基于多元约束方法的2020年四川青白江MS5.1地震构造研究

徐 芳 鲁人齐* 王 帅 江国焰 龙 锋 王晓山 苏 鹏 刘冠伸

1)中国地震局地质研究所， 地震动力学国家重点实验室， 北京 100029 2)南京工业大学， 测绘科学与技术学院， 南京 211800 3)武汉大学， 测绘学院， 武汉 430079 4)四川省地震局， 成都 610041 5)河北省地震局， 石家庄 050021

0 引言

通常对5级左右的中强地震而言， 若缺少震区的地表破裂带数据或各种观测资料， 则难以确定其发震断层并开展研究。前人对龙泉山地下构造进行了很多深入研究， 总体已认识到龙泉山断裂带具有分段变形和差异活动的特点(邓起东等， 1994； 王伟涛等， 2008； Wangetal.， 2017； Lietal.， 2018)。龙泉山断裂带北段发育有东、 西2支断层， 均在地表有部分出露(图1a)， 但此次青白江地震的震级不大， 并未发现地表破裂带， 且地震震中与这2支断层的距离相近， 导致无法确定此次地震的发震断层。

图 1 龙门山-龙泉山主要断裂带及其周缘构造背景Fig. 1 Tectonic background of Longmenshan-Longquanshan main fault zone and its surrounding area.a 龙泉山及其周缘地区地形图； 数据来源于SRTM数字高程模型， 水平分辨率为30m。 b 研究区区域构造位置； 青白江 MS5.1 地震主震(黄色五角星)的平面位置是双差定位后的结果(见表1和3.2节)； 橘黄色矩形①指示图5的范围

对于中等地震事件， 由于单一的构造地质或地震学资料解释通常具有不确定性或多解性， 因此需要多学科数据交叉融合对其开展研究， 并采用多元方法进行约束。基于地震反射剖面可以揭示地下的二维构造几何形态； 通过地震学中CAP波形反演法和小地震重定位可以分析断层发生破裂的构造性质和特征； 而InSAR研究可定量指示地震所产生的同震变形。因此， 利用多学科数据交叉相互约束的方法， 可有效避免地震构造的多解性。本文首先基于断层相关褶皱理论(Suppe， 1983； Shawetal.， 2004)， 通过解释震中附近的石油地震反射剖面， 揭示此次青白江震区的深部构造特征； 通过CAP波形反演法得到了震源矩心深度和震源机制解， 并利用Hyposat定位法和双差定位法对地震序列进行了重定位， 获得了主震和余震的空间分布； 之后， 在此基础上进一步结合欧洲航天局Sentinel-1卫星的InSAR数据得到同震形变场。通过多元方法的约束， 对此次地震的发震构造进行了更全面的认识和探讨。

龙泉山构造带位于人口密集区， 距离成都市城区最近约30km。该区域同时也是工业密集区， 研究此次地震的地下结构、 发震断层特征， 可为该地区的地震安全评估提供依据。此外， 龙泉山断裂带位于龙门山逆冲推覆构造东部约90km处， 而龙门山逆冲推覆构造带历史上发生过多次大地震(图1a)。本文进一步讨论了龙门山对龙泉山的影响， 对龙泉山断裂带和其附近的地震开展了研究， 对深入探讨青藏高原东南缘的龙门山向四川盆地扩展和生长具有重要意义。

1 区域地质构造背景

龙门山断裂带位于青藏高原东南缘， 是松潘-甘孜地块和四川盆地之间的地形过渡带(图1b)， 由一系列NE-SW走向的逆冲推覆构造组成。龙门山中南段和川西坳陷在晚新生代具有一定的前陆盆地发育特征(Chenetal.， 1996； Luetal.， 2019)。龙泉山断裂带位于该前陆冲断带的前隆部位(图1a)， 是划分川西强烈断陷区和川中稳定隆起区的一条区域性断裂(陈社发等， 1994； 刘亮等， 2019)。龙门山—龙泉山一带发育多套复杂的拆离滑脱构造， 龙泉山断裂带总体发育在中下三叠统嘉陵江-雷口坡组的膏岩滑脱层(深度为4～5km)之上， 龙门山地区的地壳缩短所产生的应力积累可通过这些滑脱层转移至龙泉山地区(Hubbardetal.， 2009； Jiaetal.， 2010； Wangetal.， 2017)。

