引用本文
吴微微, 魏娅玲, 龙锋, 梁明剑, 陈学芬, 孙玮, 赵晶. 2017年8月8日四川九寨沟 M7.0地震及其余震序列的震源参数 [J]. 地震地质, 2020,42(2): 492-512.
WU Wei-wei, WEI Ya-ling, LONG Feng, LIANG Ming-jian, CHEN Xue-fen, SUN Wei, ZHAO Jing. STUDY ON SOURCE PARAMETERS OF THE 8 AUGUST 2017 M7.0 JIUZHAIGOU EARTHQUAKE AND ITS AFTERSHOCKS, NORTHERN SICHUAN [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(2): 492-512.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.02.015
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2017年8月8日四川九寨沟 M7.0地震及其余震序列的震源参数
吴微微, 魏娅玲, 龙锋, 梁明剑, 陈学芬, 孙玮, 赵晶
四川省地震局, 成都 610041

〔作者简介〕 吴微微, 女, 1982年生, 2009年于中国地震局地球物理研究所获地球探测与信息技术专业硕士学位, 高级工程师, 主要从事地震监测预报、 数字地震学应用等方面的研究工作, 电话: 13882255716, E-mail: wuweiwei06@mails.gucas.ac.cn。

收稿日期: 2019-10-09
基金项目: 中国地震局地震科技星火计划项目(XH202302)和中国地震科学实验场项目(2018CSES0209)共同资助
摘要

2017年8月8日21时19分46秒, 四川北部阿坝州九寨沟县发生 M7.0地震。 该地震发生在东昆仑断裂带东段南端的一条分支断裂上, 地处玛曲—玛沁地震空区和松潘—平武地震破裂区的过渡部位。 为了解这次地震的震源参数特征以及震区构造环境, 文中基于四川数字波形资料及中国地震台网中心的震相数据, 采用Loc3D定位方法获取初始地震目录参数, 并利用双差定位方法重新定位地震序列中的较小地震, 选用CAP(Cut-and-Paste)方法分析29次中强地震的震源机制解与震源矩心深度, 同时对186次地震(2.0≤ ML≤5.5)进行了震源谱恢复, 绘制出余震序列的震源应力降空间分布图像。 重新定位结果显示, 该地震序列以 M7.0主震震中为界表现出明显的空间分段差异: 余震区的NW段地震数量较少、 震源应力降较大、 震源机制解类型复杂; SE段分布着多数4.0级以上中强地震, 且几乎全部为纯走滑型地震, 余震序列的应力降随时间逐渐减小。 结合震源机制解的研究结果分析, 发震构造可能为NW-SE向、 断续的隐伏断裂或虎牙断裂的北延推测段, 断层面在主震南、 北两侧发生明显转折, 同时由挤压逆冲为主逐渐转换为以走滑运动为主。

关键词: 九寨沟地震; 重新定位; 震源机制解; 应力降; 发震构造
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)02-0492-21
STUDY ON SOURCE PARAMETERS OF THE 8 AUGUST 2017 M7.0 JIUZHAIGOU EARTHQUAKE AND ITS AFTERSHOCKS, NORTHERN SICHUAN
WU Wei-wei, WEI Ya-ling, LONG Feng, LIANG Ming-jian, CHEN Xue-fen, SUN Wei, ZHAO Jing
Sichuan Earthquake Agency, Chengdu 610041, China
Abstract

