2022年6月1日四川芦山MS6.1强震构造精细特征

鲁人齐， 房立华， 郭志， 张金玉， 王伟， 苏鹏， 陶玮，孙晓， 刘冠伸， 单新建， 何宏林

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 中国地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

据中国地震台网测定，北京时间2022年6月1日17时00分，在四川省雅安市芦山县(北纬30.37°，东经102.94°)发生MS6.1地震(图1)，震源深度17 km.本次地震的最高烈度为Ⅷ度(8度)，造成4人死亡，40多人受伤(https:∥www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5661356/index.html).

此次芦山地震发生在四川龙门山断裂带的南段(图1).2008年汶川MS8.0地震发生在龙门山中段，2013年芦山MS7.0地震发生在龙门山南段，这两次大地震都造成了严重的灾难和巨大损失(徐锡伟等，2013a).2022年的芦山MS6.1地震位置，距2013年芦山MS7.0地震主震不到10 km.因此厘定芦山MS6.1地震的发震断层，分析其构造精细特征，可以为判断此次地震是否为2013年芦山地震的余震，以及龙门山地区强震构造与危险性分析等研究提供重要依据.

2008年汶川地震和2013年芦山地震的两次主震之间，存在一个长度约50～60 km的地震空区(图1).2008年汶川地震的地表破裂带主要沿主震的北东方向展布，但在主震的南西方向未出现破裂带(Xu et al., 2009)，而2013年芦山地震未发现典型的地表破裂带(徐锡伟等，2013b).关于该地震空区的地震危险性研究，以及短期内是否会发生强震，仍存在着较大争议(陈运泰等，2013；易桂喜等，2013；Li et al., 2013; Pei et al., 2014; Dong et al. ,2017; Wan et al., 2017; 梁春涛等，2018；Diao et al., 2018; Liu et al., 2020; Guo et al., 2020; 郑勇和郭汝梦，2021；李兵等，2022).由于该地震空区构造复杂，断层的空间结构尚不清楚，导致库仑应力和地震矩的变化等计算结果存在较大差异，相应地震危险性评价不确定性较高(Wang et al., 2014a).该地震空区1970年发生了大邑MS6.2强震(Li et al., 2017)，表明该区域具备发生强震的构造条件.2022年的芦山MS6.1地震也基本上位于该地震空区范围(图1)，在一定程度上验证了该地区存在强震危险性的观点.然而，这次MS6.1地震发生后，该地震空区未来短期(10年尺度)是否还会发生强震，仍然需要继续关注和研究.鉴于地震孕育过程的复杂性，精细刻画该地区活动断裂的地下三维结构，是准确和有效评估该地震空区的短期地震危险性的重要基础工作之一.

本次研究通过震源机制解和余震重定位结果，分析了2022年芦山地震的三维断层结构，并刻画了此次地震与2013年芦山地震的空间三维断层精细模型；结合芦山震区之前采集的深地震反射剖面(王夫运等，2015)，进一步揭示了芦山地震的深部构造特征，为深入分析和研判该地区地震危险性提供地质构造模型的支撑.

1 构造背景

龙门山位于青藏高原东缘的松潘—甘孜地块与四川盆地的过渡带，构造变形复杂，活动断裂发育，地震活跃(邓起东等，1994; Burchfiel et al., 1995).2008年的汶川大地震在龙门山中段和北段产生了两条主要的地表破裂带，总长度超过300 km(Xu et al., 2009).2022年芦山MS6.1地震与2013年MS7.0地震震中非常接近，相距约9 km(图1).震中附近地表出露有小关子断裂(F3)和双石—大川断裂(F4).先前的研究表明，2013年的芦山地震并未产生地表破裂，发震断层为一条倾向北西的盲逆冲断层(徐锡伟等，2013b；Wang et al., 2014b；Fang et al., 2013, 2015; 鲁人齐等，2017).2022年的MS6.1主震的矩心/质心深度为13 km(王卫民等，2022)，与2013年的MS7.0主震质心深度14 km比较接近(吕坚等，2013)，但震级小了很多，因此推测也很难产生地表破裂.鉴于此，迫切需要依靠地震学与地球物理方面的数据资料，分析该地震的发震构造.

