劉琦， 聞學(xué)澤， 邵志剛

1 中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室， 北京　100029　2 中國地震局地震預(yù)測重點實驗室(中國地震局地震預(yù)測研究所)， 北京　100036

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基于GPS、水準和強震動觀測資料聯(lián)合反演2013年蘆山7.0級地震同震滑動分布

劉琦1,2， 聞學(xué)澤1， 邵志剛2

1 中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室， 北京1000292 中國地震局地震預(yù)測重點實驗室(中國地震局地震預(yù)測研究所)， 北京100036

摘要為了更好理解2013年四川蘆山MS7.0級地震的發(fā)生過程及其與發(fā)震構(gòu)造和地表多種觀測資料的動力學(xué)關(guān)聯(lián)，本文綜合重新定位的余震分布與地質(zhì)、地球物理信息構(gòu)建3D發(fā)震構(gòu)造模型，采用水平層狀介質(zhì)模型，并以震區(qū)GPS、水準、強震動等同震位移/形變觀測資料為約束，聯(lián)合反演了蘆山主震的同震滑動分布.其中，斷層解譯結(jié)果表明震源區(qū)包含5條相關(guān)斷層F1—F5，通過對所有可能的斷層組合模型進行反演分析，顯示采用F1+F3+F4+F5的組合模型反演效果相對最好，是最可能的發(fā)震斷層模型.反演得到的蘆山主震矩震級為MW6.5，其中同震滑動主要分布在NW傾的主斷層F1的斷坡周圍，最大值為0.86 m，滑動角92.88°，純逆沖型；F1上方反傾的次級斷層F3上最大滑動量為0.37 m，滑動角119.92°，表現(xiàn)出以逆沖為主兼右滑的斜向反沖作用；而沿另一條反傾的次級斷層F4的最大滑動量為0.40 m，滑動角97.98°，幾乎為純逆沖作用.此外，震區(qū)還存在一個NW緩傾深度為5～8 km的淺部滑脫面F5，它分隔了淺部沉積蓋層與深部變質(zhì)基底，限制了其下方F1、F3及F4等斷層的同震破裂繼續(xù)向更淺部擴展.主震時深部F1和F3斷層夾持的沖起構(gòu)造發(fā)生了上沖運動，除了使淺層和地表產(chǎn)生響應(yīng)運動及變形外，還引起沖起構(gòu)造頂面即F5底面的NE段和SW段分別產(chǎn)生了NE和SWW向調(diào)節(jié)滑動，最大值0.25 m.總之，基于文中構(gòu)建的F1+F3+F4+F5的發(fā)震斷層模型，反演結(jié)果能很好擬合地表多種觀測資料，還能解釋地表GPS觀測的同震“左旋”運動與地震學(xué)觀測的震源斷層逆沖運動的“不協(xié)調(diào)性”.

關(guān)鍵詞蘆山地震； 3D發(fā)震構(gòu)造模型； 水平層狀介質(zhì)模型； 同震滑動； 聯(lián)合反演

1引言

2013年4月20日在龍門山斷裂帶南段發(fā)生了逆沖型的四川蘆山MS7.0級地震.震后的現(xiàn)場應(yīng)急科考及高分辨率遙感影像解譯等，均沒有在蘆山震區(qū)主要斷層附近發(fā)現(xiàn)構(gòu)造成因的地震地表破裂帶(徐錫偉等，2013；李傳友等，2013；張岳橋等，2013)，而相關(guān)的探槽、淺層人工地震探測結(jié)果也反映了一些研究(韓竹軍等，2013)曾經(jīng)認為的蘆山“地震地表破裂跡象”其實并未向下延伸，進一步支持這次地震并沒有形成明顯的地震地表破裂(雷生學(xué)等，2014).此外，雖然不同研究機構(gòu)給出的該地震序列的余震重新定位結(jié)果略有差別，但均顯示余震主要集中在10～20 km的深度范圍內(nèi)，更淺部的余震稀少(陳晨和胥頤，2013；房立華等，2013；呂堅等，2013；蘇金蓉等，2013；趙博等，2013；Han et al., 2014; Long et al., 2015).而基于波形數(shù)據(jù)的地震學(xué)反演結(jié)果表明蘆山主震時震源斷層以逆沖滑動為主，兼有一定右旋走滑分量，但在斷層淺部沒有顯著的同震滑移分布(Hao et al., 2013; 劉成利等，2013；王衛(wèi)民等，2013；張勇等，2013；趙翠萍等，2013；Zhang et al., 2014).因此綜合地表地質(zhì)調(diào)查、余震定位、破裂過程反演等結(jié)果推斷蘆山地震可能是一次盲逆斷層的錯動事件(徐錫偉等，2013；Long et al., 2015).

