引用本文
梁姗姗, 徐志国, 盛书中, 张广伟, 赵博, 邹立晔. 2019年四川长宁6.0级地震主震及中强余震( MS≥4.0)的震源机制及其应力场 [J]. 地震地质, 2020,42(3): 547-561.
LIANG Shan-shan, XU Zhi-guo, SHENG Shu-zhong, ZHANG Guang-wei, ZHAO-Bo, ZOU Li-ye. FOCAL MECHANISM SOLUTIONS AND STRESS FIELD OF THE 2019 CHANGNING, SICHUAN MAINSHOCK AND ITS MODERATE-STRONG AFTERSHOCKS( MS≥4.0) [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(3): 547-561.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.03.001
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2019年四川长宁6.0级地震主震及中强余震( MS≥4.0)的震源机制及其应力场
梁姗姗1, 徐志国2,3,*, 盛书中4, 张广伟5, 赵博1, 邹立晔1
1)中国地震台网中心, 北京 100045
2)中国科学院大学, 计算地球动力学重点实验室, 北京 100049
3)国家海洋环境预报中心, 北京 100081
4)东华理工大学, 地球物理与测控技术学院, 南昌 330013
5)应急管理部国家自然灾害防治研究院, 北京 100085
*通讯作者: 徐志国, 男, 1979年生, 现为中国科学院大学地球动力学专业在读博士研究生, 高级工程师, E-mail: xuzhg04@sina.com。

作者简介：梁姗姗, 女, 1989年生, 工程师, 现主要研究方向地震定位和震源机制反演, 电话: 010-59959377, E-mail: liangshanshan@seis.ac.cn。

收稿日期: 2019-07-04
基金项目: 国家自然科学基金(41804053)和中国地震局地壳应力研究所基本科研业务专项(ZDJ2019-16)共同资助
摘要

北京时间2019年6月17日22时55分43秒, 四川省宜宾市长宁县发生 MS6.0地震, 震源深度16km。 为了更好地了解此次地震的发震构造, 文中利用四川省地震局提供的震相观测报告资料, 采用HYPOINVERSE 2000方法对四川长宁 MS6.0主震进行重定位, 并使用四川、 云南、 重庆和贵州区域地震台网的波形资料, 采用gCAP方法反演了2019年6月17日长宁 MS6.0地震序列主震的双力偶机制解、 全矩张量解以及中强余震序列( MS≥4.0)事件的双力偶机制解。 重定位结果显示, 此次地震的主震位置为(28.35°N, 104.88°E), 震源深度为6.98km, 为极浅源地震。 震源机制结果表明, 长宁 MS6.0主震的发震断裂主要为逆断兼左旋走滑性质, 且全矩张量解显示其含有一定比例的非双力偶成分。 主震发生后, 连续发生的中强余震序列表现为走滑和逆冲型断层机制, 发震类型在空间上呈现分段差异分布的特征, 反映了发震断层错动过程的复杂性。 基于震源机制解确定的震源区域应力场方向与整体区域的构造应力场相比存在较大差异, 说明整体区域构造主压应力轴方向由长宁地震前的NWW向变为震后的NEE向。 综合长宁地区的区域构造地质特征和余震展布方向分析认为, 此次长宁 MS6.0地震是在背景应力场作用下, 长宁背斜上的先存断裂破裂引起滑动而引发的, 发震断层为NW走向的高倾角逆冲兼左旋走滑趋势断层。

关键词: 长宁地震; 地震定位; 震源机制解; 应力场反演; 长宁背斜; 先存断裂
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)03-0547-15
FOCAL MECHANISM SOLUTIONS AND STRESS FIELD OF THE 2019 CHANGNING, SICHUAN MAINSHOCK AND ITS MODERATE-STRONG AFTERSHOCKS( MS≥4.0)
LIANG Shan-shan1, XU Zhi-guo2,3, SHENG Shu-zhong4, ZHANG Guang-wei5, ZHAO-Bo1, ZOU Li-ye3
1)China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
2)Key Laboratory of Computational Geodynamics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3)National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081, China
4)School of Geophysics and Measurement-control Technology, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
5)National Institute of Natural Hazards of China, MEMC, Beijing 100085, China
Abstract

