汶川余震震源机制变化的原因

魏柏林，刘特培，陈玉桃

（广东省地震局，广东 广州 510070）

汶川余震震源机制变化的原因

魏柏林，刘特培，陈玉桃

（广东省地震局，广东 广州 510070）

2008年5月12日，汶川MS8.0主震是一个主压应力轴NW-SE的逆倾滑型的地震，而之后的余震震源机制解有的与主震震源机制解一致，有的发生了明显变化，由南至北逐步变成走滑型地震。主震和同主震震源机制解一致的部分余震，在构造应力场直接作用下，龙门山推复体向四川地块逆冲，致使在逆断层的上下盘之间的断层面上产生粘滑而发生逆倾滑型的地震，故其震源机制解的三轴基本上与构造应力场一致。而走滑型余震则认为不是构造应力场直接作用的结果。即，这类地震不是发生在龙门山逆断层的断层面上，故而不是粘滑，而是在逆断层的上盘或下盘滑动的岩块中，由于断层面上的介质不均匀，摩擦力大小不一致或粘结的程度不同，致使盘面上不成一体的断裂小岩块体 （或不同介质构成块体）滑动快慢不一，滑动快的小岩块对前方邻接岩块产生挤压，对后方邻接岩块产生拉张的转换应力场。在这种局部应力场作用下，导致前、后邻接小岩块体中发生新的剪切破裂，因而引起余震震源机制解有规律的变化。

汶川余震；震源机制变化；龙门山逆断层；转换应力场

引言

2008年5月12日，汶川MS8.0地震是发生在龙门山逆断裂带中的特大地震。主震震源机制解是一个略带走滑分量的逆倾滑型地震[1]。后期的余震的震源机制解有的保持与主震震源机制解一致，有的转变为走滑型地震。这种现象在其它震例中也是常见的。

沿主破裂带发生的主震，与后期发生的余震，其震源机制解有的和主震一致，有的却发生了与主震震源机制解不同的变化，如走滑型地震中的1966年6.8、7.2级邢台地震，1975年的7.3级海城地震，1976年的7.8级唐山地震，1976年的7.6级松潘-平武地震和1976年7.4级龙陵地震等。还有沿同一个断裂构造带不同时期的地震，其震源机制解也有不同的变化，如鲜水河构造地震带1967年6.8级侏倭地震，1972年5.8级乾宁地震，1973年5.6级甘孜地震等都是与鲜水河断裂带上的1973年7.6级炉霍地震，1981年6.9级道孚地震震源机制解是不一样的。此外，在逆冲断裂为主的碰撞带也常发生走滑型地震，如喜马拉雅构造地震带，主要发生P轴正交其走向且近水平的逆倾滑形地震，但也发生不少P轴正交其走向且近水平的走滑型地震，甚至还发生了P轴平行喜马拉雅构造地震带走向的走滑型地震。又如帕米尔-兴都库什地震带，扎格罗斯地震带的地震震源机制解都有类似的变化。不仅如此，以正断裂为主的裂谷带也有这类现象，如东非大裂谷主要是东西拉张的正倾滑型震源机制，往往却发生走滑型地震。而贝加尔湖裂谷带常发生一些拉张轴与贝加尔湖构造走向一致的倾滑型地震[2]。

曾经讨论过主震是走滑型地震余震震源机制变化的原因[3]，汶川MS8.0主震是一个逆倾滑型地震，但众多余震却呈走滑型，本文讨论主震是逆倾滑型地震，如何引起余震震源机制变化及变化的规律和产生的原因？

1 汶川主震与余震震源机制解

2008年5月12日，汶川MS8.0主震是一个主压应力轴NW-SE的逆倾滑型的地震，略带一点走滑分量 （图1）。而之后的5月14日的MS5.4，5月16日的MS5.5，5月25日的MS5.9，却变成走滑型地震[1]（图1、表1）。其中，5月16日的MS5.5，5月25日的MS5.9震源机制解的主压应力轴与主震的主压应力轴一致同为NW-SE向 （图1、表1）；而5月14日的MS5.4，其震源机制解的主压应力轴垂直于主震的主压应力轴且与龙门山构造带走向平行，为NE-SW向 （图1、表1）。在龙门山构造带中的逆断层中怎么会产生走滑型地震。它又产生在逆断层中的那个构造部位，是在断层面上，抑或是在断层的上盘或下盘？这是必须要着重讨论的问题。

