王 月，孟令媛，韓顏顏，馬亞偉，鄧世廣

(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2018年8月13日1時(shí)44分，云南省玉溪市通?？h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(shí)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(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心目錄，2次MS5.0地震震中位置相同，構(gòu)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(duì)當(dāng)?shù)卦斐梢欢ǖ慕?jīng)濟(jì)損失。

研究震源區(qū)的上地殼速度結(jié)構(gòu)，結(jié)合震源機(jī)制、余震重定位結(jié)果對(duì)進(jìn)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(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)，，并結(jié)合相對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)，相對(duì)于雙差定位方法，不僅可反演出地下精細(xì)三維速度結(jié)構(gòu)，而且獲得地震的絕對(duì)位置和相對(duì)位置的定位精度明顯提高，因此該方法被廣泛應(yīng)用到速度結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和高精度的余震序列重定位結(jié)果(Pei等，2010；王長(zhǎng)在等，2011；王小娜等，2015)；根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間記錄的區(qū)域小震資料，獲得研究區(qū)域的精細(xì)速度結(jié)構(gòu)(王小娜等，2014；呂子強(qiáng)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(shí)地震層析成像方法，反演了研究區(qū)速度結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化特征。

本文利用中國(guó)地震臺(tái)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(cè)報(bào)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(xì)速度結(jié)構(gòu)和高精度的地震定位結(jié)果，綜合有關(guān)地質(zhì)資料和震源機(jī)制解，分析通海2次MS5.0地震的發(fā)震構(gòu)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(nèi)發(fā)育有紅河斷裂、楚雄—建水?dāng)嗔?、普渡河斷裂、曲江—石屏斷裂和小江斷裂等主要活?dòng)斷裂，地震活動(dòng)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(nèi)共發(fā)生31組(44次)5級(jí)以上地震，其中5.0～5.9級(jí)地震36次，6.0～6.9級(jí)地震6次，7.0～7.9級(jí)地震2次，最大為1970年1月5日通海7.8級(jí)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(jié)果顯示2次地震均發(fā)生在1970年7.8級(jí)地震的余震區(qū)，但震中位于小江斷裂帶西支南段的次級(jí)斷裂明星—二街?jǐn)嗔押颓翑嗔褞У拇渭?jí)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(tái)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(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心(CENC)、中國(guó)地震局地球物理研究所(IGP-CEA)、中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所(IEF-CEA)分別公布了快速地震矩張量反演結(jié)果，王光明等(2018)利用CAP方法計(jì)算了通海2次MS5.0地震的震源機(jī)制解，4組結(jié)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?jǐn)嗔押蚇W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(jī)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(chǔ)上發(fā)展而來，目前已被應(yīng)用于多個(gè)地區(qū)速度結(jié)構(gòu)和震源位置的精細(xì)研究中。該方法利用地震波的絕對(duì)走時(shí)和相對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維速度結(jié)構(gòu)的反演和地震重定位。在射線理論中，地震事件i到臺(tái)站k的時(shí)間表示為：

(1)

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

(2)

將第i和第j個(gè)地震組成事件對(duì)，2次地震在臺(tái)站k的到時(shí)差為：

(3)

雙差僅與2個(gè)地震對(duì)的震源位置和地震對(duì)之間的速度有關(guān)，因此使用雙差進(jìn)行反演，減少了地震到臺(tái)站之間的路徑異常對(duì)結(jié)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(jié)構(gòu)和震源位置。實(shí)際反演過程中，首先賦予絕對(duì)走時(shí)較高的權(quán)重以建立整個(gè)區(qū)域的三維速度結(jié)構(gòu)，幾次迭代后賦予相對(duì)走時(shí)較高的權(quán)重可更好地約束震源周圍的速度結(jié)構(gòu)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(gè)國(guó)家地震臺(tái)站和云南地震臺(tái)網(wǎng)的28個(gè)臺(tái)站(22個(gè)固定臺(tái)站，6個(gè)流動(dòng)臺(tái)站)，記錄的地震空間范圍為(23° ～ 25°N，102° ～ 104°E)震相觀測(cè)報(bào)告(圖1)進(jìn)行雙差地震層析成像反演計(jì)算。