A MS6.0 earthquake with shallow focal depth of 16km struck Changning County, Yibin City, Sichuan Province at 22:55: 43(Beijing Time)on 17 June 2019. Although the magnitude of the earthquake is moderate, it caused heavy casualties and property losses to Changning County and its surrounding areas. In the following week, a series of aftershocks with MS≥4.0 occurred in the epicentral area successively. In order to better understand and analyze the seismotectonic structure and generation mechanism of these earthquakes, in this paper, absolute earthquake location by HYPOINVERSE 2000 method is conducted to relocate the main shock of MS6.0 in Changning using the seismic phase observation data provided by Sichuan Earthquake Administration, and focal mechanism solutions for Changning MS6.0 main shock and MS≥4.0 aftershocks are inferred using the gCAP method with the local and regional broadband station waveforms recorded by the regional seismic networks of Sichuan Province, Yunnan Province, Chongqing Municipality, and Guizhou Province. The absolute relocation results show that the epicenter of the main shock is located at 28.35°N, 104.88°E, and it occurred at an unusual shallow depth about only 6.98km, which could be one of the most significant reasons for the heavier damage in the Changning and adjoining areas. The focal plane solution of the Changning MS6.0 earthquake indicates that the main shock occurred at a thrust fault with a left-lateral strike-slip component. The full moment tensor solution provided by gCAP shows that it contains a certain percentage of non-double couple components. After the occurrence of the main shock, a series of medium and strong aftershocks with MS≥4.0 occurred continuously along the northwestern direction, the fault plane solutions for those aftershocks show mostly strike-slip and thrust fault-type. It is found that the mode of focal mechanism has an obvious characteristic of segmentation in space, which reflects the complexity of the dislocation process of the seismogenic fault. It also shows that the Changning earthquake sequences occurred in the shallow part of the upper crust. Combining with the results from the seismic sounding profile in Changning anticline, which is the main structure in the focal area, this study finds that the existence of several steep secondary faults in the core of Changning anticline is an important reason for the diversity of focal mechanism of aftershock sequences. The characteristics of regional stress field is estimated using the STRESSINVERSE method by the information of focal mechanism solutions from our study, and the results show that the Changning area is subject to a NEE oriented maximum principal stress field with a very shallow dipping and near-vertical minimum principal stress, which is not associated with the results derived from other stress indicators. Compared with the direction of the maximum principal compressive stress axis in the whole region, the direction of the stress field in the focal area rotates from the NWW direction to the NEE direction. The Changning MS6.0 earthquake locates in the area with complex geological structure, where there are a large number of small staggered fault zones with unstable geological structure. Combining with the direction of aftershocks distribution in Changning area, we infer that the Changning MS6.0 earthquake is generated by rupturing of the pre-existing fault in the Changning anticline under the action of the overall large stress field, and the seismogenic fault is a high dip-angle thrust fault with left-lateral strike-slip component, trending NW.

Keyword: Changning earthquake; earthquake location; focal mechanism solution; stress field inversion; Changning anticline; pre-existing fault
0 引言

据中国地震台网中心测定, 北京时间2019年6月17日22时55分43秒, 四川省宜宾市长宁县发生MS6.0地震, 震中位置为(28.34° N, 104.90° E), 震源深度16km。 本次地震震中位于四川省长宁县双河镇, 距长宁县城约24km, 距四川省会成都市约269km(图 1)。 尽管此次地震为中等强度地震, 但仍导致长宁县及其周边地区出现较严重的人员伤亡和财产损失。 截至6月21日6时, 四川长宁地震已造成16.8万人受灾, 13人死亡, 200多人受伤, 部分水电、 交通、 通讯等基础设施受损①。 四川长宁6.0级地震发生后余震连续不断, 截至6月30日8时, 共记录到M2.0及以上余震202次, 其中5.0~5.9级3次, 4.0~4.9级5次, 3.0~3.9级46次, 2.0~2.9级148次。 余震序列呈NW向分布特征, 长轴延展范围达20km, 震源深度多集中在18km以浅(图 1), 属于典型的浅源地震。 中国地震局最新发布的地震烈度图②显示, 该地震的最高烈度为Ⅷ 度, Ⅵ 度区及以上区域的总面积为3i058km2, 等震线长轴呈NW向, 与余震序列的展布方向一致。 由于震源较浅且部分房屋的抗震能力较差, 震区附近部分房屋坍塌或严重损坏, 造成了人员伤亡。

