云南漾濞地区地壳层析成像与地震精定位

尹欣欣 蒋长胜 蔡 润 郭祥云 姜 丛 王祖东 邹小波

1)甘肃省地震局，兰州 730000 2)中国地震局地球物理研究所，北京 100081 3)中冶成都勘察研究总院有限公司，成都 610063

0 引言

强震的发生与地壳速度异常分布密切相关。 一些研究表明强震发生在中上地壳的高速异常体与低速异常体的过渡带或低速异常体内(Qiongetal.，2014)，对震源区速度结构的精细成像和地震定位有助于揭示强震的孕育环境(Michaeletal.，1991； Peietal.，2016)。 此外，通过对强震序列的定位和震源区进行速度结构成像，还可探明强震的发生机理(Negiaetal.，2017)、 断裂带同震结构演化过程和震源区应力重新分布情况(Peietal.，2019)，并解释俯冲带的特殊结构(Dorbathetal.，2008)等。

在基于地震走时的地壳速度结构成像中，到时读取误差等造成的地震定位的不确定性往往与速度结构模型的不确定相互影响(Thurber，1992)。 Zhang等(2003)基于双差定位方法(HypoDD)(Waldhauseretal.，2000)提出的双差层析成像方法(TomoDD)很好地解决了这一耦合问题，同时可获得较为可靠的地震震源位置和速度结构成像结果。 目前，国内外已开展了大量基于TomoDD方法的案例研究，并持续对该方法进行改进(Zhangetal.，2005，2006，2009，2012； Pesiceketal.，2010)，这些工作都为区域尺度的强震孕育环境和发生机理研究提供了技术条件。

1 数据与方法

1.1 研究区域和数据资料

2021年漾濞MS6.4地震序列所在的滇西地区位于青藏高原东南缘，是中国构造活动强烈的地区之一。 漾濞所在地区的区域应力表现为SN向挤压、 EW向拉张作用(Zhaoetal.，2013)。 根据中国地震台网中心的地震编目系统《统一快报目录》给出的初步地震定位结果，漾濞MS6.4地震序列沿NW向展布，序列的N侧邻近川滇块体西部边缘的维西-乔后断裂(图 1)。 维西-乔后断裂走向NNW，为右旋走滑型，全长约280km，向S与红河断裂相连，向N与金沙江断裂相接，是连接川滇块体西缘南、 北2条活动断裂的枢纽(常祖峰等，2016)。

图 1 研究区的地质构造及历史大地震Fig. 1 Geological tectonic setting and historical big earthquakes of the research area.F1大厂-平川断裂； F2程海-宾川断裂； F3红河断裂； F4鹤庆-洱源断裂； F5中甸-龙婚-乔后断裂； F6金沙江断裂； F7维西-乔后断裂； F8哀牢山断裂； F9阿墨江断裂； F10把边江断裂； F11无量山断裂； F12兰坪-云龙-永平断裂； F13澜沧江 断裂； F14漕涧断裂； F15保山-施甸断裂； F16勐波罗河断裂； F17昌宁断裂

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

1.2 双差层析成像

双差层析成像方法(TomoDD)(Zhangetal.，2003)是在双差定位法(HypoDD)(Waldhauseretal.，2000)的基础上提出的，众多研究人员以此为基础对TomoDD方法进行了扩展和改进(Zhangetal.，2005，2006，2009，2012； Pesiceketal.，2010)。 国内外许多研究和应用均证明，即使在研究区域范围较大的情况下，双差定位相对于其他常规的绝对定位方法可得到更加准确的震源位置以及震源深度结果，且整体上使地震事件集更加收敛。

TomoDD方法首先假定相邻地震事件(以下称为事件对)到相同台站具有相似的路径，这样保证了在区域尺度范围内的收敛效果(王伟平，2016)。 TomoDD方法考虑了介质空间速度的变化，引入绝对到时数据，减少了将波速假设为恒定值引起的误差，且未限制事件对间的距离，定位准确度较高(王长在等，2013)，依靠更加准确的震源位置可以得到更精细的地壳三维速度结构，另外，由于速度结构与震源位置之间存在耦合效应(Thurber，1992)，速度结构的改进也能进一步提高地震震源位置的精度，二者起到了相互促进的作用。

