汶川地震之前速度结构及与汶川\芦山地震发震构造的关系

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　　摘 要 本文结合全国遥测台网以及云南、四川地震台网记录到的Pg波绝对到时和相对到时资料，利用双差地震层析成像方法联合反演了龙门山地区及邻近地区的震源参数与三维速度结构。结果表明，龙门山断裂带南段整体表现为低速异常，介质强度较低不利于能量的积累，因而能量在龙门山断裂带的中段和北段富集，汶川地震位于狭长的高速异常带上，其上下方的低速异常阻碍了能量的传播导致该处能量更多地积累，当能量到达一定程度即发生破裂，这可能导致了汶川地震的发生。汶川地震引起的破裂沿龙门山断裂带的中段和北段延伸，在青川附近遇到广元低速区低强度介质的阻挡而停止，因此汶川余震沿北东向分布直至广元低速区。
　　关键词龙门山地区，双差地震层析成像，汶川地震
　　中图分类号：P315文献标识码： A
　　 2008年汶川Ms8.0级地震之前，龙门山推覆构造带现代构造活动一直引人关注（Molnar e t al . ,1975;Tapponnier et al . , 1977; Molnar, 1989; England et al . , 1990），但主要建立在推测的基础上，而实地考察工作多是在红河断裂和阿尔金断裂上。Tom Parsons（2008）及Toda（2008）参考汶川地震应力变化，认为龙门山推覆构造带南段为汶川地震形成的库伦应力增加区，其地震危险性增加，2013年4月20 日，断裂带南段距汶川地震西南约 85 km处的雅安芦山县发生 ML7.0 级地震，因此，龙门山断裂带南段未来的地震危险性引起了地震学家的广泛关注。
　　研究选取龙门山及其邻近地区(28.5°~33.0°N，101.0°~106.0°E)(图1)作为研究区域，主要研究其地震分布特征和地壳三维速度结构。研究区域地质结构复杂[1]，断裂构造发育，其中北东向断裂包括龙门山断裂(F1，F2，F3)、巴中-龙泉山断裂(F13)及七曜山断裂(F14)南段，近南北向断裂为岷江断裂(F11)，北西向断裂包括鲜水河走滑断裂带(F8)、安宁河走滑断裂北段(F6)、马尔康断裂(F10)、泥曲-玉科断裂南段(F9)。
　　
　　
　　龙门山断裂带平均海拔达4km左右，绵延长约500km，宽约40~50km[2]，规模巨大，沿着四川盆地西北缘底部切过，地壳厚度在此陡然变化，在其西为60-70km，以东则在50km以下。龙门山断裂带自西向东有三条平行的主干断裂[3,4]：龙门山后山大断裂(F1)由北段青川断裂、中段汶川-茂汶断裂和南段耿达-陇东断裂构成，横跨汶川、茂县、平武 、青川；龙门山中央大断裂(F2)由北段茶坝-林庵寺断裂、中段北川-映秀断裂与南段盐井-五龙断裂等组成，横跨映秀、北川、关庄,2008汶川大地震就发生在中段北川-映秀断裂上；龙门山前山大断裂(F3)由北段江油-广元断裂、中段灌县-江油断裂与南段双石-大川断裂等斜列而成，横跨都江堰、汉旺、安县。
　　1资料与方法
　　本文采用1992~2007年间全国联合遥测台网、四川地震台网、陕西地震台网的65个台站(图2)记录到的地震资料，利用双差地震层析成像方法对龙门山及邻近地区进行研究。经过多次筛选，剔除走时曲线离散较大的观测数据，共挑选出ML≥1.0级的地震3,768个，图2为地震震中与台站分布图。每个地震的Pg波到时观测数据不少于8个，共获得Pg波绝对到时数据32,990条。之后进行地震对匹配[5,6]，共获得Pg波相对到时数据234,764条，其中地震对平均距离6.27 km，“强匹配地震对”平均距离6.07 km，将所得数据用于双差地震层析成像反演计算。
　　
　　双差地震层析成像方法是基于双差地震定位方法[5]提出的，对于同一个地震观测台站，震源和震源之间观测到时之差和理论到时之差的残差为：
　　 (1)
　　
　　式中，为震源的初始发震时刻,为走时对震源空间坐标的偏导数，为发震时刻的改变量。为慢度扰动。
　　Zhang和Thurber利用差分到时数据直接求解上述方程，求解过程中明确考虑了方程中地震对之间的路径异常，并在反演中采用恰当的相对权重把地震波的绝对到时数据和相对到时数据有效的联合起来,经过联合反演同时得到研究区三维速度结构、地震的绝对定位和地震的相对定位。联合反演确定地震位置参数以及Pg波三维速度结构，大大削弱了震源位置误差及初始模型对地震波走时的影响。因而，双差地震层析成像方法能够得到更为精确可信的三维速度模型和地震重定位结果。
　　本研究采用三维节点速度模型[8]来描述研究区域的非均匀速度结构，对研究区域三维空间中呈网格状分布的点赋予速度值，而空间任意点的速度值则由线性B-spline插值方法求得[7]：
　　
　　
　　(2)
　　式中，表示点 周围8个节点的坐标。
　　分析过程中，网格根据震源和台站稀疏程度进行了划分,以保证每个网格内有足够的射线交叉覆盖。图3为研究区域内射线分布情况，由图3可看出，龙门山断裂带附近分布较为密集，速度结构可靠性相对较高。本文选择水平方向网格的划分尺寸为20km×20km，在边缘区域节点间隔加大，垂直向共划分8个层面，分别位于0，6，10，15，20，25，30，35km处(图3)。
