初步研究及考察成果（一）
2008 年5 月12 日汶川特大地震震源特性分析報告
陳運泰 許力生 張勇 杜海林 馮萬鵬 劉超 李春來
中國地震局地球物理所，北京 100081
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一、震源機制
1、2008 年5 月12 日14 點28 分主震震源機制
從全球長周期台站挑選了如圖1 左圖所示的18 個台站的垂直向波形資料通過矩張量反演得到的這次主震震的矩張量解及其最佳雙力偶解如圖1 右圖所示。使用的資料采樣率為1sps，資料的頻率範圍為0.005~0.02Hz。結果表明，這次地震是一次以擬衝為主、兼少量右旋走滑分量的地震。斷層向西北方向傾斜，走向為229°。這次地震釋放的標量地震矩為4.4 ×1021 Nm，震級為Mw8.3。其它參數見表1、2 和3。觀測地震圖和合成地震圖的比較如圖2 所示。
圖 1 長周期台站分布（左）；矩張量解及其震源機制解（右）
圖2 觀測地震圖與合成地震圖的比較。上面的波形為觀測地震圖，下面的波形為合成地震圖。
表1 2008 年5 月12 日汶川主震震源參數
表2 2008 年5 月12 日汶川主震矩張量解（10e21 Nm）
表3 2008 年5 月12 日汶川主震最佳雙力偶解
2、2008 年5 月12 日20 點強余震震源機制
從全球寬頻帶台站挑選了如圖3 左圖所示的12 個台站的垂直向波形資料、通過矩張量反演得到的這次強余震的矩張量解及其最佳雙力偶解如圖3 右圖所示。使用的資料采樣率為5sps，資料的頻率範圍為0.005~0.05Hz。結果表明，這次地震是一次以擬衝為主、兼少量右旋走滑分量的地震。斷層向西北方向傾斜，走向為226°。這次地震釋放的標量地震矩為4.9 ×1017 Nm，震級為Mw5.7。其它參數見表4、5 和6。觀測地震圖和合成地震圖的比較如圖4 所示。
圖3 寬頻帶台站分布（左）；矩張量解及其震源機制解（右）
圖4 觀測地震圖與合成地震圖的比較。上面的波形為觀測地震圖，下面的波形為合成地震圖。
表4 Mw5.7 余震震源參數
表5 Mw5.7 余震矩張量解（10e17 Nm）
表6 Mw5.7 余震最佳雙力偶解
3、2008 年5 月13 日7 點強余震震源機制
從全球寬頻帶台站挑選了如圖5 左圖所示的12 個台站的垂直向波形資料，通過矩張量反演得到的這次強余震的矩張量解及其最佳雙力偶解如圖5 右圖所示。使用的資料采樣率為5sps，資料的頻率範圍為0.005~0.05Hz。結果表明，這次地震是一次以擬衝為主、兼少量右旋走滑分量的地震。斷層向西北方向傾斜，走向為204°。這次地震釋放的標量地震矩為1.9 ×1018 Nm，震級為Mw6.1。其它參數見表7、8 和9。觀測地震圖和合成地震圖的比較如圖6 所示。
圖5 寬頻帶台站分布（左）；矩張量解及其震源機制解（右）
圖6 觀測地震圖與合成地震圖的比較。上面的波形為觀測地震圖，下面的波形為合成地震圖。
表7 Mw6.1 余震震源參數
表8 Mw6.1 余震矩張量解（10e18Nm）
表9 Mw6.1 余震震源參數最佳雙力偶解
二、遠場台陣數據分析
