尹得余　劉啟方　董云　佘躍心　武精科　程永振　張繼華　陳家瑞

摘要：選用方位角覆蓋較均勻的43個(gè)近場(chǎng)強(qiáng)震記錄，通過(guò)基線校正、積分和濾波后得到速度時(shí)程。采用非負(fù)最小二乘法和多時(shí)間視窗技術(shù)，反演了2008年汶川地震破裂過(guò)程。研究表明：①所選43個(gè)近場(chǎng)臺(tái)站記錄對(duì)近乎平行的北川斷層南段和彭灌斷層的滑動(dòng)分辨能力不同，所選記錄能很好地分辨北川斷層南段的滑動(dòng)，而對(duì)彭灌斷層的滑動(dòng)分辨能力要差;②為滿足破裂后方區(qū)域臺(tái)站合成記錄的第二個(gè)波包，北川斷層南段或彭灌斷層需產(chǎn)生往破裂后方西南側(cè)方向的破裂。綜合考慮波形擬合殘差及反演結(jié)果與地表破裂數(shù)據(jù)的吻合情況，得到可能的破裂順序：破裂起始于北川斷層南段深部低傾角位置，接著引起彭灌斷層破裂，進(jìn)而引起小魚洞斷層破裂，小魚洞斷層觸發(fā)北川斷層南段高傾角區(qū)域發(fā)生雙側(cè)破裂。

關(guān)鍵詞：汶川地震;近場(chǎng)強(qiáng)震記錄;破裂過(guò)程反演;破裂順序;小魚洞斷層

中圖分類號(hào)：P315.91?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1000-0666（2019）04-0616-11

0?引言

2008年汶川大地震造成了大量人員傷亡和非常嚴(yán)重的工程震害，成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，促進(jìn)了對(duì)大地震震源物理特性的認(rèn)識(shí)。汶川地震發(fā)生在龍門山斷裂帶，發(fā)震斷層呈疊瓦狀，破裂過(guò)程復(fù)雜。地震沿龍門山斷裂帶的前山斷裂和中央斷裂形成灌縣江油斷裂（彭灌斷層）以及北川映秀斷裂（北川斷層），并產(chǎn)生近乎平行的地表破裂，長(zhǎng)約72?km和?240?km（徐錫偉等，2008，2010;鄧起東等，2011）。震源破裂過(guò)程研究表明：破裂從震中往東北側(cè)擴(kuò)展，斷層面上滑動(dòng)形式變化明顯（王衛(wèi)民等，2008;張勇等，2008;Shen?等，2009;Hartzell?et?al，2013;尹得余，2017;趙靜等，2018）。北川斷層南段（高川以南）為逆沖錯(cuò)動(dòng)，經(jīng)高川后出現(xiàn)走滑錯(cuò)動(dòng)，南壩以北轉(zhuǎn)變?yōu)樽呋e(cuò)動(dòng)為主。高川兩側(cè)余震震源機(jī)制不同，高川以北表現(xiàn)為高傾角的特點(diǎn)（胡幸平等，2008），且高川以北余震分布的寬度明顯窄于高川以南（黃媛等，2008;朱艾斕等，2008;陳九輝等，2009），表明北川斷層北段傾角大于南段。余震震中約呈直線分布，說(shuō)明斷層走向無(wú)變化，滑動(dòng)方向或傾角可能不同。此外，震中東北側(cè)45?km處有一條長(zhǎng)約6?km的小魚洞破裂帶，其垂直于北川斷層和彭灌斷層（鄧起東等，2011）。目前，針對(duì)汶川地震震源破裂過(guò)程反演的研究，大都忽略了小魚洞斷層在破裂擴(kuò)展中的作用。從地表破裂調(diào)查和余震震源機(jī)制的角度看，斷層破裂在小魚洞斷層處可能發(fā)生了重要的轉(zhuǎn)換。一方面，北川映秀斷裂和灌縣江油斷裂的地表破裂在小魚洞斷層兩側(cè)出現(xiàn)了錯(cuò)位和不連續(xù);另一方面，小魚洞斷裂帶上余震震源機(jī)制為左旋走滑，而北川斷層南段余震為逆沖。研究人員已從斷層構(gòu)造或運(yùn)動(dòng)學(xué)角度探析小魚洞斷層的作用（Hartzell?et?al，2013;賀鵬超，沈正康，2014;王鵬，劉靜，2014;尹得余等，2018），但此問(wèn)題仍有待進(jìn)一步探討。

