玉树地震震源区速度结构与余震分布的关系

王长在，吴建平，房立华，王未来

中国地震局地球物理研究所，北京 100081

1 引 言

2010年4月14日07时49分37秒（北京时间），我国青海省玉树县发生了MS7.1级地震.根据中国地震台网测定，震中位于33.2°N，96.6°E，震源深度14km.截至2010年5月9日15时00分玉树地震共记录到余震1712个，其中6.0～6.9级地震1个.此次地震导致了2698人遇难，经济损失达到8000亿.是继汶川地震之后又一次有极大社会影响的地震事件.

地震发生之后，许多学者对此次地震的地质背景、发震构造、发震机理等方面进行了研究，取得了许多重要的研究成果［1－6］.Wang等利用近场和远震数据，估算了2010年玉树MS7.1级地震的破裂速度，并反演得到了断层面上的静态滑动量分布［7］.Tobita等利用PALSAR干涉测量数据，得到了2010年玉树地震断层模型和同震变形特征［8］.

为加强余震监测和震源区的深部结构研究，主震发生之后，青海省地震局在余震区布设了7个流动地震台站，中国地震局地球物理研究所在附近布设了14个流动地震台站.这21个流动地震台站与周围的固定台站组成了一个比较好的小孔径台网，提高了地震定位的精度，为进行精定位及震源区速度结构研究提供了宝贵的数据.本文利用这批数据，应用双差层析成像方法，得到了精定位结果和震源区速度结构，并探讨了玉树—甘孜断裂的展布形态，速度结构与余震分布的关系，为更深入地了解发震构造提供了基础信息.

2 区域地质概况

玉树震区处于青藏高原东缘，在巴颜喀拉地块与羌塘地块交界的金沙江缝合带附近（图1）.青藏高原东部由6个地块以及中间以5条缝合线相隔，自北而南分别为：祁连—阿尔金缝合带，祁连山地体，青海南山及北淮阳断裂带，东昆仑—柴达木地体，东昆仑—阿尼玛卿缝合带，松潘—甘孜—可可西里地体，金沙江印支期缝合带，羌塘地体，班公湖—怒江缝合带，拉萨地体，雅鲁藏布江喜马拉雅期缝合带和喜马拉雅地体［9］.青藏高原5条狭长的缝合带是各时期洋盆消减和地体碰撞的结果.缝合带的时代由北向南依次变新，显示了亚洲大陆逐渐向南增生.印度次大陆亚洲大陆碰撞，使雅鲁藏布江一带的特提斯残余海最终封闭，并开始了缓慢的分阶段的构造运动及地面隆升过程［10］.自中新世中晚期开始，青藏高原内部发生了较大范围区域性的走滑运动，地壳内发生了东向水平运动和垂直隆升运动，从而青藏高原内部的构造块体逐渐被挤出，沿东昆仑断裂带、玉树—甘孜—鲜水河断裂带、嘉黎断裂带等边界断裂带向青藏高原东缘滑移.伴随这些块体运动，青藏高原7级以上强震（例如2001年昆仑山口8.2级地震、2010年M7.1级玉树地震）主要沿大型块体边界断裂带分布.

甘孜—玉树断裂西起青海治多县那王草曲塘，经当江、玉树、邓柯、玉隆，至四川甘孜县城南，全长约500km.断裂整体呈北西向展布，仅在当江附近走向北西西，断层倾向以北东为主（仅挡拖一带倾向南西），倾角70°～85°.甘孜—玉树断裂带在第四纪的强烈活动，造成了新沉积物的强烈变形.根据探槽揭露，这种新沉积物的变形大多显示了脆性破裂的特点，是断裂带上古地震形变的证据［11］.玉树地震震区位于巴颜喀拉地块南边界，周围断裂构造发育，其中以北西向左旋走滑的断裂为主.区域地震活动与活动断裂构造关系密切，6级以上地震主要分布在晚第四纪以来活动断裂附近.其中这次玉树M7.1级地震就是甘孜—玉树断裂突然错动的结果.

3 方法原理

双差层析成像方法是在双差定位法的基础上发展起来的，其中双差定位法（hypoDD）已经被国内、外地震学家广泛地应用到地震定位中［14－17］，它在确定地震之间相对位置方面具有很高的精度，是研究特定地区地震活动特征、活动断层空间展布等的重要手段.但双差层析成像方法由于考虑了介质速度结构的空间变化，克服了双差定位对台站到事件对之间路径为恒定速度的假设，因此得到的定位结果更加精确.

