据中国地震台网中心测定, 北京时间2017年8月8日21日19分, 在四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县发生1次M_S7.0地震。震中位于33.20° N, 103.82° E, 震源深度约20km(http: ∥news.ceic.ac.cn/CC20170808211947.html)(中国地震台网中心, 2017)。九寨沟地震发生后, 野外地质调查尚未发现有明显的同震断层破裂(徐锡伟等, 2017), 推测为1条隐伏性质的活动断层(图1)。

图 1

Fig. 1

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	图 1 九寨沟震区主要活动断裂与历史强震分布Fig. 1 Distribution of principal active faults and major earthquakes around the Jiuzhaigou area.

由于九寨沟M_S7.0地震发生在青藏高原东边界东昆仑断裂带东端塔藏断裂(F₂)、 岷江断裂(F₄), 和虎牙断裂北段(F₆)的交会部位(图1), 在发震构造的归属或断层之间的关系上并不明确。本次研究的震区范围为103° ~105° E, 31.8° ~34° N, 主要活动断裂有10余条; 九寨沟地震发生之前, 区内有历史记载以来的强震(M≥ 6.5)就有11次。 研究区断裂众多, 地震频发, 构造非常复杂。因此, 迫切需要逐步建立活动断裂的三维模型, 不断发展和完善活动断层的三维建模技术; 进一步探讨地震与活动断层, 老断层与新断层, 以及断层与地壳结构之间的相互关系。

九寨沟地震发生后截至2017年8月14日, 地震台网记录了超过950次小震(图2a)。前人根据小震重定位结果, 基于SKUA-GOCAD软件平台, 可以实现对发震断层的三维断层面结构模拟和刻画(Carena et al., 2002; Lu et al., 2017)。本次研究选择九寨沟地震1周内小震的重定位结果(房立华等, 2018), 对余震震群在三维空间的最大优势分布进行分析和预处理, 从而获得发震断层的三维范围和边界(图2b)。

本研究对发震断层进行造面“ Make surface” 成图, 可以进一步显示三维发震断层的几何结构和形态(图2c)。通过余震分布特征, 可以看出该三维断层面在三维空间整体能被余震和主震分布所约束(图2d), 因此认为该三维断层面模型是有效和合理的。九寨沟地震发震断层的三维结构显示, 在主震南北两侧的断层面有明显的几何变化。九寨沟主震发生在断层弯折位置(图2b, c), 表明主震活动可能与断层面的非均一性有关。由于在九寨沟地震后的地质调查中尚未发现同震断层在地表的破裂带, 因此初步分析认为该发震断层是1条隐伏性质的活动断层(图1)。

图 2

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	图 2 九寨沟地震发震断层三维模拟和刻画 小震重定位据房立华等, 2018Fig. 2 Imaging the three-dimensional geometry of the coseismic fault of the Jiuzhaigou earthquake.

本文研究区范围为31.8° ~34° N, 103° ~105° E(图1)。该区地震非常活跃, 有记录以来大地震或强震(M≥ 6.5)就有12次(表1)。其中, 1976年8月16— 23日, 四川松潘— 平武交界处的虎牙断裂带中南段, 相继发生了M7.5、 M6.7和M7.2三次地震组成的强震群(唐荣昌等, 1981; 单斌等, 2012); 1973年8月11日, 在虎牙断裂带的北段发生了1次M6.5地震。这4次强震在空间上沿NNW(近SN)向的虎牙断裂带自北而南分布, 形成了1组松潘强震序列(朱航等, 2009), 这对研究虎牙断裂与地震活动具有非常重要的意义。

表1

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表1(Table1)

表1 研究区有记录以来的M≥ 6.5强震统计分析 Table1 Statistics of major earthquakes M≥ 6.5 in the study area 编号 发震时间 地震名称 震级 北纬/(° ) 东经/(° ) 深度/km 1 1630-01-16 平武地震 6.5 32.60 104.10 20 2 1713-09-04 叠溪地震 7.0 32.00 103.70 20 3 1748-05-02 漳腊地震 6.5 32.80 103.70 15 4 1879-07-01 武都地震 8.0 33.20 104.70 20 5 1881-07-20 舟曲地震 6.5 33.60 104.58 20 6 1960-11-09 漳腊地震 6.7 32.80 103.70 20 7 1973-08-11 松潘黄龙地震 6.5 32.93 103.90 19 8 1976-08-16 松潘地震 7.2 32.72 104.08 15 9 1976-08-22 松潘小河地震 6.7 32.62 104.15 10 10 1976-08-23 松潘地震 7.2 32.48 104.08 22 11 1933-08-25 叠溪地震 7.5 31.90 103.60 20 12 2017-08-08 九寨沟地震 7.0 33.20 103.82 20 注 部分历史地震深度不详, 均以20km替代。

