汶川M-S8-0级地震前龙门山断裂带地震活动时空特征分析

1、第 9 卷 增刊2014 年 10 月震灾防御技术Technology for Earthquake Disaster PreventionVol. 9，Suppl. Oct.，2014傅莺，2014汶川 MS8.0 级地震前龙门山断裂带地震活动时空特征分析. 震灾防御技术，9（增刊）：600608. doi：10.11899/zzfy2014s105汶川 MS8.0 级地震前龙门山断裂 带地震活动时空特征分析1傅莺（四川省地震局，成都 610041）摘要 本文采用朱介寿等（1984）提供的非均匀速度模型，使用 Hypo2000 地震定位方法，筛选 出汶川 MS8.0 级地震前 8 年的 27

2、23 条地震记录进行精定位；震源深度的优势分布介于 520km 之间，平均震源深度是 12 km。结合地震震中分布图、震源深度剖面图、M-T 图等结果，得出汶 川 MS8.0 级地震前龙门山断裂带北段地震活动性比中段和南段的活动性弱；时间越临近 2008 年5 月 12 日汶川 8.0 级地震发生前，周边的应力场逐步增强，靠近汶川主震区域的震群活动有增加 的迹象。关键词：汶川 MS8.0 级地震 Hypo2000 速度模型引言地震定位结果的精确程度对地球内部结构，震源的几何构造以及地震的活动构造 等诸多问题的研究起着非常重要的作用。汶川 8.0 级地震的能量强度，破坏程度以及影 响范围，在我国

3、地震史上是非常罕见的。本文选用了 Hypo2000 地震定位方法，使用龙 门山断裂带周边台站观测的震相数据，对龙门山断裂带震前 8 年的地震震源位置进行 定位。1 研究区的历史地震活动背景汶川 8.0 级地震是龙门山断裂带有史以来发生的最大地震，也是 200 多年以来四川境内发生的最强烈地震。史料记载龙门山断裂带发生过 6 级以上地震 5 次，它们分别为：1327 年天全西 6 级和 1941 年宝兴西 6 级地震；三条北东向的主干活动断裂发生的 1970 年 2 月 24日大邑西 6.3 级地震、1958 年 2 月 8 日北川 6.25 级地震和 1657 年 4 月 21 日汶川 6.5

4、 级地震 等代表性震例（闻学泽等，2000；2009；唐荣昌等，1993）。据史料记载还没有 7 级以上的地 震发生。就地震活动性来讲，龙门山断裂带南段比起北段较强；汶川 8.0 级地震的起始破裂 发生在中南段地震活动性较强地区，断层破裂长度为 300450km（邓起东等，1994；王二七1 基金项目 国家自然科学基金项目（40839969，41074062）和中国地震局芦山 7.0 级地震科学考察项目联合资助收稿日期 2014-05-21作者简介 傅莺，女，生于 1982 年。硕士，工程师。2011 年毕业于成都理工大学地球物理学院。主要研究方向：地球物 理，地震定位。E-mail： HYP

5、ERLINK mailto:11381018qq 11381018qq 增刊傅莺等：汶川 MS8.0 级地震前龙门山断裂带地震活动时空特征分析601等，2001；王椿镛等，2003）。2地震观测数据资料整理与定位2.1定位台站四川地震台网 20002008 年的台站由有人值守台站、遥测地震台网（含数字遥测和模拟 记录遥测）组成，这期间台网经历了不断优化、改建、观测设备和观测技术的更新、由最初 的模拟向数字化转换换代等发展过程（图 1）。至 2008 年 1 月四川数字测震台网已建成 52 个 数字测震台站、1 个数字流动台网（12 个数字流动台）、3 个水库数字地震台网（24 个数字台 站）及

6、共享邻省（19 个台站）资料汇集到四川区域台网中心，完成了四川及邻省周边地区的 地震监测任务。F1 后山断裂；F2 中央断裂；F3 前山断裂；F4 山前隐伏断裂；F5 青川平武断裂；地震台站图 1 震前 20002008 年 5 月地震台站分布图Fig .1 Distribution map of stations before mainshock from January 2000 to May 20082.2速度模型速度模型的划分越精细准确得到的定位结果越精确。龙门山推覆构造带两侧地壳速度 结构相差较大，针对这一情况本文定位使用朱介寿等（1984）利用矿山爆破的地震波走时 进行反演求得的分

