魏柏林，劉特培，陳玉桃

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

汶川余震震源機制變化的原因

魏柏林，劉特培，陳玉桃

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

2008年5月12日，汶川MS8.0主震是一個主壓應(yīng)力軸NW-SE的逆傾滑型的地震，而之后的余震震源機制解有的與主震震源機制解一致，有的發(fā)生了明顯變化，由南至北逐步變成走滑型地震。主震和同主震震源機制解一致的部分余震，在構(gòu)造應(yīng)力場直接作用下，龍門山推復(fù)體向四川地塊逆沖，致使在逆斷層的上下盤之間的斷層面上產(chǎn)生粘滑而發(fā)生逆傾滑型的地震，故其震源機制解的三軸基本上與構(gòu)造應(yīng)力場一致。而走滑型余震則認為不是構(gòu)造應(yīng)力場直接作用的結(jié)果。即，這類地震不是發(fā)生在龍門山逆斷層的斷層面上，故而不是粘滑，而是在逆斷層的上盤或下盤滑動的巖塊中，由于斷層面上的介質(zhì)不均勻，摩擦力大小不一致或粘結(jié)的程度不同，致使盤面上不成一體的斷裂小巖塊體 （或不同介質(zhì)構(gòu)成塊體）滑動快慢不一，滑動快的小巖塊對前方鄰接巖塊產(chǎn)生擠壓，對后方鄰接巖塊產(chǎn)生拉張的轉(zhuǎn)換應(yīng)力場。在這種局部應(yīng)力場作用下，導(dǎo)致前、后鄰接小巖塊體中發(fā)生新的剪切破裂，因而引起余震震源機制解有規(guī)律的變化。

汶川余震；震源機制變化；龍門山逆斷層；轉(zhuǎn)換應(yīng)力場

引言

2008年5月12日，汶川MS8.0地震是發(fā)生在龍門山逆斷裂帶中的特大地震。主震震源機制解是一個略帶走滑分量的逆傾滑型地震[1]。后期的余震的震源機制解有的保持與主震震源機制解一致，有的轉(zhuǎn)變?yōu)樽呋偷卣?。這種現(xiàn)象在其它震例中也是常見的。

沿主破裂帶發(fā)生的主震，與后期發(fā)生的余震，其震源機制解有的和主震一致，有的卻發(fā)生了與主震震源機制解不同的變化，如走滑型地震中的1966年6.8、7.2級邢臺地震，1975年的7.3級海城地震，1976年的7.8級唐山地震，1976年的7.6級松潘-平武地震和1976年7.4級龍陵地震等。還有沿同一個斷裂構(gòu)造帶不同時期的地震，其震源機制解也有不同的變化，如鮮水河構(gòu)造地震帶1967年6.8級侏倭地震，1972年5.8級乾寧地震，1973年5.6級甘孜地震等都是與鮮水河斷裂帶上的1973年7.6級爐霍地震，1981年6.9級道孚地震震源機制解是不一樣的。此外，在逆沖斷裂為主的碰撞帶也常發(fā)生走滑型地震，如喜馬拉雅構(gòu)造地震帶，主要發(fā)生P軸正交其走向且近水平的逆傾滑形地震，但也發(fā)生不少P軸正交其走向且近水平的走滑型地震，甚至還發(fā)生了P軸平行喜馬拉雅構(gòu)造地震帶走向的走滑型地震。又如帕米爾-興都庫什地震帶，扎格羅斯地震帶的地震震源機制解都有類似的變化。不僅如此，以正斷裂為主的裂谷帶也有這類現(xiàn)象，如東非大裂谷主要是東西拉張的正傾滑型震源機制，往往卻發(fā)生走滑型地震。而貝加爾湖裂谷帶常發(fā)生一些拉張軸與貝加爾湖構(gòu)造走向一致的傾滑型地震[2]。

曾經(jīng)討論過主震是走滑型地震余震震源機制變化的原因[3]，汶川MS8.0主震是一個逆傾滑型地震，但眾多余震卻呈走滑型，本文討論主震是逆傾滑型地震，如何引起余震震源機制變化及變化的規(guī)律和產(chǎn)生的原因？

