九寨沟的地震构造及其地震活动

薛 丁

(内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010010)

地震活动是非线性的，导致地震处于短临阶段直到发生时难有准确的预测，但人类研究地震有多种方法。因为地震发生总是与活动构造相关；而且地震活动还具有非均匀性和非平稳性，地震活动总有平静和活跃过程，即周期性，同时也包含强弱程度。所以，要想预测地震，就必须知道预测的地方有没有活动构造，有活动构造时，要对其中活动断层的活动性和地震活动的非均匀性与非平稳性非常清楚，进而作出中长期趋势判定[1-5]，提出回避和远离震源区等的预防措施。特别地，人类要对已经发生了强震地区的地震构造和地震活动进行详细的研究。针对活动构造单元岷山断块隆起，本文对2017年8月8日九寨沟7.0级地震的地震构造和地震活动进行了分析和研究。

1 资料选取

活动构造单元的地震活动受地震大环境的影响是无疑的，但更有其自己的特点。岷山断块隆起近南北向分布，勾勒岷山断块隆起的边缘，从划定矩形区域(32°20′～33°40′，103°20′～104°30′)选取地震活动资料，研究该活动构造单元的地震活动性。同一活动构造单元动力学、运动学特性一致[6-7]，按其边界划分选取资料，研究其地震活动性，具有相对独立性和针对性。因为不同的边界决定了地震样本的不同归属，不同的资料选取可能会得到不同的研究结果，或导致研究的差异性,所以应采用研究成熟的方案。本文采用Mapsis软件方案[8]，选取了有地震记录以来的Ms≥5.0历史地震和强震震源机制(参见图1a)。1970年以来到现今仪器记录的地震，按照区间极值法BMM(Block Maximum Method) 选取极大值地震，其做法是将观测时间划分为一系列等间隔时间区间，在每个区间上选取观测的极大值[9-10]。本文以季度为区间(即采样频率Fs=4，依采样定理可分辨的最小周期为半年)，选取1970年以来的极大值地震，构建岷山断块隆起极大值地震活动序列(参见图1b)。活动构造单元的极大值地震序列应具有地震活动水平的代表性和方便使用计算研究的实用性[1-5]。

2 地震构造与地震活动

2017年8月8日九寨沟7.0级地震震区的新构造单元是岷山断块隆起。岷山断块隆起位于龙门山逆掩推覆构造带中段以北，作南北向延伸，长达150 km，宽50～60 km。向北至西秦岭地区已不明显，向南合并于龙门山中段的中高山区(参见图1)。它是一个运动十分强烈的隆起带，由一系列海拔 4 500 m以上的山峰组成，最高峰雪宝顶海拔高度达 5 588 m。它构成了岷江和涪江两大水系的分水岭[11]。岷山断块隆起的东、西边界分别受岷江断裂带与虎牙断裂带的控制，由岷江断裂和虎牙断裂自西向东的斜推覆逆掩运动所形成，处于我国南北地震带的中段，为强地震活动带。岷江断裂带第四纪以来表现为明显的推覆逆掩运动并具有一定的左旋走滑分量，左旋滑动速率为1 mm/a，水平位错量与垂直位错量大致相当。岷江断裂带由数条次级断裂呈羽列组合而成，右阶羽列区的羽列距最大达3 km，控制了低序次的地震破裂单元[12-13]。6级以上强震丛集于强烈活动的断块边界断裂上，与断裂的活动性质具有密切的成因联系。

图1 九寨沟7.0级地震震中附近主要断裂和地震活动

虎牙断裂总体走向为北北西向，长度60 km以上。断裂分段大致以小河为界，北段走向由北北西转南北，倾向东，倾角 80°左右，北段仍在向北北西继续延伸，地貌显示新生隆起带；南段走向由南北转南东，倾向西，倾角由北往南，由 70°变为 30°。南段发育有一系列相互平行的冲断层，断面上可见斜向擦痕，具压扭特征。喜马拉雅山运动以来，伴随着青藏高原的解体和岷山南北向隆起，沿虎牙断裂带形成宏伟壮观的断裂谷地。虎牙断裂的左旋走滑速率为1.4 mm/a[14]。

