2022年6月1日四川蘆山MS6.1強震構造精細特征

魯人齊， 房立華， 郭志， 張金玉， 王偉， 蘇鵬， 陶瑋，孫曉， 劉冠伸， 單新建， 何宏林

1 中國地震局地質研究所， 地震動力學國家重點實驗室, 北京 100029 2 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

據中國地震臺網測定，北京時間2022年6月1日17時00分，在四川省雅安市蘆山縣(北緯30.37°，東經102.94°)發生MS6.1地震(圖1)，震源深度17 km.本次地震的最高烈度為Ⅷ度(8度)，造成4人死亡，40多人受傷(https:∥www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5661356/index.html).

此次蘆山地震發生在四川龍門山斷裂帶的南段(圖1).2008年汶川MS8.0地震發生在龍門山中段，2013年蘆山MS7.0地震發生在龍門山南段，這兩次大地震都造成了嚴重的災難和巨大損失(徐錫偉等，2013a).2022年的蘆山MS6.1地震位置，距2013年蘆山MS7.0地震主震不到10 km.因此厘定蘆山MS6.1地震的發震斷層，分析其構造精細特征，可以為判斷此次地震是否為2013年蘆山地震的余震，以及龍門山地區強震構造與危險性分析等研究提供重要依據.

2008年汶川地震和2013年蘆山地震的兩次主震之間，存在一個長度約50～60 km的地震空區(圖1).2008年汶川地震的地表破裂帶主要沿主震的北東方向展布，但在主震的南西方向未出現破裂帶(Xu et al., 2009)，而2013年蘆山地震未發現典型的地表破裂帶(徐錫偉等，2013b).關于該地震空區的地震危險性研究，以及短期內是否會發生強震，仍存在著較大爭議(陳運泰等，2013；易桂喜等，2013；Li et al., 2013; Pei et al., 2014; Dong et al. ,2017; Wan et al., 2017; 梁春濤等，2018；Diao et al., 2018; Liu et al., 2020; Guo et al., 2020; 鄭勇和郭汝夢，2021；李兵等，2022).由于該地震空區構造復雜，斷層的空間結構尚不清楚，導致庫侖應力和地震矩的變化等計算結果存在較大差異，相應地震危險性評價不確定性較高(Wang et al., 2014a).該地震空區1970年發生了大邑MS6.2強震(Li et al., 2017)，表明該區域具備發生強震的構造條件.2022年的蘆山MS6.1地震也基本上位于該地震空區范圍(圖1)，在一定程度上驗證了該地區存在強震危險性的觀點.然而，這次MS6.1地震發生后，該地震空區未來短期(10年尺度)是否還會發生強震，仍然需要繼續關注和研究.鑒于地震孕育過程的復雜性，精細刻畫該地區活動斷裂的地下三維結構，是準確和有效評估該地震空區的短期地震危險性的重要基礎工作之一.

本次研究通過震源機制解和余震重定位結果，分析了2022年蘆山地震的三維斷層結構，并刻畫了此次地震與2013年蘆山地震的空間三維斷層精細模型；結合蘆山震區之前采集的深地震反射剖面(王夫運等，2015)，進一步揭示了蘆山地震的深部構造特征，為深入分析和研判該地區地震危險性提供地質構造模型的支撐.

1 構造背景

龍門山位于青藏高原東緣的松潘—甘孜地塊與四川盆地的過渡帶，構造變形復雜，活動斷裂發育，地震活躍(鄧起東等，1994; Burchfiel et al., 1995).2008年的汶川大地震在龍門山中段和北段產生了兩條主要的地表破裂帶，總長度超過300 km(Xu et al., 2009).2022年蘆山MS6.1地震與2013年MS7.0地震震中非常接近，相距約9 km(圖1).震中附近地表出露有小關子斷裂(F3)和雙石—大川斷裂(F4).先前的研究表明，2013年的蘆山地震并未產生地表破裂，發震斷層為一條傾向北西的盲逆沖斷層(徐錫偉等，2013b；Wang et al., 2014b；Fang et al., 2013, 2015; 魯人齊等，2017).2022年的MS6.1主震的矩心/質心深度為13 km(王衛民等，2022)，與2013年的MS7.0主震質心深度14 km比較接近(呂堅等，2013)，但震級小了很多，因此推測也很難產生地表破裂.鑒于此，迫切需要依靠地震學與地球物理方面的數據資料，分析該地震的發震構造.