龙泉山构造带由一系列NE走向的褶皱、 逆断层等压扭性构造构成， 全长约200km， 宽15～20km。其中， 褶皱主体为NNE-SSW向展布的龙泉山背斜； 龙泉山背斜的两翼发育反向逆冲的龙泉山西缘断裂和东缘断裂(徐水森等， 2006)(图 1)。龙泉山地区主要出露中生代沉积， 龙泉山东缘和西缘断裂之间出露侏罗系； 断裂带主体周缘以侏罗系和白垩系为主； 新生代沉积地层较多分布于断裂带西侧， 主要沉积第四系(图 2)。

图 2 龙泉山断裂带北段及周边地区的1︰20万地质图(改自鲁人齐等， 2010)Fig. 2 The 1︰200 000 geological map of north segment and surrounding area of Longquanshan fault zone(Revised from LU Ren-qi et al.， 2010).f1龙泉山断裂带北段西支断层； f2龙泉山断裂带北段东支断层(下同)。黄色五角星是青白江地震主震的震中

龙泉山断裂带具有明显的分段变形特征： 北段由一条沿中下三叠统嘉陵江-雷口坡组滑脱层切割至地表的倾向W的逆冲断层和一条倾向E的背冲断层组成(Lietal.， 2018)。中段断层面倾向SE， 发育断层传播褶皱， 且断层已沿背斜前翼膝折带形成了贯通的突破断层； 断层面向下延伸与滑脱层链接， 形成构造楔(王伟涛等， 2008； 鲁人齐等， 2010； Wangetal.， 2017)。南段断层沿滑脱层以逆冲断层的形式切割至地表， 形成2条NE走向的逆冲断层(Lietal.， 2013)； 其中一条倾向NW， 另一条倾向SE(图1a)。

2 龙泉山北段地下构造特征

为揭示青白江震区的地下几何结构和沉积地层， 我们在震中附近提取了3条石油地震反射剖面(图1a， 2)。 由于地壳速度结构的不确定性， 文中地震剖面坐标轴的时深转换存在 2km± 的误差， 但对后续结果分析没有影响。

龙泉山地区古生代地层广泛缺失， 二叠系碳酸盐岩直接与寒武系碳酸盐岩平行不整合接触， 中生代地层发育比较齐全， 新生代地层总体缺失； 龙门山—龙泉山区域地层具有一定的区域产状， 约2°(Luetal.， 2016)， 层位由西向东变浅， 三叠纪地层具有一定的西厚东薄特征(Jiaetal.， 2006； 陈竹新等， 2020)。

龙泉山东支断裂(f2)在地震反射剖面经过的位置均有出露， 西支(f1)部分出露(图 2， 3)。前人的研究表明， 龙门山—龙泉山一带存在多套滑脱层(曹伟， 1994； Hubbardetal.， 2009； 刘树根等， 2009)。其中， 控制龙泉山背斜的滑脱层是位于4～6km深度的中下三叠统嘉陵江-雷口坡组。根据断层相关褶皱原理(Suppe， 1983； Shawetal.， 2004)， 在地震反射剖面中识别出背斜两翼发育2条明显相向对倾的逆冲断层， 为突破式断层传播褶皱变形； 其中东支逆冲断层从雷口坡组滑脱层逐渐上升至地表； 西支逆冲断层在地表出露， 向下与滑脱层相连(图 3)。

图 3 龙泉山北段石油地震反射剖面解释图Fig. 3 Interpretation of petroleum seismic reflection profile in the north segment of Longquanshan.a—c分别为AA′、 BB′、 CC′ 3条人工地震反射剖面解译， 剖面位置见图 1 。P-Z 二叠纪-寒武系； T1-2 中-下三叠统； T3 上三叠统； J 侏罗系； K 白垩系； Q 第四系。黑色矩形②指示图6的范围

3 地震构造解剖

3.1 地震学分析

青白江MS5.1 地震发生后， 不同研究给出了此次地震的定位和震源机制解(表1)， 其中Lei等(2020)、 GCMT(2020)以及韩颜颜等(2020)的2个节面参数相近， Lei等(2020)给出的节面Ⅰ的参数为15°、 36°、 82°， 节面Ⅱ的参数为205°、 54°、 96°； GCMT(2020)给出的节面Ⅰ的参数为30°、 33°、 114°， 节面Ⅱ的参数为183°、 60°、 75°； 韩颜颜等(2020)给出的节面Ⅰ的参数为25°、 34°、 100°， 节面Ⅱ的参数为193°、 57°、 83°； 震源机制结果总体比较接近， 但前人的研究采用了不同的台站数据和定位方法， 震源深度在3.3～21km范围内， 相差较大。

