基于密集臺陣的漾濞震源區(qū)P波速度分布特征

趙志遠，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)生的一次顯著強震。區(qū)域構造背景揭示，印度板塊和歐亞板塊的碰撞使得青藏高原隆升，部分物質向東擠推川滇塊體，由于受到東側華南塊體的阻擋，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)構造運動強烈，地質結構復雜，歷史上中強地震活動頻繁[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)的殼幔速度結構特征與地震深部的孕育環(huán)境具有較大相關性，震源區(qū)地殼速度結構可以反映關于地震深部孕育環(huán)境及發(fā)震機理等重要信息，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，破裂主要沿SE方向單側擴展，震源機制解為右旋走滑型[6-7]，大地電磁三維反演結果顯示，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[8]，而層析成像結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構和地震重定位研究，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，反演得到的速度結構分辨率并不高。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)進行地殼三維速度結構和震源位置的聯(lián)合反演研究，以期得到更加可靠的地震重定位結果和更高分辨率的地殼速度結構，為進一步深入研究震源區(qū)強震孕震機理和發(fā)震構造提供依據(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)進行了質量控制。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)，避免了較遠臺站可能存在數(shù)據(jù)質量精度不高的情況，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)域的重點關注目標，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果提供了保障。

圖1 漾濞地區(qū)地質構造背景和臺站分布

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構的聯(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“自適應節(jié)點法”進行模型參數(shù)化，然后利用“偽彎曲法”進行射線追蹤并計算理論到時，最后采用LSQR算法進行迭代，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變?yōu)槿S速度模型；然后，在該模型的基礎上使用不同組合的光滑因子和阻尼因子來構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)進行棋盤測試，如果棋盤測試結果分辨率較高，可以直接使用上述模型參數(shù)并采用實際觀測數(shù)據(jù)進行雙差層析成像，相反，如果棋盤測試結果恢復度較差，就需要重新劃分速度網(wǎng)格節(jié)點，重復上述流程。

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 結果和討論

2.1 棋盤測試結果

為驗證反演結果的穩(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行分辨率測試。圖4給出了不同深度的檢測板結果，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波棋盤測試結果

2.2 漾濞震源區(qū)三維速度結構

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)地殼三維速度結構和震源位置，并對漾濞震源區(qū)附近結果進行分析。結果顯示，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，余震序列整體沿SE展布，如圖5所示?？梢钥吹?，在不同深度上研究區(qū)速度結構具有明顯的橫向不均勻性?？傮w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)，地震序列的北側和南側都存在低速異常體。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，斷裂兩側則表現(xiàn)為相對低速，速度結構特征與地形地質構造具有一致性。在4 km、6 km深度上，速度結構特征與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，紅和斷裂帶南側低速異常體擴大，漾濞地震序列南側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)已完全轉為高速區(qū)域，到16 km深度時，序列南側又從高速過渡為低速區(qū)域。

圖5 不同深度漾濞地區(qū)P波速度結構特

為了進一步研究漾濞地震序列和速度結構分布特征，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，并將剖面兩側的地震投影到剖面上，結果如圖6所示。結果顯示，漾濞6.4級地震位于高低速異常交界帶，此類區(qū)域往往是介質物性發(fā)生變化的地區(qū)，由于結構和應力場的變化，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，其原因可能是由于低速體的內(nèi)部韌性較強，容易產(chǎn)生蠕滑變形，不利于積累應變能和發(fā)生脆性破裂，而高速體強度較高，有利于聚集能量，此類區(qū)域通常為脆性易碎的介質，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）速度結構和地震分布特征

3 結論

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構及地震重定位結果，主要結論如下：

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)速度結構存在明顯的橫向不均勻性，速度分布特征與地質構造相關，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構變化具有相關性。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變能并在地震中釋放的能力，是強震孕育發(fā)生的關鍵區(qū)域。