鮮水河斷裂帶南段深部變形的重復(fù)地震研究

李樂, 陳棋福， 鈕鳳林， 蘇金蓉

1 中國地震局地震預(yù)測研究所(地震預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 北京 100036 2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 3 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249 4 Department of Earth Science, Rice University, Houston, TX 77005, USA 5 四川省地震局， 成都 610041

?

鮮水河斷裂帶南段深部變形的重復(fù)地震研究

李樂1, 陳棋福2， 鈕鳳林3,4， 蘇金蓉5

1 中國地震局地震預(yù)測研究所(地震預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 北京 100036 2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 3 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249 4 Department of Earth Science, Rice University, Houston, TX 77005, USA 5 四川省地震局， 成都 610041

利用2000—2013年四川數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)和水庫臺(tái)網(wǎng)的波形資料以及川西流動(dòng)臺(tái)陣的事件波形,通過辨識(shí)發(fā)生在同一斷層位置上的重復(fù)地震來定量研究鮮水河斷裂帶南段的深部變形.針對(duì)研究區(qū)臺(tái)站分布稀疏的客觀情況，應(yīng)用了子采樣條件下基于S-P相對(duì)到時(shí)差來約束震源位置一致性的方法，在鮮水河斷裂帶識(shí)別出11組重復(fù)地震，并利用連續(xù)波形資料進(jìn)行了重復(fù)地震完整性的初步測試，同時(shí)運(yùn)用結(jié)合波形互相關(guān)資料的雙差法來完成研究區(qū)背景地震和重復(fù)地震位置的精確定位.重新定位后的地震圖像展示研究區(qū)中上地殼存在明顯缺震層，其與殼內(nèi)的低速低阻層相吻合.利用重復(fù)地震的地震矩和重復(fù)間隔，估算出鮮水河斷裂帶南段孕震深部的滑動(dòng)速率為3.0～10.2 mm·a-1，顯示研究區(qū)不同地震構(gòu)造區(qū)的深部滑動(dòng)速率存在明顯差異.

鮮水河斷裂南段；重復(fù)地震；深部滑動(dòng)速率；地震定位

1 引言

鮮水河斷裂位于青藏高原側(cè)向滑移構(gòu)造系統(tǒng)的東邊界，是現(xiàn)今構(gòu)造變形集中帶和強(qiáng)震活動(dòng)帶.鮮水河斷裂北段結(jié)構(gòu)比較單一，而其南段由多條次級(jí)斷裂組成，其幾何形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜.鮮水河斷裂帶南段與龍門山斷裂帶相交匯，是華南地塊、巴彥喀拉地塊、川滇菱形地塊的交叉口.位于南段康定到石棉之間的貢嘎山地區(qū)正處于川滇地塊北部邊界(鮮水河斷裂)和東部邊界(安寧河斷裂帶和大涼山斷裂帶)的轉(zhuǎn)折帶，也是川滇塊體內(nèi)橫向構(gòu)造帶(麗江—小金河斷裂)和邊界構(gòu)造帶(鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶)的交匯區(qū).2008年汶川8.0級(jí)地震和2013年蘆山7.0級(jí)地震之后，鮮水河斷裂南段的危險(xiǎn)性備受關(guān)注.在行文期間，2014年11月22日四川康定6.3級(jí)地震的發(fā)生也進(jìn)一步證實(shí)了研究鮮水河斷裂帶南段強(qiáng)震危險(xiǎn)的必要性.

斷層滑動(dòng)速率是斷裂帶深部變形的定量描述，也是評(píng)估斷層活動(dòng)危險(xiǎn)性的重要參量.發(fā)生在同一斷層位置上0.5～4.0級(jí)重復(fù)地震(或稱重復(fù)微震)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用為斷裂帶深部變形的研究開啟了新的途徑，也是數(shù)字地震學(xué)探索地震預(yù)測的前緣領(lǐng)域之一.Nadeau 和McEvilly(1999)利用發(fā)生在美國加州Parkfield地區(qū)San Andreas斷層的重復(fù)地震率先估算出地下不同深度的斷層滑動(dòng)速率，展示了深淺變形差異分布，淺部與大地測量和蠕變儀觀測的變形速率相當(dāng)，而深部變形增大，2004年P(guān)arkfield 6.0級(jí)地震就發(fā)生在重復(fù)地震所指示的深淺差異變化的閉鎖區(qū).Li等(2011)利用汶川地震前四川臺(tái)網(wǎng)和紫萍鋪水庫臺(tái)網(wǎng)的數(shù)字地震波形資料，最終識(shí)別出了位于龍門山斷裂中北段汶川8.0級(jí)地震震源區(qū)的10組重復(fù)地震和位于南段的2組重復(fù)地震，由重復(fù)地震獲取的龍門山斷裂帶在汶川地震前不同深度的滑動(dòng)速率展示了深淺差異的分布圖像，在一定程度上可以解釋汶川地震的突然發(fā)生.上述研究實(shí)例展示了利用重復(fù)地震探測深部構(gòu)造變形的時(shí)空分布分析潛在強(qiáng)震危險(xiǎn)性的可能，也驗(yàn)證了由重復(fù)地震獲取斷層孕震深處滑動(dòng)速率的方法具有地表觀測資料所無法取代的“原位”觀測的優(yōu)勢.

本文利用四川數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)、瀑布溝水庫臺(tái)網(wǎng)以及川西流動(dòng)臺(tái)陣的數(shù)字波形資料來辨識(shí)鮮水河斷裂帶南段存在的重復(fù)地震，并基于重復(fù)地震估算鮮水河斷裂帶南段的深部滑動(dòng)速率，為研究區(qū)斷裂帶的深部活動(dòng)提供定量的依據(jù).

