汶川MS8.0地震前后龙门山及其邻区构造应力场时空分布特征

虎雄林 王 强 解朝娣

1） 中国昆明650224云南省地震局 2） 中国昆明650091云南大学地球物理系



汶川MS8.0地震前后龙门山及其邻区构造应力场时空分布特征

1） 中国昆明650224云南省地震局 2） 中国昆明650091云南大学地球物理系

基于2000年7月—2009年6 月龙门山及其邻区的震源机制解资料， 采用Gephart & Forsyth方法， 反演得到了汶川地震前后该地区构造应力主方向的空间分布． 结果显示： 沿鲜水河断裂带及其北部地区， 构造应力场变化显著， 区域构造应力的最大主应力方位由NNW变为NW， 断层错动类型由正断型兼走滑型变为走滑型； 沿龙门山断裂带的构造应力最大主应力方向仍然为近EW和NE向， 但其EW向范围在向NE方向扩张， 其南部汶川地震震中附近异常带范围在收缩． 另一方面， 对上述时间段龙门山及其邻区不同时段构造应力场的反演结果表明， 其构造应力场的特征参数（包括R值、 应力洛德参数μ以及3个主应力的方位角和仰角等）均从第13时窗开始出现显著变化， 这表明第13时窗（2006年12月—2007年1月）是一个构造应力显著变化的特征窗口. 在该时窗内， 地震能量积累达到一个临界状态， 是汶川MS8.0地震发生的时间节点．

汶川地震 龙门山 构造应力场

引言

2008年汶川MS8.0地震发生在青藏高原东缘的龙门山推覆构造带内（徐锡伟等， 2008； 朱艾斓等， 2008）. 龙门山断裂带位于印度板块向我国大陆NNE向挤压作用的前沿地带， 呈NW--SE向延伸， 是我国南北地震带的重要组成部分（邓起东等， 2002）． 该断裂带邻区的地质构造复杂， 发育有NW向、 NE向和近SN向4组活动地块的边界断裂带， 其西南侧为鲜水河断裂带， 东南侧为龙泉山断裂带和华莹山断裂带， 东北侧为西秦岭北缘断裂带， 西北侧为东昆仑断裂带（邓起东等， 2002）．

汶川MS8.0地震的动力来源为青藏高原东缘与华南地块的相对运动， 是青藏高原内部地壳物质向东和向北扩展的结果（张培震等， 2008； 朱介寿， 2008）． 由于应力场状态与强震的发生关系密切， 汶川地震后关于利用库仑应力变化对这次地震主断裂及其周边主要断裂的应力变化研究取得了很多成果（Parsonsetal， 2008; 王连捷等， 2008; 吴小平等， 2008; 张国宏等， 2008; 万永革等， 2009）． 结果表明， 地震破裂带两端库仑应力明显增强， 对未来强震的判断有一定启示. 但预测未来强震的发生时间仍很困难， 因为目前尚不能对应力场随时间的变化作出判断． 构造应力是研究地震及断裂带形成机制的重要指标之一． 阮祥等（2010）对四川及其邻区的中小地震震源机制解进行反演， 并在此基础上采用力轴张量法计算出5个主要断裂带（区）在汶川地震前后的平均构造应力场． 其结果显示： 龙门山断裂带南段和鲜水河断裂带南段在汶川地震前后局部应力扰动明显， 即震后平均应力场方位扰动值相对变化较大； 鲜水河断裂带南段、 龙门山断裂带南段和华蓥山断裂带中段在汶川地震后逆倾型地震明显减少． 由于断裂带（区）范围划定尚没有一个统一的标准， 导致选取断裂带（区）内震源机制解资料的不确定性， 从而造成计算结果的不确定性．

地震是在区域构造应力作用下， 一定区域内积累的大量应变能达到一定程度时所导致的地壳岩层突然破裂、 错动的一种自然现象， 地震发生意味着区域构造应力场状态的调整． 定量化地给出汶川地震前后龙门山及其邻区构造应力场方向和大小随时空的变化特征， 对于汶川地震的地质构造背景、 板块动力学机制和孕震规律的研究都具有重要的意义．