美國阿拉斯加區域台網（Alaska Regional Network，簡稱AK），由25 個寬頻帶台站構成，其中有24 個台站成功地記錄到我國四川省汶川縣特大地震。我們挑選其中17 個台站構成台陣，這個台陣距離震中約7000km（圖7）。僅利用垂直向波形記錄，借助於非平面波台陣技術，追蹤了這次地震的能量輻射源隨時間和空間的變化過程。我們所使用的資料為P 波初動後120 秒的直達波。在數據分析之前，采用0.2~10Hz 的4 階巴特沃斯零相移帶通濾波器對原始記錄進行了濾波。分析所采用的滑動窗長為20 秒，移動步長為1 秒，空間搜索精度為0.01°。由此得到的能量輻射源的位置如圖8 所示。分析表明，這次地震能量輻射源跨度達600km，但主要能量釋放發生在前80 秒，在這段時間內的破裂長度約300km，位於震中東北方向，由此推斷的平均破裂速度約3.1km/s。換句話說，這次地震開始於汶川縣震中位置，然後以3.1km/s 速度向東北方向傳播300km，最後，破裂反向傳播，在震中西南也有微弱的能量輻射。
圖7 2008 年5 月12 日四川省汶川縣特大地震震中位置與使用台陣的相對位置。紅色菱形表示震中位置，白色三角形表示AK 台陣
圖8 2008 年5 月12 日四川省汶川縣特大地震的破裂傳播圖像。圖中的黃色菱形為地震震中或地震斷層的初始破裂點，圓圈用來描述地震斷層的破裂傳播過程，圈的大小表示地震能量的相對大小，圈的顏色由深到淺表示傳播的先後順序。
圖9 2008 年5 月12 日四川省汶川縣特大地震能量輻射源相對於震中的距離隨時間的變化。
圖10 2008 年5 月12 日四川省汶川縣特大地震過程中破裂速度隨時間的變化。
三、基於全球台網的寬頻帶波形資料的震源過程分析
為保證足夠長的直達P 波波形和理想的台站分布，我們選用全球範圍內最小方位角間隔為5°的21 個震中距超過7000km 的長周期遠震台站的資料（圖11）。綜合多種地震矩張量的反演結果，經過多次試解之後，我們選取的發震斷層參數為：走向230°/傾角39°/滑動角120°。反演分析中所使用的格林函數是基於IASPEI91 全球速度模型計算的。對觀測資料和格林函數都使用了0.002—0.2Hz的濾波器。
圖11 震中和所使用的台站位置分布。
圖2 （a）觀測波形；（b）格林函數波形。圖中的波形包括了P 波初動之前的10s
首先給定一個走向230°/傾角39°/滑動角120°的斷層平面（圖12），此斷層面的尺度為：走向方向620km，傾向方向50km。將此斷層分別在走向方向和傾向方向均勻地分成31×5 塊子斷層，因此每個子斷層的尺度為20km×10km。設定震源（初始破裂點）位於走向方向第21 個，傾向方向第2 個子斷層。
反演得到的斷層面上的靜態位移分布如圖13 所示，最大靜態位錯約為6.7m，平均滑動量1.5m，最大滑動速率為1.2m/s，平均滑動速率為0.3m/s。整個破裂以單側破裂為主，主要的破裂向北東方向傳播了約200km，但在北東方向300km處也存在著較小的滑動位移量（<1m）；在震中西南方向，滑動位移和破裂延伸範圍總體上都比較校從最大滑動位移的分布位置來看，最大靜態滑動位移主要位於震中和震中北東方向100km 以內；另外在震中北東方向150km 左右，也存在著最高達4.4m 的靜態滑動位移。整個斷層面上的滑動位移分布比較零散，說明破裂在傳播過程中遭遇了多個障礙體的阻擋，因此在受阻擋區域出現破裂空區。