将双差层析成像的基本原理进行简单阐述：理论到时与观测到时的差（即残差）rik与震源参数的扰动量和波速之间的关系表示为：τi是地震i的发震时刻，u是慢度矢量，ds是路径积分元.其中震源参数（x1，x2，x3）、发震时刻、慢度场、射线路径是未知量.

若地震j也被台站k所记录，则有：

则这两个事件与计算理论走时差的残差即双差：

通过联合反演可以得到三维速度结构、震源的相对位置和绝对位置［18］.

双差层析成像方法是运用绝对走时和相对走时资料来实现三维波速结构和震源参数的联合反演.该方法首先采用网格节点法进行模型参数化，通过划分空间三维网格节点，采用伪弯曲射线追踪法找到地震波的最小走时路径，并计算理论走时及走时对震源位置和慢度的偏导数，联合使用绝对走时、双差走时数据进行反演，双差数据主要用于确定震源区的精细结构，绝对走时数据主要确定震源区以外区域的速度结构.采用阻尼最小二乘分解算法求解，在三个方向采取相同的光滑权重对模型进行光滑约束，多次迭代直至得到稳定的解.

在反演的过程中，先赋予绝对走时较高的权重，给P波绝对走时的权重为1.0，给予差分数据P波的权重为0.1.可以在一维速度模型的基础上，建立一个比较大区域的三维速度结构的结果，在几次迭代之后，将绝对走时的权重降低为0.1，差分数据的权重增加为1.0，以提高震源区速度结构的分辨率.在迭代过程中，通过调整阻尼值，使方程求得的解稳定，获得震源区重定位和速度结构的结果.

该方法联合使用绝对走时和相对走时，因此在震源区外可以得到与传统层析成像相同的结果，由于增加了双差方程，从而能够反演震源区精细的速度结构及地震重新定位结果，因此可以揭示比传统方法更多的细结构信息［19］.

4 余震资料选取及反演模型的建立

4.1 资料选取

2010年4月14日玉树M7.1级地震发生后，由于流动地震台的布设，在一定程度上弥补了固定地震台站分布的缺陷，从而为我们对震源区的研究提供了宝贵的数据及资料.利用中国地震局地球物理研究所数据备份中心［20］和中国地震局地球物理研究所震后架设的流动地震台站提供的波形数据，选取2010年4月14日到2010年6月15日期间M≥1.0级地震的事件波形，进行了震相拾取和地震初定位.选择的每个地震至少被4个台站记录到，最终有1108个地震事件参与反演，其中参加反演的P波绝对到时6437个，反演的S波绝对到时5035个，相对到时资料P波33550个，S波28539个，参与的台站有30个.台站分布见图2.

图3 反演网格分布图图为平面网格划分，“＋”表示划分的网格节点，三角形代表台站，X，Y代表建立的坐标方向.Fig.3 Grid map of tomographyTriangle denotes stations.The coordinate system （X，Y）shown in this figure is used throughout this study.

在研究区域，建立坐标系：X轴垂直于余震方向，Y轴平行于余震方向（图3），坐标原点为106.06°E、25.56°N.在X方向的水平网格节点划分为－488.0，－60.0，－40.0，－20.0，0.0，20.0，40.0，60.0，499.0km；在Y方向划分为 －488.0，－80.0，－60.0，－40.0，－20.0，0.0，20.0，40.0，60.0，499.0km；在Z方向（垂直向下）划分为－150.0，0.0，5.0，10.0，15.0，20.0，25.0，30.0，449.0km.

4.2 初始速度模型建立

为确定玉树周围地区的地壳厚度和波速比，选取了青海省地震局玉树地震台站在2007年1月1日至2010年1月1日观测期间，在30°～90°震中距范围内，震级在6级以上的波形数据，采用最大熵反褶积方法［21］提取远震体波接收函数.提取过程中采用的高斯滤波系数为2.5，水准量系数为0.01.经过严格的挑选，最终获得了233条高质量的接收函数.将地震事件的震中距和深度转换到水平层慢度，以0.001的慢度步长对接收函数进行叠加，得到各慢度范围内的平均接收函数.对玉树台站的多道平均接收函数进行叠加搜索，获得此台站下方的平均地壳厚度及泊松比值.结果表明，玉树台站附近地壳厚度约为70km，波速比1.72.