目前通常采用地震震源机制解中的P，B，T轴来分析区域应力场， 但已有研究结果表明， 地壳构造应力场的方向具有区域性变化， 存在着应力变异带， 简单地利用震源机制解中的P，B，T轴分析区域构造应力场， 很难确定应力变异带， 也很难准确划分构造应力分区（阚荣举等， 1977； 成尔林等， 1982； 许忠淮， 戈澍谟， 1984； 许忠淮等， 1989； 谢富仁， 李宏， 1995）． 这主要是因为震源机制解中的P，B，T轴并不等同于构造应力场的3个主应力（Yamakawa， 1971）， 其只能对构造应力场进行大致的方向性描述． 20世纪80年代， 利用震源机制解反演区域构造应力场方法（Gephart， Forsyth， 1984； Michael， 1987； Rivera， Cisternas， 1990； Horiuchietal， 1995； Plenefisch， Bonjer， 1997）的提出， 为利用地震资料求取区域平均应力场提供了又一个有效途径． 该方法目前最常用的有Gephart & Forsyth（1984）方法和Michael（1987）方法， 二者在误差分析描述、 测量标准及应力模型方面存在差别， 但其基本假设是相似的． Gephart & Forsyth方法通常可提供较为精确的应力方向， 尤其是采用高质量资料时结果更佳， 缺点是对资料精度要求较高， 若资料达不到要求， 则不能进行计算； Michael方法则利用质量较差资料时也能给出结果， 且能提供较为合理的误差分析， 但结果不能提供应力相对大小R值．

本文利用2000年7月—2009年6月龙门山及其邻区的震源机制解资料， 采用Gephart & Forsyth（1984）方法反演汶川地震前后龙门山断裂带及其周边地区的构造应力场以及不同时窗的构造应力， 进而分析该区域的动力学背景和孕震环境． 本文将重点放在汶川地震发生前后龙门山断裂带及其邻区的构造应力状态， 旨在通过研究该区域构造应力场的时空变化特征， 揭示汶川地震的孕震时间尺度和空间尺度．

1 基础资料和方法

1.1 基础资料

本文收集整理了2000年7月—2009年6月龙门山及其邻区 （25.8°N—34.2°N， 99°E—107.3°E）M2.5—6.0地震的460个震源机制解， 其中震前316个， 震后144个． 采用崔效锋等（2005）对震源断层错动类型的划分方法， 对上述460个震源机制解进行分析， 结果显示正断层型96个， 右旋走滑型161个， 左旋走滑型68个， 逆冲型（兼具左旋、 右旋逆冲）135个， 各类型所占比例分别为21%， 35%， 14%和30%． 基于该震源机制解数据， 绘制出龙门山区域的震中分布图， 如图1所示．

表1列出了2000年7月—2002年12月部分震源机制解资料． 可以看出， 汶川地震前， 孕震时段右旋走滑型占主导， 逆冲型在临震、 震后迅速增加， 正断型分布则较为均匀．

1.2 原理和方法

应力张量是一个对称的二阶张量， 一般用6个独立参数来描述， 可以分解为球应力张量（张量的对称部分）和偏应力张量（张量的偏量部分）． 但张量的分解并不是唯一的， 需要在一些合理的物理假设下进行. 例如: 在一定时空范围内， 研究区内的构造应力场是均匀的； 单次地震在断层面上的滑动方向即为应力张量在该断层面上的剪切应力方向． 当满足这些条件时， 在一组震源机制解资料的时间跨度内， 研究区域内的偏应力也是均匀的， 于是可以寻找一个与该组观测资料最符合的应力张量．

由于观测资料只是表明应力在一个平面上的滑动方向， 所以无法确定应力的绝对值． 根据震源机制解资料来反演构造应力场时， 我们只能确定应力张量6个独立参数中的4个， 即3个主应力σ1，σ2，σ3的方向和主应力比值R．R值介于0—1之间， 其大小反映了中等主应力σ2的相对大小． 当R接近1时， 表明σ2与σ3比较接近， 即双轴偏压力； 当R接近0时， 表明σ2与σ1接近或σ3与σ1相差较大， 即单轴偏压力（康英等， 2008）．