1 汶川主震與余震震源機制解

2008年5月12日，汶川MS8.0主震是一個主壓應(yīng)力軸NW-SE的逆傾滑型的地震，略帶一點走滑分量 （圖1）。而之后的5月14日的MS5.4，5月16日的MS5.5，5月25日的MS5.9，卻變成走滑型地震[1]（圖1、表1）。其中，5月16日的MS5.5，5月25日的MS5.9震源機制解的主壓應(yīng)力軸與主震的主壓應(yīng)力軸一致同為NW-SE向 （圖1、表1）；而5月14日的MS5.4，其震源機制解的主壓應(yīng)力軸垂直于主震的主壓應(yīng)力軸且與龍門山構(gòu)造帶走向平行，為NE-SW向 （圖1、表1）。在龍門山構(gòu)造帶中的逆斷層中怎么會產(chǎn)生走滑型地震。它又產(chǎn)生在逆斷層中的那個構(gòu)造部位，是在斷層面上，抑或是在斷層的上盤或下盤？這是必須要著重討論的問題。

圖1 2008年汶川地震震中位置及震源機制解（據(jù)劉超等）Fig.1 The Epicenter position and focal mechanism solutions of Wenchuan at 2008(by Liu chao)

表1 2008年5月12日 汶川大地震及其7次較大余震的最佳雙力偶解及其與GCMT解的比較Table 1 Comparison between the best double-couple solutions of the great Wenchuan earthquake of May 12,2008 and its 7 larger aftershocks obtained this study and the GCMT

2 余震震源機制變化的原因的幾種假說

關(guān)于余震震源機制變化的原因目前有幾種假說來進行解釋：①菲奇、肖爾茨1972年提出的的 “錯動過頭”論；試圖用此來解釋日本西南部所出現(xiàn)的地震震源機制解的不一致性[4]；之后，顧浩鼎等在 《1975年2月4日遼寧省海城地震的震源機制》[5]一文用主破裂在局部地段發(fā)生錯動過頭的假設(shè)來解釋海城地震的余震震源機制變化。②埃維森等1973年提出的 “液體流出下限”論來解釋1968年5月23日新西蘭伊南加華7.1級地震序列，三年半以后的晚期余震的震源機制與主震及早期余震大不一樣的原因[6]。此外還有用斷裂分叉論和共軛斷層活動論來解釋這種現(xiàn)象。上述幾種假說都不能很好地解釋余震震源機制變化的規(guī)律及其原因。作者經(jīng)歷了1977年廣西平果5．0級地震，發(fā)現(xiàn)余震P波初動反向。此后，作了大量震例的研究和對比，同時，在陳國達教授新的大地構(gòu)造理論 “動定遞進轉(zhuǎn)化”說的啟發(fā)和威爾遜教授 “轉(zhuǎn)換斷層”新概念的影響下，提出了 “換應(yīng)力場”[3]假說來解釋震源機制的變化的原因。

地震斷層成因說認為，在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，地殼中有兩種類型的破壞過程可能導(dǎo)致地震動發(fā)生：①脆性剪切破壞；②原有破裂面 (斷層面、節(jié)理面或其他的裂隙面)上面的粘滑[7]。粘滑意味著變形巖石中原來有破壞面的存在，而其兩側(cè)的粘結(jié)強度較低[8]脆性破裂表示變形巖石有較大的粘結(jié)度。這兩種破裂過程，都可用雙力偶模型來解釋。從目前掌握的資料看，大多數(shù)大地震都與活動斷層有關(guān)，是由粘滑機制引起的。如這次發(fā)生在龍門山斷裂帶上的主震及和主震相似的逆傾滑型余震都是由粘滑機制引起的。