On August 8, 2017, a strong earthquake of M7.0 occurred in Jiuzhaigou County, Aba Prefecture, northern Sichuan. The earthquake occurred on a branch fault at the southern end of the eastern section of the East Kunlun fault zone. In the northwest of the aftershock area is the Maqu-Maqin seismic gap, which is in a locking state under high stress. Destructive earthquakes are frequent along the southeast direction of the aftershocks area. In Songpan-Pingwu area, only 50~80km away from the Jiuzhaigou earthquake, two M7.2 earthquakes and one M6.7 earthquake occurred from August 16 to 23, 1976. Therefore, the Jiuzhaigou earthquake was an earthquake that occurred at the transition part between the historical earthquake fracture gap and the neotectonic active area. Compared with other M7.0 earthquakes, there are few moderate-strong aftershocks following this Jiuzhaigou earthquake, and the maximum magnitude of aftershocks is much smaller than the main shock. There is no surface rupture zone discovered corresponding to the M7.0 earthquake. In order to understand the feature of source structure and the tectonic environment of the source region, we calculate the parameters of the initial earthquake catalogue by Loc3D based on the digital waveform data recorded by Sichuan seismic network and seismic phase data collected by the China Earthquake Networks Center. Smaller events in the sequence are relocated using double-difference algorithm; source mechanism solutions and centroid depths of 29 earthquakes with ML≥3.4 are obtained by CAP method. Moreover, the source spectrum of 186 earthquakes with 2.0≤ ML≤5.5 is restored and the spatial distribution of source stress drop along faults is obtained. According to the relocations and focal mechanism results, the Jiuzhaigou M7.0 earthquake is a high-angle left-lateral strike-slip event. The earthquake sequence mainly extends along the NW-SE direction, with the dominant focal depth of 4~18km. There are few shallow earthquakes and few earthquakes with depth greater than 20km. The relocation results show that the distribution of aftershocks is bounded by the M7.0 main shock, which shows obvious segmental characteristics in space, and the aftershock area is divided into NW segment and SE segment. The NW segment is about 16km long and 12km wide, with scattered and less earthquakes, the dominant focal depth is 4~12km, the source stress drop is large, and the type of focal mechanism is complicated. The SE segment is about 20km long and 8km wide, with concentrated earthquakes, the dominant depth is 4~12km, most moderate-strong earthquakes occurred in the depth between 11~14km. Aftershock activity extends eastward from the start point of the M7.0 main earthquake. The middle-late-stage aftershocks are released intensively on this segment, most of them are strike-slip earthquakes. The stress drop of the aftershock sequence gradually decreases with time. Principal stress axis distribution also shows segmentation characteristics. On the NW segment, the dominant azimuth of P axis is about 91.39°, the average elevation angle is about 20.80°, the dominant azimuth of T axis is NE-SW, and the average elevation angle is about 58.44°. On the SE segment, the dominant azimuth of P axis is about 103.66°, the average elevation angle is about 19.03°, the dominant azimuth of T axis is NNE-SSW, and the average elevation angle is about 15.44°. According to the fault profile inferred from the focal mechanism solution, the main controlling structure in the source area is in NW-SE direction, which may be a concealed fault or the north extension of Huya Fault. The northwest end of the fault is limited to the horsetail structure at the east end of the East Kunlun Fault, and the SE extension requires clear seismic geological evidence. The dip angle of the NW segment of the seismogenic fault is about 65°, which may be a reverse fault striking NNW and dipping NE. According to the basic characteristics of inverse fault ruptures, the rupture often extends short along the strike, the rupture length is often disproportionate to the magnitude of the earthquake, and it is not easy to form a rupture zone on the surface. The dip angle of the SE segment of the seismogenic fault is about 82°, which may be a strike-slip fault that strikes NW and dips SW. The fault plane solution shows significant change on the north and south sides of the main earthquake, and turns gradually from compressional thrust to strike-slip movement, with a certain degree of rotation.

Keyword: Jiuzhaigou earthquake; relocation; focal mechanism; stress drop; seismogenic structure
0 引言

北京时间2017年8月8日21时19分46秒, 四川北部阿坝藏族自治州九寨沟县发生M7.0地震①(①http: //www.cenc.ac.cn/cenc/resource/cms/2018/06/2018060811421545641.pdf。)。 截至8月16日12时0分, 共记录余震4469次, 其中ML≥ 4.0地震14次, 3.0≤ ML≤ 3.9地震60次, 最大余震为9日10时17分发生在M7.0主震南端约6.2km处的MS4.8地震。 这次地震最高烈度达Ⅸ 度②(②http: //www.cenc.gov.cn/cea/dzpd/dzzt/369861/369862/3583320/inex.html。), 等震线长轴呈NNW向, 在震后的地震应急科学考察中没有发现明显的地震地表破裂带。 从地震序列发展过程看, 该地震的余震活动具有中强余震数少、 最大余震与主震震级相差较大的特征。

九寨沟M7.0地震发生在东昆仑断裂带东段南端的分支断裂上, 震中地处巴颜喀拉块体的东北角(图1)。 巴颜喀拉块体位于青藏断块中部, 是高原断块区的核心断块之一, 也是中国大陆强震活动最活跃的地区之一。 东昆仑断裂带是巴颜喀拉块体的北边界, 其东段位于中国大陆南北中轴地震带的中段(邓起东等, 2010; 高翔等, 2013)。 根据1900AD以来的地震记录记载, 东昆仑断裂上已发生包括2001年昆仑山口西8.1级地震在内的6次7级以上地震。

图 1 研究区及周缘地区的历史地震、 活动断裂和地震台站分布图
三角形为地震台站。 绿色圆为1654年1月1日— 2017年8月22日M≥ 6.0地震的震中。 黑色实线为主要断裂: F1 西秦岭北缘断裂带; F2 东昆仑断裂带; F3 岷江断裂; F4 雪山梁子断裂; F5 虎牙断裂; F6 塔藏断裂; F7 龙门山断裂带Fig. 1 Distribution of active faults, seismic stations and historical earthquakes in Jiuzhaigou earthquake region and its neighboring areas.