本文選取近場(chǎng)豐富強(qiáng)震記錄，將其積分為速度記錄作為反演數(shù)據(jù)。一方面，速度時(shí)程是加速度時(shí)程積分一次得到，記錄本身的誤差相比積分2次的位移資料小，確保反演數(shù)據(jù)的可靠。另一方面，相對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)地震觀測(cè)（速度）記錄，近場(chǎng)強(qiáng)震記錄包含更多的高頻信息，揭示破裂的細(xì)節(jié)部分。探究近場(chǎng)強(qiáng)震記錄重現(xiàn)此次大震震源破裂過(guò)程的能力，探討小魚洞斷層在破裂中的作用，分析近場(chǎng)強(qiáng)震記錄對(duì)近乎平行的北川斷層和彭灌斷層滑動(dòng)分布的解釋能力。

1?數(shù)據(jù)的選取處理和模型參數(shù)

本文所用近場(chǎng)強(qiáng)震數(shù)據(jù)從中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所的國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心獲得，參與反演的記錄波形質(zhì)量要完整且信噪比要高，臺(tái)站能較均勻地分布在斷層四周。挑選波形完整且質(zhì)量較好、較均勻分布在斷層周邊的43個(gè)臺(tái)站加速度記錄?；€校正后積分為速度記錄，采用3階Butterworth帶通無(wú)相移濾波，頻帶0.08～0.5?Hz。記錄長(zhǎng)度120?s，間隔0.2?s，包括P波、S波和面波，臺(tái)站位置見(jiàn)圖1。破裂后方區(qū)域臺(tái)站記錄對(duì)確定斷層間的破裂順序至關(guān)重要，在此作簡(jiǎn)要分析。破裂后方位于斷層?xùn)|南側(cè)區(qū)域共11個(gè)臺(tái)站。此區(qū)域臺(tái)站記錄明顯特征為，加速度和速度波形包含?2個(gè)波段。第一個(gè)波段起始于P波到時(shí)，持續(xù)15?s左右，約從15?s到30?s;緊接著為第二個(gè)波段，約從30?s到55?s，持續(xù)25?s（圖2）。

記錄到時(shí)校正的準(zhǔn)確性對(duì)反演結(jié)果影響較大，做如下校核確保記錄到時(shí)準(zhǔn)確。由汶川地震發(fā)震時(shí)刻對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)刻和臺(tái)站P波理論到時(shí)，可得理論到時(shí)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)刻;由記錄觸發(fā)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)刻和人工撿拾P波到時(shí)，可得人工撿拾P波到時(shí)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)刻;分析二者的差別，絕大多數(shù)臺(tái)站2個(gè)時(shí)刻的差別在1個(gè)時(shí)間視窗的寬度內(nèi)（2.0?s），由此認(rèn)為到時(shí)的誤差對(duì)反演結(jié)果影響較小（Wu?et?al，2001）。

筆者基于汶川地震三維發(fā)震構(gòu)造模型、地表破裂調(diào)查結(jié)果和余震震中分布尺度（徐錫偉等，2008;Hubbard?et?al，2009，2010;Zhang?et?al，2010），建立了三維曲面斷層模型，包含北川斷層和彭灌斷層（圖3）。北川斷層分南北2段，以高川為界。北川斷層南段包含4段，傾角由深到淺逐漸增大，依次為20?°、33?°、50?°和65?°，分別記為北川斷層4、北川斷層3、北川斷層2和北川斷層1，沿傾向包含5，4，2，2個(gè)子斷層;北川斷層北段為北川斷層5，傾角60?°;彭灌斷層傾角33?°，與北川斷層3傾角相同;斷層尺寸如表1所示。子斷層沿走向和傾向取5?km和3?km，模型共包含854個(gè)子斷層。

