2017年8月8日21时19分,四川省阿坝州九寨沟县(33.20°N,103.82°E)发生M_S7.0地震,震源深度为20 km。此次地震发生在青藏高原巴颜喀拉块体东缘,震中附近区域构造复杂,多条差异很大的断层相互交错,主要发育有NWW向的塔藏断裂、近EW向的雪山梁子断裂、NS向的岷江断裂和NNW向的虎牙断裂(徐锡伟等,2017)。该区域地震活动频繁,周边断裂带上曾发生多次中强震,如岷江断裂上发生1933年叠溪M_S7.5地震,虎牙断裂上发生1973年松潘黄龙M_S6.5地震以及1976年松潘—平武2次M_S7.2和1次M_S6.7地震(朱航,闻学泽,2009)。2017年九寨沟地震震中又位于地震破裂空区(徐锡伟等,2017),发震断层和活动断裂之间的关系不明确。对于此次地震的发震断层,不同学者持不同意见,主要有以下两种观点:一种观点认为此次地震可能发生在虎牙断裂NW向延伸的潜伏断层上(杨宜海等,2017; 季灵运等,2017; 徐锡伟等,2017; 鲁人齐等,2018); 另一观点认为发震构造为塔藏断裂南侧分支——树正断裂,或与虎牙断裂贯通(易桂喜等,2017; 姚鑫等,2017)。本文利用万永革等(2008)给出的由小震数据确定断层参数的方法,确定本次地震的发震断层面参数,并将所得断层参数和周边断层参数进行对比分析,判定了2017年九寨沟地震的发震断层。

梁姗姗等(2018)根据四川省地震局的观测报告获得2017年九寨沟M_S7.0地震的震相数据和初始震源参数,选取2017年8月8日21时至10月31日24时共6 453次地震,采用双差定位法对地震事件进行相对定位,最终给出4 036个重定位地震事件,包括1次主震和4 035次余震。重定位后的地震序列沿NS,EW和UD方向的平均相对误差较小,均在0.05 km以下,平均均方根残差为0.03 s,其余震序列空间分布情况如图1所示,图中序号1～5为分别来自于易桂喜等

图1 2017年九寨沟MS7.0地震构造背景及余震分布图
Fig.1 Map of tectonics background and distribution of aftershocks of 2017 Jiuzhaigou MS7.0 earthquake

(2017)、全球矩心矩张量(GCMT)、美国地质调查局(USGS)、梁姗姗等(2018)和杨宜海等(2017)得到的主震的震源机制解。

大震发生后,大量的余震发生在断层及其附近区域,根据余震分布获得断层产状,可以勾画出断层的形状,推测地震的发震断层,尤其是对于发震断层比较复杂的地震,余震可以刻画出断层的三维形态(万永革等,2008)。王鸣和王培德(1992)最早采用此原理分析了山西省大同—阳高地震的发震断层面,但所采用的高斯-牛顿法依赖初始解,如果初始解选取的不合适,得到的解将会远离真实解。万永革等(2008)对此方法做了改进,假定发震断层面可以近似为一个平面或分段近似为多个平面,小震震源位置到假定断层面距离的平方和最小,建立求解断层面的数学模型,给出根据小震确定主震走向、倾角的模拟退火全局搜索和高斯-牛顿局部搜索相结合的方法,此方法可以在全局搜索最优解,避免了对初始解的依赖,被广泛应用于断层参数的确定(李迎秋等,2011; 杨超群等,2013; Wang et al,2014; 盛书中等,2014; 潘睿等,2015)。但该方法通过人工筛选数据,可能存在偶然因素的影响。为了验证人工筛选数据是否对研究结果及稳定性造成影响,本文在数据筛选前进行了数据随机筛选测试。

本文进行了1 000次实验,每次从4 035个余震数据中随机选取90%的地震事件进行断层面参数拟合,所得断层的走向和倾角分布见图2。由图2可见,1 000次实验结果给出的走向和倾角分布比较集中,走向的拟合结果为151.3°,标准差为0.08,倾角的拟合结果为84.0°,标准差为0.27。由此可见断层面参数反演结果是稳定的,一方面反映了本次地震的余震分布集中,大体上分布于主震断层面上及其附近,另一方面反映了人为选

