2017年8月8日九寨沟MS 7.0地震序列分析

臧阳 孟令媛 周龙泉 韩颜颜 宫悦

1）中国地震局地球物理研究所，北京市海淀区民族大学南路5号 100081

2）中国地震台网中心，北京市西城区三里河南横街5号 100045

3）四川省地震局，成都 610041

0 引言

2017年8月8日21时19分，四川省阿坝州九寨沟县（33.2°N，103.8°E）发生MS7.0地震，震源深度20km。震中距九寨沟县城35km，距阿坝州政府210km，距成都市290km，距甘肃陇南市100km。四川、甘肃、青海、宁夏、陕西等多省有明显震感，局部地区较为强烈。阿坝州地貌错综复杂，震区50km范围内人口密度为9人/km2，截至8月14日10时地震共造成25人死亡，525人受伤，近 100间房屋倒塌，5400余间严重损坏，6.7万间一般损坏（http：//www.mca.gov.cn/article/yw jzjzzqkbzqhz201708/20170800005460.shtm l）。

九寨沟MS7.0地震发生在巴颜喀喇块体的东北边界，巴颜喀喇块体是青藏高原中部一个SEE方向延伸的长条形次级块体，其南北边界均为走滑断裂，北缘断裂为具有左旋走滑性质的东昆仑断裂，巴颜喀喇块体运动学特征为向SE方向滑移（邓起东等，2014），东边界受到强烈的挤压作用，东边界南侧2008年曾发生汶川MS8.0大地震。九寨沟地震发生在巴颜喀喇块体北侧左旋运动向东侧逆冲运动的过渡区域，地震发生后没有观察到明显的地表破裂带，发震断裂推测为东昆仑断裂向南延伸的分支断裂——树正断裂，该发震断裂走向为NNW向，与南侧的虎牙断裂近平行。周边100km范围内1900年以来共发生5次6级以上地震（图1），其中，7级以上地震2次，分别为1976年8月22、23日发生在虎牙断裂上的松潘-平武2次7.2级地震，距离最近的为1973年松潘6.5级地震，该地震震中位于1976年松潘-平武7.2级震群和九寨沟7.0级地震之间。

图1 九寨沟MS 7.0地震震中、余震分布、以及周边历史地震

1 九寨沟地震序列

图1中的红色圆圈为九寨沟地震序列中ML≥1.0余震，其整体沿NNW方向展布，主震位于余震区中心位置，该次地震为典型的双侧破裂，余震区宽度较为狭窄，推测发震断裂近于直立。图2为ML≥3.0余震沿断层破裂方向（图1中直线PP′）的投影位置。由图2可见，在主震后3天时间内，主震两侧均有ML≥3.0余震发生，8月12～23日的11天时间内，序列中ML≥3.0余震均位于主震南侧，主震北侧无ML≥3.0余震发生，8月23日后主震北侧开始出现ML≥3.0余震。

图2 2017年8月8～30日九寨沟地震序列中ML≥3.0余震沿断裂方向的分布

图3 九寨沟地震序列M-t图

图3为九寨沟地震序列M-t图。由图3可见，九寨沟MS7.0地震发生后余震活动水平整体偏低，第 1个ML≥4.0的余震发生在主震后 3h，即 8月 9日 0时 35分的ML4.0地震（表1），在主震发生后近13h内无MS≥4.0余震发生。截至10月31日，序列最大余震为8月9日10时17分发生的MS4.8地震，截至 8月30日12时，序列共发生ML1.0～1.9地震2373次，ML2.0～2.9地震 516次，ML3.0～3.9地震 70次，ML4.0～4.9地震 13次，ML5.0～5.9地震1次，即8月9日最大余震ML5.2（MS4.8）地震。