本文反演采用的初始模型参考了该地区人工地震观测的结果［22－23］.表1给出了 P波初始速度模型.表中的上界面深度表示在分层速度模型中各层的顶面深度，其层厚度为下一个上界面深度与该上界面深度之差，左侧为该层对应的速度值.海平面以上部分与第一层的速度相同.地壳厚度和波速比根据玉树台的接收函数H－K叠加结果给出P波速度与S波速度的比值为1.72，地壳厚度为70km.

表1 玉树地区P波初始速度结构Table 1 Initial P wave velocity structure of Yushu

5 双差层析成像的结果与讨论

5.1 余震定位结果

共1108次地震参加重新定位，最终获得995次地震的精定位结果，重新定位后均方根残差平均值由原来的0.5s降为了0.1s，通对观测到时和理论到时残差的理论估计，震源位置的测定误差在E—W方向平均为0.3km，在N—S方向平均为0.3km，在垂直方向平均为0.5km.

图4a、4b分别为玉树地震序列地震定位前后的结果.初定位结果显示余震分布相对分散，重定位后的结果显示余震沿NW向成窄条状分布在断层的两侧，清晰地勾勒出地震活动图像，揭示了脆性破裂应力释放主要集中于一个狭窄的区域内.余震分布表明在西北端96.2°左右，余震不完全沿甘孜—玉树断裂分布，而在甘孜—玉树断裂垂直方向也有分布.分析认为在该位置可能存在一条与甘孜—玉树断裂相垂直的次级断裂.周荣军等［24］研究表明，玉树—甘孜断裂在西北端96.2°左右，断裂发生了错断，断裂并不是在原来的位置继续向北西向，而是断裂向南西向偏移了10多公里.可能正是这一与甘孜—玉树断裂相垂直的次级断裂的某个历史时期的错动，导致了玉树—甘孜断裂在这一位置发生偏移.

刘超等［25］利用全球地震台网的宽频带地震波形资料，采用P波波形快速反演方法得到的震源机制解，反演得出，这次地震的矩震级为Mw7.0，是一次典型的左旋走滑型地震，并判定这次地震事件的发震断层为玉树断层，走向119°、倾角83°、滑动角－2°.余震的展布方向为119°与主震的发震断层吻合.

余震深度分布剖面图（图5）表明，初始定位震源深度主要分布在3～15km之间，在5～10km之间出现了明显的横向排列.重定位之后，地震主要分布在2～30km之间，从西北到东南（－60～60km）震源深度总体上由深变浅，在西北端（－60～－30km）绝大部分余震震源深度分布在10～20km之间，并与（－30～60km）那一段在深度变化上有一个明显的区别.图5b为Li等［26］利用SAR、光学成像、地震体波等反演得到的断层几何特征和滑动量分布.该结果也显示出主震的破裂过程位移最大的部分（图中为深颜色部分），一部分位于主震破裂点附近，另一部分位于距离破裂点30km左右的位置，并且滑动量总体上从西北（0km）到东南方向（45km）呈现从深到浅破裂过程，即应力在西北方向主要是在深部的调整，而到东南方向主要是浅部的应力释放.而在（－30km到－60km），震源深度较深，可能为其他次级断层破裂导致的.

5.2 反演得到的速度结构

5.2.1 速度结构的解释

三维速度结构反演结果的精度通常用节点周围射线的空间分布来进行评估.Thurber和Phillips定义DWS（Derivative Weight Sum）反映一个模型参量周围平均的相对射线密度，考虑了射线节点到节点的距离加权以及此节点周围射线长度，因此在反映射线密度方面，DWS比不加权的射线总和更有优势［27］.双差层析成像方法评估解的可靠性，就是通过DWS值来进行评估的，许多研究者验证当DWS＞100时，得到的结果具有较高的可靠性［28－29］.图6、图7为应用双差层析成像方法反演得到的速度结构.其中被白线包围的部分为DWS＞100的区域，认为得到的速度结构结果可靠，垂直剖面图中色标均表示绝对速度，为了方便在同一个水平面对比速度变化，水平层析成像的色标表示速度的扰动量.

