近場強震記錄對汶川地震破裂過程的解釋能力研究

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個近場強震記錄，通過基線校正、積分和濾波后得到速度時程。采用非負最小二乘法和多時間視窗技術，反演了2008年汶川地震破裂過程。研究表明：①所選43個近場臺站記錄對近乎平行的北川斷層南段和彭灌斷層的滑動分辨能力不同，所選記錄能很好地分辨北川斷層南段的滑動，而對彭灌斷層的滑動分辨能力要差;②為滿足破裂后方區域臺站合成記錄的第二個波包，北川斷層南段或彭灌斷層需產生往破裂后方西南側方向的破裂。綜合考慮波形擬合殘差及反演結果與地表破裂數據的吻合情況，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，進而引起小魚洞斷層破裂，小魚洞斷層觸發北川斷層南段高傾角區域發生雙側破裂。

關鍵詞：汶川地震;近場強震記錄;破裂過程反演;破裂順序;小魚洞斷層

中圖分類號：P315.91?文獻標志碼：A?文章編號：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重的工程震害，成為業內研究的熱點，促進了對大地震震源物理特性的認識。汶川地震發生在龍門山斷裂帶，發震斷層呈疊瓦狀，破裂過程復雜。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），并產生近乎平行的地表破裂，長約72?km和?240?km（徐錫偉等，2008，2010;鄧起東等，2011）。震源破裂過程研究表明：破裂從震中往東北側擴展，斷層面上滑動形式變化明顯（王衛民等，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）為逆沖錯動，經高川后出現走滑錯動，南壩以北轉變為走滑錯動為主。高川兩側余震震源機制不同，高川以北表現為高傾角的特點（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，說明斷層走向無變化，滑動方向或傾角可能不同。此外，震中東北側45?km處有一條長約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，針對汶川地震震源破裂過程反演的研究，大都忽略了小魚洞斷層在破裂擴展中的作用。從地表破裂調查和余震震源機制的角度看，斷層破裂在小魚洞斷層處可能發生了重要的轉換。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出現了錯位和不連續;另一方面，小魚洞斷裂帶上余震震源機制為左旋走滑，而北川斷層南段余震為逆沖。研究人員已從斷層構造或運動學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），但此問題仍有待進一步探討。

本文選取近場豐富強震記錄，將其積分為速度記錄作為反演數據。一方面，速度時程是加速度時程積分一次得到，記錄本身的誤差相比積分2次的位移資料小，確保反演數據的可靠。另一方面，相對于遠場地震觀測（速度）記錄，近場強震記錄包含更多的高頻信息，揭示破裂的細節部分。探究近場強震記錄重現此次大震震源破裂過程的能力，探討小魚洞斷層在破裂中的作用，分析近場強震記錄對近乎平行的北川斷層和彭灌斷層滑動分布的解釋能力。

1?數據的選取處理和模型參數

本文所用近場強震數據從中國地震局工程力學研究所的國家強震動臺網中心獲得，參與反演的記錄波形質量要完整且信噪比要高，臺站能較均勻地分布在斷層四周。挑選波形完整且質量較好、較均勻分布在斷層周邊的43個臺站加速度記錄。基線校正后積分為速度記錄，采用3階Butterworth帶通無相移濾波，頻帶0.08～0.5?Hz。記錄長度120?s，間隔0.2?s，包括P波、S波和面波，臺站位置見圖1。破裂后方區域臺站記錄對確定斷層間的破裂順序至關重要，在此作簡要分析。破裂后方位于斷層東南側區域共11個臺站。此區域臺站記錄明顯特征為，加速度和速度波形包含?2個波段。第一個波段起始于P波到時，持續15?s左右，約從15?s到30?s;緊接著為第二個波段，約從30?s到55?s，持續25?s（圖2）。

記錄到時校正的準確性對反演結果影響較大，做如下校核確保記錄到時準確。由汶川地震發震時刻對應的絕對時刻和臺站P波理論到時，可得理論到時對應的絕對時刻;由記錄觸發時刻對應的絕對時刻和人工撿拾P波到時，可得人工撿拾P波到時對應的絕對時刻;分析二者的差別，絕大多數臺站2個時刻的差別在1個時間視窗的寬度內（2.0?s），由此認為到時的誤差對反演結果影響較小（Wu?et?al，2001）。