針對蘆山MS7.0級地震的同震滑動與破裂方式，一些學(xué)者分別以震區(qū)地表的GPS、InSAR、強震動等觀測資料為約束開展了相關(guān)反演研究(Jiang et al., 2014; 劉云華等，2014；金明培等，2014)，部分結(jié)果顯示主震時發(fā)震斷層的滑動是以逆沖為主，兼有顯著左旋走滑分量(Jiang et al., 2014; 劉云華等，2014)，這與利用地震學(xué)資料與方法的反演結(jié)果及認識有所不同(Hao et al., 2013; 劉成利等，2013；王衛(wèi)民等，2013；張勇等，2013；趙翠萍等，2013；Zhang et al., 2014).因此，有必要利用更多的觀測資料，尤其是近場的多學(xué)科觀測資料進行聯(lián)合約束，探尋出現(xiàn)上述差異的原因.此外，發(fā)震斷層的構(gòu)造模型對于反演結(jié)果可能有較大影響，但已有的針對蘆山地震破裂過程、同震滑動的反演研究大多采用了過于簡化的斷層模型——具有固定傾角的單一傾斜面(Hao et al., 2013; 劉成利等，2013；王衛(wèi)民等，2013；張勇等，2013；趙翠萍等，2013；Zhang et al., 2014; Jiang et al., 2014; 劉云華等，2014)，或者假設(shè)斷層傾角隨深度線性漸變(金明培等，2014)，傾角的選取則主要依據(jù)地表地質(zhì)信息或者通過數(shù)據(jù)擬合來搜索最優(yōu)角度.然而，重新定位的余震分布已初步揭示蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造可能更為復(fù)雜，可能包含多條同向及反向的斷層(徐錫偉等，2013；陳晨和胥頤，2013；房立華等，2013；呂堅等，2013；蘇金蓉等，2013；趙博等，2013；Han et al., 2014; Long et al., 2015).鑒于反演問題存在的多解性，利用更多信息進行參考限定，構(gòu)建更加接近實際的斷層模型，是能否反演出更加合理的同震滑動與破裂方式的關(guān)鍵.

本文借助對蘆山地震序列的高精度重新定位結(jié)果，結(jié)合震區(qū)的地質(zhì)與地球物理信息進行綜合分析，構(gòu)建三維發(fā)震構(gòu)造模型；在此基礎(chǔ)上采用水平層狀彈性介質(zhì)模型，并以震區(qū)近場的GPS、水準及強震動等多種地表觀測資料作為約束，聯(lián)合反演蘆山主震的同震滑動分布，進而分析討論該地震的發(fā)生與發(fā)震構(gòu)造和地表多種觀測之間的動力學(xué)關(guān)聯(lián).

2地表觀測數(shù)據(jù)

本文使用的地表同震位移/形變觀測數(shù)據(jù)主要為GPS、強震動、水準觀測三類(圖1a).其中，蘆山震中200 km以內(nèi)有33個連續(xù)GPS站，包括中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)項目(簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))、四川省地震局區(qū)域網(wǎng)以及中國地震局地震預(yù)測研究所在蘆山震區(qū)及其附近布設(shè)的小臺陣.已有學(xué)者利用這些連續(xù)GPS臺站的觀測數(shù)據(jù)解算出蘆山主震的同震位移(武艷強等，2013；Jiang et al., 2014)，本文直接利用這些解算結(jié)果.考慮到蘆山震區(qū)的近場(余震區(qū)及其附近)僅有4個連續(xù)GPS臺站，可能難以對反演過程進行很好約束，我們補充了震中距60 km范圍內(nèi)13個強震臺站的觀測資料，使用其中已經(jīng)過基線校正的三分量共38個同震位移數(shù)據(jù)(51QLY臺垂向結(jié)果不可靠，未使用)(金明培等，2014).另外，2008年汶川MS8.0級地震之后，四川省測繪局于2010年4—11月對龍門山斷裂帶南段地區(qū)進行了二等水準復(fù)測，蘆山地震之后，中國地震局第二監(jiān)測中心于2013年6—7月對穿越該震區(qū)的雅安—寶興測線進行了一等精密水準復(fù)測.相關(guān)研究已利用這兩期水準觀測，扣除震間影響，計算得到蘆山地震的同震垂向位移(郝明等，2014).將蘆山余震區(qū)及其附近多個測點的水準觀測結(jié)果納入本文的研究，使我們能夠?qū)μJ山地震發(fā)震斷層的同震垂向運動反演進行很好約束.

