0 引言

据中国地震台网中心测定，北京时间2024年4月3日7时58分43秒，中国台湾花莲海域发生M_S7.3地震，震中位置23.81°N，121.74°E，震源深度12km。本次地震发生后，余震连续不断，截至2024年5月30日24时共记录到4.0级及以上余震128次，其中6.0~6.9级地震4次，5.0~5.9级地震27次，4.0~4.9级地震97次。最大余震为4月23日2时26分台湾花莲海域M_S6.3地震，距主震震中约14km。

中国台湾地处亚欧板块与菲律宾海板块碰撞汇聚部位。受太平洋板块向西运动的影响，菲律宾海板块以约78mm/a的速率向欧亚板块俯冲，致使台湾花莲地区地震活动极为频繁(USGS，2024)。自1900年以来，该地区200km范围内7.0级及以上地震共发生46次，其中8.0~8.9级地震2次，7.0~7.9级地震44次。最大地震为1920年6月5日台湾大港口东海中8.0级和1972年1月25日台湾台东县海域8.0级地震，分别距本次地震震中约103km和146km(图 1)。基于主震发震位置和震源性质，初步表明此次花莲海域地震可能是由于菲律宾海板块和欧亚板块之间的纵谷断裂所致。纵谷断裂位于台湾中部的中央山脉和东部海岸山脉之间，具有明显左行走滑特性，滑动速率可达20mm/a(郭晓非等，2024)，为逆冲断裂带。该断裂处于活动状态，是现今全球活动发育断层的地区之一。

为深入了解该地震的震源特征和发震机制，本文首先利用中国地震台网和全球地震台网宽频带地震记录反演花莲海域M_S7.3主震及4次6.0级以上中强余震的震源机制解，获得震源的静态参数结果；其次，基于反演的震源机制解，利用远震记录测定这些地震的辐射能量和破裂持续时间，获得震源的动态参数结果；最后，采用美国地质调查局(USGS)提供的Coulomb3.4软件包进行库仑应力分析，计算花莲海域M_S7.3主震对后续余震分布的影响，明确地震周边地区的应力增强区，为深入研究大地震发生后地震发震趋势提供参考依据。此外，综合静态和动态震源参数，探讨花莲海域M_S7.3主震发震构造及其孕震机制，为欧亚板块与菲律宾海板块的汇聚提供新的数据支撑，为研究台湾花莲地区的地震活动特征和孕育机制提供参考。

1 震源静态参数测定

利用W震相方法(Kanamori，1993；Kanamori et al，2008)求取台湾花莲海域M_S7.3地震主震震源机制解。由于W震相主要集中在上地幔内传播，因此较少受到地壳浅层结构不均匀性的影响。另外，W震相的传播速度比传统的面波速度快，可用来快速获取可靠的震源参数，适用于较大震级地震震源参数的快速测定以及为海啸预警服务(梁姗姗等，2018；史健宇等，2021)。本文利用中国地震台网中心和美国地震学研究联合会数据管理中心(IRIS/DMC)提供的地震垂直分量波形数据，选择震中距为5°~70°的199个台站进行计算，所选台站围绕震源处有较好的分布(图 2)。反演时，数据采用0.004~0.01Hz带通滤波器进行滤波，选取初至P波后15倍震中距(单位：°)的时间窗(单位：s)提取X震相，采用中国地震台网中心给出的震中位置作为矩心位置初始值。速度结构采用J-B全球一维走时模型(Jeffreys et al，1940)，采用简振正型叠加方法计算理论波形。

观测波形与W震相获得的震源机制拟合波形见 图 3，由图可见大部分波形拟合较好，波形拟合均方根残差仅为0.012mm。采用最小旋转角方法(万永革，2019)，对比不同地震研究机构给出的花莲主震震源机制解参数结果(表 1)。选取本研究得到的震源机制解为参考解，计算其与其他机构的最小旋转角，得到的最小旋转角在2.37°~8.11°之间，表明本文计算结果与其他机构给出的结果较为一致，进一步反映出本文反演过程及结果的可靠性。结合震源区的余震分布形态，初步推测节面Ⅱ(走向约18°)为可能的实际发震断层面，发震断层为NNW走向逆冲兼有少部分走滑趋势断层。

为更好地了解中国台湾花莲海域地震序列发震构造，利用ISOLA近震全波形拟合方法(Sokos et al，2008)反演4次强余震的震源机制解。选取高信噪比、记录完整的中国地震台网区域宽频带数字台站的12个三分量波形资料进行震源机制反演(图 4)。反演过程中，采用中国地震台网中心地震速报目录参数，以震中位置为起始点，震源深度方向搜索范围为1~40km，深度步长为1km，矩心时间偏移的搜索范围设为发震时刻前后5s，时间步长为0.05s，采用偏矩张量反演模式，基于单一点源模型在时间范围搜索震源机制最优解。将震源机制反演得到的波形互相关系数作为震源深度的函数，反演不同深度的震源机制解，以最大波形拟合系数相应的震源深度和震源机制解为最佳结果。震源机制反演使用基于陆地水库气枪和海上震源船作为激发震源等震相数据所构建的福建及台湾海峡一维速度模型(张红才等，2020)。应用离散波数法(Kennett et al，1979；Bouchon，1981)计算得到格林函数，采样频率为1Hz。

