芦山震区地壳三维P波速度精细结构及地震重定位研究

联合芦山地震序列5285个地震的50711条P波初至绝对到时数据及7294691条高质量的相对到时数据,利用双差地震层析成像方法联合反演了芦山震源区高分辨率的三维P波速度精细结构及5115个地震震源参数.反演结果表明,芦山主震震中为30.28°N,103.98°E,震源深度为16.38km,主震南西段余震扩展长度约23km,余震前缘倾角较和缓,主震北东段余震扩展长度约12km,余震前缘呈铲形,倾角较陡.芦山震源区P波三维速度结构表现出明显的横向不均匀性,近地表处的P波速度异常与地形起伏及地质构造密切相关:宝兴杂岩对应明显的高速异常,此异常由地表延伸到地下15km深度附近,而中新生代岩石表现为低速异常;大兴附近区域亦显示出小范围的大幅度高速异常,宝兴高速异常与大兴高速异常在10km深度附近相连,进而增加了芦山震源区的高低速异常对比幅度.在芦山主震的南西、北东两段速度结构存在着较大差异,芦山主震在水平向位于宝兴及大兴高速异常所包围的低速异常的前缘.主震南西段余震主要发生在倾向北西的高低速异常转换带上并靠近低速一侧,其下盘为低速异常,上盘为高速异常.而芦山主震北东段的余震主要分布在宝兴高速体与大兴高速体之间,主发震层向北西倾斜,主发震层上方的宝兴高速异常下边界出现一条南东倾向的反冲地震带,两地震带呈"y"型分布.     

龙门山断裂带多参数深部结构成像与地震成因研究

通过反演大量的纵、横波地震数据,获得了沿龙门山断裂带及周边区域的深部三维精细结构,结合前人二维大地电磁探测研究成果,提出龙门山断裂带地壳形变与深部速度结构和导电率不均匀性有关,探讨了2008年汶川和2013年芦山地震的诱发和产生与流体侵入及地壳形变的密切关系.本研究发现,2008年汶川地震发生在高速度、高泊松比和低电导率的区域,2013年芦山地震则位于高速度、低泊松比和低电导率的发震层.在上地壳中,四川前陆盆地的低速、低泊松比和低阻异常与松潘一甘孜地块的高速、高泊松比和高阻异常形成了鲜明的对比.在龙门山断裂带下方的两个低速和低阻块体,将龙门山断裂带分成南、中和北三段.我们的研究认为,这两个异常体与来自松潘甘孜地块的下地壳和(或)上地幔的局部熔融或流体侵入到龙门山断裂带的脆弱区有关.基于对汶川和芦山地震的余震分布特征及震源区的地震波速度、泊松比及电阻率参数分析,揭示了龙门山断裂带深部剧烈的地壳形变与流体应力积累对2008年汶川和2013年芦山地震的触发及其地震破裂过程具有重要的控制作用.     

巧家地震和鲁甸地震震源区周边P波速度结构

本文利用2010年1月至2020年6月巧家地震和鲁甸地震震源区周围发生地震事件的走时观测资料,应用双差层析成像方法获得了2014年M_S6.5鲁甸地震和2020年5月18日巧家M_S5.0地震周边区域中上地壳的P波速度结构。成像结果显示:整个研究区域的速度结构存在很强的非均匀性:在鲁甸地震震源区附近,浅部存在速度高达6.4 km/s的显著高速异常,10 km深度以下存在速度低至约5.8 km/s的明显低速异常;鲁甸地震的初始破裂点位于高低速异常的过渡带;在2010年巧家M_S4.8和2020年巧家M_S5.0地震的震源区,尽管浅部没有显著的高速异常,但在主震的初始破裂点下方均存在明显的局部低速异常;巧家北部中上地壳存在明显低速异常。      