筆者基于汶川地震三維發震構造模型、地表破裂調查結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個子斷層。

2?斷層破裂方式

汶川地震發震深度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，但尚無統一結論（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生單側破裂。破裂起始于北川斷層3，向深度方向破裂觸發北川斷層4，向淺部同時觸發北川斷層2和彭灌斷層，隨后北川斷層2觸發其上部的北川斷層1。②方式2：北川斷層發生雙側破裂。北川斷層3首先破裂，向深度觸發北川斷層4，向淺部只觸發彭灌斷層，彭灌斷層破裂往北擴展引起小魚洞斷層破裂，進而觸發北川斷層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生雙側破裂。③方式3：彭灌斷層發生雙側破裂。北川斷層3首先破裂，向深度觸發北川斷層4，向淺處擴展依次觸發北川斷層2和北川斷層1;北川斷層1破裂往北側擴展觸發小魚洞斷層，進而觸發彭灌斷層，隨后彭灌斷層以與小魚洞斷層相交處為中心發生雙側破裂。3種破裂方式中，北川斷層5均由北川斷層3往北側破裂觸發。

3?近場記錄對2條平行斷層滑動的分辨能力

利用非負最小二乘法反演斷層滑動歷程，具體細節參考Hartzell和Heaton（1983）的研究。滑動時間函數形式為等腰三角形，持時2.0?s，子斷層包含5個時間視窗，相鄰視窗破裂延時2.0?s，子斷層最大上升時間10?s。龍門山斷裂帶兩側的青藏高原和四川盆地厚度和介質速度構造不同，選用Hartzell等（2013）采用的結果，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）。

汶川地震一個重要特點是產生2條近乎平行的斷層：北川斷層和彭灌斷層。為探析近場記錄對二者滑動的分辨能力，設定2個算例。根據震源破裂過程反演結果，設定算例1為北川斷層南段1和2的龍門山到岳家山區域、映秀到虹口區域，算例2彭灌斷層從與小魚洞斷層相交處到漢旺區域，發生滑動，滑動角135?°，子斷層上升時間10?s，參數見表3，采用破裂方式2。計算模型在43個臺站的理論記錄，將最大值為理論記錄最大值10%的白噪聲加入作為目標記錄，并將記錄帶通濾波，頻帶0.08～0.5?Hz，反演結果如表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，絕大部分位于輸入模型的相應位置，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結果表明，彭灌斷層上的滑動部分仍位于輸入模型的相應位置，一部分轉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?%。

算例結果說明：所選43個近場臺站對北川斷層南段的滑動有很好的分辨能力，而對彭灌斷層上的滑動分辨能力要差一些。由臺站分布位置可以看出，斷層上盤北川斷層南段區域臺站的數量明顯多于彭灌斷層下側下盤區域的臺站。臺站分布的位置可能導致對2個斷層滑動分辨能力的差異。

4?反演結果

采用本文建立的3維曲面斷層模型，由并行非負最小二乘法聯合多時間視窗技術，得到3種破裂方式結果如表4和圖6所示。結果表明，近場記錄得到的位錯分布復雜且分散。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%。北川斷層南段位錯大體集中分布在3個區域。方式1，2和3中，第1個區域在初始破裂點周邊，為逆沖兼走滑錯動;第2個區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，第3個區域在高傾角的北川斷層1和2從岳家山到虹口區域內，主要表現為逆沖錯動;方式2時，第3個區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，從龍門山區域一直延伸到斷層的西南端，主要為逆沖錯動。3種方式，彭灌斷層上位錯主要集中在斷層中間到東北端范圍內，總體以逆沖錯動為主。方式3時，斷層西南段有一定量的位錯分布。相比北川斷層南段和彭灌斷層，北川斷層北段的位錯分布區域更廣，3種破裂方式結果相似。Wu等（2001）測試1999年集集地震震源反演結果對近場上盤和下盤區域臺站的敏感性，得到單獨采用臺站方位角覆蓋更廣的上盤臺站，結果更接近最終位錯分布的結論，因此近場臺站方位角分布情況對反演結果影響較大。汶川地震近場臺站分布有如下特點：北川斷層南段周邊臺站數量較多，較均勻分布有28個臺站;且有一定量的近斷層臺站，例如51AXT，51MZQ，51PXZ，51SFB和51WCW。而北川斷層北段周邊只有15個臺站，缺乏近斷層臺站，且南壩以北無近斷層臺站。臺站數量和位置分布情況可能導致北川斷層北段上位錯分布可靠性低于南段。Hartzell等（2007）利用54個近場強震臺站記錄很好重現了2004年美國Parkfield?6.0地震滑動過程，此次地震發震斷層約50?km。而汶川地震300?km左右破裂尺度只有近場約40臺站限定反演結果，近場臺站的數目不足。