2 重復(fù)地震識(shí)別

2.1 地震資料

四川數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)自2000年運(yùn)行以來，在“十五”和汶川地震“災(zāi)后重建”期間經(jīng)歷了臺(tái)站的改建和擴(kuò)建，總體上臺(tái)站密度增大，監(jiān)測能力提高.圖1中研究區(qū)內(nèi)白色三角代表了“九五”期間的數(shù)字地震臺(tái)，紅色三角代表“十五”期間新增的數(shù)字化臺(tái).由圖1可見，研究區(qū)內(nèi)臺(tái)站分布相對(duì)稀疏，其中位于鮮水河南段附近的GDS臺(tái)和XJP臺(tái)雖然自數(shù)字化以來(2000年)就有波形記錄，但在2008年撤臺(tái).GZA臺(tái)和SMI臺(tái)是“十五”新增的臺(tái)站，在2008年以后才有波形數(shù)據(jù).位于研究區(qū)的瀑布溝水庫遙測數(shù)字臺(tái)網(wǎng)經(jīng)過分期工程，13個(gè)子臺(tái)于2008年8月正式運(yùn)行，見圖1橙色三角，庫區(qū)及其附近地震監(jiān)測能力約為ML0.5.

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)及數(shù)字化臺(tái)站分布圖

本研究中收集了2000年至2013年四川數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)(SSN)的地震波形資料和觀測報(bào)告，其中收錄的發(fā)生在鮮水河斷裂帶南段及其周緣(見圖1中矩形框所示)的地震有9645次，其震級(jí)分布范圍為-0.3～5.0.在這9645次地震中，四川地震臺(tái)網(wǎng)記錄數(shù)字波形資料有7490次地震的可用.

本研究同時(shí)收集到自2006年10月開始陸續(xù)在中國川西地區(qū)(100°E—105°E,26°N—32°N)布設(shè)的297個(gè)寬頻帶地震臺(tái)組成的密集流動(dòng)地震觀測臺(tái)陣(簡稱川西臺(tái)陣)的地震事件波形資料.川西臺(tái)陣(劉啟元等，2008)資料的時(shí)間跨度為2006年10月到2009年7月，臺(tái)站的平均間距20～30 km，波形的采樣率為40 Hz.

2.2 相似地震

本研究同樣應(yīng)用多次采用并得到驗(yàn)證(Li et al.,2007, 2011)的分析方法，對(duì)地震事件波形進(jìn)行預(yù)處理：對(duì)波形統(tǒng)一進(jìn)行1～10 Hz的帶通濾波.采用在頻域補(bǔ)零的方法進(jìn)行時(shí)域內(nèi)插，來獲取高采樣率的波形.內(nèi)插后采樣間隔為0.3125 ms，即可認(rèn)為相對(duì)到時(shí)的估算誤差.將預(yù)處理后的波形，采用全波段互相關(guān)方法，挑選出波形相似的地震(即相似地震)，為下一步的重復(fù)地震的識(shí)別提供候選.依據(jù)相似地震的定義，即至少有一個(gè)臺(tái)站記錄波形具有0.8以上相關(guān)系數(shù)的一組地震，通過互相關(guān)分析，獲取14817對(duì)波形相關(guān)系數(shù)大于0.8的地震對(duì)，并分成了635組相似地震，包括357組由兩個(gè)地震構(gòu)成相似地震對(duì)和278組由兩個(gè)以上地震構(gòu)成的多重相似對(duì)，總共有3704次地震，約占分析地震總數(shù)的38%，震級(jí)分布范圍為0.2～4.5.圖2示意給出了郭達(dá)山臺(tái)(GDS)記錄的一組相似地震的波形.

2.3 重復(fù)地震辨識(shí)

一般而言，重復(fù)地震的識(shí)別方法，是依據(jù)研究區(qū)實(shí)際臺(tái)站分布情況而定的.針對(duì)鮮水河斷裂帶南段臺(tái)站分布稀疏的客觀情況，這里采用子采樣條件下基于S-P相對(duì)到時(shí)差(ΔtS-P)來約束地震相對(duì)位置(Δx)而確保震源位置的一致性的方法(Li et al.,2011).我們?cè)?jīng)在研究龍門山斷裂帶北川附近的重復(fù)地震(Li et al.,2011)中初次提出該方法來解決稀疏臺(tái)站條件下的重復(fù)地震的識(shí)別，并在小江斷裂帶的重復(fù)地震識(shí)別中再次成功運(yùn)用(李樂等，2013)，這里我們將繼續(xù)應(yīng)用這一方法，來完成鮮水河斷裂帶南段的重復(fù)微震的識(shí)別.

圖2 相似地震在郭達(dá)山寬頻地震臺(tái)(GDS)的歸一化波形示例

依據(jù)地震相對(duì)距離Δx與S -P的相對(duì)到時(shí)差ΔtS -P定量關(guān)系(Li et al.,2011)：

(1)

這里γ是P波和S波的波速比.如果取vP=6.0 km·s-1和γ=1.7,則有：

Δx≥8.6ΔtS -P.

(2)

如圖3所示，當(dāng)?shù)卣鹣鄬?duì)距離小于破裂尺度(即Δxr+r′或ΔtS-P>(r+r′)/8.6，則地震的破裂面積是彼此分開的，不是源于同一破裂位置的重復(fù)地震.這里r和r′分別為地震i和地震j的破裂半徑，在“斷層深部滑動(dòng)速率估算”一節(jié)將提及破裂半徑的計(jì)算.

圖3 矢量R、R′和Δx三角法則關(guān)系示意圖Fig.3 A schematic diagram illustrating the triangular relationship among the three vectors, R,R′ and Δx

采用上述方法，本研究識(shí)別出了研究區(qū)的11組重復(fù)微震(見表1)，震級(jí)分布ML0.7～2.8，共計(jì)72次地震.