图1 2008年汶川地震震中位置及震源机制解（据刘超等）Fig.1 The Epicenter position and focal mechanism solutions of Wenchuan at 2008(by Liu chao)

表1 2008年5月12日 汶川大地震及其7次较大余震的最佳双力偶解及其与GCMT解的比较Table 1 Comparison between the best double-couple solutions of the great Wenchuan earthquake of May 12,2008 and its 7 larger aftershocks obtained this study and the GCMT

2 余震震源机制变化的原因的几种假说

关于余震震源机制变化的原因目前有几种假说来进行解释：①菲奇、肖尔茨1972年提出的的 “错动过头”论；试图用此来解释日本西南部所出现的地震震源机制解的不一致性[4]；之后，顾浩鼎等在 《1975年2月4日辽宁省海城地震的震源机制》[5]一文用主破裂在局部地段发生错动过头的假设来解释海城地震的余震震源机制变化。②埃维森等1973年提出的 “液体流出下限”论来解释1968年5月23日新西兰伊南加华7.1级地震序列，三年半以后的晚期余震的震源机制与主震及早期余震大不一样的原因[6]。此外还有用断裂分叉论和共轭断层活动论来解释这种现象。上述几种假说都不能很好地解释余震震源机制变化的规律及其原因。作者经历了1977年广西平果5．0级地震，发现余震P波初动反向。此后，作了大量震例的研究和对比，同时，在陈国达教授新的大地构造理论 “动定递进转化”说的启发和威尔逊教授 “转换断层”新概念的影响下，提出了 “换应力场”[3]假说来解释震源机制的变化的原因。

地震断层成因说认为，在构造应力场作用下，地壳中有两种类型的破坏过程可能导致地震动发生：①脆性剪切破坏；②原有破裂面 (断层面、节理面或其他的裂隙面)上面的粘滑[7]。粘滑意味着变形岩石中原来有破坏面的存在，而其两侧的粘结强度较低[8]脆性破裂表示变形岩石有较大的粘结度。这两种破裂过程，都可用双力偶模型来解释。从目前掌握的资料看，大多数大地震都与活动断层有关，是由粘滑机制引起的。如这次发生在龙门山断裂带上的主震及和主震相似的逆倾滑型余震都是由粘滑机制引起的。

区域构造应力场基本上是稳定的，构造活动是继承性的。这样一些地震基本上都是构造应力场直接作用在已存在的老断裂面上使两盘岩块粘滑的结果，这种由粘滑机制所得出的震源应力场，大体上反映了构造应力场，只是有些角度偏离而已。虽然，在一个较大的区域范围内，构造应力场基本上保持统一的应力作用方式，但是在局部地区应力作用方式与构造应力场完全不一样。这种由于在构造应力场作用下，岩块沿着断裂面的滑动过程中由于断层面上的物质不均匀，摩擦力不一样或粘结的程度不同，故而在构造应力场作用下，在断层面的上、下盘岩块滑动快慢不一，滑动快的岩块，对前方邻接岩块产生主压应力平行岩块运动方向的挤压转换应力场，对后方邻接岩块产生主张应力平行岩块运动方向的拉张的转换应力场，在转换应力场作用下，就可产生不同与主震震源机制解的新的剪切破裂所导致的震源机制解[3]。

