馮　蔚　劉　杰　羅佳宏　侯建盛　徐婉楨

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京　100045

2）中國地震局地震預測研究所，北京　100036

3）中國地震局地質研究所，北京　100029

4）中國地震局，北京　100036

基于強震和測震數(shù)據(jù)對魯?shù)?．5級地震發(fā)震斷層方向的研究

馮蔚1，2）劉杰1）*羅佳宏3）侯建盛4）徐婉楨2）

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京100045

2）中國地震局地震預測研究所，北京100036

3）中國地震局地質研究所，北京100029

4）中國地震局，北京100036

2014年8月3日16時30分，云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生M6.5地震，宏觀震中位于魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)（27.1°N，103.3°E），深度約12km。發(fā)震斷層為NW向包谷垴－小河斷裂，是NE向昭通－魯?shù)閿嗔严档腘W向次級走滑斷層。文中利用魯?shù)榈卣?0個強震臺站觀測記錄與135個測震臺站觀測記錄，分別進行峰值加速度計算和S波輻射圖案匹配，對此次地震發(fā)震斷層方向進行討論。結果表明，“NW向”的斷層方向更符合強震、測震儀器觀測值，同時與地震災害現(xiàn)場調查結果一致。

魯?shù)?．5級地震破裂方向峰值加速度S波輻射圖案

0　引言

2014年8月3日16時30分，云南省昭通市魯?shù)榭h（27.1°N，103.3°E）發(fā)生6.5級地震。地震造成云南省昭通市魯?shù)榭h、巧家縣、昭陽區(qū)、永善縣、曲靖市會澤縣共55個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受不同程度破壞，617人死亡、112人失蹤、3 143人受傷，22.97萬人緊急轉移安置。

表1　震源機制解參數(shù)Table 1　Focal mechanism solution of the Ludian earthquake

震后利用地震波形記錄，通過P波初動方向快速求得震源機制解（表1）。結果顯示2個節(jié)面的走向分別為NE向和NW向。由于此次震中位于NE向昭通－魯?shù)閿嗔迅浇?，初期做出了地震為NE向破裂的誤判。后期，通過余震空間優(yōu)勢分布方位、強地震動記錄、現(xiàn)場地震災害和次生地質災害調查獲得的極震區(qū)展布和遙感影像等信息，綜合判定魯?shù)?.5級地震的發(fā)震斷層為NW向包谷垴－小河斷裂，是NE向昭通－魯?shù)閿嗔严档腘W向次級走滑斷層。此次地震為一次左旋走滑型地震（徐錫偉等，2014）。

如果將地震作為一個點源，利用地震波資料，采用P波初動、CAP等方法，所解得的2個節(jié)面均可能為斷層面，而斷層破裂方向的判定對震害評估是一個至關重要的參數(shù)。斷層面的確定多采用地質活斷層資料，節(jié)面與斷層走向相近的為斷層面。目前采用的判斷方法包括：開展現(xiàn)場地質調查，識別地震破裂帶（徐錫偉等，2008）；開展準確的余震精定位工作，震后余震的空間分布多沿斷層面走向（蘇金蓉等，2013）；極震區(qū)等震線長軸方向應為斷層面走向（劉啟方等，2004）；INSAR、GPS解算的同震位移數(shù)據(jù)直接表示斷層錯動方向（國家重大科學工程“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡”項目組，2008；屈春燕等，2008）等。徐錫偉等（2014）、趙旭等（2014）和許沖等（2014）利用魯?shù)榈卣鸬囊巴饪疾熨Y料、地震烈度長軸方位、震源運動學特征分析、滑坡編錄信息等，判定了魯?shù)榈卣鸬陌l(fā)震斷層。但這些方法獲取相關資料需要一定時間，在震害快速評估早期階段無法得到結果。此外，這次魯?shù)榈卣鹩嗾鸬木ㄎ伙@示余震有2個優(yōu)勢分布方向，分別為SE向和SW向，具有不對稱的共軛分布特征（房立華等，2014），這為利用余震分布判定發(fā)震斷層方向提出一個新的問題。

地震后及時得到的數(shù)據(jù)是主震的強震動數(shù)據(jù)和測震臺站的波形數(shù)據(jù)。強震動觀測結果是對地表震動強弱程度的直接表述。一般而言，沿斷層方向衰減較慢，垂直于斷層方向衰減較快。破裂傳播正向和反方向上地震動強度和頻率的時間過程有顯著的不同（謝俊舉等，2011）。在強震臺站分布適度的前提下，其等震線長軸方向多能準確地反映斷層面走向。魯?shù)榈卣鸷?，冀昆等?014）利用強震動臺網(wǎng)中心相關數(shù)據(jù)進行魯?shù)榈卣饛娬饎犹卣髋c震害分析，PGA與PGV衰減均具有方向性。

