楊宜海, 張雪梅, 花茜, 蘇利娜, 豐成君, 邱玉榮,梁春濤, 蘇金蓉, 古云鶴, 金昭娣, 張媛媛, 關(guān)昕

1 陜西省地震局, 西安 710068 2 陜西西安地球深部構(gòu)造野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 西安 710068 3 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心， 北京 100045 4 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081 5 地球勘探與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)), 成都 610059 6 四川省地震局, 成都 610041

0 引言

龍門(mén)山斷裂帶地處青藏高原東緣與四川盆地的交匯地帶，大致呈NE-SW向展布，長(zhǎng)約500 km，寬約30～50 km，其北東端和南西端分別與秦嶺斷裂帶和鮮水河斷裂帶斜交，主要由后山斷裂、中央斷裂、前山斷裂和山前隱伏斷裂等4條主干斷裂及其控制的逆沖推覆體所組成(圖1).4條主干斷裂均具有第四紀(jì)活動(dòng)性，且活動(dòng)性向山前依次增強(qiáng)：其中后山斷裂以中段茂汶—汶川段活動(dòng)最強(qiáng)，中央斷裂以中段北川—太平場(chǎng)段活動(dòng)最強(qiáng)，前山斷裂以南段大川—天全段活動(dòng)最強(qiáng)(李傳友等，2004；王振南等，2019).龍門(mén)山斷裂帶沿傾向和走向具有明顯的分帶性和分段性特征，目前沿傾向的分帶性研究已取得基本共識(shí)，通常以4條主干斷裂為界將龍門(mén)山斷裂帶自西向東分為5條構(gòu)造帶(如劉樹(shù)根等，1995；金文正等，2007；李智武等，2008)，但是對(duì)沿走向的分段性特征研究仍存在明顯差異(如陳國(guó)光等，2007；李智武等，2008；孟文等，2013).

地震震源機(jī)制解提供了斷層幾何形態(tài)及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的重要信息，此前許多學(xué)者根據(jù)震源機(jī)制解的空間分布對(duì)龍門(mén)山斷裂帶的分段性特征進(jìn)行了研究.王勤彩等(2009)根據(jù)矩張量反演的汶川地震序列88個(gè)震源機(jī)制解的空間分布特征，將主破裂帶自西南至東北劃分為6段.易桂喜等(2012)根據(jù)CAP波形反演的312個(gè)4級(jí)以上汶川余震震源機(jī)制解，劃分出理縣NW向分支，同時(shí)以綿竹和平武為界，將余震密集區(qū)沿龍門(mén)山斷裂帶劃分為南、中、北3段，揭示了余震震源機(jī)制的時(shí)空分布特征.Li等(2019)反演了2009—2016年龍門(mén)山斷裂帶391個(gè)M≥3.5地震震源機(jī)制解，并根據(jù)斷層幾何形態(tài)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和地形證據(jù)，以北川為界將汶川余震區(qū)劃分為西南段和東北段.Luo等(2019)反演了汶川余震序列中404個(gè)震源機(jī)制解，并將余震區(qū)分為7段探討了地震類(lèi)型和地震深度剖面的分段特征.

從目前的研究來(lái)看，不同學(xué)者對(duì)龍門(mén)山斷裂帶的分段結(jié)果仍存在明顯差異，這主要是由于此前研究對(duì)龍門(mén)山斷裂帶的分段基本為定性分析而非定量劃分.此外，目前利用震源機(jī)制解對(duì)龍門(mén)山斷裂帶的分段性研究中，大多數(shù)僅對(duì)汶川震源區(qū)或蘆山震源區(qū)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究，而未能將二者進(jìn)行綜合分析.

汶川地震后近10年時(shí)間發(fā)生的大量地震很好地覆蓋了龍門(mén)山斷裂帶絕大部分地區(qū)，僅留下南、北兩端及汶川—蘆山地震空區(qū)(Yang et al., 2017; 梁春濤等，2018; Liu et al., 2018; Wang et al., 2018a；劉小梅等，2019)三個(gè)未破裂段，為利用密集地震震源機(jī)制解研究龍門(mén)山斷裂帶的分段性特征提供了豐富資料(圖1).本文搜集了四川區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)記錄的波形數(shù)據(jù)，采用全波形反演獲取了龍門(mén)山斷裂帶密集的震源機(jī)制解.然后通過(guò)“滑動(dòng)窗”掃描方法提取不同地震類(lèi)型的數(shù)量沿龍門(mén)山斷裂帶走向的變化曲線，據(jù)此對(duì)龍門(mén)山斷裂帶進(jìn)行分段.根據(jù)反演的震源機(jī)制解，進(jìn)一步采用阻尼線性反演技術(shù)求取龍門(mén)山斷裂帶高分辨率的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)信息，并從地震類(lèi)型、斷面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等角度探討龍門(mén)山斷裂帶的分段性特征.

1 龍門(mén)山及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

龍門(mén)山主要由前寒武紀(jì)變質(zhì)巖(700～800 Ma)和少量新元古代火成巖及志留紀(jì)-三疊紀(jì)海相沉積巖組成(Xu et al., 2008)，其東西兩側(cè)分別為四川盆地和松潘—甘孜褶皺系(圖1).龍門(mén)山自北向南出露了一系列雜巖體(757～805 Ma)，包括南壩雜巖、彭灌雜巖、寶興雜巖和康定雜巖(圖1；Xu et al., 2008).龍門(mén)山東側(cè)的四川盆地由前寒武紀(jì)基底和上覆的古生代-新生代完整地層組成(王二七等，2001；Xu et al., 2008)，其西側(cè)的松潘—甘孜褶皺系被稱(chēng)為“地質(zhì)百慕大”，主要由一套巨厚的三疊紀(jì)復(fù)理石沉積組成，分布在古特提斯海的東緣(許志琴，1992；王二七等，2001).

龍門(mén)山斷裂帶的形成與發(fā)展主要經(jīng)歷了印支期華南地塊與華北地塊拼合，以及喜馬拉雅期印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞兩大地質(zhì)事件.在印支期，華南地塊自晚古生代向北漂移，最終于三疊紀(jì)與華北地塊拼合，龍門(mén)山的薄皮推覆構(gòu)造被認(rèn)為可能是由華南地塊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)派生的擠壓應(yīng)力造成的，而其左旋走滑可能與松潘—甘孜褶皺帶的NE-SW向縮短有關(guān)(王二七等，2001).此外，三疊紀(jì)華南地塊與華北地塊拼合導(dǎo)致了地塊邊緣地殼大規(guī)模N-S向縮短，由此造成了秦嶺的抬升.王二七等(2001)根據(jù)碧口斷塊的巖性特征及其邊界斷層性質(zhì)，推斷碧口斷塊為秦嶺蜂腰擠出的剛性構(gòu)造外來(lái)體；而碧口斷塊向西逃逸，受到西側(cè)若爾蓋地塊的阻擋，兩者相向?qū)D形成了岷山隆起(張國(guó)偉等，2004).此前的測(cè)量資料顯示，岷山隆起的隆升速率達(dá)21 mm·a-1，表明該隆起帶仍處于快速隆升階段(鄧起東等，1994).

圖1 龍門(mén)山斷裂帶及鄰區(qū)的地質(zhì)背景、活動(dòng)斷裂及地震分布圖中白線和黑線分別表示龍門(mén)山斷裂帶和其他活動(dòng)斷裂. LRBF, 龍日壩斷裂; MEKF, 馬爾康斷裂; MYLF, 米亞羅斷裂; MJF, 岷江斷裂; HYF, 虎牙斷裂; EKLF, 東昆侖斷裂. 圓點(diǎn)大小和顏色分別表示地震震級(jí)和地震發(fā)生時(shí)段(請(qǐng)參考圖2). 地質(zhì)背景據(jù)Sun等(2019)修改. 插圖: 本文震源機(jī)制反演使用的地震臺(tái)站分布圖；不同顏色的臺(tái)站采用楊宜海等(2015)建立的不同區(qū)域速度模型計(jì)算格林函數(shù).Fig.1 Geological map with active faults and earthquake epicenters in the Longmenshan fault and its adjacent regionThe white and black lines indicate the Longmenshan fault and the other active faults, respectively. LRBF, Longriba fault; MEKF, Ma′erkang fault; MYLF, Miyaluo fault; MJF, Minjiang fault; HYF, Huya fault; EKLF, East Kunlun fault. The size and color of dot indicates the earthquake magnitude and the time range in which earthquake occurred (please refer to Fig. 2). The geological background is modified from Sun et al., 2019. Inset: seismic stations used in the moment tensor inversions in this study; seismic stations with different colors are corresponding to different regional velocity models that established by Yang et al., 2015.