表 1 九寨沟MS 7.0地震序列ML≥4.0地震目录

与大多数主震震级为MS7.0的地震相比，九寨沟地震序列ML≥4.0余震个数仅为14次，明显偏少。由图3（c）可见，ML≥4.0余震主要集中在9日8～10时发生，即主震发生后10h内余震区仅发生了2次ML≥4.0余震，表明主震发生后短时间内余震释放的能量较少，序列中ML≥4.0余震发生的时间间隔较长。谷继成等（1979）对我国约50年时间内发生的28次大地震的余震序列进行统计发现，对于主-余型地震序列，其强余震的等待时间，即2次强余震的时间间隔，与强余震的发生时间在对数坐标系下呈线性统计关系

其中，Δt为等待时间，A、B为常数。用该方法统计九寨沟MS7.0地震序列中ML≥4.0余震的等待时间与地震发生时间的关系，结果如图4所示。由图4可见，地震发生后短时间内等待时间与发震时间并不满足对数坐标系下的线性拟合关系，这主要是受地震发生短时间内余震区缺少ML≥4.0余震的影响，在震后较长时间余震等待时间与发震时间逐渐恢复对数线性关系，逐渐符合主-余型序列的特征。

图5给出了九寨沟MS7.0地震序列b、h值的计算结果。由图5（a）九寨沟地震序列G-R关系的拟合结果可见，b值较高，为0.8，推测序列最大余震震级为ML5.5，与目前序列实际发生的最大余震震级大小相当（ML5.2）。h值为修正后的大森公式（刘正容，1984；刘正荣等，1979、1986）中地震频度随时间的衰减系数，当h值小于1时，从物理上可以理解为还有相当大的地震能量要释放，在这种情况下则认为地震序列存在异常，即已发生的地震属于前震。截至8月30日，序列h值计算结果为1.12，符合主-余型地震类型。

综上所述，九寨沟MS7.0地震序列b、h值分别为0.84、1.12，可初步认为九寨沟地震序列的类型为主-余型。据蒋海昆等（2006b）对中国大陆7级以上地震序列的统计，在95%置信概率条件下，7级主-余型地震的最大余震震级范围为MS4.8～6.5，平均约为MS5.6，截至 10月31日，九寨沟地震序列最大余震震级为MS4.8，尽管余震水平明显低于平均值，但仍在统计结果范围内。

图4 九寨沟地震序列ML≥4.0余震时间等待法线性拟合结果

图5 2017年8月8～30日九寨沟MS 7.0地震序列 b、h值计算结果

2 周边历史地震序列

如图1所示，1970年以来在九寨沟MS7.0地震震中100km范围内共发生6级以上地震4次，其中，3次均属1976年松潘-平武震群型序列，即1976年8月16日7.2级、8月22日6.7级和8月23日7.2级地震，另外，1973年8月11日松潘附近发生1次6.5级地震。

2.1 1976年松潘-平武7.2级地震

1976年松潘-平武一带发生2次7.2级地震，震中位于九寨沟MS7.0地震 SSE方向约70km附近。该地震序列发生在NNW走向的虎牙断裂上，8月16日第1次7.2级地震发生后，震后3h的余震沿虎牙断裂呈狭长带状分布，余震区长约30km。8月22日发生的6.7级地震“跳出”余震主体活动区，震中位于第1次7.2级地震余震区南侧，余震分布呈NEE方向，余震长轴约12km。8月23日再次发生7.2级地震，地震位于22日6.7级地震SSE方向约15km处，为双侧破裂，走向与16日第1次7.2级地震近平行，余震区长轴20～25km（Jones et al，1984；程式等，1990）。

松潘-平武2次7.2级地震的震源机制解均为逆冲型，兼具一定左旋走滑分量，与虎牙断裂的运动特征相一致（唐荣昌等，1981），其间8月22日发生的6.7级地震则为一次纯逆冲型地震（周蕙兰等，1985；刁桂苓等，1996；）。朱航等（2009）通过静态库仑应力计算研究了1976年松潘-平武3次6级以上地震之间的触发关系，研究表明，第1次7.2级地震对随后发生的6.7级地震存在应力触发作用，而6.7级地震的发生又触发了第2次7.2级地震。该结果与Jones等（1984）对1976年松潘-平武地震序列的研究结果相一致，其从应力传递角度解释了1976年3次强震沿虎牙断裂的迁移过程，其中，8月22日6.7级地震起到了较为关键的作用。