2.4 重復(fù)地震完整性測試

“十五”期間加大了區(qū)域數(shù)字化臺(tái)網(wǎng)的密度，四川數(shù)字地震臺(tái)站由原先的23個(gè)增至52個(gè)(見圖1).鑒于我國區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)分布有限，以及觀測儀器故障和地震分析過程有可能出現(xiàn)地震漏記或漏分析的現(xiàn)象，我們盡可能對(duì)重復(fù)地震序列的完整性進(jìn)行測試.具體做法是：將識(shí)別出重復(fù)地震作為參考波形模板，采用滑動(dòng)窗互相關(guān)方法與臺(tái)站的連續(xù)波形做互相關(guān)分析，找出連續(xù)波形中與參考地震波形高相關(guān)系數(shù)的波形段，來補(bǔ)充可能遺漏的重復(fù)地震.根據(jù)收集到的“十五”以來四川臺(tái)網(wǎng)(不包括水庫臺(tái)網(wǎng))的連續(xù)波形記錄情況，我們的測試目標(biāo)集中在起始于2008年的5組重復(fù)地震序列(S01，S02，S03，S04，S07).將只有3個(gè)地震組成且持續(xù)時(shí)間不到1年的重復(fù)地震序列S01作為重點(diǎn)檢測對(duì)象，分別對(duì)距離該重復(fù)地震最近的3個(gè)臺(tái)站SMI臺(tái)(17 km)、JLO臺(tái)(85 km)和MDS臺(tái)(126 km)進(jìn)行連續(xù)波形的互相關(guān)掃描分析，掃描結(jié)果顯示該序列并未遺漏重復(fù)地震成員.得益于瀑布溝水庫臺(tái)站的事件波形分析，我們發(fā)現(xiàn)了震級(jí)在四川臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力之下的2組地震，即最大震級(jí)分別為1.1和1.6的重復(fù)地震序列S02和S03，因目前只收集到瀑布溝水庫臺(tái)網(wǎng)的部分連續(xù)波形，有關(guān)S02和S03的完整性檢測只能先擱置，而位于龍門山斷裂帶南段的S04和S07序列的相關(guān)檢測結(jié)果將在有關(guān)龍門山斷裂帶的研究中詳細(xì)分析.

2.5 震源位置精確確定

在收集和整理四川臺(tái)網(wǎng)地震觀測報(bào)告的基礎(chǔ)上，人工分析了川西臺(tái)陣事件波形高信噪比的P波和S波初至到時(shí)，增補(bǔ)到震相資料中，共整理出有初始震源參數(shù)的9645次地震，其中1858次地震未給出震源深度.參考王椿鏞等人(2003)沿30°N的深地震測深剖面確定的二維地殼速度結(jié)構(gòu)模型，首先選用線性單事件定位的Hypoinverse方法，對(duì)有3個(gè)臺(tái)站以上記錄的地震事件進(jìn)行定位，定位后獲取7198次地震的震源參數(shù)，其中6990次地震的均方根殘差小于1 s，并利用以上定位結(jié)果來修正觀測報(bào)告中地震的初始位置.

考慮到初始震源參數(shù)對(duì)定位結(jié)果存在一定程度的影響，同時(shí)為了合理的設(shè)定地震觀測報(bào)告中未確定的初始震源深度，首先對(duì)已給出震源深度的7787次地震實(shí)施雙差定位，定位后獲得的6117次地震的均方根殘差都小于1 s，震源深度統(tǒng)計(jì)(圖4a中灰色填充柱狀圖)得到重新定位后地震深度的優(yōu)勢分布為8～10 km左右，約占地震總數(shù)的27%，據(jù)此將地震報(bào)告中沒有給出深度的地震初始深度取為9 km進(jìn)行重新定位，圖4b的灰色填充柱狀圖給出了重新定位后的地震深度分布結(jié)果.

在雙差定位法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)進(jìn)行重新定位時(shí)，采用經(jīng)互相關(guān)計(jì)算得到的P波段的到時(shí)差，波形互相關(guān)計(jì)算窗口取1.1 s(初至P 波前0.1 s 至其后1.0 s).整合修正后的觀測報(bào)告中的9645次地震，其中單臺(tái)記錄的地震1568次，至少有3個(gè)臺(tái)站記錄的地震僅有7868次.在觀測報(bào)告給出的133306個(gè)P、S波到時(shí)差基礎(chǔ)上，聯(lián)合使用經(jīng)互相關(guān)計(jì)算得出cc>0.7的2192232對(duì)P波的相對(duì)到時(shí)，采用最小二乘共軛梯度法(LSQR), 進(jìn)行雙差地震定位，結(jié)果得到6306次地震的震源位置，見圖5中的底圖.

圖4 雙差法重新定位后的震源深度統(tǒng)計(jì)圖

圖5 由重復(fù)地震估算的鮮水河斷裂帶南段的滑動(dòng)速率分布圖

圖6 由重復(fù)地震估算所得不同深度的滑動(dòng)速率分布和重新定位后的震源深度剖面圖

對(duì)于11組重復(fù)微震，在上述定位結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使用高精度的互相關(guān)波形相對(duì)到時(shí)資料，采用雙差定位法中的奇異值分解法(SVD)分別對(duì)每一組重復(fù)微震進(jìn)行高精度的定位，最終獲取了11組重復(fù)微震的震源位置，具體定位結(jié)果見表1.絕大部分地震定位相對(duì)誤差為數(shù)十米到數(shù)百米，個(gè)別地震定位相對(duì)誤差1～2 km.

