2017年8月8日九寨溝MS 7.0地震序列分析

臧陽 孟令媛 周龍泉 韓顏顏 宮悅

1）中國地震局地球物理研究所，北京市海淀區(qū)民族大學南路5號 100081

2）中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

3）四川省地震局，成都 610041

0 引言

2017年8月8日21時19分，四川省阿壩州九寨溝縣（33.2°N，103.8°E）發(fā)生MS7.0地震，震源深度20km。震中距九寨溝縣城35km，距阿壩州政府210km，距成都市290km，距甘肅隴南市100km。四川、甘肅、青海、寧夏、陜西等多省有明顯震感，局部地區(qū)較為強烈。阿壩州地貌錯綜復雜，震區(qū)50km范圍內(nèi)人口密度為9人/km2，截至8月14日10時地震共造成25人死亡，525人受傷，近 100間房屋倒塌，5400余間嚴重損壞，6.7萬間一般損壞（http：//www.mca.gov.cn/article/yw jzjzzqkbzqhz201708/20170800005460.shtm l）。

九寨溝MS7.0地震發(fā)生在巴顏喀喇塊體的東北邊界，巴顏喀喇塊體是青藏高原中部一個SEE方向延伸的長條形次級塊體，其南北邊界均為走滑斷裂，北緣斷裂為具有左旋走滑性質(zhì)的東昆侖斷裂，巴顏喀喇塊體運動學特征為向SE方向滑移（鄧起東等，2014），東邊界受到強烈的擠壓作用，東邊界南側(cè)2008年曾發(fā)生汶川MS8.0大地震。九寨溝地震發(fā)生在巴顏喀喇塊體北側(cè)左旋運動向東側(cè)逆沖運動的過渡區(qū)域，地震發(fā)生后沒有觀察到明顯的地表破裂帶，發(fā)震斷裂推測為東昆侖斷裂向南延伸的分支斷裂——樹正斷裂，該發(fā)震斷裂走向為NNW向，與南側(cè)的虎牙斷裂近平行。周邊100km范圍內(nèi)1900年以來共發(fā)生5次6級以上地震（圖1），其中，7級以上地震2次，分別為1976年8月22、23日發(fā)生在虎牙斷裂上的松潘-平武2次7.2級地震，距離最近的為1973年松潘6.5級地震，該地震震中位于1976年松潘-平武7.2級震群和九寨溝7.0級地震之間。

圖1 九寨溝MS 7.0地震震中、余震分布、以及周邊歷史地震

1 九寨溝地震序列

圖1中的紅色圓圈為九寨溝地震序列中ML≥1.0余震，其整體沿NNW方向展布，主震位于余震區(qū)中心位置，該次地震為典型的雙側(cè)破裂，余震區(qū)寬度較為狹窄，推測發(fā)震斷裂近于直立。圖2為ML≥3.0余震沿斷層破裂方向（圖1中直線PP′）的投影位置。由圖2可見，在主震后3天時間內(nèi)，主震兩側(cè)均有ML≥3.0余震發(fā)生，8月12～23日的11天時間內(nèi)，序列中ML≥3.0余震均位于主震南側(cè)，主震北側(cè)無ML≥3.0余震發(fā)生，8月23日后主震北側(cè)開始出現(xiàn)ML≥3.0余震。

圖2 2017年8月8～30日九寨溝地震序列中ML≥3.0余震沿斷裂方向的分布

圖3 九寨溝地震序列M-t圖

圖3為九寨溝地震序列M-t圖。由圖3可見，九寨溝MS7.0地震發(fā)生后余震活動水平整體偏低，第 1個ML≥4.0的余震發(fā)生在主震后 3h，即 8月 9日 0時 35分的ML4.0地震（表1），在主震發(fā)生后近13h內(nèi)無MS≥4.0余震發(fā)生。截至10月31日，序列最大余震為8月9日10時17分發(fā)生的MS4.8地震，截至 8月30日12時，序列共發(fā)生ML1.0～1.9地震2373次，ML2.0～2.9地震 516次，ML3.0～3.9地震 70次，ML4.0～4.9地震 13次，ML5.0～5.9地震1次，即8月9日最大余震ML5.2（MS4.8）地震。