3 汶川余震机制的变化的原因

在余震震源机制的变化的原因一文中详细讨论走滑断层中的转换应力场引起的震源机制变化的情况，如1966年的邢台地震，1974年的海城地震，1976年的唐山地震等。

现在来讨论转换应力场在逆倾滑断层面上的转换应力的分布和汶川余震机制的变化。

3．1 区域构造应力场及主震发生的位置

当印度板块以约40 mm/a速率沿北东方向向欧亚板块碰撞，致使青藏高原强烈隆起，迫使其东缘巴颜喀拉地块向华南地块仰冲而产生龙门山推覆构造，它是由汶川-茂汶断裂、北川-映秀断裂、灌县-江油断裂和四川盆地内的盲逆断层等多条叠瓦状逆断层组成推覆构造系统。其走向NE，倾向NW，倾角上陡下缓，地表可见倾角≥70°，映秀及其邻区地震密集包络线反映地壳上部平均倾角≥47°向下明显变缓，在深约15～20 km附近接近于水平，处在地壳中部的滑脱层[9]。由于印度板块向欧亚板块长期作用，也使青藏高原东缘巴颜喀拉地块向华南地块仰冲推挤，产生了主压应力轴为NW-SE向构造应力场，在这种构造应力场长期作用下，龙门山推覆构造带的汶川-茂汶断裂、北川-映秀断裂、灌县-江油断裂产生粘滑而发生汶川MS8.0级主震及余震，并使地表产生了沿北川-映秀断裂和灌县-江油断裂的240 km和90 km地表破裂。主震及与主震的震源机制解一致的余震发生在断层面上，如图2中的E′F′G′H′实圈所示的地震，大者为主震，小者为余震。这些地震的震源应力场的三个主轴：P轴，NW-SE向，近水平；N轴NE-SW，倾角很小，近水平；T轴近垂直，一个节面平行主断层面，一个节面与其正交为一个逆倾滑型地震，略带走滑分量。

其三个主轴与构造应力场三个主轴基本一致，也就是说是在构造应力场直接作用的结果。

3．2 震源机制变化的余震发生的位置

震源机制变化的余震不是发生在汶川-茂汶断裂、北川-映秀断裂、灌县-江油断裂断层面上，而是发生在这些断层面上的上、下两盘的岩块中，如图2空圈所示位置。

3．3 震源机制变化的余震的三个主轴方位变化

余震震源机制解讨论4种特殊情况，即中间应力轴 （N）垂直主断层面及平行主断层面走向：

3 ．3 ．1 中间应力轴 （N）垂直主断层面

（1）P轴，NW-SE向，与主断层面倾角一致，T轴，NE-SW，平行主断层面走向，两个节面与主断层面成正交，与主断层走向成45°交角，为走滑形态，如图2上方右侧图象；当主断层面倾角很小，近0°时，其震源机制解为一个走滑型地震，如图2中的1号地震。当主断层面倾角不断增大，倾滑分量也不断增大。

（2）T轴，NW-SE向，与主断层面倾角一致；P轴，NE-SW，平行主断层面走向，两个节面与主断层面成正交，与主断层走向成45°交角，为走滑形态，如图2下方右侧图象；当主断层面倾角很小，近0°时，其震源机制解为一个走滑型地震，如图2中的3号地震。当主断层面倾角不断增大，倾滑分量也不断增大。

图2 龙门山断裂中汶川MS8.0级主震及余震震源机制的变化图Fig.2 The change of focal mechanisms of main and aftershocks of Wenchuan MS8.0 earthquake of the Longmenshan fault

3.3.2 中间应力轴 （N）平行主断层面走向

（3） P轴，NW-SE向，与主断层面倾角一致；T轴近与直立垂直主断层面，两个节面与主断层面成45°斜交，成倾滑形态，如图2上方左侧图象；当主断层面倾角很小，近0°时，其震源机制解为一个逆倾滑型地震，如图2中的5号地震。当主断层面倾角不断增大，一个节面由倾斜变成直立，另一节面由倾斜变成水平，如图2中的2号地震。

（4） T轴，NW-SE向，与主断层面倾角一致；P轴近与直立垂直主断层面，两个节面与主断层面成45°斜交，成倾滑形态，如图2下方左侧图象；当主断层面倾角很小，近0°时，其震源机制解为一个正倾滑型地震，如图2中的6号地震。当主断层面倾角不断增大，一个节面由倾斜变成直立，另一节面由倾斜变成水平，如图2中4号地震。

