各综合地震矩张量分量Fig. 4 Total seismic moment tensor components in area 1 and 3.

对米亚罗断裂附近3个区域的综合地震矩张量分别求特征值和特征向量(万永革, 2016)。图 5为1、 2、 3区地震矩张量特征轴在上东(UD)平面的投影。从图中可以看出各区域矩张量特征轴的倾伏角特征: 1、 3区压缩轴近水平, 拉张轴近直立, 中间轴特征值几乎为0, 显示纯逆冲型特征; 2区压缩轴水平, 中间轴直立, 说明拉张轴水平, 显示走滑型特征。图 6为1、 2、 3区地震矩张量特征轴在北东(NE)平面的投影, 可以发现3个区域地震矩张量特征轴的方向和反演得到的各区域3个应力主轴的方向大体一致。但需要说明的是, 构造应力张量用于描述导致地震发生的应力结构, 而综合地震矩张量用于描述地震破裂所释放的地震矩。两者大体一致说明地震释放的地震矩和构造应力结构具有很大相似性。

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	图 5 1、 2、 3区地震矩张量特征轴在上东平面投影红色箭头代表挤压特征轴, 绿色箭头代表中间特征轴, 蓝色箭头代表拉张特征轴Fig. 5 Projection of eigenvector axis of seismic moment tensor in area 1, 2 and 3 in the up and east coordinate system.

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	图 6 1、 2、 3区地震矩张量特征轴在北东平面投影红色箭头代表挤压特征轴, 绿色箭头代表中间特征轴, 蓝色箭头代表拉张特征轴Fig. 6 Projection of eigenvector axis of seismic moment tensor in area 1, 2 and 3 in the north and east coordinate system.

矩张量结果已证明米亚罗断裂南侧沿NW-SE向挤压应力明显大于北侧。由于1、 3区表现为挤压作用的特征轴几乎水平, 所以近似认为其特征值的差异导致了2区的剪切作用, 如图 7所示。计算得到1、 3区挤压轴的特征值分别为1.67× 10¹⁸N· m和0.48× 10¹⁸N· m, 两者之差为1.19× 10¹⁸N· m, 在图 1所示的坐标系下计算2区在图 7中所示方向的地震矩分量M_yx, 结果为0.82× 10¹⁸N· m, 与上面得到的结果1.19× 10¹⁸N· m相差较小, 说明米亚罗断裂受到的撕裂作用完全可以由南北两侧的逆冲差异所解释。

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	图 7 米亚罗断裂受剪切作用示意图 1、3区的数值对应区域综合地震矩张量的挤压特征值, 2区的数值是2区综合地震矩张量在图中所示方向的分量Fig. 7 Shearing effect of the Miyaluo Fault.

4 米亚罗断裂的活动动力学模型

综合前面的结果, 米亚罗断裂及其附近区域在受到NW-SE向背景挤压应力的作用下, 米亚罗断裂南侧沿NW-SE向的挤压力显著大于北侧或者米亚罗断裂南侧的龙门山断裂带的岩石强度远小于北侧, 这2种情况都可以导致米亚罗断裂受到左旋剪切力, 即米亚罗断裂因受撕裂作用控制, 在汶川地震序列过程中发生左旋走滑性质的活动。其活动动力学模型如图 8所示。

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	图 8 米亚罗断裂活动的动力学模型示意图图外大箭头表示背景压应力的方向, 米亚罗断裂南北两侧的2个箭头表示各区域所受压应力的方向, 箭杆长度代表力的大小; 图中条带的变形表示断裂南北两侧运动位移不同Fig. 8 Schematic diagram of the dynamic model of the Miyaluo Fault.

5 结论

本文利用汶川地震序列米亚罗断裂附近剔除主震后的48个地震的震源机制, 采用Hardebeck等(2006)提出的应力张量反演方法, 在无阻尼的情况下分区反演得到了龙门山断裂带南段米亚罗断裂附近的应力张量, 并推测汶川地震序列活动过程中米亚罗断裂的活动是由撕裂作用所导致的, 同时, 米亚罗断裂南北两侧地震矩张量分量的结果支持了该结论。研究所获得的认识主要有以下几点:

