引言

据中国地震台网测定,北京时间2019年6月17日22时55分43秒,四川宜宾市长宁县发生6.0级地震,震源位置为28.34°N、104.90°E,深度16km。此次地震的震中位于双河镇,距长宁县城约24km,距宜宾市约53km,距成都市约269km。截至6月19日16时,地震共造成长宁县、珙县、高县等区县受灾,受灾人口24.38万人,因灾死亡13人,受伤220人(新闻网,2019)。截至6月30日,四川长宁6.0级地震发生后,震中附近共记录到上千次余震,其中最大余震为6月22日22时22分珙县5.4级地震。

长宁6.0级地震发生于四川盆地西南角(图 1)。由于印度板块对青藏高原NE向的强烈推挤俯冲,导致青藏高原持续隆升以及青藏高原深部物质向东流展,并受四川盆地的阻挡,继而转向东南侧向运移(滕吉文等,2008),青藏高原物质侧向流出对此次地震区形成NW—SE向的挤压,是震区的主要构造背景。震区周边发育着华蓥山断裂和长宁—双河背斜(唐永等,2018),且余震走向与长宁—双河背斜的走向大体一致(图 1)。地震发生后,国内外相关机构迅速给出了此次地震的震源机制解。然而,不同机构给出的震源机制解不尽相同,个别结果存在较大差异,给基于震源机制解展开进一步的研究带来数据的抉择困难。本文首先基于这些震源机制解给出1个与所有震源机制解差别最小的中心震源机制解,其次,利用震源区主震之前的震源机制解对震源区进行构造应力场反演,得到主震之前震源区的应力状态,为深入研究此次地震的发震构造、孕震环境以及发震趋势等提供参考。


蓝色圆点表示长宁6.0级地震的余震1;红色震源机制解为本文利用gCAP方法反演得到;黑色震源机制解源自GCMT;绿色震源机制解源自王晓山等(2015)
图 1 长宁6.0级地震的余震及历史震源机制解分布(2008年2月—2019年1月) Fig. 1 Distribution of aftershocks of the Changning M 6.0 earthquakes and focal mechanisms historical earthquakes (Feb. 2008— Jan. 2019)

1 http://www.ceic.ac.cn

1 中心震源机制解

地震发生后,中国地震台网中心发布了《2019年06月17日四川长宁6.0级地震图集》,并给出了国内多个机构或不同学者利用不同资料和方法得到的长宁6.0级地震的震源机制解,此外,本文还收集了国外网站(USGS2、GCMT3、GFZ4)给出的震源机制解。经比较发现,现有的长宁6.0级地震震源机制解结果具有一定的差异,根据Zoback(1992)给出的世界通用应力图的划分标准(表 1),中国地震局地震预测研究所提供的震源机制解为走滑型,郭祥云等人提供的震源机制解为逆走滑型,其它结果均为逆冲型震源机制解。震源机制解结果的差异为分析此次地震的发震情况和孕震机理等带来抉择困难,因此,本文通过量化不同机构所给震源机制解之间的差别,给出1个与所有震源机制解差别最小的中心震源机制解。

2 USGS, 2019. M 5.8-19km S of Changning, China. https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us600041ry/moment-tensor

3 GCMT, 2019. Monthly GMT solutions. https://geofon.gfz-potsdam.de/eqinfo/event.php?id=gfz2019lugo

4 GFZ, 2019. Mariana islands earthquake. https://geofon.gfz-potsdam.de/eqinfo/event.php?id=gfz2019lugo

表 1 震源机制解划分(Zoback,1992 Table 1 Classification of focal mechanism solutions (Zoback,1992)

采用万永革(2019a)提出的根据同一地震的多个震源机制解确定其中心解的方法,求取长宁6.0级地震的中心震源机制解。该方法以某个震源机制为初始解,在此解的邻域内进行一阶泰勒展开,利用Levenberg-Marquardt方法迭代求解得到1个与现有震源机制解差别(最小空间旋转角的平方和)最小的中心震源机制解。计算各震源机制解作为初始解得到的中心震源机制解与所有震源机制解的标准差,选择标准差最小的结果作为最终结果,同时给出了描述最终结果与其它震源机制解之间差别的最小空间旋转角,具体结果见表 2。结果表明,不同机构给出的震源机制作为初始解得到的中心震源机制解的标准差均很小(精确到小数点后6位),表明该方法对于不同初始解是稳定的。