區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場基本上是穩(wěn)定的，構(gòu)造活動是繼承性的。這樣一些地震基本上都是構(gòu)造應(yīng)力場直接作用在已存在的老斷裂面上使兩盤巖塊粘滑的結(jié)果，這種由粘滑機制所得出的震源應(yīng)力場，大體上反映了構(gòu)造應(yīng)力場，只是有些角度偏離而已。雖然，在一個較大的區(qū)域范圍內(nèi)，構(gòu)造應(yīng)力場基本上保持統(tǒng)一的應(yīng)力作用方式，但是在局部地區(qū)應(yīng)力作用方式與構(gòu)造應(yīng)力場完全不一樣。這種由于在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，巖塊沿著斷裂面的滑動過程中由于斷層面上的物質(zhì)不均勻，摩擦力不一樣或粘結(jié)的程度不同，故而在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，在斷層面的上、下盤巖塊滑動快慢不一，滑動快的巖塊，對前方鄰接巖塊產(chǎn)生主壓應(yīng)力平行巖塊運動方向的擠壓轉(zhuǎn)換應(yīng)力場，對后方鄰接巖塊產(chǎn)生主張應(yīng)力平行巖塊運動方向的拉張的轉(zhuǎn)換應(yīng)力場，在轉(zhuǎn)換應(yīng)力場作用下，就可產(chǎn)生不同與主震震源機制解的新的剪切破裂所導(dǎo)致的震源機制解[3]。

3 汶川余震機制的變化的原因

在余震震源機制的變化的原因一文中詳細討論走滑斷層中的轉(zhuǎn)換應(yīng)力場引起的震源機制變化的情況，如1966年的邢臺地震，1974年的海城地震，1976年的唐山地震等。

現(xiàn)在來討論轉(zhuǎn)換應(yīng)力場在逆傾滑斷層面上的轉(zhuǎn)換應(yīng)力的分布和汶川余震機制的變化。

3．1 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場及主震發(fā)生的位置

當印度板塊以約40 mm/a速率沿北東方向向歐亞板塊碰撞，致使青藏高原強烈隆起，迫使其東緣巴顏喀拉地塊向華南地塊仰沖而產(chǎn)生龍門山推覆構(gòu)造，它是由汶川-茂汶斷裂、北川-映秀斷裂、灌縣-江油斷裂和四川盆地內(nèi)的盲逆斷層等多條疊瓦狀逆斷層組成推覆構(gòu)造系統(tǒng)。其走向NE，傾向NW，傾角上陡下緩，地表可見傾角≥70°，映秀及其鄰區(qū)地震密集包絡(luò)線反映地殼上部平均傾角≥47°向下明顯變緩，在深約15～20 km附近接近于水平，處在地殼中部的滑脫層[9]。由于印度板塊向歐亞板塊長期作用，也使青藏高原東緣巴顏喀拉地塊向華南地塊仰沖推擠，產(chǎn)生了主壓應(yīng)力軸為NW-SE向構(gòu)造應(yīng)力場，在這種構(gòu)造應(yīng)力場長期作用下，龍門山推覆構(gòu)造帶的汶川-茂汶斷裂、北川-映秀斷裂、灌縣-江油斷裂產(chǎn)生粘滑而發(fā)生汶川MS8.0級主震及余震，并使地表產(chǎn)生了沿北川-映秀斷裂和灌縣-江油斷裂的240 km和90 km地表破裂。主震及與主震的震源機制解一致的余震發(fā)生在斷層面上，如圖2中的E′F′G′H′實圈所示的地震，大者為主震，小者為余震。這些地震的震源應(yīng)力場的三個主軸：P軸，NW-SE向，近水平；N軸NE-SW，傾角很小，近水平；T軸近垂直，一個節(jié)面平行主斷層面，一個節(jié)面與其正交為一個逆傾滑型地震，略帶走滑分量。

其三個主軸與構(gòu)造應(yīng)力場三個主軸基本一致，也就是說是在構(gòu)造應(yīng)力場直接作用的結(jié)果。

3．2 震源機制變化的余震發(fā)生的位置

震源機制變化的余震不是發(fā)生在汶川-茂汶斷裂、北川-映秀斷裂、灌縣-江油斷裂斷層面上，而是發(fā)生在這些斷層面上的上、下兩盤的巖塊中，如圖2空圈所示位置。