对花莲海域4次余震事件波形进行仔细筛选，得到这些地震事件的震源机制解(图 5)，具体震源参数如 表 2所示。由 图 5可以明显看出，尽管M_S7.3主震以及4次M_S≥6.0余震的震源错动类型均为逆断性质为主的地震事件，但主震后发生的主要余震破裂机制存在细微差别，在NE余震带的N端，早期中强余震具有较大的走滑分量，且断层面走向近NS向；而位于NE余震带S段晚期余震性质均为逆冲型为主，与主震性质和纵谷断裂构造特征相吻合。

2 震源动态参数 2.1 震源动态参数测定

利用全球地震台网(GSN)提供的宽频带记录，基于本研究反演的震源机制解，使用能流密度法(Haskell，1964；王子博等，2021、2023)开展此次地震主震和几次较大余震的辐射能量等震源参数的测定工作。以花莲海域M_S7.3主震为例，选取震中距在25°~80°范围内方位角覆盖良好的53个台站，测定此次地震的辐射能量(图 6)，将所有台站测定结果的平均值作为事件辐射能量，得到本次地震的辐射能量E_R为7.2×10¹⁵J，基于地震辐射能量E_R与能量震级M_e的转换公式M_e=2/3(lgE_R-4.4)，得到M_e为7.6。图 7为单台能量震级的偏差统计，标准差为0.31，单台测定结果对震中距变化不敏感，74%的单台结果平均偏差在±0.3以内，表明结果较为稳定。根据Bormann等(2009)给出的矩震级M_W与平均破裂持续时间T_avg的经验关系lgT_avg=0.6M_W-2.8，得到本次地震的平均破裂持续时间约为33s(图 8)，与张旭等^①利用远场体波数据反演得到此次地震的破裂持续时间35s基本一致。

① https://www.cea-igp.ac.cn/

Choy(2012)提出等效震级差ΔM=M_e-M_W，当ΔM≥0时，地震辐射能量异常高；当ΔM＜-0.5时，地震辐射能量异常低。本次主震M_e>M_W，作为一次逆冲型地震，震源辐射地震能量的效率偏高，与相似矩震级的地震相比，造成震动的能力较强，且破裂持续时间短，造成的破坏性大。

按照上述同样步骤得到4次M_S≥6.0余震事件的震源动态参数(表 3)。4次余震事件中，余震1的等效震级差ΔM＜-0.5，说明该事件震源辐射能量的效率偏低；余震3的等效震级差ΔM≥0，说明震源辐射能量的效率偏高，产生原因可能是该事件造成岭顶断层全段破裂，因此破坏性较强；余震2和余震4震源辐射能量的效率中等。4次余震均低于主震的能量释放效率，由于主震发生后，震源区长期积累的应力得到集中释放，应力值突然大幅度下降，剩余应力在短时间内破裂而产生的余震，其释放效率均明显低于主震。

2.2 主震、余震能矩比、视应力和应力降特征

Choy等(2006)给出全球浅源地震能矩比(地震辐射能量与地震矩的比值)平均水平为5.75×10^-6，本次主震能矩比为5.52×10^-5，高于全球地震平均水平。视应力σ_app可表示为能矩比与介质剪切模量μ的乘积，即

$ \sigma_{\mathrm{app}}=\mu \frac{E_R}{M_0} $

(1)

通过统计区域内不同地震的视应力大小，可以判断地震所在断层的累积能量释放水平，相比于能矩比更易于理解和分析。取剪切模量μ=3.0×10⁴MPa(Choy et al，1995)，可得到本次主震的视应力约为1.66MPa，高于全球平均水平0.5MPa(Choy et al，1995)。Singh等(1994)认为布龙应力降Δσ与视应力σ_app满足以下经验关系

$ \frac{\Delta \sigma}{\sigma_{\text {app }}}=4.3 $

(2)

根据视应力σ_app结果可得出此次主震的布龙应力降约为7.13MPa。按此方法计算得出4次余震的视应力与应力降，详见 表 3。从断层辐射能量的原理看，视应力的水平与地震能量释放的总体水平有一定的相关性(吴忠良等，2002)，本研究中4次余震均显著低于主震的能量释放效率，这种情况可以解释为：主震发生后，区域长期积累的应力得到了集中释放，在这种情况下短时间内震源区附近再次发生大地震的概率较低，且更小余震的能量释放效率均会显著低于主震。如果断层附近应力积累水平再次上升，或发生新的断层破裂，能量释放效率可能会再次上升。因此，未来还需要长期观测结果和更多的研究，以进一步验证本文的结论，并为这次地震震源和发震机理的研究提供新的认识。