2.2 1973年松潘6.5级地震

1973年8月11日，四川省阿坝藏族自治州松潘县黄龙乡发生6.5级地震，震中位于2017年九寨沟MS7.0地震震中SSE方向约30km处，震区位于近SN向的岷江断裂以东、EW向的雪山断裂以北（图1）。地震发生后，通过卫星影像解译以及野外地质调查，均未在震中附近区域发现明显的断裂构造。在6.5级主震发生前3个月，在震中附近南坪县南侧8月11日发生1次5.1级地震，1973年8月11日～1974年12月25日，共记录到余震625次，其中，5.0～5.9级2次，4.0～4.9级12次，3.0～3.9级484次，最大震级余震为 1974年 1月16日5.8级地震，序列地震活动持续时间将近1.5年。

对该地震序列的类型判定存在一定异议，据蒋海昆等（2006a）对序列类型的研究，以序列中2次最大震级地震的震级差ΔM作为序列分类的判据，当ΔM≥2.5时为孤立型，0.6≤ΔM≤2.4时为主余型，ΔM＜0.6时为多震型，根据该判定标准，1973年松潘6.5级地震序列ΔM为0.7，属于主-余型；而程式等（1990）认为，1973年松潘 6.5级地震序列主要由包括1973年5月8日5.1级地震在内的4个5级以上地震组成，主震的能量在整个序列中约占57%，根据周蕙兰等（1982）对序列类型的判定标准，即参考主震所释放能量占全序列所释放总能量的比例RE，当RE＜90%时为震群型，则1973年松潘6.5级地震符合震群型序列特征。

九寨沟MS7.0地震是发生在巴颜喀喇块体东北边界自1976年8月23日之后再次发生的1次7.0级地震，与1976年松潘-平武2次7.2级地震和1973年松潘6.5级地震不同，此次九寨沟地震震前周边未出现4～5级中等地震活动，震后也无5级以上地震发生，序列的余震活动水平明显偏弱，为此，本文进一步研究了九寨沟地震的震源特征。

3 震源参数特征

表2为各家研究机构针对九寨沟MS7.0地震公布的震源参数结果，其中，矩震级的结果较为一致，均为MW6.5，震源机制解均显示该地震为一次走滑型地震，结合余震分布能够确定地震的破裂面走向为NNW。CENC和IGP震源机制解结果显示，断层倾向NE，倾角为48°～62°；USGS、IRIS和 GCMT震源机制结果显示，断层倾向 WS，倾角为 78°～84°。结合IGP的小震精定位结果以及余震展布较窄的特点，我们认为九寨沟地震为一次高倾角的走滑型地震。

表2 2017年九寨沟MS 7.0地震震源、断层参数

IRIS给出了九寨沟地震的地震波辐射能ES为9.07×1013J，地震波辐射能是地震发生时以地震波形式传播出去的能量，其与发震断层破裂所消耗的能量ER以及断层克服摩擦力所做的功Wf共同构成了地震产生的总能量E，即

根据地震波辐射能与震级间的经验统计关系（Choy et al，1995），则有

1次MS7.0地震所产生的地震波辐射能理论计算结果为7.94×1014J，大于IRIS公布的实测结果。视应力σapp由 Wyss等（1968）最早提出，其定义式为

式中，ES为地震波辐射能，单位为 J；M0为地震矩，单位为 N·m；μ为介质剪切模量，取值为μ=3×104MPa。σapp为视应力，指单位面积发震断层上地震波平均辐射能量的大小，由于地震效率η恒小于等于1，视应力σapp可认为是平均应力的下限。USGS和GCMT公布的地震矩M0分别为7.228×1018、7.62×1018N·m。根据式（4）可计算得到九寨沟MS7.0地震的视应力σapp为 0.36～0.38MPa。

通常在不考虑破裂能的情况下，可将震源动态模型过程分为3种，即完全应力降模型、应力上调模型和应力下调模型等（Brune，1970；Savage et al，1971；Brune，1976；Smith et al，1991），比较摩擦应力与断层面上终止剪切应力可判断震源过程属于应力上调模型还是应力下调模型，即