3．4 转换应力场引起震源机制的变化

与主震震源机制解不同的余震不是构造应力场直接作用的结果，是间接作用的结果。即，这类地震不是发生在三条逆断层的断层面上，故而不是粘滑，而是在逆断层面上的上下两盘的岩块中发生的新的剪切破裂。为了叙述方便，仅以龙门山逆断层的上盘为例，也即是，上盘的岩块沿断层面 （图2，E′F′G′H′）作逆掩的推覆过程中，由于断层面上的物质不均匀，摩擦力不一样或粘结的程度不同，故而在主压应力轴NW-SE构造应力场作用下，岩块滑动快慢不一，滑动快的岩块 （用S2表示） （由图2ABCD位置滑动到A′B′C′D′位置），对前方邻接岩块 （用S1表示，粘结较牢，滑动较慢）产生一个挤压的应力场，主压应力平行逆断层运动方向，倾角且与断层面一致。对后方邻接岩块 （用S3表示，粘结较牢，滑动较慢）产生一个拉张应力场，主张应力平行逆断层运动方向，倾角且与断层面一致。在这前后邻接岩块中产生的与构造应力场不同的转换应力场。由这种转换应力场致使S1、S3岩块产生新的剪切破裂，由此而引发地震，其震源机制解必然不同构造应力场直接引发地震的震源机制解。现进一步讨论这转换应力场作用方式及引发地震的震源机制解的特征。

3.4.1 S1岩块中的转换应力场

P轴与上盘运动方向一致，与断层面的倾向、倾角一致，N、T轴在垂直P轴面内呈0°-180°的旋转变化，可出现地震的震源机制解从走滑逐渐变为倾滑。讨论两种特殊情况：

(1)N轴与断层面正交，，N轴与断层面近于垂直，T轴平行断层面，其方向与断层的走向一致，当断层面缓倾角时，这时发生的地震，其震源机制解为走滑型，图2中的1号震源机制解，图1中的5号地震的震源机制解。

(2)N轴与断层面平行，N轴方向与断层走向一致，近于水平，T轴正交断层面，这时发生的地震，当断层面缓倾角时，这时发生的地震，其震源机制解为逆倾滑型，即图2中5号地震；当断层面倾角较大时，其震源机制解一节面近于直立，一个节面近于水平，为一个斜倾滑型地震，即图2中的2号地震震源机制解，为斜倾滑型。

3.4.2 S3岩块中的转换应力场

T轴与上盘运动方向一致，与断层面的倾向、倾角一致，N、P轴在垂直T轴面内呈0°～180°的旋转变化，可出现地震的震源机制解从走滑逐渐变为倾滑。讨论两种特殊情况：

(1)N轴与断层面正交，N轴与断层面近于垂直，P轴平行断层面，其方向与断层的走向一致，当断层面缓倾角时，这时发生的地震，其震源机制解为走滑型，图2中的3号地震震源机制解，图1中的4号地震的震源机制解。

(2)N轴与断层面平行，N轴方向与断层走向一致，近于水平，P轴正交断层面，这时发生的地震，当断层面缓倾角时，这时发生的地震，其震源机制解为正倾滑型，即图2中6号地震；当断层面倾角较大时，其震源机制解一节面近于直立，一个节面近于水平，为一个斜倾滑型地震，即图2中的4号地震震源机制解，图1中的8号地震的震源机制解。

4 讨论与结语

根据大多数对汶川地震深度和断层面的倾角的研究认为，龙门山断层在15～20km,断层面的倾角较小，约0°～10°。汶川MS8.0主震震源深度，美国地质调查局 （USGS）定为19 km，中国地震台网中心定为14 km[9]。

按中国地震台网中心定的14 km，此处断层面的倾角较大，若在30°～50°，根据逆倾滑型震源机制解，反推龙门山逆断层在主压应力为NW-SE的构造应力场作用下，在龙门山由NW向SE仰冲沿断层面的粘滑而引发地震。即地震发生在断层面上，是粘滑机制产生的，如图2中的0号地震。

按美国地质调查局 （USGS）定的19 km深度，此处断层面的倾角较小，接近0°根据逆倾滑型震源机制解，反推龙门山逆断层在主压应力为NW-SE的构造应力场作用下，在龙门山由NW向SE推覆，不可能是断层面上的粘滑产生的地震。若是粘滑产生的地震，其震源机制解应是斜倾滑型的震源机制解，如像图2中的2号地震。若要发生逆倾滑型震源机制解，只有在近0°的断层面上的上盘S1岩块中的转换应力场作用下产生的新的剪切破裂而引发的地震，如图2的5号地震。