表 1 九寨溝MS 7.0地震序列ML≥4.0地震目錄

與大多數(shù)主震震級為MS7.0的地震相比，九寨溝地震序列ML≥4.0余震個數(shù)僅為14次，明顯偏少。由圖3（c）可見，ML≥4.0余震主要集中在9日8～10時發(fā)生，即主震發(fā)生后10h內(nèi)余震區(qū)僅發(fā)生了2次ML≥4.0余震，表明主震發(fā)生后短時間內(nèi)余震釋放的能量較少，序列中ML≥4.0余震發(fā)生的時間間隔較長。谷繼成等（1979）對我國約50年時間內(nèi)發(fā)生的28次大地震的余震序列進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，對于主-余型地震序列，其強余震的等待時間，即2次強余震的時間間隔，與強余震的發(fā)生時間在對數(shù)坐標系下呈線性統(tǒng)計關系

其中，Δt為等待時間，A、B為常數(shù)。用該方法統(tǒng)計九寨溝MS7.0地震序列中ML≥4.0余震的等待時間與地震發(fā)生時間的關系，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，地震發(fā)生后短時間內(nèi)等待時間與發(fā)震時間并不滿足對數(shù)坐標系下的線性擬合關系，這主要是受地震發(fā)生短時間內(nèi)余震區(qū)缺少ML≥4.0余震的影響，在震后較長時間余震等待時間與發(fā)震時間逐漸恢復對數(shù)線性關系，逐漸符合主-余型序列的特征。

圖5給出了九寨溝MS7.0地震序列b、h值的計算結(jié)果。由圖5（a）九寨溝地震序列G-R關系的擬合結(jié)果可見，b值較高，為0.8，推測序列最大余震震級為ML5.5，與目前序列實際發(fā)生的最大余震震級大小相當（ML5.2）。h值為修正后的大森公式（劉正容，1984；劉正榮等，1979、1986）中地震頻度隨時間的衰減系數(shù)，當h值小于1時，從物理上可以理解為還有相當大的地震能量要釋放，在這種情況下則認為地震序列存在異常，即已發(fā)生的地震屬于前震。截至8月30日，序列h值計算結(jié)果為1.12，符合主-余型地震類型。

綜上所述，九寨溝MS7.0地震序列b、h值分別為0.84、1.12，可初步認為九寨溝地震序列的類型為主-余型。據(jù)蔣海昆等（2006b）對中國大陸7級以上地震序列的統(tǒng)計，在95%置信概率條件下，7級主-余型地震的最大余震震級范圍為MS4.8～6.5，平均約為MS5.6，截至 10月31日，九寨溝地震序列最大余震震級為MS4.8，盡管余震水平明顯低于平均值，但仍在統(tǒng)計結(jié)果范圍內(nèi)。

圖4 九寨溝地震序列ML≥4.0余震時間等待法線性擬合結(jié)果

圖5 2017年8月8～30日九寨溝MS 7.0地震序列 b、h值計算結(jié)果

2 周邊歷史地震序列

如圖1所示，1970年以來在九寨溝MS7.0地震震中100km范圍內(nèi)共發(fā)生6級以上地震4次，其中，3次均屬1976年松潘-平武震群型序列，即1976年8月16日7.2級、8月22日6.7級和8月23日7.2級地震，另外，1973年8月11日松潘附近發(fā)生1次6.5級地震。