图1 2022年6月1日四川芦山MS6.1地震及其构造背景 黄色五角星为2022年芦山MS6.1地震震中位置；浅蓝色圆圈为2013年芦山MS7.0地震的余震分布(Fang et al., 2015).1—汶川大地震地表破裂带(Xu et al., 2009)；2—龙门山地区主要断裂；3—隐伏断层；4—地震空区；5—深地震反射剖面位置(王夫运等，2015).F1：陇东断裂； F2：盐井—五龙断裂；F3：小关子断裂；F4：双石—大川断裂；F5：新开店断裂；F6：名山断裂(大邑隐伏断裂)；YBF：映秀—北川断裂.Fig.1 Tectonic setting of the 1 June 2022 MS6.1 Sichuan Lushan earthquake The yellow five-pointed star is the epicenter of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake. The light blue circles are the aftershock distribution of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake (Fang et al., 2015). 1—Surface ruptures of the Wenchuan earthquake (Xu et al., 2009); 2—Major faults in the Longmen Shan region; 3—Blind faults; 4—Seismic gap; 5—Deep seismic reflection profile (Wang et al., 2015). F1: Longdong Fault; F2: Yanjing-Wulong Fault; F3: Xiaoguanzi Fault; F4: Shuangshi-Dachuan Fault; F5: Xinkaidian Fault; F6: Mingshan Fault (Dayi Buried Fault); YBF: Yingxiu-Beichuan Fault.

2 震源机制解与余震重定位

本研究从中国地震台网数据备份中心(国家地震科学数据中心，国家测震台网地震波形数据，2007；郑秀芬等，2009)下载距震中700 km之内固定地震台站记录的事件波形数据，采用Wphase矩张量反演方法(Kanamori and Rivera，2008)获取此次地震的震源机制(图2a).波形资料预处理包括：重采样为1秒1个数据采样点，去均值、去倾斜趋势和仪器响应；然后使用50～150 s 4阶Butterworth带通滤波器滤波.初步反演中，根据实际观测数据与理论波形图的均方差，去除拟合误差较大的台站数据；通过三次初步反演，挑选拟合误差较小的台站进行最终反演.共获取62个台站记录的107条高信噪比波形数据，开展空间搜索(经度、纬度)，获得最终的反演结果.本次研究获得的震源机制解两个节面参数分别为：节面I，走向221.5°，倾角44.4°，滑动角103.3°；节面II，走向23.2°，倾角47.1°，滑动角77.3°，矩震级约为MW5.9(图2a);矩张量反演获得的矩心深度为15.5 km(图2b).与双差定位获取的主震震源深度18.9 km相比(图3)稍微偏浅，这可能是因为两种震源深度代表不同的物理意义.其中双差定位震源深度主要通过震相走时反演获取，反映了震源初始破裂点的位置；而矩心深度则反映了发震断层面上地震矩空间分布的几何中心位置.

图2 2022年芦山MS6.1地震震源机制解(a) 本研究获取的芦山MS6.1地震震源机制解及其他不同机构发布结果； (b) 矩心深度与波形拟合均方差变化图； (c) 部分参加反演台站波形拟合图及台站分布图，黑线表示观测资料，红线表示理论地震图；台站名称、方位角和震中距离标示于波形图左上方；两个红点中间 部分为Wphase时间窗口；蓝色五角星表示震中；红色圆圈表示当前台站；橙色圆表示参加反演所有台站.Fig.2 Focal mechanism solution for the 2022 Lushan MS6.1 earthquake(a) Focal mechanism of the Lushan MS6.1 earthquake obtained by this study and the other results published by different institutes; (b) Variation of centroid depth with waveform fitting root mean square; (c) Waveform fitting and station distribution map for part of stations involved in the inversion. Black line indicates observed waveform, red line indicates synthetic waveform; Station name, azimuth and epicenter distance are marked above the left side of each waveform; Wphase time window is bounded by two red dots; blue star indicates the epicenter; red circle marks the current station; orange circles show all stations involved in the inversion.

