張 帆，賈寶金，趙艷紅

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010051；2.烏拉浩特地震臺(tái)，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400）

0 引言

地震層析成像通過反演地震觀測數(shù)據(jù)來獲得地球內(nèi)部物理參數(shù)的空間分布，為探測地球內(nèi)部不同尺度的非均勻結(jié)構(gòu)提供了重要的信息，提供了認(rèn)識(shí)地震的孕育、發(fā)生、發(fā)展以及其深部過程的途徑，已經(jīng)發(fā)展成研究地球內(nèi)部非均勻結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過程的最重要的工具[1]，地震波到時(shí)層析成像反映的地震與活動(dòng)斷裂及地質(zhì)構(gòu)造之間的相關(guān)關(guān)系[2]，對(duì)研究地震成因、未來強(qiáng)震預(yù)測具有重要的意義。雙差層析成像方法[3]中引入在定位方面比較先進(jìn)的雙差地震定位方法[4]避免了常規(guī)地震定位中的彌散現(xiàn)象，可應(yīng)用于獲得的震源區(qū)精細(xì)速度結(jié)構(gòu)，為揭示震源區(qū)介質(zhì)性質(zhì)及地震發(fā)生的深部環(huán)境研究提供了更為可靠的信息[5],因此廣泛應(yīng)用于重要斷裂帶和強(qiáng)震震源區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)研究[6-9]。

根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心測定，北京時(shí)間2017年8月9日7時(shí)27分，新疆精河發(fā)生6.6級(jí)地震，震中位置44.3°N，82.9°E，震源深度11 km。本文使用中國地震臺(tái)網(wǎng)觀測報(bào)告，提取直達(dá)波的到時(shí)數(shù)據(jù)，使用雙差層析成像方法獲得新疆精河6.6級(jí)地震震源區(qū)域的三維速度結(jié)構(gòu)和余震序列的重新定位結(jié)果，根據(jù)波速的分布特征，對(duì)震源區(qū)域介質(zhì)特征分析，根據(jù)重新定位結(jié)果，擬合發(fā)震斷層面，對(duì)發(fā)震斷層的幾何特征和發(fā)震構(gòu)造做出推測。

1 原理和方法

雙差層析成像方法運(yùn)用絕對(duì)走時(shí)和相對(duì)走時(shí)來實(shí)現(xiàn)震源參數(shù)和三維速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演。此方法采用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行模型參數(shù)化，將空間劃分為三維網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，采用偽彎曲射線追蹤法找到地震波的最小走時(shí)路徑，并計(jì)算理論走時(shí)及走時(shí)對(duì)震源位置和慢度的偏導(dǎo)數(shù)，聯(lián)合使用絕對(duì)走時(shí)、雙差走時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。其中雙差數(shù)據(jù)主要用于確定震源區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)主要確定震源區(qū)以外區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)。此方法采用阻尼最小二乘分解算法求解，在三個(gè)方向采取相同的光滑權(quán)重對(duì)模型進(jìn)行光滑約束，多次迭代直至得到穩(wěn)定的解。在反演的過程中，先賦予絕對(duì)走時(shí)較高的權(quán)重，在一維速度模型的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)比較大區(qū)域的三維速度結(jié)構(gòu)的結(jié)果，經(jīng)過迭代之后，將絕對(duì)走時(shí)的權(quán)重降低，增加差分?jǐn)?shù)據(jù)的權(quán)重，以提高震源區(qū)速度結(jié)構(gòu)的分辨率。

地震震源i到觀測臺(tái)站k的地震波觀測到時(shí)與理論到時(shí)之間的殘差與震相到時(shí)對(duì)震源位置和速度模型的微擾有可表示為:

其中，是震源i到臺(tái)站k的觀測到時(shí)，Δτi是震源i的發(fā)震時(shí)刻，u為慢度，ds為射線路徑的線元，（x1，x2，x3）為震源位置坐標(biāo)， 式（1）中最后一項(xiàng)為慢度擾動(dòng)在震源i到觀測臺(tái)站k路徑的積分。

地震i和j到臺(tái)站k的走時(shí)殘差之差（雙差）表示為

當(dāng)兩次地震的距離很小時(shí)，射線路徑相同，式（2）的積分項(xiàng)可以抵消。通過聯(lián)合反演就可以得到震源區(qū)精細(xì)的速度結(jié)構(gòu)及地震重新定位結(jié)果。由于該方法聯(lián)合使用絕對(duì)走時(shí)和相對(duì)走時(shí)，增加了雙差方程，因此相比于傳統(tǒng)方法可以揭示更多的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。

