汶川8.0和芦山7.0级地震序列应力场时空特征

张致伟 周龙泉 龙 锋 阮 祥

1)四川省地震局，成都 610041

2)中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

龙门山断裂带位于青藏高原东缘巴颜喀拉块体东边界南段与华南地块西北缘交界地带。主要由茂汶-汶川断裂(MWF)、北川-映秀断裂(BYF)和灌县-江油断裂(GJF)等3条主干断裂组成，全长约500km，宽40～50km，整体走向N45°E，倾向NW，近地表倾角50°～70°(徐锡伟等，2005;张培震等，2008;李勇等，2009)。有记录以来，2008年汶川8.0级地震之前，龙门山断裂带未发生过7级以上地震，最大地震为1657年汶川6.5级地震(闻学泽等，2009)，而最近5年该断裂带接连发生了2008年汶川8.0级和2013年芦山7.0级强震(图1)。

2008年5月12日汶川8.0级地震发生在龙门山断裂带的中北段，地震破裂从SW向NE方向呈单侧扩展，沿北川-映秀断裂和灌县-江油断裂分别形成长度约240km和72km的地表破裂带(图1黑色粗线)，震源机制解显示以逆冲为主兼右旋走滑分量，发震断层为出露地表的走滑逆断层(徐锡伟等，2008);2013年4月20日芦山7.0级地震发生在龙门山断裂带南段，地震破裂从NE向SW方向扩展，没有发现明显的具有构造地质意义的地震地表破裂带，震源机制解呈纯逆冲型，结合余震的空间分布特征、震源机制等资料推测芦山地震属典型的盲逆断层型地震(徐锡伟等，2013)。已有研究表明，汶川和芦山2次强震可能是巴颜喀拉块体向SE运动在龙门山构造带附近与稳定的华南块体碰撞、挤压引起地壳缩短的产物(徐锡伟，2013)。

龙门山断裂带及其邻区构造应力场已有大量研究，且研究结果比较一致。如阚荣举等(1977)分析认为龙门山断裂带的压应力方向存在空间差异，其南侧为NWW向，而北侧为NEE向;成尔林(1981)基于1933—1978年的强震震源机制得出龙门山断裂带上主压应力轴的方位为NW，几乎与龙门山断裂带的走向正交;许忠淮等(1987)基于多个小震同样推断出龙门山断裂带北段的压应力方向为NEE，其南侧为NWW;谢富仁等(2004)根据中国大陆现代构造应力场分区的研究结果，得出龙门山-松潘应力区最大主应力方向为NWW-SEE。

巨大地震孕震过程中不同阶段的震源机制解在一定程度上反映了孕震过程中构造应力场随时间的变化，地震序列震源机制对于理解主余震的发震构造、孕震机理及震源区应力状态等具有重要意义(郑勇等，2009;罗艳等，2010;刁桂苓等，2011)。国内诸多学者也对2次强震序列震源机制及震源区应力场开展了相关的研究工作，如郑勇等(2009)利用CAP方法反演了汶川部分强余震(MS≥5.6)的震源机制解，指出序列南部以逆冲为主而北部则以走滑为主;王勤彩等(2009)利用时间域矩张量反演方法得到汶川序列88个地震的矩张量解，结果显示震源机制解的类型具有明显的空间分段特征;易桂喜等(2012)基于汶川地震序列中312个4.0级以上余震震源机制解和震源深度，分析了主震后余震震源机制时空变化特征;在获取芦山主震震源机制解的同时，部分学者也相继开展了较大震级余震震源机制的相关研究(林向东等，2013;吕坚等，2013;赵博等，2013)，获得的主要认识为绝大多数较大震级的余震震源机制表现出与主震类似的逆冲破裂特征。

本文以汶川8.0级和芦山7.0级地震为例，分别基于汶川M≥4.0和芦山M≥3.0余震震源机制解，采用Michael提出的应力场反演方法深入分析汶川、芦山余震区压应力(S1)和应力张量方差的空间分布特征，进而研究了应力张量方差时空变化与强余震活动的关系。

1 资料与方法

1.1 资料

针对汶川余震，系统查阅了2008年5月12日至2011年6月5日四川区域台网和流动台站记录的宽频带地震波资料，选取记录台站震中距＜250km、波形连续且信噪比较高的M≥4.0余震数字波形，采用Zhao等(1994)提出、并经Zhu等(1996)发展的“CAP”(Cut and Paste)波形反演方法进行计算，最终获得了312个M≥4.0余震的震源机制解。余震震源机制均匀展布于NE向龙门山断裂带中北段，形成长约330km的条带(图2a)。

图2 汶川M≥4.0(a)、芦山M≥3.0(b)余震震源机制空间分布Fig.2 The spatial distribution of focal mechanisms for Wenchuan M≥4.0(a)and Lushan M≥3.0(b)aftershocks.