利用測震臺站的波形資料，通過地震質心位置與破裂起始位置之間的差異，可測定主震的破裂方向性以及發(fā)震斷層（秦劉冰等，2014），何驍惠等（個人交流）采用這種方法，測量得到了魯?shù)榈卣鹳|心位置與破裂起始位置的差異，破裂方向由NW向SE破裂長度至少4km，主震的發(fā)震斷層主要為一條走向為160°的斷裂。基于移動源模型的地震波多普勒效應亦可估計斷層破裂方向（周慶等，2011；李啟成等，2014）。趙旭等（2014）研究結果表明魯?shù)榈卣鹌屏驯憩F(xiàn)出明顯的方向性，主要向SE（沿走向342°相反方向）擴展，故導致SE向多數(shù)臺站視破裂持續(xù)時間總體偏小。雖然上述研究取得了很好的成果，但這些研究需要處理大量資料，在主震發(fā)生后很難快速得到。

在假定地震震源為線源情況下，傅淑芳等（1980）指出，求取觀測臺站SH／SV的S波偏振方向，對于單力偶震源S波位移分布垂直于輔助面，可綜合判斷破裂面。因此，本文嘗試利用測震臺站波形數(shù)據(jù)，計算LQT坐標系下的S波振幅值與單力偶源S波輻射圖案匹配，判斷發(fā)震斷層方向。同時，利用強震動臺站觀測資料，計算三分量合成峰值加速度與水平向峰值加速度分布，判斷發(fā)震斷層方向。綜合2種數(shù)據(jù)結果給出魯?shù)榈卣鸬慕Y果，并與地震現(xiàn)場應急工作隊的災害調查點資料進行比較，討論本文結論的可靠性。

1　利用臺站強震記錄推斷破裂方向

根據(jù)強震動參數(shù)的衰減關系，通過強震動臺網(wǎng)記錄的地震動加速度數(shù)值記錄，計算峰值加速度分布可以推斷發(fā)震斷層方向。

選取25°～29°N，101.5°～105.5°E區(qū)域，利用國家強震動臺網(wǎng)中心提供的50個臺站有關2014年魯?shù)?.5級地震的強震記錄，經(jīng)基線校正計算峰值加速度（表2），再通過徑向基函數(shù)（RBF）插值方法得出峰值加速度分布圖（圖1）。同時，考慮到震源機制解參數(shù)表示走滑分量為主要分量，也計算了水平方向上的峰值加速度（圖2）。

表2　魯?shù)?．5級地震強震動臺站峰值加速度與水平峰值加速度Table 2　Peak ground acceleration and horizontal peak ground acceleration of the Ludian M6．5 earthquake recorded by strong motion stations

利用地震動加速度沿發(fā)震斷層衰減較慢，而與斷層垂直方向衰減較快的特征，可推斷這次魯?shù)榈卣鸬臄鄬臃较驗镹W向，應選取震源機制解中的節(jié)面1為斷層面，節(jié)面2為輔助面（表1）。同時，對比三分量合成峰值加速度與水平向峰值加速度，發(fā)現(xiàn)兩者差別微乎其微，說明水平向運動為主，側面印證了震源走滑分量為主要分量。

圖1　強震動臺站與三分量合成峰值加速度分布圖Fig．1　The strong motion stations and synthetic peak ground accelerations．

圖2　強震動臺站與水平向峰值加速度分布圖Fig．2　The strong motion stations and horizontal peak ground accelerations．

2　利用測震S波輻射圖案匹配

根據(jù)單力偶和雙力偶源激發(fā)的靜態(tài)位移場表達式（周仕勇等，2010），通過式（1）分別推導出球坐標系下單力偶激發(fā)靜態(tài)位移場表達式（2）和雙力偶激發(fā)靜態(tài)位移場表達式（3）。

上式中：ui（i＝1，2，3）為直角坐標系下的位移，徑向位移為ur，橫向位移為uθ，uφ，，λ和μ為拉梅常數(shù)。

根據(jù)震源機制解參數(shù)與震中臺站參數(shù)，經(jīng)坐標旋轉計算幅值，單力偶源S波幅值表達式可近似表示為

由式（2）與式（3）得出P波（徑向）振幅最大方向與破裂傳播方向一致，在垂直于傳播方向的位移振幅則最小；S波沿波傳播方向的振幅最小，在垂直于傳播方向則位移振幅最大。對于單力偶的S波輻射圖案不同于雙力偶，單力偶的S波輻射圖案為花生形曲線（圖4a，b），沿力的作用方向S波表現(xiàn)較弱。