圖1 2022年6月1日四川蘆山MS6.1地震及其構造背景 黃色五角星為2022年蘆山MS6.1地震震中位置；淺藍色圓圈為2013年蘆山MS7.0地震的余震分布(Fang et al., 2015).1—汶川大地震地表破裂帶(Xu et al., 2009)；2—龍門山地區主要斷裂；3—隱伏斷層；4—地震空區；5—深地震反射剖面位置(王夫運等，2015).F1：隴東斷裂； F2：鹽井—五龍斷裂；F3：小關子斷裂；F4：雙石—大川斷裂；F5：新開店斷裂；F6：名山斷裂(大邑隱伏斷裂)；YBF：映秀—北川斷裂.Fig.1 Tectonic setting of the 1 June 2022 MS6.1 Sichuan Lushan earthquake The yellow five-pointed star is the epicenter of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake. The light blue circles are the aftershock distribution of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake (Fang et al., 2015). 1—Surface ruptures of the Wenchuan earthquake (Xu et al., 2009); 2—Major faults in the Longmen Shan region; 3—Blind faults; 4—Seismic gap; 5—Deep seismic reflection profile (Wang et al., 2015). F1: Longdong Fault; F2: Yanjing-Wulong Fault; F3: Xiaoguanzi Fault; F4: Shuangshi-Dachuan Fault; F5: Xinkaidian Fault; F6: Mingshan Fault (Dayi Buried Fault); YBF: Yingxiu-Beichuan Fault.

2 震源機制解與余震重定位

本研究從中國地震臺網數據備份中心(國家地震科學數據中心，國家測震臺網地震波形數據，2007；鄭秀芬等，2009)下載距震中700 km之內固定地震臺站記錄的事件波形數據，采用Wphase矩張量反演方法(Kanamori and Rivera，2008)獲取此次地震的震源機制(圖2a).波形資料預處理包括：重采樣為1秒1個數據采樣點，去均值、去傾斜趨勢和儀器響應；然后使用50～150 s 4階Butterworth帶通濾波器濾波.初步反演中，根據實際觀測數據與理論波形圖的均方差，去除擬合誤差較大的臺站數據；通過三次初步反演，挑選擬合誤差較小的臺站進行最終反演.共獲取62個臺站記錄的107條高信噪比波形數據，開展空間搜索(經度、緯度)，獲得最終的反演結果.本次研究獲得的震源機制解兩個節面參數分別為：節面I，走向221.5°，傾角44.4°，滑動角103.3°；節面II，走向23.2°，傾角47.1°，滑動角77.3°，矩震級約為MW5.9(圖2a);矩張量反演獲得的矩心深度為15.5 km(圖2b).與雙差定位獲取的主震震源深度18.9 km相比(圖3)稍微偏淺，這可能是因為兩種震源深度代表不同的物理意義.其中雙差定位震源深度主要通過震相走時反演獲取，反映了震源初始破裂點的位置；而矩心深度則反映了發震斷層面上地震矩空間分布的幾何中心位置.

圖2 2022年蘆山MS6.1地震震源機制解(a) 本研究獲取的蘆山MS6.1地震震源機制解及其他不同機構發布結果； (b) 矩心深度與波形擬合均方差變化圖； (c) 部分參加反演臺站波形擬合圖及臺站分布圖，黑線表示觀測資料，紅線表示理論地震圖；臺站名稱、方位角和震中距離標示于波形圖左上方；兩個紅點中間 部分為Wphase時間窗口；藍色五角星表示震中；紅色圓圈表示當前臺站；橙色圓表示參加反演所有臺站.Fig.2 Focal mechanism solution for the 2022 Lushan MS6.1 earthquake(a) Focal mechanism of the Lushan MS6.1 earthquake obtained by this study and the other results published by different institutes; (b) Variation of centroid depth with waveform fitting root mean square; (c) Waveform fitting and station distribution map for part of stations involved in the inversion. Black line indicates observed waveform, red line indicates synthetic waveform; Station name, azimuth and epicenter distance are marked above the left side of each waveform; Wphase time window is bounded by two red dots; blue star indicates the epicenter; red circle marks the current station; orange circles show all stations involved in the inversion.

