用非均勻速度模型對汶川8.0級地震余震重新定位

黃曉萍 朱介壽 曹家敏 黃玉婷蔣科植 王 成 江曉濤 楊宜海

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059）

2008年5月12日，在青藏高原東緣的松潘－甘孜地塊與揚(yáng)子地塊交界的龍門山斷裂帶上發(fā)生了汶川8.0級地震［1］。汶川大地震發(fā)生之后，對龍門山斷裂帶的構(gòu)造和地震活動性做了大量的研究［1－27］。其 中，張 培 震［2］、徐 錫 偉［3］和 李 勇［4］等討論了汶川地震的地質(zhì)構(gòu)造背景；樓海［5］、徐朝繁［6］研究了汶川地震的深部構(gòu)造環(huán)境；王衛(wèi)民［7］等研究了該地震的震源破裂過程；朱艾斕［8］、黃緩［9］和劉巧霞［10］等人用雙差法對該地震余震序列進(jìn)行重新定位；滕吉文［11］、雷建設(shè)［12］等人研究了汶川地震巖石圈的精細(xì)結(jié)構(gòu)；朱介壽［1］給出了震區(qū)及其鄰域的巖石圈速度結(jié)構(gòu)；王勤彩［13］、郭祥云［14］、張致偉［15］等人對汶川地震和余震作了震源機(jī)制解。這些研究結(jié)果為理解汶川地震提供了依據(jù)?，F(xiàn)在可以確認(rèn)汶川地震發(fā)生在龍門山構(gòu)造帶內(nèi)的映秀－北川斷裂。該地震造成的地表破裂長達(dá)240km，并在灌縣—江油斷裂形成了72km的地表破裂。汶川地震破裂過程的研究表明：它是一次以上沖為主，兼右旋走滑的事件［16］。龍門山斷裂帶的南端，余震的破裂是以上沖滑動為主，兼有走向滑動；龍門山斷裂帶的中央情況復(fù)雜，上沖型、走滑型和正斷層交替出現(xiàn)；而北端則以上沖兼右旋走滑為主。

對龍門山斷裂帶的地下結(jié)構(gòu)和地震活動的了解比較粗略。龍門山斷裂帶東西兩側(cè)的結(jié)構(gòu)不同，從而加大了對該地帶發(fā)生的地震進(jìn)行定位的難度［17］。汶川大地震后，朱艾斕［8］、黃緩［9］等人采用雙差定位法對主震和余震進(jìn)行重新定位，對余震的活動特征及其震源機(jī)制進(jìn)行了大量的研究和分析。本文采用非均勻地殼速度模型，結(jié)合前人對汶川地震的研究成果，利用豐富的地震數(shù)據(jù)資料，對汶川大地震之后近3年時間的余震進(jìn)行重新定位研究。

1 地震資料和定位臺站分布

本文的定位選用的原始數(shù)據(jù)是由四川省地震局提供的，研究選取的區(qū)域?yàn)?9°～34°N，100°～106°E。從2008年5月12日汶川大地震開始，截止于2011年4月15日，把地震事件中相差5s內(nèi)的地震序列都看成同一地震事件；但出現(xiàn)以下情況的都被排除掉：（1）原始數(shù)據(jù)同一地震事件的同一臺站中P波或S波到時比發(fā)震時刻還早。（2）同一地震事件的同一臺站中S波比P波先到。（3）同一地震事件的同一臺站中P波與S波的時間差太大。本文用Hypo 2000進(jìn)行定位之后的地震目錄與四川省地震局用雙差方法定位的地震目錄進(jìn)行對比，大約90%以上的地震目錄的發(fā)震時刻和震源位置誤差在允許范圍內(nèi)，大部分地震目錄誤差在2s內(nèi)。把誤差較大的地震序列分開出來，對原始數(shù)據(jù)、臺站數(shù)目以及位置的檢查，進(jìn)行選優(yōu)比較，得到最合適的地震參數(shù)。與此同時，還綜合了成都市地震局和中國地震局所共享的地震目錄，得到了完整的地震目錄。