2?斷層破裂方式

汶川地震發(fā)震深度14?km，位于北川斷層3上。已有研究探討了汶川地震斷層間的破裂順序，但尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論（陳桂華等，2009;錢琦，韓竹軍，2010;Hartzell?et?al，2013;賀鵬超，沈正康，2014;王鵬，劉靜，2014）。由此，本文采用3種破裂方式，探討北川斷層、彭灌斷層和小魚洞斷層之間可能的破裂順序。①方式1：北川斷層和彭灌斷層都發(fā)生單側(cè)破裂。破裂起始于北川斷層3，向深度方向破裂觸發(fā)北川斷層4，向淺部同時(shí)觸發(fā)北川斷層2和彭灌斷層，隨后北川斷層2觸發(fā)其上部的北川斷層1。②方式2：北川斷層發(fā)生雙側(cè)破裂。北川斷層3首先破裂，向深度觸發(fā)北川斷層4，向淺部只觸發(fā)彭灌斷層，彭灌斷層破裂往北擴(kuò)展引起小魚洞斷層破裂，進(jìn)而觸發(fā)北川斷層1，隨后北川斷層1和北川斷層2從與小魚洞斷層相交處發(fā)生雙側(cè)破裂。③方式3：彭灌斷層發(fā)生雙側(cè)破裂。北川斷層3首先破裂，向深度觸發(fā)北川斷層4，向淺處擴(kuò)展依次觸發(fā)北川斷層2和北川斷層1;北川斷層1破裂往北側(cè)擴(kuò)展觸發(fā)小魚洞斷層，進(jìn)而觸發(fā)彭灌斷層，隨后彭灌斷層以與小魚洞斷層相交處為中心發(fā)生雙側(cè)破裂。3種破裂方式中，北川斷層5均由北川斷層3往北側(cè)破裂觸發(fā)。

3?近場(chǎng)記錄對(duì)2條平行斷層滑動(dòng)的分辨能力

利用非負(fù)最小二乘法反演斷層滑動(dòng)歷程，具體細(xì)節(jié)參考Hartzell和Heaton（1983）的研究。滑動(dòng)時(shí)間函數(shù)形式為等腰三角形，持時(shí)2.0?s，子斷層包含5個(gè)時(shí)間視窗，相鄰視窗破裂延時(shí)2.0?s，子斷層最大上升時(shí)間10?s。龍門山斷裂帶兩側(cè)的青藏高原和四川盆地厚度和介質(zhì)速度構(gòu)造不同，選用Hartzell等（2013）采用的結(jié)果，建立一維地殼速度模型（表2），破裂速度取3.0?km/s（尹得余，2017）。

汶川地震一個(gè)重要特點(diǎn)是產(chǎn)生2條近乎平行的斷層：北川斷層和彭灌斷層。為探析近場(chǎng)記錄對(duì)二者滑動(dòng)的分辨能力，設(shè)定2個(gè)算例。根據(jù)震源破裂過(guò)程反演結(jié)果，設(shè)定算例1為北川斷層南段1和2的龍門山到岳家山區(qū)域、映秀到虹口區(qū)域，算例2彭灌斷層從與小魚洞斷層相交處到漢旺區(qū)域，發(fā)生滑動(dòng)，滑動(dòng)角135?°，子斷層上升時(shí)間10?s，參數(shù)見(jiàn)表3，采用破裂方式2。計(jì)算模型在43個(gè)臺(tái)站的理論記錄，將最大值為理論記錄最大值10%的白噪聲加入作為目標(biāo)記錄，并將記錄帶通濾波，頻帶0.08～0.5?Hz，反演結(jié)果如表3和圖4，5所示。

分析算例1得到：北川斷層南段高傾角的滑動(dòng)，絕大部分位于輸入模型的相應(yīng)位置，很少分配到彭灌斷層上;北川斷層南段地震矩占92%，彭灌斷層地震矩僅占8?%。算例2結(jié)果表明，彭灌斷層上的滑動(dòng)部分仍位于輸入模型的相應(yīng)位置，一部分轉(zhuǎn)移到北川斷層南段上;彭灌斷層地震矩占65?%;北川斷層南段地震矩占35?%。