3．3 震源機制變化的余震的三個主軸方位變化

余震震源機制解討論4種特殊情況，即中間應(yīng)力軸 （N）垂直主斷層面及平行主斷層面走向：

3 ．3 ．1 中間應(yīng)力軸 （N）垂直主斷層面

（1）P軸，NW-SE向，與主斷層面傾角一致，T軸，NE-SW，平行主斷層面走向，兩個節(jié)面與主斷層面成正交，與主斷層走向成45°交角，為走滑形態(tài)，如圖2上方右側(cè)圖象；當主斷層面傾角很小，近0°時，其震源機制解為一個走滑型地震，如圖2中的1號地震。當主斷層面傾角不斷增大，傾滑分量也不斷增大。

（2）T軸，NW-SE向，與主斷層面傾角一致；P軸，NE-SW，平行主斷層面走向，兩個節(jié)面與主斷層面成正交，與主斷層走向成45°交角，為走滑形態(tài)，如圖2下方右側(cè)圖象；當主斷層面傾角很小，近0°時，其震源機制解為一個走滑型地震，如圖2中的3號地震。當主斷層面傾角不斷增大，傾滑分量也不斷增大。

圖2 龍門山斷裂中汶川MS8.0級主震及余震震源機制的變化圖Fig.2 The change of focal mechanisms of main and aftershocks of Wenchuan MS8.0 earthquake of the Longmenshan fault

3.3.2 中間應(yīng)力軸 （N）平行主斷層面走向

（3） P軸，NW-SE向，與主斷層面傾角一致；T軸近與直立垂直主斷層面，兩個節(jié)面與主斷層面成45°斜交，成傾滑形態(tài)，如圖2上方左側(cè)圖象；當主斷層面傾角很小，近0°時，其震源機制解為一個逆傾滑型地震，如圖2中的5號地震。當主斷層面傾角不斷增大，一個節(jié)面由傾斜變成直立，另一節(jié)面由傾斜變成水平，如圖2中的2號地震。

（4） T軸，NW-SE向，與主斷層面傾角一致；P軸近與直立垂直主斷層面，兩個節(jié)面與主斷層面成45°斜交，成傾滑形態(tài)，如圖2下方左側(cè)圖象；當主斷層面傾角很小，近0°時，其震源機制解為一個正傾滑型地震，如圖2中的6號地震。當主斷層面傾角不斷增大，一個節(jié)面由傾斜變成直立，另一節(jié)面由傾斜變成水平，如圖2中4號地震。

3．4 轉(zhuǎn)換應(yīng)力場引起震源機制的變化

與主震震源機制解不同的余震不是構(gòu)造應(yīng)力場直接作用的結(jié)果，是間接作用的結(jié)果。即，這類地震不是發(fā)生在三條逆斷層的斷層面上，故而不是粘滑，而是在逆斷層面上的上下兩盤的巖塊中發(fā)生的新的剪切破裂。為了敘述方便，僅以龍門山逆斷層的上盤為例，也即是，上盤的巖塊沿斷層面 （圖2，E′F′G′H′）作逆掩的推覆過程中，由于斷層面上的物質(zhì)不均勻，摩擦力不一樣或粘結(jié)的程度不同，故而在主壓應(yīng)力軸NW-SE構(gòu)造應(yīng)力場作用下，巖塊滑動快慢不一，滑動快的巖塊 （用S2表示） （由圖2ABCD位置滑動到A′B′C′D′位置），對前方鄰接巖塊 （用S1表示，粘結(jié)較牢，滑動較慢）產(chǎn)生一個擠壓的應(yīng)力場，主壓應(yīng)力平行逆斷層運動方向，傾角且與斷層面一致。對后方鄰接巖塊 （用S3表示，粘結(jié)較牢，滑動較慢）產(chǎn)生一個拉張應(yīng)力場，主張應(yīng)力平行逆斷層運動方向，傾角且與斷層面一致。在這前后鄰接巖塊中產(chǎn)生的與構(gòu)造應(yīng)力場不同的轉(zhuǎn)換應(yīng)力場。由這種轉(zhuǎn)換應(yīng)力場致使S1、S3巖塊產(chǎn)生新的剪切破裂，由此而引發(fā)地震，其震源機制解必然不同構(gòu)造應(yīng)力場直接引發(fā)地震的震源機制解?，F(xiàn)進一步討論這轉(zhuǎn)換應(yīng)力場作用方式及引發(fā)地震的震源機制解的特征。