用接收函数方法研究汶川和芦山地震之间未破裂段的地壳结构

芦山与汶川地震之间存在约40 km的地震空区.震源区和地震空区的深部构造背景的研究对深入了解中强地震的深部孕育环境及地震空区的地震活动性具有重要科学意义.利用本小组布设的15个临时观测地震台以及21个芦山科考台站和21个四川省地震局固定台站记录的远震数据,用H-K叠加方法得到各个台站的地壳厚度和平均泊松比,并构建了接收函数共转换点(CCP)偏移叠加图像以及反演得到台站下方的S波速度模型.我们的结果揭示了震源区和地震空区地壳结构特征差异:(1)汶川震源区的地壳平均泊松比为~0.28;芦山震源区为~0.29;而地震空区处于泊松比变化剧烈的区域;(2)汶川地震与芦山地震的震源区以西下方的Moho面呈现深度上的突变(这与前人的研究成果基本一致),分别从~44 km突变到~59 km,~40 km突变到~50 km,而地震空区地壳平均厚度呈现渐变性变化;(3)地震空区Moho面下凹且具有低速的上地壳.综合一维S波速度结构和H-k以及CCP的初步结果,这可能显示汶川地震的发震断裂在深部方向上向西倾斜并形成切割整个地壳的大型断裂;芦山地震则可能是由于上、下地壳解耦引起的;而地震空区处于两种地震形成机制控制区域的过渡带中.     

2017年九寨沟MS7.0地震震源区速度结构与余震分布

采用九寨沟M_S7.0 （M_W6.5）地震的余震直达P波、S波走时数据,通过体波走时层析成像方法,获得了震源区及其邻区的P波和S波速度结构,并利用成像结果对余震进行了重定位。结果显示:余震主要集中分布于高、低速异常交界处偏低速异常一侧,呈走向NNW,倾向SW,倾角较高的分布特征;余震序列两侧的P波、S波速度结构揭示了发震断层两侧介质性质的差异,即上盘为刚性较强的高地震波速度区,下盘为刚性较弱的低地震波速度区。由余震分布特征和地震波速度结构推断:九寨沟地震发生在上地壳底部,发震断层具有上盘地震波速度高、下盘地震波速度低的特征;主震引起的后续破裂在上地壳内部的剧烈形变区内传播,破裂能量终止于25 km深度附近。      

川滇地区三维P波速度结构研究

根据本文提出的更为严格的地震数据筛选方法——横向分区地震均值筛选法,选取了四川、云南、重庆和贵州地震台网的224个固定台站和49个流动台站在2008年1月1日—2017年12月31日期间记录的48,177个地震、372,483条初至P波绝对到时数据以及2,413,407条精度较高的相对到时数据,利用区域双差地震层析成像方法联合反演了青藏高原东南缘川滇地区三维P波速度结构和地震震源参数.研究结果表明:(1)川滇地区上地壳结构横向不均匀性明显,四川盆地上地壳10 km深度范围内表现为低速异常,而松潘—甘孜地块、滇中地块则表现为明显的高速异常;(2)川滇地区地震主要沿着边界断裂分布,大多数地震为浅源地震,震源深度主要集中在5～15 km深度范围内,震源主要位于高速异常与低速异常交界区域,且偏向高速异常体一侧;(3)震源分布研究推测龙门山断裂带前山断裂东南侧可能存在一条倾向北西、倾角约为40.的北东向走向的隐伏断裂,且为芦山地震的主要发震断裂;(4)川滇地区中下地壳低速异常体可能反映了中下地壳弱物质流的存在,中下地壳物质流不是广泛分布在川滇地区,而是沿着川滇块体东部有限的通道向南流动.中下地壳流可能是沿着鲜水河断裂带向东南方向流出,在雅安一带遇到坚硬稳定的四川盆地的阻挡,一部分物质向北东方向流动,而另一部分物质转向南沿着安宁河断裂带和则木河断裂带分布,并继续向南沿着小江断裂带流动.     

芦山MS7.0级地震前的形变空区特征研究

上世纪70年代以来,国内外基本形成了以监测震中附近断层预滑动进行地震预测的研究思路,但近些年来,一些大地震前近震源区域的形变变化却引起了巨大的争议.本文应用芦山地震震中附近跨断层及连续形变观测资料,分析了震前不同阶段地形变变化的特点,讨论了震中附近区域异常时空演化过程.分析结果表明,沿鲜水河断裂带一些跨断层基线、安宁河及则木河断裂带个别场地的跨断层水准基线出现的显著异常变化,这些异常出现在远离芦山地震震中的区域上;在近震源区域,在龙门山断裂带南段的一些断层水准变化量极小,在鲜水河、龙门山和安宁河3条主要断裂围成的三叉口地区,倾斜、应变、重力及断层水准和蠕变观测临震前未有显著的异常变化,该区是形变变化或形变异常分布的“空区”.本文也与汶川地震前形变异常分布进行了对比,认为震前形变“空区”现象可能是强震前的一种共性特征.     