在喜馬拉雅期，青藏高原塊體發(fā)生強(qiáng)烈的褶皺隆升，青藏高原范圍內(nèi)的特提斯洋徹底關(guān)閉，在高原塊體的周緣發(fā)生了一系列褶皺推覆和走滑現(xiàn)象.青藏高原的隆升被認(rèn)為是新生代以來(lái)全球最為壯觀的地球動(dòng)力學(xué)事件(滕吉文等，2019)，顯著提升了龍門(mén)山的抬升速率(Xu et al., 2008).龍門(mén)山淺部成分遭受新的強(qiáng)烈擠壓，早期初具規(guī)模的龍門(mén)山斷裂帶產(chǎn)生大幅度向東逆沖推覆，使推覆作用達(dá)到高峰(黃學(xué)猛和謝富仁，2009).晚第四紀(jì)以來(lái)，由于華南地塊對(duì)高原內(nèi)部向東運(yùn)移物質(zhì)的強(qiáng)烈阻擋作用，導(dǎo)致了龍門(mén)山斷裂帶NW側(cè)約200km的龍日壩斷裂帶的形成，被認(rèn)為顯著分解了巴顏喀拉塊體SE向運(yùn)動(dòng)(徐錫偉等，2008a).因此，現(xiàn)今青藏高原向SE方向側(cè)向生長(zhǎng)可能僅剩一小部分轉(zhuǎn)化為龍門(mén)山斷裂帶的斷層運(yùn)動(dòng)和垂直抬升作用.

2 震源機(jī)制解

2.1 數(shù)據(jù)處理與方法

根據(jù)國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(http:∥data.earthquake.cn)提供的地震目錄，汶川地震發(fā)生后近10年時(shí)間(2008年5月至2018年12月)，龍門(mén)山斷裂帶共發(fā)生了2123個(gè)M≥3地震，圖2給出了這些地震的M-t圖.根據(jù)震級(jí)和頻度特征，本文將汶川地震當(dāng)天至蘆山地震前的時(shí)間劃分成4段，分別為T(mén)1a(2008-05-12—2008-08-31)、T1b(2008-09-01—2009-12-31)、T1c(2010-01-01—2011-12-31)和T1d(2012-01-01—2013-04-19)；將蘆山地震以后劃分成2個(gè)時(shí)段，分別為T(mén)2a(2013-04-20—2014-12-31)和T2b(2015-01-01—2018-12-31).

本文使用的波形數(shù)據(jù)來(lái)自四川區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)，考慮到臺(tái)站方位角分布和震中距范圍(≤300 km)等因素，挑選了其中33個(gè)寬頻帶固定臺(tái)站的波形記錄(圖1插圖).數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)原始波形記錄去均值、去趨勢(shì)和去儀器響應(yīng)，根據(jù)反方位角由ZNE坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到ZRT坐標(biāo)系，并對(duì)全部波形手動(dòng)進(jìn)行挑選，保留連續(xù)且信噪比較高的波形.

本文采用近震全波形反演震源機(jī)制解(Herrmann, 2013).當(dāng)震源尺度遠(yuǎn)小于地震波長(zhǎng)時(shí)，臺(tái)站記錄的地震圖可表示為

(1)

其中G為格林函數(shù)，表示震源傳播到接收點(diǎn)的彈性及滯彈性響應(yīng)；m為矩張量：

(2)

其中m0為標(biāo)量地震矩，由觀測(cè)與理論波形振幅的最大值確定；φ、δ和λ分別表示斷層的走向、傾角和滑動(dòng)角.由于使用的臺(tái)站地處青藏高原東緣及四川盆地，深部殼幔結(jié)構(gòu)橫向變化顯著，因此本文將臺(tái)站覆蓋范圍分為3個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域的臺(tái)站采用此前利用接收函數(shù)建立的不同區(qū)域速度模型計(jì)算格林函數(shù)(楊宜海等，2015).

反演時(shí)，對(duì)不同深度下走向、傾角和滑動(dòng)角的所有變化范圍進(jìn)行網(wǎng)格搜索，通過(guò)求取基于上述公式合成的理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形的最佳擬合確定震源機(jī)制解.反演過(guò)程還包括以下處理：(1)根據(jù)不同震級(jí)對(duì)理論和觀測(cè)波形采用不同頻帶濾波，其中，3≤M<4為0.02～0.1 Hz，4≤M<7為0.02～0.08 Hz，M≥7為0.01～0.05 Hz；(2)以0.25 s的采樣間隔對(duì)理論和觀測(cè)波形進(jìn)行降采樣，并截取P波初動(dòng)前10 s至后120 s波形進(jìn)行反演；(3)反演中對(duì)理論與觀測(cè)波形進(jìn)行時(shí)移以對(duì)齊波形，從而求取最大互相關(guān)系數(shù)；(4)每個(gè)地震均反演2次，初次反演后根據(jù)各分量理論與觀測(cè)波形的擬合度，刪除擬合度低于35%的分量后再次進(jìn)行反演.圖3給出了汶川地震兩次早期余震(M3.5和M4.6)的理論與觀測(cè)波形擬合圖.

圖2 本文使用地震的震級(jí)—時(shí)間圖本文根據(jù)地震震級(jí)和頻度特征，將汶川地震當(dāng)天至蘆山地震前的時(shí)間劃分為T(mén)1a—T1d共4個(gè)時(shí)段，將蘆山地震以后劃分為T(mén)2a—T2b共2個(gè)時(shí)段.Fig.2 The M-t diagram of the earthquakes in this studyAccording to the characteristics of earthquake magnitudes and frequency of earthquake occurrence, the time range that spans from 2008-05-12, on which the Wenchuan earthquake occurred, to 2013-04-19, which is the day before Lushan earthquake occurred, is divided in to 4 time periods; and the time range that spans from 2013-04-20 to 2018-12-31 is divided into 2 time periods.

圖3 2008年6月16日18時(shí)07分14秒M3.5地震(上圖)和2008年5月12日17時(shí)03分10秒M4.6地震(下圖)的波形擬合、參與反演的臺(tái)站分布和震源機(jī)制深度擬合圖圖(a)和(d)中紅線和黑線分別表示觀測(cè)波形和理論波形，波形上方數(shù)字為兩者的相關(guān)系數(shù); 圖(b)和(e)中五角星和三角形分別表示地震震中和臺(tái)站; 圖(c)和(f)所示的震源機(jī)制為不同深度下通過(guò)網(wǎng)格搜索獲取的最佳解.Fig.3 Comparisons between observed and predicted waveforms, distributions of seismic stations used in the inversions and variations of focal mechanisms and waveform fittings with focal depths of the earthquakes occurred at 18∶07∶14 on 2008-06-16 (upper) and at 17∶03∶10 on 2008-05-12 (lower), respectivelyThe red and black lines in Figs. (a) and (d) indicate the observed and predicted waveforms, respectively. The numbers on the right above waveforms indicate cross-correlation coefficients. The stars and triangles in Figs. (b) and (e) indicate the epicenters and seismic stations, respectively. Focal mechanisms in Figs.(c) and (f) indicate the optimal solutions at different focal depths obtained from grid search method.

本文對(duì)反演的結(jié)果采用以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選：(1)理論與觀測(cè)波形擬合良好；(2)擬合度隨深度變化曲線僅有1個(gè)極大值；(3)震源機(jī)制類(lèi)型隨深度變化穩(wěn)定，尤其是在最佳矩心深度附近的一定深度區(qū)間內(nèi)；(4)參與反演的臺(tái)站數(shù)不低于5個(gè).

此外，為了直觀、定量地顯示地震類(lèi)型，本文采用三角形圖解法，根據(jù)震源機(jī)制解中的P軸、B軸和T軸傾伏角，利用方位球心投影，將球面幾何坐標(biāo)變換為三角形坐標(biāo)(Frohlich, 1992; Palano et al., 2013)：

(3)

其中ψ=tan-1(sinδT/sinδP)-45°.在該方法中，一次地震的P軸、T軸和B軸的傾伏角大小，分別反映了該地震中正斷分量、逆沖分量和走滑分量的大小.因而三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)純走滑型、純正斷型和純逆沖型，反之投影到三個(gè)頂點(diǎn)對(duì)邊上的地震其走滑、正斷和逆沖分量分別為0.