图2 1 000次随机试验获得的断层走向和倾角分布图
Fig.2 Distribution of fault's strike and dip obtained by 1 000 times random experiments

取余震数据对本次研究结果的影响较小。因此,本文将使用梁姗姗等(2018)计算得出的九寨沟地震4 035个重定位余震事件,采用万永革等(2008)的小震确定大震断层面方法进行计算研究。

本文使用九寨沟地震全部精定位余震事件进行计算,结果如图3所示(图中白色虚线框和黑色虚线框为断层面)。图3a,b为余震在水平面和断层面上的展布。从图3c,d中可以看出,余

震主要集中在主震断层面5 km范围内,说明大部分余震在所求断层面的附近,并以断层面为中心呈对称分布。最终获得九寨沟地震发震断层的详细参数(表1)。

由余震分布确定九寨沟地震发震断层的走向和倾角分别为151.3°和84.0°,与之前研究结果作比较(表2),发现本文结果与美国地质调查局(USGS)、中国地震局地球物理研究所、杨宜海等(2017)、易桂喜等(2017)和梁姗姗等(2018)的结果是一致的; 走向结果与GCMT、刘旭宙等(2017)、谢祖军等(2018)的研究结果一致;

图3 2017年九寨沟MS7.0地震精定位余震在水平面(a)、断层面(b)和垂直于断层的横断面(c)上的投影及小震到断层面距离的分布(d)
Fig.3 Projection of precisely located aftershocks of Jiuzhaigou MS7.0 earthquake in 2017 on horizontal(a),fault(b)surfaces and cross section vertical to fault(c),and distribution of distance from small earthquakes to fault plane(d)

表1 2017年九寨沟MS7.0地震发震断层参数计算结果
Tab.1 The calculating results of seismic fault plane parameters of the 2017 Jiuzhaigou MS7.0 earthquake

倾角结果与刘旭宙等(2017)的结果差异最大,相差14°,以上结果一定程度上反映了用余震数据确定断层面参数方法的稳定性和准确性均较高。震源机制解节面是复杂发震断层面的一个近似,因此,本文用全部余震数据所得结果可以视为发震断层面参数的一级近似。

表2 不同研究所得2017年九寨沟MS7.0地震断层参数对比
Tab.2 Comparison of fault plane parameters of 2017 Jiuzhaigou MS7.0 earthquake by different research

精定位后的余震呈NW—SE向分布,从图1可以看出,在主震的WN方向存在一段余震稀疏区,不同研究者对本次地震序列余震精定位研究结果也显示存在余震稀疏区(房立华等,2018; 梁建宏等,2018)。季灵运等(2017)对InSAR观测结果的研究表明发震断层走向在余震稀疏区由NW向NNW过渡,即发震断层在余震稀疏区以南的走向为NW向,在余震稀疏区以北的走向为NNW向。那么主震发震断层是否存在转向,余震稀疏区是否是其转向的分段点?本文采用分段拟合断层参数的方法对发震断层进行分析,根据不同分段间差异大小,确定断层是否可以进一步分段。平均演后残差为每个余震震源到拟合断层面的最终平均残差(万永革等,2008)。本文根据平均演后残差的变化确定分段点的大致位置,将所有地震事件按纬度排列,从南向北,由33.05°N开始,用窗长为0.1°,步长为0.025°的滑动窗进行分段拟合,计算结果如图4所示。

图4 走向(a)、倾角(b)和平均演后残差(c)分布图
Fig.4 Distribution of strike(a),dip angle(b)and average post-mortem residual(c)

从图4可以看出,第7个滑动窗平均演后残差最大,反映该处断裂构造相对复杂,该滑动窗的范围为33.2°～33.3°N,横跨余震稀疏区。综上,大致以余震稀疏区为界将余震分为南、北两段分别计算,计算结果如表1所示。南、北两段断层走向的最优解及其标准差范围不重合,表明南、北两段走向存在差异,且发震断层的走向发生了变化,南、北段断层是对整体反演结果的进一步细化,可以认为是断层的次一级划分。从图4中可以看出,倾角也发生了变化,由85°变化到75°。谢祖军等(2018)通过建立九寨沟地震发震断层的三维模型,得到倾角范围为66°～89°,平均值为84°; 房立华等(2018)通过剖面最小二乘线性拟合获得发震断层的倾角为74°～88°,东南段略高于西北段,与本文的计算结果一致。