3三維斷層模型的構(gòu)建

已有研究大多將2013年蘆山MS7.0地震的發(fā)震斷層簡化為單一的傾斜面(Hao et al., 2013; 劉成利等，2013；王衛(wèi)民等，2013；張勇等，2013；趙翠萍等，2013；Zhang et al., 2014; Jiang et al., 2014; 劉云華等，2014)，但重新定位的余震分布及發(fā)震構(gòu)造研究已表明實際的發(fā)震斷層結(jié)構(gòu)可能更加復(fù)雜(徐錫偉等，2013；Long et al., 2015)，對發(fā)震斷層過于簡化的處理會對同震滑動反演結(jié)果的可靠性以及對破裂過程與機理的解釋產(chǎn)生較大影響.相比于其他地球物理探測方法，由高精度重新定位的余震3D分布，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)與地球物理信息來刻畫震源斷層的結(jié)構(gòu)，是目前國際同類研究中效果最好、被選用較多的一種方法(Shaw and Shearer, 1999; Boncio et al.,2004; Lutter et al., 2004; Plesch et al., 2007).為此，我們利用蘆山地震序列重新定位的最新結(jié)果(Long et al., 2015)，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)與地球物理信息(Jia et al., 2006; Burchfiel et al., 2008; 雷興林等，2013；詹艷等，2013；Li et al., 2014; Wang et al., 2014; Liu et al., 2015)進行綜合分析，構(gòu)建用于本文同震滑動反演的蘆山地震的三維斷層模型.其中，Long等(2015)已發(fā)表的蘆山序列的重新定位結(jié)果，由于采用了多方法、分階段聯(lián)合定位技術(shù)，通過修正數(shù)據(jù)與速度模型，以及在不同階段反復(fù)迭代等途徑有效提高了定位精度(定位誤差僅數(shù)百米)，是目前為止針對蘆山地震序列重新定位精度最高的結(jié)果之一，采用這一結(jié)果使得本研究能夠更細致分析蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造.

余震分布范圍通常可以作為主震破裂區(qū)范圍的上限(Wells and Coppersmith, 1994).因此，由圖1b可以推斷蘆山主震的破裂長度不超過36 km.我們沿余震區(qū)長軸走向等間距劃分了A-A′—H-H′共8個垂直于長軸走向的剖面線，取每一剖面線兩側(cè)各4 km寬的范圍進行震源深度投影，相鄰剖面的投影區(qū)域相互重疊4 km(圖1b)，然后分析各剖面上的震源深度分布并參考相鄰剖面的分布情況進行斷層解釋，結(jié)果如圖2a—2h.從中看到：震區(qū)存在兩條NW傾的主斷層F1和F2，深度范圍8～17 km，傾角由淺部約55°隨深度逐漸減小，最終匯聚于約17 km深的近水平基底滑脫帶上，而重新定位的蘆山主震震源位于斷層F1的斷坡(ramp)的中下部.此外，據(jù)斷層F2上盤的余震分布還可以識別出兩條SE傾的反傾斷層F3和F4(圖2c—2e，圖2f—2h).其中，F(xiàn)3長8～16 km，傾角約53°，而F4長8～14 km，傾角60°左右，兩條斷層的傾角隨深度變化不大.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的相關(guān)理論表明，在逆沖褶皺構(gòu)造的發(fā)展過程中，其除了會朝推覆方向形成一系列疊瓦狀的、向下匯聚于基底滑脫面的主要逆沖斷層外，也往往會在這些斷層的斷坡上形成一些反傾的次級逆斷層，即反沖斷層(back-thrust)(Boyer and Elliott, 1982; Cooley et al., 2011).而相關(guān)研究也表明龍門山斷裂帶南段具有典型的疊瓦狀逆沖構(gòu)造的發(fā)育特征(李勇等，2013；王偉鋒等，2014).因此，我們在圖2a—2h中對蘆山震區(qū)斷層系統(tǒng)的解釋結(jié)果在理論上是合理有據(jù)的.

圖1　用于反演計算的觀測站(點)的分布(a)以及重新定位的蘆山地震序列分布(b)圖(a)中的紫色方框表示圖(b)的位置與范圍，圖(b)中重新定位的蘆山地震序列分布據(jù)Long等(2015).Fig.1　Distribution of the observation stations included in the inversion process (a) and the relocated hypocenters of the Lushan earthquake sequence (b)The purple box in Fig.1a represents the location and range of the Fig.1b, the relocated hypocenters of the Lushan earthquake sequence in Fig.1b is from Long et al.(2015).