3 斷層深部滑動(dòng)速率估算

作者曾在對(duì)唐山斷裂帶和龍門山斷裂帶的重復(fù)地震研究(Li et al.,2007, 2011)中，提出并應(yīng)用了利用重復(fù)地震的地震矩和重復(fù)間隔簡單估算滑動(dòng)速率的方法.我們首先采用譜比法(Vidale et al.,1994)檢驗(yàn)觀測報(bào)告中地震震級(jí)(近震震級(jí)ML),然后采用地震矩-震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(Abercrombie,1996)獲取地震矩,并基于圓盤破裂斷層模型，在地震應(yīng)力降Δσ設(shè)定為常量的條件下，通過地震矩來估算地震的破裂半徑r(Kanamori and Anderson,1975)，并根據(jù)地震矩的定義來計(jì)算滑動(dòng)量，最后通過重復(fù)地震的累積滑動(dòng)量的線性擬合來最終獲取孕震深處的斷層活動(dòng)速率.在斷層深部滑動(dòng)速率估算過程中，需要對(duì)各種關(guān)系式中的換算系數(shù)和常量(如應(yīng)力降)進(jìn)行設(shè)定.

合理選擇地震矩-震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是首要的.趙翠萍等(2011)對(duì)中國大陸地震震源參數(shù)進(jìn)行研究，獲取的中小地震的地震矩M0和震級(jí)ML的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系與其他地震學(xué)家獲取的全球其他地區(qū)的基本一致，換算系數(shù)都在1左右，由此再次證實(shí)在龍門山斷裂帶和小江斷裂帶深部滑動(dòng)速率估算中引用的Abercrombie(1996)提出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式是適用于本研究的.

根據(jù)研究區(qū)情況來選用應(yīng)力降也是必要的.劉麗芳等(2010)計(jì)算了四川地區(qū)的震級(jí)M3.0～5.1的2121次地震的應(yīng)力降，給出的年平均值在5.11～8.72 MPa之間.鑒于11組重復(fù)微震的震級(jí)分布范圍是0.7～2.8，故本研究中采用5 MPa應(yīng)力降(Δσ)由地震矩M0來計(jì)算破裂半徑r，最終獲取每個(gè)重復(fù)地震的滑動(dòng)量.

4 斷裂帶深部結(jié)構(gòu)(深部構(gòu)造關(guān)系)

重新定位后的地震圖像(圖6)顯示：地震震源深度從北到南有逐漸加深的趨勢，在多條大型斷裂(如鮮水河斷裂，安寧河斷裂，大涼山斷裂)交匯區(qū)地震越向深部發(fā)展.為排除13～20 km缺震現(xiàn)象是由初始震源深度設(shè)定所致，對(duì)無初始深度的地震人為給定13、14、15、16、17、18、19和20 km初始深度進(jìn)行重新定位，所得出的圖像(見圖4)確證了研究時(shí)段內(nèi)約13～20 km明顯缺震現(xiàn)象的存在.如圖4和圖6所示，大部分地震分布在13 km以上的上地殼，約占定位后地震總數(shù)的80%，表明地震主要發(fā)生在脆性變形的上地殼，與缺震層(滑脫面)以上的淺部斷層活動(dòng)相關(guān).在鮮水河斷裂帶南段明顯存在13～20 km缺震層，尤其是在石棉下方15～25 km存在明顯的缺震(見圖6)，在研究區(qū)布設(shè)的康定—渡口南北向地震測深剖面結(jié)果(盧德源等，1989)表明，該研究區(qū)在上地殼的底部或地殼中部廣泛分布5～14 km厚的低速層，在石棉西昌一帶厚10～14 km.又見圖4和圖6，約14% 的地震分布在25～50 km的下地殼，說明下地殼也可能存在脆性變形層，同時(shí)也展示了深部斷裂的活動(dòng).震源深度較大的地震多分布在邊界構(gòu)造帶交匯區(qū)：如鮮水河斷裂帶與龍門山斷裂帶交匯區(qū)且多發(fā)生于龍門山斷裂一側(cè)(圖6c)，以及鮮水河斷裂、安寧河斷裂和大涼山斷裂交叉區(qū)且多集中在安寧河斷裂(圖6b).有關(guān)川西地區(qū)小震精定位結(jié)果同樣也展示了川西高原在15～20 km普遍存在缺震層，震源深度的優(yōu)勢分布在0～15 km的上地殼，同時(shí)在20～50 km的下地殼也有少量地震發(fā)生，說明川西高原地震主要發(fā)生在脆性變形的上地殼，中下地殼存在脆性變形層，而在15～20 km為塑性變形層，在此層位內(nèi)地震較少發(fā)生(朱艾斕等，2005).這一結(jié)論與本研究中圖4 和圖6 所展示的研究結(jié)果是一致的.由此，研究區(qū)震源深度剖面圖所展示的中上地殼缺震和超殼邊界斷裂在下地殼發(fā)震，也支持了地殼中存在低速層，上、下地殼在殼內(nèi)低速層頂部邊界滑脫解耦的新認(rèn)識(shí)(劉啟元等，2009).

剖面CD(見圖6b)穿過石棉，地處鮮水河斷裂和安寧河斷裂的復(fù)合部位.安寧河斷裂主干斷裂總體走向近南北，斷面陡立，CD剖面展示了結(jié)構(gòu)相對(duì)單一的走滑斷層上寬下陡的花狀結(jié)構(gòu)特征.

剖面EF(見圖6c)沿30°N線的一段，從沿30°N的深地震測深(王椿鏞等，2003)和大地電磁測深(孫潔等，2003)得到在川西高原中上地殼幾乎相同深度存在低速層和高導(dǎo)層(低阻層)，推測地表的龍門山山前逆沖斷裂帶，以及龍門山西北分布的一組逆沖斷裂帶向下延伸，歸并到上地殼的低速低阻層.逆沖斷裂帶的作用使龍門山疊置于四川盆地上.如圖6c所示，重新定位后的震源深度分布也佐證了上述推測，并展示了在下地殼可能存在向東傾斜的斷裂的證據(jù)，見圖6c中黑色虛線，這為根據(jù)二維速度結(jié)構(gòu)(王椿鏞等，2003)結(jié)果支持的“鱷魚結(jié)構(gòu)”式碰撞的動(dòng)力學(xué)模型找到了下地殼可能存在向東傾斜斷裂的證據(jù)，這也與MT探測(孫潔等，2003)結(jié)果展示的龍門山斷裂帶深部向下直立并逐漸向東南展布是一條超殼斷裂結(jié)果也較為吻合.

