紫坪鋪水庫附近都江堰震群、小震震源機制解分析1

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、小震震源機制解分析1

李春政 馬文濤 羅佳宏

（中國地震局地質研究所，活動構造與火山重點實驗室，北京 100029）

2008年2—4月，位于汶川大震初始破裂點的紫坪鋪水庫附近發生了一系列的小震活動，它們與汶川地震和紫坪鋪水庫小震的關系值得研究。本文采用CAP方法，反演了紫坪鋪水庫7個專用數字地震臺站的數據，得到震級大于L1.0的28個震源機制解。結果表明：有19個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，發震機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；發震最大主壓應力方向隨時間的變化具有從最大主壓應力方向變化比較大到趨向一致的演化過程。這些現象說明龍門山斷裂帶在都江堰附近存在1個凸凹體，形成應力集中點，引發都江堰震群活動，由此迫使龍門山斷裂帶前山斷裂發生逆沖性活動，從而加劇了龍門山斷裂帶中央斷裂的活動，在一定程度上加速了汶川地震的發生。

CAP方法 震源機制解 紫坪鋪水庫小臺網 應力場 都江堰震群

引言

相關研究表明2008年5月12日汶川8級地震是龍門山斷裂帶的中央斷裂帶重新活動的結果（張培震等，2008；徐錫偉等，2008），從震源破裂機制上看，存在由逆斷層型向走滑型轉變的過程（王衛民等，2008）。在研究中人們還發現汶川地震前，在位于大震初始破裂位置的紫坪鋪水庫附近發生了一系列密集的小震活動（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系值得研究。胡先明等（2009）利用PS垂直分量振幅比資料測定了紫坪鋪水庫區2004年8月至2007年12月間262次小震震源機制參數，得到了水庫蓄水使走滑斷層活動增多和小震震源機制解節面優勢方向與斷層走向展布一致的結論。張永久等（2010）運用PS振幅比法計算了紫坪鋪水庫區及周邊486次大于L1.6地震的震源機制，得到了水庫水域范圍的地震活動受到了紫坪鋪水庫蓄水的影響，而外圍稍遠區域的斷層錯動性質和應力場變化則反映了汶川8級地震前的增強信息結論。

特別是2008年2—4月期間，在位于汶川大震初始破裂點的都江堰附近發生了一系列的小震活動，它們的震源機制及活動性對于研究汶川8級地震的孕育、發生及發展過程至關重要。本文通過解剖一系列小震活動的“時、空、強”和震源機制解特點，從力學機制上深刻理解大地震孕育、發生及發展過程。

1 震源機制解CAP方法原理

地震的震源機制解是指震源區在地震發生時的發震應力、方向和斷層錯動方式的力學過程，是由地震產生并被許多測震臺站記錄到的地震波形分析結果，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、發震應力場和其它有關參數的總和。由于地震的震源機制描述了震源的性質及其破裂過程，因此及時確定地震的震源機制對于地震本身的研究、孕震機理的解釋及震后應力分布的描述，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），分別賦予不同的權重，通過格點搜索的方法進行地震震源機制的反演。CAP反演方法中設()是地震臺站記錄到的去除儀器響應后的地震波形，()是相對應的理論計算出的波形，則有如下等式：

為此我們可以使用格點搜索法，搜索可能的震源深度、方位角、滑移角、傾角，同時給出誤差函數作為測量標準，從而得到最佳震源機制解。

在反演時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（-）方法（Zhu等，2002）來計算臺站各處的格林函數。另外，在波形反演過程中，反演結果容易受到波形中較強部分的影響。對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）給定不同的權重進行反演，可充分考慮各部分波形對反演結果的貢獻，如選擇格點搜索的方法，選取（3）式的誤差測量函數：

通過格點搜索方法在適當的范圍內循環震源深度、方位角、傾角、滑移角，得到相對誤差最小時的震源機制解和震源深度。

CAP法應用十分廣泛，呂堅等（2008）使用CAP方法分析九江-瑞昌S5.7、S4.8地震震源機制，并得到主震和強余震發震構造等有關結論；李鉑等（2016）使用CAP方法反演了乳山震群L3.0以上地震震源機制解，并推測出該區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地震震源機制，并得出此地震與聊蘭斷裂活動有關的結論。近年來CAP方法不但應用于中強地震，在中小地震中的應用也越來越廣泛，呈現出在更小地震中應用的發展趨勢。但人們也對小地震使用CAP法存在著疑慮，認為4級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制解結果。

人們研究4級以上震源機制解所使用的地震臺網臺間距一般在100—200km或更遠，而我們使用的紫坪鋪水庫地震專用臺網的臺間距在10km左右。從選取的紫坪鋪臺站都江堰震群的資料看，L2.7的200802142312事件被BAY臺站記錄到，其震中距為12.8km，最大振幅為17425；而相對于L4.0的200707310735事件，被震中距為170km的BAY臺站記錄到，它的最大振幅為21927。可見遠臺接收到的中強震級與近臺接收到的小微震在能量振幅量級上是相當的，即兩者所使用的地震數據的信噪比是相當的，故可以用CAP方法反演都江堰震群的小震震源機制。