震中附近的主要断裂及历史地震震中分布(参见图1)。该地区是地震多发区域，地震震中位于岷江断裂、虎牙断裂附近。此次九寨沟7.0级地震位于虎牙断裂的端部。1630年以来，共发生8次6级以上地震：1630年01月16日四川松潘小河6级、1748年5月2日四川松潘北6级、1960年11月9日四川松潘6.7级、1973年8月11日四川松潘东北6.5级、1976年8月16日四川松潘小河7.2级、1976年8月22日四川平武北6.7级、 1976年8月23日四川松潘、平武间7.2级。最大为1976年8月16日、23日发生在松潘—平武的两次7.2级地震。1976年8月16～23日，四川省松潘—平武交界地区的虎牙断裂带中南段发生了由7.2、6.7、7.2级3次地震组成的强震群，此前的1973年8月11日还在虎牙断裂带北段发生松潘黄龙6.5强震，这4次强震在空间沿虎牙断裂带由北而南分布[15]。岷山断块强震的震源机制解表明，区域应力场的P轴优势取向为NWW(近EW向)，仰角较小，强震具有较大的逆冲滑动分量(参见表1、图1a)。分析认为，始新世末印度板块与欧亚板块发生碰撞向北东方向推挤，青藏高原形成，位于青藏高原内部的川西高原次级地块，在主压应力轴方位为NWW向的现代应力场作用下，向ES方向挤出，走滑兼旋转运动是岷山断块隆起形成并在边界断裂伴随发生强震的主要动力来源。

2017年08月08日九寨沟7.0级地震的震中附近，除了岷江断裂、虎牙断裂，北面有北西向的塔藏断裂带分支断裂，南面有东西向的雪宝顶断裂，都是边界活动断裂，具有发生强震的构造条件。这次地震的余震分布明显呈NNW向，与上述主要活动断裂中的虎牙断裂方向相符，地震震区地震强度图呈明显椭圆形，长轴方向为NNW向(www.csi.ac.cn)。主震震源机制解主节面之一为NW向(参见表1、图1a)。1970年极大值地震序列主要沿虎牙断裂NW向分布(参见图1b)，其地震活动性明显高于岷江断裂。因此可以推断这次地震的发生是虎牙断裂北北西向延伸。发震构造可以是发生错动产生地震的先存活动断层，也可以是超过岩石强度极限发生破裂产生地震的新生断层，九寨沟7.0级地震是先存活动断层虎牙断裂北北西向继续延伸破裂的结果，破裂为左旋走滑扭动。

注：1 中国震例[23]；2 美国哈佛大学Harvard CMT

3 现今地震活动分析

3.1 小波变换方法

用小波进行分析研究时，首先要进行小波窗函数(基函数)的选择，选择时要考虑小波窗函数的正交与非正交、实数与复数、宽度与形状等因素[17-18]。本文选择Morlet小波，它具有非正交特性，由高斯函数调节零均值平稳波得到：

ψ(η)=π-1/4eiωηe-η2/2

(1)

式中，ω为无量纲频率；η为时间参数。假定信号xn(n=1,2,…,N)为等时间间隔的时间序列，其连续小波变换定义为信号和小波窗函数ψ(η)的卷积：

(2)

式中，*表示共轭复小波，wn(s)为小波变换系数。定义2为小波功率谱(waveletpowerspectrum)，该功率谱表达了在一系列小波尺度下时频域内的功率变化[17-20]。

3.2 结果及分析

传统频谱分析方法只能在频域进行分析，不具有联合时域进行综合分析的能力，不能对地震活动非平稳、非均匀性对应于时间、频率的局部细化特征有所了解，即无法进行时频域高分辨率综合分析。但是，地震活动强度对应时间、频率上的规律或特性在时频域局部特性上有别于一般随机白噪声，因此，可用先进的小波时频功率谱结合传统频谱方法进行综合分析地震活动规律的研究。

岷山断块是活动构造，是一个强地震活动带，每个季度会发生数次地震(可能有的季度未记录到地震，以极小值地震代替)，选择其极大值地震为代表来构成地震活动的时间过程(参见图2a)。用该地震序列进行小波时频功率谱分析(参见图2b)，图2b是地震活动时间序列通过方差标准化的小波时频功率谱，给出地震强度在时频谱中的相对变化特征。从小波时频功率谱中，我们可以看到地震功率在时间和频率上的变化特征，充分地展示了岷山断块地震活动的周期性、非均匀性分布特征，成为做出中长期趋势判定的依据。