本次定位所用的臺站是由四川省地震局的地震臺網(wǎng)、成都市地震局的臺網(wǎng)、紫坪鋪水庫地震臺網(wǎng)，以及汶川大地震后建立的流動臺網(wǎng)、在成都市及周邊地區(qū)的臺站的全部資料，重慶、甘肅以及陜西省的部分臺站。這次重新定位所使用的臺站一共187個。從圖1可以看出，地震觀測臺網(wǎng)覆蓋了龍門山斷裂帶，尤其在主震附近密集了大量的臺站。原始數(shù)據(jù)中Pg和Sg震相基本上達(dá)到8個或以上。

2 非均勻地殼速度模型

Hypoinverse算法是在Geiger法的思想上發(fā)展起來的一種單事件絕對定位方法，它處理一個地震的地震臺數(shù)據(jù)文件，得到地震位置和震級。每個用戶需要輸入4個文件：速度模型；臺站列表；控制文件和震相數(shù)據(jù)輸入文件；按照其相應(yīng)的命令格式在Unix計算機(jī)上運(yùn)行Hypoinverse。

本文采用Hypo 2000定位方法對汶川地震的主震以及余震進(jìn)行重新定位。不同于以往的地震定位方法，此速度模型是考慮比較復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)狀況，可以在震中附近地區(qū)設(shè)置多達(dá)10個梯度層結(jié)構(gòu)的模型。這樣就可以依據(jù)地質(zhì)體的賦存位置和范圍分別設(shè)定不同的地下層參數(shù)，特別適合于近場定位。Hypo 2000定位使用的速度模型分區(qū)情況可以用下面的圖來解釋。

圖1 重新定位所用的臺站Fig.1 Distribution of seismic stations used in relocating

如圖2所示，內(nèi)圓中的深灰色區(qū)域中的地震排他地使用一個模型，在所有圓周圍的白色區(qū)域中的地震排他地使用默認(rèn)模型，在淡灰色過渡區(qū)內(nèi)的地震使用各模型的加權(quán)平均。編號指正文中討論的對不同模型加權(quán)的位置。

當(dāng)這種多重地殼速度模型被使用的時候，針對震中所在區(qū)域的不同而分配相應(yīng)的速度模型。對于毗鄰模型中間的平滑過渡是這樣處理的：定義相鄰模型之間的過渡區(qū)域，在這個過渡區(qū)，如果有2個或3個速度模型被使用的話，就對不同模型的旅行時、旅行時導(dǎo)數(shù)和臺站延遲進(jìn)行加權(quán)。因而，如果利用模型1計算出來的走時為1.10s，而利用模型2計算得到的走時為1.20s，而已知模型1的權(quán)重為20%（模型2的權(quán)重為80%），則最終我們使用的走時為1.12s。

圖2 定義2個地殼模型區(qū)和它們之間過渡區(qū)的節(jié)點(diǎn)舉例Fig.2 The example of nodes about defining two crustal model zones and their transition zone

由于本課題的研究范圍包含了分布在龍門山斷裂帶兩側(cè)的松潘甘孜地塊和揚(yáng)子地塊，這2個構(gòu)造單元上的地殼厚度和速度結(jié)構(gòu)存在很大的差異。本研究綜合了爆破地震測深剖面和其他地球物理手段得到的莫霍面變化和地殼速度模型，給出了本次定位所使用的分區(qū)地殼模型（龍門山西側(cè)和東側(cè)）。圖3為朱介壽等人通過人工爆破得到的跨龍門山斷裂帶兩側(cè)速度剖面圖。

圖3的地震剖面圖上顯示龍門山斷裂帶兩側(cè)的巖石圈結(jié)構(gòu)和速度存在較大的差異。爆破地震剖面還顯示了松潘－甘孜地塊及龍門山推覆體的中地殼（深度20～30km）有一個厚度為10km左右的低速層，而四川盆地內(nèi)地殼內(nèi)不存在低速層。中地殼低速層可能是含水或地殼增溫引起，它構(gòu)成了松潘－甘孜地塊上地殼向東推移的滑脫層［18］。

沿龍門山推覆構(gòu)造帶以西速度分層多，且具有低速層存在；但其東則不然，速度結(jié)構(gòu)相對簡單。從構(gòu)造層次上看，淺部比較復(fù)雜，多表現(xiàn)為北東向與北西向交叉的構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)；而深部則趨于簡單，以南北向、東西向構(gòu)造為主要特征［19］。從上面所提供的速度模型中可以看出，龍門山斷裂帶兩側(cè)的莫霍面深度存在較大的差異，龍門山斷裂帶附近的深部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。朱介壽［20］、蔣國芳［21］、趙珠［22］等人在此方面做了大量的研究，結(jié)果均表明龍門山斷裂帶鄰區(qū)的巖石圈結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有較大的差異。

