趙志遠(yuǎn)，王曉山，陳 婷，馮向東

（河北省地震局,石家莊 050021）

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，北京時間2021年5月21日21時48分，在云南省大理白族自治州漾濞縣（25.67°N，99.87°E）發(fā)生 6.4 級地震，震源深度8 km。此次地震打破了云南地區(qū)長達(dá)6年多的6級地震平靜期，是滇西北地區(qū)發(fā)生的一次顯著強(qiáng)震。區(qū)域構(gòu)造背景揭示，印度板塊和歐亞板塊的碰撞使得青藏高原隆升，部分物質(zhì)向東擠推川滇塊體，由于受到東側(cè)華南塊體的阻擋，使得川滇塊體向東南方向逃逸[1]。而此次漾濞地震序列就發(fā)生在川滇塊體的西南邊界上，區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，歷史上中強(qiáng)地震活動頻繁[2]。震中區(qū)附近主要發(fā)育有維西-喬后和紅河2條NW走向的右旋走滑斷裂帶。維西-喬后斷裂是一條規(guī)模較大的邊界斷裂，起始于維西縣西北，在巍山以南與紅河斷裂帶相接，全長約280 km，總體走向NNW，傾角為70°[3]。震源區(qū)內(nèi)的殼幔速度結(jié)構(gòu)特征與地震深部的孕育環(huán)境具有較大相關(guān)性，震源區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)可以反映關(guān)于地震深部孕育環(huán)境及發(fā)震機(jī)理等重要信息，同時經(jīng)過精定位后的序列空間展布則可以提供發(fā)震斷層的深部特征及震源破裂過程的基本信息[4-5]。已有結(jié)果初步表明，漾濞6.4級地震發(fā)生在維西-喬后斷裂的西南側(cè)，破裂主要沿SE方向單側(cè)擴(kuò)展，震源機(jī)制解為右旋走滑型[6-7]，大地電磁三維反演結(jié)果顯示，漾濞地震序列大多發(fā)生在高-低阻電性過渡區(qū)附近的高阻一側(cè)[8]，而層析成像結(jié)果表明余震主要分布在高速異常體邊緣[9]。雖然漾濞地區(qū)已經(jīng)開展了非常多的地殼速度結(jié)構(gòu)和地震重定位研究，但是前人的研究成果主要基于固定臺網(wǎng)和震后架設(shè)的臨時臺網(wǎng)數(shù)據(jù)，臺站分布和射線密度較為一般，反演得到的速度結(jié)構(gòu)分辨率并不高。國家重點研發(fā)項目“地震亞失穩(wěn)階段識別的實驗、理論與野外觀測研究”于2018年在云南洱源地區(qū)布設(shè)多手段觀測臺網(wǎng)開展地震亞失穩(wěn)過程的野外持續(xù)觀測，本次漾濞地震發(fā)生在短周期測震臺網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，因而臺站方位角分布非常好，保證了成像和定位結(jié)果的可靠性（圖1）。本文采用云南亞失穩(wěn)測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行地殼三維速度結(jié)構(gòu)和震源位置的聯(lián)合反演研究，以期得到更加可靠的地震重定位結(jié)果和更高分辨率的地殼速度結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步深入研究震源區(qū)強(qiáng)震孕震機(jī)理和發(fā)震構(gòu)造提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文研究數(shù)據(jù)來源于云南亞失穩(wěn)臺網(wǎng)震相觀測報告，數(shù)據(jù)時段為2018年3月—2021年5月，根據(jù)圖1中的射線密度分布，將研究范圍選取為99.0°～101.0°E，25.0°～27.0°N。為了保證反演數(shù)據(jù)的可靠性，消除震相拾取錯誤或其它信息的干擾，使反演過程更加穩(wěn)定和收斂，對震相數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制。首先根據(jù)臺站的經(jīng)緯度信息和震源位置信息得到震中距（計算過程考慮了臺站的高程影響），然后結(jié)合震相數(shù)據(jù)文件中的絕對走時數(shù)據(jù)擬合地震波的走時曲線，剔除偏差較大的數(shù)據(jù)。同時，在定位中僅使用了震中距200 km以內(nèi)的初至波到時數(shù)據(jù)，避免了較遠(yuǎn)臺站可能存在數(shù)據(jù)質(zhì)量精度不高的情況，有利于提高震相走時精度（圖2）。提取地震對時，要求每個地震至少包含4個臺站P波和S波到時數(shù)據(jù)，地震對間隔小于10 km。最終，共提取到地震事件19 101個，P波到時數(shù)據(jù)159 528條，S波到時數(shù)據(jù)127 701條，P波和S波震相對共145萬余對。研究區(qū)內(nèi)地震射線分布如圖3所示，從圖中可以看出，臺站與地震之間的射線基本覆蓋了研究區(qū)域的重點關(guān)注目標(biāo)，射線分布較為均勻。每個臺站都保證了相對充足的到時數(shù)據(jù)，為得到較好的層析成像結(jié)果提供了保障。