算例結(jié)果說(shuō)明：所選43個(gè)近場(chǎng)臺(tái)站對(duì)北川斷層南段的滑動(dòng)有很好的分辨能力，而對(duì)彭灌斷層上的滑動(dòng)分辨能力要差一些。由臺(tái)站分布位置可以看出，斷層上盤北川斷層南段區(qū)域臺(tái)站的數(shù)量明顯多于彭灌斷層下側(cè)下盤區(qū)域的臺(tái)站。臺(tái)站分布的位置可能導(dǎo)致對(duì)2個(gè)斷層滑動(dòng)分辨能力的差異。

4?反演結(jié)果

采用本文建立的3維曲面斷層模型，由并行非負(fù)最小二乘法聯(lián)合多時(shí)間視窗技術(shù)，得到3種破裂方式結(jié)果如表4和圖6所示。結(jié)果表明，近場(chǎng)記錄得到的位錯(cuò)分布復(fù)雜且分散。方式1，2和3地震矩分別為1.106×1021，1.112×1021，1.138×1021?N·m。波形擬合殘差分別為：0.492，0.459和0.458，方式2和3接近，方式1比方式2和3大7%。北川斷層南段位錯(cuò)大體集中分布在3個(gè)區(qū)域。方式1，2和3中，第1個(gè)區(qū)域在初始破裂點(diǎn)周邊，為逆沖兼走滑錯(cuò)動(dòng);第2個(gè)區(qū)域在低傾角的北川斷層3和4上，從斷層中間一直延伸到東北端，總體上為逆沖兼右旋走滑。方式1和3時(shí)，第3個(gè)區(qū)域在高傾角的北川斷層1和2從岳家山到虹口區(qū)域內(nèi)，主要表現(xiàn)為逆沖錯(cuò)動(dòng);方式2時(shí)，第3個(gè)區(qū)域的位置不同于方式1和3，位于高傾角的北川斷層1和2上，從龍門山區(qū)域一直延伸到斷層的西南端，主要為逆沖錯(cuò)動(dòng)。3種方式，彭灌斷層上位錯(cuò)主要集中在斷層中間到東北端范圍內(nèi)，總體以逆沖錯(cuò)動(dòng)為主。方式3時(shí)，斷層西南段有一定量的位錯(cuò)分布。相比北川斷層南段和彭灌斷層，北川斷層北段的位錯(cuò)分布區(qū)域更廣，3種破裂方式結(jié)果相似。Wu等（2001）測(cè)試1999年集集地震震源反演結(jié)果對(duì)近場(chǎng)上盤和下盤區(qū)域臺(tái)站的敏感性，得到單獨(dú)采用臺(tái)站方位角覆蓋更廣的上盤臺(tái)站，結(jié)果更接近最終位錯(cuò)分布的結(jié)論，因此近場(chǎng)臺(tái)站方位角分布情況對(duì)反演結(jié)果影響較大。汶川地震近場(chǎng)臺(tái)站分布有如下特點(diǎn)：北川斷層南段周邊臺(tái)站數(shù)量較多，較均勻分布有28個(gè)臺(tái)站;且有一定量的近斷層臺(tái)站，例如51AXT，51MZQ，51PXZ，51SFB和51WCW。而北川斷層北段周邊只有15個(gè)臺(tái)站，缺乏近斷層臺(tái)站，且南壩以北無(wú)近斷層臺(tái)站。臺(tái)站數(shù)量和位置分布情況可能導(dǎo)致北川斷層北段上位錯(cuò)分布可靠性低于南段。Hartzell等（2007）利用54個(gè)近場(chǎng)強(qiáng)震臺(tái)站記錄很好重現(xiàn)了2004年美國(guó)Parkfield?6.0地震滑動(dòng)過(guò)程，此次地震發(fā)震斷層約50?km。而汶川地震300?km左右破裂尺度只有近場(chǎng)約40臺(tái)站限定反演結(jié)果，近場(chǎng)臺(tái)站的數(shù)目不足。