基于Gephart & Forsyth（1984）方法所得到的应力比值R可表示为

（1）

该参数与Michael（1987）方法所得到的R值意义相近．

将震源机制解的P轴、T轴的方位和倾角等作为应力反演的输入数据， 反演过程中将震源机制解的两个节面都考虑为可能的断层面， 并从中选择最合适的断层面． 通过网格搜寻法， 将断层滑动方向与最大剪应力方向之间的最小残差作为目标函数， 寻找一个应力张量， 使该应力张量在这组地震断层面上的剪切应力方向与滑动方向之差的总和为最小值． 4个应力参数的任何一种组合都称为一个应力模型， 其中与观测数据拟合得最好的模型为最优模型． 在确定应力张量的4个独立参数的同时， 也确定了每一次地震的断层面， 并得到最优模型的残差， 不同方法之间的区别就在于计算残差的算法不同．

图2 断层和主应力方向的两套笛卡尔坐标系投影图

（2）

Gephart和Forsyth（1984）提出使用建立好的格点进行计算. 依照应力模型与观测资料的误差度量方式， 以拟合残差值来表示， 分为3种数值计算方法， 即极轴旋转法、 趋近法和极小旋转法， 其中极轴旋转法已比较少用. 本文采用的Gephart & Forsyth方法首先利用趋近法对应力模型进行初始判断， 再使用极小旋转法求取最佳主应力方位．

2 汶川地震前后龙门山及其邻区构造应力主方向空间分布

基于2000年7月—2008年5月11日龙门山及其邻区316个MS2.5—6.0 地震震源机制解资料， 采用Gephart & Forsyth反演方法， 得到了汶川地震前龙门山及其邻区的构造应力主方向， 如图3a所示． 图中震源断层错动类型的划分采用崔效锋等（2005）对断层类型的划分方法． 可以看出： 鲜水河断裂带及其北部地区构造应力的最大主应力σ1方位为NNW--NW， 震源断层错动类型为走滑型； 青海班玛—四川金川之间存在一个异常带， 该异常带内震源断层错动类型为正断型，σ1方位呈NNW； 位于鲜水河断裂带与龙门山断裂带交汇处的四川康定、 金川也同样存在一个比较明显的异常带， 该异常带基本沿龙门山断裂带分布，σ1方位由NW迅速转变为近EW向， 再由NW转变为NE向， 震源断层错动类型完全转变为一系列正断型. 这表明该区域的构造应力场发生了改变．

图3 汶川MS8.0地震前龙门山及其邻区构造应力σ1主方向（a）及其方差（b）分布

图3b给出了反演所得到的汶川地震前龙门山及其邻区构造应力主方向的方差分布． 可以看出， 整个区域应力场方差为0.1—0.35， 在该区域中部沿龙门山、 龙泉山、 大凉山及马边—盐津断裂的方差较小， 特别在龙门山附近方差仅为0.10. 这可能是由于该区域地震震源机制解资料较为丰富所致．

基于2008年5月12日—2009年6月龙门山及其邻区144个MS2.5—6.0地震震源机制解资料， 采用Gephart & Forsyth反演方法， 得到了汶川地震后龙门山及其邻区构造应力主方向， 如图4a所示．

图4 汶川MS8.0地震后龙门山及其邻区构造应力σ1主方向（a）及其方差（b）分布

对比图4a与图3a可以看出： 鲜水河断裂带及其北部地区明显存在的异常带消失， 该区域构造应力σ1方位变为NW， 震源断层错动类型变为走滑型； 龙门山断裂带及其周边范围的异常带仍然存在， 但构造应力σ1的异常带向NE方向扩张， 而在南部汶川地震震中附近的异常带消失． 从整个区域来看， 汶川地震前后沿安宁河断裂、 大凉山断裂、 马边—盐津断裂和小江断裂（主要范围为102°E—104°E、 26°N—31°N）的区域构造应力场仍然存在异常带， 构造应力场变化不大．

图4b为反演所得到的汶川地震后龙门山及其邻区构造应力主方向的方差分布图． 可以看出， 整个区域应力场方差为0.2—0.36， 区域中部方差较小， 龙门山附近仅为0.20.

