王 月，孟令媛，韓顏顏，馬亞偉，鄧世廣

(中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2018年8月13日1時44分，云南省玉溪市通海縣發(fā)生MS5.0地震，震中位置為(24.19°N，102.71°E)，震源深度7 km。8月14日3時52分，原地再次發(fā)生1次MS5.0地震，震源深度6 km。據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心目錄，2次MS5.0地震震中位置相同，構成通海MS5.0震群型地震序列。截至2018年12月31日，通海震群震源區(qū)共記錄到1 229次ML0.0以上地震，其中ML5.0～5.9地震2次，ML4.0～4.9地震1次，ML3.0～3.9地震9次，ML2.0～2.9地震68次，ML1.0～1.9地震415次，ML0.0～0.9地震734次。通海2次MS5.0地震共造成11人受傷，通海、江川部分房屋受損，對當?shù)卦斐梢欢ǖ慕?jīng)濟損失。

研究震源區(qū)的上地殼速度結構，結合震源機制、余震重定位結果對進一步明確地震孕育環(huán)境和確定發(fā)震斷層具有重要意義(房立華等，2014)。雙差層析成像方法(tomoDD)在反演過程中，引入絕對走時數(shù)據(jù)，，并結合相對走時數(shù)據(jù)，相對于雙差定位方法，不僅可反演出地下精細三維速度結構，而且獲得地震的絕對位置和相對位置的定位精度明顯提高，因此該方法被廣泛應用到速度結構成像和地震重定位研究中(Zhang and Thurber，2003)：如根據(jù)大地震后余震序列的地震資料，獲取震源區(qū)三維速度結構和高精度的余震序列重定位結果(Pei等，2010；王長在等，2011；王小娜等，2015)；根據(jù)長時間記錄的區(qū)域小震資料，獲得研究區(qū)域的精細速度結構(王小娜等，2014；呂子強等，2016；劉偉等，2019；楊峰，2019)；除此之外，Qian等(2018)基于雙差層析成像方法，發(fā)展了新的延時地震層析成像方法，反演了研究區(qū)速度結構隨時間的變化特征。

本文利用中國地震臺網(wǎng)提供的2018年8月13日至2018年12月31日通海2次MS5.0震群震源區(qū)附近的震相觀測報告，采用雙差層析成像方法獲得震源區(qū)附近上地殼的精細速度結構和高精度的地震定位結果，綜合有關地質資料和震源機制解，分析通海2次MS5.0地震的發(fā)震構造。

1 研究區(qū)概況

2018年通海震群震中位于川滇菱形地塊東南端，云南高原南部。該區(qū)地殼破碎，深大斷裂發(fā)育，是幾條大斷裂交匯的位置，震中100 km范圍內發(fā)育有紅河斷裂、楚雄—建水斷裂、普渡河斷裂、曲江—石屏斷裂和小江斷裂等主要活動斷裂，地震活動頻繁(李坪，汪良謀，1975；闞榮舉等，1977；皇甫崗，2009；劉偉等，2019)。1900年以來，通海MS5.0震群100 km范圍內共發(fā)生31組(44次)5級以上地震，其中5.0～5.9級地震36次，6.0～6.9級地震6次，7.0～7.9級地震2次，最大為1970年1月5日通海7.8級地震，其發(fā)震斷裂為NW向的曲江斷裂(闞榮舉等，1977；張之立，劉新美，1982)。2018年通海MS5.0震群的初始定位結果顯示2次地震均發(fā)生在1970年7.8級地震的余震區(qū)，但震中位于小江斷裂帶西支南段的次級斷裂明星—二街斷裂和曲江—石屏斷裂帶的次級斷裂玉江斷裂的交匯區(qū)(圖1)，為判斷本次震群的發(fā)震斷裂增加了難度。

圖1 研究區(qū)域斷裂和臺站分布(a)，區(qū)域斷裂及地震分布(b)Fig.1 Geologic structure background and distribution of stations in the study area(a)，regional geologic structure background and distribution of earthquakes(b)

2018年8月13，14日通海2次MS5.0地震發(fā)生后，中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)、中國地震局地球物理研究所(IGP-CEA)、中國地震局地震預測研究所(IEF-CEA)分別公布了快速地震矩張量反演結果，王光明等(2018)利用CAP方法計算了通海2次MS5.0地震的震源機制解，4組結果均顯示通海2次MS5.0地震為走滑型地震(表1)。僅從上述資料分析，NE向的明星—二街斷裂和NW向的玉江斷裂均有可能是通海2次MS5.0地震的發(fā)震斷裂。