2.1 1976年松潘-平武7.2級地震

1976年松潘-平武一帶發(fā)生2次7.2級地震，震中位于九寨溝MS7.0地震 SSE方向約70km附近。該地震序列發(fā)生在NNW走向的虎牙斷裂上，8月16日第1次7.2級地震發(fā)生后，震后3h的余震沿虎牙斷裂呈狹長帶狀分布，余震區(qū)長約30km。8月22日發(fā)生的6.7級地震“跳出”余震主體活動區(qū)，震中位于第1次7.2級地震余震區(qū)南側(cè)，余震分布呈NEE方向，余震長軸約12km。8月23日再次發(fā)生7.2級地震，地震位于22日6.7級地震SSE方向約15km處，為雙側(cè)破裂，走向與16日第1次7.2級地震近平行，余震區(qū)長軸20～25km（Jones et al，1984；程式等，1990）。

松潘-平武2次7.2級地震的震源機制解均為逆沖型，兼具一定左旋走滑分量，與虎牙斷裂的運動特征相一致（唐榮昌等，1981），其間8月22日發(fā)生的6.7級地震則為一次純逆沖型地震（周蕙蘭等，1985；刁桂苓等，1996；）。朱航等（2009）通過靜態(tài)庫侖應力計算研究了1976年松潘-平武3次6級以上地震之間的觸發(fā)關系，研究表明，第1次7.2級地震對隨后發(fā)生的6.7級地震存在應力觸發(fā)作用，而6.7級地震的發(fā)生又觸發(fā)了第2次7.2級地震。該結(jié)果與Jones等（1984）對1976年松潘-平武地震序列的研究結(jié)果相一致，其從應力傳遞角度解釋了1976年3次強震沿虎牙斷裂的遷移過程，其中，8月22日6.7級地震起到了較為關鍵的作用。

2.2 1973年松潘6.5級地震

1973年8月11日，四川省阿壩藏族自治州松潘縣黃龍鄉(xiāng)發(fā)生6.5級地震，震中位于2017年九寨溝MS7.0地震震中SSE方向約30km處，震區(qū)位于近SN向的岷江斷裂以東、EW向的雪山斷裂以北（圖1）。地震發(fā)生后，通過衛(wèi)星影像解譯以及野外地質(zhì)調(diào)查，均未在震中附近區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構(gòu)造。在6.5級主震發(fā)生前3個月，在震中附近南坪縣南側(cè)8月11日發(fā)生1次5.1級地震，1973年8月11日～1974年12月25日，共記錄到余震625次，其中，5.0～5.9級2次，4.0～4.9級12次，3.0～3.9級484次，最大震級余震為 1974年 1月16日5.8級地震，序列地震活動持續(xù)時間將近1.5年。

對該地震序列的類型判定存在一定異議，據(jù)蔣海昆等（2006a）對序列類型的研究，以序列中2次最大震級地震的震級差ΔM作為序列分類的判據(jù)，當ΔM≥2.5時為孤立型，0.6≤ΔM≤2.4時為主余型，ΔM＜0.6時為多震型，根據(jù)該判定標準，1973年松潘6.5級地震序列ΔM為0.7，屬于主-余型；而程式等（1990）認為，1973年松潘 6.5級地震序列主要由包括1973年5月8日5.1級地震在內(nèi)的4個5級以上地震組成，主震的能量在整個序列中約占57%，根據(jù)周蕙蘭等（1982）對序列類型的判定標準，即參考主震所釋放能量占全序列所釋放總能量的比例RE，當RE＜90%時為震群型，則1973年松潘6.5級地震符合震群型序列特征。

九寨溝MS7.0地震是發(fā)生在巴顏喀喇塊體東北邊界自1976年8月23日之后再次發(fā)生的1次7.0級地震，與1976年松潘-平武2次7.2級地震和1973年松潘6.5級地震不同，此次九寨溝地震震前周邊未出現(xiàn)4～5級中等地震活動，震后也無5級以上地震發(fā)生，序列的余震活動水平明顯偏弱，為此，本文進一步研究了九寨溝地震的震源特征。