7、区速度模型。同时将该模型分为龙门山西侧和东侧两部分，具体如表 1 所示。本文使用 Hypo2000 在研究区不同区域设置符合该区域速度结构的分区、分层多重水平 层状速度模型，对速度模型的交界区域使用分配不同权重的方法进行处理（傅莺等，2010）。 根据龙门山的速度差异将研究区域分成了西侧速度带、东侧速度带和两个速度带之间的速度 过渡带三个区域，这样可以减少龙门山断裂带附近地壳和上地幔速度结构巨大横向差异的影 响，图 2 是研究区域速度分带示意图。602震灾防御技术9 卷表 1 Hypo2000 定位使用的分区速度模型Table 1 zoning velocity model used by H

8、ypo2000 for positioning龙门山西侧速度模型（1）龙门山东侧速度模型（2）速度 km/s界面深度/km速度 km/s界面深度/km5.0000.004.5000.005.4004.005.0003.005.8007.005.4007.006.0010.006.0010.006.2015.006.4015.006.4030.006.8025.006.7040.007.5040.006.9050.008.0050.007.8060.008.3060.008.3070.00表 2 Hypo2000 定位使用的速度分区表Table 2 The velocity of the par

9、tition table used by Hypo2000节点号区带中心位置主区带半径（km）过渡带宽（km）速度模型13300N10200E19595龙门山西侧23500 N10300 E29090龙门山西侧33200 N10000 E29565龙门山西侧42830 N10600 E34060龙门山东侧53100 N10700 E20090龙门山东侧63300 N10800 E145139龙门山东侧Hypo2000 对不同区域赋予模型的几何构成是由“节点”给出的。图 2 中的 1、2、3 是龙 门山西侧的节点，4、5、6 是龙门山东侧的节点，对每个节点赋予一个模型以及在其中使用 该模型的圆的

10、半径。对同一模型可赋予多个节点，这种情况下这些圆圈往往会重叠。红色虚 线代表对应节点的内圆，如果震中位于内圆内，则使用该内圆节点所赋予的速度模型。蓝色 虚线代表对应节点的外圆，它描述该模型向外的影响有多远。如果震中位于内圆和外圆之间， 它对那个模型接受一个部分“权”。该权是在内圆和外圆之间的平滑余弦削减。红色实线区域 作为龙门山西侧内圆和龙门山东侧内圆的并集。蓝色实线区域作为龙门山西侧外圆和龙门山 东侧外圆的并集。图中阴影部分为过渡区，可实现相邻模型之间的平滑过渡，在过渡区内的 地震使用对 2 个或 3 个不同模型的加权平均走时。增刊傅莺等：汶川 MS8.0 级地震前龙门山断裂带地震活动时空特

11、征分析603图 2 研究区域速度分带示意图Fig. 2 Schematic representation of velocity zoning in research area2.3定位方法Hypoinverse 算法的基础是 Geiger 法。本文采用的是 2007 年发布的 HYPOINVERSE-2000（Klein，2002）1.1 版。 作为经典的非线性反演实例，地震定位的初始数学模型常被写为如下的形式（Klein，2002）：或者是：T-T0=A(X-X0)（1）R=ADX（2）式中，T 和 T0 分别是观测和理论走时；A 为雅可比矩阵；X 为震源参数；X0 为震源初始位置；R 为

12、走时残差；DX 为震源参数每次迭代的修正量。显而易见的是，DX=A-1R，然而绝大多数情况下，作为超定方程的地震定位并没有真正 的 A-1。一般的做法是对（2）式左乘 AT，得到最小二乘条件：ATR=(ATA)DX（3）由于（ATA）是个方阵，便可对其进行求逆运算，进而得到 DX。 另一种方法则是采用奇异值分解（SVD）直接对矩阵 A 求广义逆。A 的分解由下式给出：A=USVT（4）式中，U、V 是特征向量矩阵；S 是由（ATA）的特征值构成的对角矩阵。并有：604则有：震灾防御技术9 卷UTU=I（5）VTV=I（6）A-1=VS-1UT（7）可根据（2）式获得 DX。奇异值分解不仅能产生

13、通常的最小二乘解，而且还允许处理（ATA）的本征值、计算误差和对数据的信息量进行评估，HYPOINVERSE-2000 中便采用 了这种反演方法。该方法最大的优点是：可以考虑地下结构比较复杂的状况，针对不同的研究范围和具体 的地质结构可以在震中附近地区设置多达 10 个梯度层结构的模型。2.4地震资料整理与定位结果分析地震精定位观测数据的可靠性是定位精度的重要保障，所以本文对四川数字地震台网 观测报告中震相数据的可靠性进行了验证。对于地震进行随机抽样，选取大于 3 级的 100 个地震，调取波形重新读取震相，将其结果与四川地震正式观测报告中给出的震相到时进 行比对，震相到时误差平均值小于 0.

