2021年青海玛多MS7.4地震震源区上地壳三维精细速度结构

吴萍萍， 常利军， 鲁来玉， 郭慧丽， 吕苗苗， 丁志峰

中国地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

2021年5月22日02时04分(北京时间)，青海省果洛州玛多县(北纬34.59°，东经98.34°)发生7.4级地震.张喆和许力生(2021)提供玛多7.4级震源机制结果为走滑性质断裂(界面I：走向281°，倾角88°，滑动角1°；界面II：走向191°，倾角89°，滑动角178°).中国地震台网中心(邓文泽等，2021)对震源破裂过程研究表明该地震破裂持续时间为45 s，主要能量在30 s释放，破裂方式为双侧破裂.

华俊等(2021)通过InSAR资料发现此次地震断层为近纯左旋走滑，同震位移集中在15 km以内，形成长度大于160 km的地表断裂，最大滑移量为6 m，位于玛多地震震中以东约20 km处.李智敏等(2021)和潘家伟等(2021)通过野外考察发现，此次地震的地表破裂呈现明显分段性，由西向东逐渐减弱，其中位于江错断裂西段的鄂陵湖南段的地表破裂规模最大，而黄河乡以东区域的地表破裂位移量小，明显小于InSAR反演的断层深部同震位移量(华俊等，2021).如何解释深部的同震位移量与地表破裂特征认识不同的现象，需要有高精度的地震定位结果和深部物性结构信息作为支撑.

不同学者通过余震精定位和震源机制反演揭示了玛多MS7.4发震断裂的构造形态和发震机制.王未来等(2021)根据固定台和流动台对地震后8天的余震进行重定位，初步揭示了发震断裂为NWW向条带状分布，发震断裂向深部近垂直延伸，在断裂的西侧和东侧出现分支和马尾状分叉等特征.徐志国等(2021)经余震精定位、震源机制反演揭示玛多地震发震断裂为陡立状，区域水平应力场为近EW向挤压，破裂受到局部构造影响，震源机制以左旋走滑为主，伴有挤压型地震.尹欣欣等(2021)基于青海测震台网对余震进行重定位，结果显示发震断裂地震活动性存在明显的分段性.但受限于地震台网在该区域布设少，距离玛多地震震中100 km范围内只有一个固定地震台，地震定位精度有限.已有的地震精定位结果虽然可以初步刻画发震断裂的几何特征，但在很多问题上依然存在争议，例如断裂西侧是否存在分支断裂活动、余震主要分布深度、地震空区分布、断裂的空间展布特征等.

为了探究青海玛多7.4级地震震源区深部物性结构及其孕震环境，中国地震局地球物理研究所启动青海玛多7.4级地震科学考察项目，在玛多地震震区及邻区共布设150个短周期密集台阵，这为本文提供了数据保障.郭慧丽等(2022)基于玛多地震科考获取的150台密集地震台阵数据，通过机器学习、地震关联、绝对定位和相对定位等流程(Waldhauser and Ellsworth, 2000, 2002; Meyer et al., 2018; Zhu and Beroza, 2019; Spoorthi et al., 2020)，获取了精度更高的余震分布，精细地刻画了发震断裂的空间几何形态，同时为本文的近震P波成像提供了高精度的地震目录.

本文基于中国地震局地球物理所青海玛多7.4级地震科学考察项目获取的地震数据资料，结合郭慧丽等(2022)精定位后的地震目录，进一步挑选地震事件和P波走时数据，采用双差走时成像法(tomoDD)(Zhang and Thurber, 2003; Zhang et al., 2004)，得到玛多地震震源区上地壳三维精细的P波速度结构.然后根据本文获取的三维速度结构对郭慧丽等(2022)提供的地震事件进行重定位，分析地震活动的空间分布特征.最后结合研究区已有的地质地球物理资料，探讨研究区深部速度结构与地震活动性之间的关系，研究成果可为探究青海玛多7.4级地震深部孕震环境及其动力学过程提供更为精细的深部地球物理学依据.

1 构造背景

在印度板块和欧亚板块的持续挤压作用下，青藏高原岩石圈强烈变形，地壳垂向增厚，深部物质发生流动和迁移(李秋生等，2020；袁道阳等，2020).巴颜喀拉块体位于青藏高原东北部，属于青藏高原内部地震活动性强烈的次级块体，块体东西向(EW)展布约为2000 km、南北向(SN)展布约为200 km(马玉虎和马辉青，2013)，北边界受控于巨型左旋走滑的东昆仑断裂，南边界为甘孜—玉树—鲜水河断裂，东部由龙门山断裂控制，块体边界断裂活动性强，是地震发生频度最高、强度最大的构造活动区域(图1).近20年来，巴颜喀拉块体边界发生了一系列强震，例如2001年昆仑山口8.1级地震、2008年汶川8.0级地震、2011年玉树7.1级地震、2013年芦山7.0级地震、2017年九寨沟7.0级地震(图1).