对于余震稀疏区产生的原因,房立华等(2018)给出了3种可能成因:①断裂走向发生转折变化; ②存在障碍体; ③同震位错滑动量较大,应力释放充分。通过分析地震破裂反演结果(张旭等,2017)认为第3种成因可能性较大,但认为地震破裂反演结果基于发震断层面是一种平面的假设,而实际上断层面是非平面的,因此,上述第3种原因还有待于进一步证实。本文研究表明在余震稀疏区两侧发震断层的倾角和走向发生了较大的变化(图4和表1),断层参数的变化可能对于发震不利,因此本文认为上述第1种原因的可能性较大。

2017年九寨沟M_S7.0地震属于左旋走滑型地震(易桂喜等,2017; 梁姗姗等,2018; 谢祖军等,2018),震中位于塔藏断裂、岷江断裂、虎牙断裂和雪山梁子断裂所夹持的区域(图1),多条性质不同的断裂交汇于此,区域构造复杂。其中塔藏断裂位于东昆仑断裂的东端,总体走向为NW,塔藏断裂与虎牙断裂及其附近的其他断裂分解了大部分东昆仑断裂带的左旋走滑分量(徐锡伟等,2017),表现为左旋走滑性质,与此次地震的运动性质相一致,但余震的分布与塔藏断裂不重合,判定不是此次地震的发震断层; 岷江断裂总体走向近NS,倾向NW,倾角60°～70°,全长170 km,表现为逆冲运动性质(徐锡伟等,2017; 任俊杰等,2017),与九寨沟地震的左旋走滑机制不一致,判定不是此次地震的发震断层; 雪山梁子断裂走向EW,倾向N(Kirby et al,2000),也不是此次地震的发震断层; 虎牙断裂位于龙门山断裂的NW侧,全长60 km,松潘黄龙以北为虎牙断裂的北段断裂,走向由NNW转为NS向,倾向E,倾角80°左右,以左旋走滑为主(唐荣昌,陆联康,1981; 徐锡伟等,2017),黄龙以南,以小河为界分为两段,虎牙中、南段断裂走向由NS向SE偏转,倾向W,倾角由N往S自70°变为30°(唐荣昌,陆联康,1981),表现为左旋走滑兼逆冲的运动方式,其中虎牙南段断裂为逆冲型运动(Jones et al,1984; 朱航,闻学泽,2009),总体走向NNW。从2017年九寨沟M_S7.0地震余震的分布和断层参数来看,走向和倾角与虎牙断裂北段相一致,运动性质也与虎牙断裂北段相一致,为左旋走滑机制。InSAR观测(季灵运等,2017)、野外实地考察(徐锡伟等,2017)以及同震滑动分布(陈威等,2018)表明,九寨沟地震未破裂到地表,此次地震的发震断层为隐伏断层。因此,推测此次地震的发震断层为虎牙断裂北端的隐伏断层。

本文利用2017年九寨沟M_S7.0地震重定位余震数据,获得了该地震的发震断层参数,并结合周边地质构造推断了其发震构造,获得的主要结论如下:

(1)使用余震资料获得九寨沟地震发震断层走向和倾角分别为151.3°和84.0°,该结果和其他研究给出的断层参数较为一致,可以视为发震断层参数的一级近似。

(2)根据余震稀疏区以及断层总体走向的变化,进一步给出了次一级的发震断层参数,即将发震断层分为南、北两段,南段断层的走向和倾角分别为147.4°和88.3°,北段断层的走向和倾角分别为162.9°和76.8°。对于余震稀疏区的成因,本文认为可能是断层走向和倾角变化较大所致。

(3)九寨沟地震属于高倾角左旋走滑型地震(易桂喜等,2017; 梁姗姗等,2018; 谢祖军等,2018),发震断层与虎牙断裂的北段的运动性质、走向和倾角相一致,推测此次九寨沟地震的发震断层为虎牙断裂NW向延伸的隐伏断层。

审稿专家给出宝贵的修改意见,本文图件利用MATLAB和Generic Mapping Tools(Wessel,Smith,1998)绘制,震源数据从全球矩张量解(GCMT)网站上获得,在此一并表示感谢!