圖2　(a)—(h)橫跨蘆山震區(qū)8個剖面的震源深度分布及斷層解釋；(i)本研究構(gòu)建的蘆山震區(qū)的三維斷層模型.剖面線位置見圖1b，F(xiàn)1—F5為斷層編號.重新定位目錄來自Long等(2015)Fig.2　(a)—(h) The hypocentral distribution and the fault interpretation of 8 profiles across the aftershocks zone of the Lushan earthquake. (i) The 3D seismogenic fault model we constructed for the Lushan earthquake. The layout of profile lines is shown in Fig.1b, F1—F5 indicate numbers of the faults. The data of the relocated hypocenters are from Long et al. (2015)

此外，我們注意到蘆山震區(qū)絕大多數(shù)余震都位于深度8 km以下的前述4條斷層區(qū)域內(nèi)，而8 km以上深度的余震很少(圖2a—2h)，這說明橫跨蘆山震區(qū)似乎存在一個由NW側(cè)8～9 km深漸變到SE側(cè)5～6 km深的界面F5，它將震區(qū)分隔成淺層和下層兩個部分，下層的斷層和余震受此界面的限制，沒有進一步向上擴展.相關(guān)地質(zhì)調(diào)查與地球物理勘探信息已證實，在橫穿蘆山震區(qū)的龍門山斷裂帶南段確實存在一個向NW緩傾、深度由NW側(cè)8 km漸變到SE側(cè)5 km左右的淺部滑脫面，它分隔了淺層的中新生界沉積蓋層與下層的變質(zhì)基底(Jia et al., 2006; Burchfiel et al., 2008; 詹艷等，2013；徐錫偉等，2013; Long et al., 2015).由此看來，蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造確實是位于淺部滑脫面F5之下的、由F1-F4組成的隱伏逆沖斷層系統(tǒng)，即盲沖斷層系統(tǒng)(徐錫偉等，2013)，而F5界面之上的少量余震則可能是淺部斷層受主震破裂影響而觸發(fā)的(Long et al., 2015).

綜上，我們將圖2a—2h剖面的斷層解譯結(jié)果進行綜合，通過插值和平滑處理得到蘆山震區(qū)的三維斷層模型(圖2i)，并用于下一節(jié)的同震滑動分布反演.該模型包括通過主震震源的NW傾主斷層F1及其連接的基底滑脫帶部分，F(xiàn)1上方NW傾的斷層F2，F(xiàn)2上方兩條反傾斷層F3和F4，以及淺層滑脫面F5.其中, F1—F4的斷層走向總體上平行，僅在局部存在一定差異.如前所述，圖2的斷層模型確定是以重新定位的余震分布為主，結(jié)合了相應(yīng)地質(zhì)與地球物理信息，因此結(jié)果是可靠的.

4同震滑動分布反演

本文采用基于約束條件下最小二乘原理及最速下降法的反演方法(Wang et al., 2009)，根據(jù)圖2i的斷層模型對2013年蘆山MS7.0主震的同震滑動分布進行反演.該反演方法在發(fā)展更新過程中已得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛使用和認可(Wang et al., 2009, 2013; Xu et al., 2010a; Diao et al., 2011; Zhang et al., 2011)，它在反演過程中同時考慮數(shù)據(jù)擬合程度以及斷層面上滑動或應(yīng)力降分布的平滑性，利用最速下降法搜索滿足目標函數(shù)最小的解(Wang et al., 2009)：

(1)

式中b表示每個子斷層面上的滑動量，y表示不同的觀測數(shù)據(jù)集，G表示聯(lián)系二者的格林函數(shù)，H表示拉普拉斯算子的有限差分近似表達式乘以與滑動量成正比的權(quán)重因子，τ表示與斷層面上滑動分布呈線性相關(guān)的剪切應(yīng)力降，α表示平滑因子.

在同震滑動分布的反演研究中，通常將地殼簡化為彈性半無限空間均勻介質(zhì)(Okada, 1992).但由于這種簡化的介質(zhì)模型與實際差異較大，會在一定程度上降低反演結(jié)果的可靠性.而我們使用的反演方法可以將地殼處理為層狀介質(zhì)模型，相對更接近于實際，因此可提升反演結(jié)果的整體可靠性.發(fā)生蘆山地震的龍門山斷裂帶南段處于青藏高原和四川盆地的過渡地帶，地殼上地幔介質(zhì)結(jié)構(gòu)同時受兩側(cè)塊體的影響(Wang et al., 2007; Xu et al., 2010b; 王小龍等，2013；鄭勇等，2013).考慮到逆沖型地震主要以上盤的變形為主，受上盤介質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響更大，因此我們主要依據(jù)龍門山斷裂帶北西側(cè)(上盤)區(qū)域已有的P波、S波速度以及密度等研究成果(Wang et al., 2007; Xu et al., 2010b)構(gòu)建反演用的層狀介質(zhì)模型(表1).

不同類型觀測資料在本文反演中的權(quán)重采用了計算程序中的設(shè)定，即整體相對權(quán)重為1，而權(quán)重的分配考慮了各類觀測具體數(shù)據(jù)的誤差，誤差越大的數(shù)據(jù)對應(yīng)的權(quán)重越低.

平滑因子α的選取會對反演的同震滑動分布產(chǎn)生顯著影響，實際反演計算時一般利用粗糙度和擬合殘差的折中曲線來選擇，基本能兼顧二者的平滑因子(圖3a).