图1 区域构造背景图红色五角星表示玛多MS7.4地震震中；黄色五角星为近20年来发生在巴颜喀拉块体周边M>7的地震；黄色圆表示1970年以来MS6.0～6.9地震；白色圆为1970年以来MS5.0～5.9地震. 白框表示本文研究区域.Fig.1 Regional tectonic background mapThe red star denotes the epicenter of the Madoi MS7.4 earthquake. The yellow stars denote the M>7 earthquakes that occurred around the Bayan Har Block in the past 20 years. The yellow circles denote the MS6.0～6.9 earthquakes since 1970. The white circles denote the MS5.0～5.9 earthquakes since 1970. The white box denotes the study region of the paper.

除了块体边界大型活动断裂之外，在块体内部也发育一系列活动断裂(图2)，在研究区包括有NW走向的玛多—甘德断裂(F1)、江错断裂(F2)、甘德南缘断裂(F3)、达日断裂(F4).这些断裂晚第四纪以来活动特征显著，但滑动速率明显低于北边界的东昆仑断裂和南边界的甘孜—玉树—鲜水河断裂(徐锡伟等，2007；熊仁伟，2010).

图2 研究区地震活动分布图黄色震源机制为徐志国等(2021)的结果，粉色震源机制为吕苗苗等(2022)的结果. 黑色震源机制为玛多7.4级地震震源机制(张喆和许力生，2021).黑色点为郭慧丽等(2022)通过机器学习和hypoDD精定位后的地震分布图；黄色红边的五角星为玛多7.4级地震；蓝色线为地表破裂(Ren et al., 2022)；红色线为活动断裂.F1：玛多—甘德断裂；F2：江错断裂；F：甘德南缘断裂：F4达日断裂.ELH：鄂陵湖；ELHND：鄂陵湖南段；YMTDQ：野马滩大桥；HHX：黄河乡.Fig.2 Seismic activity map of the study regionThe yellow focal mechanisms are the results of Xu et al. (2021). The pink focal mechanisms are calculated by Lü et al. (2022). The black focal mechanism represents the mechanism of the Madoi MS7.4 earthquake (Zhang and Xu, 2021). The black dots are the earthquake distribution through machine learning and hypoDD location by Guo et al. (2022). The yellow star with red edge denotes the epicenter of the Madoi MS7.4 earthquake. The blue lines denote the surface rupture (Ren et al., 2022). The red lines denote the active faults. F1, Madoi-Gande fault; F2, Jiangcuo fault; F3, South Gande fault; F4, Dari fault. ELH, E′ling Lake; ELHND: South E′ling Lake; YMTDQ, Yematan Bridge; HHX, Huanghe Township.

此次玛多7.4级地震的发震断裂为江错断裂(王未来等，2021)，属于巴颜喀拉块体内部断裂，断裂整体走向为NWW，倾向NE为主，表现为左旋走滑性质(潘家伟等，2021；王未来等，2021；尹欣欣等，2021；郭慧丽等，2022).震源机制结果(徐志国等，2021；吕苗苗等，2022)表明玛多地震余震区域的发震机制多为走滑型地震，在局部区域存在挤压型地震，例如玛多地震震区附近、野马滩大桥(YMTDQ)西侧区域(图2)，可能是受到局部应力场的作用形成的新的震源机制.构造应力场显示研究区的最大水平主压应力轴方向为NEE向(徐志国等，2021)，与区域整体背景应力场一致.

2 数据和方法

2.1 台站分布

研究区位于海拔4200 m以上的高原，大部分都是无人区，台站布设难度大.经现场野外勘查，地震科考组分别沿着两条近南北向公路线性布设和沿着江错断裂横向面上布设(图3，黑色三角形)，跨江错断裂(F2)台站点间距为0.5～1 km，两条NE向测线两端的台间距为1～2 km，沿着断裂布设的台间距为3～5 km.采集时间为6月3日至7月5日一个月连续观测.

图3 玛多地震科学考察台站分布图蓝色线为地表破裂(Ren et al., 2022)；黑色线为研究区内活动断裂；黑色三角形为地震台站分布；黄色红边的五角星为玛多MS7.4震中；红色线为图14和图15速度剖面所在位置.F1：玛多—甘德断裂；F2：江错断裂；F3：甘德南缘断裂：F4达日断裂.ELH：鄂陵湖；ELHND：鄂陵湖南段；YMTDQ：野马滩大桥；HHX：黄河乡.Fig.3 The distribution map of the Madoi earthquake scientific investigation stationsThe blue lines denote the surface rupture (Ren et al., 2022). The black lines denote the active faults in the study region. The black triangles are the distribution of the seismic stations. The yellow star with red edge denotes the epicenter of the Madoi MS7.4 earthquake. The red lines are the location of the velocity profiles in Fig.14 and Fig.15. F1, Madoi-Gande fault; F2, Jiangcuo fault; F3, South Gande fault; F4, Dari fault. ELH, E′ling Lake; ELHND: South E′ling Lake; YMTDQ, Yematan Bridge; HHX, Huanghe Township.