图 1 研究区域构造背景、 本研究定位和震源机制反演所用台站分布(a); 长宁MS6.0地震主震、 余震序列分布及兴文MS5.7、 珙县MS5.3地震震中(b)
黑色实线代表研究区内的主要断裂, 黑色三角形为本研究所使用的台站, 五角星和彩色圆圈代表长宁地震序列, 灰色圆圈分别代表2018年12月16日四川兴文MS5.7和2019年1月3日四川珙县MS5.3地震震中Fig. 1 Map of tectonic background of the studied region and distribution of seismic stations used in location and focal mechanism inversion in the this study(a), and the Changning MS6.0 earthquake sequences, Xingwen MS5.7 and Gongxian MS5.3 earthquake(b).

此次地震的震源区位于川滇块体东侧, 属于南北地震带南段, 在印度板块向缅甸弧下方俯冲至地幔转换带所形成的“ 大地幔楔” 结构范围内(Lei et al., 2009a, b, 2016, 2019), 而该区是近年来中国大陆内部地震活动最强的地区之一。 区域内断裂构造发育, 主要受NE向和NW向2组断裂控制。 历史上, 在西侧距离震源区约100km处的NW走向的马边-盐津地震构造带附近曾发生多次较大地震。 马边-盐津地震构造带由多条走向不同、 规模较小的断裂组成(阮祥等, 2010), 2014年8月3日鲁甸MS6.5地震发生在该区的昭通-鲁甸断裂带上(房立华等, 2014; 徐锡伟等, 2014)。 自2018年12月以来, 本次地震震中所处的川东南地区的地震活动相对活跃, 在距离此次震中南侧仅不到20km处曾发生2018年12月16日四川兴文MS5.7地震和2019年1月3日四川珙县MS5.3地震。 长宁MS6.0地震震中位于四川盆地边缘的长宁背斜构造附近, 该背斜构造是震源区主要的褶皱构造, 其主体构造的轴部为NWW-SEE向, 总体呈东宽西窄的形态, 背斜内次级褶皱和断裂发育(王适择等, 2013)。

主震的震源深度可为认识断层的活动规律提供重要的地震学依据。 震源机制解反映了震源区的受力状态、 发震断层及其运动方式, 对了解地震孕育及区域构造动力学环境等具有重要的现实意义(张广伟等, 2015; 杨宜海等, 2017; 梁姗姗等, 2018, 2019; 徐志国等, 2019)。 为此, 本研究首先采用HYPOINVERSE 2000定位方法(Klein, 2014)对主震进行绝对定位, 以获得精确的初始破裂位置。 然后采用gCAP方法(Zhu et al., 2013)反演四川长宁MS6.0地震序列主震的双力偶机制解、 全矩张量解及中强余震(MS≥ 4.0)事件的双力偶机制解。 随后, 基于本研究得到的双力偶机制解反演得到的断层面解参数计算震后长宁震区的构造应力场方向, 并对长宁MS6.0主震的发震构造和震源区应力状态进行初步探讨, 为深入理解本次地震的发震机制和孕育机理提供科学参考。

图 2 本研究使用的速度模型Fig. 2 Velocity models used in this study.

1 资料与方法

本研究对长宁MS6.0主震进行重定位所使用的震相数据来自四川省地震局震相报告到时资料。 选取震中距≤ 200km、 绝对走时残差≤ 2s的台站到时资料共32条, 共有24个台站参与定位(图 1), 其中有10个台站的震中距≤ 50km, 最近的为宜宾台网固定台--珙县地震台(GXA), 震中距约10.6km。 除固定的国家台和区域台外, 参与定位的台站还包括地方台和震后架设的流动台。 采用高密度的近台数据能有效提高地震重定位的精度, 尤其为深度方面的精度提供了保障。 采用四川、 云南、 重庆和贵州区域地震台网记录的宽频带数字波形资料, 选择四川长宁MS6.0主震和6月17-24日8次MS≥ 4.0的余震事件进行震源机制反演。 对震中距为70~245km的台站数据进行严格筛选, 最终选用方位角覆盖良好的11个台站的高信噪比、 高质量的三分量波形记录进行震源机制反演(图 1)。