3種方式，大部分臺(tái)站合成記錄的幅值和相位信息與觀測(cè)記錄符合較好（圖7），在此重點(diǎn)分析破裂后方區(qū)域11個(gè)臺(tái)站?？傮w看，方式1，2和3，合成記錄幅值普遍小于觀測(cè)記錄。南北和垂直向合成記錄情況好于東西向，可能由于臺(tái)站三分向記錄受盆地的影響，此區(qū)域位于四川盆地內(nèi)（于彥彥，2016）。位于下盤的臺(tái)站，采用方式2和3時(shí)，51CDZ，51PXZ，51QLY，51XJL和51YAM合成記錄第2個(gè)波段的幅值大于方式1，更接近觀測(cè)記錄，而方式1的幅值遠(yuǎn)小于觀測(cè)記錄。51DXY，51PJD和51PJW臺(tái)站第2個(gè)波段的后半部分，3種方式合成記錄幅值都比觀測(cè)記錄小，但方式2和3的波形更接近觀測(cè)記錄。而位于上盤的3個(gè)臺(tái)站51BXD，51BXY?和51BXZ，3種方式合成記錄相似，但幅值偏低。破裂后方臺(tái)站合成記錄與觀測(cè)記錄的對(duì)比表明，發(fā)生雙側(cè)破裂的方式2和3合成記錄的效果優(yōu)于方式1，合成記錄的第2個(gè)波段的幅值和相位信息更接近觀測(cè)記錄，且方式1波形擬合殘差比方式2和3大。因此，為了使破裂后方區(qū)域臺(tái)站合成記錄的第2個(gè)波段符合觀測(cè)記錄，北川斷層或彭灌斷層需有破裂反向擴(kuò)展，這可能與汶川地震復(fù)雜的發(fā)震構(gòu)造有關(guān)，北川斷層、彭灌斷層在與小魚洞斷層相交處存在幾何關(guān)系復(fù)雜的斷裂體系（王鵬，劉靜，2014），這進(jìn)一步表明汶川地震破裂的復(fù)雜性。Hartzell等（2013）聯(lián)合近場(chǎng)記錄、遠(yuǎn)場(chǎng)記錄和GPS資料得到，北川斷層南段在與小魚洞斷層相交處發(fā)生了雙側(cè)破裂。從本文結(jié)果看，單獨(dú)近場(chǎng)記錄反演結(jié)果也表明存在雙側(cè)破裂。對(duì)于破裂方式2和3，波形擬合殘差相近，位錯(cuò)分布的差異表現(xiàn)在高傾角的北川斷層1和2以及彭灌斷層上。高傾角的北川斷層1和2在虹口以南區(qū)域，采用破裂方式2有位錯(cuò)分布，且近地表子斷層也發(fā)生錯(cuò)動(dòng);采用方式3位時(shí)錯(cuò)很小。彭灌斷層南半段，采用方式2時(shí)，近地表子斷層滑動(dòng)很小;采用方式3時(shí)近地表子斷層有一定的滑動(dòng)。地表破裂調(diào)查結(jié)果表明，虹口以南存在地表破裂，而彭灌斷層西南段無(wú)地表破裂。所以，方式2結(jié)果與地表破裂調(diào)查更符合。綜合波形擬合殘差以及與地表破裂數(shù)據(jù)符合的程度，破裂方式2的結(jié)果最優(yōu)。

5?結(jié)論

本文采用近場(chǎng)強(qiáng)震記錄，重現(xiàn)汶川地震破裂過(guò)程。探討了近場(chǎng)記錄對(duì)此次地震滑動(dòng)的分辨能力，得到如下結(jié)論：

