中国科学: 地球科学 2013年 第43卷 第6期: 1064 ~ 1072
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中文引用格式: 陈运泰, 杨智娴, 张勇, 等. 从汶川地震到芦山地震. 中国科学: 地球科学, 2013, 43: 1064–1072 纽约时代广场英文引用格式: Chen Y T, Yang Z X, Zhang Y, et al. From 2008 Wenchuan earthquake to 2013 Lushan earthquake (in Chinese). Scientia Sinica Terrae, 2013, 43:
1064–1072
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
论 文
从汶川地震到芦山地震
陈运泰*, 杨智娴, 张勇, 刘超
中国地震局地球物理研究所, 北京 100081 * E-mail: chenyt@cea-igp.ac
收稿日期: 2013-05-14; 接受日期: 2013-05-22; 网络版发表日期: 2013-06-05 国家自然科学基金项目(批准号: 41090291)资助
摘要 本文概述作者在龙门山断裂带中、小地震精确定位、地震活动性以及2008年汶川M W 7.9(M S 8.0)地震和2013年芦山M W 6.7(M S 7.0)地震破裂过程等方面所做的研究工作. 这些工作表明, 青藏高原东缘的龙门山断裂带不但是一条规模宏大的断裂带, 也是一条非常活跃的地震带. 通过对地震构造、地震活动性、地震矩释放“亏空”区以及余震活动规律的分析, 作者在汶川地震后提出了龙门山断裂带西南段宝兴-小金一带存在发生M W 6.7~7.3地震的潜在危险性的地震趋势估计. 芦山地震的发生初步验证了这一估计. 芦山地震发生后作者进一步做的分析结果表明, 芦山地震的发生并没有显著地缓解龙门山断裂带西南段的地震危险性, 该地段整体上仍存在发生M W 7.2~7.3地震的潜在危险性; 特别是, 其北段(即邛崃大邑西-宝兴 北-汶川南一带)存在发生M W 6.8地震的潜在危险性; 其南段(即天全-荥经-泸定-康定一带)存在发生M W 7.2地震的潜在危险性. 作者认为, 应当强化对上述具有潜在地震危险性区域的监测与多学科综合研究. 关键词 芦山地震 汶川地震 地震精确定位 地震破裂过程 地震危险性
据中国地震台网中心测定, 2013年4月20日北京时间上午08时02分46秒, 四川省雅安市芦山县境内发生
了面波震级M S 7.0地震, 震中位置: 30.3°N, 103.0°E, 震源深度: 13.0 km. 另据美国地质调查局国家地震信息中心(USGS/NEIC)报道, 发震时刻: 00时02分47.5秒UTC (协调世界时); 震中位置: 30.308°N, 102.888°E; 震源深度: 14.0 km; 矩震级M W 6.6. 截止至05月17日16时00分, 共记录到余震9294次, 其中M ≥3.0余震132次, 包括3.0≤M <3.9地震106次, 4.0≤M <4.9地震22次, 5.0≤M <5.9地震4次.
芦山地震是继2008年5月12日汶川M W 7.9地震以来在青藏高原东缘的龙门山断裂带上发生的又一次
灾害性地震事件. 截止至24日14时30分, 芦山强烈地震已造成196人死亡, 失踪21人, 11470人受伤.
芦山地震发生于龙门山断裂带上的西南段, 该段是汶川地震时龙门山断裂带没有发生破裂的特殊地段. 为什么会发生芦山地震? 芦山地震是如何发生的? 它的发生对于龙门山断裂带及其周边地区的地震活动性究竟有何影响? 等等, 都是亟待研究解决的问题. 为此, 本文通过概述作者自2003年以来开展的与龙门山断裂带地震精确定位、地震活动性以及汶川地震和芦山地震的破裂过程有关的研究工作, 对芦山地震的发生及其可能的影响做一初步分析与探讨.
