基于小震經驗格林函數研究中等地震破裂方向性:以2008年攀枝花MS6.1地震為例

羅艷, 趙里, 朱音杰

1 中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室, 北京 100036 2 北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871 3 河北省地震局, 石家莊 050021

0 引言

地震震源破裂方向性的研究包括破裂尺度、破裂速度和破裂方向等參數,能夠為判定實際發震面、認識地震觸發機理、預測強地面震動以及地震災害評估提供重要的地震學信息.破裂方向是影響地面振動空間分布的重要因素,沿破裂方向上的建筑物往往遭受相對更嚴重的損毀(Somerville et al., 2001).破裂速度也對地面運動有重要的影響,破裂速度越接近剪切波速度,破裂方向性對地面振動的影響越顯著(Somerville et al., 1997; Somerville, 2003).此外,震源破裂方向、破裂尺度和破裂速度也是研究應力降、應變能等震源動力學參數的基礎,為理解震源的物理過程提供重要依據(Frankel and Kanamori, 1983; McGuire, 2004; Kanamori and Rivera, 2004).

對于大地震(M>7.0),通過地震波反演確定詳細的滑動分布模型已經成為一種常規的操作(Kikuchi and Kanamori, 1982; Ji et al., 2002).但是對于中小規模地震,其震源破裂過程的確定仍是一個難題.因為地震震級越小,地震的破裂尺度越小,對波形的分析則必須在更高頻率范圍進行.但是地震波在高頻段受介質橫向不均勻性以及地震臺站的場地效應的影響更大,需要更精細的速度結構模型作為基礎.

在速度結構存在很大不確定性的情況下,使用經驗格林函數來研究地震破裂方向性有顯著優勢(Hartzell,1978; Frankel and Kanamori, 1983; Mori, 1993; Ammon and Zandt, 1993; Hough and Dreger, 1995; Fletcher and Spudich, 1998; Lanza et al., 1999; McGuire, 2004).經驗格林函數方法選擇一個與目標地震位置相近、機制解相似的更小地震的響應作為目標地震的格林函數,在相同臺站目標地震和提供經驗格林函數的小地震具有幾乎相同的傳播路徑以及場地效應,并且將小地震視為點源,因此,可以用小地震的經驗格林函數扣除目標地震的傳播路徑和場地效應.所得到的表觀震源時間函數ASTF(Apparent Source Time Functions)很好地反映了目標地震的震源特性.震源破裂方向性一個最顯著的特征表現就是采用位于不同方位角的臺站記錄得到的ASTF會隨方位角變化,因而可以利用ASTF的方位變化來確定破裂的傳播方向.但是,以上提到的這種反卷積方法要求作為經驗格林函數的小地震震源持續時間足夠短,接近一個δ函數,這樣才能滿足點源的近似,得到的目標地震的ASTF才比較準確.Tan和Helmberger(2010)通過正演模擬的方法來提取ASTF,該方法能充分利用破裂過程中引起的持續時間和振幅信息.而很多使用反卷積的方法中往往忽略了振幅信息(Hough and Dreger, 1995; Lanza et al., 1999; McGuire, 2004).Tan和Helmberger(2010)的方法已經應用到國外一些中小地震破裂方向性的研究中,Tan和Helmberger(2010)使用此方法研究了2003年美國 Big BearMW=5.0地震序列中9個MW>3.3級余震的破裂方向性; Luo 等(2010)使用此方法研究了2009年美國洛杉磯4.7級主震的破裂方向性.但是這種基于小震經驗格林函數結合正演模擬來提取ASTF的方法,在國內還沒有研究案例.本研究以2008年攀枝花MS6.1地震破裂方向性為例,測試該方法在國內速度模型不太精細、臺站分布較稀疏地區的適用性,以便能進一步發展應用到更多的地震實例,為地震機理研究、地震災害研究提供服務.

2008年8月30日在四川攀枝花發生了MS6.1地震,此次地震雖然震級不大,卻造成了巨大的人員傷亡和財產損失,有41人死亡,1010人受傷,直接經濟損失達44.6億元(https:∥www.chinanews.com/gn/news/2008/10-08/1404642.shtml),是2008年汶川M7.9大地震之后,川滇地區破壞性極大的地震之一.而因攀枝花地震震源附近臺站稀疏,因此對該地震的研究仍然較為薄弱,發震機理也尚不清楚.已有的對該地震序列的研究主要集中在震源機制解(龍鋒等,2010;羅艷等,2020)以及震源深度等研究(張瑞青和吳慶舉,2008 ;Wang et al., 2011;羅艷等,2020),而缺少對發震機理和破裂特征的研究.為何該地震的震級不大卻有如此大的破壞性等問題有待進一步深入研究.開展破裂方向性等震源特性的研究,不僅有助于進一步認識地震本身的發震機理,而且對地震災害評估具有重要的意義.本文使用余震記錄作為經驗格林函數,通過分析不同方位臺站的ASTF的差異性來探究主震的破裂方向、破裂尺度和破裂速度,并分析了這次地震發生的應力背景、發震機理以及造成嚴重破壞性的可能的因素.