首先, 采用HYPOINVERSE 2000定位方法(Klein, 2014)对长宁MS6.0主震进行绝对定位。 该方法基于Geiger经典绝对定位方法发展而来, 并可通过台站延时来考虑台站的高程和台站下方速度结构对走时的影响, 反演时分别对P波和S波赋予先验权重1.0和0.5, 设初始震源深度为16km。 定位所使用的速度模型采用张广伟等(2014)对云南鲁甸地震序列进行震源机制解反演所采用的一维速度模型(图 2)。

图 3 2019年6月17日长宁MS6.0主震不同深度上的双力偶机制解及其反演方差(a)、全矩张量解及其反演方差(b)Fig. 3 Double couple mechanism at different depths versus inversion variance of the 17 June 2019 Changning MS6.0 earthquake(a), and full moment tensor solutions at different depths versus inversion variance of the 17 June 2019 Changning MS6.0 earthquake(b).

随后, 采用gCAP方法(Zhu et al., 2013)分别求取主震的双力偶机制解、 全矩张量解及8次中强余震的双力偶机制解。 该方法采用近震波形, 通过对Pnl和S波(或面波)2部分赋予不同权重, 计算理论波形和实际波形的拟合误差函数, 采用网格搜索得到误差最小的最优解, 具有对初始位置依赖较小的优点。 反演过程中, Pnl和S波的滤波范围分别为0.05~0.2Hz和0.02~0.08Hz, 走向、 倾角、 滑动角的搜索间隔均为5° , 深度间隔为1km。 采用频率-波数法(F-K)(Zhu et al., 2002)计算格林函数, 其中采样间隔设为0.1s, 采样点个数为1i024个。 计算格林函数时, 采用与绝对重定位相同的一维速度模型。

为了更好地认识此次地震震源区的区域应力场特征, 基于震源机制解反演提供的走向、 倾角和滑动角信息, 进一步采用Vavry$\check{c}$uk(2014)提出的STRESSINVERSE方法迭代反演四川长宁地震序列的区域构造应力场。 该方法在Michael(1984)提出的反演方法的基础上修改而来, 采用断层不稳定性约束原则(Lund et al., 1999)解决震源机制解中发震断面的模糊性问题, 迭代计算得到准确的应力场。 大量研究表明, 该方法更稳定, 并且能得到更准确的形状比值(Shape Ratio), 可有效提高应力场反演结果的精度。

2 结果
2.1 主震位置及震源机制解

采用HYPOINVERSE 2000定位方法对主震进行绝对定位, 结果显示重定位后的主震位置为(28.35° N, 104.88° E), 震源深度为6.98km, 主震水平和深度方向的定位误差分别为0.4km和1.1km, 走时均方根残差为0.1s。 本研究所得的定位结果与中国地震台网初始震中位置在数值上较为接近(28.34° N, 104.90° E), 但震源深度存在一定偏差。 重定位的震源深度为6.98km, 相对于中国地震台网初始测定的16km约浅9km, 属于极浅源地震。 震源深度之所以存在较大偏差, 主要是由于速度模型、 参与台站数量以及定位方法不同的影响。 在主震重定位过程中, 相对中国地震台网测定的初始震源位置参数, 本文采用了更为精细的区域速度模型以及高密度台站震相分析数据, 尤其是采用了更多震中附近的近台走时数据, 对震源深度约束得更好, 因此得到的深度结果更加精确可靠。