针对芦山余震，同样查阅了2013年4月20日至6月1日四川区域台网和流动台站记录的宽频带地震波资料，选取记录台站震中距＜250km、波形连续且信噪比较高的M≥3.0余震数字波形，基于“CAP”和振幅比(梁尚鸿等，1984)2种方法，反演获得了114个M≥3.0余震的震源机制解，余震震源机制展布于NE向龙门山断裂带南段，形成长约40km的条带，具有一定的丛集特征(图2b)。如此丰富的震源机制解资料为深入研究汶川8.0、芦山7.0级强震后余震区应力场的时空变化特征提供了保障。

1.2 应力张量计算方法

其反演方差被定义为misfit角度(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，是衡量地震震源释放应力场与区域构造应力场一致性程度的定量指标(Michael，1987，1991)。当方差＜0.1时，意味着可以用1个统一的应力张量来解释观测到的震源机制解，也可以理解为该区域的应力场是均匀的，震源机制具有很好的一致性;当方差＞0.2时，表明该区域的应力场在时间和空间上具有非均匀性，或者说该区域的震源机制比较紊乱(Lu et al.，1997)。实验证明，通过上述方法获得的区域应力张量是符合观测实际的，国外众多学者基于该方法已经开展了大量的研究工作(Michael，1991;Wiemer et al.，2002)。

2 汶川余震区应力场时空分布特征

基于汶川312次M≥4.0余震震源机制解，采用Michael提出的应力场反演方法，将汶川余震区内震源机制相对密集的地带以0.05°×0.05°进行网格化，选取每个网格节点及其周围至少15个地震震源机制进行应力场反演，采用ZMAP软件①http:∥www.earthquake.ethz.ch/software/zmap。计算出区域内每个节点的压应力S1方位。为了精细刻画余震区压应力的空间分布特征，结合已有的地表破裂考察结果(徐锡伟等，2008)及震源机制解的分段特征(王勤彩等，2009;易桂喜等，2012)，将余震区沿龙门山断裂带自西南至东北划分为5段(A1～A5)，并将余震区南段明显偏离龙门山断裂带走向的理县NW向分支(A6)单独划分。同时基于上述各分段的震源机制解，采用Michael提出的应力场方法计算了每个分段整体的应力主轴球面投影，对其压应力方位、倾角及相应的应力类型进行分析(图3)。

图3 汶川余震区压应力S1方位及分段应力主轴球面投影图Fig.3 The orientation of compressive stress(S1)and subsection projection of principal stress axis in Wenchuan aftershock zone.

整个余震区压应力S1方位复杂，存在明显的空间差异。汶川8.0级主震所在的A1段S1方位比较紊乱，起始破裂点受主震的影响较大，局部小区域自南向北表现出由近NW向逐渐转变为近NE向，这与逆冲兼右旋走滑分量的汶川主震非常吻合，该段的整体压应力方位为85.0°，倾角为3.3°，应力类型表现为逆断型;A2段为汶川—茂县一带，其S1方位呈现较好的一致性，即NW向，已有研究也表明该段断层面上的滑动方向几乎与断层走向垂直(王勤彩等，2009)，考察结果证实该区域为龙门山镇-清平次级断裂，主要以逆冲滑动为主(徐锡伟等，2008)。该段的整体压应力方向为120°，倾角为17.6°，应力类型表现为逆断型;A3段位于茂县—平武一带，该段S1方位出现明显变化，呈现由近NEE向逐渐逆时针旋转为NNE方向，该段与北川-南坝次级断裂重合，王勤彩等(2009)的早期研究结果表明该段震源机制类型复杂，3种类型交替出现，滑动矢量方向一致性很差。该段的整体应力方向为67°，倾角为2.3°，应力类型为逆断型;A4段为平武—青川之间的狭小区域，S1方向又与其南北两侧截然不同，压应力方向为NW向，震源机制以逆冲为主，整体的压应力方位为121°，倾角为2.8°，应力类型为逆断型;青川以北的A5段S1方向呈现近EW向，压应力方位为90°，倾角为3.3°，应力类型也为逆断型;A6段系余震区南段偏离龙门山断裂带的NW向余震分支，压应力S1方位呈近NEE向，野外考察显示该段存在左旋走滑运动的小鱼洞断裂带(徐锡伟等，2008)，震源机制以走滑类型占绝对优势(易桂喜等，2012)，整体的压应力S1的方位为70°，倾角为2°，应力类型为走滑型。汶川余震区A3、A4段压应力方位变化显著，认为可能是汶川震源断层以逆冲为主的南段和以右旋走滑为主的北段之间宽阔的过渡带。