圖3 汶川8.0級地震和余震在跨龍門山的阿壩——雙流爆破地震剖面上的分布Fig.3 The blasting seismic profile of Aba－Shuangliu across the Longmenshan and the distribution of Wenchuan 8.0earthquake and aftershocks in this profile

本文也遵循了龍門山兩側(cè)構(gòu)造的特殊性，把龍門山斷裂帶速度模型由龍門山西側(cè)的10個梯度的橫向速度模型和龍門山東側(cè)的9個梯度的橫向速度模型組成。兩側(cè)之間的地殼上部，松潘－甘孜地塊的速度值大于揚(yáng)子地塊的速度值，分別分成3個速度梯度。西側(cè)速度有5.0～5.4km／s，厚度約為4km；5.4～5.8km／s，厚度約為3 km；5.8～6.0km／s，厚度約為3km。東側(cè)速度有4.5～5.0km／s，厚度約為 3km；5.0～5.4 km／s，厚度約為4km；5.4～6.0km／s，厚度約為3km。速度梯度的異常反映了龍門山兩側(cè)淺部的復(fù)雜性。對比松潘－甘孜地塊與揚(yáng)子地塊（四川盆地）的地殼結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)二者不僅在厚度上有很大變化，更重要的是在性質(zhì)上也有重大差異。在10～30km深度，松潘－甘孜地塊平均速度為6.1～6.2km／s，而揚(yáng)子地塊可達(dá)6.2～6.6km／s；在30～50km深度，松潘－甘孜地塊速度為6.5～6.8km／s，揚(yáng)子地塊為6.8～7.9km／s。表明在同一深度水平，2個塊體之間有0.5～1.0 km／s的速度差異［1］。在50～60km 深度，松潘－甘孜地塊平均速度為7.3～7.4km／s，而揚(yáng)子地塊可達(dá)8.1～8.2km／s；在60～70km深度，松潘－甘孜地塊速度值為8.3km／s，此時揚(yáng)子地塊沒有速度參數(shù)。由此可見，龍門山西側(cè)的地殼厚度比東側(cè)的地殼厚度要大些。定位使用的分區(qū)速度模型中，鑒于復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，速度模型也參考了當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)特征（圖4）。東側(cè)和西側(cè)的差異，不同深度速度差異明顯的問題，比其他的定位的速度模型都要精細(xì)，這就是Hypo 2000新特點(diǎn)。表1為松潘－甘孜地塊和揚(yáng)子地塊在不同深度下的平均速度；表2是圖4中節(jié)點(diǎn)號所對應(yīng)的參數(shù)。

圖4 龍門山及成都平原速度分區(qū)情況Fig.4 The partition velocity between the Longmenshan and the Chengdu plain

通過Hypo 2000定位，作者對汶川地震以及余震進(jìn)行重新定位，重新獲得了汶川地震的震源參數(shù)，發(fā)震時刻：2008年5月12日14時27分57.4秒；震源位置：31.0060°N，103.3570°E；震源深度：15.4km。最大余震為6.4級，發(fā)震時刻：2008年5月25日16時21分51.1秒；震源位置：32.5325°N，105.2733°E；震源深度：16.2km。進(jìn)行比較篩選補(bǔ)足，共得到2級以及2級以上的地震事件26 278次，4～4.9級地震712次，5～5.9級地震79次，6～6.9級地震8次。

表1 Hypo 2000定位使用的分區(qū)速度模型Table 1 The partition velocity model used in the Hypo 2000

表2 Hypo 2000定位使用的速度分區(qū)表Table 2 The partition velocity table used in the Hypo 2000

