2013年4月20日四川蘆山M7.0級地震與余震精確定位及發(fā)震構(gòu)造初探

蘇金蓉，鄭 鈺，楊建思，陳天長，吳 朋

1 四川省地震局，成都 610041

2 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

1 引 言

2013年4月20日08時02分，四川省雅安市蘆山縣境內(nèi)發(fā)生MS7.0級強烈地震（震中位置30.3°N，103.0°E，震源深度13km），震中位于龍門山斷裂帶南段，與2008年汶川MS8.0地震發(fā)生在同一條斷裂帶上.國內(nèi)外學(xué)者對該地震進(jìn)行了空間分布、震源機(jī)制和震源破裂過程的研究［1－3］，結(jié)果表明蘆山地震是發(fā)生在龍門山斷裂帶南端的一次逆沖型地震，這次地震在震源性質(zhì)上與2008年汶川地震同為逆沖破裂.龍門山斷裂帶是青藏高原東緣最劇烈的地形梯度帶，南段是巨型推覆構(gòu)造帶，從西北到東南、由后山向前山分別由隴東、五龍、雙石等幾大推覆體呈疊瓦狀堆疊而成，構(gòu)成一個背馱式擴(kuò)展的推覆構(gòu)造帶，并顯示出由褶皺推覆向沖斷推覆、由厚皮構(gòu)造向薄皮構(gòu)造、由深層次的韌性構(gòu)造向淺層次的脆性構(gòu)造發(fā)展的趨勢［4］.蘆山地震震中附近的主要斷裂有：大邑—名山（山前）斷裂、雙石—大川（天全）斷裂、鹽井—五龍（寶興）斷裂和寶興西斷裂［5－6］，區(qū)內(nèi)歷史地震及構(gòu)造分布如圖1所示.

地震發(fā)生后，流動地震觀測小組在震中100km范圍內(nèi)布設(shè)了15個流動觀測臺站，從4月23日起，流動臺站架設(shè)完成并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)剿拇ㄅ_網(wǎng)中心，在震源區(qū)附近的臺站間距可以達(dá)到15km，對震區(qū)形成很好的覆蓋.四川臺網(wǎng)中心利用包括震后架設(shè)的流動臺站、四川臺網(wǎng)臺站及周邊水庫臺站在內(nèi)的102個臺站資料處理蘆山地震序列.截至4月28日20時，共處理余震5657次，分析震相數(shù)據(jù)14萬余條.20日08時至22日09時采用四川省地震局研發(fā)的SeisDPS軟件的區(qū)域模型搜索法定位，速度模型采用趙珠分區(qū)模型［7］（上地層厚度20km，平均P波速度5.65km／s，下地層厚度30km，平均P波速度6.68km／s，上地幔P波速度8.00km／s，平均波速比1.69）.22日09時起，采用廣東省地震局研發(fā)的JOPENS軟件，采用Loc3dSB（川滇3D）定位，速度模型為川滇三維走時表.

余震序列產(chǎn)出結(jié)果的震中分布如圖2a所示，余震密集分布在長軸40km左右、短軸20km左右的區(qū)域內(nèi).深度剖面如圖2（b、c）所示，深度的優(yōu)勢分布不明顯.本文擬利用廣泛使用雙差定位法［8－9］進(jìn)行精確定位，來獲得蘆山地震及余震相對位置更加準(zhǔn)確的空間分布圖像.

圖1 蘆山7.0級地震研究區(qū)歷史地震、臺站與構(gòu)造分布紅色線表示斷裂，紅色五角星表示蘆山7.0級地震，黑色圓圈表示汶川8.0級地震，藍(lán)色圓圈表示歷史發(fā)生過的6級以上地震.F1：大邑—名山斷裂，F(xiàn)2：雙石—大川斷裂，F(xiàn)3：鹽井—五龍斷裂，F(xiàn)4：寶興西斷裂；紅色三角形表示固定臺站，藍(lán)色三角形表示流動臺站，灰色三角形表示水庫臺站，紅色五角星表示主震.Fig.1 The Lushan M7.0earthquake and the historical earthquake epicenter distribution、station and tectonic around it Red line indicate fault，red star indicate the Lushan M7.0 earthquake，black circle indicate Wenchuan M8.0earthquake，blue circle indicate history earthquake with M ＞6.F1：Dayi－Minshan fault，F(xiàn)2：Shuangsi－Dachuan fault，F(xiàn)3：Yanjing－Wulong fault，F(xiàn)4：Baoxing West fault.Red triangle indicate fixed stations，blue triangle indicate movable stations，grey triangle indicate reservoir stations，red stars denote main shock.