九寨沟地震震中所在区域的构造背景十分复杂: 塔藏断裂、 近SN向的岷江断裂和NNW向的虎牙断裂在新构造属性上组成NWW向东昆仑断裂带东端向E或SE散开的马尾状构造(徐锡伟等, 2017a); 余震区的NW侧是处于高应力闭锁状态的玛曲— 玛沁地震空区(闻学泽等, 2011; 温燕林等, 2015; 徐锡伟等, 2017b), 而余震区SE侧破坏性地震频发, 1976年8月16— 23日在距离此次地震震区仅50~80km的松潘— 平武地区相继发生2次7.2级和1次6.7级地震。 因此, 九寨沟地震是一次发生在历史地震破裂空段与新构造运动活跃区之间过渡部位的地震。 对这次地震开展研究可为进一步探讨活动断层之间的相互作用以及应力分布机制、 地震序列的演化过程等问题提供参考。

本文收集了四川地震波形资料和中国地震台网中心的震相资料, 使用Loc3D定位方法获取初始地震目录参数, 之后利用HypoDD方法(Waldhauser et al., 2000)重新定位地震序列; 采用CAP(Cut-and-Paste)方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996; Tan et al., 2006)分析了29次中强地震的震源机制解与震源矩心深度; 同时, 去除噪声、 设备、 场地、 几何扩散以及介质衰减等因素对观测数据的影响, 恢复了186次中小地震(2.0≤ ML≤ 5.5)的震源谱信息, 获得震源应力降空间分布图像; 最后, 综合九寨沟地震应急考察资料和已有的研究成果等, 进一步讨论此次地震的震源特征以及区域构造背景。

1 地震台站和速度模型
1.1 地震台站

选择(29.0° ~35.0° N, 99.0° ~107.0° E)区域内位于四川省、 甘肃省、 陕西省以及青海省的51个地震台站的波形数据参与震源重定位和震源应力降计算(图1)。 其中, L5110、 L5111、 L5112、 L5113台(四川省地震局)和L6201、 L6202台(甘肃省地震局)是震后架设的流动观测台站, L5111、 L5113和L6202台的主震震中距≤ 10km, 其余台站位于主震震中附近60km的范围内, 对余震区形成了良好的方位覆盖, 从而保证定位结果的可靠性。

1.2 速度模型

选择适合当地实际情况的地壳速度模型可以提高地震定位和震源机制解反演结果的稳定性与可靠性。 本研究所需要的地震台站多位于川西高原。 根据深地震测深结果显示, 川西高原在上地壳下部或中地壳普遍存在厚度变化在5~15km的低速层(王椿镛等, 2003)。 这次M7.0地震发生在玛曲— 玛沁地震空区与松潘— 平武地震震区的过渡部位, 位于地壳厚度、 S波速度和各向异性参数等地球介质参数发生变化的梯度带上(朱介寿等, 1984; 赵珠等, 1997; 林向东等, 2013), 地质构造与地壳结构复杂, 前期研究资料相对薄弱, 余震区深部精细结构特征的空间分辨率比较低。 通过多次试错对比, 选择林向东等(2013)的地壳速度模型作为本研究的水平分层速度模型(图2)。

图 2 地壳速度模型Fig. 2 Crustal velocity model.

2 序列的重新定位
2.1 初始定位

本次九寨沟地震发生在高山峡谷地区, 当地海拔近4000m, 参与地震定位的台站也多位于川西高原, 平均海拔近1600m。 在选择定位方法时, 需要特别考虑地形因素对定位结果的影响, 尤其是对震源深度测定值的影响(房立华等, 2018)。 我们使用的初始定位结果来自四川省地震监测中心的观测报告, 初始地震目录参数利用Loc3D(川滇三维走时表)定位软件进行测算, 该方法基于三维速度模型和三维速度间断面计算理论走时, 考虑了当地海拔、 地球扁率和台站高程等方面的影响(吴建平等, 2009; 房立华等, 2013)。 基于Loc3D定位的M7.0主震震中位于(33.21° N, 103.83° E), 震源深度为15.08km。