表 2 不同震源机制解及得到的中心震源机制解的标准差 Table 2 Focal mechanisms of the Changning M 6.0 earthquake resulted from different institutions, and standard deviation of central focal mechanism

GFZ给出震源机制解作为初始解,其所得结果与所有震源机制解最小空间旋转角的标准差最小,故将此结果(节面I走向194.78°,倾角52.68°,滑动角139.16°;节面Ⅱ走向312.44°,倾角58.67°,滑动角45.22°)作为最终中心震源机制解。P轴走向72.37°,倾伏角3.5°,不确定范围分别为42.59°—101.59°和-21.14°—27.98°;T轴走向166.99°,倾伏角52.79°,不确定范围分别为137.20°—210.53°和32.01°—72.76°;B轴走向339.73°,倾伏角36.99°,不确定范围分别为303.52°—368.95°和22.81°—58.68°。不同机构或学者给出的四川长宁6.0级地震的震源机制解、中心震源机制解及其不确定范围见图 2


(a)黑色弧线表示中心震源机制的2个节面,绿色弧线覆盖区域为其不确定范围;红点、蓝点和黄点表示中心震源机制解的P轴、T轴和B轴,其周围对应颜色的封闭曲线表示其不确定范围;绿点、黑点和蓝绿点分别表示各个机构给出的震源机制的P轴、T轴和B轴;紫色弧线表示各个机构给出的震源机制节面;投影方式为下半球等面积投影;(b)压缩区域和膨胀区域分别用蓝色和红色表示
图 2 长宁6.0级地震的中心震源机制解 Fig. 2 Central focal mechanism of the Changning M 6.0 earthquake in Sichuan

表 2中,所得到的震源机制中心解与郭祥云等人确定的逆走滑型震源机制的三维空间旋转角最小,为6.66°;其次为USGS、GFZ、中国地震局地球物理研究所、GCMT和中国地震台网中心台网部应急组的结果;与中国地震预测研究所给出的走滑型震源机制的三维空间旋转角最大,为58.54°。这也表明了震源机制中心解为逆冲兼走滑的震源机制。为定量描述余震分布和震源机制节面的关系,本文搜集了2019年6月17日23时—6月30日24时发生的余震,采用万永革等(2008)提出的小震拟合断层面方法确定余震的走向为312.17°,与中心震源机制的节面Ⅱ仅相差0.27°(图 3),因此推测节面Ⅱ为实际发震断层面,且节面Ⅱ走向与长宁—双河背斜走向大体一致。由此可以推断,该地震为发生在长宁—双河背斜的东北倾向、倾角约为59°的逆冲兼走滑分量的地震。


圆圈表示长宁6.0级地震的余震;蓝色框为余震位置拟合的断层面在地表的投影;箭头为长宁6.0级地震中心震源机制解节面Ⅱ的走向
图 3 余震拟合结果 Fig. 3 The fitting result from aftershocks
2 震源区构造应力场
2.1 历史震源机制解

共搜集和反演长宁6.0级地震之前震源区的震源机制解39个,其中基于国家数字测震台网数据备份中心提供的波形数据(郑秀芬等,2009),利用gCAP(Zhu等,2013)反演得到22个震源机制解;从GCMT收集到相应区域6个震源机制解(自1976年开始搜索,但最早地震为2013年4月15日的MW 4.7地震);从王晓山等(2015)的文献中收集到11个震源机制解。参照Zoback(1992)的划分标准(表 1),对上述地震进行统计,发现逆冲型和逆走滑型地震震源机制解占比最大,为25个,占所有地震震源机制的64.1%;走滑型地震震源机制为11个,占所有地震震源机制的28.2%;不确定型地震震源机制数量最少,为3个,占所有地震震源机制的7.7%。震源机制解参数和震中分布分别见表 3图 1

表 3 长宁6.0级地震之前震源区的历史震源机制解(2008年2月—2019年1月) Table 3 The focal mechanisms of historical earthquakes before the Changning M 6.0 earthquake (Feb. 2008—Jan. 2019)
2.2 震源区应力场结果