觀測(cè)報(bào)告中存在由不同臺(tái)網(wǎng)定位的相同地震事件以及單臺(tái)記錄地震事件，人工剔除后共獲得1 854個(gè)ML≥0.0地震事件。根據(jù)時(shí)距曲線擬合的方法，發(fā)現(xiàn)所選取的地震走時(shí)數(shù)據(jù)多位于擬合直線附近2 s內(nèi)，因此本文選取位于擬合直線2 s內(nèi)的震相數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算(圖2)。反演過程中有872個(gè)地震組成地震對(duì)，利用160 508條相對(duì)到時(shí)數(shù)據(jù)和11 214條絕對(duì)到時(shí)數(shù)據(jù)參與反演，最終獲得871個(gè)地震事件的重定位結(jié)果。

圖2 篩選前(a)和篩選后(b)數(shù)據(jù)的走時(shí)曲線擬合圖

2.3 參數(shù)選擇

參考研究區(qū)內(nèi)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(gòu)建了通海地區(qū)的一維速度結(jié)構(gòu)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(duì)反演結(jié)果的穩(wěn)定性有較大影響，因此在反演前需要對(duì)不同平滑因子和阻尼參數(shù)的組合進(jìn)行權(quán)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(shí)所對(duì)應(yīng)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(shè)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(duì)絕對(duì)到時(shí)數(shù)據(jù)和相對(duì)到時(shí)數(shù)據(jù)采用分級(jí)加權(quán)的方法。在反演的第一階段賦予絕對(duì)到時(shí)較高的權(quán)重，與相對(duì)走時(shí)權(quán)重之比為10，獲得較大范圍內(nèi)地震事件的定位結(jié)果和速度模型。之后相對(duì)到時(shí)權(quán)重增加，絕對(duì)到時(shí)權(quán)重與相對(duì)走時(shí)權(quán)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(shí)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(jié)構(gòu)模型。

3 計(jì)算結(jié)果

本文通過檢測(cè)板法對(duì)反演結(jié)果的分辨率進(jìn)行檢測(cè)，檢驗(yàn)所得速度模型的可靠性(圖4)。首先在初始模型的基礎(chǔ)上添加5%正負(fù)相間的擾動(dòng)，形成檢測(cè)板；然后利用該模型以及地震和臺(tái)站信息計(jì)算理論走時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)加上隨機(jī)噪聲，作為實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步利用雙差層析成像方法反演速度模型；最后通過對(duì)比檢測(cè)板的恢復(fù)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(nèi)，特別是通海地震震源區(qū)內(nèi)，數(shù)據(jù)得到良好恢復(fù)，分辨能力高，能夠分辨10 km尺度的速度異常，進(jìn)而得到更精細(xì)的速度結(jié)構(gòu)。在15 km深度上，僅在(24.0° ～ 24.5°N，102.5° ～103.0°E)區(qū)域內(nèi)速度結(jié)構(gòu)可以得到恢復(fù)。

圖4 不同深度剖面的棋盤模型測(cè)試結(jié)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(qiáng)烈的橫向不均勻性。在5 km深度的P波速度結(jié)構(gòu)顯示，玉江斷裂和石屏—建水?dāng)嗔阎g存在高速異常，玉江斷裂將NE一側(cè)的低速異常和SW一側(cè)的高速異常分隔，斷裂兩側(cè)速度變化較大；明星—二街?jǐn)嗔盐鱾?cè)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?jǐn)嗔褨|側(cè)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?dāng)嗔褍蓚?cè)和明星—二街?jǐn)嗔褨|西兩側(cè)的速度結(jié)構(gòu)變化較大，斷裂將高、低速體分隔開。S波速度結(jié)構(gòu)分布與P波速度結(jié)構(gòu)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(diǎn))