圖3 2022年蘆山MS6.1地震主震與余震分布 黃色五角星為2022年蘆山MS6.1地震雙差定位的震中位置，沙灘球為本文研究給出的震源機制; 黑色實線為地表出露的 主要斷裂帶.(a)為余震平面分布，紫色三角為震中附近的地震臺；(b)和(c)分別為NE和NW向余震剖面.Fig.3 Mainshock and aftershock relocation of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake The yellow five-pointed star is the epicenter of the double-difference location of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake, and the beach ball is the focal mechanism in this study. The solid black lines are the major faults that outcropped on the surface.(a) is the distribution of aftershocks, and the purple triangles are the seismic stations near the epicenter. (b) and (c) show the NE and NW direction profiles of aftershocks, respectively.

對比其他研究機構發布的震源機制解(圖2a)，本文獲取的結果與美國地質調查局(United States Geological Survey, USGS)結果最為接近，而與GlobalCMT及中國地震局地球物理研究所的結果(https:∥www.cea-igp.ac.cn/kydt/279025.html)稍有差異.本研究及USGS都是使用Wphase反演方法獲取震源機制，所以震源機制解比較接近.總體來說，本研究及其他機構發布的結果都表明本次地震為逆斷層型地震破裂事件.圖2c為部分參加反演臺站的波形擬合對比圖，從波形擬合圖中可以看出，實際觀測波形與理論波形擬合較好.波形擬合圖右側小地圖給出參加反演所有地震臺站的空間分布(橙色圓點).相對于震中南側、東側及北側臺站來說，西側臺站分布較少，但是總體而言地震臺站圍繞震中分布較為均勻，為獲取穩定可靠的震源機制解提供了足夠的方位角覆蓋.

地震序列精定位是確定發震斷層深淺部幾何形態的重要手段(Fang et al., 2013).本研究利用震后3天四川地震臺網的震相觀測報告(截至6月4日24時)，采用雙差相對定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)，對此次地震的主震和余震序列位置進行重新定位，定位使用了Fang等(2015)的一維速度模型，獲得了504個余震的精定位結果(圖3).結果表明，主震初始破裂深度為18.9 km；余震主要分布在主震上方，優勢深度分布為11～19 km.此次地震的余震叢集性較好，在北東和北西兩個方向展布長度相當，沿北東向長度約8 km，北西向約7 km，發震斷層向南東方向傾斜.根據余震分布，確定的發震斷層傾角約50°，與震源機制解節面II的傾角基本一致.由最小二乘法反演得到的平均定位誤差在N-S, E-W 和U-D 三個方向分別為0.30, 0.28, 0.38 km.

2022年蘆山MS6.1地震的主震(圖4)，位于雙石—大川斷裂(F4)北部約10 km，小關子斷裂(F3)的正下方，余震也主要集中在小關子斷裂北部.從余震叢集特征可知發震斷層傾向SE，與地表主要斷裂的傾向相反，因此本次地震的發震斷層并非已知的地表斷裂.

此外，2022年MS6.1地震的余震與2013年蘆山MS7.0地震的余震叢集平面上基本連接在一起(圖4)，但從地震的三維分布看，兩次強震可能發生在不同的斷層上，據此可以認為是兩個獨立的地震破裂事件.但2022年的地震是否為2013年蘆山地震的余震仍然難以確定.因此，本次研究采用三維建模方法，基于余震重定位結果詳細刻畫蘆山兩次強震發震斷層的三維形態，進一步討論兩次強震的發震斷層及其相互關系.