2.2 震源機(jī)制解的分段性特征

2.2.1 分段方法

利用全波形反演方法，本文共獲取龍門(mén)山斷裂帶1495個(gè)M≥3地震震源機(jī)制解，如圖4所示.附錄A1給出了本文與此前易桂喜等(2012，2016)采用CAP方法反演的震源機(jī)制解的誤差統(tǒng)計(jì).參考Zoback(1992)世界應(yīng)力圖的分類(lèi)方法，根據(jù)震源機(jī)制解的P軸、B軸和T軸傾伏角對(duì)獲取的震源機(jī)制進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)果顯示：正斷型地震136個(gè)，正走滑型79個(gè)，走滑型388個(gè)，逆沖型549個(gè)，逆走滑型124個(gè)和不確定型219個(gè)；逆沖型(37%)和走滑型(26%)地震占大多數(shù).

為了利用密集震源機(jī)制解對(duì)龍門(mén)山斷裂帶進(jìn)行分段，本文首先采用“滑動(dòng)窗掃描”方法提取不同地震類(lèi)型的數(shù)量沿龍門(mén)山斷裂帶走向的變化曲線：利用一個(gè)固定寬度的窗口沿龍門(mén)山斷裂帶走向從震源區(qū)南端由南向北移動(dòng)，通過(guò)對(duì)窗口內(nèi)各地震類(lèi)型的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提取不同地震類(lèi)型的數(shù)量沿龍門(mén)山斷裂帶走向的變化趨勢(shì)(圖4插圖).測(cè)試表明，(1)滑動(dòng)窗口內(nèi)的數(shù)量變化主要反映窗口右端點(diǎn)的變化趨勢(shì)；(2)當(dāng)滑動(dòng)窗的寬度≤模型分段長(zhǎng)度時(shí)，掃描的變化曲線拐點(diǎn)與模型分段邊界相吻合(附錄A2).因此滑動(dòng)窗的寬度既不能設(shè)置過(guò)大以致無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別分段邊界，也不能設(shè)置過(guò)小而造成樣本數(shù)量不足無(wú)法體現(xiàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律.考慮這兩方面因素，最終設(shè)定的滑動(dòng)窗寬度為30 km，移動(dòng)步長(zhǎng)為1 km.由于反演的逆沖型和走滑型地震占大多數(shù)，因此主要根據(jù)這2種地震類(lèi)型的變化趨勢(shì)，將龍門(mén)山斷裂帶的震源區(qū)劃分為9段，由南向北依次命名為S1—S9(圖4).

2.2.2 理縣斷裂的震源機(jī)制

汶川地震發(fā)生后，位于龍門(mén)山斷裂帶中段的理縣附近出現(xiàn)了一支呈NW-SE向分布的余震活動(dòng)，其地震展布與米亞羅斷裂走向接近，而明顯偏離龍門(mén)山斷裂帶走向，地震類(lèi)型為具有高傾角的左旋走滑型，被稱(chēng)為理縣分支(易桂喜等，2012).在龍門(mén)山斷裂帶另一側(cè)的相似位置，同樣在汶川地震發(fā)生后，前山斷裂與中央斷裂之間新出現(xiàn)了一條小魚(yú)洞斷裂，野外地質(zhì)調(diào)查表明該斷裂的走向近NW向，垂直于龍門(mén)山NE向的主干斷裂而平行于逆沖體的逆沖運(yùn)動(dòng)方向，是一條具有高角度斷面、以左旋走滑作用為主的捩斷層(李勇等，2009).理縣分支的發(fā)震構(gòu)造與小魚(yú)洞斷裂具有極其相似的特征，目前許多研究均認(rèn)為理縣分支的地震活動(dòng)已延伸到小魚(yú)洞斷裂(如鄧起東等，2011；Chang et al.，2012；李振月等，2019；Li et al.，2019)，因而揭示了一條新的活動(dòng)斷裂，本文將其稱(chēng)為理縣斷裂.

從米亞羅斷裂至小魚(yú)洞斷裂所在的S3共挑選出188個(gè)節(jié)面走向近NW向的震源機(jī)制解，這些地震在平面呈條帶狀分布，長(zhǎng)軸近NW-SE向，如圖5所示.對(duì)節(jié)面參數(shù)的統(tǒng)計(jì)顯示，斷層傾角基本大于60°，顯示出高傾角特征；滑動(dòng)角基本分布在-30°～30°范圍，表明具有較大的左旋走滑分量(圖5a).地震類(lèi)型三角形圖解顯示，地震類(lèi)型以走滑型為主，且4次MW≥5地震均為走滑型(圖5b).

以上分析表明，本文挑選的188個(gè)地震的發(fā)震斷層性質(zhì)與龍門(mén)山斷裂帶存在明顯差異，而與理縣斷裂右端的小魚(yú)洞斷裂基本一致.這一方面為理縣斷裂的存在提供了依據(jù)，另一方面也表明理縣斷裂與小魚(yú)洞斷裂具有相似的斷裂特征.因此，本文將這些地震認(rèn)定為理縣斷裂的地震，并根據(jù)這些地震的平面展布特征，以及捩斷層平行于塊體逆沖方向的性質(zhì)，推測(cè)了理縣斷裂的具體位置，如圖5白色虛線所示.

2.2.3 地震類(lèi)型的分段性特征

為了研究龍門(mén)山斷裂帶地震類(lèi)型的分段性特征，將理縣斷裂的地震剔除后，分析了S1—S9的地震類(lèi)型三角形圖解，如圖6所示.

圖4 本文反演的1495個(gè)震源機(jī)制分布與龍門(mén)山斷裂帶分段邊界不同顏色沙灘球表示參考Zoback(1992)根據(jù)P軸、B軸和T軸傾伏角分類(lèi)的不同震源機(jī)制類(lèi)型：NF，正斷型；NS，正走滑型；TF，逆沖型；TS，逆走滑型；SS，走滑型；U，不確定型. 黑色虛線表示分段邊界. 插圖： 利用“滑動(dòng)窗”掃描的不同震源機(jī)制類(lèi)型的數(shù)量沿龍門(mén)山斷裂帶走向的變化曲線；線條顏色表示震源機(jī)制類(lèi)型，黑色虛線表示分段邊界.Fig.4 1495 focal mechanisms inverted in this study and the segment boundaries of Longmenshan faultThe beach balls with different colors are corresponding to different faulting types based on the plunges of P-, B- and T-axes following Zoback (1992): NF, normal faulting; NS, normal with strike-slip faulting; TF, thrust faulting; TS, thrust with strike-slip faulting; SS, strike-slip faulting; U, undefined. The dashed black lines indicate segment boundaries. Inset: variation curves of the counts of different faulting types along the Longmenshan fault; the colors of lines indicate faulting types; the dashed black lines indicate segment boundaries.

圖5 理縣斷裂的震源機(jī)制分布以及節(jié)面參數(shù)統(tǒng)計(jì)(a)和地震類(lèi)型三角形圖解(b)圖(a)中白色虛線為推測(cè)的理縣斷裂位置. 圖(b)中虛線將三角形劃分為不同地震類(lèi)型，圓點(diǎn)大小和顏色分別表示地震震級(jí)和地震發(fā)生的時(shí)段(請(qǐng)參考圖6).Fig.5 Focal mechanisms, rose diagrams of fault planes (a) and ternary plots of focal mechanisms in the Lixian fault (b).The dashed white line in Fig.(a) is the inferred Lixian fault from this study. The dashed lines in Fig.(b) divide the earthquakes into different faulting types, and the sizes and colors of dots indicate the earthquake magnitude and the time range in which the earthquake occurred, respectively (please refer to Fig.6).

圖6 龍門(mén)山斷裂帶9個(gè)分段的地震類(lèi)型三角形圖解Fig.6 Ternary plots of focal mechanisms in the 9 sections of Longmenshan fault

圖7 龍門(mén)山斷裂帶9個(gè)分段及理縣斷裂的地震類(lèi)型分時(shí)段統(tǒng)計(jì)不同顏色數(shù)字表示不同地震類(lèi)型在某個(gè)時(shí)段的百分比.Fig.7 Statistics of faulting types of the 9 sections of Longmenshan fault and the Lixian fault in different time periodsThe numbers in different colors indicate the percentage of different faulting types in the certain time period.