3 龙门山及其邻区构造应力变化

3.1 龙门山及其邻区构造应力反演

汶川MS8.0地震动力源涉及的范围与多个Ⅰ级构造单元相关， 孕震跨越的时间尺度也应该较长， 因此以龙门山及其邻区为对象， 在该范围内反演整个区域构造应力场的综合解， 从而定量地给出龙门山及其邻区2000年7月—2009年6月不同时段的构造应力场方向和相对大小， 这对于研究汶川MS8.0地震的孕震时间尺度和动力学背景， 以及构造应力场变化特征与地震活动的相关性具有重要意义.

基于四川及其周边地区460个M2.5—6.0 地震震源机制解资料， 对2000年7月—2009年6月地震震源机制解进行时间分段． 考虑到一定时空范围内的资料均匀性， 本文以1年为1个时间窗， 半年为1个滑动步长， 将构造应力场的综合结果列于表2． 可以看出， 2000年7月—2009年6月共分为16个时窗， 其中第1—9， 10—13和14—16时窗的地震数目分别为21—35， 42—70和137—154． 基于16个时窗的震源机制解资料， 利用震源机制应力反演软件包（Gephart， 1990）， 反演了龙门山及其邻区各个时窗的区域构造应力场综合解， 如表2所示． 图5给出了第2和第3时窗内龙门山及其邻区构造应力场的综合解示意图.

表2 2000年7月—2009年6月龙门山及其邻区不同时窗构造应力场的综合解Table 2 Comprehensive solutions of the tectonic stress field in Longmenshan and its adjacent regions in different time windows from July 2000 to June 2009

图5 龙门山及其邻区不同时窗的构造应力场综合解

由综合滑动反演断层类别（表2）可知， 未知类型4个， 正断型3个， 走滑型3个， 逆冲型6个． 前期逆冲型不占主导， 在第11时窗之后， 小震综合断层类别趋同， 逐步与主震一致. 这也验证了上文所述的微破裂贯通， 汶川进入临震的过程分析．

3.2 构造应力时间变化特征

3.2.1R值变化特征

结合3.1节的构造应力反演结果， 图6给出了R值随时间的变化趋势． 可以看出:R值在第11—13时窗之间为0.1—0.2， 表现为单轴偏压； 从第13时窗开始，R值突变为0.9，迅速变为双轴偏压．

图6 R值随时间窗的变化趋势

应力洛德参数μ是描述应力偏量的特征量， 用以确定应力偏量在π平面的位置． 其代表某一点的3个主剪应力的相对比值大小， 不同取值表征不同应力状态特征（杨海波， 2011）.R值与μ的关系为（廖红建， 2006）

μ=1-2R，μ≤±1.

图7给出了应力洛德参数μ随时窗的变化趋势． 可以看出， 在第1—10时窗μ值在-0.6—0.8之间波动， 在第11—13时窗μ值仅在0.6—0.8之间呈微小变化， 但第13—14时窗μ值出现大幅变化， 由0.8迅速变为-0.8， 这说明区域应力场力学特性出现了反转， 由拉伸迅速转变为剪切， 进而转变为压缩， 这种应力场特征与汶川逆冲推覆构造产生的应力场一致．

3.2.2 主应力方位角和仰角的变化特征

图8给出了3个主应力（σ1，σ2，σ3）的方位角和仰角随时窗的变化趋势． 从图8a可以看出: 3个主应力方位角在第10时窗之前变化比较复杂, 在第4时窗前σ1方位角与σ2呈反向变化， 之后基本同向变化;σ2方位角与σ3则在第3时窗前同向变化， 其后基本反向变化； 在第10时窗后σ1方位角与σ2基本同向甚至变化一致，σ3方位角则与σ1和σ2呈反向变化．

图8 主应力方位角（a）和仰角（b）随时窗的变化趋势

从图8b可以看出: 3个主应力仰角的变化更加复杂， 在第4—5时窗和第10—12时窗σ1的仰角与σ2同向变化， 而σ3则与σ1和σ2的变化方向相反； 在第12—13时窗， 3个主应力的仰角方向均发生反转； 第13时窗之后σ1的仰角与σ2变化明显趋向一致， 其仰角几乎相近， 可见第13时窗确实是一个重要的时段．