1 構造背景

2008年5月12日汶川M7.9地震之后,2008年8月30日在攀枝花又發生了MS6.1地震.這次地震序列發生在川滇菱形塊體的滇中次級地塊內部.川滇菱形塊體位于我國南北地震帶的南段,地震活動頻繁,是中國大陸內部地震活動最強的地區之一,其塊體內部,第四紀以來主要表現為大面積的區域隆升,并存在局部的拗陷活動.與此同時,塊體內部的近南北向構造,如昔格達—元謀斷裂,顯示出一定的差異運動特征,具有左旋走滑運動.大約50 Ma,印度—歐亞板塊匯聚導致新特提斯洋的閉合及青藏高原快速隆升,在青藏高原東緣地區形成大型的弧形走滑斷裂系,顯示優勢的水平應力場,形成新的大地構造單元,即川青塊體向南東東方向的逸出和川滇菱形塊體向南南東方向的側向滑移(徐錫偉等,2013).此次攀枝花地震發生在滇中塊體內部昔格達—元謀斷裂附近(圖1),該斷裂帶是一條晚更新世-全新世活動斷裂.大致以龍街為界,可將該斷裂分為南北兩段.北段為昔格達斷裂,總體向東傾,全長約130 km,有多條次級斷裂與之交匯,在盆地內多處可見斷裂斷錯更新世-全新世地層的跡象,為晚更新世-全新世活動斷裂.南段為元謀斷裂,總體向西傾,全長約150 km,由單一斷裂構成,斷裂沿元謀以東山麓南北向延伸,并控制了元謀盆地的生成和發育.有史料記載以來,昔格達斷裂上曾發過1955年9月23日的魚鲊63/4級地震和1955年9月26日的魚塘51/2級地震,近代小震活動也較為活躍.

圖1 2008年攀枝花MS6.1地震震源區地震活動性及構造背景

2 震源機制解的確定

首先,我們使用CAP(Cut and Paste)方法(Zhu and Helmberger, 1996)確定了主震及該地震序列中6個4級以上余震的震源機制解,選出與主震機制解相似、位置相近的地震作為主震的經驗格林函數.圖2顯示了這7個地震的震中位置和相應的震源機制解,表1列出了震源機制解及對應應力軸大小.這7次地震的震源機制解大體相似,均為走滑型,有一組節面的走向近南北向,與昔格達—元謀—綠汁江斷裂平行,P軸接近水平.除了20081025:101357地震有比較明顯的傾滑分量之外(傾角為13.6°),其余地震P軸的傾角都小余10°,T軸也接近水平,方位角為NE-SW.因此攀枝花地震序列主要受到NE向拉張,NW向擠壓作用,是典型的走滑型地震序列.

表1 2008年攀枝花地震序列7個4級以上地震震源機制解

3 破裂方向性分析

眾所周知,點源的震源機制解所給出的兩個節面輻射完全相同的地震波,因此無法確定其中哪一個是實際的發震面,而通過研究有限震源破裂傳播的方向性有助于確定發震斷層.

本研究利用不同方位臺站ASTF的差異特征,用網格搜索的方法來反演震源破裂的ASTF.其中正演仍然使用Tan和Helmberger(2010)的方法,但為了消除速度模型的影響,用小地震的經驗格林函數來模擬傳播路徑和場地效應.通過設定不同臺站的ASTF,然后將ASTF與經驗格林函數進行卷積計算目標地震在各個臺站的理論地震圖.當所有臺站觀測波形和理論波形的總殘差最小時所對應的ASTF即為最佳解.假設di(t)和gi(t)分別為目標地震在臺站i的觀測波形和經驗格林函數,單臺的波形殘差為

(1)

(2)

(3)

(4)

其中φ是震源破裂的水平傳播方向,φi是臺站i的方位角,v為使用的地震波波速.