圖8 龍門(mén)山斷裂帶9個(gè)分段的節(jié)面走向、傾角和滑動(dòng)角統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of the strikes, dips, rakes of fault planes in the 9 sections of Longmenshan fault

從圖6可以看出，S1的地震類(lèi)型簡(jiǎn)單清晰，以逆沖型(82%)占主導(dǎo)，大部分地震具有顯著的逆沖分量，且3次MW≥5地震均接近純逆沖性質(zhì).S2以逆沖型(37%)和走滑型地震(25%)為主，1次MW≥5地震為逆沖兼少量走滑型.由此可見(jiàn)，位于汶川—蘆山地震空區(qū)兩側(cè)的S1和S2，在地震類(lèi)型特征上存在明顯差異.

S3的逆沖型地震比例(28%)略高于走滑型地震(23%)，但是明顯低于南北兩側(cè)S2(37%)和S4(47%)的逆沖型地震比例，且走滑型地震比例(23%)遠(yuǎn)低于理縣斷裂(62%)，表明S3的地震類(lèi)型與南北兩側(cè)及理縣斷裂均存在明顯差異.此外，本文在S3共獲取了154個(gè)震源機(jī)制解，略少于理縣斷裂，且S3無(wú)MW≥5地震，而理縣斷裂有4次，表明S3的地震活動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理縣斷裂.

S4—S7的地震優(yōu)勢(shì)類(lèi)型為逆沖型，該類(lèi)型在各段所占比例均接近50%，在9個(gè)分段中僅低于S1；然而走滑型地震比例均低于20%，在9個(gè)分段中僅高于S1.值得注意的是，S5是唯獨(dú)沒(méi)有MW≥5地震的一段.這可能是由于虎牙斷裂向南延伸到該地區(qū)，導(dǎo)致該地區(qū)產(chǎn)生了復(fù)雜的構(gòu)造變形，從而弱化了局部的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng).這與地殼各向異性研究結(jié)果相一致：盆山邊界或發(fā)育不同走向的活動(dòng)斷裂地區(qū)，存在地殼各向異性強(qiáng)度偏小的現(xiàn)象(楊妍等，2018；高見(jiàn)等，2020).

S8的走滑型地震比例最高(42%)，逆沖型地震次之(22%)，正斷型地震僅占4%，且2次MW≥5地震均為走滑型；S9的走滑型地震比例(33%)有所下降，正斷型地震比例(27%)大幅升高，逆沖型地震僅1次，5次MW≥5地震中3次為走滑型，正斷型和不確定型各1次.同時(shí)注意到，S9的走滑型地震具有的走滑分量相對(duì)S8普遍較低(圖6).由此可見(jiàn)，S8以走滑型地震為主，且走滑型地震比例在9個(gè)分段中最高；而S9以走滑型和正斷型地震為主，走滑型地震比例及走滑型地震的走滑分量均低于S8.此外，雖然S9的地震數(shù)量在9個(gè)分段中最少，但MW≥5的強(qiáng)余震比例卻是最高的.

本文還分析了各分段地震類(lèi)型隨時(shí)間的變化特征：(1)S3—S5和S7—S9的逆沖型地震比例從T1a到T1c分別呈升高和降低趨勢(shì)(圖7)，且S8—S9在T2b以來(lái)的地震基本為純走滑型，與T2b之前的地震走滑分量有明顯差異(圖6)，這些可能反映了汶川地震后龍門(mén)山斷裂帶不同區(qū)域的差異性斷層調(diào)整運(yùn)動(dòng)；(2)除S5外，S2—S9的汶川晚期余震中(T1c)走滑型地震比例均有所增大(圖7)，這可能與沿?cái)嗔褞ё呦蚱毡榈膽?yīng)力補(bǔ)充和協(xié)調(diào)密切相關(guān)；(3)S2在蘆山地震后(T2a-T2b)發(fā)生的4次地震均具有較大走滑分量，明顯高于該段的總體走滑分量水平(圖6)，可能表明蘆山地震對(duì)S2造成了應(yīng)力擾動(dòng)，這與前人發(fā)現(xiàn)的蘆山地震加速了汶川震源區(qū)地震波速度恢復(fù)的結(jié)論相吻合(Pei et al., 2019).

大規(guī)模的巖體逆沖過(guò)程可能還會(huì)導(dǎo)致巖體受重力作用發(fā)生正斷調(diào)整運(yùn)動(dòng)(易桂喜等，2012).值得注意的是，汶川主震附近S2—S4和余震區(qū)遠(yuǎn)端S8—S9的正斷型地震活動(dòng)從T1a持續(xù)到T1c，而余震區(qū)中部S5—S7的正斷型地震均發(fā)生在T1a—T1b(圖7)，這表明汶川主震附近及余震區(qū)遠(yuǎn)端所經(jīng)歷的震后調(diào)整過(guò)程可能比余震區(qū)中部更長(zhǎng).此外，在同時(shí)段內(nèi)S9的正斷型地震比例普遍為其余各段正斷型地震比例的2倍以上，并且考慮到S9發(fā)生的5級(jí)以上強(qiáng)余震比例高于其余各段，這說(shuō)明余震區(qū)遠(yuǎn)端的S9可能具有更復(fù)雜、強(qiáng)度更高的震后調(diào)整過(guò)程.

2.2.4 斷面結(jié)構(gòu)的分段性特征

震源機(jī)制解提供了發(fā)震斷裂的幾何參數(shù)，因而對(duì)大量地震的節(jié)面參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以對(duì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束.根據(jù)本文反演的震源機(jī)制解，剔除理縣斷裂的地震后，對(duì)節(jié)面參數(shù)作分段統(tǒng)計(jì)，如圖8所示.

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，S1—S4節(jié)面走向的優(yōu)勢(shì)方位基本呈近NE-SW向，與龍門(mén)山斷裂帶走向基本一致.S5的節(jié)面走向具有NE-SW和NNW-SSE兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方位，而S6的節(jié)面走向主要呈NNW-SSE向，表明S5—S6存在明顯不同于龍門(mén)山斷裂帶的節(jié)面走向.S7節(jié)面走向的優(yōu)勢(shì)方位與龍門(mén)山斷裂帶走向基本一致.S8—S9的節(jié)面走向比較發(fā)散，地震重定位結(jié)果顯示，汶川余震區(qū)北端的地震活動(dòng)已穿過(guò)青川—平武斷裂且分叉為沿龍門(mén)山斷裂帶走向和向西偏離龍門(mén)山斷裂帶走向的兩支地震活動(dòng)，且后者具有更強(qiáng)的地震活動(dòng)性(鄧起東等，2011；Zhao et al., 2011)，因此S8—S9的節(jié)面走向變化表明汶川地震后該地區(qū)存在不同走向的隱伏斷裂活動(dòng).

滑動(dòng)角分布顯示，由南向北從S1到S3逆沖分量逐漸減小而走滑分量逐漸增大，與地震優(yōu)勢(shì)類(lèi)型的變化趨勢(shì)一致(圖6)，S4—S7具有明顯的逆沖分量，而S8—S9具有較大的走滑分量，且S9存在明顯的正斷分量，與地震類(lèi)型特征相吻合(圖6).斷面傾角統(tǒng)計(jì)顯示，具有明顯逆沖分量的分段，如S1和S4，斷面傾角主要分布在50°～70°；而具有明顯走滑分量的分段，如S8和S9，斷面傾角基本在60°以上，反映了高傾角斷層更有利于走滑運(yùn)動(dòng).汶川余震帶在S8—S9一帶寬度收縮變窄(鄧起東等，2011)，與斷面傾角增大相吻合.

此外本文還注意到，S5和S6均具有NNW-SSE的節(jié)面優(yōu)勢(shì)方向，斷面傾角基本分布在30°～70°，且這些地區(qū)的地震以逆沖型為主以及具有較大逆沖分量(圖6和圖8).NNW向展布的虎牙斷裂構(gòu)成了岷山隆起的東邊界，其北段傾角為40°～80°，向北可能隱伏延伸與東昆侖斷裂相接，而南段傾角為30°～70°(任俊杰等，2017；季靈運(yùn)等，2017; Han et al., 2018).歷史地震震源機(jī)制解顯示，虎牙斷裂由北向南左旋走滑分量減小而逆沖分量增大(Jones et al., 1984; 楊宜海等，2017；易桂喜等，2017；梁姍姍等，2018).因此結(jié)合節(jié)面參數(shù)統(tǒng)計(jì)本文推測(cè)，汶川地震引發(fā)了虎牙斷裂南端的地震活動(dòng)，S5—S6的逆沖型地震主要發(fā)生在虎牙斷裂南端.