2.2 P波走时数据

本文的P波走时数据是基于郭慧丽等(2022)机器学习获取的体波震相走时和hypoDD精定位后的地震目录进一步筛选获取的，考虑到P波震相走时比S波震相走时的拾取精度更高，为确保成像结果的可靠性，本文只采用P波走时数据进行速度结构成像，获取研究区上地壳速度结构.

玛多MS7.4地震的余震主要沿着江错断裂(图2中F2)分布，地震活动性强.地震科考布设的地震台站主要沿着发震断裂附近密集布设.为了确保近震P波走时成像结果的可靠性和稳定性，本文采用以下方式对地震分布和P波走时数据进行预处理，具体步骤如下：

第一步：考虑到地震方位对体波成像结果的影响，本文将地震发生密集区进行抽稀，确保地震在研究区的分布更为均匀.本文对研究区进行5 km×5 km的网格剖分，分别统计每个网格的地震个数.图4a、b为基于郭慧丽等(2022)hypoDD精定位地震分布统计结果，地震事件总数为35697个(hypoDD，gap=280°)，其中图4a为地震事件沿江错断裂每隔5 km地震数量统计柱状图，图4b为地震事件在水平5 km×5 km网格地震数量统计分布图.从图中可以发现地震发生频次最高在玛多震区以东约20 km左右.为了使地震事件较为均匀地分布在研究区，本文对地震密集区的筛选方法有：

(1)当网格中地震数大于3000个时，保留接收有P波到时数据90个以上的地震事件；

(2)当网格中地震数介于1000和3000个之间时，保留接收有P波到时数据60个以上的地震事件；

(3)当网格中地震数介于400和1000个之间时，保留接收有P波到时数据40个以上的地震事件；

(4)当网格中地震数介于200和400个之间时，保留接收有P波到时数据30个以上的地震事件；

(5)当网格中地震数小于200个时，全部保留.

按照上述方法进行地震事件挑选，图4c、d为经过挑选之后的地震事件沿江错断裂每隔5 km地震数量统计柱状图和地震事件在水平5 km×5 km网格地震数量统计分布图.从图4d中可以发现地震沿着江错断裂较为均匀的分布，统计柱状图(图4c)也显示沿着江错断裂上每一段地震事件数量基本在同一个量级上.经此步骤挑选后的地震数为7949个(此处每个网格地震数阈值选择是根据挑选后的地震分布情况来确定的).

图4 地震事件统计分布图(a)和(b)为郭慧丽等(2022)hypoDD精定位后沿江错断裂每隔5 km地震数量统计柱状图和水平5 km×5 km网格地震数量统计分布图； (c)和(d)为本文用于体波成像地震事件沿江错断裂每隔5 km地震数量统计柱状图和水平5 km×5 km网格地震数量统计分布图. (a)和(c)的坐标0点为玛多7.4级地震在江错断裂的投影.Fig.4 Statistical distribution map of the earthquakes(a) and (b) are the statistical histogram of the earthquakes at intervals of 5 km along Jiangcuo fault and the statistical distribution of the earthquakes in the horizontal 5 km×5 km grids after the precise location of hypoDD by Guo et al. (2022). (c) and (d) are the statistical histogram of the earthquakes at intervals of 5 km along Jiangcuo fault and the statistical distribution of the earthquakes in the horizontal 5 km×5 km grids used for body wave tomography in this paper. The coordinate 0 of (a) and (c) is the projection of the Madoi MS7.4 earthquake on the Jiangcuo fault.

第二步：根据挑选出来的地震目录，并按照震中距对每个事件的波形数据进行排列(例如图5a)，人工核对该事件是否为真实地震事件，对于机器学习误拾或地震事件信噪比低的数据直接将该事件剔除，共剔除1000多个事件.图5为随机抽取的地震事件波形图，图5a为该地震事件所有接收地震台按照震中距排列的波形图，图中红色线为每个台站机器学习获取的P波走时数据，图5b为地震震中和接收地震台站的分布图.图5c为图5a中的局部波形放大，红色线为机器学习拾取的P波走时.

图5 地震事件波形图地震事件信息：2021-06-06 18∶04∶03.68，纬度34.7022°，经度98.0464°，深度7.23 km.(a) 该地震事件按照震中距排列的地震波形图； (b) 地震震中和接收台站位置分布图； (c) 为(a)图中的局部波形放大.Fig.5 Seismic event waveform diagramSeismic event information: 2021-06-06 18∶04∶03.68, latitude 34.7022°, longitude 98.0464°, depth 7.23 km. (a) The seismic waveform of the seismic event arranged according to the epicentral distance. (b) The locations of the earthquake epicenter and the receivers. (c) Local waveform amplification in Fig.(a).