5 深部變形結(jié)果分析與討論

鮮水河斷裂帶南段在空間展布上由一系列大致平行斜列的斷層組成，分別為雅拉河斷層、色拉哈—康定斷層、折多塘斷層及磨西斷層等，并在石棉附近與安寧河斷裂帶和大涼山斷裂帶兩條分支斷裂帶相接.其最顯著的地質(zhì)特征是沿?cái)嗔褞Оl(fā)育晚新生代花崗巖巖體.研究表明，北西西走向的鮮水河斷裂錯(cuò)斷一系列山脊水系和地質(zhì)體，控制著數(shù)次7級(jí)以上歷史地震的發(fā)生，其以左旋走滑為特征，早期的地質(zhì)資料推測其長期的滑動(dòng)速率約為5～15 mm·a-1(聞學(xué)澤等，1989；Allen et al.,1991)，近年來GPS觀測反映現(xiàn)今的活動(dòng)速率約6～11 mm·a-1(徐錫偉等，2003；Shen et al.,2005；張培震，2008).在鮮水河斷裂帶南段康定一帶，侵入了平行于斷裂的貢嘎山—折多山花崗巖體，通過測年分析推算所得長期平均滑動(dòng)速率為6.7～10.0 mm·a-1(Allen et al.,1991).斷錯(cuò)地貌和年代學(xué)推測結(jié)果(聞學(xué)澤等，1989；周榮軍等，2001)給出了南段各分支斷裂的長期的滑動(dòng)速率為：雅拉河斷裂2 mm·a-1，色哈拉—康定斷裂5.5 mm·a-1；折多塘斷裂3.6 mm·a-1；磨西斷裂9.9 mm·a-1.GPS給出鮮水河斷裂帶南段的走滑速率為8～10 mm·a-1(方穎等，2010).

趙祎喆等(2008)使用時(shí)間尺度為30年的小震地震目錄，分析表明龍門山斷裂帶的深部形變與其近鄰的鮮水河、安寧河、則木河、小江等斷裂相比并不低.而地質(zhì)學(xué)資料和大地測量觀測給出的上述斷裂帶活動(dòng)速率比龍門山斷裂帶的滑動(dòng)速率大3倍之多(徐錫偉等，2003).地質(zhì)和GPS等淺表觀測資料雖給出了斷層的滑動(dòng)速率，但不同深度的滑動(dòng)速率分析還有賴于重復(fù)地震的估算結(jié)果.如圖6和表1所示，由鮮水河斷裂帶南段的11組重復(fù)微震估算所得3.6～18.7 km孕震深度處的滑動(dòng)速率分布范圍為3.0～10.2 mm·a-1，平均值為6.7 mm·a-1，中值為6.4 mm·a-1.滑動(dòng)速率估算的誤差為0.4～4.3 mm·a-1(見表1).而有關(guān)其他斷裂帶的重復(fù)地震研究結(jié)果表明：小江斷裂帶在地下3～12 km的深度范圍的滑動(dòng)速率為3.0～10.2 mm·a-1(李樂等，2013)，龍門山斷裂帶在2008年汶川巨震前約4～18 km孕震深度的滑動(dòng)速率為3.5～9.6 mm·a-1，約為GPS和地質(zhì)資料結(jié)果的2～3倍(Li et al.，2011).由重復(fù)地震估算的斷裂帶不同深度的滑動(dòng)速率結(jié)果表明龍門山斷裂帶、小江斷裂帶和鮮水河斷裂帶南段的深部變形的定量化結(jié)果是比較一致的.

結(jié)合沿?cái)嗔褞?qiáng)震破裂的時(shí)空信息和特殊構(gòu)造段落，可有效劃分7級(jí)以上歷史地震的強(qiáng)震構(gòu)造區(qū).強(qiáng)震沿?cái)嗔颜宫F(xiàn)出顯著不均勻的分布，強(qiáng)震的地表破裂帶相互重疊或錯(cuò)列，與構(gòu)造分布密切相關(guān)，鮮水河斷裂帶南段的主要分支斷層的幾何組合方式以并行排列式和三叉式為主題構(gòu)造格局，自北向南相應(yīng)地劃分為康定—折多塘強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)和石棉強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)(張世民和謝富仁，2001).1725年康定地震、1786年磨西地震、1955年折多塘地震都發(fā)生在康定—折多塘構(gòu)造區(qū)(見圖5)，鮮水河斷裂的兩條次級(jí)斷裂(色拉哈—康定斷裂和折多塘斷裂)和一系列北東東走向的派生斷層并行排列于該強(qiáng)震構(gòu)造區(qū).最北邊的重復(fù)地震S10和S11顯示了該強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)在地下約7 km 處呈現(xiàn)出8.3～9.7 mm·a-1較高的滑動(dòng)速率值，而該構(gòu)造區(qū)的背景地震活動(dòng)相對(duì)較弱(見圖5和圖6灰色圓圈所示康定附近的背景地震)，在本研究時(shí)段(2000—2013年底)內(nèi)并未發(fā)生過4.0級(jí)以上的地震，2014年11月 22日發(fā)生的康定6.3級(jí)地震解釋了這種“不協(xié)調(diào)”的局面.石棉強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)是鮮水河斷裂與安寧河斷裂斜交地帶，并與大涼山斷裂的西北段組成了銳夾角向南開口的三叉構(gòu)造.1786年瀘定得綏7級(jí)地震震中在三叉點(diǎn)西北側(cè)15 km處鮮水河斷裂的東端.在石棉周緣發(fā)現(xiàn)的2組重復(fù)微震(S01和S02)展示了鮮水河斷裂帶最南端在地下5.0～14.3 km的深度存在3.0～9.2 mm·a-1的滑動(dòng)速率，其中在地下約14 km處呈現(xiàn)了 9.2 mm·a-1的高滑動(dòng)速率，且石棉強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)小震活動(dòng)較為密集，出現(xiàn)較高的滑動(dòng)速率可能是“三叉構(gòu)造”共同活動(dòng)的綜合影響.