2.2.5P、T軸的分段性特征

震源機(jī)制解還提供了地球內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的重要信息，其P軸和T軸反映了地震前后震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的變化，是實(shí)際應(yīng)力減去流體靜壓力后得到的偏應(yīng)力，分別與最大/最小主壓應(yīng)力軸成一定角度.如果對(duì)一個(gè)地區(qū)許多地震的P軸和T軸方向作統(tǒng)計(jì)平均，則有可能獲得該地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力方向(陳運(yùn)泰和顧浩鼎，2012).

圖9給出了各分段P軸和T軸的下半球赤平投影圖.總體上各分段P軸和T軸分別呈低傾角和高傾角特征，但應(yīng)力方向呈現(xiàn)復(fù)雜變化.S1的P軸和T軸分布簡(jiǎn)單清晰，優(yōu)勢(shì)方位分別垂直和平行于山前隱伏斷裂的走向，反映了典型的逆斷層應(yīng)力特征.S2—S4的P軸和T軸總體上與S1的特征相似，但分布相對(duì)離散.S5的P軸方位非常離散，S6的P軸和T軸優(yōu)勢(shì)方位分別近平行和垂直于龍門(mén)山斷裂帶走向，而S7的P軸總體近垂直于龍門(mén)山斷裂帶走向.S8—S9的P軸優(yōu)勢(shì)方位均與龍門(mén)山斷裂帶走向呈小角度斜交，而T軸分布比較離散.理縣斷裂的P軸和T軸均具有低傾角特征，其中P軸與斷裂走向呈小角度斜交，反映了左旋走滑斷層的應(yīng)力特征.

3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

3.1 方法

利用震源機(jī)制反演應(yīng)力張量可分為力軸張量法和滑動(dòng)方向擬合法，前者通過(guò)把地震釋放的矩張量疊加求取應(yīng)力張量(如盛書(shū)中等，2013)，而后者通過(guò)擬合最大剪應(yīng)力方向與斷層滑動(dòng)方向以求取應(yīng)力張量(如Gephart and Forsyth, 1984; Wan et al., 2016；李振月等，2020; Sheng and Meng, 2020).

Hardebeck和Michael(2006)提出了一種基于阻尼線性反演的滑動(dòng)方向擬合方法，近年來(lái)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究中(如Lin et al., 2017; Yang et al., 2017; 楊佳佳等，2018；Li et al., 2019; Luo et al., 2019).該方法假定每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的應(yīng)力是均勻的，相鄰網(wǎng)格之間的應(yīng)力不存在顯著變化，且斷層的滑動(dòng)方向與斷層面上的剪切應(yīng)力方向一致.具體處理時(shí)，首先將研究區(qū)域劃分為相同大小的多個(gè)網(wǎng)格，然后把所有震源機(jī)制解分配到最近的網(wǎng)格內(nèi).該方法采用阻尼最小二乘求解區(qū)域尺度的應(yīng)力模型，反演問(wèn)題由下式給出：

(4)

其中G為斷層法向量導(dǎo)出的矩陣；D為多個(gè)單位矩陣構(gòu)成的阻尼矩陣，用以最小化相鄰網(wǎng)格應(yīng)力張量的差異；m為應(yīng)力張量矩陣；d為滑動(dòng)矢量各分量構(gòu)成的矩陣；e為標(biāo)量阻尼系數(shù)，在最小化過(guò)程中控制數(shù)據(jù)殘差與模型長(zhǎng)度的相對(duì)權(quán)重.反演的不確定性通過(guò)對(duì)全部數(shù)據(jù)的bootstrap方法估算(Michael, 1987).

圖9 龍門(mén)山斷裂帶9個(gè)分段及理縣斷裂P軸和T軸的赤平投影圖圖中紅色和藍(lán)色圓點(diǎn)分別表示P軸和T軸投影.Fig.9 Stereomaps of P and T axes in the 9 sections of Longmenshan fault and the Lixian faultThe red and blue dots indicate the projections of P and T axes, respectively.

利用震源機(jī)制解反演的應(yīng)力張量矩陣，可以計(jì)算三個(gè)主應(yīng)力的方向和相對(duì)大小，基于此可以求得反映相對(duì)應(yīng)力大小的應(yīng)力形因子(R值，Gephart and Forsyth, 1984)：

(5)

其中S1，S2和S3分別為最大(σ1)、中間(σ2)和最小(σ3)主壓應(yīng)力值.R值的范圍為0～1：當(dāng)R=0時(shí)，σ3明確，σ2與σ1狀態(tài)一致，處于雙軸壓縮狀態(tài)，且σ2和σ1在與σ3垂直的平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)；當(dāng)R=0.5時(shí)，σ1和σ3明確；當(dāng)R=1時(shí)，σ1明確，σ2與σ3狀態(tài)一致，處于雙軸拉張狀態(tài)，且σ2和σ3在與σ1垂直的平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn).通常的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究往往對(duì)應(yīng)力方向比較關(guān)注，實(shí)際上斷層面破裂的可能情況不僅與應(yīng)力主軸的空間方位有關(guān)，而且與三個(gè)主軸間的相對(duì)大小有關(guān)，因此R值在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分析中也具有非常重要的作用(萬(wàn)永革等，2011；萬(wàn)永革，2015).

在本研究中，設(shè)置的網(wǎng)格大小為0.1°×0.1°，網(wǎng)格內(nèi)震源機(jī)制解的最小個(gè)數(shù)為5個(gè)，bootstrap抽樣次數(shù)為2000次，置信度為95%.圖10給出了劃分的各網(wǎng)格震源機(jī)制解的個(gè)數(shù)，其中近一半網(wǎng)格包含10個(gè)以上的震源機(jī)制解.圖11展示了反演過(guò)程中根據(jù)給定的離散阻尼系數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)擬合誤差和模型長(zhǎng)度間相關(guān)性來(lái)選取最優(yōu)阻尼參數(shù)的過(guò)程，如圖所示本研究反演選取的最佳阻尼系數(shù)為1.1.

圖10 本文反演的震源機(jī)制解按0.1°×0.1°劃分的網(wǎng)格分布圖中網(wǎng)格顏色表示網(wǎng)格內(nèi)的震源機(jī)制解個(gè)數(shù).Fig.10 The grid distributions of 0.1°×0.1° spacing divided by determined focal mechanism solutionsThe color in each grid indicates the number of focal mechanisms assigned to the grid.

圖11 阻尼線性反演中數(shù)據(jù)擬合誤差和模型長(zhǎng)度的折中曲線圖中圓圈表示不同阻尼系數(shù)下計(jì)算的結(jié)果. 十字表示最佳阻尼系數(shù)，上方數(shù)字為最佳阻尼值.Fig.11 The trade-off curve between data misfit and model lengthThe circle indicates the result corresponding to each damping parameter. The number indicates the optimal value of damping parameter marked by the cross.

大震后震源區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)既可能受控于統(tǒng)一的應(yīng)力場(chǎng)作用(Polat et al., 2002)，也可能變的不均勻(Hardebeck et al., 1998).盛書(shū)中和萬(wàn)永革(2012)利用汶川地震的余震震源機(jī)制解反演得到的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算出主震理論震源機(jī)制解與實(shí)際主震震源機(jī)制解一致，說(shuō)明震后應(yīng)力場(chǎng)與震前應(yīng)力場(chǎng)是相似的.此外，Yang等(2018)通過(guò)對(duì)2008年9月前后(汶川地震序列中6級(jí)以上強(qiáng)余震全部發(fā)生2008年9月之前)龍門(mén)山斷裂帶的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最大主壓應(yīng)力只在極個(gè)別網(wǎng)格發(fā)生了變化，不影響區(qū)域尺度的應(yīng)力場(chǎng)分析.因此，本文在研究構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)時(shí)忽略了主震的影響，采用全部震源機(jī)制解反演了龍門(mén)山斷裂帶的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng).