2 資 料

2.1 地震臺站

蘆山地震位于龍門山斷裂帶南端，震中150km范圍內(nèi)臺站分布如圖1所示，其中：①四川臺網(wǎng)臺站9個，其中名山、寶興、天全等臺均在震中區(qū)，距震中最近僅15km左右，臺站采用寬頻帶地震計.②紫坪鋪水庫臺站6個，最近臺站距震中70km左右.③瓦屋山水庫臺站4個，最近臺站距震中60km左右.④瀑布溝水庫臺站13個，最近臺站距震中90km左右.上述水庫臺站儀器均為短周期地震計.⑤震后架設(shè)流動臺15個，采用短周期地震計.密集的臺站分布對余震監(jiān)測能力達(dá)到了0.5級，實現(xiàn)了對震區(qū)余震活動的有效監(jiān)控.本文利用上述臺站震相數(shù)據(jù)進(jìn)行精確定位，臺站儀器記錄時間均采用GPS授時，無鐘差.天臺山流動臺（L0132）因臺站參數(shù)有一定誤差未參與定位.

圖2 （a）臺網(wǎng)余震序列震中分布；（b）AA′剖面深度分布圖；（c）BB′剖面深度分布圖.紅色線表示斷裂，紅色五角星表示主震，黑色圓圈表示3級以下地震，藍(lán)色圓圈表示3～5級地震，紅色圓圈表示5～6級地震，黃色AA′與BB′表示深度剖面線Fig.2 （a）Epicenter distribution of aftershocks which comes from fast report；（b）Cross section of AA′depth profile；（c）Cross section of BB′depth profile.Red line denote fault，red star indicate the Lushan M7.0earthquake，black circle indicate aftershocks with M＜3，blue circle indicate aftershocks with 3≤M＜5，red circle indicate aftershocks with 5≤M＜6，yellow line denote depth profile of AA′and BB′

2.2 震相數(shù)據(jù)

4月20日08時至4月28日20時余震數(shù)據(jù)5657次，其中4個及以上臺站記錄到的地震事件有3758次，分布在30.05°N－30.35°N，102.7°E—103.2°E.震相數(shù)據(jù)的可靠性是定位質(zhì)量的基本保證，余震序列預(yù)處理時，一般分析包圍震中最近10個左右臺站的震相數(shù)據(jù)，Pg讀數(shù)誤差在0.2s內(nèi)，Sg的讀數(shù)誤差在0.5s內(nèi).本文對重新定位地震事件的每一震相數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新復(fù)核，增加震中距在150km以內(nèi)的所有臺站數(shù)據(jù)，并保證參加定位的臺站空隙角盡可能小.在復(fù)核時，通過仿真、濾波等手段來提高震相的讀數(shù)精度，Pg讀數(shù)誤差在0.1s內(nèi)，Sg的讀數(shù)誤差在0.2s內(nèi).并通過時程曲線、絕對定位時給出地震事件各單臺間的發(fā)震時刻等手段檢驗震相數(shù)據(jù)的可靠性.重新定位地震事件的時程曲線，Pg、Sg震相的走時與震中距對應(yīng)較好，絕對定位后各事件單臺間的發(fā)震時刻最大相差均在2.0s以內(nèi)，這說明用于定位的震相數(shù)據(jù)可靠性高.

3 精確定位方法

3.1 速度模型

蘆山地震發(fā)生于龍門山斷裂帶南段，該斷裂帶將四川分成東西兩部分.東、西兩部分無論是在地形、地貌還是在結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件等方面，都存在較大差異［6］.東部為四川盆地，以平原、丘陵為主，海拔低，是穩(wěn)定的大陸地塊.西部為川西高原，海拔高.東西兩部高程相差巨大，因此它們的地震波走時存在明顯的系統(tǒng)偏差，這與地殼厚度從西向東由突然減薄、波速陡增密切相關(guān).蘆山地震及余震位于四川盆地與川西高原的過渡帶上，不同速度模型的定位結(jié)果都有一定差異，雖然有學(xué)者對四川地區(qū)的速度模型做了較多工作，但是適合蘆山地區(qū)的精細(xì)速度模型研究尚不夠深入.