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1 芦山地震的地震构造背景与龙门山断裂
带的地震活动性
芦山地震发生于青藏高原东缘的龙门山断裂带西南段. 龙门山断裂带是一条长约500 km 、宽约30~50 km 沿NE-SW 方向展布的巨大断裂带, 其断层滑动以逆冲为主, 兼具右旋走滑分量. 按照由西向东的顺序, 龙门山断裂带主要包含龙门山后山断裂(茂县-汶川断裂)、中央断裂(映秀-北川断裂)和山前断裂(安县-灌县断裂, 亦称彭县-灌县断裂、江油-灌县断裂)(参见文献[1]中的图1). 这些断裂都以逆冲滑动为主, 兼具一定的右旋走滑分量; 在龙门山断裂带的东北段, 右旋走滑分量更大[1~3].
杨智娴等[4~6]在汶川地震之前, 曾经运用国际上刚开始兴起的最先进的“双差定位法”[7]对包括松潘-平武、龙门山断裂带等在内的我国中西部地区1992~1999年发生的10057个中、小地震重新定位. 在10057个地震中, 经过重新精确定位的6496个地震显示了该地区的清晰的中、小地震活动性图像, 揭示出以往的定位结果未能揭示出的该地区的中、小地震活动性图像与断裂带的关系(见文献[6]中的图4), 表明在龙门山断裂带上, 虽然未有发生过7级以上大
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地震的历史记载, 但近期中、小地震(震级M <7的地震)活动非常活跃, 分布在一条长约470 km 、宽约50 km 的地带上, 使得龙门山断裂带成为非常具有地震危险性的一条断裂带(见文献[6]中的图4和图10).
汶川地震的发生是沉寂多年的龙门山断裂带的一次集中的能量释放. 汶川地震发生后, Yang 等[8,9]运用同一方法对汶川地震的余震重新精确定位(图1(b)). 余震重新精确定位结果表明, 汶川地震的余震(图1(b)主图中的绿实心圆)主要分布在NE-SW 向的龙门山断裂带从映秀到青川约350 km 的地段, 清楚
地表明汶川地震便是发生在这条长达470 km 的龙门山断裂带上约350 km 的地段上的大规模的破裂. 龙门山断裂带西南段即从汶川地震的余震区南端至康定大约120 km 的地段(以下简称“西南段”), 是汶川地震的余震在主震西南方向未延伸到“历史上”曾经发生过地震的范围, 是在汶川地震破裂中未破裂的、值得警惕的特殊地段.
2 汶川地震与芦山地震的震源特性
2.1 汶川地震
从2003年开始, 作者致力于研究发展地震破裂
图1 龙门山断裂带在汶川地震前(1992~1999)的地震活动性[6]
(a)和汶川地震的余震分布[8]
(b)
图1(a)摘引自文献[6]的图10, 表示龙门山断裂带及其附近地区在1992~1999年发生的地震(黑实心圆)的分布, 右侧是沿主图所示的BB ′剖面的地震分布图, 右下角是沿主图所示的CC ′剖面的地震分布图. 在图1(a)中, 文献[6]原图10中的其他地震带如冕宁地震带、宜宾地震带、内江地震带的剖面图均从略. 汶
川地震是发生在长达470 km 的龙门山断裂带(图1(a))上长约350 km 的地段(图1(b))上的大规模破裂. 图1(b)是汶川地震发生后用同一方法对汶川地震的余震重新精确定位的结果, 引自文献[8]中的原图. 在图1(b)主图中, 绿实心圆表示汶川地震余震震中, 左侧是沿SW-NE 剖面即图1(a)的BB ′剖面的余震(黑实心圆)分布图, 右下角是沿NW-SE 剖面即图1(a)的CC ′剖面的余震(黑实心圆)分布图. 在图1(b)主图中, 在汶川地震破裂中未破裂的龙门山断裂带西南段(即从汶川地震的余震区南端至康定大约120 km 的地段), 以蓝
斜线及问号予以突出(图中表示芦山地震震中的红星号及红框中的文字系芦山地震后新加)
陈运泰等: 从汶川地震到芦山地震
