云南漾濞地區(qū)地殼層析成像與地震精定位

尹欣欣 蔣長勝 蔡 潤 郭祥云 姜 叢 王祖東 鄒小波

1)甘肅省地震局，蘭州 730000 2)中國地震局地球物理研究所，北京 100081 3)中冶成都勘察研究總院有限公司，成都 610063

0 引言

強(qiáng)震的發(fā)生與地殼速度異常分布密切相關(guān)。 一些研究表明強(qiáng)震發(fā)生在中上地殼的高速異常體與低速異常體的過渡帶或低速異常體內(nèi)(Qiongetal.，2014)，對震源區(qū)速度結(jié)構(gòu)的精細(xì)成像和地震定位有助于揭示強(qiáng)震的孕育環(huán)境(Michaeletal.，1991； Peietal.，2016)。 此外，通過對強(qiáng)震序列的定位和震源區(qū)進(jìn)行速度結(jié)構(gòu)成像，還可探明強(qiáng)震的發(fā)生機(jī)理(Negiaetal.，2017)、 斷裂帶同震結(jié)構(gòu)演化過程和震源區(qū)應(yīng)力重新分布情況(Peietal.，2019)，并解釋俯沖帶的特殊結(jié)構(gòu)(Dorbathetal.，2008)等。

在基于地震走時(shí)的地殼速度結(jié)構(gòu)成像中，到時(shí)讀取誤差等造成的地震定位的不確定性往往與速度結(jié)構(gòu)模型的不確定相互影響(Thurber，1992)。 Zhang等(2003)基于雙差定位方法(HypoDD)(Waldhauseretal.，2000)提出的雙差層析成像方法(TomoDD)很好地解決了這一耦合問題，同時(shí)可獲得較為可靠的地震震源位置和速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果。 目前，國內(nèi)外已開展了大量基于TomoDD方法的案例研究，并持續(xù)對該方法進(jìn)行改進(jìn)(Zhangetal.，2005，2006，2009，2012； Pesiceketal.，2010)，這些工作都為區(qū)域尺度的強(qiáng)震孕育環(huán)境和發(fā)生機(jī)理研究提供了技術(shù)條件。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)資料

2021年漾濞MS6.4地震序列所在的滇西地區(qū)位于青藏高原東南緣，是中國構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)之一。 漾濞所在地區(qū)的區(qū)域應(yīng)力表現(xiàn)為SN向擠壓、 EW向拉張作用(Zhaoetal.，2013)。 根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心的地震編目系統(tǒng)《統(tǒng)一快報(bào)目錄》給出的初步地震定位結(jié)果，漾濞MS6.4地震序列沿NW向展布，序列的N側(cè)鄰近川滇塊體西部邊緣的維西-喬后斷裂(圖 1)。 維西-喬后斷裂走向NNW，為右旋走滑型，全長約280km，向S與紅河斷裂相連，向N與金沙江斷裂相接，是連接川滇塊體西緣南、 北2條活動(dòng)斷裂的樞紐(常祖峰等，2016)。

圖 1 研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及歷史大地震Fig. 1 Geological tectonic setting and historical big earthquakes of the research area.F1大廠-平川斷裂； F2程海-賓川斷裂； F3紅河斷裂； F4鶴慶-洱源斷裂； F5中甸-龍婚-喬后斷裂； F6金沙江斷裂； F7維西-喬后斷裂； F8哀牢山斷裂； F9阿墨江斷裂； F10把邊江斷裂； F11無量山斷裂； F12蘭坪-云龍-永平斷裂； F13瀾滄江 斷裂； F14漕澗斷裂； F15保山-施甸斷裂； F16勐波羅河斷裂； F17昌寧斷裂

圖2 研究所用地震事件的分布圖Fig. 2 Epicenter distribution from the seismic data used in this paper.

1.2 雙差層析成像

雙差層析成像方法(TomoDD)(Zhangetal.，2003)是在雙差定位法(HypoDD)(Waldhauseretal.，2000)的基礎(chǔ)上提出的，眾多研究人員以此為基礎(chǔ)對TomoDD方法進(jìn)行了擴(kuò)展和改進(jìn)(Zhangetal.，2005，2006，2009，2012； Pesiceketal.，2010)。 國內(nèi)外許多研究和應(yīng)用均證明，即使在研究區(qū)域范圍較大的情況下，雙差定位相對于其他常規(guī)的絕對定位方法可得到更加準(zhǔn)確的震源位置以及震源深度結(jié)果，且整體上使地震事件集更加收斂。

TomoDD方法首先假定相鄰地震事件(以下稱為事件對)到相同臺站具有相似的路徑，這樣保證了在區(qū)域尺度范圍內(nèi)的收斂效果(王偉平，2016)。 TomoDD方法考慮了介質(zhì)空間速度的變化，引入絕對到時(shí)數(shù)據(jù)，減少了將波速假設(shè)為恒定值引起的誤差，且未限制事件對間的距離，定位準(zhǔn)確度較高(王長在等，2013)，依靠更加準(zhǔn)確的震源位置可以得到更精細(xì)的地殼三維速度結(jié)構(gòu)，另外，由于速度結(jié)構(gòu)與震源位置之間存在耦合效應(yīng)(Thurber，1992)，速度結(jié)構(gòu)的改進(jìn)也能進(jìn)一步提高地震震源位置的精度，二者起到了相互促進(jìn)的作用。

