李春政 馬文濤 羅佳宏

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紫坪鋪水庫附近都江堰震群、小震震源機(jī)制解分析1

李春政 馬文濤 羅佳宏

（中國地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

2008年2—4月，位于汶川大震初始破裂點(diǎn)的紫坪鋪水庫附近發(fā)生了一系列的小震活動(dòng)，它們與汶川地震和紫坪鋪水庫小震的關(guān)系值得研究。本文采用CAP方法，反演了紫坪鋪水庫7個(gè)專用數(shù)字地震臺(tái)站的數(shù)據(jù)，得到震級(jí)大于L1.0的28個(gè)震源機(jī)制解。結(jié)果表明：有19個(gè)地震事件集中在紫坪鋪水庫東南方向的都江堰附近，最大地震為逆沖型，發(fā)震機(jī)制為逆沖型帶走滑分量，少量帶正斷層分量；從深度剖面看，地震震源深度主要集中分布在地下13km附近區(qū)域，都江堰震群叢集在前山斷裂帶上，其它地震散布在中央斷裂帶上；發(fā)震最大主壓應(yīng)力方向隨時(shí)間的變化具有從最大主壓應(yīng)力方向變化比較大到趨向一致的演化過程。這些現(xiàn)象說明龍門山斷裂帶在都江堰附近存在1個(gè)凸凹體，形成應(yīng)力集中點(diǎn)，引發(fā)都江堰震群活動(dòng)，由此迫使龍門山斷裂帶前山斷裂發(fā)生逆沖性活動(dòng)，從而加劇了龍門山斷裂帶中央斷裂的活動(dòng)，在一定程度上加速了汶川地震的發(fā)生。

CAP方法 震源機(jī)制解 紫坪鋪水庫小臺(tái)網(wǎng) 應(yīng)力場(chǎng) 都江堰震群

引言

相關(guān)研究表明2008年5月12日汶川8級(jí)地震是龍門山斷裂帶的中央斷裂帶重新活動(dòng)的結(jié)果（張培震等，2008；徐錫偉等，2008），從震源破裂機(jī)制上看，存在由逆斷層型向走滑型轉(zhuǎn)變的過程（王衛(wèi)民等，2008）。在研究中人們還發(fā)現(xiàn)汶川地震前，在位于大震初始破裂位置的紫坪鋪水庫附近發(fā)生了一系列密集的小震活動(dòng)（胡先明等，2010；盧顯等，2010；程萬正等，2010），分別稱之為水磨震群、深溪溝震群和都江堰震群（馬文濤等，2011），它們與汶川地震的關(guān)系值得研究。胡先明等（2009）利用PS垂直分量振幅比資料測(cè)定了紫坪鋪水庫區(qū)2004年8月至2007年12月間262次小震震源機(jī)制參數(shù)，得到了水庫蓄水使走滑斷層活動(dòng)增多和小震震源機(jī)制解節(jié)面優(yōu)勢(shì)方向與斷層走向展布一致的結(jié)論。張永久等（2010）運(yùn)用PS振幅比法計(jì)算了紫坪鋪水庫區(qū)及周邊486次大于L1.6地震的震源機(jī)制，得到了水庫水域范圍的地震活動(dòng)受到了紫坪鋪水庫蓄水的影響，而外圍稍遠(yuǎn)區(qū)域的斷層錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)和應(yīng)力場(chǎng)變化則反映了汶川8級(jí)地震前的增強(qiáng)信息結(jié)論。

特別是2008年2—4月期間，在位于汶川大震初始破裂點(diǎn)的都江堰附近發(fā)生了一系列的小震活動(dòng)，它們的震源機(jī)制及活動(dòng)性對(duì)于研究汶川8級(jí)地震的孕育、發(fā)生及發(fā)展過程至關(guān)重要。本文通過解剖一系列小震活動(dòng)的“時(shí)、空、強(qiáng)”和震源機(jī)制解特點(diǎn)，從力學(xué)機(jī)制上深刻理解大地震孕育、發(fā)生及發(fā)展過程。