2.2 重新定位

挑选2017年8月8日21时— 8月16日20时期间32.98° ~33.38° N、 103.68° ~104.05° E范围内具有3个以上地震台站记录的1889次ML≥ 1.0的地震进行重新定位(图3a)。 定位方法采用HypoDD(Waldhauser et al., 2000; 杨智娴等, 2003; 黄媛等, 2008; 郑勇等, 2009; 房立华等, 2013, 2018), 地震丛组合的控制参数取间距在10km以内, 距观测台站200km以内, 采用图 2所示的水平分层速度模型。 考虑到震区复杂的地质构造将影响S波到时的拾取精度, 分别赋予P波、 S波震相数据1.0、 0.5的权值, 组成24219组地震丛, 得到了1627次地震的重新定位结果(图3b), 平均走时残差由1.24s降至0.209s, 震源位置的平均估算误差为1~3km。 14次ML≥ 4.0地震的重新定位结果如表1所示。

图 3 重新定位前、 后的九寨沟地震序列分布图和沿走向的深度剖面图(2017年8月8日21时— 8月16日20时)
a 初始震中分布图。 b 重新定位后的震中分布图, AA′和CC′分别为沿余震区NW段、 SE段的深度剖面辅助线; 红色五角星代表九寨沟M7.0主震震中, 圆为余震震中, 随震源深度的增加颜色由绿变褐; 黑色实线为主要断裂: F1西秦岭北缘断裂带; F2东昆仑断裂带; F3岷江断裂; F4雪山梁子断裂; F5虎牙断裂; F6-1、 F6-2塔藏断裂(罗江, 1978; 徐锡伟等, 2017a); F7龙日坝断裂; 黑色虚线为推测的发震断裂F8。 c 余震区NW段AA′剖面的震源深度分布。 d 余震区SE段CC′剖面的震源深度分布; 绿色五角星为九寨沟M7.0主震, 绿色圆为ML≥ 3.4余震, 地震序号同图5和表3; 圆为ML≤ 3.4余震, 随发震日期的增加颜色由黄变红, 黄色为8月8日发生的余震, 红色为8月16日发生的余震Fig. 3 Relocated epicenters of Jiuzhaigou M7.0 earthquake and its aftershocks by August 16, 2017.

表1 九寨沟M7.0地震余震序列中ML≥ 4.0地震的重新定位结果 Table1 Redetermination of ML≥ 4.0 earthquake parameters of Jiuzhaigou M7.0 earthquake sequence
2.3 定位结果

图3a、 b分别给出了重新定位前、 后的震中分布情况。 F8为根据余震序列分布、 等烈度线长轴方向和徐锡伟等(2017a)给出的地质资料推测的发震断裂, 其中F8-1 为NW段, F8-2 为SE段。

通过对比可看出, 震相报告中分布较为分散的震中(图3a)经重新定位后已趋于集中, 震源深度分布也更加收敛(图3b)。 重新定位后的地震序列密集分布在由近SN向岷江断裂(F3)和NWW向东昆仑断裂带东端的塔藏断裂(F6)组成的马尾状构造上(徐锡伟等, 2017a)。 序列在平面上呈NW-SE走向的近椭圆形态, 密集区长约36km、 宽约7km, 震中优势分布方向与等烈度线长轴方向①(①http: //www.cenc.gov.cn/cea/dzpd/dzzt/369861/369862/3583320/inex.html。)基本吻合。 余震分布在空间上表现出明显的分段特性, 以M7.0主震为界, 将余震区划分为NW段和SE段, NW段的长轴走向较SE段向N偏转, 多数M≥ 4.0中强地震(包括8月9日MS4.8最大余震)均发生在SE段。

利用重新定位后的序列目录分别绘制沿余震区NW段和SE段优势走向的深度剖面图(图3c, d), 结果显示: 余震序列的优势深度为4~18km, 浅部地震较少, 也极少有深度> 20km的地震。 从地震序列时空发展过程看, 余震主要沿NW-SE向扩展。 余震区NW段(图3c)长约16km、 宽约12km, 区内震源分布较散, 优势深度为4~12km, 余震分布于M7.0主震的NW侧, 与主震之间存在地震稀疏段。 序列活动由深至浅逐渐衰减, 止于东昆仑断裂带、 塔藏断裂带和岷江断裂带的交会区。 由下文震源机制解的反演结果可知(图4), NW段的地震类型比较复杂(逆断层型地震4次、 混合型地震3次、 走滑型地震1次), 具有较大的逆冲分量, 与自破裂起始点向上迅速传播的特征吻合。 余震区SE段(图3d)长约20km、 宽约8km, 震源分布集中, 优势深度为7~16km, 大多数中强地震发生在11~14km深度范围, 余震活动自M7.0主震起始点向E延伸, 中— 晚期强余震在SE段上集中释放, 绝大部分为走滑型地震, 以倾向SW的滑动过程为主(图4, 表3)。 地震序列活动的分段特征如表2所示。