TomoDD的基本思想為： 假設(shè)2個(gè)地震事件空間位置接近，可認(rèn)為二者到相同臺站的傳播路徑是重合的，因此通過一定的篩選條件可對地震事件進(jìn)行兩兩配對，通過計(jì)算相對到時(shí)差降低事件對在共同傳播路徑上的速度誤差(Waldhauseretal.，2000)。 具體而言，TomoDD可以由下面2個(gè)公式來簡述：

(1)

(2)

由此，利用式(2)可得到震源附近小尺度范圍的速度結(jié)構(gòu)以及相對震源位置。

1.3 初始模型與參數(shù)選取

TomoDD方法反演結(jié)果的可靠性非常依賴初始速度模型的準(zhǔn)確度，因此本文使用 “節(jié)點(diǎn)法”(Xinetal.，2018)對速度模型進(jìn)行參數(shù)化，通過多次試驗(yàn)對比，最后將水平方向節(jié)點(diǎn)的間距設(shè)為0.25°×0.25°，垂直方向上的節(jié)點(diǎn)位置分別設(shè)定為0km、 5km、 10km、 15km、 20km、 25km、 35km、 45km、 65km，對于未落在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的速度值采用線性插值法(蔡鎖章等，2016)進(jìn)行插值。 圖 3 為本文選取的網(wǎng)格和地震射線分布圖。 從圖中可以看出，本文所用的數(shù)據(jù)射線的覆蓋率較高，但西北角和東南角存在部分空隙，覆蓋率較差，這也導(dǎo)致了后面檢測板測試結(jié)果在這2個(gè)區(qū)域的效果稍差。

圖3 本文選取的網(wǎng)格和地震射線分布圖Fig. 3 Grid and seismic ray distribution map used in this paper.

無論是成像還是地震重定位，速度結(jié)構(gòu)的選取都能決定最后計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 經(jīng)過多次嘗試和調(diào)研后，最終決定采用人工地震探測結(jié)果(熊紹柏等，1993)以及相關(guān)學(xué)者(王未來等，2014； Wangetal.，2014)在研究區(qū)進(jìn)行反演時(shí)所使用的速度模型(表1)。 之后，通過和達(dá)法擬合得到P波和S波的到時(shí)曲線(圖 4)，并計(jì)算出研究區(qū)的平均波速比約為1.79。

表1 初始一維P波速度模型Table1 Initial 1D P-wave velocity model

圖4 P波和S波震相到時(shí)Fig. 4 P- and S-wave arrival times.

TomoDD方法對于數(shù)據(jù)量偏小的情況一般采用最小二乘分解算法(LSQR)(Paigeetal.，1982)進(jìn)行求解反演，可縮短計(jì)算時(shí)間，此外，在反演過程中還引入了阻尼系數(shù)和光滑因子，這將降低反演結(jié)果因數(shù)據(jù)誤差所產(chǎn)生的偏差(Thurberetal.，2009)。 為了降低反演誤差，本文利用L-curve均衡曲線方法(Hansen，1993)，使數(shù)據(jù)方差較小的同時(shí)保證解的變化量不會嚴(yán)重增加。 最終選取的阻尼系數(shù)為200，光滑因子為20。

2 反演結(jié)果與分析2.1 模型分辨率

圖5 不同深度的P波檢測板測試結(jié)果Fig. 5 The resolution of checkerboard test of P-waves at different depths.

圖6 不同的深度S波檢測板測試結(jié)果Fig. 6 The resolution of checkerboard test of S-waves at different depths.

圖7 不同深度的P波速度成像結(jié)果Fig. 7 Tomography results of P-wave velocity at different depths.

圖8 不同深度的S波速度成像結(jié)果Fig. 8 Tomography results of S-wave velocity at different depths.

2.2 水平剖面速度結(jié)構(gòu)

由成像結(jié)果可見，受地震深度分布以及射線影響，0km的成像結(jié)果僅局部可靠，且水平分布的不均勻性較明顯，其中S波的成像結(jié)果顯示多數(shù)區(qū)域呈現(xiàn)低速異常，反映了近地表沉積層的特性。 5km深處主震附近出現(xiàn)明顯的高、 低速分界線，且深度為10km處主震SE側(cè)出現(xiàn)1個(gè)EW長約0.6°、 SN長約0.2°的高速異常體。 在10～20km深度范圍內(nèi)，主震震源附近的地震分布明顯呈條帶狀，清楚地勾畫了斷層的幾何形態(tài)。 本次地震余震序列的震源深度主要分布在5～20km，P波成像結(jié)果顯示在5～15km深度處余震主要分布在高、 低速異常的交界處，P波速度在15km以深又恢復(fù)為低速異常。