3 震中的空間分布

3.1 余震分布整體特征

汶川大地震及其余震空間分布如圖5所示。

由圖5給出的主震和余震空間分布圖顯示，汶川地震主震發(fā)生在龍門山斷裂帶的中央斷裂上映秀鎮(zhèn)附近。起始破裂點(diǎn)或震中位于北川－映秀斷裂南端映秀鎮(zhèn)附近，并向北單側(cè)破裂擴(kuò)展300 km左右至青川一帶［23］。王衛(wèi)民等［7］研究認(rèn)為，汶川地震是多條斷層活動的結(jié)果，映秀－北川斷裂和灌縣－江油斷裂的共同錯動是導(dǎo)致地震產(chǎn)生的主要原因。從滑動分布來看，在整個地震斷層的南端，即中央主斷裂的映秀周邊包括前山斷裂的都江堰－漢旺段，以上沖為主，龍門山斷裂帶北端以上沖兼右旋走滑為主，走滑量大于或等于傾滑量。從地震破裂的時間過程來看，表現(xiàn)為先上沖后轉(zhuǎn)為右旋走滑兼上沖的地震事件［7］，與地表地質(zhì)調(diào)查有很好的相關(guān)性［24］。汶川大地震余震主要是沿龍門山斷裂帶方向延伸，我們能從圖5看出，在主震附近的北西方向上穿過理縣有一個余震帶，這個余震帶是垂直于龍門山斷裂帶上的捩斷層，這與劉巧霞［10］的研究一致。龍門山中央斷裂西側(cè)附近余震比較集中，映秀至理縣方向上有大量地震密集。前山斷裂的余震少。余震條帶寬度在映秀附近沿NE方向逐漸變窄，表明汶川地震斷層的傾角應(yīng)由南西向北東逐漸變陡。這跟黃緩［9］等人用雙差定位分析的結(jié)果是一致的。龍門山斷裂帶南段的余震相對于北段要多。這與龍門山斷裂帶的東北段及西南段具有迥然不同的歷史地震活動及構(gòu)造特征是一致的［25，26］。徐朝繁［6］等人在研究龍門山斷裂帶深部時同樣指出：歷史上西南段（天全至安縣段）中小地震頻繁，具有晚第四紀(jì)活動性，是四川地區(qū)的主要活動斷裂帶及強(qiáng)震構(gòu)造帶之一，東北段（安縣至青川東段）僅偶有小震發(fā)生，與汶川地震的余震空間分布的特征是一致的。

3.2 余震分段討論

在本文中，在龍門山斷裂帶上分別選取了龍門山斷裂帶的南段（A－A'）、中央部分（B－B'）和龍門山斷裂帶的北段（C－C'）3段剖面。

圖5 汶川大地震及其余震序列重新定位結(jié)果和深度剖面位置的選取Fig.5 The relocation results of Wenchuan earthquake and its aftershocks sequence and the selection of the depth profiles

A－A'段處于龍門山斷裂帶南端，此段包含了主震在內(nèi)，分布的余震在這是最寬的，大約在30～35km；據(jù)地表地質(zhì)考察，是位錯最大的區(qū)段。我們從圖5上可以清楚地看見此段含有一個北西向的分支，分布在映秀－北川斷裂的上盤；地震活動在深度剖面（如圖6的A－A'剖面所示）上的分布與龍門山斷裂帶的疊瓦狀一致，地震活動性與映秀、理縣和黑水有一條北西向的余震帶與龍門山斷裂帶的捩斷層一致。以此推斷，在龍門山推覆構(gòu)造帶的西側(cè)小金－疊溪－平武一線存在活動十分強(qiáng)烈的隱伏推覆構(gòu)造，其推覆方向是東南。［19］此段是以后對龍門山斷裂帶的重點(diǎn)研究區(qū)域。主震是一次先上沖，然后逐漸變?yōu)樽呋瑸橹鳌Ｖ髡鸺捌鋸?qiáng)余震震源機(jī)制解給出的主壓應(yīng)力軸的方位為NWW，與龍門山構(gòu)造帶應(yīng)力場方位一致［15］。根據(jù)郭祥云［14］做的震源機(jī)制分析，該段余震的破裂是以逆傾滑動為主，兼有走向滑動；余震在F1、F2和F3上均有大量活動，形成了“疊瓦狀”的破裂分布。根據(jù)圖6的A－A'深度剖面圖，可以看出余震主要集中在4～18km深度的地殼之內(nèi)。可以明顯地看到強(qiáng)余震是呈現(xiàn)“串珠”狀分布。反映了震前應(yīng)力的聚集和震后應(yīng)力的釋放，以及斷層破裂的形態(tài)。