3.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分段性特征

3.2.1 反演結(jié)果

圖12給出了利用各分段的震源機(jī)制解反演的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng).從圖中可以看出，由南向北從S1到S3，σ1方向呈連續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；而σ1方向從S5和S8向南北兩側(cè)均分別呈現(xiàn)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).S1、S5—S7的R值約為0.5左右，表明三個(gè)主應(yīng)力軸方向明確，應(yīng)力環(huán)境簡(jiǎn)單清晰；S2—S4的R值均大于0.8，表明σ1方向明確而σ2和σ3在垂直σ1的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，這些地區(qū)以NWW-SEE或E-W向的近水平擠壓作用為主導(dǎo)；而S9的R值僅為0.22，表明σ3方向較明確而σ1和σ2在垂直σ3的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，該地區(qū)以近N-S向的近水平拉張作用為主導(dǎo)；S8的R值為0.72，與兩側(cè)的S7和S9均存在較大差異，反映了S7—S9一帶復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)變化.值得注意的是，理縣斷裂的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與S3存在較大差異.綜上所述，龍門(mén)山斷裂帶的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)存在明顯的分段性特征，總體上S2—S4以NWW-SEE向的近水平擠壓作用為主導(dǎo)，其南北兩側(cè)S1和S5—S7的三個(gè)主應(yīng)力軸基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，S8和S9則分別受NWW-SEE向的近水平擠壓和N-S向的近似水平拉張作用控制.

老區(qū)革命紀(jì)念館的發(fā)展一定要在發(fā)揮紅色資源的同時(shí)依據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況，定位清晰，統(tǒng)一思想。革命紀(jì)念館只有負(fù)重拼搏,與時(shí)俱進(jìn),紅色旅游才將成為革命紀(jì)念館更快發(fā)展的強(qiáng)勁推動(dòng)力。

圖13給出了反演的0.1°×0.1°構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，為了更直觀展示R值分布，對(duì)反演的各網(wǎng)格R值采用張力樣條函數(shù)進(jìn)行插值成像，張力因子設(shè)為0，取最小曲率解.從圖中可以看出，σ1在絕大部分地區(qū)的傾伏角較低(<30°)，在S9和四川盆地的部分網(wǎng)格傾伏角在30°以上，體現(xiàn)了以近水平的擠壓作用為主.與σ1傾伏角特征截然相反，σ3傾伏角在絕大部分地區(qū)大于60°，在S9和四川盆地的部分網(wǎng)格網(wǎng)格傾伏角較低，總體上呈高角度的拉張作用.由此可見(jiàn)，σ1和σ3的傾伏角分布反映了龍門(mén)山斷裂帶以逆沖為主的斷層運(yùn)動(dòng)特征.

從應(yīng)力方向而言，σ1和σ3方向呈現(xiàn)明顯的橫向變化，且與震源機(jī)制劃分的分段邊界吻合較好.其中σ1和σ3在S1呈NWW-SEE和NNE-SSW向，分別垂直和平行于山前隱伏斷裂的走向，符合逆斷層的應(yīng)力特征.S2的σ1和σ3出現(xiàn)小幅逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩者分別與龍門(mén)山斷裂帶走向呈高角度和小角度斜交，反映了逆沖兼少量右旋走滑的斷層運(yùn)動(dòng).S3的σ1為NEE-SWW至近E-W向，σ3為NWW-SEE至近N-S向，與龍門(mén)山斷裂帶和理縣斷裂均以一定角度斜交，反映兩者分別具有右旋和左旋走滑的斷層運(yùn)動(dòng).

S4—S6各段σ1分別呈NWW-SEE、近E-W和NEE-SWW向，在S5的部分地區(qū)還呈NEE-SWW向.由此可見(jiàn)，σ1從S5向南北兩側(cè)分別具有順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征.此外，虎牙斷裂南端兩側(cè)的σ1和σ3與虎牙斷裂走向分別為近似垂直和小角度斜交關(guān)系，符合逆斷層的應(yīng)力特征.因此，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果支持汶川地震引起了虎牙斷裂南端逆沖型地震活動(dòng)的推測(cè)(2.2.4節(jié)).

圖12 本文分段反演的龍門(mén)山斷裂帶的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)圖中紅色、綠色和藍(lán)色圓點(diǎn)分別表示95%置信度下σ1、σ2和σ3的不確定范圍，白色加號(hào)表示主應(yīng)力軸的最優(yōu)解.Fig.12 Tectonic stress filed of Longmenshan fault inverted by segmentsThe red, green and blue dots indicate the confidence ranges of σ1,σ2 and σ3 with confidence level of 95%, and the white crosses indicate the optimal solutions for principal stress axes.

圖13 本文0.1°×0.1°網(wǎng)格反演的龍門(mén)山斷裂帶的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和汶川地震地表破裂帶(據(jù)Xu et al., 2009)圖中黑色和白色短棒分別表示最大和最小主壓應(yīng)力. 短棒的方向和長(zhǎng)度分別表示應(yīng)力的方向和傾伏角. 網(wǎng)格顏色表示R值. 紅色線條表示汶川地震地表破裂帶.Fig.13 Distribution of the inverted tectonic stress filed of Longmenshan fault with grid spacing of 0.1°×0.1° and the surface ruptures caused by the 2008 Wenchuan earthquake (after Xu et al., 2009)The black and white short bars indicate the maximum and minimum compressive stresses, respectively. The direction and length of short bar indicate the direction and plunge of the stress, respectively. The grid colors show the stress shape ratio. The red lines indicate the surface ruptures.

圖14 龍門(mén)山斷裂帶及鄰區(qū)的最大主應(yīng)變率、最大主壓應(yīng)力與16 km深度的S波速度分布圖中最大主應(yīng)變率由GPS數(shù)據(jù)(Zhang et al., 2004)利用SSPX程序(Cardozo and Allmendinger, 2009)計(jì)算得到，龍門(mén)山斷裂帶鄰區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)來(lái)自Yang等(2018)，S波速度來(lái)自Wang等(2015).Fig.14 The maximum principal strain rate, maximum compressive stresses and S-wave velocities in the 16 km depth in the Longmenshan fault and its adjacent regionThe maximum principal strain rate is calculated from SSPX program (Cardozo and Allmendinger, 2009) using GPS observation data (Zhang et al., 2004). Tectonic stress field in the adjacent region of Longmenshan fault is after Yang et al., 2018, and S-wave velocity is after Wang et al., 2015.

圖15 龍門(mén)山斷裂帶及鄰區(qū)的二維及三維現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模型Fig.15 The two- and three- dimensional models of present-day tectonic stress field in the Longmenshan fault and its adjacent region

S7—S9各段σ1分別呈NNW-SSE、NWW-SEE和近E-W向，其中S8—S9的σ1與龍門(mén)山斷裂帶走向呈小角度斜交，與該地區(qū)以走滑型地震為主相吻合(圖6)；而S9的σ1具有較高的應(yīng)力傾角，因此S9的走滑分量明顯小于S8(圖6).考慮到S8和S9分別還具有數(shù)量可觀的逆沖型(22%)和正斷型地震(27%)，而這些地區(qū)σ1與龍門(mén)山斷裂帶走向均為小角度斜交，由此推測(cè)S8—S9存在走向近N-S向、明顯偏離龍門(mén)山斷裂帶走向的隱伏斷裂，這與前文對(duì)斷面結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果一致(2.2.4節(jié)).此外，與S5類(lèi)似，σ1從S8向南北兩側(cè)分別具有順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征.

從R值成像結(jié)果來(lái)看，各分段R值的總體特征與分段反演結(jié)果基本一致(圖12)，但在部分分段，如S5—S7，R值沿?cái)嗔褞A向發(fā)生明顯變化，且大致以中央斷裂為界，表明龍門(mén)山斷裂帶的應(yīng)力狀態(tài)還存在局部的分帶性特征.

3.2.2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與同震地表破裂的關(guān)系

結(jié)合本文構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在以逆沖推覆/擠壓破裂為主的地區(qū)，σ1與斷裂帶走向垂直或高角度斜交，而σ3與斷裂帶走向近似平行，符合逆斷層的應(yīng)力特征；而在以走滑破裂為主的地區(qū)，σ1和σ3與斷裂帶走向均呈一定角度斜交，符合走滑斷層的應(yīng)力特征(圖13).由此可見(jiàn)，本文獲取的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)所反映的斷層應(yīng)力特征與地震地表破裂的力學(xué)性質(zhì)具有很好的一致性，汶川地震地表破裂主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制.