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过程快速反演的实用方法, 目标是在重大地震发生后能以尽可能快的速度、准实时地反演地震观测资料得出表征地震震源特性的参数, 包括: 表示地震机制的矩张量, 表示地震大小的地震矩或与其相当的矩震级, 地震破裂面的大小、地震断层滑动量即错距的方向与大小的分布、地震破裂的动态进程及其致灾效应, 等等, 为震后快速反应、应急救援决策提供参考. 该方法完成于2008年5月汶川地震前数日, 在汶川地震后首次得到成功应用(张勇[10]和刘超等[11]). 汶川地震发生后4个多小时, 张勇等[10]和刘超等[11]根据全球地震台网(GSN)的数字地震记录用各自独立的方法得到了相当一致的结果(据陈运泰等[齐河县人民政府
12]), 这就是: 汶川地震的发震断层走向为225°、倾角为39°、滑动角为120°(据张勇等[13]), 或: 走向为220°、倾角为32°、滑动角为118°(据刘超等[11]). 结果表明, 汶川地震是一次以逆冲为主、兼具小量右旋走滑分量的规模宏大的地震事件, 地震破裂以既有朝NE 方向破裂、也有朝SW 方向破裂的方式进行, 但是是以朝NE 方向破裂为主的不对称双侧破裂, 地震破裂面即断层面长达300多千米, 以32°~39°的倾角向西北倾斜, 从地面斜向地下延伸, 宽度将近50 km, 相当于深度达约30 km; 汶川地震是在破裂长度超过300 km 的发震断层上发生的、破裂持续时间长达90 s 的一次复杂的震源破裂过程, 整个断层面上的平均滑动量即平均错距约2.4 m, 但断层面上滑动量的分布很不均匀, 有4个滑动量集中且破裂贯穿到地表的区域, 其中最大的两个: 一个在汶川-映秀一带下方, 最大滑动量(也是本次地震的最大滑动量)所在处在震源(破裂起始点)附近, 达7.3 m; 另一个位于北川一带下方, 一直延伸到平武境内下方, 其最大滑动量所在处在北川地面上, 达 5.6 m(据张勇[10]、张勇等[13]、刘超 等[11]和陈运泰等[12]).
由反演得到的结果进一步计算得到的地表永久位移场的分布特征与沿断层的地震灾害分布特征非常接近, 地表永久位移值较大的两个地区正好对应于地震后数月发表的烈度分布图显示的两个极震区，表明了汶川地震的大面积、大幅度、贯穿到地表的、以逆冲为主的断层错动是致使近断层地带严重地震灾害在震源方面的主要原因, 显示了极震区与贯穿到地面的逆冲断层错动的密切联系(据陈运泰等[12]), 也表明了由地震破裂过程快速反演得到的有关地震震源的许多信息不仅具有科学意义, 而且在为震后快速反
应、应急救援服务方面也具有明显的应用价值.
通过对最终(静态)滑动量分布的分析(图2), 作者在汶川地震震后数日公布于互联网上的“2008年5月12日汶川特大地震震源特性分析报告”[12]及学术研讨会上[14~16]提出: “在汶川地震时发生滑动的区域之间存在着地震矩释放的亏空区, 迄今已经发生的较大余震无论是数量还是强度也都未能基本上填充这些亏空区. 通常认为这种矩释放的亏空区是阻碍破裂的‘障碍体’, ‘障碍体’的破裂即为余震. 因此, 这些矩释放的亏空区很可能是未来强余震发生的地点.” 并指出“在汶川地震的破裂带上有两个比较大的破裂亏空区, 即迄今基本上没有发生过破裂的地方. 这两个破裂亏空区分别位于汶川东北约100 km (北川-平武间)和西南约100 km(宝兴-小金间), 是很有可能发生强余震的地区.” 根据这两个破裂亏空区面积的大小, 作者估计了这两个亏空区如果一旦破裂可能的震级的大小分别为M W 7.1与M W 7.3. 位于汶川东北约100 km 的亏空区在北川-平武间, 距离1933年8月25日叠溪M 7.5地震与1976年8月16日和8月23日松潘-平武两次震级均为M S 7.2的地震震中只有80~100 km. 对于这些地震的发生与汶川地震及该亏空区的关系, 以及该亏空区的地震危险性作者未做进一步的分析. 但是, 毫无疑问, 这是一个亟待研究的问题.