图3 2022年芦山MS6.1地震主震与余震分布 黄色五角星为2022年芦山MS6.1地震双差定位的震中位置，沙滩球为本文研究给出的震源机制; 黑色实线为地表出露的 主要断裂带.(a)为余震平面分布，紫色三角为震中附近的地震台；(b)和(c)分别为NE和NW向余震剖面.Fig.3 Mainshock and aftershock relocation of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake The yellow five-pointed star is the epicenter of the double-difference location of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake, and the beach ball is the focal mechanism in this study. The solid black lines are the major faults that outcropped on the surface.(a) is the distribution of aftershocks, and the purple triangles are the seismic stations near the epicenter. (b) and (c) show the NE and NW direction profiles of aftershocks, respectively.

对比其他研究机构发布的震源机制解(图2a)，本文获取的结果与美国地质调查局(United States Geological Survey, USGS)结果最为接近，而与GlobalCMT及中国地震局地球物理研究所的结果(https:∥www.cea-igp.ac.cn/kydt/279025.html)稍有差异.本研究及USGS都是使用Wphase反演方法获取震源机制，所以震源机制解比较接近.总体来说，本研究及其他机构发布的结果都表明本次地震为逆断层型地震破裂事件.图2c为部分参加反演台站的波形拟合对比图，从波形拟合图中可以看出，实际观测波形与理论波形拟合较好.波形拟合图右侧小地图给出参加反演所有地震台站的空间分布(橙色圆点).相对于震中南侧、东侧及北侧台站来说，西侧台站分布较少，但是总体而言地震台站围绕震中分布较为均匀，为获取稳定可靠的震源机制解提供了足够的方位角覆盖.

地震序列精定位是确定发震断层深浅部几何形态的重要手段(Fang et al., 2013).本研究利用震后3天四川地震台网的震相观测报告(截至6月4日24时)，采用双差相对定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)，对此次地震的主震和余震序列位置进行重新定位，定位使用了Fang等(2015)的一维速度模型，获得了504个余震的精定位结果(图3).结果表明，主震初始破裂深度为18.9 km；余震主要分布在主震上方，优势深度分布为11～19 km.此次地震的余震丛集性较好，在北东和北西两个方向展布长度相当，沿北东向长度约8 km，北西向约7 km，发震断层向南东方向倾斜.根据余震分布，确定的发震断层倾角约50°，与震源机制解节面II的倾角基本一致.由最小二乘法反演得到的平均定位误差在N-S, E-W 和U-D 三个方向分别为0.30, 0.28, 0.38 km.

2022年芦山MS6.1地震的主震(图4)，位于双石—大川断裂(F4)北部约10 km，小关子断裂(F3)的正下方，余震也主要集中在小关子断裂北部.从余震丛集特征可知发震断层倾向SE，与地表主要断裂的倾向相反，因此本次地震的发震断层并非已知的地表断裂.

此外，2022年MS6.1地震的余震与2013年芦山MS7.0地震的余震丛集平面上基本连接在一起(图4)，但从地震的三维分布看，两次强震可能发生在不同的断层上，据此可以认为是两个独立的地震破裂事件.但2022年的地震是否为2013年芦山地震的余震仍然难以确定.因此，本次研究采用三维建模方法，基于余震重定位结果详细刻画芦山两次强震发震断层的三维形态，进一步讨论两次强震的发震断层及其相互关系.