根據(jù)成叢小震發(fā)生在大震斷層面及其附近的原則，將模擬退火算法和高斯—牛頓算法結(jié)合起來，尋求1個(gè)平面，使所有小震震源位置到該平面距離的平方和最小，從而可以求解主震斷層面走向、傾角、位置及其誤差，在此基礎(chǔ)上考慮區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力參數(shù)，還可以估計(jì)在已求得的斷層面上的滑動(dòng)角，目前已在唐山地震序列的研究中得到了非常可靠的結(jié)果[10]。

2 構(gòu)造背景和數(shù)據(jù)

本次地震震中位于庫松木契克山前斷裂附近，該斷裂為全新世活動(dòng)斷裂，性質(zhì)為右旋逆斷，走向EW。該斷裂是位于北天山西段北緣的一條邊界斷層，同時(shí)也是一條區(qū)域性的活動(dòng)斷層，按其活動(dòng)性特征由西向東可劃分為東、中、西3段。其中，東段東起基普克一帶，向西經(jīng)烏拉斯泰、烏蘭特爾干、掃子木圖至龍口以西的阿沙勒河西岸，總體走向 300°～310°， 全長約 50 km， 由 4 條走向 280°～290°的斷層斜列組合而成，單條斷層的長度9～13 km，斷層面傾向S，主要表現(xiàn)為逆斷層性質(zhì)[10]。

選取2017年8月7日至2017年10月11日在新疆精河 6.6 級(jí)地震余震區(qū)（434°N~44.5°N， 82°E~83.5°E）記錄的定位地震的直達(dá)波到時(shí)數(shù)據(jù)。觀測報(bào)告中人工拾取的震相數(shù)據(jù)可能存在拾取錯(cuò)誤或誤差較大等問題，根據(jù)時(shí)距曲線來剔除一些明顯的異常數(shù)據(jù)，剔除誤差5 s以上的數(shù)據(jù)，從而剔除了較顯著的異常數(shù)據(jù)，并保留大部分?jǐn)?shù)據(jù)。經(jīng)過Ph2dt腳本預(yù)處理后，最后選取了由12個(gè)臺(tái)站記錄的288條天然地震的資料，包含1824條P波到時(shí)數(shù)據(jù)、1784條S波到時(shí)數(shù)據(jù)，以及61 424條相對(duì)到時(shí)數(shù)據(jù)。圖1為精河地震序列和臺(tái)站的射線圖，同時(shí)給出了經(jīng)度方向和緯度方向的射線投影。圖2給出原始報(bào)告的震級(jí)和震源深度頻次圖，余震序列的深度范圍為0~20 km，震級(jí)范圍為ML1.5~5級(jí)。

圖1 地震序列和臺(tái)站射線圖Fig.1 Ray map of earthquake sequence and stations

圖2 震級(jí)和深度頻次Fig.2 Frequency diagram of magnitude and depth

3 雙差層析成像

在研究區(qū)域按經(jīng)度和緯度設(shè)置反演網(wǎng)格點(diǎn),經(jīng)度和緯度方向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距0.1°，深度方向垂直向下，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距5 km。初始模型對(duì)層析成像結(jié)果有較大影響，3400走時(shí)表的西部部分適用于新疆地區(qū)，本文中層析成像的初始模型選取了根據(jù)3400走時(shí)表推算的速度模型[11]。阻尼因子和平滑權(quán)重的選取對(duì)反演結(jié)果的穩(wěn)定性有著較大影響，經(jīng)過權(quán)衡分析[12]，選取阻尼因子和平滑權(quán)重分別為70和200。速度結(jié)構(gòu)反演的可靠性主要通過DWS值來判定，DWS值對(duì)每一段射線路徑進(jìn)行了距離加權(quán),其反映的模型周圍的相對(duì)射線密度比僅用射線總和更具可靠性[13]，研究表明當(dāng) DWS大于100時(shí)，反演的結(jié)果具有較可靠[14]。