3.2.3 龍門(mén)山斷裂帶的現(xiàn)代動(dòng)力學(xué)特征

利用GPS觀測(cè)資料計(jì)算的最大主應(yīng)變率發(fā)現(xiàn)，川西高原的最大主應(yīng)變率由南向北逐漸減小，且方向由NWW-SEE向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為近E-W向，表明川西高原朝SE方向變形速率逐漸減小，因此在川西高原內(nèi)部形成了一系列左旋走滑斷裂，如馬爾康斷裂和米亞羅斷裂(圖14).根據(jù)川西高原的σ1分布，結(jié)合前人研究結(jié)果(王曉山等, 2015; Han et al., 2019)發(fā)現(xiàn)，川西高原的σ1方向由南向北亦呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分布，由NWW-SEE向旋轉(zhuǎn)為近E-W向(圖14).由此可以看出，川西高原σ1方向與最大主應(yīng)變方向具有很好的一致性，表明地表和上地殼為耦合變形，主要受到印度板塊對(duì)歐亞大陸板塊的擠壓碰撞作用.川西高原逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致龍門(mén)山斷裂帶的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生了復(fù)雜響應(yīng)，圖15給出了龍門(mén)山斷裂帶及鄰區(qū)的二維及三維現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模型，主要有以下四點(diǎn)特征：

(1)σ1以垂直和高角度斜交方向分別對(duì)S1和S2的斷裂帶進(jìn)行擠壓，必然導(dǎo)致位于兩者之間的汶川—蘆山地震空區(qū)受到沿?cái)鄬拥睦瓘埛至孔饔?地震層析成像及接收函數(shù)成像均發(fā)現(xiàn)汶川—蘆山地震空區(qū)呈明顯的低速異常(圖14；Pei et al., 2014; Wang et al., 2015; Liu et al., 2018)，因此可以推測(cè)橫向拉張作用造成了地震空區(qū)的地殼撕裂和地幔物質(zhì)上涌(圖15)，形變以塑性變形為主而難以積累形成大地震(梁春濤等，2018).

(2)米亞羅斷裂南北兩側(cè)分別以NWW-SEE向和近E-W向?qū)堥T(mén)山斷裂帶進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致龍門(mén)山斷裂帶的相應(yīng)位置具有不同的逆沖分量(縮短量)，且南側(cè)大于北側(cè)(李振月等，2019)，因此在S3形成了具有左旋走滑性質(zhì)的理縣斷裂，其本質(zhì)是擠壓逆沖構(gòu)造帶中調(diào)節(jié)兩側(cè)具有不同縮短量的捩斷裂(鄧起東等，2011).

(3)近E-W向擠壓作用受到岷山隆起阻擋后，σ1方向在虎牙斷裂北段旋轉(zhuǎn)為NWW-SEE向，而在虎牙斷裂南端旋轉(zhuǎn)為與斷裂走向近垂直的NEE-SWW向，因此造成虎牙斷裂南端大量的逆沖型地震，同時(shí)該方向的σ1也會(huì)分別對(duì)龍門(mén)山斷裂帶和碧口地塊施加近NE-SW向擠壓作用和右旋走滑作用(圖15).

(4)S8主要受到來(lái)自虎牙斷裂北段NWW-SEE向擠壓控制，該擠壓作用同時(shí)造成σ1在S8兩側(cè)的S7和S9分別出現(xiàn)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).由于碧口地塊和S8—S9的σ1存在顯著差異，導(dǎo)致S8—S9產(chǎn)生了NNE-SSW向展布的隱伏活動(dòng)斷裂(圖15).盡管該斷裂與理縣斷裂類(lèi)似，并未出露到地表，但是從汶川余震序列的重定位結(jié)果來(lái)看(鄧起東等, 2011；Zhao et al., 2011)，該斷裂已成為S8—S9一帶的主要活動(dòng)斷裂.

此外還需指出：(1)汶川余震序列重定位及龍門(mén)山最新地震活動(dòng)特征研究均顯示，位于理縣斷裂、虎牙斷裂南端和S8—S9的隱伏活動(dòng)斷裂附近的地震活動(dòng)普遍具有更淺的震源深度(黃媛等，2008；Zhao et al.，2011；劉小梅等，2019)，為這三條斷裂的存在及參與龍門(mén)山的地震活動(dòng)提供了一定依據(jù).(2)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究普遍發(fā)現(xiàn)，龍門(mén)山斷裂帶的局部地區(qū)存在上地殼與中下地殼的應(yīng)力解耦(如Yang et al., 2017; 豐成君等，2018；Luo et al., 2019; Feng et al., 2020)，為上地殼發(fā)生撕裂導(dǎo)致龍門(mén)山雜巖體出露地表的推測(cè)提供了動(dòng)力來(lái)源.然而據(jù)Zhou等(2002)報(bào)道，多種分析研究表明，龍門(mén)山雜巖體出露地表的時(shí)間可能介于210～110 Ma；此外黃學(xué)猛和謝富仁(2009)認(rèn)為，喜馬拉雅期龍門(mén)山斷裂帶的大面積抬升和大規(guī)模推覆作用，導(dǎo)致推覆體上隆而受到剝蝕，從而使得基底雜巖得以暴露于地表.因此，僅僅根據(jù)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)信息難以確定龍門(mén)山基底雜巖出露地表的機(jī)制.

3.2.4 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與龍門(mén)山的隆升機(jī)制

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于青藏高原隆升擴(kuò)展機(jī)制的探討提出了許多模型，包括側(cè)向逃逸(如Tapponnier et al., 1982)和下地殼流(如Clark and Royden, 2000)兩個(gè)端元模型.前者認(rèn)為形變主要集中在塊體邊界的活動(dòng)斷裂上；而后者認(rèn)為形變廣泛發(fā)生在塊體內(nèi)部，粘性物質(zhì)在中下地殼聚集增厚，導(dǎo)致上地殼發(fā)生明顯抬升.龍門(mén)山位于青藏高原隆升擴(kuò)展的前沿地帶，準(zhǔn)確理解其隆升機(jī)制有助于提升對(duì)青藏高原隆升擴(kuò)展機(jī)制的認(rèn)識(shí).

根據(jù)本文結(jié)果，σ1方向在整個(gè)龍門(mén)山斷裂帶存在廣泛的橫向變化，且σ1傾伏角基本在30°以內(nèi)，表明龍門(mén)山斷裂帶的上地殼主要受近水平的擠壓應(yīng)力控制(圖13).在下地殼流模型中，上地殼在中下地殼粘性物質(zhì)的作用下發(fā)生大幅的垂向抬升而非橫向移動(dòng)(Hubbard and Shaw, 2009)，據(jù)此可知，上地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不會(huì)發(fā)生明顯的橫向變化.此外，如果下地殼流在龍門(mén)山下方聚集增厚而導(dǎo)致上地殼明顯的垂直抬升，從而造成龍門(mén)山整體抬升，那么上地殼應(yīng)該受到高傾角的擠壓應(yīng)力作用.然而本文結(jié)果與以上兩點(diǎn)推測(cè)相矛盾，因此從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的角度而言，本文結(jié)果不支持下地殼流模型.

根據(jù)GPS和GRACE數(shù)據(jù)獲取的地殼垂直形變場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，龍門(mén)山南段現(xiàn)今的垂直抬升速率是北段的數(shù)倍(Pan et al., 2018).從地形地貌而言，龍門(mén)山南段具有青藏高原周邊最陡峭的地形梯度，向北龍門(mén)山與四川盆地的分界逐漸模糊.這些明顯差異與σ1的方向變化相吻合：龍門(mén)山南段σ1與斷裂帶走向垂直或高角度斜交，而龍門(mén)山北段σ1與斷裂帶走向基本為小角度斜交.由此我們推測(cè)龍門(mén)山的隆升與上地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān)，或者說(shuō)，主要受上地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制：龍門(mén)山斷裂帶S1—S4的NWW-SEE向擠壓作用導(dǎo)致上地殼縮短增厚，從而造成該地區(qū)現(xiàn)今仍在以較快速率抬升；從S5向北由于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹EE-SWW、近E-W向擠壓作用或近N-S向拉張作用，因此這些地區(qū)的地表抬升速率明顯減弱.

4 討論

除引言所介紹的震源機(jī)制研究，不少學(xué)者還從地質(zhì)構(gòu)造、地層發(fā)育特征、地應(yīng)力及各向異性等方面開(kāi)展了研究.如陳國(guó)光等(2007)根據(jù)地貌、地質(zhì)構(gòu)造、布格重力異常和地震活動(dòng)等資料對(duì)龍門(mén)山斷裂帶第四紀(jì)活動(dòng)分段進(jìn)行了研究，以虎牙斷裂和擂東斷裂將龍門(mén)山斷裂帶劃分為東北段和西南段；李智武等(2008)從基底、地層發(fā)育特征及演化歷史等方面以北川—安縣和臥龍—懷遠(yuǎn)將龍門(mén)山斷裂帶分為北段、中段和南段；孟文等(2013)根據(jù)地應(yīng)力資料提出以區(qū)段分界的觀點(diǎn)，以茂縣—北川區(qū)段和大邑—映秀區(qū)段為界將龍門(mén)山斷裂帶劃分為北段、中段和南段，且中段起承接轉(zhuǎn)換的作用；近震S波分裂研究根據(jù)快波優(yōu)勢(shì)偏振方向特征，以安縣和蘆山地震為界將龍門(mén)山斷裂帶劃分為北端、北東段、西南段、以及蘆山地震以南四個(gè)區(qū)(石玉濤等，2013；高原等,2013,2018).