3 震源參數(shù)特征

表2為各家研究機構(gòu)針對九寨溝MS7.0地震公布的震源參數(shù)結(jié)果，其中，矩震級的結(jié)果較為一致，均為MW6.5，震源機制解均顯示該地震為一次走滑型地震，結(jié)合余震分布能夠確定地震的破裂面走向為NNW。CENC和IGP震源機制解結(jié)果顯示，斷層傾向NE，傾角為48°～62°；USGS、IRIS和 GCMT震源機制結(jié)果顯示，斷層傾向 WS，傾角為 78°～84°。結(jié)合IGP的小震精定位結(jié)果以及余震展布較窄的特點，我們認為九寨溝地震為一次高傾角的走滑型地震。

表2 2017年九寨溝MS 7.0地震震源、斷層參數(shù)

IRIS給出了九寨溝地震的地震波輻射能ES為9.07×1013J，地震波輻射能是地震發(fā)生時以地震波形式傳播出去的能量，其與發(fā)震斷層破裂所消耗的能量ER以及斷層克服摩擦力所做的功Wf共同構(gòu)成了地震產(chǎn)生的總能量E，即

根據(jù)地震波輻射能與震級間的經(jīng)驗統(tǒng)計關系（Choy et al，1995），則有

1次MS7.0地震所產(chǎn)生的地震波輻射能理論計算結(jié)果為7.94×1014J，大于IRIS公布的實測結(jié)果。視應力σapp由 Wyss等（1968）最早提出，其定義式為

式中，ES為地震波輻射能，單位為 J；M0為地震矩，單位為 N·m；μ為介質(zhì)剪切模量，取值為μ=3×104MPa。σapp為視應力，指單位面積發(fā)震斷層上地震波平均輻射能量的大小，由于地震效率η恒小于等于1，視應力σapp可認為是平均應力的下限。USGS和GCMT公布的地震矩M0分別為7.228×1018、7.62×1018N·m。根據(jù)式（4）可計算得到九寨溝MS7.0地震的視應力σapp為 0.36～0.38MPa。

通常在不考慮破裂能的情況下，可將震源動態(tài)模型過程分為3種，即完全應力降模型、應力上調(diào)模型和應力下調(diào)模型等（Brune，1970；Savage et al，1971；Brune，1976；Smith et al，1991），比較摩擦應力與斷層面上終止剪切應力可判斷震源過程屬于應力上調(diào)模型還是應力下調(diào)模型，即

式中，Δσs為靜態(tài)應力降，對于不同運動性質(zhì)的斷層，靜態(tài)應力降 Δσs計算公式為（Starr，1928；Knopoff，1958；Keilis-Borok，1959）

式中，為斷層面上的平均滑動位移；W為斷層寬度；R為圓盤半徑。

圖6為九寨溝地震主震發(fā)震斷層面上滑動位移分布圖。由圖6可見，IGP給出的九寨溝地震最大滑動位移為0.5m，斷層面寬度約為20km，取平均滑動位移為≈2／3D，九寨溝地震為走滑型地震，由式（8）可計算得到地震的靜態(tài)應力降 Δσs約為0.32MPa。由于2σapp＞Δσs符合式（6），因此，九寨溝地震為應力下調(diào)模型。該結(jié)果表明，在主震發(fā)生過程中斷層破裂不夠充分，這也與地震未破裂至地表的事實一致。

圖6 九寨溝地震主震發(fā)震斷層面上滑動位移分布

小震視應力的大小通常可以反映出研究區(qū)整體應力水平，而余震序列的視應力同樣可以反映震源區(qū)的應力狀態(tài)，能夠為序列后續(xù)強余震的發(fā)生提供一定的判斷依據(jù)。李赫等（2015）通過計算2010年灤縣ML4.5地震序列的余震視應力發(fā)現(xiàn)，震級ML≤3.3時，余震震級與其視應力的大小大體呈正相關。王生文等（2014）通過計算1999年岫巖MS5.4地震序列的視應力認為，主震與最大余震之間，視應力通常處于較高的水平，最大余震發(fā)生后，視應力逐漸降低，并恢復到震前區(qū)域背景水平；錢曉東等（2007）通過對2007年寧洱6.4級地震序列視應力的計算研究也得到了類似的結(jié)論。