圖3給出層析成像的結(jié)果，其中P波和S波的分布圖中刪去了DWS低于100的區(qū)域。P波空間分布（圖 3（a）~（c））和 S 波速度空間分布（圖 3（d）~（f））均顯示出余震序列發(fā)生在高速區(qū)域和低速區(qū)域的交界處，震源區(qū)域的西北側(cè)波速高于東南側(cè)，波速分布和構(gòu)造相關(guān)，東南側(cè)為山脈，西北側(cè)為盆地，低速區(qū)與山脈對(duì)應(yīng)，高速區(qū)有盆地對(duì)應(yīng)。比較三個(gè)深度的P波速度和S波速度可知，震源區(qū)域存在低速層，深度5 km處的P波和S波速度高于10 km和15 km處。沿經(jīng)度方向的剖面圖（圖3（g））顯示，余震序列東側(cè)存在低速區(qū)域，該區(qū)域有少量余震分布，推測該區(qū)域是地殼的薄弱位置，受主震的應(yīng)力觸發(fā)而發(fā)生一系列小震。沿緯度方向的剖面（圖3（h））顯示，余震序列位于深度10~20 km的低速區(qū)域，該區(qū)域中間波速較兩側(cè)高，推測為余震應(yīng)力釋放的主要區(qū)域。已有研究認(rèn)為地震集中區(qū)域位于高速體內(nèi)相對(duì)低速區(qū)域，小震集中區(qū)域可能是低速區(qū)域[15]。

圖3 層析成像結(jié)果Fig.3 Tomography results

圖4給出重新定位結(jié)果和兩個(gè)方向的深度投影，重新定位結(jié)果在X、Y和Z三分向的平均誤差為1.38 km、1.32 km和2.9 km，平均走時(shí)均方根殘差0.36 s，余震主要分布主震的西南側(cè)，呈東西向帶狀分布。

圖4 重新定位結(jié)果Fig.4 Relocation results

4 震源斷層擬合和發(fā)震構(gòu)造分析

精河MS6.6地震的矩震級(jí)MW約為6.3。斷層節(jié)面I走向76°，傾角 44°，滑動(dòng)角80°;節(jié)面Ⅱ走向269°，傾角47°，滑動(dòng)角 99°;其中，節(jié)面Ⅰ為發(fā)震斷層，波形擬合的最佳質(zhì)心深度為23 km[16]。

結(jié)合地震序列優(yōu)勢長軸走向（近東西向）和主震震源機(jī)制解選取矩形區(qū)域的余震，使用高斯牛頓法和模擬退火算法對(duì)斷層面進(jìn)行擬合，得到斷層面的走向?yàn)?9.1°，傾角為75.2°，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.45和1.34。震源斷層擬合的結(jié)果也和震源機(jī)制解節(jié)面Ⅰ一致。圖5給出斷層面擬合結(jié)果三維圖，結(jié)果顯示余震呈近東西向分布，斷層面底部向南側(cè)傾斜，結(jié)合震源機(jī)制解反演結(jié)果，推測南傾的節(jié)面為發(fā)震斷層，此次地震的發(fā)震構(gòu)造為逆沖推覆斷層。

圖5重新定位結(jié)果和斷層擬合Fig.5 Relocation result and fault fitting

圖6 給出2017年8月9日至2017年10月11日余震序列的時(shí)空演化描述，在主震發(fā)生3 d內(nèi)，余震分布較集中，之后向西側(cè)和南側(cè)發(fā)展，斷裂兩側(cè)余震發(fā)育不均衡，南側(cè)余震較多，符合推覆體斷層上盤易發(fā)生地震的特征。

圖6 余震序列時(shí)空演化Fig.6 Space-time evolution of aftershock sequences

5 結(jié)語

使用中國地震臺(tái)網(wǎng)觀測報(bào)告資料，提取的新疆精河6.6級(jí)地震序列的震相數(shù)據(jù)，應(yīng)用雙差層析成像方法獲得了震源區(qū)域的三維速度結(jié)構(gòu)和重新定位結(jié)果。層析成像結(jié)果顯示，余震序列發(fā)生在高速區(qū)域和低速區(qū)域的交界處，震源區(qū)域的西北側(cè)波速高于東南側(cè)，震源區(qū)域存在低速層，P波和S波速度在震源區(qū)域的東南側(cè)偏低，西北側(cè)偏高。

基于地震重新定位結(jié)果，結(jié)合高斯牛頓法和模擬退火算法擬合發(fā)震斷層，獲得的斷層面的走向和傾角。重定位結(jié)果顯示余震呈近東西向分布，擬合得到的斷層面向南側(cè)傾斜，推測此次地震發(fā)震構(gòu)造為逆沖斷層，走向?yàn)榻鼥|西向，西北側(cè)為下盤，東南側(cè)為上盤。發(fā)震初期余震分布較集中，之后向西側(cè)和南側(cè)發(fā)展，斷裂兩側(cè)余震發(fā)育不均衡，南側(cè)余震較多，符合推覆體斷層上盤易發(fā)生地震的特征。