地震定位中，相對定位算法較好地消除了速度橫向不均勻性的影響，尤其雙差定位算法對地殼速度模型的依賴性相對較小.雙差定位算法采用的是水平分層速度模型，震源所在處的速度值對定位結(jié)果有一定影響.由于相對定位是在兩個地震之間的小空間范圍內(nèi)用量級僅為幾秒的走時差進(jìn)行的，這就使得震源定位對震源所處的地震波速度的變化甚為敏感.本文做定位時，選用了多個學(xué)者提出的四川地區(qū)速度模型［7，10－12］，并進(jìn)行對比分析.在利用速度模型與震源聯(lián)合反演試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，并考慮到蘆山地震發(fā)生在龍門山斷裂帶南段及東西部地殼厚度相差20km，選用趙珠［7］提出的四川地區(qū)分層模型（波速比為1.69）作為雙差定位的速度模型，模型參數(shù)如表1所示.

表1 定位速度模型中參數(shù)表Table 1 Seismic velocity model using in location

3.2 雙差定位

雙差地震定位算法（雙差法）由 Waldhauser和Ellsworth（2000，2002）［8－9］提出.雙差地震定位法反演的是一組叢集的地震中的每個地震相對于該叢集的矩心的相對位置，并且即使叢集地震的空間跨度很大也適用.雙差地震定位法不僅能有效地減小由于對地殼結(jié)構(gòu)了解不夠精細(xì)而引起的誤差，而且能應(yīng)用在空間跨度相對大的地震事件群體，只要叢集中每兩個相鄰的地震事件之間的距離遠(yuǎn)小于事件到臺站間的距離以及在波傳播的路徑上速度不均勻體的線性尺度這一條件成立即可（楊智嫻［13］；鄭鈺［14］）.

在雙差法中，由每兩個相鄰地震的觀測走時差減去理論計算值的走時差得到的殘差（雙差）構(gòu)成一個觀測方程.對于N個待定事件和K 個觀測臺站，如果每個臺站都記錄到每次地震，就有N（N－1）K／2個觀測方程.但是，通常的情況并不是這樣.假如取得雙差觀測的數(shù)據(jù)數(shù)目為M，那么，便得到反演方程為：

式中的系數(shù)矩陣G就是一個M×4 N的偏微商矩陣，M是雙差觀測的數(shù)目，N是地震數(shù)；d是雙差資料矢量；m是由待定的震源參數(shù)改變量 （Δxi，Δyi，Δzi，Δτi，i＝1，2，…，N）構(gòu)成的維數(shù)為4 N 的矢量；W是一用以對每個方程加權(quán)的對角線矩陣.反演中，我們引進(jìn)了一個表示所有的地震經(jīng)重新定位后其平均“位移”為零（也即其“矩心”不動）的約束條件：

我們以阻尼最小二乘法求解方程（1），此時，問題歸結(jié)為：

式中，λ為阻尼因子，I為單位矩陣.

實際計算中，采用共軛梯度法求解方程（3），得到阻尼最小二乘解.同時將奇異值分解法應(yīng)用于部分資料，以獲得有關(guān)模型參數(shù)的誤差、分辨度等信息（楊智嫻等［15］，2004）.

4 定位結(jié)果及分析

4.1 數(shù)據(jù)的再次篩選

在選取震相時，若某一方位臺站過多，則選取距震中最近的1～2個臺站數(shù)據(jù).若某方位臺站布局不合理，則挑選包圍震中的較好遠(yuǎn)臺數(shù)據(jù)參與定位.同時通過絕對定位，舍棄單臺發(fā)震時刻與地震發(fā)震時刻相差較大的臺站數(shù)據(jù)，最終給出了3324次地震的精確定位結(jié)果.

4.2 蘆山7.0級地震精確定位

由于該地震震級大，近臺S波限幅嚴(yán)重，采用震中距150km以內(nèi)的19個臺站.臺站布局空隙角為60.7°，已很好地包圍震中，其中寶興臺距震中16 km，為最近臺站.精確定位使用19個Pg震相，4個Sg震相，參加定位的震相數(shù)據(jù)如表2，各單臺間的發(fā)震時刻最大相差1.0s.4月20日08時02分蘆山M7.0級地震的時程曲線如圖3所示，時程曲線中各臺站的震相到時數(shù)據(jù)在擬合的直線上，從而驗證了所用定位的震相數(shù)據(jù)是可靠的.其部分臺站波形記錄如圖4所示.臺網(wǎng)序列處理時，定位采用區(qū)域模型搜索法，定位結(jié)果的走時殘差0.181s，水平誤差1.112km，垂直誤差3.307km，空隙角60.4°.精確定位采用同樣的震相數(shù)據(jù)，以臺網(wǎng)序列處理結(jié)果為初值.定位后走時殘差為0.070s，E－W、N－S、U－D三分向的均方根誤差分別為：0.255km、0.244km、0.273km.根據(jù)國際定位質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［16］，本文7.0級地震的定位精度為A類.結(jié)果參數(shù)如表3所示.