表3為九寨溝地震序列8月8～19日30次ML≥3.5余震的視應力計算結(jié)果。由表3可見，8月10日17時48分發(fā)生的ML4.4余震視應力最大，為0.38MPa；序列最大余震ML5.2地震的視應力為0.3MPa，30次余震平均視應力為0.123MPa。余震視應力與余震震級大體呈正相關（圖7（a）），最小二乘法得到的擬合直線，與李赫等（2015）對余震視應力研究得到的統(tǒng)計結(jié)果一致。易桂喜等（2011）對汶川8.0級地震前龍門山-岷山構(gòu)造帶14次ML3.5～4.3地震進行了視應力的計算，得到的視應力為 0.022～0.379MPa，1次ML4.2地震的視應力最大，為 0.379MPa，14次地震的平均視應力為 0.113MPa。將九寨溝地震序列視應力與這14次地震視應力進行對比發(fā)現(xiàn)，整體上對于同等震級，九寨溝地震序列的視應力小于汶川地震前的視應力（圖7（b））。李艷娥等（2012）研究了汶川8.0級地震前四川地區(qū)地震視應力的時空變化。宮悅等（2013）計算了蘆山7.0級地震前后龍門山斷裂帶南段的視應力，與上述研究結(jié)果相比，九寨溝地震余震的視應力普遍小于汶川地震前、蘆山地震前龍門山及附近地區(qū)的平均應力水平，接近該地區(qū)的背景應力水平。

表3 2017年九寨溝MS 7.0地震序列ML≥3.5余震視應力計算結(jié)果

3 結(jié)論和討論

九寨溝MS7.0地震是發(fā)生在巴顏喀喇塊體東北邊界的一次強震，該地震未發(fā)育較明顯的斷層破裂帶，地震災害總體較輕。初步研究結(jié)果表明，九寨溝地震是一次主-余型地震，盡管主震發(fā)生后短時間內(nèi)存在余震活動水平明顯偏弱的現(xiàn)象，ML≥4.0余震的等待時間存在異常，但震后較長時間余震水平逐漸恢復到正常狀態(tài)，且序列h值、視應力等符合主-余型地震序列的特征，G-R關系顯示序列最大余震震級較小，8月9日發(fā)生的MS4.8地震可能是該地震序列的最大余震。九寨溝地震主震視應力為0.36～0.38MPa，屬于應力下調(diào)模型，余震活動水平整體偏低。余震序列的平均視應力為0.02～0.38MPa，視應力與余震震級整體上呈正相關。與汶川地震前、蘆山地震前相比，九寨溝地震余震的視應力明顯偏低，接近龍門山斷裂帶附近中小地震的平均背景水平。

圖7 九寨溝地震序列視應力隨震級的變化（a）及九寨溝地震序列視應力與汶川地震前龍門山-岷山構(gòu)造帶地震視應力對比（b）

九寨溝地震發(fā)震構(gòu)造推測為東昆侖斷裂向南的一條分支斷裂——樹正斷裂，構(gòu)造部位屬于巴顏喀喇塊體北側(cè)左旋走滑向東側(cè)逆沖擠壓的過渡位置，由于震中位置構(gòu)造環(huán)境復雜，九寨溝地震與距震中100km范圍內(nèi)的1973、1976年發(fā)生的2次地震序列既存在一定聯(lián)系，也存在較顯著的差異。圖8為3次地震序列的空間位置。由圖8可見，3次地震序列的ML≥1.0余震在空間上重疊在一起，其中，1973年松潘6.5級地震的余震位于1976年松潘-平武7.2級震群與2017年九寨溝MS7.0地震序列之間的空段。從余震分布上來看，九寨溝地震序列似乎是1973、1976年2次地震的發(fā)震斷裂在原有破裂的基礎上向北側(cè)的擴展，1973、1976年地震的余震區(qū)有部分區(qū)域重疊，由于當時監(jiān)測能力較差，余震分布較分散，但整體呈NW方向延伸，九寨溝地震余震序列分布較為集中，主震位置與1973年6.5級以及1976年3次6級以上主震近似呈一條直線，且該直線為虎牙斷裂向北延伸的方向。