3.4.1 S1巖塊中的轉(zhuǎn)換應(yīng)力場

P軸與上盤運動方向一致，與斷層面的傾向、傾角一致，N、T軸在垂直P軸面內(nèi)呈0°-180°的旋轉(zhuǎn)變化，可出現(xiàn)地震的震源機制解從走滑逐漸變?yōu)閮A滑。討論兩種特殊情況：

(1)N軸與斷層面正交，，N軸與斷層面近于垂直，T軸平行斷層面，其方向與斷層的走向一致，當斷層面緩傾角時，這時發(fā)生的地震，其震源機制解為走滑型，圖2中的1號震源機制解，圖1中的5號地震的震源機制解。

(2)N軸與斷層面平行，N軸方向與斷層走向一致，近于水平，T軸正交斷層面，這時發(fā)生的地震，當斷層面緩傾角時，這時發(fā)生的地震，其震源機制解為逆傾滑型，即圖2中5號地震；當斷層面傾角較大時，其震源機制解一節(jié)面近于直立，一個節(jié)面近于水平，為一個斜傾滑型地震，即圖2中的2號地震震源機制解，為斜傾滑型。

3.4.2 S3巖塊中的轉(zhuǎn)換應(yīng)力場

T軸與上盤運動方向一致，與斷層面的傾向、傾角一致，N、P軸在垂直T軸面內(nèi)呈0°～180°的旋轉(zhuǎn)變化，可出現(xiàn)地震的震源機制解從走滑逐漸變?yōu)閮A滑。討論兩種特殊情況：

(1)N軸與斷層面正交，N軸與斷層面近于垂直，P軸平行斷層面，其方向與斷層的走向一致，當斷層面緩傾角時，這時發(fā)生的地震，其震源機制解為走滑型，圖2中的3號地震震源機制解，圖1中的4號地震的震源機制解。

(2)N軸與斷層面平行，N軸方向與斷層走向一致，近于水平，P軸正交斷層面，這時發(fā)生的地震，當斷層面緩傾角時，這時發(fā)生的地震，其震源機制解為正傾滑型，即圖2中6號地震；當斷層面傾角較大時，其震源機制解一節(jié)面近于直立，一個節(jié)面近于水平，為一個斜傾滑型地震，即圖2中的4號地震震源機制解，圖1中的8號地震的震源機制解。

4 討論與結(jié)語

根據(jù)大多數(shù)對汶川地震深度和斷層面的傾角的研究認為，龍門山斷層在15～20km,斷層面的傾角較小，約0°～10°。汶川MS8.0主震震源深度，美國地質(zhì)調(diào)查局 （USGS）定為19 km，中國地震臺網(wǎng)中心定為14 km[9]。

按中國地震臺網(wǎng)中心定的14 km，此處斷層面的傾角較大，若在30°～50°，根據(jù)逆傾滑型震源機制解，反推龍門山逆斷層在主壓應(yīng)力為NW-SE的構(gòu)造應(yīng)力場作用下，在龍門山由NW向SE仰沖沿斷層面的粘滑而引發(fā)地震。即地震發(fā)生在斷層面上，是粘滑機制產(chǎn)生的，如圖2中的0號地震。

按美國地質(zhì)調(diào)查局 （USGS）定的19 km深度，此處斷層面的傾角較小，接近0°根據(jù)逆傾滑型震源機制解，反推龍門山逆斷層在主壓應(yīng)力為NW-SE的構(gòu)造應(yīng)力場作用下，在龍門山由NW向SE推覆，不可能是斷層面上的粘滑產(chǎn)生的地震。若是粘滑產(chǎn)生的地震，其震源機制解應(yīng)是斜傾滑型的震源機制解，如像圖2中的2號地震。若要發(fā)生逆傾滑型震源機制解，只有在近0°的斷層面上的上盤S1巖塊中的轉(zhuǎn)換應(yīng)力場作用下產(chǎn)生的新的剪切破裂而引發(fā)的地震，如圖2的5號地震。