圖4 2013年和2022年兩次蘆山地震主震及其余震分布圖 紅黃色沙灘球為2022年蘆山MS6.1震中矩心深度位置和震源機制(圖2)，黃色小圓為重定位余震.藍黃色沙灘球為2013年蘆山MS7.0震中位置(呂堅等，2013)，淺藍色為2013年蘆山地震精定位余震(Fang et al., 2015).灰色圓點為蘆山震區地震分布(2013年4 月20日—2014年4月20日).黑色實線為地表主要斷裂.Fig.4 The distribution of the two mainshocks and aftershocks of Lushan earthquakes in 2013 and 2022 The red-yellow beach ball is the centroid depth and focal mechanisms of the Lushan MS6.1 earthquake in 2022 (Fig.2), and the small yellow circle is the relocation aftershock. The blue-yellow beach ball is the epicenter of Lushan MS7.0 earthquake in 2013 (Lü et al., 2013), and the light blue represents the relocation aftershocks of Lushan earthquake in 2013 (Fang et al., 2015). Gray dots are the distribution of aftershocks in the Lushan earthquake area during April 20, 2013—April 20, 2014. The black solid lines are the main fault traces.

3 蘆山地震三維斷層模型

活動斷層復雜的幾何結構控制著斷層的發震潛力和地震破裂行為(Yue et al., 2005；Stockmeyer et al., 2014)，同時影響了地震成核、應力觸發以及地震波傳播等方式(Mildon et al., 2019；Ross et al., 2020).活動斷層或發震斷層的三維結構與模型，特別是三維公共斷層模型(Plesch et al., 2007)，是分析和研究地震危險性和災害的重要基礎(Marshall et al., 2017).利用余震重定位結果，可以刻畫發震斷層或同震斷層的三維精細結構(Carena and Suppe，2002；Lu et al., 2017).本研究根據2013年蘆山MS7.0地震和2022年MS6.1地震的余震，基于三維建模軟件SKUA-GoCAD平臺和相關技術流程(Lu et al., 2019)，構建發震斷層的三維精細結構和模型.

研究發現MS6.1主震位置與余震的空間分布存在一定的關系(圖5a).根據上述主震定位和震源機制解，余震空間分布特征，以及雙石—大川斷裂的產狀(傾向NW，傾角約45°左右)(馮楊洋等，2016; 魯人齊等，2017)，初步認為蘆山MS6.1地震的發震斷層，并非地表出露的雙石—大川斷裂(圖1，圖4)，而是一套傾向SE的反沖盲斷層.

2022年MS6.1地震毗鄰2013年蘆山MS7.0地震的發震主斷層面(圖5b，f3)，分析與2013年的蘆山地震的隱伏斷裂體系密切相關(圖5b，f1和f2)；2013年的蘆山地震，同時破裂了SE向的反沖次級斷層(圖5a，f2)，2022年蘆山MS6.1地震的余震分布與該反沖次級斷層f2具有相似特征.因此，研究認為本次地震的發震斷層規模不大，也是一條反沖性質的盲斷層(圖5a，f3).

值得注意的是，不同機構給出的震源深度，有的是初始破裂深度，有的是矩心/質心深度.這兩種深度采用不同的方法獲得，定位深度常存在一定差異，如中國科學院青藏高原研究所王衛民等(2022)給出蘆山地震的矩心/質心深度為13 km，與本次研究的矩心深度15.5 km有一定的差異，與雙差定位的18.9 km相差較大.這種情況在龍門山地區普遍存在，如2008年汶川地震的主震的震源深度從8～19 km不等，且平面分布也存在很大變化(宮猛等，2020)，這與不同學者采用的臺站分布、地殼速度模型、定位方法等多種因素相關.在主震位置并不精確的情況下，通過重定位余震可以更好地約束發震斷層的幾何結構(Lu et al., 2017).但主震的震源機制解，仍然可以有力佐證發震斷層的產狀.本次研究獲得MS6.1的震源機制節面II，與余震分布解譯的發震斷層f3比較一致(圖5).

