基金项目:国家重点研发计划专题(2021YFC3000705-07); 国家自然科学基金地震科学联合基金(U2139203); 中国地震局“大震短临跟踪技术研究团队”项目; 四川省地震局“防震减灾公共服务平台建设创新团队”项目.
第一作者简介:张致伟(1983-),正高级工程师,主要从事地震综合预测与数字地震学应用研究.E-mail:zzw1983107@163.com.
(1.四川省地震局,四川 成都 610041; 2.成都理工大学,四川 成都 610059; 3.宁夏回族自治区地震局,宁夏 银川 750001)
(1.Sichuan Earthquake Agency,Chengdu 610041,Sichuan,China)(2.College of Geophysics,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan,China)(3.Earthquake Agency of Ningxia Hui Autonomous Region,Yinchuan 750001,Ningxia,China)
the Lushan MS6.1 earthquake; the Lushan MS7.0 earthquake; focal mechanism solution; stress tensor variance; b value; stress state
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0061
据中国地震台网测定,2022年6月1日四川省雅安市芦山县(30.37°N,102.94°E)发生MS6.1地震,震源深度17 km。此次地震位于2013年4月20日芦山MS7.0地震的西北侧,震中仅相距9 km,属于芦山MS7.0地震的晚期强余震。
2013年芦山MS7.0地震发生后,众多学者就芦山地震序列震源机制及震区的应力状态开展了相关研究(单斌等,2013; 罗艳等,2015; 梁春涛等,2018)。芦山MS7.0地震震源机制断层面走向NE、倾向NW,为NWW-SEE向水平挤压应力作用下发生的一次逆冲型地震(刘杰等,2013); 芦山余震区最大主压应力(S1)方向存在局部空间差异,余震区南段S1方向总体呈NWW向,而余震区北段S1方向表现出由NW经EW向NE的逆时针旋转(张致伟等,2015a); 单斌等(2013)计算了芦山MS7.0地震的同震静态库仑应力场变化,发现主震破裂面附近以及破裂面的东北和西南端为库仑应力增强区,余震也主要发生在破裂面附近的库仑应力增强区; 易桂喜等(2013)基于芦山地震前的资料获得了龙门山南段的b值图像,显示震前在天全—芦山段应力水平相对较高; 梁春涛等(2018)利用密集监测台阵的走时定位发现芦山余震区东边的大邑断裂及一些隐伏断裂上地震比较活跃,认为应力在这些断裂上有所积累; 张致伟等(2023)研究认为2022年芦山MS6.1地震序列发生在2013年芦山MS7.0地震发震断层北西侧的一条倾向南东的反冲断层上,且MS7.0地震对MS6.1地震有显著的触发作用。
地震的发生与应力状态密切相关,强震震源区应力状态的时空变化对了解地震过程和预测地震具有重要意义。震源机制一致性和b值作为表征区域应力状态的参数,被广泛应用于地震危险性分析和地震预测研究中(Wiemer et al,2002; Wyss,Stefansson,2006; 易桂喜等,2013; 曾宪伟等,2020)。在大地震孕育的过程中,震源区附近的构造应力场控制作用会增强,特别是临近发震的时候,中小地震的震源机制趋于一致,应力张量方差显著降低,反映了震源区应力水平升高; 大震后震源区应变能得以充分释放,中小地震的震源机制趋于紊乱,应力张量方差明显升高,表明震源区应力水平降低(Wiemer et al,2002; 付虹等,2011; 张致伟等,2015b)。b值本质上反映的是不同震级地震之间的比例关系,代表了介质内部应力水平的高低,其随着介质应力水平的增加而减小,介质应力水平高,在岩石破裂面的边界上处于高水平的应力点所占的比重越大,大破裂的比例也越大,b值越小; 介质应力水平低,破裂面的边界上就越容易碰上低水平的应力点而停止,小破裂所占的比例大,b值越高(Wyss,Wiemer,2000; 易桂喜等,2013)。
时隔9年芦山MS7.0地震余震区再次发生MS6.1地震,震源力学机制与震源区应力状态是理解芦山MS6.1地震孕育和发生的关键问题之一。本文采用CAP方法反演了2013年以来芦山MS≥5.0地震震源机制解,基于余震区应力张量方差与b值时空分布特征,探讨了芦山MS6.1地震前震源区的应力状态。