圖8 1973年松潘6.7級地震、1976年松潘-平武7.2級雙震及九寨溝7.0級地震ML≥1.0余震分布

由圖8還可見，3次地震序列在空間展布上存在一定的聯(lián)系，余震展布幾乎沿著同一方向并首尾相接，但由于構(gòu)造位置的特殊性，彼此間主震發(fā)生的力學機制存在顯著差異。發(fā)生在南側(cè)的1976年松潘-平武2次7.2級地震主要受到近EW向的擠壓推擠作用的影響，發(fā)震構(gòu)造為南側(cè)具有明顯逆沖性質(zhì)的虎牙斷裂，并且在2次7.2級主震間發(fā)生了1次6.7級地震，同時，1976年松潘-平武地震序列的余震區(qū)存在明顯的擴展現(xiàn)象，即以22日6.7級地震為轉(zhuǎn)折點，余震主體活動區(qū)域和余震展布方向均出現(xiàn)顯著變化。九寨溝MS7.0地震主要受到斷層兩側(cè)地塊水平相對運動的影響，主震的震源機制解均顯示為左旋走滑，九寨溝地震余震區(qū)沒有明顯的擴展現(xiàn)象（圖1），九寨溝地震余震分布呈一狹長帶狀沿NNW方向分布，余震較均勻地分布在主震的兩側(cè)。由于運動性質(zhì)的差異，且不具備如1976年松潘-平武地震序列第1次主震對后續(xù)強震的觸發(fā)條件，因此，九寨溝地震序列未發(fā)展為震群型序列。

九寨溝地震與1973年松潘6.5級地震之間存在一定的相似性。首先是發(fā)震構(gòu)造方面，2次地震均發(fā)生在NW向的隱伏構(gòu)造上，2次地震均未發(fā)現(xiàn)明顯的地表破裂，盡管震前在震中附近區(qū)域沒有明確的斷裂構(gòu)造信息，但從2次地震序列的發(fā)震位置、余震展布方向以及烈度區(qū)的幾何形狀，有理由相信這2次地震的發(fā)震斷裂可能屬于同一構(gòu)造系，即東昆侖斷裂向南側(cè)的分支斷裂。其次，2次地震的震源機制解也存在較好的一致性，根據(jù)全國基準臺、四川區(qū)域臺網(wǎng)及甘肅、云南部分臺站的P波初動資料（程式等，1990），不同研究者所確定的主震震源動力學參數(shù)均顯示1973年松潘6.5級地震為一次走滑型為主的地震，地震破裂面為NW方向，運動性質(zhì)為左旋走滑，與九寨溝MS7.0的震源機制解基本一致。但2次地震之間也存在一定的差異，主要表現(xiàn)在序列余震的活動強度上，即1973年松潘6.5級地震首先在震前存在5.1級前震，且最大余震與主震震級差僅為0.7，但最大余震與主震間隔時間較長，且在主震后長達1年零3個月的時間又在余震區(qū)發(fā)生1次5.2級強余震；而九寨溝地震序列在震前沒有發(fā)生較大震級的前震，截至10月31日，最大余震僅為1次4.8級地震，其與主震的震級差為2.2級。

致謝：感謝中國地震臺網(wǎng)中心劉桂萍、蔣海昆、張永仙、晏銳等對本文給與的悉心指導，感謝四川省地震局吳微微、張致偉等在論文撰寫過程中提出的寶貴意見，特別感謝中國地震臺網(wǎng)中心預報部測震組提供的支持和幫助。