圖14 所示的震源時間函數結果反映了此次地震破裂的時間過程。破裂大致由3 個主要的子事件組成。第一個子事件為位於0—15s，這個時間內釋放了整個過程的16%的地震矩；第二個子事件開始於第17s，結束於第46s，為本次地震過程中最大也是最主要的一次事件，釋放了63%的地震矩；最後一次事件在第48s 和第60s 之間，同樣釋放了16%的地震矩。第60s 以後，總體上整個破裂已經基本完成，破裂進入愈合階段，仍有一些地方在繼續發生斷斷續續的破裂，這些破裂只占所有地震矩的5%。因此，此次地震的主要能量釋放時間大約為60s，比根據台陣資料分析的結果短20s。圖15 展示了破裂沿走向方向的延伸情況，可以看出，整個地震過程中，破裂主要向北東方向延伸，經過估算，得到此次的平均破裂速度約為2.8km/s。圖16 給出了此次反演得到的21 個台站處觀測波形與合成波形的比較。大多數台站的相關系數都非常高，意味著反演結果對資料的解釋程度較好。這從一個方面驗證了此次反演結果的可信性。
另外，需要指出的是，從滑動量的靜態位移分布看，滑動區域之間存在空區，已經發生的余震也沒有完全填充這些空區。這些空區很可能是未來發生強余震的地方。
圖12 斷層面劃分的子斷層示意圖。白色八角星表示震中
圖13 斷層面上的靜態位錯分布。白色八角星表示震中，小圓點為余震在斷層面上的投影
圖14 地震震源時間函數
圖15 破裂沿走向方向的延伸情況
圖16 觀測波形和合成波形的比較。粗線表示觀測波形，西線表示合成波形。每個子圖中，左邊從上到下依次為：觀測波形最大幅度，相關系數，合成波形最大幅度；右邊由上到下依次為台站名，震相名
四、汶川地震同震位移場計算
基於彈性半空間位錯理論，利用從地震波形資料反演得到的發震斷層靜態滑動量分布(圖17)，計算了2008 年05 月12 日四川汶川主震造成的近斷層地表位移分布，包括南北、東西和垂直3 分量。
圖 17 發震斷層靜態位移分布
計算表明，地表最大標量位移> 4m，位於成都西北（103.9°E，31.73°）附近，距離都江堰市僅30 余公裡。形變較大的區域覆蓋了汶川、茂縣、理縣和北川等四縣。
在垂直斷層走向方向以120km 間距提取5 條剖線，每條剖線采點5000 個，分別標記為prof_0，prof_1，…，prof_4，如圖21 所示。這5 條剖線清楚地表明沿斷層不同點的位錯大小，如圖22-A、B、C 和D。
表1 位移量統計表
圖18 利用圖17 所示的斷層模型計算的地表位移場（標量）。圖中的藍色圈和圖8 中的相同。
圖19 利用圖17 所示的斷層模型計算的地表位移場（垂直分量）。圖中的藍色圈和圖8 中的相同。
圖 20 利用圖17 所示的斷層模型計算的地表位移場（南北分量）。圖中的藍色圈和圖8 中的相同。
圖21 利用圖17 所示的斷層模型計算的地表位移場（東西分量）。圖中的藍色圈和圖8 中的相同。
圖22 位移剖面示意圖
五、震源機制隨時間和空間的變化
總體上講，這次地震是一次以逆衝為主兼一定走滑分量的地震，矩震級為Mw8.3。但這次地震的震源機制比較復雜，在震源過程中震源機制隨著時間和空間在發生變化。如果將整個地震過程分成7 個階段，那麼，在地震的開始階段表現為逆衝為主，但後來逐漸轉變為以走滑為主。7 個階段對應的地震震級分別為Mw7.1、Mw7.1 Mw7.6、Mw7.4、Mw7.4、Mw7.4 和Mw7.2（圖23）。圖24 比較了觀測地震圖和合成地震圖，可以看出，用變機制的斷層模型可以更好的解釋觀測地震圖。
圖23 2008 年5 月12 日四川省汶川縣特大地震的震源機制隨時間和空間的變化。
圖24 觀測—合成波形比較，粗線表示觀測波形，西線表示合成波形。每個子圖中，左邊從上到下依次為：觀測波形最大幅度，相關系數，合成波形最大幅度；右邊由上到下依次為台站名，震相名