此次魯?shù)榈卣鹫鹪礄C制解表現(xiàn)為走滑占主要部分，震源可近似看作由多個雙力偶源沿發(fā)震斷層方向構成的單力偶震源。利用實際觀測S波的振幅分布，依據(jù)單力偶模型S波幅值表達式（4），可以判斷出發(fā)震斷層的大致走向。利用S波輻射圖案匹配具體計算步驟如下：

（1）依據(jù)中國臺網(wǎng)中心的測震臺站波形數(shù)據(jù)，剔除質量較差與近場臺站的數(shù)據(jù)，共采用135個臺站的波形數(shù)據(jù)記錄。由采用測震臺站分布（圖3）可以看出，使用的測震臺站構成的臺網(wǎng)基本包括了此次地震。

（2）將地震計輸出的N－S，E－W和U－D 3個方向的地震波形，從坐標系ZNE旋轉到坐標系LQT，轉換矩陣如式（5），φBAZ為反方位角，為入射角。根據(jù)臺站的位置、震中的位置和速度模型，可以求出反方位角和入射角。其中，L分量是沿地震射線方向的分量，射線方向為正方向。Q方向在垂直于T軸的平面內，其正方向是L正方向順時針旋轉90°所指方向。使用SAC軟件包及MATLAB，將記錄波形數(shù)據(jù)從ZNE坐標系旋轉到LQT坐標系。

圖3　魯?shù)?.5級地震采用測震臺站分布圖Fig．3　The distribution map of seismic stations in Ludian M6.5 earthquake．

圖4　單力偶模型輻射圖案與歸一化輻射圖Fig．4　The radiation amplitude patterns of couple source＆normalized radiation diagram．

（3）由LQT坐標構建可知：P波能量集中在L分量，SV能量集中在Q分量，SH能量集中在T分量。采用式（6）分別讀取各時刻SV波和SH波的振幅，矢量疊加取平均幅值得到S波振幅。

（4）結合魯?shù)榈卣鸬恼鹪礄C制解參數(shù)畫出2個節(jié)面的理論S波輻射圖案（圖4a，b）。采用上述步驟計算的各測震臺站S波振幅，并乘以距離的平方，以實現(xiàn)距離的歸一化。在此基礎上，以震中為圓心，方位角每5°劃分一個輻射扇面，將同扇面的振幅值平均后，并將各扇面的振幅進行歸一化處理，繪制測震臺站實際觀測的S波輻射圖（圖4c）。對比可見，NE－SW方向的振幅值明顯大一些，即臺站觀測資料與節(jié)面1（走向165°，圖4a）的S波輻射圖案更為匹配。

（5）進一步，依據(jù)雙力偶的單側破裂模型，計算雙力偶沿發(fā)震斷層走向構成的90°扇面中S波幅值（圖4c）。以165°為中線，逆時針展開45°形成2個扇面，計算2個扇面角度的平均歸一化幅值（表3）。方位角為120°～210°（紅色影區(qū)）平均歸一化幅值為0.351 5，略大于方位角為300°～30°（黃色影區(qū)）平均歸一化幅值0.347 0。從而確定發(fā)震斷層為NW向左旋走滑型，以雙向破裂為主，略有向SE向破裂趨勢。

需要指出的是，地震的具體破裂方向角度與破裂尺度需要根據(jù)震源機制解和實際斷層勘測等資料綜合確定，本文計算只能給出定性結果。

3　結論與討論

通過魯?shù)?.5級地震的強震觀測和測震波形的數(shù)據(jù)計算，并結合震源機制解結果推斷發(fā)震斷層為NW向左旋走滑型，以雙向破裂為主，略有向SE方向破裂的趨勢。

依據(jù)地震臺站觀測與計算結果，針對魯?shù)?.5級地震的具體討論分析有以下幾點：

（1）根據(jù)峰值加速度衰減關系與此次地震的強震觀測數(shù)據(jù)所計算的三分量峰值加速度分布圖，推斷沿NW向衰減較慢的為發(fā)震斷層節(jié)面。同時，水平方向的峰值加速度分布圖與三分量合成的峰值加速度分布圖接近，說明水平分量占據(jù)主要部分。另外，盡管貴州省缺少強震動臺站分布，對插值結果會造成一定影響，但是不足以影響本文對發(fā)震斷層方向的判斷。