1 震源機(jī)制解CAP方法原理

地震的震源機(jī)制解是指震源區(qū)在地震發(fā)生時(shí)的發(fā)震應(yīng)力、方向和斷層錯(cuò)動(dòng)方式的力學(xué)過程，是由地震產(chǎn)生并被許多測(cè)震臺(tái)站記錄到的地震波形分析結(jié)果，是所得到的地震斷層面及與該斷層面垂直的輔助面的參數(shù)、發(fā)震應(yīng)力場(chǎng)和其它有關(guān)參數(shù)的總和。由于地震的震源機(jī)制描述了震源的性質(zhì)及其破裂過程，因此及時(shí)確定地震的震源機(jī)制對(duì)于地震本身的研究、孕震機(jī)理的解釋及震后應(yīng)力分布的描述，具有十分重要的意義。

利用Zhao等（1994）等提出的CAP（Cut and Paste）方法，把波形記錄分割為P波部分（Pnl）和面波部分（Snl），分別賦予不同的權(quán)重，通過格點(diǎn)搜索的方法進(jìn)行地震震源機(jī)制的反演。CAP反演方法中設(shè)()是地震臺(tái)站記錄到的去除儀器響應(yīng)后的地震波形，()是相對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算出的波形，則有如下等式：

為此我們可以使用格點(diǎn)搜索法，搜索可能的震源深度、方位角、滑移角、傾角，同時(shí)給出誤差函數(shù)作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，從而得到最佳震源機(jī)制解。

在反演時(shí)使用的波形為近震波形，而近震波形受地殼橫向各向異性的影響較明顯。因此，越來越多的研究人員采用頻率-波數(shù)（-）方法（Zhu等，2002）來計(jì)算臺(tái)站各處的格林函數(shù)。另外，在波形反演過程中，反演結(jié)果容易受到波形中較強(qiáng)部分的影響。對(duì)P波部分（Pnl）和面波部分（Snl）的3分量共5部分（Pnl不存在切向分量）給定不同的權(quán)重進(jìn)行反演，可充分考慮各部分波形對(duì)反演結(jié)果的貢獻(xiàn)，如選擇格點(diǎn)搜索的方法，選取（3）式的誤差測(cè)量函數(shù)：

通過格點(diǎn)搜索方法在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)循環(huán)震源深度、方位角、傾角、滑移角，得到相對(duì)誤差最小時(shí)的震源機(jī)制解和震源深度。

CAP法應(yīng)用十分廣泛，呂堅(jiān)等（2008）使用CAP方法分析九江-瑞昌S5.7、S4.8地震震源機(jī)制，并得到主震和強(qiáng)余震發(fā)震構(gòu)造等有關(guān)結(jié)論；李鉑等（2016）使用CAP方法反演了乳山震群L3.0以上地震震源機(jī)制解，并推測(cè)出該區(qū)域存在一條或者多條隱伏斷裂；鄭培玲等（2017）使用CAP方法得到河南范縣L4.2地震震源機(jī)制，并得出此地震與聊蘭斷裂活動(dòng)有關(guān)的結(jié)論。近年來CAP方法不但應(yīng)用于中強(qiáng)地震，在中小地震中的應(yīng)用也越來越廣泛，呈現(xiàn)出在更小地震中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。但人們也對(duì)小地震使用CAP法存在著疑慮，認(rèn)為4級(jí)及以上地震波形具有較大的信噪比，能夠獲得比較可靠的震源機(jī)制解結(jié)果。

人們研究4級(jí)以上震源機(jī)制解所使用的地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)間距一般在100—200km或更遠(yuǎn)，而我們使用的紫坪鋪水庫地震專用臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)間距在10km左右。從選取的紫坪鋪臺(tái)站都江堰震群的資料看，L2.7的200802142312事件被BAY臺(tái)站記錄到，其震中距為12.8km，最大振幅為17425；而相對(duì)于L4.0的200707310735事件，被震中距為170km的BAY臺(tái)站記錄到，它的最大振幅為21927。可見遠(yuǎn)臺(tái)接收到的中強(qiáng)震級(jí)與近臺(tái)接收到的小微震在能量振幅量級(jí)上是相當(dāng)?shù)?，即兩者所使用的地震?shù)據(jù)的信噪比是相當(dāng)?shù)模士梢杂肅AP方法反演都江堰震群的小震震源機(jī)制。