表1　反演采用的分層殼幔結(jié)構(gòu)模型

為了了解和驗證本文所構(gòu)建的三維斷層模型(圖2i)中哪些斷層參與了蘆山主震的同震破裂過程，我們將該斷層模型離散成一系列2 km×2 km的子斷層片，利用離散后5條斷層的不同組合分別進行同震滑動反演，嘗試從中找出最合理、且能最佳擬合地表多種同震位移觀測的斷層組合.

5反演結(jié)果與討論

5.1反演結(jié)果分析

我們嘗試了利用圖2中5條斷層所有可能的組合模型進行反演，發(fā)現(xiàn)以F1+F3+F4+F5作為發(fā)震斷層模型得到的模擬值與地表實際觀測資料的擬合效果最優(yōu)，擬合殘差更集中，且殘差大的奇異點相對較少(圖3a—3h).另外我們發(fā)現(xiàn)，所有不包含淺部滑脫面F5的發(fā)震斷層組合模型，其在F1斷層面上的反演結(jié)果存在一定的不合理性.以F1+F3的簡化組合模型為例，其反演結(jié)果揭示的F1和F3斷層的同震運動方式盡管與F1+F3+F4+F5斷層模型反演結(jié)果對應(yīng)斷層的同震運動方式基本一致，但在簡化斷層模型F1+F3的結(jié)果中，沿F1斷層淺部的同震滑移量非常大，且滑移極值區(qū)在淺部向NE側(cè)有所遷移(圖4)，說明在F1+F3簡化斷層模型的情況下，沿F1的同震破裂理應(yīng)繼續(xù)朝地表擴展.然而，這與余震主要分布于F5之下以及與主斷層F1終止于淺部滑脫面F5之下的震區(qū)構(gòu)造特征不符(圖2).此外，所有包含與主斷層同傾向斷層F2的發(fā)震斷層組合模型，其反演結(jié)果同樣存在一定的不合理性.以F1+F2的簡化組合模型為例，其反演結(jié)果顯示同震滑動都分布在次級斷層F2之上，而主斷層F1之上則幾乎沒有滑動(圖5).這顯然與蘆山主震震源位于主斷層F1之上且較大震級的余震主要分布在F1斷面周圍及F1和F2之間的觀測現(xiàn)象相違背(圖2).而基于地震波譜的反演表明：蘆山地震的震源過程反映在第一次較大的破裂釋放事件之后還有幾次明顯的但規(guī)模稍小的破裂釋放事件(劉成利等，2013；張勇等，2013；趙翠萍等，2013；Zhang et al., 2014)，而這些較小的事件有可能對應(yīng)了次級斷層F3、F4等的同震錯動.因此，綜合上述分析我們認為主斷層F1、反傾斷層F3和F4以及淺部滑脫面F5可能參與了蘆山主震的同震破裂過程，即由F1+F3+F4+F5的斷層組合模型得到的同震滑動分布結(jié)果是最有可能的.

圖3　(a) 相對擬合殘差與粗糙度折中曲線，圓點旁的數(shù)字為對應(yīng)平滑因子，灰色、紫色、紅色點分別對應(yīng)F1+F3、F1+F2和F1+F3+F4+F5斷層模型，青色、棕色、綠色點對應(yīng)各自最優(yōu)平滑因子； (b)—(h) 三個斷層模型反演的擬合殘差分布，灰色、紫色、紅色分別為F1+F3、F1+F2和F1+F3+F4+F5模型，平滑因子分別取0.26、0.26和0.16Fig.3　(a) The trade-off curves of relative fitting residual and roughness, the numbers next to the points represent the smoothing factors, the grey, purple and red dots correspond to F1+F3 fault model, F1+F2 fault model and F1+F3+F4+F5 fault model, and the cyan, brown and green dots correspond to the best smoothing factors, respectively. (b)—(h) demonstrate the fitting residual distribution of inversion model, the grey and purple bars present the result of F1+F3 fault model and F1+F2 fault model respectively with smoothing factor of 0.26, while the red bars present the result of F1+F3+F4+F5 fault model with smoothing factor of 0.16

圖4　F1+F3斷層模型的反演結(jié)果，(a)和(b)分別為反演的F3、F1斷層面的同震滑動分布. 黑色箭頭表示子斷層片上盤相對下盤的同震滑動矢量.圖b中的白色圓點表示Long等(2015)重新定位的蘆山主震震源Fig.4　The inverted coseismic slips on fault surfaces F3 (a) and F1 (b) from the fault model F1+F3. The black arrows denote the coseismic slip vectors of the hanging wall relative to the foot wall. The white point in (b) indicates the relocated hypocenter of the Lushan mainshock from Long et al. (2015)

由復(fù)雜斷層模型F1+F3+F4+F5的反演結(jié)果可見，主斷層F1上的同震滑動最為顯著，最大滑動量0.86 m位于F1斷坡上30.26°N，102.99°E，深度11.49 km的子斷層片上，滑動角為92.88°(圖6d—6e).