表1 鮮水河斷裂帶南段識(shí)別出的重復(fù)地震序列Table 1 Repeating earthquake sequences identified along the southern segment of Xianshuihe fault zone

由位于鮮水河斷裂帶南段與龍門山斷裂帶的交匯區(qū)密集分布的4組重復(fù)地震(S05, S07,S08,S09)，估算出地下3.6～18.7 km的深度的滑動(dòng)速率為5.8～10.2 mm·a-1.重復(fù)地震S03和S04位于四川盆地的平原區(qū)，其一定程度上反映了盆地下方隱伏斷裂的活動(dòng)，在深度8.0～14.8 km范圍內(nèi)其滑動(dòng)速率為3.4～6.3 mm·a-1.

由此分析初步可得,鮮水河斷裂帶南段的強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)在不同孕震深度的滑動(dòng)速率存在差異變化.有關(guān)龍門山斷裂帶南段深部滑動(dòng)速率分布特征的詳細(xì)分析將另文探討.

6 結(jié)論

基于2000—2013年鮮水河斷裂帶南段及其周緣的小震重新定位及其波形分析研究得出如下結(jié)論：

(1) 通過波形互相關(guān)分析，識(shí)別出635組相似地震.在稀疏臺(tái)網(wǎng)條件下，應(yīng)用基于S -P相對(duì)到時(shí)差(ΔtS -P)來約束地震相對(duì)位置而確保震源位置的一致性的方法，辨識(shí)出鮮水河斷裂帶南段周緣11組重復(fù)地震，其重復(fù)間隔存在明顯變化.

(2) 基于重復(fù)地震的震級(jí)和重復(fù)間隔，估算出不同深度處(3.6～18.7 km)鮮水河斷裂帶南段滑動(dòng)速率為3.0～10.2 mm·a-1.不同強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)在孕震深度處的滑動(dòng)速率分布存在明顯差異，2014年11月 22日康定6.3級(jí)地震的發(fā)生“協(xié)調(diào)”了康定—折多塘強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)在強(qiáng)震發(fā)生前深部滑動(dòng)速率高而地震活動(dòng)性弱的局面.

(3) 聯(lián)合采用四川臺(tái)網(wǎng)、瀑布溝水庫臺(tái)網(wǎng)和川西流動(dòng)臺(tái)陣的震相到時(shí)以及波形互相關(guān)延時(shí)資料，經(jīng)雙差法重新定位后的地震分布圖顯示在研究區(qū)上地殼底部或殼內(nèi)中部存在明顯的缺震現(xiàn)象，與地殼內(nèi)的低速低阻層相對(duì)應(yīng)，發(fā)生在邊界構(gòu)造帶交匯區(qū)的震源深度較大的地震分布圖像，展示了在研究區(qū)下地殼可能存在向東傾的斷裂，進(jìn)一步基于地震學(xué)資料印證了研究區(qū)上、下地殼沿殼內(nèi)低速層頂部邊界滑脫解耦的新觀點(diǎn).

致謝 感謝評(píng)審專家對(duì)完善本文提出的具有建設(shè)性的意見和建議.四川數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)提供了四川臺(tái)網(wǎng)和瀑布溝水庫臺(tái)網(wǎng)波形資料及地震觀測報(bào)告和目錄；中國地震局地球物理研究所“地震科學(xué)探測臺(tái)陣數(shù)據(jù)中心”為本研究提供川西臺(tái)陣地震波形數(shù)據(jù)；本文圖件基本采用GMT繪制(Wessel and Smith，1989),在此一并表示感謝.

Abercrombie R E. 1996. The magnitude-frequency distribution of earthquakes recorded with deep seismometers at Cajon Pass, southern California.Tectonophysics, 261(1-3): 1-7, doi: 10.1016/0040-1951(96)00052-2.

Allen C R, Luo Z L, Qian H, et al. 1991. Field study of a highly active fault zone: The Xianshuihe fault of southwestern China.Geol.Soc.Am.Bull., 103(9): 1178-1199.

Fang Y, Jiang Z S, Yang Y L, et al. 2010. Deformation characteristics of southern segment of Xianshuihe fault before and after WenchuanMS8.0 earthquake.JournalofGeodesyandGeodynamics(in Chinese), 30(3): 22-26.

Kanamori H, Anderson D L. 1975. Theoretical basis of some empirical relations in seismology.Bull.Seismol.Soc.Am., 65(5): 1073-1095.

Li L, Chen Q F, Cheng X, et al. 2007. Spatial clustering and repeating of seismic events observed along the 1976 Tangshan fault, north China.Geophys.Res.Lett., 34(23): L23309, doi: 10.1029/2007GL031594.

Li L, Chen Q F, Niu F L, et al. 2011. Deep slip rates along the Longmen Shan fault zone estimated from repeating microearthquakes.J.Geophys.Res., 116(B9): B09310, doi: 10.1029/2011JB008406.

Li L, Chen Q F, Niu F L, et al. 2013. Estimates of deep slip rate along the Xiaojiang fault with repeating microearthquake data.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 56(10): 3373-3384, doi: 10.6038/cjg20131013.