14、18s，证明四川地震台网读数精确，报告中观测数据可 靠。对于个别定位残差大的震相数据，重新判读了震相，并对观测报告进行了严格的筛选 和数据修订。图 3 Hypo2000 定位误差分布图Fig. 3 The positioning error distribution map of Hypo2000本文将四川数字地震台网记录到的 2000 年 1 月 1 日至 2008 年 5 月 11 日，29.534N， 101106.5E 的 5664 个地震记录，筛选其中 ML2.0，震相数8，震相可靠的 2723 条地 震记录进行重新定位研究，得到垂直误差10km，水平误差10km，走时残差1s，定位

15、 效果较好的 2412 条地震，其中 ML2 级 2171 条，ML3 级 218 条，ML4 级 21 条，ML5 级 2 条，绘制 Hypo2000 定位误差分布图（图 3）。可以看出，利用 Hypo2000 初步定位后的 水平向误差主要集中在 2km 以内，对水平误差进行简单平均得到平均误差为 1.03km；垂直 误差主要集中在 3km 以内，对垂直误差进行简单平均得到平均误差为 2.15km；走时均方根 残差主要集中在 0.4s 以内，对走时均方根残差进行简单平均得到走时残差为 0.31s。3定位结果时空特征分析3.1 时间特征分析从图 4 可以看出，2001 年 8 月 6 日 02

16、 时 12 分发生邛崃 4.2 级地震后，2001 年 9 月 1 日至 2007 年 3 月 10 日形成龙门山断裂带 400 余公里的 4 级地震空区。此间四川地区马尔康震群从 2004 年 12 月 14 日至 2007 年 10 月 30 日，共发生 2 级以上地震 300 余次。其中 3.0ML3.9增刊傅莺等：汶川 MS8.0 级地震前龙门山断裂带地震活动时空特征分析605地震 41 次，4.0ML 4.9 地震 5 次，2005 年 1 月 5 日 6 时 5 分马尔康发生 5.0 级地震。2007 年 3 月 11 日发生了平武 ML4.2 级、2007 年 9 月 16 日平

17、武 ML4.1 级地震（薛艳等，2009）。 龙门山断裂带附近 2007 年 4 月 27 日发生了松潘 ML4.3 级地震，2007 年 7 月 31 日龙门山断 裂带南段与鲜水河断裂带的交汇处附近发生了汉源 ML4.3 级地震。龙门山断裂带空区两端地 震活动明显增强，这些地震的相继发生标志着空区逐步缩小，具有“逼近地震”的性质，这 也是强震孕育到中短期阶段的标志（陆远忠等，1982）。图 4 20002008 年 M-T 图Fig.4 M-T diagram during 2000 20083.2 空间特征分析高精度的定位结果，可以准确地显示空间分布和地震序列发展情况。通过对龙门山地区 地

18、震的精确定位，可得到清晰、可靠的震中分布图像。图 69 给出了震前垂直于龙门山走向的 4 个深度剖面图（具体剖面位置在图 5 中给出）。本文对垂直于龙门山断裂带选取 4 个剖面，绘制了深度剖面图及对深部断层进行推 测绘制。从深度剖面图可以看出，地震沿断裂带集中分布在不同的深度上，表明了断裂活动 的深度范围。震源深度的重新定位，主要分布在地壳上部的 520km，平均震源深度 12.04km。 发生在下地壳的 2535km 地震非常稀少，这表明下地壳存在脆性变形。本文研究时间段的震中分布图显示出龙门山断裂带北段地震活动性较弱。龙门山断 裂带中、南段，如天全、北川属于地震活动密集区；龙门山断裂带的中

19、、北段，如北川、 青川地震活动相对稀疏；而在龙门山断裂带最北段，如青川、宁强则地震活动相当稀疏。2000 年 1 月 1 日至 2008 年 5 月 11 日，在垂直于龙门山断裂带的 4 个剖面上地震主 要分布为：AA 剖面 2 级地震主要分布在隐伏断裂和后山断裂；BB 剖面 2 级地震主 要分布在中央断裂和前山断裂，在映秀比较集中；CC 剖面 2 级地震主要分布在中央断 裂和前山断裂，在北川和江油比较集中；DD 剖面 2 级地震主要分布在前山断裂。AA 剖面 3 级地震主要分布在隐伏断裂和前山断裂之间及后山断裂；BB 剖面 3 级地震主要 分布在中央断裂和前山断裂，在映秀比较集中；CC 剖面