(1)反演得到的1区和3区应力张量相似, 主压应力轴走向接近垂直龙门山断裂带走向, 而2区主压应力轴为SWW-NEE向, 与该区受到左旋剪切力的应力状态相符。据此推测由于米亚罗断裂南北两侧NW-SE向的挤压力有较大差异导致了该剪切力的产生。

(2)米亚罗断裂南北两侧区域综合地震矩张量各分量的相关系数为0.96, 说明南北两侧总体释放的地震矩一致。且1区综合地震矩张量分量除M_xx、 M_yz 外, 其他分量远大于3区, 表明1区整体滑动量大于3区, 这从地震矩释放的角度支持了本文提出的模型。

(3)1、 3区挤压作用轴特征值的差为1.19× 10¹⁸N· m, 在图 1所示的坐标系下计算了2区地震矩分量M_yx, 结果为0.82× 10¹⁸N· m, 与1、 3区挤压作用轴特征值的差值1.19× 10¹⁸N· m相差较小, 说明米亚罗断裂受到的撕裂作用完全可以由南北两侧的逆冲差异所解释。

(4)通过综合地震矩张量研究断层的特性是一种重要的方法, 为分析断层不同滑动行为的动力学解释提供了基础。

致谢本研究部分图件采用GMT(Wessel et al., 1991, 1998)绘制, 审稿专家对本文提出了建设性意见, 在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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Based on the initial P wave polarity of digital wave form data given by Chinese National Seismic Network, regional seismic network, temporary seismic networks as well as some IRIS stations, employing the improved grid point test method, 121 reliable focal mechanism solutions of Wenchuan earthquake sequence (M 4.0) are determined. The results show that the initial rupture of mainshock is purely thrust. The aftershocks of Wenchuan earthquake sequence are mostly thrust or strike-slip, and there is a characteristic of subsection distribution. The P axes shows a dominant distribution in the directions of NWW-SEE and NEE-SWW.

1. Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085; 2. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871;†Corresponding Author

利用2008年5月12日至8月7日包括国家地震台网、地方区域地震台网和流动地震台网在内的1023个地震台站及IRIS台站的数字地震波形记录资料, 读取P波初动极性, 并采用改进的格点尝试法对汶川地震序列震源机制解进行求解, 给出121个4.0级以上质量可靠的震源机制解。根据求解结果发现: 汶川Ms 8.0级主震P波初动解为纯逆冲型; 汶川余震序列震源机制解绝大部分是逆冲型或走滑型地震, 并具有分段分布特征; 其P轴方位有两个优势分布方向: 北西西?南东东向和北东东?南西西向。

... 崔效锋等, 2011 ...

2008

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胡幸平, 俞春泉, 陶开, 等. 2008. 利用P波初动资料求解汶川地震及其强余震震源机制解[J]. 地球物理学报, 51(6): 1711—1718.

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, et al. 2008. Focal mechanism solutions of Wenchuan earthquake and its strong aftershocks obtained from initial P wave polarity analysis[J]. Chinese Journal of Geophysics, 51(6): 1711—1718(in Chinese).

We firstly read out initial P wave polarity from the digital wave form data given by Chinese national seismic networks, regional seismic network, temporary seismic network as well as some IRIS stations. Then employing grid point test method we obtain Focal Mechanism Solution of the great Wenchuan earthquake, which measured at 8.0 M S occurred at 14∶28 CST on May 12, 2008 in Sichuan province of China as well as those of some of its strong aftershocks ( M ≥ 5.0). This group of focal mechanism solutions are very important complement of 9 optimized double-couple solutions published by Harvard university.

1 Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China 2 School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China

通过查阅国家地震台网、各省区域地震台网和流动地震台网，以及IRIS数据中心给出的一些国际台站的数字波形记录，读取P波初动方向，利用格点尝试法计算了2008年5月12日汶川8.0级（ M S ）特大地震以及其后发生的部分强余震（44次）的震源机制解.这组震源机制解是对哈佛大学已公布的9个地震的最佳双力偶解的很好补充.

... 很多学者对汶川地震序列的震源机制解进行了求解(胡幸平等, 2008 ...

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王勤彩, 陈章立, 郑斯华. 2009. 汶川大地震余震序列震源机制的空间分段特征[J]. 科学通报, 54(16): 2348—2354.