表 1 青白江 MS5.1 地震的震源机制解Table1 Focal mechanism of the MS5.1 Qingbaijiang earthquake

图 4 2020年青白江 MS5.1 地震波形拟合结果与震源机制Fig. 4 Waveform fitting and focal mechanism for the MS5.1 Qingbaijiang earthquake.a 理论地震图与观测地震图拟合， 红线表示理论地震图， 黑线表示观测地震图， 波形下方的2行数字分别表示理论地震图相对观测地震图的移动时间及二者的相关系数(用百分比表示)； b 震源机制反演误差随深度的变化

3.2 地震构造分析

图 5 2020年青白江地震主震及余震的平面分布图Fig. 5 Plane distribution of main shock and aftershock of Qingbaijiang earthquake in 2020.黄色五角星是青白江地震主震的震中位置， 黄色圆圈为余震震中， 此图位置见图1中橘黄色矩形①。青白江地震的震源机制解沙滩球采用上半球投影(下同)

图 6 青白江地震主震及余震的垂向分布图Fig. 6 The vertical distribution of the main shock and aftershocks of Qingbaijiang earthquake in 2020.青白江地震主震及余震在人工地震反射剖面上的垂向分布投影， 地震反射剖面的位置见图3a黑色矩形②。黄色五角星为主震位置， 黄色圆圈为余震的位置； 图中的沙滩球是经旋转后的沙滩球。黑色矩形③的位置即为图 9 的范围

结合波形拟合结果(图4a)、 震中所处区域的构造展布以及余震空间分布特征初步分析， 此次青白江地震东侧的龙泉山断裂带北段东支断裂是其发震构造。龙泉山断裂带北段东支断层的走向为10°～30°， 倾向NW(黄祖智等， 1995)； 人工地震反射剖面解释的东支断层倾向NW， 倾角约为40°(图 3)， 与前人根据地震构造解释的东支断层的几何结构吻合(Lietal.， 2018)。本文得到的震源机制解的节面Ⅰ与其走向、 倾角基本一致， 同时， 也与GCMT(2020)、 Lei等(2020)以及韩颜颜等(2020)给出节面Ⅰ大致相同(表1)； 震源矩心深度5km也与东支断层拟合较好， 构造地质解释与地震学结果总体相符。

4 InSAR同震形变特征

合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR)具有空间分辨率高、 监测范围广、 全天时全天候工作等优势， 可进行大范围、 无接触、 面状观测， 目前已被广泛应用于地震形变观测、 地面沉降观测、 DEM提取和地表地貌分析等方面的研究中(Wrightetal.， 1999； 宋小刚等， 2015； 孙晓鹏等， 2016； Jiangetal.， 2018， 2019； Wangetal.， 2020)。由于其高空间分辨率所提供的近断层形变信息， 静态InSAR观测数据较稀疏台站提供的地震波形资料在发震断层三维几何确定和破裂模型反演等方面更具优势(Jiangetal.， 2018； Wangetal.， 2020)。

为确定此次地震的发震构造， 我们从欧洲航天局搜集了升轨55轨道和降轨62轨道的哨兵数据， 其中包括升、 降轨各8幅单视复数影像， 用于提取青白江2020年2月3日MS5.1 地震的同震形变场。依据Wang等(2020)的数据处理策略， 利用Gamma软件(Werneretal.， 2001)对收集到的影像数据进行处理， 经过影像的配准、 差分和相位解缠等步骤后得到同震变形差分干涉图。同时， 利用地形-相位线性模型和二次多项式函数分别对干涉图中可能存在的垂直分层大气相位延迟和轨道误差进行估计并剔除， 最终得到青白江地震引起的同震变形。需要注意的是， 利用InSAR提取中等地震造成的小量级地表形变时易受到包括大气相位延迟等在内的观测误差的影响。特别地， 大气相位延迟湍流分量是最主要的误差源之一。因此， 为进一步压制相位噪声， 提高形变观测的信噪比， 依据干涉图“堆栈”思想， 我们对升轨和降轨影像分别形成的7个同震变形干涉图(主影像为震前距地震时刻最近的一景影像， 从影像为震后离地震时刻最近的7景影像)进行堆叠处理(Jiangetal.， 2018)。结果显示， 时间跨度最短的升、 降轨同震变形图(标准差RMS分别为0.14cm和0.10cm)与“堆栈”后的相应结果(标准差RMS分别为0.12cm和0.10cm)具有相当的精度， 即“堆栈”后的变形结果在精度上并没有明显的提升(图 7， 8)。因此， 本文直接采用时间跨度最短的干涉图描述此次地震引起的同震形变特征(图 7， 8)。