3 库仑应力分布 3.1 库伦应力计算

为探讨主震对纵谷断裂附近主要余震的触发效应，根据反演得到的主震破裂模型，进一步计算了花莲海域M_S7.3主震产生的静态库仑应力变化。基于均匀半空间模型计算由同震位错引起的静态位移、应变和应力，并根据获得的库仑应力空间分布和余震的空间分布关系，探讨主震对余震序列的触发作用(左可桢等，2021；张小娟等，2023)。

在库仑应力计算中，采用美国地质调查局(USGS)给出的此次地震破裂模型^②，使用本研究所得震源机制解，并以其震源机制节面Ⅱ的参数(走向、倾角和滑动角分别为18°、59°、70°)作为接收断层参数，摩擦系数取0.4，计算此次中国台湾花莲地震在不同深度上的库仑应力分布(图 9)。

② https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000m9g4/finite-fault

从不同深度上的库仑应力分布来看，中国台湾花莲M_S7.3地震产生的库仑应力变化为负的区域与USGS的主震破裂位错分布地表投影图中主震破裂面上位错集中区有较好的对应关系，可见同震位错大的区域主要集中在震中北部地区以及破裂面的近地表部分，说明该地震的发生使得断裂上位错集中区长期积累的应力得到释放；同时，在其余区域主震产生的库仑应力变化主要为正。5km、10km和20km深度处库仑应力变化为正的区域主要出现在震中投影的西部，30km深度上库仑应力变化为正的区域主要出现在主震震中投影的外围，不同深度上的库仑应力变化分布图像有一定的变化，但总体上与主震破裂面上位错有较好的对应关系。

在不同震源深度上的余震皆有部分位于库仑应力变化为正的区域，这部分余震主要位于主震东北和西南方向较远区域。库仑应力变化为正，说明该区域处于应力加载状态，主震的发生对该区域余震有触发作用。本文仅计算主震的同震库仑应力变化，而主震的发生会使其周边地区长期积累的应力得到释放，从而使库仑应力变化为负。在主震震源附近分布了大量的余震，这些余震发生在应力影区。结合USGS的破裂模型可见，不同深度上震中附近的余震分布与位错集中区域较为吻合，推断是受断层滑动分布和破裂区域的几何形状影响。

3.2 主震引起的同震静态库仑应力变化场与余震分布的关系

库仑应力计算结果表明，有大量的余震落在应力影区，即处于地震库仑应力作用的抑制区。这些位于应力影区的余震位置和USGS给出的破裂模型上位错集中区有较强的对应关系，该区域位错量大，反映积累的应力释放较为充分。这些余震的发震机制可能与主震的大位错有关，同震位错大的地方较为破碎而易于发震。

本研究以主震的节面参数作为库仑应力计算的接收断层参数，计算结果表明，除同震位错大的区域受到的库仑应力为负，其余区域受到的库仑应力为正，反映其余地区和发震断层均受到了应力加载作用。此外，前人研究结果表明，纵谷断裂北段现今为强闭锁断层(李强等，2022)，同时，考虑到本次地震的发生以及近年来该断裂北段和其附近的花莲海域中强地震不断，进一步表明该区域应力状态可能已处于较高水平，因此该断层未来强震危险性依然相对较高。

4 结论

本文对2024年4月3日中国台湾花莲海域M_S7.3主震区发生地震开展了震源机制反演、地震辐射能量和库仑应力方面的研究。初步分析了此次地震的发震构造，获得了以下初步认识：

(1) 主震和较大余震震源机制解表明，中国台湾花莲海域主震是发生在纵谷断裂附近的一次逆断型为主地震事件；4次较大余震震源机制与主震存在细微差别，在NE余震带的N端，早期中强余震具有较大的走滑分量，且断层面走向近NS向；而位于NE余震带S段晚期余震性质均为逆冲型为主，与主震性质和纵谷断裂构造特征相吻合。

(2) 根据辐射能量结果，认为本次地震主震属于能量效率偏高的事件，且造成震动的能力较强，破裂持续时间短，造成的破坏性大，4次余震能量释放效率均低于主震。

(3) 库仑应力分布结果显示，主震的发生使震中投影附近区域出现较大范围的应力卸载，与位错集中区域较为吻合，在其余区域主震产生的库仑应力变化主要为加载。余震主要分布在主震的东北和西南方向上，多数位于主同震大位错区之外，少量位于主震位错集中区，可见余震受到了主震的触发作用。

致谢: 感谢中国地震台网中心刘杰研究员、张雪梅研究员，东华理工大学盛书中教授，中国矿业大学张广伟副教授，中国地震局地球物理研究所王子博博士为本文提供的修改意见。