B－B'段處于龍門山斷裂帶的中央位置，可以看到剖面中央余震比較密集，兩邊余震相比要少些。剖面右邊余震經(jīng)放大可以隱約地看見北川的北東方向有一個狹窄的余震間斷帶。這是否是龍門山斷裂帶南西向與北東向地質(zhì)過渡區(qū)域呢？經(jīng)地質(zhì)專家大量的野外考察和分析研究，龍門山斷裂帶南端和北端的地質(zhì)情況不一致。據(jù)徐錫偉［3］等人的研究，在此段余震主要集中在龍門山推覆構(gòu)造帶中段中央的北川－映秀斷裂和灌縣－江油斷裂產(chǎn)生地表破裂，長度分別約為240km和90km。通過王勤彩［13］等人對此地的震源機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)這里是上沖型、走滑型和正斷層交替出現(xiàn)。顯示了此段區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜。該段上密集了大量的中小地震。從圖6的B－B'深度剖面上可以明顯地看到余震在上地殼大約1～2km處，出現(xiàn)一個狹窄的余震稀少帶。這跟余震的空間分布是一致的。余震大量集中在2～20 km，主要在后山斷裂和中央斷裂之間。

圖6 龍門山斷裂帶的3段深度剖面圖Fig.6 The three depth profiles of the Longmenshan fracture belt

C－C'段位于龍門山斷裂帶的北端，余震主要分布在青川－平武斷裂和中央斷裂上。在青川附近，余震帶開始偏離中央斷裂帶轉(zhuǎn)向陜西略陽附近，剖面范圍最北端余震已經(jīng)偏離后山斷裂帶，發(fā)展趨勢很復(fù)雜。由此來推斷是否在青川－平武間有一個隱伏斷層，這還要作進(jìn)一步的研究。根據(jù)羅燕［27］等對龍門山斷裂帶青川附近的余震分析，龍門山斷裂帶北端沒有地表破裂，而且強(qiáng)余震是一次淺源地震。從對汶川大地震前30多年的地震分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在龍門山斷裂帶北端很少有地震發(fā)生；然而在汶川大地震之后此段成為余震密集地區(qū)。值得思考的是，此段是否有新的斷層產(chǎn)生以及應(yīng)力在淺部積累？這可以作為今后對龍門山斷裂帶北端的研究重點(diǎn)。此剖面震源機(jī)制處于以上沖兼右旋走滑為主。余震帶的傾角近直立，余震分布結(jié)合地表地震破裂帶的產(chǎn)狀，推斷出龍門山斷裂在地殼上部傾角很陡，地表觀測的錯動多數(shù)為50°～80°的高角度，到15～20km深度以下才變緩，在幾何結(jié)構(gòu)上呈“犁形”或“鏟形”［2］。圖6的C－C'深度剖面具有陡傾的花狀破裂結(jié)構(gòu)，呈新生性特征［8］。

4 結(jié)果與討論

a.重新定位主震發(fā)生在龍門山推覆構(gòu)造帶中央斷裂中段的北川－映秀斷裂上，余震主要沿龍門山斷裂帶方向延伸，與龍門山斷裂帶的走向是一致的，呈南北分段分布。重新定位后的到時殘差為±0.35s，水平誤差為±1.32km，深度誤差為±5km。對余震空間分布和震源機(jī)制解的研究中，龍門山斷裂帶南端以逆傾滑動為主，兼有走向滑動；龍門山斷裂帶中央以上沖型、走滑型和正斷層交替出現(xiàn)；龍門山斷裂帶北端以上沖兼右旋走滑為主。

b.在主震附近的映秀、理縣和黑水有一條北西向的余震帶與龍門山斷裂帶的捩斷層一致。

c.在龍門山斷裂帶的北端，以右旋走滑為主參與了北段的余震發(fā)生過程。從對汶川大地震前30多年的地震分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在龍門山斷裂帶北端很少有地震發(fā)生；然而在汶川大地震之后此段成為余震密集地區(qū)。值得思考的是，此段是否有新的斷層產(chǎn)生以及應(yīng)力在淺部積累？這可以作為今后對龍門山斷裂帶北端的研究重點(diǎn)。

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