表1 研究区有记录以来的M≥ 6.5强震统计分析 Table1 Statistics of major earthquakes M≥ 6.5 in the study area

在岷江断裂南段(图1), 于1933年8月25日发生了M7.5叠溪地震, 造成了重大人员伤亡(常隆慶, 1938)。此外, 研究区还记录了另1次发生在1713年9月4日的M7.0叠溪地震, 以及1879年7月1日发生的武都M8.0大地震等。我们根据大量前人对地震定位和综合研究的结果(唐荣昌等, 1981; Chen et al., 1994; 钱洪等, 1999; 侯康明等, 2005; 易桂喜等, 2006; 朱航等, 2009; 王康等, 2011; 单斌等, 2012; 袁道阳等, 2016; 张旭等, 2017), 重新整理了这些历史以来M≥ 6.5强震的相关信息(表1), 结合九寨沟地震和小震重定位等, 给出了大地震或强震的三维空间分布特征(图3)。其中, 1748年5月2日的M6.5漳腊地震与1960年11月9日的M6.7漳腊地震在平面上位置重叠, 为了在三维空间中区别显示, 我们在震中深度上做了1个5km的距离间隔。

图 3

Fig. 3

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	图 3 研究区主要断裂带与历史地震(M≥ 6.5)三维空间分布特征Fig. 3 Distribution of three-dimensional spatial distribution of major faults and historical earthquakes(M≥ 6.5)in the study area.

要建立活动断层的三维结构和模型, 首先需要掌握断层在地表展布的几何特征, 然后还要了解断层的倾向、 倾角、 向下切割深度等数据, 以及相关地震的震源位置、 震源机制解等约束条件。本研究根据已有的活动断层数据资料(徐锡伟等, 2017), 对研究区白龙江断裂(F₁)、 塔藏断裂(F₂)、 龙日坝断裂(F₃)、 岷江断裂(F₄)、 雪山梁子断裂(F₅)、 虎牙断裂(F₆)、 哈南断裂(F₇)、 文县断裂(F₈)、 青川断裂(F₉)、 北川断裂(F₁₀)共10条断裂带开展初步的三维断层建模研究(图1)。

白龙江断裂(F₁)是研究区最北端的1条左旋走滑断裂, 倾向NE(付国超等, 2017)。该断裂深部与1881年7月20日的M6.5舟曲地震位置能较好地吻合(图3, 4)。塔藏断裂(F₂)位于东昆仑东段, 是1条左旋走滑、 兼少量逆冲分量的断裂(张军龙等, 2012; 付国超等, 2017)。之前的研究认为塔藏断裂带略倾向NE(付俊东等, 2012; Ren et al., 2013), 但最新的深部速度成像及其地壳结构研究显示(Liu et al., 2017), 塔藏断裂南段倾向SW。本文模型选择塔藏断裂为SW倾向, 与岷江断裂(F₄)和虎牙断裂(F₆)共同组成岷山隆起的边界(赵小麟等, 1994), 可以更好地解释岷山地区第四纪以来的强烈隆升作用。

对于1933年8月25日叠溪M7.5地震的发震构造目前存在不同的认识和观点。有的认为叠溪地震的发震构造系以左旋走滑为主兼具逆冲分量的岷江断裂南段(钱洪等, 1999; 王康等, 2011); 也有的认为发震构造为松坪沟断裂(黄祖智等, 2002); 还有人认为是叠溪震区10~15km深部隐伏的1条W倾断坡型逆冲断层(张岳桥等, 2016)。本次研究参考了岷江断裂带的地貌特征(图1), 以及总体倾向W的特征(周荣军等, 2000; Kirby et al., 2000), 并结合1713年9月4日的M7.0叠溪地震的位置(图3), 初步给出了岷江断裂带的三维断层几何模型(图4)。

图 4

Fig. 4

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	图 4 研究区主要断裂带三维几何模型与历史强震M≥ 6.5分布Fig. 4 Three-dimensional geometric model of the main active faults and distribution of historical strong earthquakes(M≥ 6.5)in the study area.