图 4 九寨沟M7.0地震序列中ML≥ 3.4地震的震源机制解与震源应力降
沙滩球的序号对应表3中的地震序号。 圆为地震震中, 随应力降的增加颜色由黄变褐。 黑色实线为主要断裂: F1 西秦岭北缘断裂带; F2 东昆仑断裂带; F3 岷江断裂; F4 雪山梁子断裂; F5 虎牙断裂; F6-1、F6-2 塔藏断裂(罗江, 1978; 徐锡伟等, 2017a); F7 龙日坝断裂。 黑色虚线代表推测的发震断裂F8Fig. 4 Source mechanism and stress drops of ML≥ 3.4 earthquakes in Jiuzhaigou aftershocks.

表2 九寨沟M7.0地震及其余震序列活动的空间分段特征 Table2 Spatial segmentation characteristics of Jiuzhaigou M7.0 earthquake and its aftershocks
表3 九寨沟M7.0地震序列中3.4≤ ML≤ 5.5的断层面解(以震源机制解类型排序) Table3 The fault plane solutions of 3.4≤ ML≤ 5.5 earthquakes in Jiuzhaigou aftershocks(sorted by focal mechanism solution types)
3 震源机制解
3.1 方法与资料预处理

我们收集了相关的地震波形资料, 采用CAP方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996; Tan et al., 2006)反演ML≥ 3.4地震的震源矩心深度和震源机制解。 挑选信噪比较高、 初动清晰、 方位角分布较均匀且震中距≤ 250km的地震台站参与反演, 筛选出29次地震事件进行研究(图4), 另有3次地震因波形记录叠加无法获得可靠结果。

预处理时, 首先去除原始记录中的仪器响应和噪声, 将波形分别旋转到三分向(切向、 径向和垂向)后, 分解为体波(Pnl)和面波, 使用4阶巴特沃斯带通滤波器滤波至所需的长周期频段以抑制噪声(Zoback, 1992; Pasyanos et al., 1996)。 对Pnl部分采用0.05~0.20Hz的滤波频带, 取30s窗长截取波形; 面波部分采用0.05~0.1Hz的滤波频带, 取60s窗长截取波形。 选用震中距为180~314km固定台站的无限幅全波形记录反演M7.0主震的震源机制解, 选用震中距≤ 240km固定台站的全波形记录反演3.4≤ ML≤ 5.5余震的震源机制解。 反演震源机制解时选用F-K方法(频率-波数法)(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996; Tan et al., 2006)和图 2的速度模型计算理论地震图。 对于每个地震, 在不同深度上搜索断层走向、 滑动角和倾角的最佳双力偶解, 对比其反演误差, 获得最优断层面解、 主应力轴和震源矩心深度。

3.2 计算结果

共获得29次3.4≤ ML≤ 5.5地震的断层面解(图4, 表3)和主应力轴(图5, 表4)。 限于篇幅, 本文仅列出2017年8月8日21点19分的M7.0地震(图6, 图7)和8月10日17点38分的ML3.6地震(图8, 图9)的波形拟合结果作为示例。

图 5 九寨沟M7.0地震序列P轴、 T轴方位角(az)、 仰角(pl)的玫瑰图Fig. 5 Rose maps of the azimuth(az)and plunge(pl)of P-axis and T-axis of the Jiuzhaigou M7.0 earthquake sequence.

表4 九寨沟M7.0地震序列中3.4≤ ML≤ 5.5余震的主应力轴(以发震时间排序) Table4 The principal stress of 3.4≤ ML≤ 5.5 earthquakes in Jiuzhaigou earthquake sequence(sorted by the origin time of earthquakes)

图 6 2017年8月8日21点19分九寨沟M7.0地震的理论地震图和观测地震图
理论地震图用红线表示, 观测地震图用黑线表示; 波形下方的2行数字分别是理论地震图相对观测地震图的移动时间(上)、 理论地震图与观测地震图的相关系数(下)Fig. 6 Comparison between the synthetic and the observed seismograms of the Jiuzhaigou M7.0 earthquake occurring at 21:19 on August 8, 2017.

图 7 2017年8月8日21点19分九寨沟M7.0地震的反演方差和震源机制解(下半球投影)随不同深度的变化图Fig. 7 Error plots as a function of source depth of the M7.0 earthquake at 21:19 on August 8.