TomoDD的基本思想为： 假设2个地震事件空间位置接近，可认为二者到相同台站的传播路径是重合的，因此通过一定的筛选条件可对地震事件进行两两配对，通过计算相对到时差降低事件对在共同传播路径上的速度误差(Waldhauseretal.，2000)。 具体而言，TomoDD可以由下面2个公式来简述：

(1)

(2)

由此，利用式(2)可得到震源附近小尺度范围的速度结构以及相对震源位置。

1.3 初始模型与参数选取

TomoDD方法反演结果的可靠性非常依赖初始速度模型的准确度，因此本文使用 “节点法”(Xinetal.，2018)对速度模型进行参数化，通过多次试验对比，最后将水平方向节点的间距设为0.25°×0.25°，垂直方向上的节点位置分别设定为0km、 5km、 10km、 15km、 20km、 25km、 35km、 45km、 65km，对于未落在网格节点处的速度值采用线性插值法(蔡锁章等，2016)进行插值。 图 3 为本文选取的网格和地震射线分布图。 从图中可以看出，本文所用的数据射线的覆盖率较高，但西北角和东南角存在部分空隙，覆盖率较差，这也导致了后面检测板测试结果在这2个区域的效果稍差。

图3 本文选取的网格和地震射线分布图Fig. 3 Grid and seismic ray distribution map used in this paper.

无论是成像还是地震重定位，速度结构的选取都能决定最后计算结果的准确性。 经过多次尝试和调研后，最终决定采用人工地震探测结果(熊绍柏等，1993)以及相关学者(王未来等，2014； Wangetal.，2014)在研究区进行反演时所使用的速度模型(表1)。 之后，通过和达法拟合得到P波和S波的到时曲线(图 4)，并计算出研究区的平均波速比约为1.79。

表1 初始一维P波速度模型Table1 Initial 1D P-wave velocity model

图4 P波和S波震相到时Fig. 4 P- and S-wave arrival times.

TomoDD方法对于数据量偏小的情况一般采用最小二乘分解算法(LSQR)(Paigeetal.，1982)进行求解反演，可缩短计算时间，此外，在反演过程中还引入了阻尼系数和光滑因子，这将降低反演结果因数据误差所产生的偏差(Thurberetal.，2009)。 为了降低反演误差，本文利用L-curve均衡曲线方法(Hansen，1993)，使数据方差较小的同时保证解的变化量不会严重增加。 最终选取的阻尼系数为200，光滑因子为20。

2 反演结果与分析2.1 模型分辨率

图5 不同深度的P波检测板测试结果Fig. 5 The resolution of checkerboard test of P-waves at different depths.

图6 不同的深度S波检测板测试结果Fig. 6 The resolution of checkerboard test of S-waves at different depths.

图7 不同深度的P波速度成像结果Fig. 7 Tomography results of P-wave velocity at different depths.

图8 不同深度的S波速度成像结果Fig. 8 Tomography results of S-wave velocity at different depths.

2.2 水平剖面速度结构

由成像结果可见，受地震深度分布以及射线影响，0km的成像结果仅局部可靠，且水平分布的不均匀性较明显，其中S波的成像结果显示多数区域呈现低速异常，反映了近地表沉积层的特性。 5km深处主震附近出现明显的高、 低速分界线，且深度为10km处主震SE侧出现1个EW长约0.6°、 SN长约0.2°的高速异常体。 在10～20km深度范围内，主震震源附近的地震分布明显呈条带状，清楚地勾画了断层的几何形态。 本次地震余震序列的震源深度主要分布在5～20km，P波成像结果显示在5～15km深度处余震主要分布在高、 低速异常的交界处，P波速度在15km以深又恢复为低速异常。