虎牙断裂(F₆)是1条左旋走滑兼逆冲的活动断裂(朱航等, 2009), 总体倾向W(图1)。前人研究以小河为界将虎牙断裂分南、 北段, 北段断裂走向由NNW转为SN向, 倾向E, 倾角80° 左右; 南段倾向W, 倾角由北往南自70° 变为30° (唐荣昌等, 1981; 唐文清等, 2004)。本文以雪山梁子断裂(F₅)为界, 将虎牙断裂分为南、 北2段。北段为九寨沟M_S7.0地震隐伏型发震断层; 南段根据几次历史地震位置和地表断层迹线, 揭示了虎牙断裂复杂的三维几何结构(图4)。1973— 1976年松潘强震序列定位, 揭示虎牙断裂北端断层面存在明显的弯折变形, 表明断层面非均一性可能与强震活动密切相关。

雪山梁子断裂(F₅)走向EW, 倾向N(Kirby et al., 2000; 张岳桥等, 2012)。三维断层模型显示断层深部与1748和1960年的漳腊地震位置吻合(图4)。因此研究认为, 雪山梁子断裂也是1条与强震相关的活动断裂。在研究区东端的哈南断裂(F₇)是1条右旋走滑断裂, 文县断裂(F₈)倾向N(袁道阳等, 2016)。本研究认为这2条断层在深部可能交会(图4), 与1879年9月1日的武都M8.0大地震相关。

根据前人对研究区活动断层的调查和研究成果(徐锡伟等, 2008a; Ren et al., 2013), 结合研究区的人工地震探测剖面等深部成像结果(Guo et al., 2014; Liu et al., 2017), 本次研究还揭示了龙日坝断裂(F₃)、 青川断裂(F₉)、 北川断裂(F₁₀)在三维空间的几何结构。其中, 龙日坝断裂是由多条活动断层组合的断裂带, 整体倾向E, 具有右旋逆走滑特征(图1, 4); 青川断裂和北川断裂是龙门山冲断带的2条主要断裂, 均为右旋走滑兼逆冲(Lu et al., 2016), 总体倾向NW。北川断裂是2008年汶川M_S8.0地震的发震断层, 断层产生了长达240km的同震地表破裂带(徐锡伟等, 2008b)。

九寨沟M_S7.0地震的主震震源机制解节面Ⅰ 走向156° , 倾角79° , 滑动角-9° ; 节面Ⅱ 走向248° , 倾角81° , 滑动角-169° , 为左旋走滑型地震(易桂喜等, 2017)。塔藏断裂(F₂)是左旋走滑的东昆仑断裂东端扫帚状发散的分支断裂(图1), 是1条左旋走滑, 兼少量逆冲分量的活动断裂(付俊东等, 2012; 张军龙, 2012; Ren et al., 2013)。以雪山梁子断裂(F₅)为界, 虎牙断裂(F₆)北段走向NW, 以左旋走滑运动为主; 虎牙断裂带南段为NNW(近SN)走向, 表现为左旋走滑兼逆冲的运动方式(朱航等, 2009)。可见九寨沟M_S7.0地震震源机制揭示的发震断层, 与塔藏断裂和虎牙断裂都具有相同的运动学特征。因此, 九寨沟地震的发震断层, 可以认为是虎牙断裂北段, 但仍属于东昆仑东段的分支活动断裂。

通常的研究认为, 大地震或强震的产生或破裂行为与断裂带上存在的障碍体或凹凸体有关(Aki, 1984; 易贵喜等, 2004; 李正芳等, 2015)。从九寨沟地震的发震断层和虎牙断裂南段断层三维几何结构特征可以发现(图2, 4), 断层面非均一性与大地震或强震关系密切。断层面的非均一性, 即断层面在三维空间中几何形态的褶皱形变程度, 可以作为划分障碍体或凹凸体的依据之一。断层面的非均一性还会对同震地表破裂产生影响(Lu et al., 2012)。如前人对1999年9月21日台湾集集大地震的三维发震断层面的精细刻画, 揭示了断层面三维几何结构与同震形变的相关性(Yue et al., 2005)。

此外, 1973年8月11日的M6.5地震(图1, 4)给出的震中位置偏离附近的断裂(朱航等, 2009), 其发震构造暂时还不清楚。这也反映了简单的三维活动断层建模依赖于震源的准确定位。很多地震, 特别是历史地震由于缺乏各种数据, 震中的位置无论在平面上, 还是纵向深度上都可能存在很大误差; 此外, 本次九寨沟震区的活动断层三维模型, 还缺乏在切割深度、 深部产状、 断层交切关系等方面的约束, 初始的三维活动断层模型存在一定的局限性。而未来成熟的三维构造模型, 需要在逐渐增加各种探测资料、 不断提高各类数据质量, 以及发展构造定量解析方法等多元约束条件的基础上不断丰富和完善。

致谢 感谢中国地震局地球物理研究所房立华研究员提供小震重定位的数据, 四川省地震局江小林、 王明明、 王世元等人在九寨沟地震科考期间提供的支持和帮助, 与审稿人对文章修改提供的宝贵建议。