采用gCAP方法的纯双力偶机制模式, 通过不同深度的双力偶机制反演得到主震的最佳矩心深度。 图3a为主震反演方差随深度的变化图。 从图中可以看出, 震源机制基本不受深度的变化所影响, 不同深度所对应的震源机制全部为逆冲兼左旋走滑性质。 当深度为4km时震源机制解反演的方差最小, 故此深度及对应的双力偶解即为所求结果。 图 4 给出了4km深度对应的主震双力偶机制解(下半球投影)以及理论波形(红色实线)和实际波形(黑色实线)的拟合图, 可以看出参与此次地震反演的11个地震台站中所用波段的总数为46个, 其中相关系数> 70% 的有35个, 占总数的80%。 反演方差为2.3, 说明理论和实际波形总体的拟合效果较好, 反演的震源参数具有较高的可信度。 反演结果显示, 此次地震中节面Ⅰ 的走向、 倾角和滑动角分别为311° 、 65° 和51° , 节面Ⅱ 的走向、 倾角和滑动角分别为192° 、 50° 和139° , 震级为MW5.8。 采用最小旋转角方法(万永革, 2019)比较本研究结果与哈佛大学矩张量解(GCMT)①、 中国地震局地球物理研究所(韩立波等基于CAP方法、 郭祥云等基于P波初动方法得到的结果)(邹立晔等, 2019)、 美国地质调查局(Wphase方法)②等国内外权威地震研究结构给出的长宁主震震源机制解参数结果的差别(表1)。 选取本研究得到的震源机制解为参考解, 计算本研究与其它机构结果的最小旋转角。 由表1可以看出, 最小旋转角为7.51° ~16.46° , 表明本文的计算结果与其它结果较为一致, 这也进一步反映本文的反演过程及结果的可靠性。 结合震源区的余震分布形态, 初步推测节面Ⅰ 可能为实际发震断层面, 发震断层为NW走向的高倾角逆冲兼左旋走滑趋势断层。

图 4 2019年6月17日四川长宁MS6.0主震双力偶机制解及理论(红色)和实际(黑色)波形对比图
波形下方的数字表示理论波形相对实际波形的移动时间和二者的相关系数, 左侧大写字母为台站名, 台站下方为震中距(km)和相对偏移时间(s)Fig. 4 Double-coupled source mechanism solution and comparison between the theoretical(red) and observed(black)waveforms of the 17 June 2019 MS6.0 mainshock.

表1 不同研究机构给出的2019年6月17日长宁主震的震源机制解参数 Table1 Source parameters of the Changning mainshock from different sources

为进一步探讨长宁地震的发震构造和孕震机理, 采用全矩张量反演模式求取MS6.0主震的全矩张量解。 结果显示, 节面Ⅰ 的走向、 倾角和滑动角分别为318° 、 58° 和63° , 节面Ⅱ 的走向、 倾角和滑动角分别为182° 、 49° 和126° , 矩震级为MW5.8, 矩心深度为3km, 与纯双力偶机制模式所得结果相似。 全矩张量模式的反演方差为1.9(图3b), 与纯双力偶模式相比方差变小, 理论和观测波形的拟合程度更高(图 5)。 在进行地震全矩张量反演时, 得到的各向同性(ISO)、 补偿线性偶极矢量(CLVD)和双力偶(DC)3部分所占的比例分别为18.58%、 0.082%和81.337%。 尽管存在一定的非双力偶成分, 但其所占比例较小, 说明此次地震仍是由于构造原因导致的滑动位错, 间接反映了震源错动方式或震源区地下介质的特殊性与复杂性。

图 5 2019年6月17日四川长宁MS6.0主震全矩张量解及理论(红色)和实际(黑色)波形对比图
波形下方的数字表示理论波形相对实际波形的移动时间和二者的相关系数, 左侧大写字母为台站名, 台站下方为震中距(km)和相对偏移时间(s)Fig. 5 The full moment tensor solution and comparison between the theoretical(red) and observed(black)waveforms of the 17 June 2019 MS6.0 mainshock.

2.2 余震序列分布及震源机制结果

分析所收集的四川省地震局震后处理的余震定位结果(图 6), 可以看出长宁MS6.0地震的余震序列主要集中分布在主震的NW向, 主震和其SE向几乎没有余震。 余震沿长宁背斜的走向呈现条带状分布, 展布范围约30km。 余震序列的空间分布特征表现为明显的单侧破裂扩展模式。 表2和图 6 给出了长宁MS6.0地震序列9次MS≥ 4.0地震的双力偶机制解。 由图中可看出, 震源断错性质较为复杂, 余震呈现出走滑和逆冲2种机制类型, 其中走滑型地震居多。 在地震序列的NW段和SE段逆冲性质占优势; 在地震序列的中段走滑分量占绝对优势, 表明长宁地震的发震类型存在空间分段差异特征。 长宁主震的发震断裂为逆断兼走滑性质, 在破裂过程中产生了一定的走滑成分, 这使得余震的震源机制表现出多样性, 既有走滑型也有逆冲型。 此外, 此次地震序列的矩心深度主要集中在4~7km, 较浅的矩心深度可能是此次地震灾害较为严重的原因之一。 易桂喜等(2019)采用CAP方法对长宁地震序列早期(2019年6月17-22日)16次MS≥ 3.6地震的震源机制进行了反演, 结果表明这些地震序列与本研究所得的MS6.0地震的余震序列具有类似的震源机制特征, 即均为逆冲和走滑型且矩心深度极浅, 该结果也进一步表明长宁地震序列发生在上地壳浅部。 结合震源区主要构造--长宁背斜的测深剖面结果(何登发等, 2019)分析认为, 长宁背斜核部存在的多条陡立次级断层是导致余震序列震源机制多样性的重要原因。