图4 2013年和2022年两次芦山地震主震及其余震分布图 红黄色沙滩球为2022年芦山MS6.1震中矩心深度位置和震源机制(图2)，黄色小圆为重定位余震.蓝黄色沙滩球为2013年芦山MS7.0震中位置(吕坚等，2013)，浅蓝色为2013年芦山地震精定位余震(Fang et al., 2015).灰色圆点为芦山震区地震分布(2013年4 月20日—2014年4月20日).黑色实线为地表主要断裂.Fig.4 The distribution of the two mainshocks and aftershocks of Lushan earthquakes in 2013 and 2022 The red-yellow beach ball is the centroid depth and focal mechanisms of the Lushan MS6.1 earthquake in 2022 (Fig.2), and the small yellow circle is the relocation aftershock. The blue-yellow beach ball is the epicenter of Lushan MS7.0 earthquake in 2013 (Lü et al., 2013), and the light blue represents the relocation aftershocks of Lushan earthquake in 2013 (Fang et al., 2015). Gray dots are the distribution of aftershocks in the Lushan earthquake area during April 20, 2013—April 20, 2014. The black solid lines are the main fault traces.

3 芦山地震三维断层模型

活动断层复杂的几何结构控制着断层的发震潜力和地震破裂行为(Yue et al., 2005；Stockmeyer et al., 2014)，同时影响了地震成核、应力触发以及地震波传播等方式(Mildon et al., 2019；Ross et al., 2020).活动断层或发震断层的三维结构与模型，特别是三维公共断层模型(Plesch et al., 2007)，是分析和研究地震危险性和灾害的重要基础(Marshall et al., 2017).利用余震重定位结果，可以刻画发震断层或同震断层的三维精细结构(Carena and Suppe，2002；Lu et al., 2017).本研究根据2013年芦山MS7.0地震和2022年MS6.1地震的余震，基于三维建模软件SKUA-GoCAD平台和相关技术流程(Lu et al., 2019)，构建发震断层的三维精细结构和模型.

研究发现MS6.1主震位置与余震的空间分布存在一定的关系(图5a).根据上述主震定位和震源机制解，余震空间分布特征，以及双石—大川断裂的产状(倾向NW，倾角约45°左右)(冯杨洋等，2016; 鲁人齐等，2017)，初步认为芦山MS6.1地震的发震断层，并非地表出露的双石—大川断裂(图1，图4)，而是一套倾向SE的反冲盲断层.

2022年MS6.1地震毗邻2013年芦山MS7.0地震的发震主断层面(图5b，f3)，分析与2013年的芦山地震的隐伏断裂体系密切相关(图5b，f1和f2)；2013年的芦山地震，同时破裂了SE向的反冲次级断层(图5a，f2)，2022年芦山MS6.1地震的余震分布与该反冲次级断层f2具有相似特征.因此，研究认为本次地震的发震断层规模不大，也是一条反冲性质的盲断层(图5a，f3).

值得注意的是，不同机构给出的震源深度，有的是初始破裂深度，有的是矩心/质心深度.这两种深度采用不同的方法获得，定位深度常存在一定差异，如中国科学院青藏高原研究所王卫民等(2022)给出芦山地震的矩心/质心深度为13 km，与本次研究的矩心深度15.5 km有一定的差异，与双差定位的18.9 km相差较大.这种情况在龙门山地区普遍存在，如2008年汶川地震的主震的震源深度从8～19 km不等，且平面分布也存在很大变化(宫猛等，2020)，这与不同学者采用的台站分布、地壳速度模型、定位方法等多种因素相关.在主震位置并不精确的情况下，通过重定位余震可以更好地约束发震断层的几何结构(Lu et al., 2017).但主震的震源机制解，仍然可以有力佐证发震断层的产状.本次研究获得MS6.1的震源机制节面II，与余震分布解译的发震断层f3比较一致(图5).