图 8 2017年8月10日17点38分九寨沟ML3.6地震的理论地震图和观测地震图
理论地震图用红线表示, 观测地震图用黑线表示; 波形下方的2行数字分别为理论地震图相对观测地震图的移动时间(上)、 理论地震图与观测地震图的相关系数(下)Fig. 8 Comparison between the synthetic and the observed seismograms of the Jiuzhaigou ML3.6 earthquake occurring at 17:38 on August 10, 2017.

图 9 2017年8月10日17点38分九寨沟ML3.6地震的反演方差和震源机制解(下半球投影)随不同深度的变化图Fig. 9 Error plots as a function of source depth of the ML3.6 earthquake at 17:38 on August 10.

多家机构计算的九寨沟M7.0主震的震源参数和本文的结果列于表5。 从这些结果可以看出: 10组结果均揭示九寨沟M7.0主震是一次高倾角左旋走滑型地震; 3组结果的震源矩心深度< 10km, 5组结果的矩心深度为10~15km, 1组结果的矩心深度> 20km, 本研究得到的最佳矩心深度为11.6km; 此外, 9组结果存在相对接近的节面Ⅰ (优势走向约集中在152° , 优势倾角为69° ~84° ), 8组结果存在相对接近的节面Ⅱ (优势走向约集中在245° , 优势倾角为57° ~87° )。 依据重新定位的余震长轴空间展布(图3)以及中国地震局发布的九寨沟7.0地震烈度图中等震线长轴方位①(①http: //www.cenc.gov.cn/cea/dzpd/dzzt/369861/369862/3583320/inex.html。), 推测节面Ⅰ 为发震断层面。

表5 不同机构的九寨沟M7.0地震断层面解 Table5 The fault plane solutions of Jiuzhaigou M7.0 earthquake from different institutions

在余震序列方面, 根据应力轴仰角参数划分和判定断层性质(表4)(Zoback, 1992)。 其中, 4次P轴仰角≤ 35° 且T轴仰角≥ 52° 的中强余震为逆断型, 且均匀分布在余震区的NW段(图 4中实线框所示); 18次P轴仰角< 40° 、 T轴仰角≤ 20° 或P轴仰角≤ 20° 、 T轴仰角< 40° 的中强余震为走滑型, 均具有和余震长轴空间取向一致的节面Ⅰ (优势走向约147° 、 优势倾角为55° ~90° ), 表现出倾向SW、 高倾角、 陡峭的断裂形态, 南西盘为上盘, 北东盘为下盘; 另有7次不在Zoback(1992)分类标准中的中强地震为混合型地震(图4)。

主应力轴分布显示(图5), 余震区NW段的P轴优势方位单一, 均值约91.39° , 近水平, 仰角均值约20.80° , T轴优势方位为NE-SW向, 仰角均值约58.44° (图5a); 余震区SE段的P轴优势方位为103.66° , 仰角均值约19.03° , T轴优势方位为NNE-SSW向, 仰角均值约15.44° (图5b), 即余震区附近自NW向SE, 最大主压应力方向由近EW向逐渐顺时针旋转为NWW-SEE向。 基于GPS观测数据的研究(Shen et al., 2005; Gan et al., 2007; Wu et al., 2015)同样表明, 余震区附近区域主压应变方向发生顺时针旋转。 这种区域应力场的特性有利于NW-SE走向的断裂发生左旋走滑运动(易桂喜等, 2017)。

4 震源应力降
4.1 方法与资料预处理

断层上积累的应力在地震时部分释放而产生应力降, 中小地震应力降参数的时空演变过程可反映小区域范围应力状态的非均匀性变化。 由于区域介质的横向不均匀性, 地震波穿过不同地块时的衰减特征并不相同。 估算震源应力降之前要根据台站位置选择相应的介质衰减模型Q(f), 以此作为观测记录扣除非弹性衰减时采用的介质品质因子, 即Q值。 考虑到本研究所选用的地震台站分别位于川西高原和四川盆地, 对其分别采用Q川西(f)=136.6f0.5813 和Q盆地(f)=450.6f0.5134 2种模型进行计算(吴微微等, 2016)。 按照1个地震至少被4个以上台站记录到, 1个台站至少记录到4个以上地震以及信噪比> 1.5倍、 震源谱拟合误差< 0.3的要求, 最终恢复了186次2.0≤ ML≤ 5.5地震的震源谱。 采用ω 2模型拟合震源谱, 利用Brune圆盘模型(Brune, 1970)计算标量地震矩M、 震源应力降Δ σ 和震源尺度r等参数, 其中29次3.4≤ ML≤ 5.5地震的应力降列于表3。