式中，Δσs为静态应力降，对于不同运动性质的断层，静态应力降 Δσs计算公式为（Starr，1928；Knopoff，1958；Keilis-Borok，1959）

式中，为断层面上的平均滑动位移；W为断层宽度；R为圆盘半径。

图6为九寨沟地震主震发震断层面上滑动位移分布图。由图6可见，IGP给出的九寨沟地震最大滑动位移为0.5m，断层面宽度约为20km，取平均滑动位移为≈2／3D，九寨沟地震为走滑型地震，由式（8）可计算得到地震的静态应力降 Δσs约为0.32MPa。由于2σapp＞Δσs符合式（6），因此，九寨沟地震为应力下调模型。该结果表明，在主震发生过程中断层破裂不够充分，这也与地震未破裂至地表的事实一致。

图6 九寨沟地震主震发震断层面上滑动位移分布

小震视应力的大小通常可以反映出研究区整体应力水平，而余震序列的视应力同样可以反映震源区的应力状态，能够为序列后续强余震的发生提供一定的判断依据。李赫等（2015）通过计算2010年滦县ML4.5地震序列的余震视应力发现，震级ML≤3.3时，余震震级与其视应力的大小大体呈正相关。王生文等（2014）通过计算1999年岫岩MS5.4地震序列的视应力认为，主震与最大余震之间，视应力通常处于较高的水平，最大余震发生后，视应力逐渐降低，并恢复到震前区域背景水平；钱晓东等（2007）通过对2007年宁洱6.4级地震序列视应力的计算研究也得到了类似的结论。

表3为九寨沟地震序列8月8～19日30次ML≥3.5余震的视应力计算结果。由表3可见，8月10日17时48分发生的ML4.4余震视应力最大，为0.38MPa；序列最大余震ML5.2地震的视应力为0.3MPa，30次余震平均视应力为0.123MPa。余震视应力与余震震级大体呈正相关（图7（a）），最小二乘法得到的拟合直线，与李赫等（2015）对余震视应力研究得到的统计结果一致。易桂喜等（2011）对汶川8.0级地震前龙门山-岷山构造带14次ML3.5～4.3地震进行了视应力的计算，得到的视应力为 0.022～0.379MPa，1次ML4.2地震的视应力最大，为 0.379MPa，14次地震的平均视应力为 0.113MPa。将九寨沟地震序列视应力与这14次地震视应力进行对比发现，整体上对于同等震级，九寨沟地震序列的视应力小于汶川地震前的视应力（图7（b））。李艳娥等（2012）研究了汶川8.0级地震前四川地区地震视应力的时空变化。宫悦等（2013）计算了芦山7.0级地震前后龙门山断裂带南段的视应力，与上述研究结果相比，九寨沟地震余震的视应力普遍小于汶川地震前、芦山地震前龙门山及附近地区的平均应力水平，接近该地区的背景应力水平。

表3 2017年九寨沟MS 7.0地震序列ML≥3.5余震视应力计算结果

3 结论和讨论

九寨沟MS7.0地震是发生在巴颜喀喇块体东北边界的一次强震，该地震未发育较明显的断层破裂带，地震灾害总体较轻。初步研究结果表明，九寨沟地震是一次主-余型地震，尽管主震发生后短时间内存在余震活动水平明显偏弱的现象，ML≥4.0余震的等待时间存在异常，但震后较长时间余震水平逐渐恢复到正常状态，且序列h值、视应力等符合主-余型地震序列的特征，G-R关系显示序列最大余震震级较小，8月9日发生的MS4.8地震可能是该地震序列的最大余震。九寨沟地震主震视应力为0.36～0.38MPa，属于应力下调模型，余震活动水平整体偏低。余震序列的平均视应力为0.02～0.38MPa，视应力与余震震级整体上呈正相关。与汶川地震前、芦山地震前相比，九寨沟地震余震的视应力明显偏低，接近龙门山断裂带附近中小地震的平均背景水平。