4.3 余震精確定位結(jié)果

精確定位地震事件的臺站空隙角最小為37.7°，最大為190°，其中空隙角60°～90°的地震事件約占83%，臺站布局總體合理.余震序列產(chǎn)出結(jié)果中，走時殘差分布在0.003～0.983s，水平方向、垂直向的平均標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.78km、1.67km.

圖3 2013年4月20日蘆山M7.0級地震時程曲線Fig.3 Curves of travel time and epicenter distance on 20April 2013

本文以余震序列產(chǎn)出結(jié)果為初值采用雙差定位方法，最終獲得3324次地震重新定位結(jié)果，精確定位后的走時殘差為0.002～0.097s，主要集中在0.04～0.08s，E－W、N－S、U－D三分向的定位平均標(biāo)準(zhǔn)差分別為：0.233km，0.221km，0.223km.

圖5a示出了本文余震雙差定位結(jié)果.從平面分布圖來看，7.0級地震南西側(cè)余震約占總數(shù)的5／6，北東側(cè)余震較少.余震沿南西走向呈帶狀集中分布于大邑—名山斷裂與雙石—大川斷裂之間.

表2 2013年4月20日蘆山7.0級地震定位所用震相數(shù)據(jù)（北京時間）Table 2 Phase records of Lushan，MS7.0earthquake used in location on 20April 2013

表3 2013年4月20日蘆山7.0級地震震源參數(shù)Table 3 Parameter of Lushan，MS7.0earthquake on 20April 2013

圖4 2013年4月20日蘆山MS7.0級地震波形（部分臺站）Fig.4 Waveform of Lushan MS7.0earthquake on 20April 2013（station of part）

余震震源深度剖面如圖5b所示，優(yōu)勢分布于地殼上部10～22km，占總數(shù)的92%；約1%的地震事件震源深度超過22km.圖6a、6b分別為雙差定位與余震序列產(chǎn)出的震源深度頻次統(tǒng)計圖，圖6b顯示其深度在0～28km，結(jié)合圖2b、2c，余震序列產(chǎn)出的震源深度分布離散，優(yōu)勢分布范圍較寬；而雙差定位結(jié)果的震源深度呈更明顯的帶狀優(yōu)勢分布，這與楊智嫻［13］、黃媛［17］的定位研究結(jié)果一致.

圖5a為雙差法重新定位后獲得的震中分布（共3324個重定位事件）

4.4 蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造初步分析

蘆山地震主、余震深度分布顯示的破裂傾向（AA′剖面）與主要斷層傾向間的關(guān)系如圖7a所示，從圖上可以看出，主震發(fā)生在大邑—名山斷裂上，余震主要集中在斷層的上盤，下盤地震較少，這與逆沖型地震余震分布特點一致.破裂集中在斷層面上，發(fā)震斷裂是NW傾向的基底隱伏逆沖斷裂的一段［1－2］，在大川—雙石斷裂附近上僅有一些零星小震.從余震分布可以看出，蘆山縣城、龍門鄉(xiāng)、太平鄉(xiāng)、雙石鄉(xiāng)地震活動密集，也是這次地震破壞嚴(yán)重的地區(qū)，這與現(xiàn)場考察的結(jié)果一致.余震西起靈關(guān)鎮(zhèn)，東至飛仙關(guān).從圖7中測得到主破裂的下傾寬度約20km，從圖7b知破裂長度約為40km，經(jīng)計算，斷層的傾角為40°，破裂視面積約為800km2.

5 結(jié) 論

（1）本文給出2013年4月20日蘆山M7.0級地震的發(fā)震時刻與震源位置分別為2013－04－2008∶02∶46.8，30.278°N，102.989°E，震源深度16.67km，位于大邑—名山斷裂.

圖7 （a）蘆山地震及余震 AA′（a）和BB′（b）剖面深度分布與發(fā)震斷層構(gòu)造Fig.7 Seismo－tectonics of Lushan earthquake and afterearthquake for AA′（a）and BB′（b）profile

（2）余震呈帶狀集中在大邑—名山斷裂上盤，沿龍門山斷裂帶南段的南西走向分布.

（3）雙差定位的震源深度明顯成條帶狀分布、更加集中，分布于10～22km.

（4）蘆山地震主破裂長度約40km，下傾寬度約20km，破裂視面積約800km2，主破裂沿南西走向，傾角約40°.

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