本文通過(guò)分析不同地震類(lèi)型隨走向的變化趨勢(shì)對(duì)龍門(mén)山斷裂帶進(jìn)行分段，并從地震類(lèi)型、斷面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等角度探討龍門(mén)山斷裂帶的分段性特征.根據(jù)此前大量地震定位結(jié)果及本文震源機(jī)制解(如黃媛等，2008；Zhao et al.，2011；劉小梅等，2019)，龍門(mén)山斷裂帶的地震主要分布在10～20 km深度范圍，因此本文震源機(jī)制解主要反映的是這一深度范圍的斷面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等信息.實(shí)際上從圖14可以看出，在本文劃分的大部分邊界上，龍門(mén)山斷裂帶的上地殼S波速度均出現(xiàn)明顯變化.

但是需要指出，龍門(mén)山斷裂帶的形成與發(fā)展經(jīng)歷了印支期和喜馬拉雅期兩大地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期，其構(gòu)造演化過(guò)程非常復(fù)雜，且震源機(jī)制資料反映的是斷面結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)信息，本文的劃分結(jié)果必然難以與地形地貌、深部物質(zhì)組成或動(dòng)力過(guò)程等完全對(duì)應(yīng).此外，由于本文利用震源機(jī)制解研究龍門(mén)山斷裂帶的分段性特征，因此研究范圍受限于龍門(mén)山斷裂帶的地震分布.在龍門(mén)山斷裂帶NE端、SW端以及汶川—蘆山地震空區(qū)等地震活動(dòng)極弱的地區(qū)，由于無(wú)法獲得足夠數(shù)量的震源機(jī)制解，因此無(wú)法從震源機(jī)制解的角度判斷這些區(qū)域與本文劃分的9個(gè)分段間的關(guān)系.

5 結(jié)論

利用汶川地震后近10年的地震波形數(shù)據(jù)反演了龍門(mén)山斷裂帶的密集震源機(jī)制解及高分辨率構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng).通過(guò)分析不同地震類(lèi)型的數(shù)量沿龍門(mén)山斷裂帶走向的變化趨勢(shì)，將龍門(mén)山斷裂帶的密集震源區(qū)劃分為9段，從地震類(lèi)型、斷面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等角度的分段性特征研究主要取得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和結(jié)論：

(1)地震類(lèi)型存在明顯的分段性特征.其中S1的逆沖型地震比例最高，S8的走滑型地震比例最高，S9的正斷型地震比例最高.汶川地震后龍門(mén)山斷裂帶可能存在差異性斷層調(diào)整運(yùn)動(dòng)，且余震晚期沿?cái)嗔褞ё呦蚱毡榇嬖趹?yīng)力的補(bǔ)充和協(xié)調(diào)，蘆山地震的發(fā)生可能還對(duì)S2造成了應(yīng)力擾動(dòng).汶川主震附近及余震區(qū)遠(yuǎn)端經(jīng)歷了更長(zhǎng)的震后調(diào)整過(guò)程，且余震區(qū)遠(yuǎn)端S9具有更復(fù)雜、強(qiáng)度更高的震后調(diào)整過(guò)程.

(2)斷面結(jié)構(gòu)存在明顯的分段性特征.斷面結(jié)構(gòu)揭示汶川主震附近和余震區(qū)遠(yuǎn)端的隱伏斷裂，以及虎牙斷裂南端參與了汶川余震活動(dòng).斷面傾角與走滑分量具有較好的一致性，在具有明顯逆沖分量的分段斷面傾角主要分布在50°～70°，而在具有明顯走滑分量的分段斷面傾角基本在60°以上，且斷面傾角增大與汶川余震帶寬度收縮變窄相吻合.

(3)龍門(mén)山斷裂帶的應(yīng)力環(huán)境非常復(fù)雜.σ1方向的分段性差異導(dǎo)致了汶川—蘆山地震空區(qū)的地殼撕裂和地幔物質(zhì)上涌、汶川主震附近和余震區(qū)遠(yuǎn)端的隱伏斷裂活動(dòng)以及虎牙斷裂南端的大量逆沖型地震.結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與大地測(cè)量資料認(rèn)為，龍門(mén)山的隆升主要是受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的上地殼縮短增厚所致.

致謝中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(doi: 10.11998/SeisDmc/SN)和四川地震臺(tái)網(wǎng)為本研究提供了地震波形數(shù)據(jù)，震源機(jī)制反演程序來(lái)自CPS程序包(Herrmann, 2013)，應(yīng)力張量反演程序來(lái)自MSATSI程序包(Martínez-Garzón, et al., 2014)，四川省地震局易桂喜研究員提供了汶川和蘆山地震序列震源機(jī)制解，意大利國(guó)家地球物理與火山研究所Mimmo Palano研究員提供了震源機(jī)制三角形圖解的繪圖代碼，防災(zāi)科技學(xué)院萬(wàn)永革教授和東華理工大學(xué)盛書(shū)中副教授在本文寫(xiě)作過(guò)程中給予了多次指導(dǎo)，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心孫玉軍研究員、雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司柳存喜工程師、中國(guó)地震局地球物理研究所李佳威博士和成都理工大學(xué)王亮博士提供了幫助，文中大部分圖件采用GMT繪制(Wessel and Smith, 1995)，兩位審稿人對(duì)本文提出了寶貴意見(jiàn)，作者在此深表謝意！

附錄A1

搜集了易桂喜等(2012，2016)采用CAP方法反演的震源機(jī)制解(與本文相同事件321個(gè))，并統(tǒng)計(jì)了與本文的震源機(jī)制解各參數(shù)的誤差，如圖A1所示.從圖中可以看出，走向、傾角和滑動(dòng)角差異主要分布在20°以內(nèi)；主壓應(yīng)力軸(P軸)方位角和傾伏角的差異主要在15°和10°以內(nèi)；主張應(yīng)力軸(T軸)方位角和傾伏角的差異主要20°以內(nèi)；矩心深度差異主要分布在-10～2 km范圍，其中大多數(shù)差異為-4～-1 km；矩震級(jí)差異范圍為-0.25～0.1，主要差異為-0.1～0.總體而言，兩者對(duì)相同事件的反演結(jié)果基本接近.

圖A1 本文與易桂喜等(2012，2016)反演的相同震源機(jī)制解誤差統(tǒng)計(jì)圖Fig.A1 Statistical figure of the differences of focal mechanisms determined by Yi et al., (2012,2016) and this study

附錄A2

給定一個(gè)模型：在30 km的長(zhǎng)度上，某類(lèi)型震源機(jī)制的數(shù)量呈分段性分布，如圖A2a所示.然后假定該模型的分段性未知，采用不同寬度(1～5 km)的滑動(dòng)窗，使其右端點(diǎn)從0 km處以1 km的滑動(dòng)步長(zhǎng)向距離增大的方向進(jìn)行滑動(dòng)掃描.以滑動(dòng)窗右端點(diǎn)為橫軸，以該位置下窗口內(nèi)震源機(jī)制數(shù)量為縱軸，作出震源機(jī)制數(shù)量隨距離的變化曲線，如圖A2b所示.從圖中可以看出，滑動(dòng)窗的寬度≤模型的分段寬度時(shí)，震源機(jī)制數(shù)量發(fā)生明顯變化時(shí)(即變化曲線向上或向下突然彎曲)滑動(dòng)窗右端點(diǎn)的位置與模型的分段邊界吻合一致.

圖A2 假定的模型(a)與采用不同寬度的滑動(dòng)窗掃描的震源機(jī)制數(shù)量隨距離的變化曲線(b)圖中虛線表示模型的分段邊界. 圖b中從下至上5條曲線分別對(duì)應(yīng)窗口寬度為1～5 km的滑動(dòng)窗掃描結(jié)果.Fig.A2 The given model (a) and the curves of the counts of focal mechanism with distance by the slide windows of different widths (b)The dashed lines indicate the segment boundaries of the given model. The 5 curves from bottom to top in fig.b are corresponding to the results of slide windows with the width of 1～5 km, respectively.