Liu L F, Su Y J, Liu J, et al. 2010. Study on temporal and spatial features of stress drop for low-to-moderate earthquakes in Sichuan and Yunnan region.J.Seismol.Res. (in Chinese), 33(3): 314-319.

Liu Q Y, Chen J H, Li S C, et al. 2008. TheMS8.0 Wenchuan earthquake: Preliminary results from the western Sichuan mobile seismic array observations.SeismologyandGeology(in Chinese), 30(3): 584-596.

Liu Q Y, Li Y, Chen J H, et al. 2009. WenchuanMS8.0 earthquake: preliminary study of the S-wave velocity structure of the crust and upper mantle.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 52(2): 309-319.

Lu D Y, Cui Z Z, Chen J P， et al. 1989. Application of explosion seismic sounding in the study of the crustal structure of the Kangdingdukou meridional structural belt.GeologicalReview(in Chinese), 35(1): 41-51.

Nadeau R M, McEvilly T V. 1999. Fault slip rates at depth from recurrence intervals of repeating microearthquakes.Science, 285(5428): 718-721.

Shen Z K, Lü J N, Wang M, et al. 2005. Contemporary crustal deformation around the Southeast borderland of the Tibetan plateau.J.Geophys.Res., 110(B11): B11409, doi: 10.1029/2004JB003421.

Sun J, Jin G W, Bai D H, et al. 2003. Sounding of electrical structure of the crust and upper mantle along the eastern border of Qinghai-Tibet Plateau and its tectonic significance.ScienceinChinaSeriesD:EarthSciences, 46(2): 243-253.

Vidale J E, Ellsworth W L, Cole A, et al. 1994. Variations in rupture process with recurrence interval in a repeated small earthquake.Nature, 368(6472): 624-626.

Waldhauser F, Ellsworth W L. 2000. A double-difference earthquake location algorithm: Method and application to the Northern Hayward Fault, California.Bull.Seismol.Soc.Am., 90(6): 1353-1368.

Wang C Y, Wu J P, Lou H, et al. 2003. P-wave crustal velocity structure in western Sichuan and eastern Tibetan region.ScienceinChinaSeriesD:EarthSciences, 46(S2): 254-265.

Wen X Z, Allen C R， Luo Z L, et al. 1989. Segmentation, geometric features, and their seismotectonic implications for the Holo-Cene Xianshuihe fault zone.ActaSeismologicaSinica(in Chinese), 11(4): 362-371.

Wessel P, Smith W H F. 1998. New, improved version of Generic Mapping Tools released.EOSTrans.Amer.Geophys.U., 79(47): 579.

Xu X W, Wen X Z, Zheng R Z, et al. 2003. Pattern of latest tectonic motion and its dynamics for active blocks in Sichuan-Yunnan region, China.ScienceinChinaSeriesD:EarthSciences, 33(2S): 210-226.

Zhang P Z. 2008. The tectonic deformation, strain distribution and deep dynamic processes in the eastern margin of the Qinghai-Tibetan plateau.ScienceinChina(SeriesD) (in Chinese), 38(9): 1041-1056.

Zhang S M, Xie F R. 2001. Seismotectonic divisions of strong earthquakes (MS≥7.0) and their tectonic geomorphology along Xianshuihe Xiaojiang fault zone.ActaSeismologicaSinica(in Chinese), 23(1): 36-44.

Zhao C P, Chen Z L, Hua W, et al. 2011. Study on source parameters of small to moderate earthquakes in the main seismic active regions, China mainland.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 54(6): 1478-1489, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.06.007.

Zhao Y Z, Wu Z L, Jiang C S, et al. 2008. Present deep deformation along the Longmenshan fault by seismic data and implications for the tectonic context of the Wenchuan earthquake.ActaGeologicaSinica(in Chinese), 82(12): 1778-1787.

Zhou R J, He Y L, Huang Z Z, et al. 2001. The slip rate and strong earthquake recurrence interval on the Qianning-Kangding segment of the Xianshuihe fault zone.ActaSeismologicaSinica(in Chinese), 23(3): 250-261.

Zhu A L, Xu X W, Zhou Y S, et al. 2005. Relocation of small earthquakes in western Sichuan, China and its implications for active tectonics.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 48(3): 629-636.

附中文參考文獻(xiàn)

方穎, 江在森, 楊永林等. 2010. 汶川MS8.0地震前后鮮水河斷裂南段的變形特征. 大地測量與地球動(dòng)力學(xué), 30(3): 22-26.

李樂, 陳棋福, 鈕鳳林等. 2013. 基于重復(fù)微震的小江斷裂帶深部滑動(dòng)速率研究. 地球物理學(xué)報(bào), 56(10): 3373-3384, doi: 10.6038/cjg20131013.

劉麗芳, 蘇有錦, 劉杰等. 2010. 云南和四川中小地震應(yīng)力降時(shí)空特征研究. 地震研究, 33(3): 314-319.

劉啟元, 陳九輝, 李順成等. 2008. 汶川MS8.0地震: 川西流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測數(shù)據(jù)的初步分析. 地震地質(zhì), 30(3): 584-596.

劉啟元, 李昱, 陳九輝等. 2009. 汶川MS8.0地震: 地殼上地幔S波速度結(jié)構(gòu)的初步研究. 地球物理學(xué)報(bào), 52(2): 309-319.

盧德源, 崔作舟, 陳紀(jì)平等. 1989. 康定—渡口南北向構(gòu)造帶爆破地震測深的研究. 地質(zhì)評(píng)論, 35(1): 41-51.

孫潔, 晉光文, 白登海等. 2003. 青藏高原東緣地殼、上地幔電性結(jié)構(gòu)探測及其構(gòu)造意義. 中國科學(xué)(D 輯), 33(增刊): 173-180.