表1 通海2次MS5.0地震震源機制解

2 研究方法與數(shù)據(jù)選取

2.1 雙差層析成像

雙差層析成像方法是Zhang和Thurber(2003，2006)在雙差定位方法(Waldhauser，Ellsworth，2000)的基礎上發(fā)展而來，目前已被應用于多個地區(qū)速度結構和震源位置的精細研究中。該方法利用地震波的絕對走時和相對走時數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維速度結構的反演和地震重定位。在射線理論中，地震事件i到臺站k的時間表示為：

(1)

式中：τi是第i個事件的發(fā)震時刻；u表示慢度；ds表示射線路徑積分元。

(2)

將第i和第j個地震組成事件對，2次地震在臺站k的到時差為：

(3)

雙差僅與2個地震對的震源位置和地震對之間的速度有關，因此使用雙差進行反演，減少了地震到臺站之間的路徑異常對結果的影響。雙差層析成像方法采用阻尼最小二乘共軛梯度法求解方程，反演得到研究區(qū)域的速度結構和震源位置。實際反演過程中，首先賦予絕對走時較高的權重以建立整個區(qū)域的三維速度結構，幾次迭代后賦予相對走時較高的權重可更好地約束震源周圍的速度結構和震源位置(肖卓，高原，2017；吳海波等，2018)。

2.2 數(shù)據(jù)

本文利用2018年8月13日至12月31日通海2次MS5.0地震周邊4個國家地震臺站和云南地震臺網(wǎng)的28個臺站(22個固定臺站，6個流動臺站)，記錄的地震空間范圍為(23° ～ 25°N，102° ～ 104°E)震相觀測報告(圖1)進行雙差地震層析成像反演計算。

觀測報告中存在由不同臺網(wǎng)定位的相同地震事件以及單臺記錄地震事件，人工剔除后共獲得1 854個ML≥0.0地震事件。根據(jù)時距曲線擬合的方法，發(fā)現(xiàn)所選取的地震走時數(shù)據(jù)多位于擬合直線附近2 s內，因此本文選取位于擬合直線2 s內的震相數(shù)據(jù)進行反演計算(圖2)。反演過程中有872個地震組成地震對，利用160 508條相對到時數(shù)據(jù)和11 214條絕對到時數(shù)據(jù)參與反演，最終獲得871個地震事件的重定位結果。

圖2 篩選前(a)和篩選后(b)數(shù)據(jù)的走時曲線擬合圖

2.3 參數(shù)選擇

參考研究區(qū)內已有的研究成果(王椿鏞等，2002；何正勤等，2004；王光明等，2018；劉自鳳等，2018)，本文構建了通海地區(qū)的一維速度結構模型(表2)，波速比采用1.732(李永華等，2009)。水平方向采用0.1°×0.1°的網(wǎng)格間隔，深度Z= 0，5，10，15，20，25 km。反演采用阻尼最小二乘法，由于平滑因子和阻尼參數(shù)的大小對反演結果的穩(wěn)定性有較大影響，因此在反演前需要對不同平滑因子和阻尼參數(shù)的組合進行權衡分析，選取模型方差變化較小而數(shù)據(jù)方差顯著降低時所對應的參數(shù)組合為最優(yōu)值(王小娜等，2015；左可楨，陳繼峰，2018)。本文利用L曲線法搜索最優(yōu)參數(shù)值，設定平滑因子的搜索范圍為0.001 ～ 2 000，阻尼參數(shù)的搜索范圍為0.1 ～ 10 000，最終選取的最優(yōu)平滑因子和阻尼參數(shù)分別為20和300(圖3)。

圖3 利用L曲線法所選的最優(yōu)平滑因子(a)和阻尼參數(shù)(b)

表2 通海震源區(qū)附近速度模型

根據(jù)雙差層析成像方法的反演流程，對絕對到時數(shù)據(jù)和相對到時數(shù)據(jù)采用分級加權的方法。在反演的第一階段賦予絕對到時較高的權重，與相對走時權重之比為10，獲得較大范圍內地震事件的定位結果和速度模型。之后相對到時權重增加，絕對到時權重與相對走時權重之比為0.1，提高震源區(qū)定位和速度模型的精度。經(jīng)過4組12次迭代反演，地震走時的均方根殘差從0.396 s降至0.093 s，獲得了通海2次MS5.0地震震源區(qū)附近的上地殼三維P波和S波速度結構模型。

3 計算結果

本文通過檢測板法對反演結果的分辨率進行檢測，檢驗所得速度模型的可靠性(圖4)。首先在初始模型的基礎上添加5%正負相間的擾動，形成檢測板；然后利用該模型以及地震和臺站信息計算理論走時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)加上隨機噪聲，作為實際觀測數(shù)據(jù)，進一步利用雙差層析成像方法反演速度模型；最后通過對比檢測板的恢復程度分析成像的分辨能力。圖4顯示，在5 km和10 km深度上，(23.5° ～ 24.5°N，102.0° ～ 103.0°E)區(qū)域內，特別是通海地震震源區(qū)內，數(shù)據(jù)得到良好恢復，分辨能力高，能夠分辨10 km尺度的速度異常，進而得到更精細的速度結構。在15 km深度上，僅在(24.0° ～ 24.5°N，102.5° ～103.0°E)區(qū)域內速度結構可以得到恢復。