4 讨论与结论

4.1 地震活动性空间分布特征与构造应力场关系

根据收集整理2000年7 月—2009 年6 月龙门山及其邻区（25.8°N—34.2°N， 99°E— 107.3°E） 460个MS2.5—6.0 地震震源机制解资料， 绘制出该区域的地震震中分布图（图1）． 可以看出， 在该时段内中强地震主要沿鲜水河断裂带中南段、 安宁河断裂、 则木河断裂、 华蓥山断裂等分布， 而沿龙门山断裂带有零星小震分布， 但未发生中强地震．

根据汶川MS8.0地震前后龙门山及其邻区构造应力主方向及其方差分布可知: 汶川地震前后， 沿安宁河断裂、 大凉山断裂、 则木河断裂、 马边—盐津断裂和小江断裂等地方， 构造应力存在的异常带变化不大， 而沿鲜水河断裂带及其北部地区明显存在的异常带消失， 且该异常带上区域构造应力σ1方位变为NW， 震源断层错动类型变为走滑型； 沿龙门山断裂带的异常带虽然还存在， 但构造应力最大主应力σ1异常带向NE方向扩张， 在其南部的汶川地震震中附近该异常带消失．

鲜水河断裂带是川滇块体与巴颜喀拉块体的边界带， 龙门山断裂带是巴颜喀拉地块与凉山次级地块的边界带． 从构造应力角度分析， 沿鲜水河断裂带及其北部地区明显存在的异常带变化， 可能证明汶川MS8.0地震的动力源为青藏高原的巴颜喀拉地块， 汶川地震后， 其能量释放完毕， 力源消失． 而龙门山断裂带异常带的存在， 可能是由于巴颜喀拉地块受凉山次级地块的阻隔， 使得这一地区构造应力最大主应力σ1方向发生转向， 由NW变为近EW， 沿龙门山断裂带变为NE向所致．

4.2 地震活动性时间分布特征与构造应力场关系

地震滑动累计速度、 滑动累计频度标准差及滑动释放能量相对值均是表征地震活动性时间分布特征的指标． 基于2000年7月—2009年6月的地震资料， 图9给出了2000—2009年龙门山及其邻区地震滑动累计速度、 滑动累计频度标准差及滑动释放能量相对值随时窗的变化趋势． 滑动累计频度标准差表征滑动累计频度偏离累计频度均值的程度， 该数值反映了累积频度时间的不均匀性， 本质上与累计速度相关， 从图中可以看出该值走势与累计速度基本一致， 只是幅度有所差别．

图9 地震滑动累计速度、 滑动累计频度标准差及滑动释放能量相对值随时窗的变化趋势

地震滑动释放能量相对值是用一个时窗中的地震释放能量之和除以1012J得到， 只是为了便于在一个坐标系中比较． 从图9可以看出： 在第1和第2时窗， 即2000—2001年， 该区域能量释放较高， 之后迅速下降并略有恢复， 之后长期保持中等水平； 在第13时窗之后出现与累计速度相反的变化趋势， 滑动能量释放迅速下降， 地震发生速度在增加而能量释放却在减小， 这说明能量主要是以累计的形式存在并累积到主震中去； 同样， 地震滑动累计速度在第13时窗出现迅速上升状态， 第13时窗即2006年12月—2007年12月， 正是汶川地震临震前时段， 该时段出现较为密集的小震． 这些地震势必是岩石内微破裂贯通的宏观表征， 否则能量应与释放速度同步． 就岩石破裂机制而言， 该时段则是岩石内部微破裂迅速贯通， 逐步形成明显断裂的过程． 从这个角度看， 汶川地震在2006年之后才进入临震阶段， 这对于研究地震时间趋势特征有一定意义．

2000年7月—2009年6月龙门山及其邻区构造应力场变化特征显示，R值在第11时窗以后由单轴偏压迅速变为双轴偏压， 自第13时窗开始， 应力从较为明显的拉伸和剪切转变为以压应力为主. 这与汶川地震逆冲推覆的特征一致， 说明该区域综合应力从较为明显的拉伸和剪切转变为以压应力为主. 这也符合汶川地震逆冲推覆特征． 而该时窗之前应力场主要还是以拉伸和剪切为主， 由此可见第13时窗是进入临震的时间节点， 应力场特征的突变与上述累计速度、 能量释放进入临震特征吻合． 从3个主应力的方位角和仰角随时间变化的趋势可以看出， 在第10时窗之前比较复杂， 之后σ1与σ2基本同向甚至变化一致，σ3则与σ1和σ2反向， 这些均表明第13时窗是一个应力开始改变的时间节点． 汶川地震临震前， 应力场作用方向会有一个与主震反向的改变， 也就是说区域应力场的相对稳定和同向性在巨大地震临震前并不成立（在应力场空间分布上会有所体现）， 恰恰相反还会有一个显著的逆向趋势， 这是否是大震前的固有特征尚需进一步研究．