综上所述，汶川余震区压应力S1方位复杂，主震起始破裂区附近应力场相对紊乱，沿余震区自西南至东北，S1方向由近EW向逐渐转变为NW-SE向，最后在余震区的北段又转为近EW向，应力类型均表现为逆断型;理县分支S1方位呈NEE向，应力类型为走滑型，整个余震区S1近水平状态。

在获得汶川余震区压应力S1方位的基础上，进一步计算了余震区各节点震源机制一致性参数，并采用应力张量方差(variance)表征应力场的非均匀程度。结合M≥5.5余震分布，分析余震区应力张量方差空间分布与强余震的关系(图4)，表1列出了其中M≥6.0余震目录。结果显示，整个余震区应力张量方差同样具有分段特征，主震震中所在的A1段应力张量方差最高，为0.25，表明主震起始破裂区应力场在空间上具有非均匀性。Wiemer等(2002)基于1992年兰德斯MW7.3和1999年赫克托矿MW7.1余震震源机制解同样得出主震破裂区附近具有较高的应力张量方差(约0.3);A2段的应力张量方差在整个余震区最低(0.11)，而A3—A6段的应力张量方差介于A1和A2段之间，为0.15～0.17，可能反映出汶川余震区除A1段外，其余各段应力场相对比较均匀。从M≥5.5余震的时空分布来看，A1段及边缘的3次M≥6.0余震(b，c，d)和1次M5.8余震均在汶川主震后1d内发生，主要为汶川8.0级地震后短期内应力调整的结果。后期发生的5次M≥6.0余震(e—i)和多次5级余震均发生在应力张量方差较小的A2—A6段，应力张量方差较高的A1段后期再未发生M≥5.5余震。

图4 汶川余震区应力张量方差及M≥5.5余震震中分布图Fig.4 The distribution diagram of stress tensor variance and Wenchuan M≥5.5 aftershocks.

为了进一步分析汶川强余震活动与应力张量方差的关系，鉴于汶川余震区震源机制样本量，选取50个地震作为窗长，10个地震作为步长进行滑动计算应力张量方差随时间的变化。图5给出了应力张量方差随时间的变化曲线与汶川M≥5.5余震M-t图。截至2011年6月5日，四川台网共记录到M6.0～6.9余震8次，最大余震仍为2008年5月25日青川M6.4地震。以最大强余震为界，从时间上可将M≥5.5余震划分为2组(表1)。汶川8.0级主震发生之后，余震区的应力场出现了短期的紊乱，第1组强余震就发生在应力调整的14d内，分别为5月12日都江堰M6.0、汶川M6.0、5月13日汶川M6.1、5月18日平武M6.0及5月25日青川M6.4地震。最大强余震发生之后，余震区又经历了60d的应力调整过程，应力张量方差逐渐减小，说明余震震源机制开始趋于一致，当应力张量方差接近0.17时，第2组强余震相继发生，即2008年7月24日青川M6.0、8月1日平武M6.1及8月5日青川M6.1地震。随后方差向高值趋势发展，汶川余震区再未发生M≥6.0地震。泽仁志玛等(2009)的研究结果显示2006年11月15日千岛岛弧MW8.3地震也具有类似的特征。

表1 2008年5月12日汶川M≥6.0余震目录(据四川地震台网)Table 1 Catalogue of the May 12，2008 Wenchuan M≥6.0 aftershocks(Seismic Network of Sichuan Province)

图5 汶川余震区应力张量方差变化曲线与汶川M≥5.5余震M-t图Fig.5 The changing curve of stress tensor variance and M-t diagram of Wenchuan M≥5.5 aftershocks.

强震孕育过程中，特别是临近发生的时候，震源机制有趋于一致，应力张量方差减小的特征，可能表明震源区应力场在迅速调整，发生地震危险性增大。陈颙(1978)通过多次强震震例的研究，提出用震源机制一致性作为判别大震发生的新参数;王俊国等(2005)、泽仁志玛等(2009)的研究结果显示，千岛岛弧MW≥7.5地震发生之前，都有震源机制与构造区域应力场的一致性参数在空间和时间上出现降低的现象。本研究同样发现，汶川强余震均发生在应力张量方差低值分布区或其边缘附近，且发震时间也在其出现低值的时段。