圖3 攀枝花主震破裂方向性反演結果

圖4a表示P波理論波形與觀測波形的擬合,左邊第一列是不同長度的震源時間函數,右邊7列是位于不同方位臺站使用不同ASTF計算的理論波形與觀測波形擬合,由圖可以看出,不同方位臺站最佳波形擬合對應的ASTF不同.由以上研究確定的破裂方向φ0=184°,YIM臺站方位角為174°,大概位于破裂傳播方向,該臺對應的ASTF破裂時間最短,約1.2 s,而MNI臺站方位角為6°,大致位于破裂傳播反方向,該臺對應的破裂時間最長,約4 s.

圖4 攀枝花地震ASTF隨方位角變化

使用P波波形反演確定了斷層破裂方向,破裂尺度和破裂速度之后,我們使用SH波來檢驗P波反演結果的可靠性.CUX臺站方位角為196°,大致位于破裂傳播方位,JLO臺站方位角為352°,大致位于破裂傳播的反方向,HEQ臺站方位角為298°,大致位于破裂傳播的垂直方向,按照破裂傳播的方向性原理,沿著破裂傳播方位破裂時間最短,而反方向破裂時間最長,垂直方向居中.而SH波波形擬合所對應的最佳ASTF破裂時間在CUX臺站為最短的1.2 s,在JLO為最長的3.5 s,而在HEQ臺站則為居中的約2.0 s (圖4b所示).這三個臺站所表現出來的特征正好驗證了破裂大致是向CUX臺站方向傳播(圖4b所示).

4 震源區附近構造應力背景

為了進一步認識2008年攀枝花地震的發震機理及其深部孕震應力背景,我們采用LSIB(Linear Stress Inversion with Bootstrapping)方法(Michael, 1984, 1987),使用震源區及其附近區域內共142個震源機制解(Luo et al., 2020)來反演該區域的平均應力狀態.通過網格搜索來確定與已知震源機制解對應最好的應力張量,并計算最大主壓應力σ1、中間主應力σ2和最小主壓應力σ3的方向和相對應力大小R=(σ2-σ3)/(σ1-σ3),最佳應力張量解與觀測數據之間的偏差用β角表示 (Michael, 1991).結果的不確定性根據2000次bootstrap重采樣反演的應力張量分布定義置信區間做出估計.為了分析攀枝花地震震源區所在的滇中塊體內部與塊體邊界及外部的構造應力差異,將區域分成滇中塊體西部、滇中塊體中部(主震震源區)以及滇中塊體東部三個區域,分別反演每個區域內的平均構造應力.反演結果如圖5所示,圖5(a—c)從上行、中行至下行分別是西部、中部和東部震源機制解、應力統計結果以及相對應力大小R值分布.

圖5 攀枝花地震震源區及周圍各區域平均應力反演結果

滇中塊體西部共使用了34個震源機制解(圖5a左上圖),該區域的震源機制解以正斷型機制為主,有少量走滑型地震.應力張量反演結果(圖5a左中圖)顯示,σ1方位角為158.4°,傾角78.5°;σ2方位角為337.5°,傾角11.5°;σ3方位角為67.5°,傾角0.2°.σ1,σ2和σ3在95%置信區間都集中分布在各自應力軸方向周圍,σ1近垂直,σ2近水平,表現出正斷型應力性質.β=24.4°,R=0.66 (圖5a左下圖),表明最大主壓應力σ1與中間主壓應力σ2之間的相對應力大小差異不大.

中部的攀枝花震源區共使用67個震源機制解(圖5b中上圖),該區域的震源機制解以走滑型為主,有少量正斷型地震.應力張量反演結果(圖5b中圖)顯示,σ1方位角為153.4°,傾角8.8°;σ2方位角為305.5°,傾角80.1°;σ3方位角為62.6°,傾角4.6°.σ1、σ2和σ3在95%置信區間也是集中分布在各自應力軸方向周圍,σ2近垂直,σ1和σ3近水平,表現出典型的走滑型應力性質,σ1走向在SE向基礎上平均向北有10°左右的偏轉.β=14.5°,說明該區域的應力分布比較均勻.R=0.67 (圖5b中下圖),與滇中塊體西部結果相似.

滇中塊體東部共使用41個震源機制解(圖5c右上圖),在巧家、會澤以西部分區域有正斷型地震,其他地方主要是走滑型地震,應力反演結果(圖5c右中圖)顯示,σ1方位角為118.2°,傾角5.1°;σ2方位角為308.8°,傾角84.8°;σ3方位角為208.3°,傾角0.9°.σ2在95%置信區間集中分布在其應力軸方向周圍,σ2接近垂直,σ1和σ3接近水平,表現出走滑型應力特征.雖然σ1和σ3在95%置信區間也分布在其應力軸方向周圍,但表現出沿其走向分布比較離散,說明存在較大不均勻性.σ1走向從SE向偏轉至SSE向.β=32.7°,接近Michael (1991)定義的應力分布處于均勻與非均勻平衡狀態對應的β=33°.R=0.68(圖5c右下圖),與中、西部兩區域結果相似.