圖4 不同深度剖面的棋盤模型測試結果

圖5為通海地震震源區(qū)5 ～ 15 km深度范圍的P波速度和S波速度分布。由圖5可見，在震源區(qū)，P波速度和S波速度表現(xiàn)出強烈的橫向不均勻性。在5 km深度的P波速度結構顯示，玉江斷裂和石屏—建水斷裂之間存在高速異常，玉江斷裂將NE一側的低速異常和SW一側的高速異常分隔，斷裂兩側速度變化較大；明星—二街斷裂西側的小斷裂是低速區(qū)，而與玉江斷裂交匯區(qū)域，即通海地震震源位置為高速異常體；該高速異常體一直延伸至10 km深度，而在15 km深度處，該區(qū)域出現(xiàn)低速異常；明星—二街斷裂東側在5 km深度表現(xiàn)為低速異常，而在10 km及以下，表現(xiàn)為高速異常。整體上，石屏—建水斷裂兩側和明星—二街斷裂東西兩側的速度結構變化較大，斷裂將高、低速體分隔開。S波速度結構分布與P波速度結構基本一致，特別是在震源位置P波速度和S波速度均表現(xiàn)為高速異常。

圖5 不同深度P波速度、S波速度和2018年8月13日至12月31日ML≥0.0地震分布(黑色圓點)

雙差層析成像也同時獲得了2018年8月13日至12月31日的871個ML≥0.0地震的震源位置。圖6顯示：重定位前地震走時殘差分布位于-2 ～ 2 s，-0.2 ～ 0.2 s的走時殘差數(shù)據(jù)占77.21%(圖6a)；重定位后地震走時殘差分布更集中，-0.2 ～ 0.2 s的走時殘差數(shù)據(jù)占91.65%(圖6b)；地震走時均方根殘差(RMS)由重定位前的0.396 s降到定位后的0.093 s，定位精度有了顯著改進；震源深度的分布范圍為0 ～ 20 km，優(yōu)勢分布范圍為5 ～ 11 km，占地震總數(shù)的66.70%，其中，8 ～ 9 km范圍內的地震共為176個，所占比例最高(圖6c)。

圖6 2018-08-13—2018-12-31 ML≥0.0地震重定位前(a)，后(b)走時殘差分布和震源深度分布(c)

本文選取2018年8月13日至31日的ML≥0.0地震序列進行初始定位和重定位的結果對比。與初始定位結果相比(圖7a)，重定位后的2次主震分別位于余震序列兩側，空間相距約18 km，8月13日MS5.0地震位于余震序列SE向，距序列集中區(qū)域約10 km，8月14日MS5.0地震位于余震序列SW向，距序列集中區(qū)域約8 km(圖7b)。主震定位結果距離余震事件較遠的原因是，在利用時距曲線進行震相篩選時，主震事件可用的臺站數(shù)量較少，與后續(xù)余震事件所用臺站差異較大，數(shù)據(jù)質量具有一定的局限性，因此，主震定位結果與實際震中具有一定誤差。地震序列隨時間演化顯示，余震主要集中在主震后5天內，震源深度主要分布在3 ～ 12 km(圖7c)。2次主震之間共發(fā)生ML0.0～0.9地震37次，ML1.0～1.9地震93次，ML2.0～2.9地震16次，ML3.0～3.9地震4次，ML4.0～4.9地震1次，最大為8月13日1時49分通海ML4.0地震，并且該地震位于余震序列集中區(qū)域。

分別沿NE向的明星—二街斷裂和NW向的玉江斷裂做AA’和BB’測線，設這兩個剖面的P波速度結構和發(fā)震投影顯示(圖7d，e)，重定位后的余震序列在AA’剖面內分布于呈寬約8 km的條帶內，無明顯傾向，而在BB’剖面內分布于呈近乎垂直的寬約4 km的條帶內，傾向ES，傾角約為80°。因此，本文認為通海地震余震沿NE-SW方向破裂。由于余震序列距離有相同走向的明星—二街斷裂較遠，約10 km，因此，在破裂區(qū)域可能存在與明星—二街斷裂近乎平行的隱伏斷裂，該隱伏斷裂為本次通海震群的發(fā)震斷裂。8月13，14日2次MS5.0地震分別位于余震序列的兩側，震源深度分別為8.63 km和9.16 km，比初始定位的6 km和7 km更深。