图 6 本研究获得的双力偶机制解Fig. 6 Double-coupled source mechanism solution for moderate-strong aftershocks.

表2 长宁MS6.0主震及MS≥ 4.0余震的震源机制解 Table2 Double-coupled source mechanism solution of Changning MS6.0 mainshock earthquake and MS≥ 4.0 earthquakes
2.3 震源区应力场的反演结果

利用本研究得到的9次地震的双力偶机制解结果对长宁地震震源区进行区域应力场反演。 为约束应力场反演结果的稳定性, 在输入的震源机制解的P-T轴方向引入± 10° 的随机噪声, 即在断层的法向和滑动方向存在10° 的平均误差, 进行200次迭代联合反演, 获得了如图7a所示的稳定结果。 从应力体系上看, 震后研究区域的最大水平主压应力轴σ 1的方位为NEE向, 倾角为14.9° ; 中间压应力轴σ 2的方位为NNW向, 倾角为14.6° ; 最小主压应力轴σ 3的方位为SSW向, 倾角为68.8° (图7a, 表3)。 在应力场反演过程中, 除得到最佳应力模型的3个主应力轴σ 1、 σ 2和σ 3外, 还得到了相对应力值, 即应力形状因子(R值), 该值有助于区分应力场的类型(孙业君等, 2017)。 该地震序列的R值为0.51(图7b, 表3), 说明反演得到的3个主应力轴在数值上近似为等差数列, 即该区域表现为走滑的应力状态, 最大水平主压应力的方位为NEE向。 此前的大量研究已表明(徐锡伟等, 2003; 王阎昭等, 2008; 王晓山等, 2015), 研究区域整体的背景应力场具有NWW向走滑型应力场特征(据GPS和构造地质学结果得出)。 本文得到的震源区构造应力场与背景应力场所表现的特征明显不同, 而采用小地震极性数据反演获得的应力场空间分布结果表明, 长宁震源区存在小尺度的区域应力场变化(最大主应力方向近NEE向), 与本研究获得最大主应力方向具有很好的一致性。 以上结果表明, 长宁地震序列发生后震源区存在明显的局部应力变化, 最大主压应力轴由长宁地震前的NWW向变为震后的NEE向。 由于震区位于盐矿和天然气开采区, 长期的人为活动是否能够改变小尺度的应力场方向, 需要结合更多的观测结果(如钻孔资料、 分时段应力场反演等)进行探讨。

图 7 四川长宁地震序列反演的应力场方向(置信度95%)(a)及应力形因子R的频度分布(b)
Stress field direction of Sichuan Changning earthquake sequence inversion(confidence 95%), σ 1, σ 2 and σ 3 indicate the maximum, intermediate, minimum principal stress axis(a), the distribution of shape ratio R(b). σ 1为最大主压应力(红点), σ 2为中间主压应力(绿点), σ 3为最小主压应力(蓝点)

表3 长宁地震序列主应力轴参数 Table3 Principal stress axis parameters of Changning sequences
3 结论与讨论

本文首先利用四川省地震局提供的震相观测报告资料, 采用HYPOINVERSE 2000方法对四川长宁MS6.0主震进行重定位, 得到的主震位置为(28.35° N, 104.88° E), 震源深度为6.98km, 表明此次地震属于极浅源地震。 较浅的震源深度可能是导致此次地震灾害较为严重的原因之一。