對比分析表明,滇中塊體中部的攀枝花震源區的走滑型應力與西部的正斷型應力性質不同,與東部的最大主壓應力軸方向也有一定差異,而且震源區的σ1、σ2和σ3也更集中分布在各自應力軸方向周圍,應力分布比較均勻.

5 討論

研究破裂方向性不僅能確定實際的發震面、震源的破裂傳播方向,而且這些重要信息對了解區域應力分布、區域地震活動的可能孕震環境與發震機理、地震可能造成的應力遷移、地震災害成因、以及震源破裂的物理機制也有很大的幫助.

地震破裂方向性研究方法有很多,如可通過野外地質調查(Thio and Kanamori, 1996; Bodin and Horton, 2004; 徐錫偉等,2013; Xu et al., 2015)、大地測量學觀測數據反演(Shearer, 1997)以及地震序列余震分布(Robinson and McGinty, 2000;房立華等,2013;王未來等,2014)得到.每種方法都有一定的適用范圍和局限性.而使用地震波形信息來研究地震破裂方向性有其優勢(秦劉冰等,2014;何驍慧等,2015),因為地震波形中包含了非常豐富的震源破裂信息,使用近震波形來獲取地震破裂方向性參數,結合地震位置、震源機制解來研究中等地震的震源破裂特征是非常有效的.本文利用表觀震源時間函數(ASTF)隨方位角的變化特性來研究破裂方向性(Tan and Helmberger, 2010; Luo et al., 2010; Zhan et al., 2014; Abercrombie et al., 2017; Huang et al., 2017),該方法選擇同一個地震序列中位置相近、震源機制解相似的小震作為經驗格林函數計算目標地震的理論地震圖,盡可能減少傳播路徑橫向不均勻性等因素對反演結果的影響,而且通過正演模擬的方法提取ASTF,能充分利用破裂過程中引起的持續時間和振幅信息,避免了一般反卷積方法中忽略振幅信息的不足之處.此外,該方法如果有比較密集的臺站分布,也可以得到地震的雙側破裂特征,而且還可以應用到更小的地震(M>3.0)破裂方向性研究中.

對于使用波形反演中等強度地震破裂方向性的研究,Chen等(2005)提出了震源有限矩張量(Finite Moment Tensor, FMT)方法,相對中心矩張量(Center Moment Tensor,CMT)解,FMT 解增加了斷層破裂長度、寬度、破裂速度以及破裂方向矢量等震源參數.Chen等(2005)對不同頻率地震波的到時和振幅進行模擬,即便不使用機制解相近的余震數據,反演對主震的破裂過程仍具有一定的分辨率,而余震的使用則大大提高了對主震精細破裂過程的了解.而且該方法便于使用三維結構模型,對三維精細結構了解較清楚的地區尤為適用.

但是攀枝花地震震源區并沒有高精度的速度結構模型,因此使用經驗格林函數的方法可以有效地把傳播路徑等的影響降到最小.研究結果顯示此次地震破裂方向為184°,與主震震源機制解其中的一個近南北向的節面相吻合,因此通過破裂方向可以確認該地震發震斷層為南北走向的元謀斷裂帶.此斷裂帶屬于川滇地區一條重要的二級構造單元,該結果也與余震空間展布相互佐證(圖2).已有研究表明,余震活動起源于主震破裂的進一步擴展,或者沿平行主破裂面或相鄰斷層的次級破裂,或者沿著與主震斷層的共軛斷層的次級斷裂(Beroza and Zoback, 1993).截至2010年11月2日, 2008年攀枝花主震區內已發生余震1860次,其中2.0～2.9級200次,3.0～3.9級26次,4.0～4.9級4次,5.0級以上2次.余震主要沿南北向展布,余震密集區長度約30 km,早期余震分布與主震的破裂范圍有很好的對應性.雖然此次地震的發震斷層不存在太大爭議,此研究僅作為一個研究案例,驗證小地震經驗格林函數方法對中等規模地震破裂方向性研究的可行性和適用性,希望此方法可以更多地應用到其他中等地震破裂方向性研究中.而經驗格林函數方法之所以沒有得到大規模的應用,是由于該方法本身存在局限,要求作為經驗格林函數的小地震與目標地震有非常相近的機制解,且水平位置和震源深度都要足夠接近;小地震需要有非常簡單的破裂過程;目標地震破裂面也不能過大,否則單個小地震沒法表征破裂面各處對應的格林函數.如果有滿足條件的小震作為經驗格林函數,那么此法在研究中等強度地震的破裂方向性方面就能發揮重要的作用.