对于位于汶川西南约100 km 在宝兴-小金间(小金县城在宝兴县城西面约60 km 处, 但其辖区最东处与宝兴县城仅相距25 km, 固当时有此表述)的破裂亏空区, 按照其规模, 如果一旦发生一次性破裂, 应当相当于一个M W 7.3地震(图2(a), (b)).
汶川地震发生后余震活动最强烈的一周间, 一直没有发生特别大的余震, 都是M S 5.0~6.0左右(现在已经可以确认, 直至芦山地震发生前, 最大的一次余震是2008年5月25日发生的面波震级M S 6.4地震). 汶川地震的面波震级是M S 8.0, 矩震级是M W 7.9. 按照巴特定律[17], 最大余震的震级比主震的震级平均小约1.2级. 如果汶川地震是主震型地震的话, 其最大的强余震应该在M W 6.7左右. 但是注意到巴特定律离散相当大; 同时考虑到当时国际上不同的权威机构对主震震级的测定结果也有些分散, 在M W 7.9~8.3间, 因此作者当时提出: “如果汶川地震是主震型地震, 发生强余震的震级将很高, 约M W 6.7~7.1(图2(a)左边的浅红方框表示按主震震级M W =7.9, 8.0, 8.3估算, 最大余震的震级相应地应为M W =6.7, 6.8, 7.1);
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图2 汶川地震时断层面上最终(静态)滑动量的分布(a)及其在地面的投影[12~16](b)
滑动量集中且破裂贯穿到地表的两个区域(标为红与黄的区域)一个位于汶川-映秀一带下方, 另一个位于北川一带下方, 一直延伸到平武境内下方. 方框表示在汶川地震时发生滑动的区域之间存在着地震矩释放的“亏空”区. 图2(a)与2(b)两张图片引自2008年陈运泰[14~16]
所做学术报告的PPt 原始图片
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如果是双震型或强震型地震, 未来发生的地震可能比M W 6.7还要大. 这两种情况都警示一定要特别加强对强余震的监测, 并高度警惕‘晚期强余震’”.
综合以上分析, 作者把汶川地震发生后龙门山断裂带西南段发生汶川地震最大余震的震级估计为M W 6.7~7.3. 2013年芦山M W 6.7(M S 7.0)地震的发生验证了上述结论.
上述结果是汶川地震发生后作者对龙门山断裂带西南段的地震危险性的综合分析与趋势估计, 并非对该地段的“地震预测预报”. 如作者在过去发表的一些论文已述[18,19], 按照现今国际地震科学界普遍采用的、严格意义上的地震预测指的是“同时给出未来地震的位置、大小、时间和概率四种参数, 每种参数的误差(不确定的范围)小于、等于可以接受的合理数值”(据Wyss [20]和Jordan 等[21]). 虽然这个分
析结果不是对于龙门山断裂带的西南段的严格意义上的“地震预测预报”, 但对于汶川地震发生后该地段存在发生M W 6.7~7.3地震的危险性的分析判断无疑可为强化该地段的地震监测与研究提供有益的参考.
2.2 芦山地震
五年来, 地震破裂过程快速反演的方法以及地震矩张量快速反演方法已经列入作者对国际国内重要地震应急反应的工作范围, 在诸如国内云南宁洱地震、青海玉树地震、国际意大利拉奎拉(L’Aquila)地震、海地(Haiti)地震等有重要影响的地震发生后第一时间内提供地震的机制、规模(矩震级)、破裂过程、
可能的重灾区等信息, 为救灾减灾服务(据刘超 等[11,22~24]、张勇等[13,25,26]、Liu 等[27]和Zhang 等[28]). 从2008年10月5日至2013年5月15日已经提供了国内外132个有重要影响的地震的快速矩张量解, 其中震级大于等于5.5的国内地震58次, 震级大于等于7.0的国外地震74次. 目前, 地震矩张量快速反演从地震发生到发布的平均时间约为 2.5 h; 地震破裂过程快速反演从地震发生到发布的时间为3~5 h, 平均约为4 h(据Zhang 等[28]); 这些时间均包括记录资料下载时间在内, 并且主要是用于资料下载.