4.2 计算结果

震源应力降结果显示(图4, 表3), 余震序列的应力降总体随时间衰减。 与地震序列活动和震源机制解的空间分布类似, 震源应力降同样表现出分段差异。 2017年8月8日M7.0主震后到8月9日MS4.8最大余震前, NW段上集中出现高应力水平条件下才会发生的逆断型地震, 且震源应力降一直处于高值状态。 8月9日之后, 余震活动的主体迁移到SE段, 并在该段发生了MS4.8最大余震, 余震序列的应力降随时间逐渐减小。

5 讨论

本研究初步计算了九寨沟M7.0地震序列的震源参数。 与其它7级地震相比, 此次九寨沟地震的中强余震数少、 最大余震与主震震级相差较大, 没有形成与7.0级地震相应规模的地表破裂带。 由于主震发生在目前活动构造图中的断裂空白区(图1), 前期基础工作比较薄弱, 因此不同研究者对此次地震的发震构造有不同的认识: 一种观点认为该地震的发震构造是位于余震区北部、 东昆仑断裂东端的分支断裂(易桂喜等, 2017); 一种认为是余震区南部的、 虎牙断裂F5向NW扩展的分支断裂(单新建等, 2017; 徐锡伟等, 2017a; 杨宜海等, 2017; 房立华等, 2018); 也有观点认为此次地震的发震断层虽为虎牙断裂北段, 但仍属于东昆仑东段的分支活动断裂(鲁人齐等, 2018)。

我们根据重新定位的震源分布绘制余震区NW段和SE段上垂直于优势走向的深度剖面(图10a), 结合已知的地质资料(罗江, 1978; 徐锡伟等, 2016, 2017a)和反演得到的震源机制解, 分析并推测了发震构造可能的深部延伸形态(图10b, c)。

图 10 九寨沟地震序列的震源深度剖面和震源机制解剖面
a 重新定位后的九寨沟地震序列分布图和垂直于走向的深度剖面辅助线BB′及DD′, 图例同图3b; b BB′剖面的震源深度分布和NW段的震源机制解剖面; c DD′剖面的震源深度分布和SE段的震源机制解剖面。 图b、 c中震源机制解为剖面投影, 由本文反演获得, 参数见图 4和表3; 绿色沙滩球为走滑型地震, 深蓝色沙滩球为逆冲型地震, 紫色沙滩球为混合型地震; 蓝色实线为解释的断层, 蓝色虚线为推测断层, 问号表示对断层的延伸、 连接的不确定; F8-1为推测的发震断裂F8的NW段; F8-2为推测的发震断裂F8的SE段; F3岷江断裂; F6-1、F6-2塔藏断裂。 其它图例同图3c, dFig. 10 Depth distribution profiles and cross-sections of focal mechanisms of Jiuzhaigou earthquake sequence.

在余震区的NW段附近, 东昆仑断裂东端F2、 岷江断裂北段F3、 塔藏断裂F6和推测的发震断层F8形成构造交会的背景条件, 易于应力高度集中(图10a)。 M7.0主震的发生几乎触发了整个岷江断裂北段F3和塔藏断裂F6之间的余震活动(图10b)。 复杂的震源机制解类型表明多条活动断裂可能同时参与地震的破裂过程。 Sun等(2018)基于合成孔径雷达干涉法和远震波形数据得到的联合反演结果、 Long等(2019)基于TomoDD方法和应变花的计算结果同样表明破裂过程涉及多个断层的活动。

在地震序列的起始阶段, 破裂沿倾斜断面自下而上传播, 位移自深部震源向浅部地表快速衰减, 集中出现高应力水平条件下才发生的逆断层型地震。 由于NW段地震分布离散, 即使缩小投影宽度和时间段也很难获得关于发震断层面优势产状的信息, 因此绘制了震源机制解剖面图(图10b), 希望根据该段较大地震的节面解推测主要的发震构造。 根据震源机制解推测的断层剖面显示(图10b), 其中1个节面(走向NW)的倾向和倾角很大程度上反映出NW段主要的发震构造F8-1 可能是反倾的逆断层, 且其走向为NNW、 倾向NE、 倾角约65° , 具有较大的逆冲分量, 同时穿过余震密集区。 根据逆断层地震破裂的基本特征, 其破裂往往沿走向延伸较短, 破裂长度常与地震震级不相称, 并且不易在地表形成破裂带(侯康明等, 1999)。

在余震区的SE段, 余震活动图像呈条带状分布, 与NW段地震平面状分布具有较大差异。 根据震源机制解推测的断层剖面显示(图10c), 余震活动可能受控于一组运动方式相似、 近平行的次级断裂。 M7.0主震发生后, 这些平行断裂被触发, 形成宽度达6km的破裂面。 该段上绝大多数地震节面Ⅰ 的参数比较一致, 反映出该段较为简单的走滑型构造几何结构。 沿余震密集区下边界绘制断层的位置和产状, 推测SE段主要发震构造F8-2 的倾角约82° , 可能是走向NW、 倾向SW的走滑断裂。