（2）需要指出的是，地震臺站記錄是速度記錄，非地震的靜態(tài)位移。但真實地震位移精確記錄是很困難的，地震學觀測大多采用速度記錄替代位移記錄，如震級計算。靜態(tài)位移分布與觀測點最大速度分布具有可類比性。魯?shù)榈卣鹁€源破裂比較明顯，震源可近似看作由多個雙力偶源沿發(fā)震斷層方向構成的單力偶震源，所提取的S波振幅，其輻射圖案表現(xiàn)為沿斷層走向S波振幅較小，匹配NW走向斷層的單力偶源S波輻射圖案。

（3）測震數(shù)據(jù)S波幅值歸一化計算結果與震源機制解參數(shù)結合，推斷發(fā)震斷層為NW向左旋走滑型。由于SE向幅值與NW向幅值差異不大，以雙向破裂為主，其略有向SE方向破裂趨勢的結果僅為初步估計，具體的破裂過程還需要其他方法做出精細論證。

（4）地震現(xiàn)場災害調查工作顯示，震區(qū)最高烈度為Ⅸ度，等震線長軸總體呈NNW走向，Ⅵ度及以上區(qū)域總面積約為10 350km2（圖5）。與本文方法判斷魯?shù)?.5級地震發(fā)震斷層為NW向的結果吻合，地震災害分布印證了本文結果的可靠性。

表3　臺站歸一化幅值Table 3　The normalized amplitudes of seismic stations

本文采用資料均為主震在測震臺與強震動臺的原始觀測記錄，分析方法也較為簡便。理論上，可在主震后開展計算分析工作，產(chǎn)出判斷結果，時效性強，為地震災害快速評估與應急輔助決策提供必要信息。同時，測震資料與強震動資料互相驗證，使其成為一種可行的發(fā)震斷層方向的分析方法。

圖5　魯?shù)?.5級地震現(xiàn)場調查點分布圖Fig．5　The distribution map of Ludian M6.5 earthquake survey spots．

致謝感謝國家強震動臺網(wǎng)中心提供了魯?shù)榈卣鸬膹娬饎訑?shù)據(jù)，感謝中國地震臺網(wǎng)中心提供了臺站波形數(shù)據(jù)。

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Abstract

Ludian M6.5 earthquake on August 3，2014 occurred in Ludian country，Zhaotong City，Yunnan Province．The epicenter is located at longitude 103.3°E and latitude 27.1°N with focal depth of 12km．Macro epicenter is located in Longtoushan Town，Ludian Country．The seismogenic fault is the NW-striking Baogunao-Xiaohe Fault，which is a second-order strike-slip fault of the NE-striking Zhaotong-Ludian Fault system．In this paper，we use observation records of 50 strong motion stations in the Ludian earthquake to calculate the distributions of peak ground acceleration and horizontal peak ground acceleration．According to the records，we find that the strong motion records decay slowly along the northwestern direction，thus we infer that the seismogenic fault is in NW direction．Meanwhile，the horizontal peak acceleration distribution map is similar with the synthetic three-component peak acceleration distribution map，which illustrates the horizontal component is the main part．Normalized S－wave radiation patterns are drawn using the observation records of 135 seismic stations．In contrast to single couple source radiation pattern，we infer that the seismogenic fault is in NW direction．The amplitude in the southeast direction is slightly larger than the amplitude in the northwest and the difference is not big，showing that the rupture trends slightly to the southeast．The above results show that，the conclusion of Ludian M6.5 earthquake rupture along the northwest direction is in consistency with the observation results of the strong motion stations and the seismic stations．In addition，the distribution of earthquake disaster also supports this conclusion．

A STUDY ON DIRECTION OF THE SEISMOGENIC FAULT OF LUDIAN M6.5 EARTHQUAKE BASED ON STRONG MOTION AND SEISMOGRAPHIC DATA

FENG Wei1，2）LIU Jie1）LUO Jia-hong3）HOU Jian-sheng4）XU Wan-zhen2）
1）China Earthquake Networks Center，Beijing100045，China
2）Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing100036，China
3）Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
4）China Earthquake Administration，Beijing100036，China

Ludian M6.5 earthquake，rupture direction，peak ground acceleration，radiation amplitude pattern of S－wave

P315

A文獻標識碼：0253－4967（2015）01－0331－11

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．026

馮蔚，男，1985年生，2008年畢業(yè)于長安大學地球物理學專業(yè)，工程師，目前主要從事地震信號處理分析、地震災害評估與應急，電話：010－59959410，E－mail：fengwei＠seis．a(chǎn)c．cn。

2014－09－17收稿，2015－01－23改回。

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAK19B02）和中國地震局“云南魯?shù)?.5級地震專題研究”項目共同資助。

劉杰，研究員，E－mail：liujie＠seis．a(chǎn)c．cn。