2 觀測(cè)資料與地殼速度模型的選取

2.1 觀測(cè)臺(tái)站分布

紫坪鋪小臺(tái)網(wǎng)自建成以來獲得了良好的寬頻帶數(shù)字地震記錄，可以有效地拾取地震波形等資料。本次研究選用紫坪鋪水庫的7個(gè)專用臺(tái)站（圖1），臺(tái)站基本情況見表1。

表1 紫坪鋪小臺(tái)網(wǎng)基本情況

圖1 臺(tái)站與水庫位置分布圖

2.2 地殼速度模型的選取

針對(duì)紫坪鋪水庫所處的龍門山斷裂帶的速度結(jié)構(gòu)研究成果非常豐富。研究區(qū)的一維速度模型結(jié)構(gòu)（表2）選用周龍泉（2009）根據(jù)紫坪鋪水庫臺(tái)網(wǎng)從2004年8月—2008年11月4306個(gè)地震觀測(cè)報(bào)告拾取到的P波和S波走時(shí)數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)格插值的方法計(jì)算校正并參考王椿鏞等（2002）、程建武等（2009）和易桂喜等（2013）對(duì)該區(qū)及其鄰近區(qū)域的地殼速度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造地質(zhì)背景研究成果，最終校正確定的一維速度模型。

表2 研究區(qū)域一維速度模型

3 計(jì)算結(jié)果與分析

挑選出紫坪鋪水庫小臺(tái)網(wǎng)2008年2—4月間震級(jí)大于L1.0的地震事件28個(gè)，在MSDP軟件下轉(zhuǎn)換地震目錄的數(shù)據(jù)格式為SAC，在SAC程序下標(biāo)記P波到時(shí)及P波、S波時(shí)窗的選取，旋轉(zhuǎn)觀測(cè)波形至RTZ分量，控制振幅數(shù)量級(jí)，最后利用CAP方法計(jì)算得到的理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形相擬合。

擬合過程中不斷調(diào)試P波部分和S波部分的濾波頻率，可以得到不同的、甚至差異大的結(jié)果。以往的研究中用CAP方法對(duì)震源深度的確定依據(jù)是調(diào)整濾波頻率，在全空間格點(diǎn)搜索震源參數(shù)，使觀測(cè)波形與理論波形更好地吻合，得到震源機(jī)制解誤差深度曲線的一個(gè)全局極小值且是最小值，于是便認(rèn)定此深度處的震源機(jī)制解為最符合實(shí)際的震源機(jī)制解，此深度即為該事件最佳震源深度。

調(diào)試過程中濾波得到Pnl部分（0.01—0.5Hz）和Snl部分（0.1—0.35Hz），2008年2月14日23:50的L2.9地震事件的誤差深度曲線與波形擬合曲線分別如圖2、圖3 所示。

由圖2中可知，誤差曲線在深度3km左右有一個(gè)明顯的極小值，獲得最佳震源機(jī)制解。圖3所示3km的波形擬合曲線中，在7個(gè)臺(tái)站、35個(gè)震相中有21個(gè)震相的理論波形與觀測(cè)波形互相關(guān)系數(shù)大于50，占60%，震源機(jī)制解可信。

依次計(jì)算28個(gè)地震事件的震源機(jī)制解，得到最佳解。計(jì)算結(jié)果與前人的結(jié)果相比較為一致。200802142350事件節(jié)面I走向36°、發(fā)震應(yīng)力方向351°，與張永久等（2010）利用振幅比法計(jì)算所得結(jié)果節(jié)面走向46°、發(fā)震應(yīng)力方向348°比較吻合。200802142312事件節(jié)面走向78°、發(fā)震應(yīng)力方向157°，與張永久等（2010）所得的94°和187°比較一致，證明了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖4中底圖顏色差異代表海拔高低，淺藍(lán)色部分代表四川盆地區(qū)域，紅褐色部分為高山地區(qū)，由圖可見28個(gè)地震事件中有9個(gè)零散分布在水庫南部和西部，有19個(gè)地震事件集中分布在水庫東南部都江堰市，這些集中在水庫東南部的地震事件為都江堰地震群事件。