利用长宁6.0级地震之前的震源机制解数据,反演得到震前的应力状态,以便深入研究该地震的孕震环境和发震机理。基于表 3的震源机制解数据,采用Wan等(2016)给出的网格搜索法对震源区进行构造应力场反演,该方法可以得到应力主轴的3个空间方位、3个应力主轴在一定置信区间下的不确定范围以及3个主应力的相对大小RR的表达式见式(1),它描述了中间应力轴的应力状态。设置网格搜索参数为1°×1°×1°×0.1,应力场反演结果为:在90%置信度下,主压应力轴的最优方位角和倾伏角分别为289.89°和8.8°,不确定范围分别为289.39°—290.39°和8.30°—9.30°;中间应力轴的最优方位角和倾伏角分别为198.0°和12.0°,不确定范围分别为197.50°—198.50°和11.50°—12.50°;主张应力轴的最优方位角和倾伏角分别为55.3°和75.0°,不确定范围分别为54.80°—55.80°和74.54°—75.54°;应力相对大小R最优为0.7,不确定范围为0.7—0.8。应力主轴的不确定范围很小,说明应力场结果与震源机制解数据匹配较好。根据R值的定义,R=0.7说明中间应力轴表现为拉张作用。应力场反演结果以及最优应力场下选择的各震源机制“发震断层面”的下半球施密特投影见图 4


(a)黑色弧线为最优应力场从各震源机制解中选择的“发震断层面”,红色大箭头为最优应力场压轴的方向,红色小箭头为断层的理论滑动方向,蓝色小箭头为断层观测的实际滑动方向,绿色弧线为90%置信度下应力场的最大剪应力节面,黄色小箭头为该节面的最大剪应力方向;σ1σ2σ3周围的封闭曲线代表 90%置信度下的不确定范围;投影方式为下半球等面积投影;(b)长宁地区应力张量反演结果的三维立体表示(万永革等,2011),U和D表示上和下,E、S、W和N分别为东、南、西和北;红色表示主压应力的大小和方向;蓝色表示主张应力的大小和方向
图 4 长宁6.0级地震震源区构造应力场反演结果 Fig. 4 Inverted tectonic stress field around the Changning M 6.0 earthquake
$ R=\frac{{{\sigma }_{2}}-{{\sigma }_{1}}}{{{\sigma }_{3}}-{{\sigma }_{1}}} $ (1)

式中,σ1σ2σ3 分别表示最大、中间、最小主压应力。

研究区域主压应力轴方位NWW—SEE,中间应力轴方位为NNE—SSW,主压应力轴和中间应力轴均接近水平,而张应力轴接近垂直,为逆冲型的应力体系(万永革,2019b),这与王晓山等(2015)何登发等(2019)Lei等(2019)的研究结果一致,印证了结果的准确性。由此表明震源区背景应力场来源于印度板块对青藏高原NE的推挤,导致青藏高原的持续隆升以及青藏高原物质沿SE方向侧向扩张,正是由于青藏高原物质SE向流出导致了四川盆地西侧逆冲型的应力状态,与图 4显示的应力场结果吻合。此外,R=0.7揭示出震源处的应力状态以挤压为主,从而导致了另外2个轴的拉张作用。

长宁6.0级地震的中心震源机制解和构造应力场结果均为逆冲型。为研究反演的应力场和本次地震发生的关系,求解得到该地震震源机制中心解的PTB轴和反演得到的应力场的主压、主张和中间轴的三维空间旋转角为60.90°,表明应力场的三轴方向与的PTB轴有一定差别,即本次地震的应力释放未在应力场的主轴方向。为进一步研究应力场和震源机制的关系,求解反演出应力场在本次地震断层面(中心震源机制的第2个节面)的剪应力方向,得到剪滑角为58.67°,与中心震源机制的滑动角相差13.45°,这个很小的角度说明本次地震仍是在应力场的作用下发生的。然而,长宁6.0级地震的震源机制未在所反演的应力场的最优节面(最大剪应力节面)上发生,即不是应力场作用于完整岩石块体产生的破裂,而是发生在预先存在的薄弱面上。

3 结论

本文基于不同机构或学者利用不同资料和方法给出的四川长宁6.0级地震的震源机制解,给出了此次地震的中心震源机制解,并利用主震之前的震源机制解反演了震源区的应力场,获得的主要结论如下:

(1)中心震源机制解结果显示长宁6.0级地震是1次逆冲为主兼走滑分量的地震。中心震源机制解与其它震源机制解的最小空间旋转角最小值为6.66°,最大值为58.54°,说明不同机构或学者给出的此次地震的震源机制解存在不可忽略的差异。

(2)应力场结果显示震源区以逆冲型为主。主压应力轴走向为NWW—SEE,中间应力轴走向为SSW—NNE,两轴倾角均接近水平;主张应力轴接近垂直,为逆冲型应力状态;应力相对大小R=0.7。应力主轴的不确定范围很小,说明应力场结果与震源机制解数据匹配较好。

(3)根据震源区的长宁—双河背斜走向及余震位置拟合的断层面走向,推测中心震源机制解的节面Ⅱ为本次地震的发震断层面;根据所反演的应力场和本次地震震源机制的关系,推断长宁地震在背景应力场下,发生在长宁—双河背斜的东北倾向、倾角约为59°的薄弱面上,为1次逆冲为主兼有走滑分量的地震。

致谢: 审稿专家对本文提出了宝贵意见,震源机制解数据来自中国地震台网中心、中国地震地球物理研究所、中国地震局地震预测研究所、郭祥云等、USGS、GFZ、GCMT,图件采用GMT绘制,在此一并表示感谢。
参考文献
何登发, 鲁人齐, 黄涵宇, 等, 2019. 长宁页岩气开发区地震的构造地质背景[J]. 石油勘探与开发, 46(5): 993-1006.
唐永, 周立夫, 陈孔全, 等, 2018. 川东南构造应力场地质分析及构造变形成因机制讨论[J]. 地质论评, 64(1): 15-28.
滕吉文, 白登海, 杨辉, 等, 2008. 2008汶川MS 8.0地震发生的深层过程和动力学响应[J]. 地球物理学报, 51(5): 1385-1402. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.05.012
万永革, 沈正康, 刁桂苓, 等, 2008. 利用小震分布和区域应力场确定大震断层面参数方法及其在唐山地震序列中的应用[J]. 地球物理学报, 51(3): 793-804. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.03.020
万永革, 盛书中, 许雅儒, 等, 2011. 不同应力状态和摩擦系数对综合P波辐射花样影响的模拟研究[J]. 地球物理学报, 54(4): 994-1001. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.04.014
万永革.2019a.同一地震多个震源机制中心解的确定.地球物理学报, 待刊.
万永革.2019b.震源机制与应力体系关系模拟研究.地球物理学报, 待刊.
王晓山, 吕坚, 谢祖军, 等, 2015. 南北地震带震源机制解与构造应力场特征[J]. 地球物理学报, 58(11): 4149-4162.
郑秀芬, 欧阳飚, 张东宁, 等, 2009. "国家数字测震台网数据备份中心"技术系统建设及其对汶川大地震研究的数据支撑[J]. 地球物理学报, 52(5): 1412-1417. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2009.05.031
中国新闻网. 2019.四川长宁地震已致24万余人受灾, 搜救工作基本完成.(2019-06-19).http://www.chinanews.com/gn/2019/06-19/8869576.shtml.
Lei X. L., Wang Z. W., Su J. R., 2019. The December 2018 ML 5.7 and January 2019 ML 5.3 earthquakes in south Sichuan basin induced by shale gas hydraulic fracturing[J]. Seismological Research Letters, 90(3): 1099-1110.
Wan Y. G., Sheng S. Z., Huang J. C., et al, 2016. The grid search algorithm of tectonic stress tensor based on focal mechanism data and its application in the boundary zone of China, Vietnam and Laos[J]. Journal of Earth Science, 27(5): 777-785. DOI:10.1007/s12583-015-0649-1
Zhu L. P., Ben-Zion Y., 2013. Parametrization of general seismic potency and moment tensors for source inversion of seismic waveform data[J]. Geophysical Journal International, 194(2): 839-843. DOI:10.1093/gji/ggt137
Zoback M. L., 1992. First- and second-order patterns of stress in the lithosphere:the world stress map project[J]. Journal of Geophysical Research, 97(B8): 11703-11728. DOI:10.1029/92JB00132