从区域应力场看, 余震区附近自NW向SE最大主压应力方向由近EW逐渐顺时针旋转为NWW-SEE, 这种特征有利于NW-SE走向的断裂发生左旋走滑运动(易桂喜等, 2017)。 张旭等(2017)反演了九寨沟M7.0主震的震源破裂过程, 指出其发震断层可能由多个平面组成。 鲁人齐等(2018)利用余震震群在三维空间的最大优势分布模拟了发震断层的三维范围和边界, 认为九寨沟主震的南、 北两侧断层面存在明显的几何变化, 主震发生在断层面的弯折部位。 Riaz等(2019)通过地震层析成像研究了震源区的精细速度结构, 指出九寨沟地震可能发生在2个走向不同的断层上。 综上所述, 余震区主要的控制性构造为NW-SE向, 可能是一条隐伏断层或虎牙断裂的北延推测段, 其NW端被限制于东昆仑断裂东端的马尾状构造, SE端的延伸尚需要明确的地震地质证据; 以九寨沟M7.0主震为分段标志, 推测的发震构造自NW向SE发生明显转折, 由倾向NE逐渐变陡, 甚至继续向NE旋转, 呈现直立或者SW倾, 同时中强地震类型由挤压逆冲逐渐转换为以走滑为主, 暗示着发震断裂的变形过程由以缩短挤压逆冲转换为以走滑为主, 并具有一定旋转性。

值得注意的是, 九寨沟余震区地处巴颜喀拉块体的东北角, 位于玛曲— 玛沁地震空区与松潘— 平武地震活跃区之间的过渡部位, 具有特殊的地质背景。 在此次九寨沟地震与1976年松潘— 平武地震破裂段(Jones et al., 1984)之间还存在约25km的空段, 该地区在1973年和1976年分别发生过1次MS6.5和2次MS5.7地震, 但这几次地震并没有与1976年8月16日的松潘MS7.2地震同时破裂, 表明该空区可能较为破碎(程佳等, 2018)。 由此引出的一个问题是, 2017年九寨沟M7.0地震序列的发震构造还存在另一种可能, 即控制发震的NW-SE向构造在主震发生前可能是一条隐伏、 断续的断裂带, 但还不是一条连续的大断裂, 本次M7.0地震序列是否会导致该断裂破裂面的贯通?从地震活动上看, 一方面此次地震中的走滑破裂具有持续向SW扩展的特征, 另一方面现代中强地震表现出沿虎牙断裂向N迁移并靠近东昆仑断裂东端的活动规律, 即2个方向的地震活动趋势预示着这些断裂未来存在相互贯通的可能。 Sun等(2018)认为虎牙断裂没有明显的表面痕迹、 具有较小的累计滑动, 是年轻的、 活跃的断裂。 那么, 虎牙断裂与东昆仑断裂之间的交界区域是否会因为此次地震或后续的地震活动而持续破裂、 贯通, 从而形成连续的断裂带?对这些问题开展研究, 有助于进一步了解青藏东缘地区的现今构造特征和区域强震活动特点。

6 结论

本文利用四川地震波形资料和中国地震台网中心的震相资料, 对2017年8月8日— 8月16日在四川省阿坝州发生的九寨沟M7.0地震序列进行了重新定位, 反演了29次ML≥ 3.4地震的震源机制和186次2.0≤ ML≤ 5.5地震的震源应力降。 结果显示: 余震分布在空间上表现出明显的分段特性, 以M7.0主震为界可将余震区划分为NW段和SE段。 NW段上余震数量较少、 震源应力降较大且震源类型复杂; SE段上分布着多数4.0级以上中强地震, 且几乎均为纯走滑型地震, 余震序列应力降随时间逐渐减小。 根据震源机制解的反演结果推测: 发震断层NW段(F8-1)的倾角约65° , 可能是走向NNW、 倾向NE的逆断裂; SE段(F8-2)的倾角约82° , 可能是走向NW、 倾向SW的走滑断裂; 发震构造为NW-SE向, 断层面在主震南、 北两侧发生明显转折, 同时由挤压逆冲为主逐渐转换为以走滑运动为主, 并具有一定的旋转性。 这种南、 北2段的性质差异或许暗示了M7.0主震前发震构造可能是一条隐伏、 断续的断裂带或虎牙断裂的北延推测段。

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