汶川余震震源機制變化的原因，是在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，龍門山逆斷層上、下盤的巖塊作逆沖滑動中，不同段的巖塊滑動快慢不一，滑動快的巖塊對前方鄰接巖塊產(chǎn)生擠壓，對后方鄰接巖塊產(chǎn)生拉張的轉(zhuǎn)換應(yīng)力場，在這轉(zhuǎn)換應(yīng)力場作用下，前方鄰接巖塊和后方鄰接巖塊產(chǎn)生新的剪切破裂。

關(guān)于轉(zhuǎn)換應(yīng)力場引起震源機制變化只討論了兩種特殊情況，實際上余震震源機制解由走滑型逐漸變化到傾滑型都可能發(fā)生，因此，會出現(xiàn)許多由走滑型到傾滑型過度類型。

由于龍門山斷裂在走向和傾向上的變化，也會增加余震震源機制解變化的多樣性。

[1]劉 超，張 勇，許力生，等.一種矩張量反演新方法及其對2008年汶川MS8.0地震序列的應(yīng)用 [J].地震學(xué)報， 2008， 30 （3）： 329-340.

[2]魏柏林.震源機制變化的機理轉(zhuǎn)換應(yīng)力場[M].北京：地震出版社.1994，62-111.

[3]魏柏林.余震震源機制變化的原因[J].地球物理學(xué)報，1980，23（1）:25-34.

[4]Fitch，T.J.,Scholz,C.H..Mechanism of underthrusting in southwest Japan:a model of convergent plate interactions[J].JGR,1972,76(29):7260-7292.

[5]顧浩鼎，陳運泰.1975年2月4日遼寧省海城地震的震源機制[J].地球物理學(xué)報，1976，19（4）:27-28.

[6]Evison,F.F.,et al.,Late aftershocks,tectonic stress and dilatancy[J].Nature， 1973， 246:5433-5435.

[7]Byerlee,J.D.,Brace,W.F.Stick-slip,stable sliding and earthquakes effect of rock type,pressure,strain rate and stiffness[J].J.G..R.,1968,73:6031-6037.

[8]Kiyoo Mogi,1.arthquake as fractures in the earth[J].Advances in rock mechanics I.A，974,559-568.

[9]徐錫偉，聞學(xué)澤，葉建青，等.汶川MS8.0地震地表破裂帶及其發(fā)震構(gòu)造[J].地震地質(zhì)，2008，30（3）:597 -629.

Cause of the Change of Focal Mechanisms of Wenchuan Aftershocks

WEI Bolin， LIU Tepei，CHEN Yutao
(Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070,China)

The main shock of the earthquake (MS8.0,May,12,2008)at Wenchuan is reverse dip slip with mainly press stress axle NW-SE.And then the focal mechanism solutions of some aftershocks are the same with the main shock and the others are obviously different,have progressively changed to strike slip type from the south to the north.The main shock and some of the aftershocks with the same focal mechanism solutions of the main shock are reverse dip slip earthquakes that caused by glue slipping along the fault plane between the upper and lower plates of the reverse fault that is induced by the pushing and cover body of the Longmen mountain which rushed against the massif of Sichuan directly formed by the tectonic stress field.So the three axles of its focal mechanism solutions are in basically conformity with the tectonic stress field.While aftershocks of strike slip type are not the result directly formed by tectonic stress field.It is that this type of earthquakes do not broke out along the fault plane of the reverse fault so that it is not glue slipping,but is due to the transform stress field,formed by the quicker rock of different slipping speed rocks with small lump of being bad integrative (or body formed with different mediums) pressing the ahead neighbouring rock and pulling out the back neighbouring rock along the upper and lower plates of the reverse fault which plained with bad mixed matter,different frictions and binding.The focal mechanism solutions of aftershocks changed regularly is formed by the new shear fracture occurred in the ahead and back neighbouring rocks on the effect of this kind of some stress field.

Wenchuan aftershocks;Variation of focal mechanism;Longmenshan reverse fault;Transformed stress field

P315.332

A

1001-8662（2011）04-0062-08

2011-06-06

魏柏林，男，19375年生，研究員.主要從事大地構(gòu)造、發(fā)震構(gòu)造、震源應(yīng)力場與構(gòu)造應(yīng)力場及誘發(fā)地震的研究.E-mail:653418597@qq.com.