地震各向异性研究是揭示断层变形机制的最有力手段之一。通常认为地壳中的各向异性机制有两种：一种是在水平主压应力作用下，地壳浅部微裂隙定向排列所造成的各向异性；另一种是在断层邻近区域，由于断层两侧块体相对运动形成的与走向一致的结构面所引起的各向异性。横波分裂分析是研究地震各向异性最直接的方法，但其测量的是沿射线路径的累积效应，深度分辨率往往受到限制。体波走时各向异性成像可以获得高分辨率三维各向异性结构，近年来被广泛应用于区域尺度各向异性研究。中国科学技术大学地球和空间科学学院地震与地球物理内部实验室、科技部蒙城野外科学观测站张海江教授课题组刘影特任副研究员将P波走时层析成像应用于芦山地震发震区，揭示了芦山地震共轭断层在浅部无震区的强变形，并首次在小尺度区域将P波走时方位各向异性成像结果和横波分裂各向异性成像结果进行了直接的对比。近日，该研究以《Conjugate Fault Deformation Revealed by Aftershocks of the 2013 Mw6.6 Lushan Earthquake and Seismic Anisotropy Tomography》为题，发表于国际著名地球物理学期刊Geophysical Research Letters。
2013年4月20日，在龙门山断裂带南段，距离2008年汶川Mw 7.9级地震约80 km处，四川省雅安市芦山县发生了Mw 6.6级地震，造成了人员伤亡和大量房屋垮塌，引起了学者们的广泛关注。研究表明，芦山地震为逆冲型地震，震源深度约为13 km，同震滑移分布在深度5-20 km，在地表没有观测到明显破裂(Fang et al., 2013; Hao et al., 2013; Xu et al., 2013)。主震之后发生了大量余震，地震的重定位结果显示，大多数余震发生于深度～8 km以下，揭示了位于孕震区呈y型分布的共轭断层。为进一步研究芦山地震的发震构造和变形机制，主震发生后一周内，中国科学技术大学和中国地质科学院地质力学研究所联合布设了29个三分量地震仪，在三周内共监测到约4200个余震（图1）。基于丰富的地震序列，张海江教授课题组首先进行了余震重定位和各向同性速度成像（Zhang et al., 2013）。余震重定位结果显示，存在明显的浅部无震区（～8 km以上）和深部孕震区（8-20 km）。速度成像结果呈现无震区整体低速、孕震区整体高速的特征，并未观测到明显的跨断层速度变化（图2）。
图1. （a）研究区域及其周边地区的构造背景图。（b）本研究所用的余震事件和台站分布平面图。图中黄色五角星为芦山地震主震，圆点为所布设临时台站监测到的余震，圆点的颜色代表震源深度。
图2.沿垂直断层剖面的各向同性Vp模型（a）、各向同性Vs模型（b）及P波方位各向异性模型（c）。红色五角星为芦山地震主震，黑色圆点为与垂直剖面相近的余震。各向同性速度Vp及Vs模型来自Zhang et al. (2013)。
基于丰富的地震体波走时资料和良好的射线路径方位角覆盖，该研究将P波走时方位各向异性成像应用于芦山地震，获得了芦山地震孕震区至无震区的高分辨率三维方位各向异性结构，并与Liu et al.(2015)在同一研究区域开展的横波分裂各向异性研究进行了直接的对比（图2）。结果显示，芦山地震发震区的上地壳各向异性机制不是唯一的，断层周边的强各向异性区域以平行于断层走向的方位各向异性为主，推测是由断层向上逆冲过程中的断层两侧块体相对运动所导致。弱各向异性区域的P波快轴方向偏离断层走向，与区域水平最大主压应力方向一致，这与微裂隙或裂缝的定向排列相关。值得注意的是，在P波走时各向异性成像所获得的三维高分辨率方位各向异性模型中，强各向异性区并未停止在深部的孕震区（～8 km以下），而是一直延伸至浅部的无震区（图3）。从强各向异性区的位置分布来看，存在与共轭断层两支分别对应的强各向异性条带。在深部孕震区，强各向异性条带位于由余震分布所揭示的共轭断层之上，倾向与共轭断层基本一致。在浅部无震区，强各向异性条带的倾角增大，近乎垂直于水平面。因此，该研究认为，共轭断层的变形并非只存在于深部孕震区，在浅部无震区也存在着由于断层逆冲推覆所导致的断层变形对应的强各向异性，揭示了共轭断层在无震区的形态。
图3.P波方位各向异性模型的三维视图，图中展示了深度为0，3，6，9 km的水平剖面和Y=5 km的垂直剖面。
通常，地震分布和速度结构被认为是研究断层形态和其应力特征最常用的手段。地震位置可以揭示断层形态，但其十分受限于地震分布，无法获知无震区的断层变形。当断层两侧存在较大的速度差异时，速度结构可以用于刻画断层区域精细结构，揭示其应力特征。相对而言，地震波各向异性对于地壳中断层的变形更加敏感。在芦山地震发震区，余震分布和速度结构都未揭示浅部无震区断层变形，而该研究通过小尺度高分辨率P波走时各向异性研究清晰的揭示了共轭断层在浅部的强变形状态，表明了体波走时各向异性对于研究小尺度断层变形机制的重要性。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国留学基金委联合资助。论文第一作者为刘影博士，通讯作者为张海江教授，第一单位为中国科学技术大学地球和空间科学学院地震与地球内部物理实验室，与牛津大学Michael Kendall教授和布里斯托大学James Wookey教授合作完成。
文章链接：http://doi.org/10.1029/2021GL092563
参考文献：
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Hao, J., Ji, C., Wang, W., Yao, Z., 2013. Rupture history of the 2013 Mw 6.6 Lushan earthquake constrained with local strong motion and teleseismic body and surface waves. Geophysical Research Letters, 40(20), 5371-5376.
Liu, Y., Zhang, H., Zhang, X., Pei, S., An, M., Dong, S., 2015. Anisotropic upper crust above the aftershock zone of the 2013 Ms 7.0 Lushan earthquake from the shear wave splitting analysis. Geochemistry Geophysics Geosystems, 16(10), 3679-3696.
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