图 7 研究区Sentinel-1卫星55轨道数据的处理结果Fig. 7 Processing results of orbit 55 data of Sentinel-1 satellite in the study area.a 55升轨数据提取的青白江地震同震形变； b 沿EE′剖面的变形。黄色五角星为青白江地震的震中位置

图 8 研究区Sentinel-1卫星62轨道数据的处理结果Fig. 8 Processing results of orbit 62 data of Sentinel-1 satellite in the study area.a 62降轨数据提取的青白江地震同震形变； b 沿EE′剖面的变形。黄色五角星为青白江地震的震中位置

图 7a和图8a 显示青白江地震造成的地表变形显著， 升、 降干涉图呈现出一致的空间分布特征， 且主要分布在3km×4km的局部范围内。同震变形以隆升为主， 沿雷达视线向方向最大可达4cm， 揭示出此次地震可能是以逆冲为主的破裂事件， 与龙泉山断裂带的活动性质一致。

本次地震引起的地表形变处于2条逆冲断层中间， 其中震中位置NW向形变向上隆起， 而SE向形变向下凹陷(图7b， 8b)， 且最大凹陷部位处于震中与龙泉山东支断裂之间。可见， 东支断裂的逆冲活动更符合上述地表形变特征， 且与人工地震反射剖面和地震重定位的结论一致。

5 讨论

5.1 发震断层的多元约束

青白江地震发生后， 各研究机构给出的震中定位并不相同， 除了在平面上具有一定的差异外， 不同定位方法得到的震源深度的结果差别也很大(表1)。将不同的震中平面坐标及基于CAP波形反演法定位的主震矩心深度投影到地震反射剖面上， 可揭示震源与断层的关联性。Lei等(2020)定位的3.3km深度与龙泉山西支断层的位置距离较近； 而本研究定位的5.0km更靠近东支断层的位置(图 9)。

图 9 2020年青白江 MS5.1 地震构造的综合分析Fig. 9 Seismotectonics analysis of the MS5.1 Qingbaijiang earthquake in 2020.a Sentinel-1卫星55升轨数据提取的断层部分的同震形变； b 不同震源位置在地震反射剖面上的投影， 剖面位置见图6中的黑色矩形③。绿色五角星是Lei等(2020)的定位结果； 黄色五角星是本文双差定位后的结果

由于地震成像固有的模糊性， 仅靠人工地震反射剖面解释褶皱-逆冲地下构造， 特别是逆冲断层的下盘和褶皱的陡峭前翼(Butleretal.， 2018)， 具有明显的不确定性和多解性， 因此我们常用断层相关褶皱(Suppe， 1983； Shawetal.， 2004)等原理和模型来定量约束地下几何构造。地震定位结果的优劣受多种因素影响， 如地震台站分布和密度、 观测仪器精度、 速度模型的可靠性等(Pavlis， 1986； Gombergetal.， 1990)， 且结果一般具有较大误差。因此， 将地球物理学、 地震学、 大地测量学理论和构造地质学与断层相关的褶皱理论相结合， 对地震构造研究开展多元约束， 可以更好地厘定发震断层。利用多元约束对地震构造进行研究的思路和相关技术方法， 对解剖复杂地震构造具有重要作用。

5.2 龙门山与龙泉山的关系

龙泉山断裂带位于龙门山逆冲推覆构造带的东侧， 是其前陆冲断带的前隆部位(王伟涛等， 2008)。龙泉山断裂带的活动以及2020年发生的青白江地震， 可能与龙门山逆冲推覆构造带具有一定的联系。

松潘-甘孜褶皱带在晚三叠世中晚期的褶皱封闭造成的SE向挤压， 使龙门山地区映秀-北川断裂和汶川-茂汶断裂向前陆方向逆冲推覆， 并在晚三叠世末期逐渐形成了走向NE的长条状川西前陆盆地， 其西部边界逐渐向东侧转移(陈社发等， 1994； 刘树根等， 2003)。新生代， 川西前陆盆地的前隆部位龙泉山开始隆起， 沉积作用与缓慢隆升同时进行(王伟涛等， 2008)。川西盆地内地层呈西部厚、 东部薄的特点， 整体发育一个大型向斜(图 10)(李洪奎等， 2019)， 是一个向W倾斜的不对称箕状盆地(邓起东等， 1994； Jiaetal.， 2020)， 其东、 西边界分别为龙泉山断裂带和映秀-北川断裂带(陈社发等， 1994)。龙门山-川西前陆盆地地下存在一系列滑脱拆离构造， 控制着二者之间的构造变形。龙门山地区断层的逆冲滑移可通过中下三叠统嘉陵江-雷口坡组的膏岩滑脱层传播到川西盆地内(Hubbardetal.， 2009； 刘树根等， 2009)。