　　
　　图3 一维P波初始速度模型, 图4不同深度层面P波速度扰动 红点表示距层面5km范围内的重定位地震
　　
　　2双差地震层析成像结果与讨论
　　图3展示了不同深度层面P波速度扰动及重定位地震分布情况，龙门山断裂带(F1，F2，F3)南段、马边断裂(F6)及马尔康断裂(F10)附近整体表现为低速异常，与青藏高原南部的速度结构特征一致，七曜山断裂(F14)高速异常与七曜山隆起相吻合。在中地壳，龙门山断裂带西北侧高速异常减小，东南侧低速异常向断裂带方向偏移，20km处断裂带附近速度结构发生反转，西北侧速度转化为低速异常，西南侧转为高速异常，这种速度结构一直延伸到下地壳30km处；35km处断裂带附近区域整体上表现为低速异常，而龙门山断裂带北段位于低速异常上。康定地区在25km以上表现为局部的高速异常，这与地下的杂岩体有密切关系[8]。
　　根据研究区域内垂直剖面上P波速度扰动情况和重定位地震的分布可知，在A-A´剖面上(图5)，鲜水河断裂(F8)东北侧(100km处)有一近乎垂直的高低速异常交界带，地震沿交界带集中分布，对应该处地形的凹陷，而鲜水河断裂(F8)略偏向高速异常一侧，断裂带之下地震亦近垂直于地面分布，证明鲜水河断裂倾角近直立，此断裂带大震发生率相对较高，历史记载以来，发生过23次6.5级以上地震[9]。在B-B´剖面上(图5)，龙门山断裂带在将高低速异常区分割开来，龙门山中央大断裂(F2)靠近前寒武纪高速异常区，龙门山前山大断裂(F3)靠近三叠纪低速异常区。
　　
　　A-AA´, B-BB´, C-CC´, D-DD´, E-EE´剖面上的高程分布(上)、双差地震层析成像获得的P波速度扰动分布(中)和模型重建实验后的P波速度扰动分布(下)，黑点表示距剖面50km范围内重定位地震分布。
　　在C-C´剖面上(图5)，根据速度异常分布可推测出龙门山三大断裂的位置，10km深度之上，龙门山中央大断裂(F2)位于倾向NW的高低速异常交界带上，后山大断裂(F1)位于低速异常区，前山大断裂(F3)位于高速异常区。剖面200km处有一大范围的低速异常区，这与四川盆地的第四纪沉积相关。在20km深度上，龙门山断裂带整体位于低速异常区。B-BB剖面上地震主要分布在10～25km之间，且在断裂带附近分布较为集中，汶川地震位于中央大断裂上，且处于高速异常区，其下方为低速异常，推测低速区存在下地壳流[10]。
　　在D-D´剖面上(图5)，四川盆地第四纪沉积岩、晚三叠纪及白垩纪碎屑岩构成低速异常区，低速异常区之下的寒武纪基岩显示为高速异常特征。龙门山断裂带(F1，F2，F3)位于高速异常区，断裂带附近发生的地震亦在高速异常区边缘及内部分布，剖面200~300km的马边断裂地震活动具有明显的分段特征[9,11]：北段地震活动较弱；中段地震活动以频繁的6级地震震群为特征；而南段历史上曾发生了两次7级地震,地震发生率较高[11]。
　　在E-E´剖面上(图5)，剖面50km~100km之间及200km处的受元古宙杂岩[11,12]影响而显示为高速异常，两高速异常区之间有一沿小金河断裂(F7)西侧分布的古生代变质沉积岩体，故而呈现低速异常，高低异常边界近垂直。剖面50km范围内地震在高低速交界处分布较多，特别是在小金河断裂(F7)和安宁河断裂(F6)附近，印证断层以走滑分量为主。
　　我们对比研究区域内垂直剖面重建结果与实际资料反演结果以检验其模型重建能力(图12)，从而验证上述结果的可靠性、整体上看，大部分区域RRT重建效果良好，而这些区域也是射线集中分布区。但在研究区域的边界由于地震数据较少，重建前后的速度结构有了某些程度的偏离，同时这些区域也是射线分布比较稀疏的区域，成像结果质量较低。
　　3结论
　　龙门山断裂带南段整体表现为低速异常，中段和北段附近速度结构变化较为复杂具有明显的横向不均匀性。沿断裂带走向方向观察，汶川地震位于狭长的高速异常带上，其上下方均为低速异常，高速异常带向东北方向延伸，中途伴随小范围的低速异常，最终被广元附近较大范围的低速异常截断。垂直于断裂走向方向观察，汶川地震就位于龙门山中央大断裂上，在剖面上处于高低速异常的过渡带上。因此可以推测，印度洋板块向北运动挤压欧亚板块，由于四川盆地高强度岩石圈的阻挡, 造成青藏高原的隆起，中下地壳层流物质在龙门山断裂之下堆积，同时青藏高原向东运动挤压四川盆地产生能量的积累。龙门山断裂带南段低速异常区介质强度较低不利于能量的积累，因而能量在龙门山断裂带的中段和北段积累。在汶川地震所在的高速异常带上，其上下方的低速异常阻碍了能量的传播导致该处能量更多地积累，当能量增加到一定程度，岩石发生破裂，从而导致汶川地震的发生。汶川地震引起的破裂沿龙门山断裂带的中段和北段延伸，遇到广元低速区低强度介质的阻挡而停止，因此汶川余震沿北东向分布直至广元低速区。
　　本次工作使用1992-1999年的P波观测数据资料进行研究，在之后的工作中我们将增加汶川地震发生前后的P波观测数据，并结合对应的S波数据资料进行对比研究，以便进行进一步研究与探讨。
　　参考文献
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