2 觀測資料與地殼速度模型的選取

2.1 觀測臺站分布

紫坪鋪小臺網自建成以來獲得了良好的寬頻帶數字地震記錄，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個專用臺站（圖1），臺站基本情況見表1。

表1 紫坪鋪小臺網基本情況

圖1 臺站與水庫位置分布圖

2.2 地殼速度模型的選取

針對紫坪鋪水庫所處的龍門山斷裂帶的速度結構研究成果非常豐富。研究區的一維速度模型結構（表2）選用周龍泉（2009）根據紫坪鋪水庫臺網從2004年8月—2008年11月4306個地震觀測報告拾取到的P波和S波走時數據，利用網格插值的方法計算校正并參考王椿鏞等（2002）、程建武等（2009）和易桂喜等（2013）對該區及其鄰近區域的地殼速度結構和構造地質背景研究成果，最終校正確定的一維速度模型。

表2 研究區域一維速度模型

3 計算結果與分析

挑選出紫坪鋪水庫小臺網2008年2—4月間震級大于L1.0的地震事件28個，在MSDP軟件下轉換地震目錄的數據格式為SAC，在SAC程序下標記P波到時及P波、S波時窗的選取，旋轉觀測波形至RTZ分量，控制振幅數量級，最后利用CAP方法計算得到的理論波形與實際觀測波形相擬合。

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

調試過程中濾波得到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左右有一個明顯的極小值，獲得最佳震源機制解。圖3所示3km的波形擬合曲線中，在7個臺站、35個震相中有21個震相的理論波形與觀測波形互相關系數大于50，占60%，震源機制解可信。

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

圖4中底圖顏色差異代表海拔高低，淺藍色部分代表四川盆地區域，紅褐色部分為高山地區，由圖可見28個地震事件中有9個零散分布在水庫南部和西部，有19個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，黑色為觀測波形）

圖4 紫坪鋪水庫震源機制解平面分布圖

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，且地震事件發震斷層以逆沖斷層為主，兼帶走滑分量。本研究所有震源機制參數列于表3。

表3 庫區ML 1.0以上地震的震源機制參數

續表

圖5 紫坪鋪水庫震源機制解剖面分布圖

節面I的總體情況可以反映水庫研究區斷層的大致情況（圖6），其走向在190°—220°方向形成優勢分布，即西南—東北方向，與前山斷裂帶的走向基本一致。滑動角集中在－20°—20°，傾角集中分布在40°—90°，發震主壓應力場P軸的走向為北西—南東向或近東西向，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的結果。

圖6 節面I、II的走向、滑動角、傾角和P、T、N軸走向與傾角的統計特征

2008年2月主壓應力軸走向變化大，3月、4月壓應力軸走向變化小（圖7），呈現出歸一和穩定的狀態。刁桂苓等（1994，2011）發現主震前震源區中小地震震源機制解的應力場與構造應力場由不一致變化為一致，則說明主震區域應力積累，在局部發生應力場轉換現象到最終與主震應力狀態一致時，表明主震區域應力累積已達到相當高的水平，此為大地震發生的征兆。

圖7 壓應力軸（P軸）走向隨時間變化圖

4 討論

人們已經認識到汶川8級地震的發生是龍門山斷裂帶的中央斷裂帶重新活動產生的結果，引起中央斷裂帶重新活動的原因及過程中起主導作用的因素，成為今后人們最為關注的問題。如能從中得到一些力學機制上的規律性認識，則可用于指導有關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級地震前最后一期的小震活動，其中大于L1.0地震事件主要集中在都江堰附近，發震機制以逆沖機制為主，最大地震為逆沖型，其它發震機制逆沖型帶走滑分量，少量帶正斷層分量。發震斷層走向是西南—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。發震主壓應力場為北西—南東向或近東西向，與該區域構造應力場方向相一致，說明最后一期小震活動與汶川8級地震受同一個區域構造應力場的控制。

從最后一期小震的最大主壓應力場方向隨時間變化上看，其方向從150°—350°之間頻繁劇烈變化，而臨近汶川8級地震發生時縮小到210°—250°，主壓應力軸走向趨于與區域構造應力場走向相一致，預示著即將有大地震發生前，發震構造應力場有一個協同化過程（馬瑾等，2014）。

綜上所述，2008年2—4月地震事件的發震機制以逆沖機制為主，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構造變形單元。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。當前山斷裂帶上發生都江堰震群后，引起中央斷裂帶上的滑動阻力減小，相當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）。這些現象說明龍門山斷裂帶在都江堰附近存在著1個凸凹體，形成應力集中。當都江堰震群發生迫使龍門山斷裂帶前山斷裂逆沖性活動，它加劇了龍門山斷裂帶中央斷裂的活動，為汶川地震的發生創造了構造條件，在一定程度上加速了汶川地震的發生。因此，2008年2—4月地震事件具有加速汶川8級地震發生的性質，對其詳細研究將有助于獲得地震預測的信息與方法。

致謝：本研究的紫坪鋪水庫專用臺網地震數據來源于四川省地震局水庫研究所，得到了韓進研究員對本研究的大力支持。

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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制解分析．震災防御技術，13（2）：342—352．

10.11899/ zzfy20180209

中國地震局地質研究所中央級公益性科研院所基本科研業務專項項目（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