在求取震源机制解的多种方法中,相比以往的P波初动法、体波反演或面波反演法,CAP方法是一种全波形的反演方法,将地震波形记录分解为面波和Pnl两部分,搜索观测波形与理论波形之间拟合误差函数最小的机制解,在获得震源机制解的同时还能给出最佳拟合震源深度(Tan et al,2006; 郑勇等,2009; Zhang et al,2022)。
CAP方法的主要原理是将任意一个双力偶震源的理论合成位移s(t)表示为:
式中:i=1、2、3时分别对应垂直走滑、垂直倾滑和45°倾滑3种最基本的断层类型; M0为标量地震矩; Ai为震源辐射图因子; Gi为格林函数; θ为台站方位角; φ、δ、λ依次为所求震源机制解的走向、倾角和滑动角参数。
在反演过程中,以理论地震位移s(t)与观测地震位移u(t)一致作为判断标准:
u(t)=s(t)(2)
可定义一个误差目标函数来衡量s与u的差异:
式中:r为震中距; r0为选定的参考震中距; p是考虑到几何扩散因子对地震波形的影响而采用的指数因子,它使得地震的矩震级大小较为可靠。经参考前人研究的经验(吕坚等,2008; 郑勇等,2009)及反复尝试,一般情况下体波可给定p=1.0、面波p=0.5。
常用的b值计算方法有最小二乘法和最大似然法(中国地震局监测预报司,2020)。在特定条件下最小二乘法可由最大似然法替代,最大似然法计算b值的公式为:
式中:Mc为最小完整性震级; ΔM为震级精度(对于仪器记录的地震,通常取0.1); 为M≥Mc的所有地震震级的平均值; e表示自然常数。
其误差δb计算公式为(Shi,Bolt,1982):
式中:n为地震个数。
2013年4月20日芦山县发生MS7.0地震,时隔9年主震西北侧再次发生芦山MS6.1地震,震中附近发育有NE走向的5条断裂,它们构成了叠瓦状逆断层体系(Hubbard,Shaw,2009; 徐锡伟等,2013),余震长轴展布与断裂走向一致(图1)。截至2022年12月31日,芦山MS7.0地震序列共记录到0级以上余震18 092次,其中MS≥3.0地震157次,3.0~3.9级126次,4.0~4.9级26次,5.0~5.9级4次,6.0~6.9级1次,最大余震为2022年6月1日芦山MS6.1地震,表1列出了芦山7.0级地震及5次MS≥5.0余震目录。
图1 芦山MS7.0余震及震区断裂分布
Fig.1 Distribution of the aftershocks and faults in the 2013 Lushan MS7.0 earthquake zone
表1 芦山MS7.0地震及MS≥5.0余震目录
Tab.1 Catalog of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake and its MS≥5.0 aftershocks
图2a给出了2013年芦山MS7.0地震序列的M-t图,2022年芦山MS6.1地震前,芦山MS7.0地震序列呈现正常的衰减过程,4次MS≥5.0余震均发生在震后前两天,最大为4月21日芦山、邛崃交界MS5.4地震。2016年以来余震活动较为稳定,仅发生1次4级以上余震,即2019年5月2日芦山MS4.5地震。图2b给出了2022年芦山MS6.1地震序列的M-t图,截至2022年12月31日,芦山MS6.1地震序列共记录到2次MS≥3.0余震,分别为6月1日宝兴县MS4.5和6月2日芦山县MS3.2地震。余震活动强度弱,主要为3级以下余震,且集中发生在震后前3天,随后余震序列迅速衰减。
选取四川区域测震台网记录到的震中距小于250 km、且信噪比高的数字波形,采用CAP方法反演获得了2013年芦山MS7.0地震(①)及MS≥5.0余震的震源机制解(图3), 详细参数列于表2。
图2 芦山MS7.0(a)、MS6.1(b)地震序列M-t图
Fig.2 The M-t diagrams of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake sequence(a) and the 2022 Lushan MS6.1 earthquake sequence(b)
由于2013年4月20日8时7分发生的芦山、宝兴交界MS5.1余震(②)距主震仅5 min,导致其波形记录受主震波形干扰严重,因此无法反演出震源机制解。2013年4月20日芦山MS7.0地震的矩心深度为13 km,断层面走向、倾角和滑动角分别为216°、47°和94°,P轴方位角和倾角分别为303°和2°,震源机制呈现走向NE、倾向NW,为NWW-SEE向水平挤压应力作用下的逆冲型地震。4月20日11时34分天全、芦山交界MS5.3余震(③)位于主震南南西侧约24 km处,矩心深度为16 km,断层面走向、倾角和滑动角分别为217°、46°和94°,P轴方位角和倾角分别为304°和1°,震源机制同样表现为受NWW-SEE向水平挤压作用的逆冲型。