2.3 地震序列重定位結(jié)果及其與速度結(jié)構(gòu)的關(guān)系

為了更直觀地考察漾濞地震序列與區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造的關(guān)聯(lián)，圖 9 只展示了2021年5月21日漾濞MS6.4地震的余震空間分布。 由圖可見，余震主要分布在維西-喬后斷裂的W側(cè)，但該區(qū)沒有已探明的活動(dòng)斷裂。 為進(jìn)一步分析研究區(qū)的構(gòu)造特征，沿余震擴(kuò)展方向和垂直方向構(gòu)建了AA′、BB′、CC′ 3條剖面，其中AA′的走向與余震展布方向一致，BB′和CC′是2條平行的剖面，與AA′剖面正交。BB′經(jīng)過多數(shù)4級以上地震的震中附近，CC′經(jīng)過2021年5月27日發(fā)生的MS4.1地震(圖 9 中C′處紫紅五角星)及其NNE向展布的地震震中處。

圖9 漾濞地震序列精定位地震的時(shí)空分布圖Fig. 9 Temporal and spatial distribution of precisely relocated earthquakes of Yangbi earthquake sequence.紅色五角星為主震，紫紅色五角星為MS>4余震，黑色五角星為最大前震及最大余震

為考察漾濞MS6.4地震序列的時(shí)空演化特征，圖 10 給出了本次地震序列沿余震分布長軸AA′剖面的距離-時(shí)間圖。 由圖可見，重定位后的地震展布于AA′剖面附近約20km的范圍內(nèi)，但多數(shù)地震主要分布在10km以內(nèi)。 早期余震的擴(kuò)展距離較短，但隨著時(shí)間推移逐漸向SE擴(kuò)展。 盡管這種余震單側(cè)擴(kuò)展的模式尚不能說明主震也為單側(cè)破裂，但提供了一種用于比較的科學(xué)參考。

圖10 漾濞地震序列沿AA′剖面的時(shí)空擴(kuò)展圖Fig. 10 Spatial and temporal extension of the Yangbi earthquake sequence along AA′.

圖11 3條垂直剖面上的P波和S波速度結(jié)構(gòu)Fig. 11 P- and S-wave velocity structures on three vertical profiles.

3 結(jié)論與討論

為探討2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震序列所在區(qū)域的孕震環(huán)境以及此次地震序列的活動(dòng)特征，本文利用云南地震觀測臺網(wǎng)記錄到的2011年5月1日—2021年5月31日10a的地震觀測資料，采用雙差層析成像(TomoDD)方法進(jìn)行了地殼三維速度結(jié)構(gòu)反演和地震精定位，并獲得如下結(jié)論：

(2)時(shí)空遷移分析表明，MS6.4地震的余震主要向SE單側(cè)擴(kuò)展。MS6.4主震震中N側(cè)存在NNE向展布并延伸至維西-喬后斷裂上的1組地震，其中包括5月27日發(fā)生的MS4.1地震。

(3)對漾濞MS6.4地震序列所在周邊區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果表明，研究區(qū)橫向與縱向不均勻分布明顯。 從AA′剖面上看，P波和S波速度均顯示在主震SE側(cè)存在高速異常，結(jié)合余震分布特征認(rèn)為速度結(jié)構(gòu)的非均勻變化可能是控制余震分布的主要因素，導(dǎo)致余震序列沿SE向破裂更長。

與周邊活動(dòng)構(gòu)造進(jìn)行對比后可知，此次地震序列發(fā)生在維西-喬后斷裂SE側(cè)的一條未探明的分支斷裂上。 重定位后的地震序列分布擬合結(jié)果顯示，這條斷裂的走向?yàn)?12°、 傾角為78°，與走向約300°、 傾角60°～80°的維西-喬后斷裂(湯沛，2013)大致接近。 這種相鄰構(gòu)造接近的幾何參數(shù)以及序列中4級以上地震以走滑性質(zhì)為主、 部分帶正傾分量的震源機(jī)制解，為進(jìn)一步分析漾濞MS6.4地震序列所在發(fā)震斷裂的構(gòu)造屬性研究提供了一定線索。

包括5月27日MS4.1地震在內(nèi)呈的NNE向展布的1組地震，勾畫出另一條未探明的分支斷裂。 根據(jù)5月27日MS4.1地震的震源機(jī)制解分析，這條小的分支斷裂可能為右旋走滑屬性，結(jié)合序列中4級以上地震的震源機(jī)制解，可初步推測這條分支斷裂與漾濞MS6.4地震序列多數(shù)地震所在的發(fā)震斷層可能為共軛關(guān)系。 由于數(shù)據(jù)在不同深度分辨率的覆蓋程度、 檢測板分辨率有限等因素限制，0km深度速度結(jié)果的精度和可靠度可能不足，僅可用于參考。

致謝中國科技大學(xué)張海江教授為本研究提供了TomoDD程序； 云南測震臺網(wǎng)提供了震相報(bào)告資料； 作者在撰寫論文過程中與美國佐治亞州立大學(xué)楊秀隆博士進(jìn)行了有益的探討； 文中圖件使用GMT軟件繪制； 審稿人提出了諸多有益建議，使得稿件的質(zhì)量得到了很大提升。 在此一并表示感謝!