第三步：画出所有P波走时数据的时距曲线，设定阈值(黑色斜线)，将阈值之外的数据删除，最终选择用于反演的地震数据有6811个事件，绝对P波走时数据为473469个.双差走时构建参数为震中距小于100 km、相邻地震间距小于6 km、每个地震至少有8个台站接收，最后获得双差走时数据为1123808个.图6为本文最终采用的P波走时数据.

图6 P波走时数据的时距曲线图Fig.6 Time-distance curve of the P wave traveltime data

2.3 成像方法

近震体波成像方法在地壳可以有更好的射线分布和交叉，相比远震体波成像方法可以提供更为精细的区域上地壳结构.传统的近震体波走时成像往往是利用绝对走时数据进行反演，而基于双差走时(同一个台站接收到两个位置相近的地震的走时差的差)(Zhang and Thurber, 2003; Zhang et al., 2004)的成像方法，结合了绝对走时成像的优势和双差到时成像对源区速度结构更为灵敏的特点，在揭示上地壳及震源区精细结构上有着广泛应用.

根据Zhang和Thurber(2003)双差成像原理，可将绝对走时差、双差走时和正则化项组合成大型线性方差组，即：

(1)

A为绝对走时差对地震四要素(发震时间和震源位置)的偏导数矩阵，C为绝对走时差对模型物性的灵敏度矩阵(偏导数矩阵或核函数矩阵)，QDD为双差算子(用于构建一个台站接收到两个位置相近的地震的走时差的配对矩阵)，Wm为模型光滑矩阵(正则化项)，ΔT为理论绝对到时与实际到时的走时差(绝对到时差).ΔX为待求解的地震四要素的扰动矩阵，ΔU为待求解介质慢度的扰动矩阵.α、β和η分别为绝对走时差、双差走时和正则化项的权重因子.采用阻尼最小二乘法(Least Square QR-factorization，LSQR)求解线性方程组即可获得地震重定位结果和三维速度结构.

3 反演参数选择和反演结果

3.1 反演参数选择

反演参数的选择主要有几个方面：反演网格剖分、反演初始模型、模型光滑因子、最小二乘的阻尼因子、反演迭代次数等.在网格剖分上，综合考虑玛多区域台阵和地震分布情况，经多套网格测试，本文最终选择研究目标区内水平方向网格为等间距0.1°×0.1°，深度20 km以内网格间距为2.0 km，边界网格为采用不等间距划分，图7a和图7b分别为采用的水平和深度网格剖分.

图7 三维反演网格剖分和初始一维P波速度模型(a) 水平网格剖分； (b) 深度网格剖分； (c) 初始一维P波速度模型.“十”字为网格节点.Fig.7 The meshing grid for 3-D inversion and the initial 1-D P-wave velocity model(a) Horizontal grid division diagram; (b) Depth grid division diagram; (c) The initial 1-D P-wave velocity model. The crosses are the grid nodes.

一维初始模型是根据郭慧丽等(2022)进行地震关联(Rapid Earthquake Association and Location, REAL)(Zhang et al., 2019)和余震精定位的一维模型插值到反演深度网格节点上获取的，图7c为本文采用的初始模型.

最小二乘的阻尼因子和模型光滑因子是通过设计多个参数并综合L-curve分析方法确定，最小二乘的阻尼因子选择30～600范围内13个参数，模型光滑因子选择10～280范围内10个参数，通过计算每个参数的反演后的归一化数据拟合差(Normalized Weighted Residual Norm)和归一化的模型项值(Normalized Solution Norm)，最终确定最小二乘阻尼因子为180和模型光滑因子为80.图8a和图8b分别为最小二乘阻尼因子选择和模型光滑因子选择的L-curve分析曲线.

图8 利用L-curve曲线法分析最小二乘阻尼因子(a)、模型光滑因子(b)黑色箭头表示选定的因子.Fig.8 The L-curve method for analyzing the least squares damping factor (a), model smoothing factor (b)The black arrows indicate the selected factors.

3.2 三维灵敏度核函数分布

图9为本文采用数据在研究区内三维带权重的灵敏度分布图.三维灵敏度核函数的计算方式为，将反演线性方程组中每个网格的所有数据的带权重灵敏度值求和，即公式(1)中αC和βQDDC这两个带权重的大型矩阵每列相加得到每个网格物性的灵敏度值，值越大间接说明反演获取该网格的物性值越可靠.从图中可以发现，在深度2～8 km范围的灵敏度值最大.在每个深度上，江错断裂F2周边的灵敏度值最高，而在偏离江错断裂区域的灵敏度值明显降低.根据灵敏度分布情况可以推断出，深度范围在2～8 km江错断裂周边反演结果的可靠性较高.