其次, 文中利用四川、 云南、 贵州和重庆台网记录的宽频带数字地震波形资料, 采用gCAP方法反演了四川长宁MS6.0地震序列中9次MS≥ 4.0事件的双力偶机制解, 并对主震进行全矩张量解反演, 以探讨主震发震构造模式。 反演结果表明, 长宁MS6.0主震的发震断裂为带有左旋分量的逆断兼走滑性质, 且主震的全矩张量解显示其含有一定比例非双力偶成分。 结合震区的余震分布情况推测节面Ⅰ 为实际发震断层面, 发震断层为NW走向的高倾角逆冲兼左旋走滑趋势断层。 主震发生后, 连续了发生8次中强余震, 这些余震呈现出走滑和逆冲2种机制类型, 但走滑型居多。 在地震序列的NW段和SE段逆冲性质占优势, 在地震序列中段则走滑分量占绝对优势, 表明长宁地震序列的类型存在空间分段差异特征, 说明震后不同时间、 不同区域处于不同的应力状态下, 使得余震震源机制表示出不同类型。 此外, 我们利用本研究得到的震源机制解资料, 迭代反演出四川长宁序列震源区域的构造应力场。 震源区主压应力轴走向为NEE(78.6° ), 倾角近水平(14.9° ), 与背景构造应力场存在显著差别, 表明长宁地震序列发生后区域构造应力场的方向发生了变化, 最大主压应力轴由长宁地震前的NWW向变为震后的NEE向。

值得注意的是, 此次长宁MS6.0地震震中区域的地质构造复杂。 震中位于长宁背斜的西部末端, 且靠近双河背斜附近, 在连续发生的余震震区附近还发育着另一条于滩背斜。 在这些绵延几十至几百km的背斜附近, 存在多条长度为几十km的次级逆断层和走滑断层。 本次长宁地震序列位于长宁背斜上, 其走向和长宁背斜一致, 但长宁背斜是中生代构造, 其形成年代的应力场方向为NE, 与现代构造应力场方向NW不符(唐永等, 2018)。 长宁地区存在大量交错分布的小型断层带, 地质结构并不稳定, 当次级断层受到外力作用而长期累积应力, 超过一定阈值后则可能导致长宁背斜上的先存断裂破裂, 从而引起滑动导致此次地震发生。 因此, 我们认为此次地震的发震构造可能是长宁背斜在发育时所形成的若干先存断裂。 由于震源区交错分布着大量支离破碎的小型断层, 故地震发生过程中破裂极其复杂, 从而导致震源机制出现一定比例的非双力偶成分。

由于本次地震震中距离长宁页岩气开采区非常近, 而本研究得到的震源深度很浅, 且根据震源机制反演得到的主应力方向与区域构造应力场存在差异, 长宁地震的产生是否与页岩气开采活动有关?页岩气开采是否是这次地震发生的决定因素?有相关文献表明页岩气开发时的注水过程会诱发地震(Lei et al., 2017), 由于受观测、 实验和模拟等条件所限, 人们对页岩气开采诱发地震活动及成因的研究还有待加强。 从震源机制来看, 长宁地震属于构造型地震, 与该地区的背斜构造相关, 特别是与一些小断裂有关。 然而值得注意的是, 本次地震可能和印度板块向缅甸弧下方深俯冲至地幔转换带形成的“ 大地幔楔” 结构密切相关(Lei et al., 2009b, 2016, 2019), 而在这个“ 大地幔楔” 结构中也可能存在深部热湿物质上涌等动力学过程。 因此, 此次地震可能与热湿物质上涌到达地壳后作用于断裂带, 使得断层面有效正应力降低有关(Lei et al., 2009a)。

需要说明的是, 本文仅根据长宁地震序列中中强地震的震源机制资料对震源区附近的平均应力场特征进行分析, 但受到资料不多、 区域速度模型存在差别以及反演方法不同等因素的影响, 结果未必能够准确反映震源区域的应力场变化特征, 需要收集更多的区域波形资料并分析更多的震源机制反演结果, 综合GPS、 水准测量、 重力测量、 地应力等实测数据刻画出更加精细和真实的应力场特征。

致谢 审稿专家对本文提出了宝贵修改意见; 应急管理部国家自然灾害防治研究院胡幸平副研究员在本文成文工作中给予了帮助; 中国地震台网中心国家地震科学数据中心(http://data.earthquake.cn)提供数据支撑。在此一并表示感谢!

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