图 10 龙门山—龙泉山区域地质与地震构造模型Fig. 10 The geological and seismotectonic model of the Longmenshan and Longquanshan region.F1 汶川-茂汶断裂； F2 映秀-北川断裂； F3 灌县-安县断裂。剖面位置见图1中的DD′

现今的GPS观测发现， 青藏高原的挤出对龙门山构造带造成了明显的SE向挤压(Zhangetal.， 2004； Ganetal.， 2007)， 使得晚新生代龙门山经历了强烈的构造变形和快速抬升。川西盆地的西边界映秀-北川断裂变形强烈， 地震活动频繁(邓起东等， 1994)。川西盆地中部地层变形微弱， 但在其东边界——龙泉山地区可见一不对称背斜和东、 西2支断裂带发育(图 10)。因此， 龙门山通过浅层滑脱层传递到川西盆地的绝大部分应力和形变被龙泉山地区吸收； 但龙泉山断裂带的活动速率和变形强度都远小于龙门山逆冲推覆构造带(Luetal.， 2019)。

5.3 龙泉山断层活动性与地震风险分析

龙泉山断裂带与龙门山逆冲推覆构造带属于同一个构造系统， 形成于统一的构造过程(陈社发等， 1994； 黄伟等， 2012)。因此， 龙泉山的构造分段变形和断层活动性也是研究的热点。前人的研究表明， 龙泉山断裂带在更新世晚期和全新世有一定程度的活动(邓起东等， 1994)。龙泉山断层泥的定年结果显示， 断裂带在早更新世—中更新世强烈活动(刘亮等， 2020)； 氡气测量结果显示断裂带东坡断层较西坡断层活动更强烈(刘亮等， 2019)。地震反射剖面解释揭示了龙泉背斜南段的总缩短量为1.1km， 中段的缩短量为1.3～1.8km， 北段的缩短量约为0.8km(Hubbardetal.， 2009； Lietal.， 2013； Lietal.， 2015)， 基于凯江河流阶地的形成年龄测试结果可知， 龙泉背斜在NW-SE方向上的地壳缩短速率约为1.47mm/a(Lietal.， 2015)。

龙泉山断裂带是弱震相对集中的地震带。据历史文献记载， 1531—1957年龙泉山断裂带共发生有感地震17次； 自有仪器记录以来， 1958年1月—2020年10月， 龙泉山断裂带共发生ML≥2.0地震83次， 其中2.5～2.9级28次， 3.0～3.9级13次， 4.0～4.9级6次， 5.0～5.9级2次。青白江MS5.1 地震发生之前， 龙泉山地区惟一一次ML>5.0地震为1967年仁寿MS5.5 地震， 其震源深度仅为4km， 震中烈度为Ⅶ度(黄祖智等， 1995； 徐水森等， 2006； 黄伟等， 2012； 国家地震科学数据中心， 2020)。

包括2020年青白江MS5.1 地震在内的地震的陆续发生， 表明龙泉山构造带处于缓慢活动的状态。龙门山逆冲推覆构造带向龙泉山长期挤压， 其中汶川大地震和芦山地震使龙泉山地区的库仑应力出现0.4～0.6bars的明显上升(钱琦等， 2011； Jia， 2020)， 这些都使处于活动状态的龙泉山具备一定的地震危险性。因此， 对成都周边及龙泉山地区的断层活动性和潜在地震灾害的评估， 仍需要加强研究。

6 结论

(2)石油地震反射剖面揭示了青白江地震震中位置的基本构造特征； 同时基于余震重定位和InSAR同震形变厘定了此次地震的发震断层。本研究采用多元约束方法， 弥补了单一资料和方法研究的不确定性和多解性， 适用于复杂地震构造的精细解剖。

(3)龙泉山构造带的形成和地震的发生与晚新生代青藏高原东南缘的挤出背景有关， 同时与龙门山的快速隆升和逆冲缩短密切相关。龙泉山断裂带现今抬升和缩短速率非常有限， 但1967年的仁寿MS5.5 地震和2020年青白江MS5.1 地震的发生， 表明龙泉山断裂仍具有一定的活动性， 这对成都地区的潜在的地震风险和评估具有重要启示。