图9 不同深度三维灵敏度分布图红色三角形为台阵分布位置；黄色五角星为玛多MS7.4地震震中.Fig.9 The 3-D sensitivity maps at depthsThe red triangles are the distribution of the seismic stations. The yellow star denotes the epicenter of the Madoi MS7.4 earthquake.

3.3 棋盘测试结果

采用棋盘测试方法检验本文选取的地震分布和P波走时数据在空间上的分辨能力.在图7a和图7b网格剖分基础上，基于初始速度模型(图7c)，每隔一个网格加入4%的正负相间的速度异常，作为理论模型.通过理论模型合成体波走时数据，并加上5%的随机误差，形成反演数据.反演网格(图7a、b)和初始模型(图7c)选择与实测数据反演选择一样，图10为不同深度的棋盘测试反演结果.从图中可以发现，沿着江错断裂(F2)及其周边区域棋盘测试结果恢复比较好，尤其是在深度2 km、4 km、6 km正负异常的恢复能力较好，而在浅层0 km左右由于浅部体波射线交叉少，分辨能力明显下降.在深度8 km和10 km沿着江错断裂(F2)的异常恢复比较好，离断裂越远的区域，棋盘测试的恢复能力明显减弱.经过棋盘测试，可知本文采用的数据对江错断裂附近的速度结构有较好的分辨能力，棋盘测试结果与三维灵敏度分布的结果基本吻合，间接说明反演获取的三维速度结构可以很好的揭示江错断裂周边的上地壳深部物性结构.

图10 不同深度的棋盘测试结果Fig.10 The checkboard test results at depths

3.4 地震重定位结果

考虑到更完备的地震目录更有助于探讨研究区内地震活动性与深部物性结构的关系，本文将反演获取的三维速度结构模型对郭慧丽等(2022)获取的35697个地震进行重新定位.图11为基于本文获取的三维速度模型重定位后的地震分布图.图12为重定位后地震空间分布统计图.图13为郭慧丽等(2022)地震定位结果与本文重定位结果沿着经度、纬度、深度的偏差统计图.从图13中可以看出重定位的结果与郭慧丽等(2022)基于hypoDD双差精定位结果偏差基本在2 km以内，整体往北、往东偏差约1 km左右，深度偏浅约0～1 km.

图11 基于本文的三维速度结构进行地震重定位的地震分布图黑色点为本文重定位结果；红色五角星为玛多7.4级地震；蓝色线为地表破裂(Ren et al., 2022)；红色线为活动断裂.F1：玛多—甘德断裂；F2：江错断裂；F3：甘德南缘断裂：F4达日断裂.ELH：鄂陵湖；ELHND：鄂陵湖南段；YMTDQ：野马滩大桥；HHX：黄河乡.Fig.11 The distribution of the relocated earthquakes based on the 3-D velocity model in the paperThe black dots are the relocated earthquakes. The red star denotes the epicenter of the Madoi MS7.4 earthquake. The blue lines denote the surface rupture (Ren et al., 2022). The red lines denote the active faults. F1, Madoi-Gande fault; F2, Jiangcuo fault; F3, South Gande fault; F4, Dari fault. ELH, E′ling Lake; ELHND: South E′ling Lake; YMTDQ, Yematan Bridge; HHX, Huanghe Township.

图12a为沿着江错断裂每隔4 km地震发生频次统计图，从图中可以发现地震发生频次出现3个峰值，分别位于鄂陵湖南段、野马滩大桥附近和黄河乡以东约20 km处，其中野马滩大桥地震频次峰值最小，黄河乡以东约20 km处地震发生频次最高.

图12b为区域内所有重定位地震数量随深度变化统计图，图中发现地震主要集中在8～12 km范围，在15 km以下地震发生频次明显减弱.为了统计沿着江错断裂不同段的地震分布特征，沿江错断裂每隔约20 km统计地震数量随深度变化，图12c、d、e、f和g为统计结果，从统计结果不难看出黄河乡(HHX)以东区域的地震发生深度主要集中在10 km左右(图12f和g)，在野马滩大桥到黄河乡段(图12d和e)地震主要发生在深度10 km以内，发震深度变浅.在鄂陵湖南段(图12c)发震深度变深，地震频次最高集中在深度10 km左右.