圖5 四川雅安蘆山地震震源區三維斷層模型(a) 根據余震解譯的蘆山地震的同震斷層(紅色實線)，其中f1和f2分別為2013年蘆山MS7.0地震解譯的Y字型同震斷層(Fang et al., 2015; Lu et al., 2017)，而f3為2022年蘆山MS6.1地震的同震斷層.(b)根據余震模擬刻畫的三維斷層模型.紅黃色沙灘球為MS6.1地震重定位后的矩心深度位置(圖2)，黃色五角星為雙差重定位的初始破裂深度位置，藍黃色沙灘球為2013年MS7.0地震主震位置及其震 源機制(呂堅等，2013).黃色小圓為2022年蘆山MS6.1地震余震序列，淺藍色小圓為2013年蘆山MS7.0地震余震序列.Fig.5 Three-dimensional fault model of the Lushan earthquake in Ya′an, Sichuan(a) The coseismic faults of the Lushan earthquakes are interpreted from aftershock distribution (red solid lines), and faults f1 and f2 are the two Y-shaped coseismic faults of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake (Fang et al., 2015; Lu et al., 2017), whereas f3 is the coseismic fault of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake. (b) The 3D fault model based on aftershock distribution. The red-yellow beach ball is the relocated centroid depth of the MS6.1 earthquake (Fig.2), whereas the yellow five-pointed star is the initial rupture depth position of the double-difference relocation and the blue-yellow beach ball is the location of the 2013 MS7.0 mainshock and its focal mechanism (Lü et al., 2013); the yellow dots are the aftershock sequence of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake, whereas the light blue dots are the aftershock sequence of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake.

4 2022年蘆山地震構造解析

研究進一步結合前人對蘆山震區的人工地震反射資料等成果(Wang et al., 2014b；王夫運等，2015；馮楊洋等，2016；魯人齊等，2017)，綜合分析了此次蘆山MS6.1地震的發震斷層，為一條發育在龍門山南段深部滑脫層(～20±2 km)之上的盲沖斷層(圖6).研究區自上而下存在中生界滑脫層(D1)和元古界之下的基底滑脫層(D2)，呈現出分層滑脫變形的特點.淺部的新開店斷裂(F5)和名山斷裂(F6)發育在淺層滑脫層之上，為疊瓦逆沖構造樣式；深部構造發育在兩套滑脫層之間，為典型的雙重構造樣式，明顯有別于淺表的逆沖斷層系統.

根據深地震反射剖面的沉積反射界面和層位標定，已有研究發現龍門山在早古生代之前存在伸展正斷層(羅志立，1989；陳竹新等，2005)，震旦紀發育生長地層(Lu et al., 2017)；新生代發生構造反轉(Chen and Wilson, 1996；Jia et al., 2006)，形成一系列逆沖性質的斷層(圖6).此外，前人大量研究表明，龍門山山前普遍存在的前緣盲沖斷層(Hubbard and Shaw, 2009; Jia et al., 2010; Li et al., 2014; Li et al., 2017)，是潛在強震構造的重要形式之一(Wang et al., 2014b; Li et al., 2019).

5 討論與結論

本研究通過107個高信噪比地震事件波形數據，獲取了此次蘆山MS6.1地震的震源機制解，結果顯示蘆山主震的兩個節面分別為：節面I，走向221.5°，傾角44.4°，滑動角103.3°；節面II，走向23.2°，傾角47.1°，滑動角77.3°，矩心深度為15.5 km.余震精定位結果表明，此次地震的余震叢集性良好，余震主要分布在主震上方，優勢深度分布為11～19 km；主震初始破裂深度約為18.9 km，發震斷層傾向SE，傾角約50°，與震源機制解節面II的傾向和傾角基本一致.

研究區三維斷層空間結構和模型顯示，2013年蘆山MS7.0地震的發震主斷層f1和次級斷層f2的結構，符合剪切斷層轉折模型(Suppe et al., 2004；Lu et al., 2017)；2022年蘆山MS6.1地震發生在一條傾向SE的盲斷層f3上，與主要逆沖斷層系統f1傾向相反，深部均收斂于龍門山南段深部基底滑脫層中(圖6).盡管本次MS6.1地震與2013年MS7.0地震的發震斷層空間位置非常接近(圖5)、構造特征屬于同一地震構造系統，但本次地震的發震斷層f3，不同于2013年蘆山地震的兩支斷層f1和f2(圖5)，余震叢集也相對獨立.因此研究認為2022年MS6.1地震，可能是一次相對獨立的地震破裂事件.