2.2.1 芦山地震的震源机制
芦山地震发生(2013年4月20日上午8:02北京时间)后, 刘超等[29]利用全球地震台网的数字地震观测资料, 迅速开展了地震矩张量快速反演工作, 在约一个小时后(9:04北京时间)发布和上报了芦山地震矩张量反演结果(图3). 反演结果表明(表1第2行), 芦山地震释放的标量地震矩M 0=1.6×1019 Nm, 相应的矩震级为M W =6.7, 最佳双力偶解的两个节面的参数分别为: 节面Ⅰ: 走向34°/倾角55°/滑动角87°; 节面Ⅱ: 走向220°/倾角35°/滑动角95°.
反演得到的芦山地震的断层面参数和主应力轴参数(图3, 表1第2行)与汶川地震的断层面参数和主应力轴参数(表1第1行)基本上一致, 它们的节面Ⅱ与龙门山断裂带的走向(NE-SW)与倾向(倾向西北)一致, 并且与NE-SW 走向的余震震中分布一致(图5主图). 据此可以确定节面Ⅱ(走向220°/倾角35°/滑动
角95°)为芦山地震的断层面, 这表明, 芦山地震是一个与汶川地震震源机制一致的以逆冲为主、但兼具比
陈运泰等: 从汶川地震到芦山地震
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图3 由矩张量快速反演得到的芦山地震矩张量解
本图展示2013年4月20日芦山地震后约1 h 在互联网上发布的由快速反演得到芦山地震的矩张量解的原始图件(见文献[12]). 图中按国际通用的规范格式分别以中文(右图)与英文(左图)给出地震的矩张量解. 芦山地震的矩张量解表明其震源机制为: 走向220°/倾角35°/滑动角95°, 与汶
川地震的震源机制(走向225°/倾角39°/滑动角120°)相当一致, 是一个以逆冲为主、但兼具比汶川地震还要小的右旋走滑分量的地震
汶川地震还要小的右旋走滑分量的地震.
2.2.2 芦山地震的破裂过程及其特征
2013年4月20日芦山地震发生後约3 h(北京时间11时01分08秒), 张勇等[30]按照大震应急的要求, 利用全球地震台网的数字地震记录反演了该地震震源破裂过程, 并对该地震震源的特性做了初步的分析(图4). 根据这一初步结果, 这次地震的标量地震矩M 0=1.7×1019 Nm, 相应的矩震级约为M W 6.8, 与刘超等[29]由矩张量反演得到的结果(M W 6.7)相近, 与美国地质调查局国家地震信息中心(USGS/NEIC)的结果(M W 6.6)亦相近; 断层面上最大滑动量约为1.3 m. 进一步分析表明, 芦山地震的震源及其破裂过
程具有如下与汶川地震不同的特征:
(ⅰ) 芦山地震滑动量较大的区域没有达到地面
但较靠近地面. 这意味着总体上地震破裂面没有扩展到地表(图4(b), (d)), 因此在极震区可能不出现破裂带; 或者即使有, 规模不会像汶川地震那么大. 预期可能替代破裂带出现的是在极震区有可能出现与较强烈变形相联系的“形变带”, 例如观察到喷沙冒水鼓包等宏观现象.
(ⅱ) 芦山地震具有长度方向与宽度方向等尺度的中、小地震的震源特征. 由于地震震级为M W 6.7~6.8, 没有达到但接近大震的下限M W 7.0, 属于中震里较大者(按照国际上通行的称谓, 5≤M W <7的地震称为中震, 7≤M W <8的地震称为大震, M W ≥8的地震称为特大地震, 等等). 不但总体上芦山地震的破裂没有扩展到地表面, 而且地震破裂面呈现长度方向与宽度方向等尺度(即大约相当)的中、小地震的震源特征. 具体地说, 总体上地震破裂面上滑动量集中的面积其长与宽