图12 重定位后地震随空间分布的统计图(a) 沿着江错断裂每隔4 km统计地震发生个数，坐标0为玛多地震在江错断裂上的投影，x轴坐标表示该剖面上距离玛多地震震中位置的距离，图中红色曲线为地震统计个数； (b) 区域内所有重定位地震随深度变化统计图； (c、d、e、f、g)为沿江错断裂每隔约20 km地震数量随深度变化统计图.“Dis”为地震统计区域与0点位置的距离.Fig.12 Spatial distribution characteristics of the relocated earthquake sequences(a) Histogram of events each 4 km projected along Jiangcuo fault, coordinate 0 is the projection of the Madoi earthquake on Jiangcuo fault. The x-axis represents the distance on the profile from the epicenter of the Madoi earthquake. The red line denotes the statistical curve of earthquakes. (b) Histogram of depths of all relocated events within the study area. (c, d, e, f, g) Histogram of depths of earthquakes every 20 km along Jiangcuo fault. “Dis” is the distance between the seismic statistical area and the coordinate 0.

图13 郭慧丽等(2022)地震定位结果与本文重定位结果沿经度(a)、纬度(b)和深度(c)的偏差统计图Fig.13 Statistical diagram of deviation between the earthquake locations of Guo et al. (2022) and relocations of the paper along longitude (a), latitude (b) and depth (c)

3.5 三维速度结构

图14展示了反演前后走时数据残差统计.红色柱状图为反演前数据走时残差统计结果，灰色柱状图为反演后数据走时残差统计结果，图中可以看出反演后的走时残差集中在0.2 s之内，说明反演获得的模型可以更好地拟合实测数据.

图14 反演前后走时数据残差统计图红色柱状图为反演前数据走时残差统计图； 灰色柱状图为反演后数据走时残差统计图.Fig.14 The statistical histogram of the traveltime residuals before and after inversionThe red histogram is the statistical chart of the traveltime residuals before inversion. The grey histogram is the statistical chart of the traveltime residuals after inversion.

图15、图16和图17为反演结果的水平切片图和垂直剖面图.从不同深度的水平切片图(图15)可以看出江错断裂及其周边的物性分布不均匀，呈现高低速相间的现象，地震主要发生在高低速交界处.速度结构在水平切片图上表现出明显的分段性.江错断裂(F2)西端(即鄂陵湖南段区域)的北部区域出现了延伸十几公里的高速异常，随着深度增加，在该段的南部出现低速层.在深度0.0 km、2.0 km、4.0 km和6.0 km水平切片上，野马滩大桥到黄河乡段往北距离小于20 km范围内普遍表现为高速异常，距离大于20 km的区域表现为低速特征.随着深度增加，在深度约8～10 km范围，该段江错断裂南部逐渐变为高速特征，北部表现为低速特征.

图16 沿着江错断裂YY′的速度剖面图ELHND：鄂陵湖南段；YMTDQ：野马滩大桥；HHX：黄河乡；MS7.4：玛多地震在该剖面的投影. 黑色震源机制球为徐志国等(2021)的结果在剖面的投影，粉色震源机制球为吕苗苗等(2022)的结果在剖面的投影.Fig.16 The velocity profile along Jiangcuo fault (YY′)ELHND: South E′ling Lake; YMTDQ, Yematan Bridge; HHX, Huanghe Township; MS7.4, the projection of the Madoi earthquake on the YY′ section. The black focal mechanisms are the results of Xu et al. (2021). The pink focal mechanisms are calculated by Lü et al. (2022).

玛多地震震中往东约20 km以外区域出现规模较大的高速异常，深度从浅部延伸到十几公里，异常规模大于鄂陵湖南段北部的高速异常体.在玛多地震震中附近为高低速分界带，在深度0～4 km北部表现为高速特征、南部表现为低速特征，而在深度6～10 km表现为北部低速、南部高速特征.

沿江错断裂的垂直剖面YY′(图16b)中可以发现在野马滩大桥(YMTDQ)到黄河乡(HHX)深部速度结构存在低速区，该低速区与深部的低速层连成一片.在鄂陵湖南段出现明显的高速体，在高速体下方深度约10 km左右出现低速层.玛多地震往东约20 km处出现明显的高、低速分界带，分界带以东为大规模的高速体，深部未发现低速层，分界带以西为低速异常.震源机制结果在该剖面(图16b)上显示除了有与主震玛多7.4级地震性质相同的左旋走滑型的地震之外，在一些局部速度异常区域存在挤压型地震.

从近垂直于江错断裂的8个剖面图(图17，分别对应图3 中AA′、BB′、CC′、DD′、EE′、FF′、GG′、HH′剖面的位置)，图中坐标0点为每个剖面与地表破裂(图3中蓝色线)的交点.在玛多震源以西的5个剖面(AA′、BB′、CC′、DD′、EE′)，可以发现在江错断裂附近出现明显的速度非均匀性，断裂以南表现为低速特征，以北浅部出现向北倾的高速异常.地震发生位置位于高低速分界带、偏向高速的区域.从震源机制结果也可以发现在高、低速分界处的发震机制复杂，物性变化大的区域存在挤压型地震.玛多地震震中以东的3个剖面(FF′、GG′、HH′)在地表破裂正下方(0点坐标下方)深度约4 km存在局部低速异常体，低速体一直向下延伸到十几公里，其东、西两侧表现为高速特征.