汶川MS8.0地震前后， 沿鲜水河断裂带及其北部地区明显存在的异常带消失. 在该异常带上， 区域构造应力σ1方位由NNW变为NW， 震源断层错动类型由正断型兼走滑型变为走滑型; 而沿龙门山断裂带存在的异常带， 其构造应力最大主应力σ1方向仍然为近E--W和NE向， 但其范围向NE扩张， 而南部汶川地震震中附近异常带范围在收缩．

汶川MS8.0地震前后， 龙门山及其邻区构造应力场方差分布显示整个区域应力场方差均变大， 变化幅度约为0.01—0.1， 这可能是由于震后资料较震前资料丰富所致， 震后误差范围仍然在可信度范围．

2000年7月—2009年6月龙门山及其邻区构造应力场变化特征表明， 第13时窗（2006年12月—2007年1月）是汶川MS8.0地震发生前的关键时段， 构造应力在该窗口开始发生显著变化． 在第13时窗， 无论是构造应力场重要特征参数R值和应力洛德参数μ， 还是3个主应力的方位角和仰角均发生明显变化， 显示出构造应力环境由以拉伸及剪切应力为主变为以压应力为主， 这种构造应力环境是逆冲推覆构造形成的力学基础．

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Spatio-temporal distribution of tectonic stress field in Longmenshan and its adjacent regions before and after WenchuanMS8.0 earthquake

1）EarthquakeAdministrationofYunnanProvince，Kunming650224，China

2）DepartmentofGeophysics，YunnanUniversity，Kunming650091，China

Based on the focal mechanism solutions for Longmenshan and its adjacent regions from July 2000 to June 2009， the spatial distribution of the main direction of tectonic stress fields are retrieved in the regions before and after the WenchuanMS8.0 earthquake by using the Gephart & Forsyth method. The results show that the tectonic stress fields change significantly along Xianshuihe fault zone and the region to the north， and that the maximum principal stress direction of the regional tectonic stress shifts from NNW to NW, while the faulting changes from combined normal fault and strike-slip to strike-slip only. Significant changes can also be observed in the tectonic stress field along the Longmenshan fault zone. Although the maximum principal stress direction still approximates to the east-west and north-east， its scope is expanding towards the east-north， and the abnormal belt near the epicenter of Wenchuan earthquake shrinks. On the other hand, the retrieval results of the tectonic stress fields in Longmenshan and its adjacent regions during different periods from July 2000 to June 2009 show that the characteristic parameters of tectonic stress fields， including theRvalue， Lode parameter μ， azimuths and elevation angles of three principal stresses， begin to change significantly since the thirteenth window， suggesting that the thirteenth window （December 2006 to January 2007） is a characteristic window with significant changes in the tectonic stress. In the thirteenth window， the seismic energy is accumulated to a critical state， signaling the time node for the occurrence of WenchuanMS8.0 earthquake.

Wenchuan earthquake; Longmenshan; tectonic stress field

10.11939/jass.2015.05.004.

国家自然科学基金（41004021， 41090292和41104036）资助.

2015-01-17收到初稿， 2015-05-27决定采用修改稿.

e-mail: 86084639@qq.com

10.11939/jass.2015.05.004

P315.72+7

A

虎雄林, 王强, 解朝娣. 2015. 汶川MS8.0地震前后龙门山及其邻区构造应力场时空分布特征. 地震学报, 37（5）: 747--761.

Hu X L, Wang Q, Xie Z D. 2015. Spatio-temporal distribution of tectonic stress field in Longmenshan and its adjacent regions before and after WenchuanMS8.0 earthquake.ActaSeismologicaSinica, 37（5）: 747--761. doi:10.11939/jass.2015.05.004.