圖5　F1+F2斷層模型的反演結(jié)果，(a)和(b)分別為反演的F2、F1斷層面的同震滑動分布. 黑色箭頭表示子斷層片上盤相對下盤的同震滑動矢量.圖b中的白色圓點表示Long等(2015)重新定位的蘆山主震震源Fig.5　The inverted coseismic slips on fault surfaces F2 (a) and F1 (b) from the fault model F1+F2. The black arrows denote the coseismic slip vectors of the hanging wall relative to the foot wall. The white point in (b) indicates the relocated hypocenter of the Lushan mainshock from Long et al. (2015)

圖6　F1+F3+F4+F5斷層模型的反演結(jié)果(a)—(d)各斷層面同震滑動反演結(jié)果; (e) 整個斷層模型的同震滑動反演結(jié)果. 黑色和黃色箭頭用不同比例表示子斷層片上盤相對下盤的同震滑動矢量.圖d中的白色圓點表示Long等(2015)重新定位的蘆山主震的震源點.Fig.6　The inversion results from the fault model F1+F3+F4+F5 (a)—(d) The inversion results of coseismic slip on each fault surface; (e) The inversion results of coseismic slip of the whole fault model. The black and yellow arrows denote the coseismic slip vectors of the hanging wall relative to the foot wall using different scales, respectively. The white point in Fig.6d demonstrates the location of the relocated hypocenter of Lushan mainshock from Long et al. (2015).

該子斷層片位于Long等(2015)重新定位的主震震源點上方，且與一些研究機構(gòu)得到的主震矩心深度基本一致(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/fm/neic_b000gcdd_wmt.php;曾祥方等，2013；Han et al., 2014).在F1的斷坡上，同震滑動以上述位置為中心向四周逐漸衰減，平均滑動量為0.19 m(底部滑脫帶也參與了平均)，平均滑動角為98.03°(圖6d—6e).因此，我們反演主震時沿F1斷層的同震滑動幾乎是純逆沖的，與該主震震源機制解的大多數(shù)結(jié)果完全一致(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/fm/neic_b000gcdd_wmt.php; http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/fm/neic_b000gcdd_fmt.php; 杜方等，2013；林向東等，2013；劉杰等，2013；呂堅等，2013；曾祥方等，2013；趙博等，2013；Han et al., 2014; Long et al., 2015).

反演得到沿兩個反傾斷層F3和F4的同震滑動基本相當(dāng).其中，F(xiàn)3上的滑動主要分布在該斷層NE段的中底部以及SW段的中上部，最大滑動量0.37 m位于N30.17°，E102.79°，深度10.89 km的子斷層片上，滑動角為119.92°，平均滑動量0.20 m，平均滑動角117.23°.因此，反傾斷層F3的同震滑動也是以逆沖為主，且伴有少量右滑分量(圖6c, 6e).F4上的滑動則相對集中于該斷層中段—NE段的中底部，最大滑動量0.40 m位于N30.29°，E102.95°，深度13.67 km的子斷層片上，滑動角為97.98°，平均滑動量0.17 m，平均滑動角94.20°.因此，反傾斷層F4的滑動基本為純逆沖型(圖6b,6e).在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)上，逆沖斷層和反沖斷層常會伴有次要的、不等量的走滑運動分量(Boyer and Elliott, 1982; Cooley et al., 2011).因此，上述反演得到F1、F3和F4斷層以逆沖運動為主、F3還伴有一定右滑分量的現(xiàn)象是符合構(gòu)造地質(zhì)學(xué)原理的.

F5作為當(dāng)?shù)氐臏\部滑脫面，其長期運動主要是調(diào)節(jié)深、淺部構(gòu)造層運動的累積差異(由不同位置、不同時間的局部運動造成的累積差異).蘆山7.0級地震主破裂發(fā)生在F5滑脫面下方的一個局部，因此F5斷層面上的反演結(jié)果主要反映的是F5對下方局部的沖起構(gòu)造(F1與F3之間)的同震運動的響應(yīng)，最大滑動量為0.25 m，平均滑動量0.10 m，這種響應(yīng)幅度相比下方其他斷層的主動錯動來說要小很多.由于受F1、F3的圍限以及淺部構(gòu)造層F5的阻擋，沖起構(gòu)造整體上沖運動所引起的F5界面下方的水平響應(yīng)主要表現(xiàn)為沿F5走向兩端(NE向和SWW向)的少量擴散運動(圖6a, 6e).類似于一管兩端都開口的牙膏受到擠壓，由于周圍都被圍限，牙膏容易從兩端的開口朝相反的方向被擠出.當(dāng)然，由于地殼介質(zhì)的黏滯系數(shù)要大很多，沿F5底面的這種不同方向的響應(yīng)性調(diào)節(jié)運動幅度要小得多，而且反演結(jié)果反映的是蘆山地震同震引起的局部位置、特定時間的運動，因此可能與F5滑脫面上長期的累積運動特征不完全一致.