《地球物理學名詞》對余震的定義是主震發生后，在主震破裂區及其鄰區內陸續發生的，與主震的發生有關聯的較小地震.防災科技學院萬永革教授(私人通訊)討論了2013年蘆山MS7.0地震對本次地震是否存在觸發關系(https:∥mp.weixin.qq.com/s/My4GXrmLTjmqkHBdjv0CPw)，認為2013年蘆山地震導致2022年蘆山地震主震節面I上應力增加(5.35×104Pa)，界面Ⅱ上應力降低(-4.82×104Pa).本次蘆山地震的發震斷層為節面Ⅱ，2013年蘆山地震在此節面Ⅱ上引起的庫侖破裂應力對本次MS6.1地震起到抑制作用.因此，雖然兩次蘆山強震在發震構造屬于同一構造系統，但從兩次主震的關聯性角度分析，2013年的蘆山地震對本次主震沒有直接的觸發關系.鑒于上述原因，我們認為2022年蘆山MS6.1地震可不歸為2013年蘆山MS7.0地震的余震.

深地震反射剖面的構造解釋揭示了龍門山南段存在兩套主要的滑脫層，淺部滑脫層位于中下三疊統，深層滑脫層位于～20 km的結晶基底，呈現分層滑脫變形(解耦)的特征.淺部滑脫層之上為疊瓦構造，兩套滑脫層之間為雙重構造.2013年和2022年的兩次蘆山強震的發震斷層均發育在基底滑脫層上，為早期先存斷層，在新生代以來青藏高原向東擠出應力場的作用下構造反轉并重新活化.

圖6 龍門山南段蘆山震區地震構造解析與模型(a) 深地震反射剖面原圖(王夫運等，2015；Lu et al., 2017)； (b) 主要斷層解譯； (c) 蘆山地震構造模型.其中黃色圓圈為2022年蘆山地震的余震；淺藍色圓圈為2013年蘆山地震沿A-B剖面附近的部分余震.沙灘球指示兩次強震的矩心深度和位置.紅色實線為解譯斷層，紫色虛線為滑脫層系.反射地層界面：TK—白堊系底界；TJ—侏羅系底界；PZ2—寒武系底界；PZ1—震旦系.黑色箭頭 為區域構造應力場方向，紅色箭頭為斷層運動方向.Fig.6 Structural analysis and seismotectonic model of the Lushan earthquake area in the southern Longmen Shan(a) The original deep seismic reflection profile (Wang et al., 2015; Lu et al., 2017); (b) The major fault interpretation; (c) The seismotectonic model of Lushan earthquakes. The yellow dots indicate the aftershocks of the 2022 Lushan earthquake; the light blue circles are the distribution of some aftershocks near the A-B profile of the 2013 Lushan earthquake. The beach balls indicate the centroid depth and location of the two strong earthquakes. The red solid lines are the interpretation faults, and the purple dotted lines are the major detachments. Reflective stratigraphic interface: TK—Cretaceous bottom; TJ—Jurassic bottom; PZ2—Cambrian bottom; PZ1—Sinian. Black arrows represent the direction of the regional tectonic stress field, and red arrows represent the direction of fault slip.

此次蘆山MS6.1地震的發生，與2013年蘆山MS7.0地震相隔不足10年，表明龍門山在青藏高原向東南擠出的大構造環境下(Burchfiel et al., 1995)，龍門山南段長期處于應力積累狀態(陳運泰等，2013；李兵等，2022)；未來龍門山南段的“地震空區”是否還會發生強震(6級以上)？是短期(10年尺度)或中長期？涉及到多個學科交叉的綜合和系統研究(鄭勇和郭汝夢，2021).要做到地震危險性準確、科學的判斷，仍然面臨很大挑戰.

致謝感謝中國地震臺網中心國家地震科學數據中心(http:∥data.earthquake.cn)，國家測震臺網地震波形數據(doi:10.11998/SeisDmc/SN)和四川、西藏、云南地震臺網為本研究提供地震波形數據.感謝國家自然災害防治研究院徐錫偉研究員和防災科技學院萬永革教授的有益交流和探討.感謝匿名評審專家提供的寶貴意見和建議.