4月21日4时53分、17时5分芦山、邛崃交界MS5.0(④)和MS5.4(⑤)余震发生在余震区北东端,两次余震虽相距较近,但震源机制略有差异,矩心深度分别为17 km和13 km; MS5.0余震(④)的断层面走向、倾角和滑动角分别为182°、39°和74°,P轴方位角和倾角分别为103°和7°,呈现为受近EW向水平作用力的逆冲型,而MS5.4余震(⑤)的断层面参数分别为228°、44°和95°,P轴方位角和倾角分别为134°和1°,表现为受NW-SE向水平作用力的逆冲型。2022年6月1日芦山MS6.1地震(⑥)位于主震西北侧9 km,断层面走向、倾角和滑动角分别为22°、52°和78°,P轴方位角和倾角分别为120°和6°,震源矩心深度14 km。芦山MS6.1地震的震源机制表现出与2013年芦山MS7.0主震及5级余震类似的逆冲型破裂特征,压应力轴方位与龙门山断裂带南段区域应力场NWW-SEE(阚荣举等,1977)一致,表明此次MS6.1地震仍是在巴颜喀拉块体东向挤压的动力学背景下发生的。
为了求解空间非均匀震源机制解的应力场特征,Michael(1991)提出了叠加应力场反演方法,它通过在均匀应力场上叠加扰动来模拟非均匀的空间应力场,获得张应力轴、中等应力轴和压应力轴的方向以及反演方差。应力张量方差被定义为单个地震的滑动矢量与在假设应力张量作用下产生的理论滑动矢量之间的夹角与其平均数之差的平方和的平均数,是衡量区域构造应力场与地震震源释放应力场一致性程度的指标(Michael,1987,1991)。已有研究表明,当方差大于0.2时,表明区域应力场在时空上是非均匀的; 当方差小于0.1时,意味着区域应力场是均匀的(Lu et al,1997)。
表2 2013年芦山MS7.0地震及MS≥5.0余震的震源机制解参数
Tab.2 Focal mechanism parameters of the MS≥5.0 aftershocks of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake sequence
图3 2013年芦山MS7.0地震及MS≥5.0余震的震源机制解(断层同图 1)
Fig.3 Focal mechanism solutions of the MS≥5.0 aftershocks of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake sequence(faults are the same as the ones in Figure 1)
基于2013年4月20日—2022年5月31日芦山129次MS≥3.0余震震源机制解(图4a),将芦山余震区划分为0.01°×0.01°的网格,选取每个网格节点及其周围至少8个地震震源机制解,采用Michael(1991)提出的应力场反演方法计算了芦山余震区的应力张量方差(图4b)。2022年6月1日芦山MS6.1地震前,余震区呈现的应力张量方差分布特征与早期的研究结果(张致伟等,2015b)较为一致。芦山MS7.0地震两侧的应力张量方差存在明显差异,主震震中及其北侧的应力张量方差明显低于南侧,余震区北侧的应力张量方差小于0.1,说明该区域的应力水平较高,MS6.1地震就发生在余震区北侧的应力张量方差低值区。以往研究也有类似的发现:Wiemer等(2002)分析认为1992年兰德斯MS7.3和大熊MS6.4地震均发生在应力张量方差低值区; 张致伟等(2015b)研究发现汶川MS≥5.5强余震也发生在应力张量方差低值分布区或其边缘附近; 李金等(2015)研究认为天山中东段地区的MS≥5.5地震大多发生在应力张量方差相对较低的区域,新源—和静MS6.6地震位于低值区中心。
基于2000年1月1日—2022年12月31日芦山余震区的地震,采用最大似然法估算了芦山余震区整个时段的b值(图5)。鉴于震级-频次关系式中高、低震级段出现的“摆尾”和“掉头”现象会对b值计算产生影响(曾宪伟等,2020),本文在计算b值时同时考虑了高震级截断地震和最小完整性震级的影响。根据震级-频次关系,选取最小完整性震级MC为0.8,高震级的截断震级为5.5,扣除高、低震级段的影响后,计算获得的芦山余震区的平均b值为0.75±0.06。
图4 芦山MS≥3.0余震震源机制(a)及余震区应力张量方差空间图像(b)(断层同图 1)
Fig.4 Focal mechanisms of the MS≥3.0 aftershocks(a)of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake sequence and the distribution of the stress tensor variance in the Lushan aftershock zone(b)(faults are the same as the ones in Figure 1)