2.3 地震序列重定位结果及其与速度结构的关系

为了更直观地考察漾濞地震序列与区域活动构造的关联，图 9 只展示了2021年5月21日漾濞MS6.4地震的余震空间分布。 由图可见，余震主要分布在维西-乔后断裂的W侧，但该区没有已探明的活动断裂。 为进一步分析研究区的构造特征，沿余震扩展方向和垂直方向构建了AA′、BB′、CC′ 3条剖面，其中AA′的走向与余震展布方向一致，BB′和CC′是2条平行的剖面，与AA′剖面正交。BB′经过多数4级以上地震的震中附近，CC′经过2021年5月27日发生的MS4.1地震(图 9 中C′处紫红五角星)及其NNE向展布的地震震中处。

图9 漾濞地震序列精定位地震的时空分布图Fig. 9 Temporal and spatial distribution of precisely relocated earthquakes of Yangbi earthquake sequence.红色五角星为主震，紫红色五角星为MS>4余震，黑色五角星为最大前震及最大余震

为考察漾濞MS6.4地震序列的时空演化特征，图 10 给出了本次地震序列沿余震分布长轴AA′剖面的距离-时间图。 由图可见，重定位后的地震展布于AA′剖面附近约20km的范围内，但多数地震主要分布在10km以内。 早期余震的扩展距离较短，但随着时间推移逐渐向SE扩展。 尽管这种余震单侧扩展的模式尚不能说明主震也为单侧破裂，但提供了一种用于比较的科学参考。

图10 漾濞地震序列沿AA′剖面的时空扩展图Fig. 10 Spatial and temporal extension of the Yangbi earthquake sequence along AA′.

图11 3条垂直剖面上的P波和S波速度结构Fig. 11 P- and S-wave velocity structures on three vertical profiles.

3 结论与讨论

为探讨2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震序列所在区域的孕震环境以及此次地震序列的活动特征，本文利用云南地震观测台网记录到的2011年5月1日—2021年5月31日10a的地震观测资料，采用双差层析成像(TomoDD)方法进行了地壳三维速度结构反演和地震精定位，并获得如下结论：

(2)时空迁移分析表明，MS6.4地震的余震主要向SE单侧扩展。MS6.4主震震中N侧存在NNE向展布并延伸至维西-乔后断裂上的1组地震，其中包括5月27日发生的MS4.1地震。

(3)对漾濞MS6.4地震序列所在周边区域的速度结构成像结果表明，研究区横向与纵向不均匀分布明显。 从AA′剖面上看，P波和S波速度均显示在主震SE侧存在高速异常，结合余震分布特征认为速度结构的非均匀变化可能是控制余震分布的主要因素，导致余震序列沿SE向破裂更长。

与周边活动构造进行对比后可知，此次地震序列发生在维西-乔后断裂SE侧的一条未探明的分支断裂上。 重定位后的地震序列分布拟合结果显示，这条断裂的走向为312°、 倾角为78°，与走向约300°、 倾角60°～80°的维西-乔后断裂(汤沛，2013)大致接近。 这种相邻构造接近的几何参数以及序列中4级以上地震以走滑性质为主、 部分带正倾分量的震源机制解，为进一步分析漾濞MS6.4地震序列所在发震断裂的构造属性研究提供了一定线索。

包括5月27日MS4.1地震在内呈的NNE向展布的1组地震，勾画出另一条未探明的分支断裂。 根据5月27日MS4.1地震的震源机制解分析，这条小的分支断裂可能为右旋走滑属性，结合序列中4级以上地震的震源机制解，可初步推测这条分支断裂与漾濞MS6.4地震序列多数地震所在的发震断层可能为共轭关系。 由于数据在不同深度分辨率的覆盖程度、 检测板分辨率有限等因素限制，0km深度速度结果的精度和可靠度可能不足，仅可用于参考。

致谢中国科技大学张海江教授为本研究提供了TomoDD程序； 云南测震台网提供了震相报告资料； 作者在撰写论文过程中与美国佐治亚州立大学杨秀隆博士进行了有益的探讨； 文中图件使用GMT软件绘制； 审稿人提出了诸多有益建议，使得稿件的质量得到了很大提升。 在此一并表示感谢!