王椿鏞, 吳建平, 樓海等. 2003. 川西藏東地區(qū)的地殼P波速度結(jié)構(gòu). 中國科學(xué)(D輯), 33(增刊): 181-189.

聞學(xué)澤, Allen C R, 羅灼禮等. 1989. 鮮水河全新世斷裂帶的分段性、幾何特征及其地震構(gòu)造意義. 地震學(xué)報(bào), 11(4): 362-371.

徐錫偉, 聞學(xué)澤, 鄭榮章等. 2003. 川滇地區(qū)活動(dòng)塊體最新構(gòu)造變動(dòng)樣式及其動(dòng)力來源. 中國科學(xué)(D輯), 33(增刊): 151-162.

張培震. 2008. 青藏高原東緣川西地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造變形、應(yīng)變分配與深部動(dòng)力過程. 中國科學(xué)(D輯), 38(9): 1041-1056.

張世民, 謝富仁. 2001. 鮮水河—小江斷裂帶7級(jí)以上強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)的劃分及其構(gòu)造地貌特征. 地震學(xué)報(bào), 23(1): 36-44.

趙翠萍, 陳章立, 華衛(wèi)等. 2011. 中國大陸主要地震活動(dòng)區(qū)中小地震震源參數(shù)研究. 地球物理學(xué)報(bào), 54(6): 1478-1489, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.06.007.

趙祎喆, 吳忠良, 蔣長勝等. 2008. 用地震資料估計(jì)的龍門山斷裂深部形變及其對(duì)于汶川地震成因的意義. 地質(zhì)學(xué)報(bào), 82(12): 1778-1787.

周榮軍, 何玉林, 黃祖智等. 2001. 鮮水河斷裂帶乾寧—康定段的滑動(dòng)速率與強(qiáng)震復(fù)發(fā)間隔. 地震學(xué)報(bào), 23(3): 250-261.

朱艾斕, 徐錫偉, 周永勝等. 2005. 川西地區(qū)小震重新定位及其活動(dòng)構(gòu)造意義. 地球物理學(xué)報(bào), 48(3): 629-636.

(本文編輯 何燕)

Quantitative study of the deep deformation along the southern segment of the Xianshuihe fault zone using repeating microearthquakes

LI Le1, CHEN Qi-Fu2, NIU Feng-Lin3,4, SU Jin-Rong5

1KeyLaboratoryofEarthquakePrediction,InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China2KeyLaboratoryofEarthandPlanetaryPhysics,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China3StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China4DepartmentofEarthScience,RiceUniversity,Houston,TX77005,USA5EarthquakeAdministrationofSichuanProvince,Chengdu610041,China

Repeating earthquakes are a series of shocks regularly occurring at the same patch of a fault. They are commonly interpreted as repeated ruptures of a single asperity owing to the concentration stress due to aseismic slips in the surrounding areas. Deep slip rates along a fault can be estimated from coseismic slips of the repeating earthquakes, resulting in direct measurements of fault deformation at seismogenic depths.

In this study, we used the waveform data recorded by the Sichuan digital Seismic Network (SSN) between 2000 and 2013，the Reservoir Seismic Networks(RSN) from 2008 to 2013, and West Sichuan Seismic Array(WSSN) from October 2006 to July 2009 to search for clusters of repeating earthquakes along the southern segment of the Xianshuihe fault zone. We then used them to investigate deep deformation of the fault zone.

Using waveform cross-correlation analysis, we identified a total of 635 similar earthquake clusters including 357 doublets and 278 multiplets that consist of 3704 earthquakes in total. Most of sequences are aperiodic with recurrence intervals varying from a few minutes to hundreds of days. Due to the sparsity of the network in the study area, we used an empirical method to constrain the relative distance between event pairs based on S-P differential times measured at subsample accuracy. We used this method to identify a total of 11 sequences of repeating earthquakes along the southern segment of the Xianshuihe fault zone. We also utilized a temple matching technique to scan the continuous records to search for all the members of the repeating earthquake families and relocated all the background seismicity and repeating earthquakes using the double difference method with differential data measured with the cross correlation technique.

The relocated seismicity suggests the existence of an aseismic layer in the upper crust or the middle crust, which is also featured by low seismic velocity and low electric resistivity. High seismicity is found in two depth ranges of ～0～13 km in the brittle upper crust and of ～25～50 km in the lower crust, respectively. The relocated seismicity shows possible existence of an eastward-inclining deep fault in the lower crust. Our results also suggest that the upper crust decouples with the lower crust at the top boundary of the lower-velocity zone (the aseismic layer), which leads to a listric thrust in the upper crust. The fault slip rate computed from the size and recurrence intervals of the repeating earthquake sequences varies from 3.0 to 10.2 mm·a-1at depths 3.6～18.7 km, and shows substantial differences among seismotectonic divisions.

Southern segment of the Xianshuihe fault； Repeating earthquakes； Deep slip rates； Earthquake relocation

10.6038/cjg20151121.

中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2015IES010203，2015IES0407)，國家自然科學(xué)基金(41104031，41474031)資助.

李樂，女，博士，副研究員，主要從事重復(fù)地震與活動(dòng)構(gòu)造、小震精定位方面的研究.E-mai:lile@cea-ies.ac.cn,passion-2008@163.com

10.6038/cjg20151121

P315

2015-03-31，2015-10-28收修定稿

李樂, 陳棋福， 鈕鳳林等. 2015. 鮮水河斷裂帶南段深部變形的重復(fù)地震研究.地球物理學(xué)報(bào)，58(11):4138-4148,

Li L, Chen Q F, Niu F L, et al. 2015. Quantitative study of the deep deformation along the southern segment of the Xianshuihe fault zone using repeating microearthquakes.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(11):4138-4148,doi:10.6038/cjg20151121.