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利用汶川地震序列周围450 km范围内6 个台站记录的宽频带波形数据, 通过时间域矩张量反演方法, 得到该地震序列88 个地震的矩张量解. 结果显示震源机制解类型具有明显的空间分段特征. 沿着主破裂带方向自西南至东北共分为6 段, 震源机制类型由开始的逆冲为主, 经过各种震源机制类型交替出现的过渡带, 转变为以右旋走滑为主. 在小鱼洞镇附近出现与主破裂正交的左旋走滑型地震. 利用FMSI程序分别反演各段的应力场, 发现沿着主破裂带方向自西南至东北, 最大主应力方向由近EW向逐渐转变为NW-SE向, 最后又转变为近EW向.

... 王勤彩等, 2009 ...

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Field investigations show that the M S 8.0 Wenchuan earthquake of 12 th May 2008 ruptured two NW-dipping imbricate reverse faults along the Longmenshan Fault zone at the eastern margin of the Tibetan Plateau.This earthquake generated a 240km long surface rupture along the Beichuan-Yingxiu Fault characterized by right-lateral oblique faulting and a 90km long surface rupture along the Guanxian-Jiangyou Fault characterized by dip-slip reverse faulting.Maximum vertical and horizontal dispacements of 6.2m and 4.9m,respectively,were observed along the Beichuan-Yingxiu Fault,whereas a maximum vertical displacement of 3.5m occurred along the Guanxian-jiangyou Fault.This co-seismic surface rupture pattern,involving multiple structures,is among the most complicated of recent great earthquakes.Its surface rupture length is the longest among the co-seismic surface rupture zones for reverse faulting events ever reported.Aftershocks recorded by local network clearly outline the hanging wall of the Beichuan-Yingxiu Fault and indicate that the fault dips about 47? to the west.Industry seismic lines,in addition to surface ruptures and aftershocks,allow us to build a 3D model for the rupture geometry that shows crustal shortening is the dominant process along the Longmen Shan to accommodate long-term deformation.Oblique thrusting accomplished by the earthquake indicates that the east-southeastward extrusion of Tibet Plateau accommodates,in part,the continuing penetration of the Indian plate into the Eurasian plate,and this extrusion is transformed at the eastern margin of the Tibetan Plateau into crustal thickening and shortening along the Longmenshan Fault zone that is responsible for the growth of high topography in the region.

1. National Center for Active Fault Studies, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China; 2. Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China; 3. Earthquake Administration of Zhejiang Province, Hangzhou 310013, China; 4. Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China; 5. China Center for Earthquake Disaster Prevention, Beijing 100029, China; 6. Earthquake Administration of Shandong Province, Jinan 250014, China; 7. Earthquake Administration of Shaanxi Province, Xi'an 710068, China; 8. Earthquake Administration of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning, 530022, China

震后应急野外考察表明,2008年5月12日汶川 M S 8.0地震在青藏高原东缘龙门山推覆构造带上同时使北川-映秀断裂和灌县-江油断裂两条倾向NW的叠瓦状逆断层发生地表破裂。其中,沿北川-映秀断裂展布的地表破裂带长约240km,以兼有右旋走滑分量的逆断层型破裂为主,最大垂直位移6.2m,最大右旋走滑位移4.9m;沿灌县-江油断裂连续展布的地表破裂带长约72km,最长可达90km,为典型的纯逆断层型地表破裂,最大垂直位移3.5m;另外,在上述两条地表破裂带西部还发育着1条NW向带有逆冲垂直分量、左旋走滑性质的小鱼洞地表破裂带,长约6km。这一地表破裂样式是近期发生的特大地震中结构最复杂的一次逆断层型地表破裂,地表破裂的长度也最长。利用已有的石油地震剖面,结合余震分布和地表破裂带特征等资料构建的三维发震构造模型表明,龙门山推覆构造带现今和第四纪时期以地壳缩短为主,斜滑逆冲型地震表明青藏高原中东部的水平运动在华南地块与巴颜喀拉地块之间的龙门山推覆构造带上转化为地壳的缩短和隆升。

... 9m(徐锡伟等, 2008 ...