图7 九寨沟地震序列视应力随震级的变化（a）及九寨沟地震序列视应力与汶川地震前龙门山-岷山构造带地震视应力对比（b）

九寨沟地震发震构造推测为东昆仑断裂向南的一条分支断裂——树正断裂，构造部位属于巴颜喀喇块体北侧左旋走滑向东侧逆冲挤压的过渡位置，由于震中位置构造环境复杂，九寨沟地震与距震中100km范围内的1973、1976年发生的2次地震序列既存在一定联系，也存在较显著的差异。图8为3次地震序列的空间位置。由图8可见，3次地震序列的ML≥1.0余震在空间上重叠在一起，其中，1973年松潘6.5级地震的余震位于1976年松潘-平武7.2级震群与2017年九寨沟MS7.0地震序列之间的空段。从余震分布上来看，九寨沟地震序列似乎是1973、1976年2次地震的发震断裂在原有破裂的基础上向北侧的扩展，1973、1976年地震的余震区有部分区域重叠，由于当时监测能力较差，余震分布较分散，但整体呈NW方向延伸，九寨沟地震余震序列分布较为集中，主震位置与1973年6.5级以及1976年3次6级以上主震近似呈一条直线，且该直线为虎牙断裂向北延伸的方向。

图8 1973年松潘6.7级地震、1976年松潘-平武7.2级双震及九寨沟7.0级地震ML≥1.0余震分布

由图8还可见，3次地震序列在空间展布上存在一定的联系，余震展布几乎沿着同一方向并首尾相接，但由于构造位置的特殊性，彼此间主震发生的力学机制存在显著差异。发生在南侧的1976年松潘-平武2次7.2级地震主要受到近EW向的挤压推挤作用的影响，发震构造为南侧具有明显逆冲性质的虎牙断裂，并且在2次7.2级主震间发生了1次6.7级地震，同时，1976年松潘-平武地震序列的余震区存在明显的扩展现象，即以22日6.7级地震为转折点，余震主体活动区域和余震展布方向均出现显著变化。九寨沟MS7.0地震主要受到断层两侧地块水平相对运动的影响，主震的震源机制解均显示为左旋走滑，九寨沟地震余震区没有明显的扩展现象（图1），九寨沟地震余震分布呈一狭长带状沿NNW方向分布，余震较均匀地分布在主震的两侧。由于运动性质的差异，且不具备如1976年松潘-平武地震序列第1次主震对后续强震的触发条件，因此，九寨沟地震序列未发展为震群型序列。

九寨沟地震与1973年松潘6.5级地震之间存在一定的相似性。首先是发震构造方面，2次地震均发生在NW向的隐伏构造上，2次地震均未发现明显的地表破裂，尽管震前在震中附近区域没有明确的断裂构造信息，但从2次地震序列的发震位置、余震展布方向以及烈度区的几何形状，有理由相信这2次地震的发震断裂可能属于同一构造系，即东昆仑断裂向南侧的分支断裂。其次，2次地震的震源机制解也存在较好的一致性，根据全国基准台、四川区域台网及甘肃、云南部分台站的P波初动资料（程式等，1990），不同研究者所确定的主震震源动力学参数均显示1973年松潘6.5级地震为一次走滑型为主的地震，地震破裂面为NW方向，运动性质为左旋走滑，与九寨沟MS7.0的震源机制解基本一致。但2次地震之间也存在一定的差异，主要表现在序列余震的活动强度上，即1973年松潘6.5级地震首先在震前存在5.1级前震，且最大余震与主震震级差仅为0.7，但最大余震与主震间隔时间较长，且在主震后长达1年零3个月的时间又在余震区发生1次5.2级强余震；而九寨沟地震序列在震前没有发生较大震级的前震，截至10月31日，最大余震仅为1次4.8级地震，其与主震的震级差为2.2级。

致谢：感谢中国地震台网中心刘桂萍、蒋海昆、张永仙、晏锐等对本文给与的悉心指导，感谢四川省地震局吴微微、张致伟等在论文撰写过程中提出的宝贵意见，特别感谢中国地震台网中心预报部测震组提供的支持和帮助。