圖1 漾濞地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景和臺站分布

圖2 P波（左）和S波（右）時距曲線

圖3 利用L-Curve方法選擇最佳阻尼因子（左）和平滑因子（右）

1.2 雙差層析成像原理

雙差層析成像方法將傳統(tǒng)走時層析成像和雙差定位法相結(jié)合，使用絕對到時數(shù)據(jù)和走時差數(shù)據(jù)，實現(xiàn)震源位置和三維速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演[10]。首先，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)臺站和震源位置分布情況，采用“自適應(yīng)節(jié)點法”進(jìn)行模型參數(shù)化，然后利用“偽彎曲法”進(jìn)行射線追蹤并計算理論到時，最后采用LSQR算法進(jìn)行迭代，直至由雙差數(shù)據(jù)殘差的二范數(shù)和絕對走時數(shù)據(jù)殘差的二范數(shù)所組成的目標(biāo)函數(shù)最小化。具體原理如下：

式中：τi表示地震事件i的發(fā)震時刻，表示慢度矢量，ds表示沿射線路徑的積分元，表示地震事件i到臺站k的走時。在層析成像中，發(fā)震時刻、震源位置以及地下介質(zhì)都是待求參數(shù)，因此該方程是高度非線性的反演問題，為了簡化運(yùn)算，使用一階泰勒展開將其線性化后可以得到實際到時與理論到時之差

式（3）可以稱為“走時殘差之差”，指兩個地震事件之間觀測到時差與理論到時差的殘差，因此式（3）可以簡寫為：

1.3 模型參數(shù)選擇

雙差層析成像的基本流程為：首先，利用節(jié)點法將研究區(qū)域的一維速度模型轉(zhuǎn)變?yōu)槿S速度模型；然后，在該模型的基礎(chǔ)上使用不同組合的光滑因子和阻尼因子來構(gòu)建解的擬合殘差和穩(wěn)定性之間的“L-Curve”曲線，確定最佳的正則化參數(shù)值；最后，利用得到的三維速度模型和正則化參數(shù)進(jìn)行棋盤測試，如果棋盤測試結(jié)果分辨率較高，可以直接使用上述模型參數(shù)并采用實際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行雙差層析成像，相反，如果棋盤測試結(jié)果恢復(fù)度較差，就需要重新劃分速度網(wǎng)格節(jié)點，重復(fù)上述流程。

本文參考前人在滇西地區(qū)的研究成果[11-13]，經(jīng)過多次嘗試，最終選用的初始速度模型如表1所示，研究區(qū)縱橫波速比為1.73，水平方向網(wǎng)格間隔為0.1°×0.1°，深度方向網(wǎng)格為 0 km，2 km，4 km，6 km，8 km，12 km，16 km，40 km。根據(jù)L-Curve曲線，阻尼因子選取300，平滑因子選取5（圖3）。

表1 漾濞地區(qū)初始一維速度模型

2 結(jié)果和討論

2.1 棋盤測試結(jié)果

為驗證反演結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，本文采用0.1o×0.1o網(wǎng)格和±5%異常相間的棋盤模型作為理論模型進(jìn)行分辨率測試。圖4給出了不同深度的檢測板結(jié)果，可以看出，在2 ～16 km的深度范圍內(nèi)，隨著深度增加，研究區(qū)P波的速度模型分辨效果越來越好。震源區(qū)內(nèi)分辨率基本可以達(dá)到0.1°×0.1°。