图5 四川雅安芦山地震震源区三维断层模型(a) 根据余震解译的芦山地震的同震断层(红色实线)，其中f1和f2分别为2013年芦山MS7.0地震解译的Y字型同震断层(Fang et al., 2015; Lu et al., 2017)，而f3为2022年芦山MS6.1地震的同震断层.(b)根据余震模拟刻画的三维断层模型.红黄色沙滩球为MS6.1地震重定位后的矩心深度位置(图2)，黄色五角星为双差重定位的初始破裂深度位置，蓝黄色沙滩球为2013年MS7.0地震主震位置及其震 源机制(吕坚等，2013).黄色小圆为2022年芦山MS6.1地震余震序列，浅蓝色小圆为2013年芦山MS7.0地震余震序列.Fig.5 Three-dimensional fault model of the Lushan earthquake in Ya′an, Sichuan(a) The coseismic faults of the Lushan earthquakes are interpreted from aftershock distribution (red solid lines), and faults f1 and f2 are the two Y-shaped coseismic faults of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake (Fang et al., 2015; Lu et al., 2017), whereas f3 is the coseismic fault of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake. (b) The 3D fault model based on aftershock distribution. The red-yellow beach ball is the relocated centroid depth of the MS6.1 earthquake (Fig.2), whereas the yellow five-pointed star is the initial rupture depth position of the double-difference relocation and the blue-yellow beach ball is the location of the 2013 MS7.0 mainshock and its focal mechanism (Lü et al., 2013); the yellow dots are the aftershock sequence of the 2022 Lushan MS6.1 earthquake, whereas the light blue dots are the aftershock sequence of the 2013 Lushan MS7.0 earthquake.

4 2022年芦山地震构造解析

研究进一步结合前人对芦山震区的人工地震反射资料等成果(Wang et al., 2014b；王夫运等，2015；冯杨洋等，2016；鲁人齐等，2017)，综合分析了此次芦山MS6.1地震的发震断层，为一条发育在龙门山南段深部滑脱层(～20±2 km)之上的盲冲断层(图6).研究区自上而下存在中生界滑脱层(D1)和元古界之下的基底滑脱层(D2)，呈现出分层滑脱变形的特点.浅部的新开店断裂(F5)和名山断裂(F6)发育在浅层滑脱层之上，为叠瓦逆冲构造样式；深部构造发育在两套滑脱层之间，为典型的双重构造样式，明显有别于浅表的逆冲断层系统.

根据深地震反射剖面的沉积反射界面和层位标定，已有研究发现龙门山在早古生代之前存在伸展正断层(罗志立，1989；陈竹新等，2005)，震旦纪发育生长地层(Lu et al., 2017)；新生代发生构造反转(Chen and Wilson, 1996；Jia et al., 2006)，形成一系列逆冲性质的断层(图6).此外，前人大量研究表明，龙门山山前普遍存在的前缘盲冲断层(Hubbard and Shaw, 2009; Jia et al., 2010; Li et al., 2014; Li et al., 2017)，是潜在强震构造的重要形式之一(Wang et al., 2014b; Li et al., 2019).

5 讨论与结论

本研究通过107个高信噪比地震事件波形数据，获取了此次芦山MS6.1地震的震源机制解，结果显示芦山主震的两个节面分别为：节面I，走向221.5°，倾角44.4°，滑动角103.3°；节面II，走向23.2°，倾角47.1°，滑动角77.3°，矩心深度为15.5 km.余震精定位结果表明，此次地震的余震丛集性良好，余震主要分布在主震上方，优势深度分布为11～19 km；主震初始破裂深度约为18.9 km，发震断层倾向SE，倾角约50°，与震源机制解节面II的倾向和倾角基本一致.

研究区三维断层空间结构和模型显示，2013年芦山MS7.0地震的发震主断层f1和次级断层f2的结构，符合剪切断层转折模型(Suppe et al., 2004；Lu et al., 2017)；2022年芦山MS6.1地震发生在一条倾向SE的盲断层f3上，与主要逆冲断层系统f1倾向相反，深部均收敛于龙门山南段深部基底滑脱层中(图6).尽管本次MS6.1地震与2013年MS7.0地震的发震断层空间位置非常接近(图5)、构造特征属于同一地震构造系统，但本次地震的发震断层f3，不同于2013年芦山地震的两支断层f1和f2(图5)，余震丛集也相对独立.因此研究认为2022年MS6.1地震，可能是一次相对独立的地震破裂事件.