深度为z＝1km和z＝3km浅层速度结构结果显示玉树县城附近均位于高速异常体内，在玉树县城西南侧存在一明显的低速体异常，该区域地质图表明玉树县城主要位于碳酸岩盐的基岩区域，故表现为高速异常体区域，在玉树县城西南侧有一片较大区域的第四纪沉积层，与其对应的位置表现为明显的低速异常体.上述地表地质特征与浅层速度结构的一致性，在一定程度上佐证了双差层析成像较高的分辨率和可靠性.

图4 （a）重定位前地震分布；（b）重定位后地震分布绿点表示地震，黑线为断裂.Fig.4 （a）Distribution of earthquakes before relocation；（b）Distribution of earthquakes after relocation Dots denote the aftershocks，black lines show the location of the large fault.

图5 （a）重定位前余震深度分布；（b）重定位后余震深度分布及Li等［26］反演得到的断层面上静态滑动量分布Fig.5 （a）Distributions of aftershock sequences before earthquake relocation；（b）Distributions of aftershock sequences after earthquake relocation.The slip distribution is from an inversion by Li et al.［26］

玉树震区处于巴颜喀拉地块与羌塘地块交界的金沙江缝合带附近，玉树—甘孜断裂为巴颜喀拉地块南边界.因此玉树—甘孜断裂的北部具有巴颜喀拉地块性质，南侧代表了羌塘地块特征.深度为z＝6km、z＝9km和z＝12km速度结构结果显示，在中上地壳巴颜喀拉地块表现为高速体异常，羌塘地块表现为低速异常.玉树—甘孜断裂处于高低速异常过渡带区域.

图7 AA′、BB′、CC′、DD′、EE′、FF′深度剖面的速度结构图像黑点表示余震分布，红色五星为主震.白色虚线为推测断层位置，白色实线包围的区域为DWS值大于100区域.震源位置剖面给出的是离剖面10km距离内的地震.Fig.7 Vertical cross－sections of VPalong lines AA′，BB′，CC′，DD′，EE′，and FF′Dots denote the aftershocks，stars denote epicenters of the main shock.The white dotted line indicates earthquake fault，the region surrounded by the solid white line shows the region of DWS value more than 100.The location profile shows the earthquakes within 10km from the profile.

5.2.2 余震分布与速度结构的关系

深度为9km和12km水平层析成像结果显示玉树—甘孜断裂的东北侧主要呈现为高速体异常，西南侧表现为低速体异常，余震主要分布在高速低速过渡带区域.主震（即地震的初始破裂点）发生在NWW—SEE向的高速体与低速体过渡带区域并偏向高速体一侧，这一位置往往是应力集中的部位，可能导致大地震的发生.

AA′剖面结合BB′、CC′剖面的速度结构结果显示在玉树—甘孜断裂西北端（AA′剖面即坐标－60～－30km位置），在深度为3～8km附近存在一个较大范围的高速体异常，余震主要发生在这一高速异常体的下方.一般高速体代表较坚硬的岩体，震后应力调整时，由于受到前方及上方该坚硬岩体的阻挡，从而应力在这一位置向共轭方向和向下调整，导致了共轭方向和下方的岩石破裂，随后在该位置发生了一次M5.7级中强地震，之后又发生了大量余震，且余震深度分布较深，推测为共轭方向次级断层的破裂.

国内外研究发现，层析成像得到的高速异常体代表地震发生的凹凸体［30－32］.一般认为高速体与地壳的较脆、较强部分岩体有关，这些部分能够积累更大的孕震能量.Kato等人研究日本新潟县中部Mw6.6级地震时，发现发生在断层附近的大部分余震分布在高速体的外围［32］.图7垂直于断层方向的BB′、CC′、DD′、EE′和FF′剖面显示余震均分布在高速体的外围，在高速体内几乎没有地震分布.推测中上地壳的高速体通常具有较高的强度，可以积累较强的孕震能量，主震发生后，高速体内积累的弹性能量向周边释放，可能是导致高速体周边余震发生的主要原因.

速度结构剖面图均显示了在地壳中18～25km深度范围内存在一低速层，与姜枚等的人工探测剖面结果基本一致［22］.Huang和Zhao研究表明，大地震发生在高低速交界部位偏于高速区的一侧，震源下方存在的低速异常体可能促进了地震成核［33－34］.产生这一现象的原因可能是低速体难以积累能量，却易于传递能量，足够尺度的高速块体有可能积累足以引发大地震的应变能.高低速异常体的过渡地带，既是应力集中的地方，又是介质相对比较脆弱的地方，这样的环境具备了积累大量应变能的介质条件，容易发生破裂，易于释放应力，因而容易引发大的地震.