（1）臺(tái)站分布和數(shù)量對(duì)近場(chǎng)記錄反演結(jié)果的可靠性影響較大。汶川地震北川斷層西南段近場(chǎng)臺(tái)站覆蓋較均勻，東北段臺(tái)站少且覆蓋范圍有限，北川斷層北段的滑動(dòng)不可靠，需要聯(lián)合其它資料共同約束。單獨(dú)近場(chǎng)強(qiáng)震數(shù)據(jù)反演的汶川地震滑動(dòng)分布，與遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期資料和聯(lián)合不同數(shù)據(jù)反演結(jié)果相差較大。汶川地震發(fā)震構(gòu)造復(fù)雜，基于簡(jiǎn)單速度構(gòu)造得到的格林函數(shù)不能充分反應(yīng)真實(shí)傳播路徑的影響，這導(dǎo)致了近場(chǎng)強(qiáng)震資料反演結(jié)果與其它資料結(jié)果的差異。

（2）近場(chǎng)記錄的空間分辨率要優(yōu)于遠(yuǎn)場(chǎng)記錄，同一斷層面，近場(chǎng)格林函數(shù)沿走向和傾向都有明顯的變化，這有助于揭示斷層破裂的細(xì)節(jié)。本文所用43個(gè)近場(chǎng)臺(tái)站記錄對(duì)近乎平行的北川斷層南段和彭灌斷層的滑動(dòng)識(shí)別能力不同，所選記錄可分辨北川斷層南段的滑動(dòng)，但對(duì)彭灌斷層的滑動(dòng)分辨能力要差。為了滿足位于破裂后方臺(tái)站合成記錄的第2個(gè)波段，北川斷層南段需產(chǎn)生往破裂后方的擴(kuò)展，而基于遠(yuǎn)場(chǎng)資料的反演結(jié)果不能反映。所以，可靠震源破裂過(guò)程反演結(jié)果需要聯(lián)合多種資料。

感謝中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所“國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心”為本研究提供數(shù)據(jù)支持，感謝兩位審稿專家的修改意見(jiàn)和建議。

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A?Study?on?the?Interpretation?Ability?of?Near-field?Strong?Motion?Recordsto?the?Rupture?Process?of?the?Wenchuan?Earthquake

YIN?Deyu1，LIU?Qifang2，DONG?Yun1，SHE?Yuexin1，WU?Jingke1，CHEN?Yongzhen1，ZHANG?Jihua1，CHEN?Jiarui1

（1.Faculty?of?Architecture?and?Civil?Engineering，Huaiyin?Institute?of?Technology，Huaian?223001，Jiangsu，China）（2.School?of?Civil?Engineering?of?Suzhou?University?of?Science?and?Technology，Suzhou?215011，Jiangsu，China）

Abstract

In?this?paper，43?near-field?acceleration?records?with?uniform?azimuth?coverage?are?selected.Then?velocity?records?are?obtained?by?baseline?correction，record?integral?and?record?filtering.Non-negative?least?squares?method?and?multi-time?window?technique?are?used?to?invert?the?rupture?process?of?the?2008?Wenchuan?earthquake.The?following?conclusions?are?obtained：（1）Forward?testing?shows?that?the?slip?resolution?of?the?43?near-field?stations?is?different?between?the?south?section?of?the?Beichuan?fault?and?the?Pengguan?fault，which?are?nearly?parallel.The?selected?records?can?distinguish?the?slip?of?the?south?section?of?the?Beichuan?fault，but?the?slip?resolution?of?the?Pengguan?fault?is?worse.（2）In?order?to?satisfy?the?second?wave?packet?of?stations?in?the?area?behind?the?rupture?direction，the?southern?section?of?the?Beichuan?fault?or?the?Pengguan?fault?needs?to?produce?a?rupture?to?the?southwest?direction.Considering?the?fitting?residual?of?waveform?and?the?coincidence?of?inversion?results?with?surface?rupture?data，the?possible?rupture?mode?is?as?follows：the?rupture?started?at?the?low?dip?angle?in?the?south?part?of?the?Beichuan?fault，which?causes?the?rupture?of?the?Pengguan?fault，and?then?causes?the?rupture?of?the?Xiaoyudong?fault，which?triggers?the?bilateral?rupture?of?the?high?dip?angle?in?the?south?part?of?the?Beichuan?fault.

Keywords：Wenchuan?earthquake;near-field?strong?motion?records;inversion?of?rupture?process;rupture?sequence;Xiaoyudong?fault