雙差層析成像也同時(shí)獲得了2018年8月13日至12月31日的871個(gè)ML≥0.0地震的震源位置。圖6顯示：重定位前地震走時(shí)殘差分布位于-2 ～ 2 s，-0.2 ～ 0.2 s的走時(shí)殘差數(shù)據(jù)占77.21%(圖6a)；重定位后地震走時(shí)殘差分布更集中，-0.2 ～ 0.2 s的走時(shí)殘差數(shù)據(jù)占91.65%(圖6b)；地震走時(shí)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(jìn)；震源深度的分布范圍為0 ～ 20 km，優(yōu)勢(shì)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(nèi)的地震共為176個(gè)，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(shí)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(jìn)行初始定位和重定位的結(jié)果對(duì)比。與初始定位結(jié)果相比(圖7a)，重定位后的2次主震分別位于余震序列兩側(cè)，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(jié)果距離余震事件較遠(yuǎn)的原因是，在利用時(shí)距曲線進(jìn)行震相篩選時(shí)，主震事件可用的臺(tái)站數(shù)量較少，與后續(xù)余震事件所用臺(tái)站差異較大，數(shù)據(jù)質(zhì)量具有一定的局限性，因此，主震定位結(jié)果與實(shí)際震中具有一定誤差。地震序列隨時(shí)間演化顯示，余震主要集中在主震后5天內(nèi)，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(shí)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?jǐn)嗔押蚇W向的玉江斷裂做AA’和BB’測(cè)線，設(shè)這兩個(gè)剖面的P波速度結(jié)構(gòu)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(nèi)分布于呈寬約8 km的條帶內(nèi)，無明顯傾向，而在BB’剖面內(nèi)分布于呈近乎垂直的寬約4 km的條帶內(nèi)，傾向ES，傾角約為80°。因此，本文認(rèn)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?jǐn)嗔演^遠(yuǎn)，約10 km，因此，在破裂區(qū)域可能存在與明星—二街?jǐn)嗔呀跗叫械碾[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(cè)，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(nèi)ML≥0.0地震的初始定位結(jié)果(a)、重定位結(jié)果(b)、重定位后地震震源深度隨時(shí)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(jié)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?jǐn)嗔呀粎R處，該低速區(qū)速度結(jié)構(gòu)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(yuǎn)震接收函數(shù)對(duì)云南地區(qū)速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果顯示該地區(qū)存在低速異常；胥頤等(2013)和賈源源(2018)對(duì)云南地區(qū)進(jìn)行速度結(jié)構(gòu)層析成像，結(jié)果顯示在小江斷裂帶南端存在低速異常；吳建平等(2013)對(duì)小江斷裂帶周邊地區(qū)三維P波速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果也顯示斷裂帶南端存在低速異常，與本文研究結(jié)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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(shì)有關(guān)。

本文對(duì)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(gè)剖面上的分布，結(jié)果顯示余震序列在AA’剖面分布較寬，無明顯傾向趨勢(shì)，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(jī)制解的NE向節(jié)面相吻合(表1)，因此可推測(cè)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(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)量仍然較少，反演的速度結(jié)構(gòu)分辨率較低，為了獲得該地區(qū)更加精細(xì)的速度結(jié)構(gòu)，后續(xù)研究需盡可能利用更長(zhǎng)時(shí)間記錄的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行層析成像。

5 結(jié)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(bào)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(jié)構(gòu)，同時(shí)得到了871個(gè)地震的重定位結(jié)果。結(jié)合云南地區(qū)斷裂分布，得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)通海地震震源區(qū)的P波和S波速度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的橫向不均勻性。在5 km深度，研究區(qū)內(nèi)玉江斷裂帶的北側(cè)表現(xiàn)為低速，與石屏—建水?dāng)嗔褞еg的區(qū)域呈現(xiàn)高速異常，石屏—建水?dāng)嗔涯蟼?cè)表現(xiàn)為低速。小江斷裂帶南段的次級(jí)斷裂，明星—二街?jǐn)嗔训腘W側(cè)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(nèi)的速度結(jié)構(gòu)與斷裂走向具有較好的一致性。

(2)震源機(jī)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(gòu)造的走向?yàn)镹E向，傾角約為80°，傾向?yàn)镋S向。結(jié)合研究區(qū)的斷裂分布，推測(cè)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?jǐn)嗔呀跗叫小?/p>

(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(jié)構(gòu)平面上，顯示震中大多分布在高速體內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)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(jì)算方法方面進(jìn)行的有益討論，在此一并表示感謝。