粗等值线区域高于背景谱具有95%置信水平，粗短划线以下为边界效应区域图2 岷山断块地震构造的季度极值地震活动序列及其小波时频功率谱

分析功率谱的年际变化，根据奈奎斯特采样定理，采用季采样的数据，可分析半年以上时间尺度的周期特征[21]。时间段在1973～1979年显著周期为0.5～4年，功率强。1991～1997年，显著周期为0.5～3年，功率强。2017年开始显著周期为0.5～4年，功率强，时间可能持续6年到2023年，地震活动又进入活跃期。时间段在1980～1990年，显著周期在1.5年之内，功率弱。时间段在1998～2016年显著周期在1.5年之内，功率弱对应地震活动显示为较小波动，为平静期。从整体时间、频率域综合分析功率谱，地震活动的时频强特征非常明显，显著周期表现为从4～1.5年到从1.5～4年的明显转移变化，功率的强弱有从强到弱、从弱到强的演化过程。显著周期较长，地震强度较强；显著周期较短，地震活动强度较小。

粗点画线为95%置信度线图3 地震极值序列的全局周期谱

傅立叶频谱分析给出了全局周期谱(参见图3)，显示了有20年、4年、1.5年左右的显著周期。但在小波时频功率谱图中(参见图2b)，观测资料的有限性显然会影响到可分析的最长周期，对于20年左右的长周期来说，受到观测资料长度有限性的影响，出现边界效应。与背景谱对比，使用显著性检验[17-18,21-22]，检验不显著，置信水平低于95%，小波时频功率谱中未显示20年左右周期上的较强功率。随着资料长度的逐渐积累，对长周期显著性检验的影响越来越小，边界效应逐渐减小。但综合分析傅立叶全局周期谱时，可根据20年左右的周期判定当前的地震趋势，1976年前后为活跃期，经过2个周期，2016年左右应进入活跃期。

4 讨论与结论

活动断块是现今构造运动最基本的型式，它控制了主要活动构造带和地震活动带的分布，也控制了不同地区地震活动特征的差异。断块边界构造带是在构造变形和运动场中的不连续变形带，应力在此释放，位移在此发生，其差异活动最为强烈，因此，断块边界构造带是强震发生带，其活动性质会控制震源断层的特性[23]。大地震孕育和发生在边界构造带的端部、转折等某些特殊部位，对其孕育的构造和物理过程需深入研究。

震中附近的主要断裂及历史地震震中分布，主震震源机制解主节面之一为NW向。1970年极大值地震序列分布NW向。九寨沟7.0级地震是活动断块边界断裂持续活动的结果，九寨沟7.0级地震可能是原活动断层虎牙断裂的北北西端部继续延伸破裂的结果，破裂为左旋走滑扭动。它与2008年汶川8.0级地震、2013年的雅安7.0级地震成因一样，处于同一大地构造背景，都是印度板块与欧亚板块碰撞施加构造应力所致[24-29]。

功率谱的年际变化表明，时间段在1973～1979年显著周期为0.5～4年，功率强。1991～1997年，显著周期为0.5～3年，功率强。2017年开始显著周期为0.5～4年，功率强，地震活动又进入活跃期。傅立叶频谱分析给出了全局周期谱，显示了有20年、4年和1.5年左右的显著周期。1976年前后为活跃期，经过2个周期，2016年左右应进入活跃期。小波时频功率谱具有多分辨分析(Multi-resolutionanalysis)的特点，在时频域都具有表征信号局部特征的能力。在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，克服了傅立叶频谱分析非平稳信号单一分辨率的困难，可以准确地表达信号时频的局部特性。实际资料的应用表明，小波功率谱结合传统傅立叶频谱进行分析，更好地反映了信号的幅值随时间和频率的变化规律。小波功率谱成为中长期趋势判定的依据有一定的参考意义。

本文针对地震活动的构造单元，依据统计极大值地震活动序列的小波时频功率谱，探讨了震区岷山断块隆起地震趋势，认为其未来处于活跃水平阶段。

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