以2013年芦山MS7.0地震序列为研究对象,选取500个地震样本作为一个时间窗,且步长取为一个时间窗,逐步滑动样本窗计算每个窗口内的b值,绘制了2013年芦山MS7.0地震以来余震区的b值时间进程曲线(图6)。结果显示,地震后b值出现短时间上升,2013年7月达到最高值0.9后开始下降,2018年下降到最低值0.68后开始缓慢上升直至发生2022年芦山MS6.1地震。马鸿庆(1978)在研究华北地区大震前的b值异常变化时,同样发现b值随时间先升高后降低,达到最低值后又回升直至发震; 高雅婧等(2022)研究认为台湾集集地震发生后十天至5个月内b值迅速且连续升高,6~7个月后b值出现降低趋势,表明区域应力水平经历了恢复后又处于积累的状态。
2016—2021年芦山余震区的b值低于2000年以来的平均b值(0.75)水平,表明芦山MS7.0地震后余震区长期处于低b值状态。史海霞等(2018)研究发现汶川震源区b值从2002年开始至地震前呈现一个长期趋势性下降; 易桂喜等(2013)分析了龙门山断裂带南段应力状态,认为2008年汶川MS8.0地震后,天全—芦山以及宝兴北部地区b值有较明显的降低; 蒋海昆等(2000)通过花岗岩变形过程中的声发射实验,研究认为b值的系统降低表征研究区所处环境应力的进一步增强。分析认为,芦山余震区长期处于低b值的现象可能源于巴颜喀拉块体持续东向运动受到华南块体的阻挡,余震区长期受挤压逆冲作用所致。
将芦山余震区划分为0.01°×0.01°的网格,以每个网格节点为中心点,搜索半径逐步增大,当地震数达到200个时停止搜索并计算b值。根据余震区b值时间变化过程,考虑到芦山MS7.0地震对余震区b值的影响,本文选取b值相对稳定的2016年作为起始时间,将研究时段划分为2016年1月1日至2020年12月31日(第I时段)、2016年1月1日至2022年5月31日(第II时段)和2016年1月1日至2022年12月31日(第III时段)共3个时段分析b值空间扫描图像(图7)。
余震区b值在不同时段的空间图像显示,3个时段芦山MS7.0主震震中及附近b值均处于低值(<0.75)状态,表明主震震中及附近长期处于应力积累。2022年芦山MS6.1地震发生前,震中附近的b值(图7b)较第I时段(图7a)有所下降,地震发生后短期内震源区仍表现为低b值(图7c)。易桂喜等(2011)研究发现龙门山断裂带中北段的绵竹—茂县段与江油—平武段具有异常低b值,这两个段落也是汶川5级以上强余震集中发生的区域; Nanjo等(2012)研究发现2011年日本东北MS9.0和2004年苏门答腊MS9.1两次地震前震源区均存在异常低b值; 冯建刚等(2016)研究发现2013年岷县漳县MS6.6地震发生在临潭—宕昌断裂与西秦岭北缘断裂之间的低b值区边缘。对比前文给出的应力张量方差空间分布,可以看出2022年芦山MS6.1地震前,震源区的低b值与应力张量方差低值区吻合较好。由此可见,应力张量方差和b值均可反映区域应力状态,结合应力张量方差和b值的空间分布可作为识别强震危险地点的方法之一。
基于四川地震台网记录的观测资料,采用CAP方法反演了2013年芦山MS7.0地震及MS≥5.0余震震源机制解,并基于应力张量方差及b值时空分布特征,探讨了2022年芦山MS6.1地震的力学机制及余震区的应力状态。获得的主要认识如下:
(1)2022年芦山MS6.1地震发生在2013年芦山MS7.0地震余震区北西侧约9 km处,属于芦山MS7.0地震的晚期强余震。芦山MS6.1地震震源机制断层面走向、倾角和滑动角分别为22°、52°和78°,P轴方位120°,倾角6°。表现出与芦山MS7.0主震和5级余震相似的逆冲型破裂特征,压应力轴方位与龙门山断裂带南段区域应力场一致。揭示芦山MS6.1地震仍是在巴颜喀拉块体东向挤压的动力学背景下发生的。
(2)2013年芦山MS7.0地震后,主震震中附近始终表现为较低的应力张量方差和b值,其中应力张量方差小于0.1,b值小于0.75。2016—2021年期间芦山余震区的b值均低于2000年以来的平均b值(0.75)水平,反映出芦山MS7.0地震震中及附近长期处于应力积累状态。上述现象可能源于巴颜喀拉块体持续东向运动受到华南块体的阻挡,震中所在区域长期受挤压逆冲作用所致。
(3)2022年芦山MS6.1地震前,震中及附近的应力张量方差和b值均呈现低值异常,表明芦山MS6.1地震前震源区处于较高的应力水平。由此可见,应力张量方差和b值均可作为表征区域应力状态的参数,结合两者的空间分布可用于识别强震危险地点。
四川地震台为本研究提供了地震目录和波形数据,CAP波形反演程序来源于美国圣路易斯大学的朱露培教授,b值计算和绘图程序来自ZMAP程序包。在此一并表示衷心感谢!