看“排球”，识断层——针对地震地质学的沙滩排球课又双叒叕来了

针对地震地质学的沙滩排球课又双叒叕来了

上次我们教了一下沙滩排球，

大家反映有些地方学不懂，

需要实例来支撑。

正所谓，实践是检验真理的唯一标准。

前情回顾

为了简明描述一个断层，需要走向、倾角、滑动角三个物理量（上期的倾向应该为倾角更为准确）。

走向(strike)：断层的走向是断层面和水平面的交线。它有两个方向，相差180°，为了明确起见，规定选取站在上盘面对下盘向右看的方向为断层面走向，记作Ф。其取值范围为：[0°,360°)。

倾角(dip)：断层面与水平面所成交角，记作δ。其取值范围为：[0°,90°]。

滑动角(rake)：滑动矢量与断层面走向的夹角，记作λ。其取值范围为：[0°,360°)，有的是(-180°,180°]。

图1 断层示意图

震源机制：地震的滑动方向和发震断层的取向的总称。

震源机制球是包围地震震源A的一个假想的球壳（震源球）的下半部分在水平面的投影。断层面与球壳相交处表现为一条线。断层破裂时应力场取向控制着断层面上滑动的方向，沙滩球也描述了应力的取向，灰色（深色、红色）区域包含着反映最小应力方向的张力轴（T），而白色区域包含着反映最大应力方向的压力轴（P）。

图2 震源球投影示意图

地质学家希望通过震源机制解能够获得断层面的取向、上盘滑动方向以及地震涉及的断层类型。在几秒钟之内能够获得这些信息，对于主震-余震序列中一些震源机制解的分析可使得我们绘制沿断层滑动的片区，评估地震序列期间是否不止一个断层产生地震。对地震震源机制更复杂的定量分析有时能够识别断层扩展的方向。

怎么才能快速从震源机制解中读取这些信息呢？

大致可以分为三步：

第一步：

识别断层大致类型。通过观察震源球中心所在区域是深色还是白色，我们可以判断地震属于正断层还是逆断层。一般情况下，若沙滩球中心位于白色的压缩区域，代表正断层机制；若沙滩球中心位于深色的膨胀区域，代表逆断层机制；若沙滩球中心位于断层面和辅助线的交线上，四个象限分布比较均匀，呈较好的十字，代表走滑断层，倾角为90°。

图3 判断断层大致类型

第二步：

判断走向。由于震源机制球是震源球的下半部分在水平面的投影，常用的投影有乌尔夫网和斯密特网，正上方为正北方向，我们可以直接读出走向线的度数。

图4 常见的投影

但是值得注意的是辅助面和断层面都和震源机制球的基圆都有交点，我们暂时不能区分辅助面和断层面。

图5 震源球示意图

这里我们还需要注意，断层面和辅助面与基圆所夹锐角为断层可能的倾角。

这里有三个小窍门：

1、走向的读取时，基圆线一定要在辅助线或者断层面所夹倾角的左边；

2、两个可能的走向是成对的读取，即在深色区域两底角或者白色区域两底角；

3、震源球中心在白色区域，那么走向线应该读深色区域两底角；反之，震源球中心在深色区域，走向读取时，应该读白色区域两底角。

图6 走向和倾角读取示意图

第三步：

结合实际情况，判断辅助面和断层面，确定滑动角。震源机制解最大的难点是区分断层面和辅助面，这里需要借助地质信息。根据实际的地质信息，我们确定断层面后，剩下的是辅助面，由此可判断出滑动角，确定详细的断层信息。在判断滑动角的时候，我们需要根据已经确定的断层面，以此为起点，顺时针旋转90°为滑动角起点0°，然后滑动角逆时针旋转的度数为滑动角的大小。

图7 滑动角判断示意图

根据滑动角的范围，可以得到断层的类型。常见的分类如下图，其中关于滑动角的取值范围有两种，其取值范围为：[0°,360°)，有的是(-180°,180°]。

图8 滑动角和断层信息

利用震源机制解

图9 部分断层类型和相应的震源球

现在举个实例让大家看一看：

汶川地震▲▲▲

图10 汶川地震震源机制球

由震源机制球可以看到：

首先根据震源球中心是位于深色的膨胀区域，可以断定该断层是逆断层；

其次根据前面提到的小窍门，断层可能的两个走向大概为230°（倾角约40°）或者走向356°（倾角约60°）；

最后根据汶川地震当地的地质背景，其走线为230°左右，再根据震源机制球，其滑动角大概135°。由此可以得到汶川地震震源处断层的参数信息为：走向230°，倾角40°，滑动角135°，判断为右旋斜滑逆断层。

图11 汶川地震构造地质背景

龙门山断裂带总体走向N45°E，倾向NW。自北西向南东，龙门山逆冲推覆构造带由3条西倾的犁式主干断裂带组成，即龙门山后山断裂、中央断裂及前山断裂。每条断裂又分别由几个不同的段落组成。自北往南，龙门山后山断裂包括北段青川断裂、中段汶川-茂汶断裂；主中央断裂包括北段的茶坝-林庵寺断裂、中段的北川-映秀断裂与南段盐井-五龙断裂，其中映秀-北川断裂是龙门山逆冲推覆构造带中规模最大的一条断裂，它分隔了地壳浅层次的沉积岩与中深层次的变质岩以及岩浆杂岩，属超壳大断裂。

5月12日汶川地震的起始破裂点即位于北川-映秀断裂南端的映秀镇附近。江油-广元断裂、灌县-江油断裂和双石-大川断裂分别为前山断裂的北、中、南段。地质考察结果表明这几条主断裂带自第四纪晚期以来均显示由北西向南东的逆冲运动，并伴有显著的右旋走滑分量。

在一个地区的综合震源机制解，可以大致判断板块的运动方法和边界类型：

常见的有：

扩散边界=正断层；

图12 扩张型板块边界震源机制

汇聚边界=逆断层；

图13 汇聚型板块边界震源机制

走滑边界（转换断层）=走滑断层

图14 转换断层震源机制

参考文献：

【1】 Cronin V S. A primer on focal mechanism solutions for geologists[J]. 2004

【2】 陈运泰 顾浩鼎.震源理论基础[M]. 2011

【3】 赵翠萍, 陈章立, 周连庆, et al. 汶川Mw8.0级地震震源破裂过程研究：分段特征[J]. 科学通报, 2009(22):3475-3482

【4】 Seth Stein, Michael Wysession.An introduction to seismology, earthquakes, and earth structure[M]. 2002

【5】部分图片改编自网络