结合震源区速度结构与余震分布推测了断层面（图7中白色虚线所示）的产状，BB′剖面显示断层倾向南西，倾角接近80°，穿过主震的CC′剖面，断层倾向南西，倾角接近85°，DD′剖面断层倾向南西，倾角接近90°、EE′剖面断层倾向北东，倾角接近85°和FF′剖面断层倾向北东，倾角接近80°.综上所述在震源区的玉树—甘孜断裂，从西南到东北方向，倾向由南西向逐渐反转为北东向，其中反转的位置在EE′剖面附近.

5.2.3 结果的分辨率及可靠性分析

为了检验速度结构反演的可靠性及空间分辨率，我们进行了恢复性试验，恢复性试验方法的基本原理是：根据层析成像反演获得的三维速度模型，计算与实际观测数据相同的各震相的理论走时，将计算获得的理论走时作为观测值，基于初始模型，反演新的三维速度模型，通过对比新旧三维速度模型的差异，可以了解成像结果的可靠性.恢复性试验中采用的阻尼系数和光滑约束系数与利用实际资料进行反演时完全相同，因此可以较好评估模型空间分辨率.这种恢复性试验来检测模型空间分辨率的方法被广泛应用［35－38］.

图8给出了玉树地震余震区速度结构的恢复性试验结果，恢复性试验结果与用实际资料反演得到的三维速度结构相比，总体上可以得到良好的恢复，速度异常的形态基本相同，只是部分异常体的幅度有较小的差异.恢复性试验结果表明，利用现有的地震、台站得到的观测数据，可以较好地揭示该震源区中上地壳的速度结构.

6 结 论

应用双差层析成像方法反演得到了玉树地震余震的重新定位结果.重定位结果显示余震主要沿NW向成窄带状分布在断层的两侧，但是在断层西北端（经度为96.2°附近），余震偏离玉树—甘孜断裂分布，在SW向也有分布，推测可能与南西向次级断裂有关.地震定位结果纵剖面显示从主震发生的位置到玉树县城，呈现出震源深度从深到浅的变化过程，在玉树县城附近发生的余震较浅，表明玉树—甘孜断裂在玉树县城附近主要是浅层破裂.

反演得到的浅层速度结构显示玉树县城位于高速异常体内，玉树县城西南侧存在一明显的低速体异常，该区域地表地质资料表明玉树县城主要位于碳酸岩盐的基岩区域，在玉树县城西南侧有一片较大区域的第四纪沉积层.说明了该地表地质特性与浅层速度结构的一致性.6km以下的速度结构表明巴颜喀拉地块表现为高速体异常，羌塘地块表现为低速体异常，玉树—甘孜断裂处于高低速过渡带附近.速度结构的剖面图均显示了在地壳18km到25km深度范围内存在一低速层.

穿过主震的水平切片和纵剖面显示，高低速体的存在对余震的分布有一定的控制作用：主震发生在高速体与低速体过渡带区域并偏向高速体一侧，这一位置往往是应力集中的部位，可能导致大地震的发生.速度结构其他各剖面显示表明大部分余震分布在高速体的外围，在高速体内几乎没有地震分布.这意味着高速体内积累的弹性能量并未在高速体内释放，而是在周围环境释放.

图8 BB′EE′剖面和深度为3、6、9、12km速度结构水平切片恢复性试验的结果Fig.8 Results of RRT test along profile BB′and EE′；Plan view of dVp%image at depths of 3，6，9，and 12km from RRT test

震源区的速度结构表明由于受到前方及上方坚硬岩体的阻挡，导致了共轭方向和下方的岩石破裂，发生了一次M5.7级中强地震，随后产生了大量余震.这就解释了余震不沿NW向分布，而在垂直方向分布，余震深度分布在西侧比东南侧要深一些的原因.

根据速度结构和重定位结果推测出从东北到西南方向断层倾角发生了从缓到陡再缓的变化过程，其中在EE′剖面附近断层的倾向从南西向反转为北东向.

致 谢 感谢张海江博士提供tomoDD程序，感谢中国地震台网中心和中国地震局地球物理研究所数据备份中心提供震相数据和波形数据.感谢郑秀芬研究员在数据分析上给予的帮助和张天中研究员、蒋长胜博士、彭汉书博士在方法、讨论方面给予的指导.

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