圖2 ML 2.9事件誤差深度曲線

圖3 波形擬合曲線（紅色為理論波形，黑色為觀測(cè)波形）

圖4 紫坪鋪水庫震源機(jī)制解平面分布圖

從垂直于映秀-北川斷層與前山斷裂的剖面看（圖5），都江堰震群震源深度集中在13km，位于前山斷裂帶上，且地震事件發(fā)震斷層以逆沖斷層為主，兼帶走滑分量。本研究所有震源機(jī)制參數(shù)列于表3。

表3 庫區(qū)ML 1.0以上地震的震源機(jī)制參數(shù)

續(xù)表

圖5 紫坪鋪水庫震源機(jī)制解剖面分布圖

節(jié)面I的總體情況可以反映水庫研究區(qū)斷層的大致情況（圖6），其走向在190°—220°方向形成優(yōu)勢(shì)分布，即西南—東北方向，與前山斷裂帶的走向基本一致?；瑒?dòng)角集中在－20°—20°，傾角集中分布在40°—90°，發(fā)震主壓應(yīng)力場(chǎng)P軸的走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向或近東西向，且都江堰震群深度都在前山斷裂帶附近，可見都江堰震群是前山斷裂活動(dòng)的結(jié)果。

圖6 節(jié)面I、II的走向、滑動(dòng)角、傾角和P、T、N軸走向與傾角的統(tǒng)計(jì)特征

2008年2月主壓應(yīng)力軸走向變化大，3月、4月壓應(yīng)力軸走向變化?。▓D7），呈現(xiàn)出歸一和穩(wěn)定的狀態(tài)。刁桂苓等（1994，2011）發(fā)現(xiàn)主震前震源區(qū)中小地震震源機(jī)制解的應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)由不一致變化為一致，則說明主震區(qū)域應(yīng)力積累，在局部發(fā)生應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象到最終與主震應(yīng)力狀態(tài)一致時(shí)，表明主震區(qū)域應(yīng)力累積已達(dá)到相當(dāng)高的水平，此為大地震發(fā)生的征兆。

圖7 壓應(yīng)力軸（P軸）走向隨時(shí)間變化圖

4 討論

人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到汶川8級(jí)地震的發(fā)生是龍門山斷裂帶的中央斷裂帶重新活動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)果，引起中央斷裂帶重新活動(dòng)的原因及過程中起主導(dǎo)作用的因素，成為今后人們最為關(guān)注的問題。如能從中得到一些力學(xué)機(jī)制上的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，則可用于指導(dǎo)有關(guān)地震演化過程的研究工作。

2008年2—4月的地震事件代表了汶川8級(jí)地震前最后一期的小震活動(dòng)，其中大于L1.0地震事件主要集中在都江堰附近，發(fā)震機(jī)制以逆沖機(jī)制為主，最大地震為逆沖型，其它發(fā)震機(jī)制逆沖型帶走滑分量，少量帶正斷層分量。發(fā)震斷層走向是西南—東北方向，與中央斷裂帶和前山斷裂帶走向基本一致。從深度剖面看，震源深度分布在13km以上區(qū)域。都江堰震群呈重集性，集中在前山斷裂帶上，其它地震散布在中央斷裂帶上。發(fā)震主壓應(yīng)力場(chǎng)為北西—南東向或近東西向，與該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向相一致，說明最后一期小震活動(dòng)與汶川8級(jí)地震受同一個(gè)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制。

從最后一期小震的最大主壓應(yīng)力場(chǎng)方向隨時(shí)間變化上看，其方向從150°—350°之間頻繁劇烈變化，而臨近汶川8級(jí)地震發(fā)生時(shí)縮小到210°—250°，主壓應(yīng)力軸走向趨于與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)走向相一致，預(yù)示著即將有大地震發(fā)生前，發(fā)震構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有一個(gè)協(xié)同化過程（馬瑾等，2014）。