图17 近垂直于江错断裂的速度剖面图AA′、BB′、CC′、DD′、EE′、FF′、GG′、HH′ 剖面的位置见图3；灰色点为距离对应剖面5 km范围内地震的投影；坐标0点为每个剖面与江错断裂交点.黑色震源机制球为徐志国等(2021)的结果在对应剖面的投影，粉色震源机制球为吕苗苗等(2022)的结果在对应剖面的投影.Fig.17 The velocity profiles nearly perpendicular to the Jiangcuo faultThe locations of AA′, BB′, CC′, DD′, EE′, FF′, GG′, HH′ are shown in Fig.3. The gray points are the projection of the earthquake within 5 km from the corresponding section. The coordinate 0 is the intersection of each profile and Jiangcuo fault. The black focal mechanisms are the results of Xu et al. (2021). The pink focal mechanisms are calculated by Lü et al. (2022).

4 讨论

巴颜喀拉块体是青藏高原中北部地震活动较强的区域，周缘边界断裂的构造变形不仅仅控制了块体的整体向东侧运动，还控制了强震的发生(张培震等，2003).穿过巴颜喀拉块体的人工地震剖面(郭文斌等，2016；嘉世旭等，2017)显示块体接触边缘和内部断裂表现为向西南倾斜的构造特征，块体内部整体增厚，中下地壳出现低速互层且被强烈改造的结构特征(嘉世旭等，2017).大地电磁剖面(詹艳等，2021)结果展示巴颜喀拉块体内部中下地壳存在广泛的构造变形，形成明显的、埋深起伏不一的高导层，是青藏高原向北东推挤的深部构造表现.研究区位于巴颜喀拉块体北边界东昆仑断裂以南约70 km，研究区断裂属于块体内部断裂，上地壳结构和应力状态与块体内部深部中下地壳的高导、低速层息息相关.玛多地震的余震主要分布于上地壳，表明玛多地震余震区的应力累积和释放主要集中于上地壳(王未来等，2021；郭慧丽等，2022).本文三维P波速度结果展示研究区上地壳的速度结构出现明显的不均匀性和分段性，地震活动性在不同的构造环境下表现不同的特征.

鄂陵湖南段的地表破裂走向(近E-W向)与江错断裂的整体走向(NWW-SEE向)存在一定拐角，地壳各向异性结果(曹学来等，2022)显示该段的快波偏振方向为NEE向，与该区域整体地壳各向异性NWW向有一定夹角.根据野外地质调查结果，鄂陵湖南段是整条发震断裂地表形变最为显著的地方(李智敏等，2021；潘家伟等，2021)，破裂规模大，连续性好.而在震前的卫星影像上鄂陵湖南段并没有清晰的断裂地貌痕迹，表明该段破裂带可能是较为年轻的断裂.郭慧丽等(2022)地震精定位结果展示鄂陵湖南段地震活动出现一个小的峰值，地震发生频次高，震源深度主要在8～12 km，与本文地震空间统计结果(图12a、c)相吻合.从P波速度成像结果(图15、图16)可知，在鄂陵湖南段的北部出现明显的高速体，高速体从地表向下延伸到深部约十几公里(图16b)，破裂带南侧随深度增加逐渐表现为低速特征.结合地质调查、地震活动和速度结构特征，推测鄂陵湖南段破裂带可能是在NE/NEE向区域构造应力场(徐志国等，2021)的作用下，受到北部的高速体阻挡作用，应力在鄂陵湖南部累积和释放，在地表形成大规模的破裂带，该破裂带与发震断裂的走向形成一定拐角.

野马滩大桥(YMTDQ)到黄河乡(HHX)之间的地表破裂走向、地壳各向异性快波偏振方向(曹学来等，2022)与江错断裂走向基本一致.野外地质调查结果显示该区域的破裂规模较小(潘家伟等，2021).从地震活动性特征图(图12a)上发现野马滩大桥附近出现一个小的地震活动峰值，相比鄂陵湖南段和玛多地震东部区域的地震活动性有明显减弱.该段的地震深度主要集中在10 km以内(图12d、e)，发震频次最高出现在深度约5 km处，相比江错断裂东、西两侧的发震深度(图12c、f和g)变浅.速度分布图(图15，图16和图17AA′—EE′)显示江错断裂以北存在北倾的高速体，下延深度约5～10 km，地震主要分布在高速体南侧.震源机制结果展示在该区域附近存在挤压型地震，说明该区域的局部应力累积的复杂性.该段深部速度结构存在低速区，并与深部低速层连成一片，推测野马滩大桥到黄河乡段的孕震环境可能受到深部低速区/层的影响，应力在低速区/层上覆区域积累，发震深度浅.