另外，基于F1+F3+F4+F5的斷層模型，本研究反演得到蘆山主震的矩震級為MW6.5，這與InSAR反演、USGS體波矩張量反演及部分地震波形反演獲得的矩震級基本一致(劉云華等，2014；http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/fm/neic_b000gcdd_fmt.php; 林向東等，2013；趙博等，2013).

5.2討論

本文的反演表明：2013年四川蘆山MS7.0級地震孕育并發(fā)生于震區(qū)基底由多條主要斷層組成的隱伏逆沖斷裂(或盲沖斷裂)系統(tǒng)(圖2).主震時該系統(tǒng)的NW傾主斷層F1以及SE傾的次級反沖斷層F3與F4分別發(fā)生主、次量值的逆沖運動，造成它們之間的倒三角形沖起構(gòu)造產(chǎn)生隆升運動(圖6b—6e).由于淺部構(gòu)造層及其滑脫面F5的存在，沿F1、F3及F4等斷層的同震逆沖破裂/錯動雖無法繼續(xù)向淺表擴展，但沖起構(gòu)造的同震隆升導(dǎo)致F5界面上方的淺部構(gòu)造層經(jīng)受垂向擠壓，引起一定量的位移與變形并傳至地表.在這一過程中，F(xiàn)5界面對深、淺部構(gòu)造層之間同震運動/變形的差異進行調(diào)節(jié)，表現(xiàn)為沿緩傾角但有起伏的F5界面底部其NE和SW段分別產(chǎn)生了NE和SWW向的水平擴散滑動(圖6a,6e).

根據(jù)本文反演結(jié)果以及上述的分析討論，我們將蘆山地震的同震滑動/變形過程概括為圖7的模式，它可以很好解釋為什么在蘆山震區(qū)的地表沒有產(chǎn)生明顯的構(gòu)造型地表破裂帶(徐錫偉等，2013；李傳友等，2013；張岳橋等，2013；雷生學(xué)等，2014)，但GPS、強震觀測和水準測量卻能觀測到顯著的同震地表位移與形變(武艷強等，2013；Jiang et al., 2014; 金明培等，2014；郝明等，2014).另外，由圖7的模式還可認識到：由于蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造是相對復(fù)雜的基底盲沖斷裂系統(tǒng)，且由于F5界面的存在以及它對基底與蓋層之間同震運動/變形差異的調(diào)節(jié)作用，使得在震區(qū)地表通過GPS、強震觀測及水準測量等得到的同震位移與形變并非是震源斷層同震滑動的直接表現(xiàn)，而是經(jīng)過“轉(zhuǎn)換”的間接位移與變形.因此，GPS觀測顯示的蘆山地震時地表沿NE向斷層出現(xiàn)“同震左旋”運動(武艷強等，2013；Jiang et al., 2014)可能僅僅是一種“表象”.換句話說，本文基于F1+F3+F4+F5斷層模型的反演結(jié)果(圖2，圖6)可在較大程度上解釋蘆山震區(qū)地表GPS觀測的同震“左旋”走滑運動(武艷強等，2013；Jiang et al., 2014)與地震學(xué)觀測的震源斷層幾乎純逆沖運動(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/fm/neic_b000gcdd_wmt.php; http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/fm/neic_b000gcdd_fmt.php; 杜方等，2013；林向東等，2013；劉杰等，2013；呂堅等，2013；曾祥方等，2013；趙博等，2013；Han et al., 2014; Long et al., 2015)之間“矛盾”的原因.

圖7　蘆山7.0級地震的發(fā)震構(gòu)造與動力學(xué)模式示意圖斷層面上的箭頭示意相應(yīng)的同震運動方式.Fig.7　A schematic diagram of the seismogenic structure and dynamic model of the MS7.0 Lushan earthquake sArrows on faults surface denote corresponding coseismic kinematic pattern.