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Focal mechanism solutions and depths of 312 M >= 4 aftershocks with relatively high signal-to-noise ratio waveforms of the 2008 Wenchuan M(s)8.0 earthquake have been derived by CAP method. Following this, we analyzed the aftershock faulting behavior and spatial-temporal variation of stress field, and further discussed preliminarily the geometry of the central-northern segment of the Longmen Shan fault zone. The major results are as follows. (1) The range of focal depths is significantly different between various segments of aftershock area. The depth ranges of aftershocks on the southern segment west of Mianzhu and northern segment east of Pingwu are greater than that on the central segment from Mianzhu to Pingwu. Relatively shallow ( 10 km are relatively steady, and obviously increase as depths decrease upwards (<10 km). However, the relatively stable mean dips within the range of 50 degrees similar to-65 degrees on the northern segment imply that the fault plane there is relatively steep and therefore more favorable for strike-slip faulting. The above results indicate the very complicated geometry of the fault plane of the central-northern Longmen Shan fault zone.

[Yi Gui-Xi] Chengdu Univ Technol, Educ Minist China, Key Lab Earth Explorat & Informat Tech, Chengdu 610059, Peoples R China.;[Yi Gui-Xi; Long Feng; Zhang Zhi-Wei] Earthquake Adm Sichuan Prov, Chengdu 610041, Peoples R China.

本文利用CAP波形反演方法,获取了汶川 M S 8.0地震序列中312个具有较高信噪比波形资料的4级以上余震的震源机制解和震源深度. 基于震源深度空间分布与震源机制时空分布,分析了主震后余震区断层行为特征与应力场时空变化,并对龙门山断裂带中北段的发震断层面几何形态进行了初步探讨. 获得的主要认识如下:(1)余震震源深度分布存在显著的空间分段差异. 绵竹以西的余震区南段与平武以东的北段余震深度范围大于中段(绵竹—平武段),但深度小于5 km的5级以上超浅源地震主要分布在明显偏离龙门山断裂带走向的理县NW向分支与余震区北端NNE向分支,而中段余震主要分布在7~19 km深度. (2)余震机制类型存在明显的时空差异. 余震区中段逆冲型地震占绝对优势,理县NW向分支余震则以走滑型为主,机制类型随时间变化不显著. 沿龙门山断裂带走向的余震区南段,早期(2008年8月底前)逆冲型地震比例高于走滑型、晚期走滑型地震比例显著升高并超过逆冲型;而余震区北段早期走滑型地震占绝对优势、晚期逆冲型地震比例大幅上升且超过走滑型. 南、北两段余震机制类型比例的显著变化,可能是余震区两端断层调整性运动的表现. (3)节面走向及 P 轴方位优势方向均存在显著的空间差异. 南段NWW向 P 轴方位与区域应力场一致,中段及理县NW向分支 P 轴优势方向NEE,而北段具NWW和NEE两个优势方向,这种差异反映了余震活动除了受区域应力场控制外,还受到主震引发的局部应力场的控制. 节面走向的多方位分布则反映不同走向的构造参与了主震后的余震活动. (4)沿龙门山断裂带走向,余震区南段具深部缓倾角、浅部高倾角的铲形断面特征;中段深部倾角均值较稳定、浅部倾角均值随深度减小而增大;北段倾角均值相对稳定,显示其断面几何形态相对简单. 上述不同区段倾角均值随深度的变化揭示龙门山断裂带中北段断层面几何形态复杂.

... 易桂喜等, 2012), 并分析了龙门山断裂带的活动成因 ...

2013

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... 0 引言地壳中普遍存在一定大小的应力, 是地球板块运动、构造演化以及地震等一切构造运动的直接动力来源(郑建常等, 2013) ...

2009

0.0

... 郑勇等, 2009 ...

1964

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... Burridge et al ...

2006

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1963

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... 地震学中已证明在连续介质内部的一类体力(或组合)所产生的位移场恰好与内部断层滑动所产生的位移场相同(Maruyama, 1963 ...

2009

0.0

... Shen et al ...

2017

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... Wan et al ...

1991

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... 致谢本研究部分图件采用GMT(Wessel et al ...

1998

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... , 1991, 1998)绘制, 审稿专家对本文提出了建设性意见, 在此一并表示感谢! ...

1995

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1992

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... 参照世界应力图的划分标准(Zoback, 1992)(表2), 根据震源机制解3个应力轴(P、 B、 T轴)倾角的大小, 可将震源机制解类型划分为6种: 正断型(NF)、正走滑型(NS)、走滑型(SS)、逆走滑型(TS)、逆断型(TF)和无法确定型(U) ...