20、 3 级地震主要集中在北川和江 油；DD 剖面在龙门山断裂带没有发生 3 级地震。4 级地震在龙门山断裂南段的邛崃发 生过 1 次，龙门山断裂带北段的平武发生过 2 次。本文的研究时间段内，龙门山断裂带是 5 级地震的空区。606震灾防御技术9 卷F1 后山断裂；F2 中央断裂；F3 前山断裂；F4 山前隐伏断裂；F5 青川平武断裂。龙门山断裂构造结合地震的分段活动特征，垂直于断裂带 的走向选取四个剖面： AA、BB、CC和 DD段。AA段是龙门山断裂带的最南端，包括丹巴、康定、宝兴、泸定和雅安等地 区； BB段是地震区的最南端，包括理县、汶川、映秀、都江堰、成都和龙泉等地区；CC段包括松潘、

21、茂汶、北川、安县和绵阳等 地区；DD段包括平武和青川等地区图 5 2000 年2008 年 5 月 11 日震中分布图及剖面线划分图Fig.5 The location of epicenter and profile from Jan 1st 2000 to May 11st 2008图 6 2000 年2008 年 5 月 11 日 AA深度剖面图Fig.6 Focal depth distribution in profile AA from Jan 1st 2000 to May 11st 2008图 7 2000 年2008 年 5 月 11 日 BB深度剖面图Fig.7 Focal

22、 depth distribution in profile BB from Jan 1st 2000 to May 11st 2008增刊傅莺等：汶川 MS8.0 级地震前龙门山断裂带地震活动时空特征分析607图 8 2000 年2008 年 5 月 11 日 CC深度剖面图Fig.8 Focal depth distribution in profile CC from Jan 1st 2000 to May 11st 2008图 9 2000 年2008 年 5 月 11 日 DD深度剖面图Fig.9 Focal depth distribution in profile DD from

23、 Jan 1st 2000 to May 11st 2008图 102000 年2008 年 5 月 11 日沿断层走向的深度剖面图Fig.10 Focal depth distribution along the fault direction from Jan 1st 2000 to May 11st 2008龙门山断裂带外地震的主要分布（图 10）：2 级地震在康定所在的鲜水河断裂带南段、 马尔康一带、虎牙断裂等地区分布比较密集；3 级地震在鲜水河断裂、马尔康一带分布比较 密集。4 级地震发生在龙门山断裂带以西川西高原；5 级地震发生在康定、马尔康。4结论利用 Hypo2000 定位程序

24、采用多重速度模型对汶川 MS8.0 级地震前龙门山断裂带地震进 行重新定位的结果表明，汶川 MS8.0 级震前龙门山断裂带北段地震活动性比中段和南段的活 动性弱。震源深度主要分布在地壳上部的 520km，平均震源深度 12.0km。从时间特征来看，2007 年到 2008 年龙门山断裂带空区两端地震活动明显增强，这些地震 的相继发生标志着空区逐步缩小，这也是强震孕育到中短期阶段的标志，具有“逼近地震”的 性质（陆远忠等，1982）。2008 年 2 月 14 日在龙门山断裂带上距汶川地震震中仅约 20km 处发 生了 ML3.8 震群，这表明时间越临近 2008 年 5 月 12 日，汶川 8

25、.0 级地震周边的应力场在逐步 增强，靠近汶川主震区域的震群活动有增加的迹象，与薛艳等（2009）的推断一致。参考文献邓起东，陈社发，1994龙门山及其邻区的构造和地震活动及动力学地震地质，16（4）：389403. 傅莺，范军，2010Hypocenter 和 Hypo2000 地震定位方法在攀枝花会理地震序列中的应用四川地震，（1）：812608震灾防御技术9 卷陆远忠，沈建文，宋俊高，1982地震空区与“逼近地震”地震学报，（4）：327336. 唐荣昌，韩渭宾，1993四川活动断裂与地震北京：地震出版社，368 王椿镛，吴建平，楼海，周民都，白志明，2003川西藏东地区的地壳 P 波速

26、度结构中国科学 D 辑，33（Z1）：181181.王二七，陈智梁等，2001龙门山断裂带印支期左旋走滑运动及其大地构造成因地学前缘，8（2）：375384. 闻学泽，2000四川西部鲜水河-安宁河-则木河断裂带的地震破裂分段特征地震地质，22（3）：239249. 闻学泽，张培震，杜方，龙锋，20092008 年汶川 8.0 级地震发生的历史与现今地震活动背景地球物理学报，52（2）：444454薛艳，刘杰，梅世蓉，宋治平，20092008 年汶川 MS8.0 地震前地震活动异常特征地震学报，31（6）：606619. 朱介寿，曹家敏，刘舜化，蒋国芳，余敏，蒋华琳，1984用人工地震初探川西地区的地壳结构成都地质学院学报，3：111122Klein F.W.，2002. Users Guide to HYPOINVERSE-2000, a Fortran Program to Solve for Earthquake Locations and Magnitudes. United States Department of The Interior Geological Survey, 4/2002 version.Analysis of Spatial Temporal Feature of Seismicity in L