汶川余震震源机制变化的原因，是在构造应力场作用下，龙门山逆断层上、下盘的岩块作逆冲滑动中，不同段的岩块滑动快慢不一，滑动快的岩块对前方邻接岩块产生挤压，对后方邻接岩块产生拉张的转换应力场，在这转换应力场作用下，前方邻接岩块和后方邻接岩块产生新的剪切破裂。

关于转换应力场引起震源机制变化只讨论了两种特殊情况，实际上余震震源机制解由走滑型逐渐变化到倾滑型都可能发生，因此，会出现许多由走滑型到倾滑型过度类型。

由于龙门山断裂在走向和倾向上的变化，也会增加余震震源机制解变化的多样性。

[1]刘 超，张 勇，许力生，等.一种矩张量反演新方法及其对2008年汶川MS8.0地震序列的应用 [J].地震学报， 2008， 30 （3）： 329-340.

[2]魏柏林.震源机制变化的机理转换应力场[M].北京：地震出版社.1994，62-111.

[3]魏柏林.余震震源机制变化的原因[J].地球物理学报，1980，23（1）:25-34.

[4]Fitch，T.J.,Scholz,C.H..Mechanism of underthrusting in southwest Japan:a model of convergent plate interactions[J].JGR,1972,76(29):7260-7292.

[5]顾浩鼎，陈运泰.1975年2月4日辽宁省海城地震的震源机制[J].地球物理学报，1976，19（4）:27-28.

[6]Evison,F.F.,et al.,Late aftershocks,tectonic stress and dilatancy[J].Nature， 1973， 246:5433-5435.

[7]Byerlee,J.D.,Brace,W.F.Stick-slip,stable sliding and earthquakes effect of rock type,pressure,strain rate and stiffness[J].J.G..R.,1968,73:6031-6037.

[8]Kiyoo Mogi,1.arthquake as fractures in the earth[J].Advances in rock mechanics I.A，974,559-568.

[9]徐锡伟，闻学泽，叶建青，等.汶川MS8.0地震地表破裂带及其发震构造[J].地震地质，2008，30（3）:597 -629.

Cause of the Change of Focal Mechanisms of Wenchuan Aftershocks

WEI Bolin， LIU Tepei，CHEN Yutao
(Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070,China)

The main shock of the earthquake (MS8.0,May,12,2008)at Wenchuan is reverse dip slip with mainly press stress axle NW-SE.And then the focal mechanism solutions of some aftershocks are the same with the main shock and the others are obviously different,have progressively changed to strike slip type from the south to the north.The main shock and some of the aftershocks with the same focal mechanism solutions of the main shock are reverse dip slip earthquakes that caused by glue slipping along the fault plane between the upper and lower plates of the reverse fault that is induced by the pushing and cover body of the Longmen mountain which rushed against the massif of Sichuan directly formed by the tectonic stress field.So the three axles of its focal mechanism solutions are in basically conformity with the tectonic stress field.While aftershocks of strike slip type are not the result directly formed by tectonic stress field.It is that this type of earthquakes do not broke out along the fault plane of the reverse fault so that it is not glue slipping,but is due to the transform stress field,formed by the quicker rock of different slipping speed rocks with small lump of being bad integrative (or body formed with different mediums) pressing the ahead neighbouring rock and pulling out the back neighbouring rock along the upper and lower plates of the reverse fault which plained with bad mixed matter,different frictions and binding.The focal mechanism solutions of aftershocks changed regularly is formed by the new shear fracture occurred in the ahead and back neighbouring rocks on the effect of this kind of some stress field.

Wenchuan aftershocks;Variation of focal mechanism;Longmenshan reverse fault;Transformed stress field

P315.332

A

1001-8662（2011）04-0062-08

2011-06-06

魏柏林，男，19375年生，研究员.主要从事大地构造、发震构造、震源应力场与构造应力场及诱发地震的研究.E-mail:653418597@qq.com.