綜上所述，2008年2—4月地震事件的發(fā)震機(jī)制以逆沖機(jī)制為主，兼走滑和少量帶正斷層分量。龍門山斷裂帶中的前山斷裂帶與中央斷裂帶是一個(gè)構(gòu)造變形單元。前山斷裂帶在中央斷裂帶之下，其受力如同楔形體，向西北方向地下延伸。當(dāng)前山斷裂帶上發(fā)生都江堰震群后，引起中央斷裂帶上的滑動(dòng)阻力減小，相當(dāng)于去掉了龍門山斷裂帶上的中央斷裂帶的“楔子”（馬文濤等，2011）。這些現(xiàn)象說明龍門山斷裂帶在都江堰附近存在著1個(gè)凸凹體，形成應(yīng)力集中。當(dāng)都江堰震群發(fā)生迫使龍門山斷裂帶前山斷裂逆沖性活動(dòng)，它加劇了龍門山斷裂帶中央斷裂的活動(dòng)，為汶川地震的發(fā)生創(chuàng)造了構(gòu)造條件，在一定程度上加速了汶川地震的發(fā)生。因此，2008年2—4月地震事件具有加速汶川8級(jí)地震發(fā)生的性質(zhì)，對(duì)其詳細(xì)研究將有助于獲得地震預(yù)測(cè)的信息與方法。

致謝：本研究的紫坪鋪水庫專用臺(tái)網(wǎng)地震數(shù)據(jù)來源于四川省地震局水庫研究所，得到了韓進(jìn)研究員對(duì)本研究的大力支持。

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Analysis on Mechanism of Dujiangyan Earthquake Swarm in the Vicinity of Zipingpu Reservoir

Li Chunzheng, Ma Wentao and Luo Jiahong

(Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China)

A series of small earthquakes occurred in the vicinity of Zipingpu Reservoir at the beginning of the Wenchuan earthquake from February to April, 2008 and their relationship with the Wenchuan earthquake and the small earthquakes of the Zipingpu reservoir is worth studying. In this paper, the digital seismic data of seven special seismic stations of the Zipingpu reservoir are analyzed by using the CAP method, and 28 focal mechanisms with magnitude greater thanL1.0 level are obtained. The results show that 19 of these earthquakes are concentrated in the southeast of the Zipingpu Reservoir near Dujiangyan, in which the maximum earthquake is the thrust type, and the others are thrust with strike-slip and normal faulting. The focal depth of the earthquake is mainly distributed at the area above 13km depth, and the Dujiangyan earthquake swarm is concentrated in the front mountain fault zone, the other earthquakes are scattered on the central fault zone. In the change of the maximum main compressive stress direction over time, the change from the maximum main compressive stress direction is great and the trend is consistent. These evidences suggest that there is a convex and concave body in the Longmen mountain fault zone near Dujiangyan, which forms the stress concentration area. When the Dujiangyan earthquake swarm occurred to force the thrust of the Longmenshan fault, it intensified the activity of the central fault of the Longmenshan fault zone and accelerated the occurrence of the Wenchuan earthquake to some extent.

CAP method; Focal mechanism solution; Zipingpu earthquake monitoring network; Stress field; Dujiangyan earthquake swarm

李春政，馬文濤，羅佳宏，2018．紫坪鋪水庫附近都江堰震群小震震源機(jī)制解分析．震災(zāi)防御技術(shù)，13（2）：342—352．

10.11899/ zzfy20180209

中國地震局地質(zhì)研究所中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)項(xiàng)目（IGCEA1705）

2017-08-18

李春政，男，生于1993年。碩士研究生。主要從事震源機(jī)制和水庫地震方面研究。E-mail：li-chunzheng@foxmail.com

馬文濤，男，生于1958年。副研究員。主要研究方向：水庫地震。E-mail：Wentaoma@sina.com