在黄河乡以东区域地震活动性最强，从地震统计直方图(图12a)可以发现该区域的地震频次达到整条发震断裂的峰值，深度统计分布图(图12f和g)显示该段发震深度集中在8～12 km.InSAR同震形变场(华俊等，2021)显示该区域的滑移量明显高于江错断裂的西段，与地震活动分布特征相对应.然而野外地质调查结果却显示该区域的地表破裂规模小(李智敏等，2021；潘家伟等，2021)，甚至在玛多地震源区以东20 km出现地表破裂空区(潘家伟等，2021).对比速度结构可以发现黄河乡以东20 km之内，深度4 km以下出现了明显的低速体，低速体的规模大于野马滩大桥段深部的.从垂向剖面图16b和图17FF′、GG′、HH′都可以发现该低速体表现为近垂直延伸的形态.而在黄河乡往东20 km以外(即低速体东侧)出现明显的高速异常，在高速异常体下方未发现低速层，高速异常体规模比鄂陵湖段北部的更大，地震活动分布主要集中于低高速交界带、偏高速的区域.震源机制解表现局部的挤压型地震特征.地壳各向异性(曹学来等，2022)显示玛多地震东侧慢波延迟时间最长，快波偏振方向自北向南由NWW转变成NE方向，说明该区域存在复杂的局部构造特征.地表形变数据(程佳和徐锡伟，2018)显示江错断裂滑移量明显小于巴颜喀拉块体边界断裂，根据中国地震台网中心目录显示该区域在玛多7.4级地震之前的地震数量少，地震活动性弱，而玛多7.4级地震之后，该区域地震活动性明显增强.综合分析，推断该区域可能在局部构造影响下，上地壳的低速层受到东侧高速体的阻挡，在玛多地震源区附近形成大规模低速体，应力不断累积，玛多MS7.4强震的发生可能受到大规模的局部低速异常体的影响，导致该区域的局部岩体失稳，形成大范围的应力释放.在玛多MS7.4地震发生后，应力沿着江错断裂释放，在发震断裂东段受到高速体的阻挡，形成密集的地震活动区.

综上所述，研究区位于巴颜喀拉块体内部，受到区域内中下地壳高导、低速层的挤压流动和垂向上涌的作用，在上地壳介质呈现出局部的物性分布不均匀，为该区域上地壳孕震环境提供了深部动力(郭文斌等，2016；嘉世旭等，2017；詹艳等，2021).鄂陵湖南段(ELHND)可能受到北部高速体阻挡，地表破裂与发震断裂存在一定夹角.野马滩大桥到黄河乡段的地震频次低、震源深度浅，推测与该区域的深部的低速区相关.玛多地震东侧约20 km处存在大规模的高、低速分界带，推测该区域强地震活动性与高速体的阻挡有关.

5 结论

本文根据郭慧丽等(2022)基于机器学习的震相识别和精定位获取的高精度地震目录，进一步筛选地震事件和P波走时数据，开展近震P波双差走时成像，获取了玛多地震源区及邻区上地壳精细的三维P波速度结构，结果显示玛多地震发震断裂周边速度结构存在明显的非均匀性和分段性，具体获得以下初步认识和结论.

(1)鄂陵湖南段地表破裂与江错断裂存在一定夹角，余震集中在地表破裂附近，速度图像显示该破裂带北部存在较大规模的高速异常体，在高速体下方存在明显的低速层，余震发震深度集中在低速层上覆区域，说明该区域可能受到北部高速体的阻挡及高速体下方低速层的综合影响，导致应力在南侧释放.

(2)野马滩大桥到黄河乡段断裂地震发生频次明显降低，发震深度在10 km以内.深部速度结构显示该区域北部存在向北倾斜的高速体、深部存在低速区，该低速区与深部低速层联通，推测野马滩大桥到黄河乡段的孕震环境可能受到深部低速区/层的影响，应力在低速区/层上覆区域积累，发震深度浅.

(3)玛多地震东侧约20 km处存在大规模高、低速分界带，分界带东侧为高速异常，分界带西侧为近垂直的局部低速异常体.地震活动主要分布于高低速分界带、偏高速区域，地震活动频次最高，说明该区域可能受到局部构造环境影响，应力积累，在玛多地震之后，应力大规模释放，地震活动性强.

致谢感谢玛多7.4级地震科考地震深部构造环境组现场科考队为获取高质量的地震观测数据付出的艰辛.感谢四川省地震局、中国地震局成都青藏高原地震研究所李大虎研究员为本文成果解释提供的宝贵建议.感谢三位匿名审稿专家和责任编委对本文的指正及建议.感谢中国科技大学张海江教授提供反演代码tomoDD程序.地形数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台 (http:∥www.gscloud.cn). 文中图件使用GMT6软件(Wessel et al., 2019)绘制.