3 芦山余震区应力场空间分布特征

基于芦山114次M≥3.0余震震源机制解，采用Michael提出的应力张量反演方法，将芦山余震区内震源机制相对密集的地带以0.01°×0.01°进行网格化，鉴于震源机制样本量，选取每个网格节点及其周围至少8个地震震源机制解进行应力张量反演，同样采用ZMAP程序计算出区域内每个节点的压应力S1方位，并根据主应力轴的关系给出相应的应力类型空间分布。为深入研究芦山余震区应力场的空间分布特征，根据震源机制解的丛集性，将其划分为4个子区域(虚线圈)进行分析，并分别基于上述分区的震源机制解，采用Michael提出的应力场方法计算出各分区整体的应力主轴球面投影(图6)。

图6 芦山余震区压应力S1方位及分段应力主轴球面投影图Fig.6 The spatial distribution of compressive stress(S1)and subsection projection of principal stress axis in Lushan aftershock zone.

芦山余震区压应力S1方位同样存在明显的局部空间分区差异，应力类型主要表现为逆断型(TF)和走滑型(SS)。区域①的压应力S1方向局部呈现由NW经EW转向NE的渐变式过程，整体压应力方位为115°，倾角为6.7°，应力类型以走滑型为主;区域②位于余震区中部的西侧，该区域S1方向总体呈现由NW顺时针旋转的微小变化，压应力方位为131°，倾角为17.5°，应力类型同样以走滑型为主;芦山主震震中所在的区域③压应力S1相对比较紊乱，与汶川主震附近S1方向的特征相似，该区域的整体压应力方位为112°，倾角为4.8°，应力类型为逆断型;区域④的压应力S1方位为122°，呈NW向，倾角近似水平，为0.1°，应力类型有逆断向走滑过渡的现象。

综上所述，芦山余震区压应力S1方向总体呈现NW向，倾角近似水平，不仅与赵博等(2013)采用力轴张量法计算获得的余震区平均主压应力方向一致，也与该区域应力场的方位一致(成尔林，1981;刁桂苓等，2011)。应力类型除了主震震中附近呈现纯逆断性质外，其他区域均表现为走滑型和逆断层交替出现的特征。

在获得芦山余震区压应力S1的基础上，进一步计算了余震区震源机制一致性参数，同样采用应力张量方差表征应力场的非均匀性程度。结合M≥5.0余震分布，分析余震区应力张量方差空间分布与强余震的关系(图7)，表2列出了其中M≥5.0余震目录。以芦山7.0级地震为界，余震区NE方向的区域应力张量方差明显低于西南区域，说明其东北区域的应力场相对西南区域比较均匀，余震震源机制一致性较好。区域①的应力张量方差最低，为0.12，芦山3次强余震(图7中的b、d、e)均发生在应力张量方差低值区及其边缘，可能说明芦山余震区东北区域的应力水平相对较高，故应关注芦山与汶川余震区之间“破裂空段”(陈运泰等，2013;高原等，2013)的应力变化;区域②—④的应力张量方差均相对较高，分别为0.21、0.19和0.22，表明这些区域的应力场在空间上具有非均匀性。

图7 芦山余震区应力张量方差及M≥5.0余震震中分布图Fig.7 The distribution diagram of stress tensor variance and Lushan M≥5.0 aftershocks.

表2 2013年4月20日芦山M≥5.0余震目录(据四川地震台网)Table 2 Catalogue of the April 20，2013 Lushan M≥5.0 aftershocks(Seismic Network of Sichuan Province)

由于芦山M≥5.0余震均发生在4月20、21日(表2)，距主震发震时间较短，因此无法讨论芦山强余震活动与应力张量方差随时间演化的关系。

4 结论

本文分别基于汶川M≥4.0和芦山M≥3.0余震震源机制解，采用应力场反演方法分析了汶川、芦山余震区的压应力(S1)和应力张量方差空间分布特征，研究了应力张量方差时空分布与强余震活动的关系。得到的初步认识如下:

(1)汶川余震区压应力(S1)方位复杂，主震破裂区附近S1方位相对紊乱，余震区自西南至东北，S1方位由近EW向逐渐转变为NW-SE向，最后在余震区的北段又转为近EW向，应力类型均呈逆断型。而理县分支S1方位呈NEE向，应力类型为走滑型，整个余震区S1呈近水平特征。

(2)芦山余震区压应力S1方向也存在显著的分区差异，总体呈现NW向，倾角近水平，除主震震中附近的应力类型为纯逆断型外，其他区域走滑型和逆断型的应力类型均有存在。

(3)汶川、芦山主震发生后短期内起始破裂区应力场处于调整阶段，应力张量方差相对较高，应力张量方差时空分布对于强余震的发生具有一定的指示意义，汶川、芦山后期强余震发生在应力张量方差低值分布区或其边缘附近。