地震破裂尺度可以為計算地震的應力降、應變能提供基礎參數(Frankel and Kanamori, 1983).本文研究結果表明此次地震破裂長度8.05 km,可以為后續開展該地震的應力降等估算提供參考.

本文測定的攀枝花地震破裂速度3.35 km·s-1,接近剪切波的波速,這可能是該地震雖然震級不大,但是地震破壞相對嚴重,并造成了巨大經濟損失的重要原因之一.地震破裂速度是斷層破裂過程的重要參數,它對近場地震動方向、強度和空間分布特征有著重要的影響.造成中等地震破壞嚴重的因素有很多,如震級大小、震源深度、震中距、震源破裂最大滑移位置、震源破裂過程、傳播路徑淺層速度結構、場地條件、建筑物質量等,其中地震破裂速度也會是造成地震破壞嚴重的重要因素.破裂速度對地震動峰值有顯著的影響.地震破裂傳播速度一般為剪切波速度的0.5～0.9倍,但是,有些地震觀測到的破裂速度超過了剪切波速度,稱為超剪切破裂(Bouchon et al., 2001; Bouchon and Vallée, 2003).破裂傳播速度越接近剪切波速度,從斷層上不同破裂點傳播到觀測點的地震波時間間隔就越小,地震動的能量積累效應就越明顯,地震動的峰值越大,破裂方向性對地面運動的影響就越顯著(Somerville et al., 1997; Somerville, 2003).如果破裂速度超過了剪切波速度,超剪切破裂可能會在水平方向上產生擴張的平面S波以及馬赫波,這些波會顯著地加強斷層破裂方向上的地面震動和破壞力(翁輝輝,2015).此次地震屬于較大地震災害,地震造成41人死亡,1010人受傷,直接經濟損失44.6億元.該地震房屋倒塌最嚴重人員傷亡最大的地區主要集中在四川攀枝花市仁和區以及會理縣綠水鄉和中廠鄉,還有云南5個州市也不同程度受災,尤其是云南楚雄州受災嚴重.顯然地震南端地區所造成的地震破壞程度遠大于北端,這與我們所得到的地震破裂以較快的速度由北往南傳播而造成地震南端強地面運動劇烈、破裂嚴重的結論相一致.

6 結論

本文通過對攀枝花地震序列的震源位置、震源機制解、破裂傳播方向、破裂尺度、破裂速度以及震源區構造應力場的綜合研究,初步探討了攀枝花地震在背景構造應力作用下地震發生的破裂過程以及災害嚴重的原因.

根據震源區及其周圍地區構造應力差異分析表明,震源區中部的走滑型應力性質與震源區西部的正斷型應力性質不同,與震源區東部的最大主壓應力軸方向也有一定差異,而且震源區中部的最大、中間、最小主壓應力也更集中分布在各自應力軸方向周圍,應力分布比較均勻.攀枝花地震序列位于滇中次級塊體,由于青藏高原物質東移受阻而轉向南逃逸,導致滇中次級塊體沿東南方向平移和順時針轉動(徐錫偉等,2013),塊體內部區域構造應力最大主壓應力軸為NW—SE向(大致與塊體的東南逃逸方向一致),最小主壓應力軸為NE—SW向拉張的背景構造應力作用下,震源區所在的滇中次級塊體作為一個整體運動.但是塊體邊界地區構造應力比較復雜,可能與各構造復雜的差異運動有關.

使用小震經驗格林函數方法計算得到攀枝花主震的破裂方向為184°,破裂長度為8.05 km,破裂速度為3.35 km·s-1,進一步確認了主震震源機制解沿南北向元謀斷裂的節面是實際地震發震面.攀枝花地震可能是區域構造應力在NW向水平擠壓、NE向水平拉張作用下,在～12 km深部發生破裂,破裂沿～184°方向的水平方向傳播,以～3.35 km·s-1的破裂速度大體沿南北向的元謀斷裂由北往南傳播.此次地震的破裂傳播速度接近剪切波速度,較高的地震破裂傳播速度可能是造成此次地震雖然震級不大但造成較嚴重破壞的重要原因之一.

致謝感謝幾位審稿專家及編輯對本文提出寶貴意見和建議.該論文圖件均由GMT繪制,在此深表感謝.