3種方式，大部分臺站合成記錄的幅值和相位信息與觀測記錄符合較好（圖7），在此重點分析破裂后方區域11個臺站。總體看，方式1，2和3，合成記錄幅值普遍小于觀測記錄。南北和垂直向合成記錄情況好于東西向，可能由于臺站三分向記錄受盆地的影響，此區域位于四川盆地內（于彥彥，2016）。位于下盤的臺站，采用方式2和3時，51CDZ，51PXZ，51QLY，51XJL和51YAM合成記錄第2個波段的幅值大于方式1，更接近觀測記錄，而方式1的幅值遠小于觀測記錄。51DXY，51PJD和51PJW臺站第2個波段的后半部分，3種方式合成記錄幅值都比觀測記錄小，但方式2和3的波形更接近觀測記錄。而位于上盤的3個臺站51BXD，51BXY?和51BXZ，3種方式合成記錄相似，但幅值偏低。破裂后方臺站合成記錄與觀測記錄的對比表明，發生雙側破裂的方式2和3合成記錄的效果優于方式1，合成記錄的第2個波段的幅值和相位信息更接近觀測記錄，且方式1波形擬合殘差比方式2和3大。因此，為了使破裂后方區域臺站合成記錄的第2個波段符合觀測記錄，北川斷層或彭灌斷層需有破裂反向擴展，這可能與汶川地震復雜的發震構造有關，北川斷層、彭灌斷層在與小魚洞斷層相交處存在幾何關系復雜的斷裂體系（王鵬，劉靜，2014），這進一步表明汶川地震破裂的復雜性。Hartzell等（2013）聯合近場記錄、遠場記錄和GPS資料得到，北川斷層南段在與小魚洞斷層相交處發生了雙側破裂。從本文結果看，單獨近場記錄反演結果也表明存在雙側破裂。對于破裂方式2和3，波形擬合殘差相近，位錯分布的差異表現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在虹口以南區域，采用破裂方式2有位錯分布，且近地表子斷層也發生錯動;采用方式3位時錯很小。彭灌斷層南半段，采用方式2時，近地表子斷層滑動很小;采用方式3時近地表子斷層有一定的滑動。地表破裂調查結果表明，虹口以南存在地表破裂，而彭灌斷層西南段無地表破裂。所以，方式2結果與地表破裂調查更符合。綜合波形擬合殘差以及與地表破裂數據符合的程度，破裂方式2的結果最優。

5?結論

本文采用近場強震記錄，重現汶川地震破裂過程。探討了近場記錄對此次地震滑動的分辨能力，得到如下結論：

（1）臺站分布和數量對近場記錄反演結果的可靠性影響較大。汶川地震北川斷層西南段近場臺站覆蓋較均勻，東北段臺站少且覆蓋范圍有限，北川斷層北段的滑動不可靠，需要聯合其它資料共同約束。單獨近場強震數據反演的汶川地震滑動分布，與遠場長周期資料和聯合不同數據反演結果相差較大。汶川地震發震構造復雜，基于簡單速度構造得到的格林函數不能充分反應真實傳播路徑的影響，這導致了近場強震資料反演結果與其它資料結果的差異。

（2）近場記錄的空間分辨率要優于遠場記錄，同一斷層面，近場格林函數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節。本文所用43個近場臺站記錄對近乎平行的北川斷層南段和彭灌斷層的滑動識別能力不同，所選記錄可分辨北川斷層南段的滑動，但對彭灌斷層的滑動分辨能力要差。為了滿足位于破裂后方臺站合成記錄的第2個波段，北川斷層南段需產生往破裂后方的擴展，而基于遠場資料的反演結果不能反映。所以，可靠震源破裂過程反演結果需要聯合多種資料。

感謝中國地震局工程力學研究所“國家強震動臺網中心”為本研究提供數據支持，感謝兩位審稿專家的修改意見和建議。

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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