圖7 2018-08-13—2018-08-31研究區(qū)域內ML≥0.0地震的初始定位結果(a)、重定位結果(b)、重定位后地震震源深度隨時間變化圖(c)、沿AA’(d)和沿BB’剖面(e)地震分布圖Fig.7 Initial(a)and relocation(b)results ot epicenter distribution of ML≥0.0 earthquakes from Aug.13 to Aug.31，2018 results；the relocated earthquake depth changes with time(c)； P wave velocity along the AA’ section(d)and BB’ section

4 討論

2018年8月13日和14日通海2次MS5.0地震后余震序列不豐富，尤其ML≥3.0地震數(shù)目極少，因此本文采用2018年8月13日至2018年12月31日發(fā)生的ML≥0.0地震參與雙差層析成像。層析成像結果顯示在震源區(qū)下方約13 km深度上存在低速異常區(qū)，即玉江斷裂和明星—二街斷裂交匯處，該低速區(qū)速度結構由地表向下，顯示逐漸由高速到低速，再到高速的變化特征。Wang等(2010)利用遠震接收函數(shù)對云南地區(qū)速度結構成像結果顯示該地區(qū)存在低速異常；胥頤等(2013)和賈源源(2018)對云南地區(qū)進行速度結構層析成像，結果顯示在小江斷裂帶南端存在低速異常；吳建平等(2013)對小江斷裂帶周邊地區(qū)三維P波速度結構成像結果也顯示斷裂帶南端存在低速異常，與本文研究結果一致。該低速異?？赡苁钦鹪磪^(qū)下部存在流體的顯示，而低黏度的流體層易與上地殼發(fā)生相對運動，從而引發(fā)此次通海MS5.0震群。通海2次MS5.0地震及其余震序列大部分發(fā)生在約13 km處低速體的上部，可能與該低速異常阻擋了巖石破裂向深部發(fā)展的趨勢有關。

本文對比重定位前后的2018年8月13日至31日的通海震群序列在NE向的AA’和NW向的BB’ 2個剖面上的分布，結果顯示余震序列在AA’剖面分布較寬，無明顯傾向趨勢，在BB’剖面分布較窄，形成約80°傾角，傾向ES向。地震序列的空間分布特征與2次主震震源機制解的NE向節(jié)面相吻合(表1)，因此可推測NE向節(jié)面為通海震群的主斷裂面。

但是，由于本文使用的觀測報告數(shù)據(jù)量仍然較少，反演的速度結構分辨率較低，為了獲得該地區(qū)更加精細的速度結構，后續(xù)研究需盡可能利用更長時間記錄的地震數(shù)據(jù)進行層析成像。

5 結論

本文根據(jù)2018年8月13，14日通海2次MS5.0地震后震源附近的ML≥0.0地震的震相報告，利用雙差層析成像方法反演了震源區(qū)附近的上地殼速度結構，同時得到了871個地震的重定位結果。結合云南地區(qū)斷裂分布，得到以下認識：

(1)通海地震震源區(qū)的P波和S波速度結構呈現(xiàn)明顯的橫向不均勻性。在5 km深度，研究區(qū)內玉江斷裂帶的北側表現(xiàn)為低速，與石屏—建水斷裂帶之間的區(qū)域呈現(xiàn)高速異常，石屏—建水斷裂南側表現(xiàn)為低速。小江斷裂帶南段的次級斷裂，明星—二街斷裂的NW側表現(xiàn)為低速區(qū)，與玉江斷裂交匯處在5 ～ 10 km深度呈現(xiàn)高速異常，在15 km深度呈現(xiàn)低速異常。綜合分析，研究區(qū)內的速度結構與斷裂走向具有較好的一致性。

(2)震源機制解和重定位后的地震序列空間展布顯示，通海2次MS5.0地震的發(fā)震構造的走向為NE向，傾角約為80°，傾向為ES向。結合研究區(qū)的斷裂分布，推測發(fā)震斷裂為小江斷裂帶南段的隱伏斷裂，與NE向的明星—二街斷裂近乎平行。

(3)重定位后的大部分地震的震源深度集中在3 ～ 12 km，將重定位后的地震分別投影在5，10和 15 km深度的速度結構平面上，顯示震中大多分布在高速體內部，或者高速體向低速體過渡的部位。

(4)沿AA’和BB’深度剖面的速度結構以及余震分布圖像顯示，在13 km深度附近存在P波低速異常區(qū)。本文重定位后的2次MS5.0地震均發(fā)生在低速區(qū)的邊界，余震大部分集中分布在低速區(qū)上部，表明該低速異常的存在可能是促使斷層發(fā)生運動而引發(fā)地震的原因。

本文在撰寫過程中，蔣海昆研究員和周龍泉研究員提出寶貴的修改意見，張海江教授提供tomoDD算法程序，陳余寬博士和朱慧宇博士在計算方法方面進行的有益討論，在此一并表示感謝。