6結(jié)論

基于重新定位的余震分布，結(jié)合地質(zhì)及地球物理信息構(gòu)建3D發(fā)震構(gòu)造模型，同時采用GPS、水準、強震動三種地表觀測資料進行約束，使我們能對2013年4月20日四川蘆山MS7.0地震的同震滑動開展更細致的聯(lián)合反演.結(jié)果反映蘆山主震時龍門山斷裂帶南段盲沖斷裂系統(tǒng)中的多條斷層可能發(fā)生了不等量及不同方式的滑動.同震滑動主要分布在斷層F1的斷坡部分，F(xiàn)3和F4上也存在量級稍小的滑動.這3條斷層的滑動以逆沖為主，其中F3還兼有右滑分量.淺部滑脫面F5及其上淺部構(gòu)造層的存在限制了沿F1、F3及F4等斷層同震破裂繼續(xù)向上擴展，F(xiàn)5以擴散式的水平向滑動方式調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換來自下方3條斷層及沖起構(gòu)造的部分同震逆沖/隆升運動.同震運動的另一部分影響還穿過F5界面向上傳遞，造成淺部構(gòu)造層和地表的同震運動/變形響應(yīng).盡管沿F2斷層之上發(fā)生了很多小震級的余震，但主震發(fā)生在F1之上，且較大震級的余震主要分布在F1斷面周圍及F1和F2之間的區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)2斷層在地震發(fā)生時可能并未出現(xiàn)明顯的同震滑動.此外，本文模型反演的蘆山地震矩震級為MW6.5，與已有的一些研究結(jié)果基本一致.總之，基于我們構(gòu)建的F1+F3+F4+F5的蘆山地震發(fā)震斷層模型—復(fù)雜的基底盲沖斷裂系統(tǒng)—本文的反演結(jié)果能夠很好擬合三種地表同震位移/形變觀測資料，解釋這一MS7.0的地震為何未產(chǎn)生地表破裂，還能在一定程度上解釋地表GPS觀測的同震“左旋”運動表象與地震波觀測獲得的震源斷層純逆沖破裂之間的動力學(xué)關(guān)聯(lián)性.

致謝金明培、龍鋒高級工程師分別提供了強震儀同震位移及地震序列重新定位的數(shù)據(jù)；GPS、水準觀測的同震位移數(shù)據(jù)分別來自Jiang等(2014)和郝明等(2014)；兩位審稿專家提出很好的意見與建議，在此一并致謝.

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(本文編輯胡素芳)

基金項目中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項(2014IES010106)資助.

作者簡介劉琦，男，1985年生，在讀博士研究生，助理研究員，主要從事地殼形變與地震構(gòu)造相關(guān)研究.E-mail:liu-qi1985@hotmail.com

doi:10.6038/cjg20160617 中圖分類號P315

收稿日期2015-07-15，2016-02-25收修定稿

Joint inversion for coseismic slip of the 2013MS7.0 Lushan earthquake from GPS, leveling and strong motion observations

LIU Qi1,2, WEN Xue-Ze1, SHAO Zhi-Gang2

1StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics,InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100029,China2CEAKeyLaboratoryofEarthquakePrediction(InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration),Beijing100036,China

AbstractIn this paper, we inverted the coseismic slip distribution of the Lushan MS7.0 earthquake of April 20th, 2013, to further understand its generating process and the relationship with the seismogenic structure and various surface observation data. A 3D fault model was built by integrating the relocated aftershocks distribution and the information of geology and geophysics. Employing the horizontal layered crust-mantle model, we used the near-field deformation data such as GPS, leveling and strong motion records to constrain the inversion. Our interpretation result of fault geometry shows that there exist 5 relevant faults named F1 to F5. We tested all of the possible combination models of different faults and the inversion results indicated that the combination of faults F1, F3, F4 and F5 can fit the observation data best, and may be the most probable seismogenic fault model. The inverted geodetic moment of Lushan mainshock in our research is about MW6.5，and most of the coseismic slip are distributed around the ramp of fault F1, which is dipping to the NW, and the maximum value is 0.86 m, as a thrust faulting with the rake of 92.88°. The slip on fault F3, which is one of the back-thrust secondary faults located above fault F1, is dominated by thrust motion with a slight dextral component, of which maximum value is 0.37 m with the rake of 119.92°, while the slip on the other one named fault F4 is almost pure thrusting with the max value of 0.40 m and the rake of 97.98°. A shallow décollement named F5 in this paper is identified existing in the seismogenic zone at the depths of 5 to 8 km, dipping to the NW gently. It separates the shallower sedimentary cover from the deeper metamorphic basement, and prohibits the coseismic rupture of F1, F3 and F4 spreading to the shallower layer. When the mainshock occurred, the pop-up structure, which is a wedge-shape rock restricted by the faults F1 and F3, moved upward, leading to the responding movement and deformation of the shallower layer and ground surface, and also caused the layer under the NE and SW segments of fault F5 to slip to the NE and the SWW, respectively, with the maximum value of 0.25 m. In conclusion, the inversion result based on the combined seismogenic model of faults F1, F3, F4 and F5 in this paper can fit various kinds of the surface observation data very well, and also explain the “incompatibility” between the “sinistral” motion observed by GPS and the pure thrust faulting confirmed by seismological outcomes.

KeywordsLushan Earthquake; 3D seismogenic structure model; Horizontal layered medium model; Coseismic slip; Joint inversion

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