《地球物理学名词》对余震的定义是主震发生后，在主震破裂区及其邻区内陆续发生的，与主震的发生有关联的较小地震.防灾科技学院万永革教授(私人通讯)讨论了2013年芦山MS7.0地震对本次地震是否存在触发关系(https:∥mp.weixin.qq.com/s/My4GXrmLTjmqkHBdjv0CPw)，认为2013年芦山地震导致2022年芦山地震主震节面I上应力增加(5.35×104Pa)，界面Ⅱ上应力降低(-4.82×104Pa).本次芦山地震的发震断层为节面Ⅱ，2013年芦山地震在此节面Ⅱ上引起的库仑破裂应力对本次MS6.1地震起到抑制作用.因此，虽然两次芦山强震在发震构造属于同一构造系统，但从两次主震的关联性角度分析，2013年的芦山地震对本次主震没有直接的触发关系.鉴于上述原因，我们认为2022年芦山MS6.1地震可不归为2013年芦山MS7.0地震的余震.

深地震反射剖面的构造解释揭示了龙门山南段存在两套主要的滑脱层，浅部滑脱层位于中下三叠统，深层滑脱层位于～20 km的结晶基底，呈现分层滑脱变形(解耦)的特征.浅部滑脱层之上为叠瓦构造，两套滑脱层之间为双重构造.2013年和2022年的两次芦山强震的发震断层均发育在基底滑脱层上，为早期先存断层，在新生代以来青藏高原向东挤出应力场的作用下构造反转并重新活化.

图6 龙门山南段芦山震区地震构造解析与模型(a) 深地震反射剖面原图(王夫运等，2015；Lu et al., 2017)； (b) 主要断层解译； (c) 芦山地震构造模型.其中黄色圆圈为2022年芦山地震的余震；浅蓝色圆圈为2013年芦山地震沿A-B剖面附近的部分余震.沙滩球指示两次强震的矩心深度和位置.红色实线为解译断层，紫色虚线为滑脱层系.反射地层界面：TK—白垩系底界；TJ—侏罗系底界；PZ2—寒武系底界；PZ1—震旦系.黑色箭头 为区域构造应力场方向，红色箭头为断层运动方向.Fig.6 Structural analysis and seismotectonic model of the Lushan earthquake area in the southern Longmen Shan(a) The original deep seismic reflection profile (Wang et al., 2015; Lu et al., 2017); (b) The major fault interpretation; (c) The seismotectonic model of Lushan earthquakes. The yellow dots indicate the aftershocks of the 2022 Lushan earthquake; the light blue circles are the distribution of some aftershocks near the A-B profile of the 2013 Lushan earthquake. The beach balls indicate the centroid depth and location of the two strong earthquakes. The red solid lines are the interpretation faults, and the purple dotted lines are the major detachments. Reflective stratigraphic interface: TK—Cretaceous bottom; TJ—Jurassic bottom; PZ2—Cambrian bottom; PZ1—Sinian. Black arrows represent the direction of the regional tectonic stress field, and red arrows represent the direction of fault slip.

此次芦山MS6.1地震的发生，与2013年芦山MS7.0地震相隔不足10年，表明龙门山在青藏高原向东南挤出的大构造环境下(Burchfiel et al., 1995)，龙门山南段长期处于应力积累状态(陈运泰等，2013；李兵等，2022)；未来龙门山南段的“地震空区”是否还会发生强震(6级以上)？是短期(10年尺度)或中长期？涉及到多个学科交叉的综合和系统研究(郑勇和郭汝梦，2021).要做到地震危险性准确、科学的判断，仍然面临很大挑战.

致谢感谢中国地震台网中心国家地震科学数据中心(http:∥data.earthquake.cn)，国家测震台网地震波形数据(doi:10.11998/SeisDmc/SN)和四川、西藏、云南地震台网为本研究提供地震波形数据.感谢国家自然灾害防治研究院徐锡伟研究员和防灾科技学院万永革教授的有益交流和探讨.感谢匿名评审专家提供的宝贵意见和建议.