圖4 研究區(qū)不同深度P波和S波棋盤測試結(jié)果

2.2 漾濞震源區(qū)三維速度結(jié)構(gòu)

基于以上模型參數(shù)和節(jié)點劃分，利用雙差層析成像方法得到了漾濞地區(qū)地殼三維速度結(jié)構(gòu)和震源位置，并對漾濞震源區(qū)附近結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，震相走時殘差均方根由0.552 s降低為0.110 s，震源分布更為集中收斂，漾濞主震發(fā)生在西北側(cè)，余震序列整體沿SE展布，如圖5所示。可以看到，在不同深度上研究區(qū)速度結(jié)構(gòu)具有明顯的橫向不均勻性。總體上，漾濞6.4級地震發(fā)生在高低速交界附近的高速體內(nèi)，地震序列的北側(cè)和南側(cè)都存在低速異常體。在2 km深度上，維西-巍山斷裂、紅河斷裂帶表現(xiàn)為高速異常，斷裂兩側(cè)則表現(xiàn)為相對低速，速度結(jié)構(gòu)特征與地形地質(zhì)構(gòu)造具有一致性。在4 km、6 km深度上，速度結(jié)構(gòu)特征與2 km大體一致，維西-巍山斷裂、紅河斷裂帶高速范圍逐漸縮小。在8 km深度上，紅和斷裂帶南側(cè)低速異常體擴(kuò)大，漾濞地震序列南側(cè)逐漸由低速過渡為高速區(qū)域。在12 km深度上，漾濞地震序列震源區(qū)已完全轉(zhuǎn)為高速區(qū)域，到16 km深度時，序列南側(cè)又從高速過渡為低速區(qū)域。

圖5 不同深度漾濞地區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)特

為了進(jìn)一步研究漾濞地震序列和速度結(jié)構(gòu)分布特征，本文沿地震序列展布方向和垂向分別給出了AB、CD兩條剖面，并將剖面兩側(cè)的地震投影到剖面上，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示，漾濞6.4級地震位于高低速異常交界帶，此類區(qū)域往往是介質(zhì)物性發(fā)生變化的地區(qū)，由于結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場的變化，這些區(qū)域相對脆弱，更利于能量的積累與釋放進(jìn)而引發(fā)地震，這可能是主震發(fā)生于此的原因。余震序列主要發(fā)生在高-低速過渡區(qū)域偏向高速體的一側(cè)，其原因可能是由于低速體的內(nèi)部韌性較強(qiáng)，容易產(chǎn)生蠕滑變形，不利于積累應(yīng)變能和發(fā)生脆性破裂，而高速體強(qiáng)度較高，有利于聚集能量，此類區(qū)域通常為脆性易碎的介質(zhì)，在初始破裂發(fā)生以后，可能會相繼破裂，余震頻發(fā)。

圖6 剖面AB（左）和CD（右）速度結(jié)構(gòu)和地震分布特征

3 結(jié)論

本文利用2018年3月至2021年5月期間亞失穩(wěn)臺網(wǎng)所記錄到的漾濞及周邊地區(qū)地震觀測數(shù)據(jù)，采用雙差層析成像方法，獲得了漾濞及周邊地區(qū)的高分辨率三維地殼速度結(jié)構(gòu)及地震重定位結(jié)果，主要結(jié)論如下：

1）漾濞6.4級地震序列主要沿NW-SE向展布，走向基本平行于維西-喬后斷裂，震源深度主要集中在0～10 km，優(yōu)勢深度為6 km。

2）漾濞地區(qū)速度結(jié)構(gòu)存在明顯的橫向不均勻性，速度分布特征與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)，主要受區(qū)域斷層控制。

3）漾濞6.4級地震序列的震中分布與速度結(jié)構(gòu)變化具有相關(guān)性。地震序列主要位于高低速異常交界地區(qū)的高速體內(nèi)，表明堅硬的巖層具有積累應(yīng)變能并在地震中釋放的能力，是強(qiáng)震孕育發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)域。