四川芦山7.0级地震及其与汶川8.0级地震的关系

2013年4月20日在四川省雅安市芦山县发生M7.0级地震.根据四川省台网资料和收集的国内外相关资料,我们分析了芦山地震的基本参数、余震分布、序列衰减等特征.结果表明:芦山地震位于龙门山断裂南段,其震源力学机制显示为纯逆冲性质,与龙门山断裂构造特征相符合;芦山地震的余震较丰富,震后15天震区已发生7800多次余震,其中,5级以上余震4次,最大余震是4月21日17时5分芦山、邛崃交界M5.4级地震;余震分布形成的图形显示其长轴走向与龙门山断裂构造走向一致,余震分布显示密集区长轴约40 km,短轴约20 km.与汶川M8.0级地震在震源力学机制、破裂过程、余震空间展布以及地表破裂等对比分析后表明:芦山地震与汶川地震的震源错动类型、破裂过程、地表破裂以及余震活动等特征存在明显差异;芦山地震与汶川地震震中位置相距90 km,两次地震的余震密集区相距50 km;汶川8.0级地震造成龙门山断裂中北段较充分破裂,芦山7.0级地震则展布于龙门山断裂南段且破裂尺度有限;两者有发震构造上的联系,但两次地震是相对独立的地震事件.     

龙门山和安宁河断裂带周边地区的地壳三维P波速度结构

利用2008—2021年区域地震台网及部分流动地震台阵的近震走时观测资料，采用双差层析成像方法获得了龙门山断裂带和安宁河断裂带周边地区的高分辨率地壳三维P波速度结构。结果显示：四川盆地浅部呈明显的低速异常，在前陆盆地低速异常可一直延伸至约15 km深，推测与该地区接收大量来自青藏高原东缘的沉积物有关；在龙门山断裂带附近，中上地壳存在一些与断裂带平行的高速异常体，它们较好地揭示了该地区穹隆体和逆冲推覆体深浅部的分布特征，例如，位于龙门山断裂带中部的彭灌穹隆体下延深度可达15 km左右，而与之相邻的雪隆山穹隆体下延深度不超过5 km。在安宁河断裂带与大凉山断裂带之间存在震源深度超过20 km的微震活动带，其分布形态与P波高速异常的分布形态基本一致，推测高速异常体的存在可能导致地壳内部脆韧性转换带深度的增加，并且受安宁河与大凉山交会部位强烈变形的影响，该地区出现深度较大的地震活动。上述结果为认识该地区的深部地质构造和地震活动机制提供了新的依据。     

新丰江水库中上地壳P波三维速度结构特征及库水的渗透影响

利用震源位置和速度结构的联合反演得到2007年6月—2014年7月新丰江水库地区地震序列的震源位置及中上地壳P波三维速度结构模型,并进一步研究库区序列分布及速度结构特征.结果显示:库区中上地壳不同深度P波速度存在显著横向不均匀性,浅部库区速度高于周缘,在5~10 km上地壳从库坝下游白田至库尾锡场NW方向存在高速异常体以及2个低速间断区域,低速间断区分别位于人字石断裂与南山—坳头断裂交汇处以及1962年6.1级地震震源区,库水可能沿低速间断区的人字石断裂、石角—新港—白田断裂下渗至13~14 km的地壳.在10~14 km地壳以NE走向的大坪—岩前断裂为界,NW侧为最高速度6.2 km·s~(-1)的高速区域,SE侧从库区中部回龙至库坝下游白田为显著低速异常区域,是可能的库水渗透影响区域,亦是库区中强地震集中区.库区地震多发生在高速体内部、高低速过渡带或低速的渗水通道两侧.     

1927年古浪8级大震及其周边地区三维地壳P波速度结构特征

本文联合利用甘肃及周边测震台网记录的古浪及周边地区4592次地震的P波绝对到时资料和相对到时资料,采用双差地震层析成像方法反演了古浪震源区高分辨率的三维P波速度精细结构.结果显示,浅部P波速度分布与地表地质之间具有很好的对应关系.皇城—双塔断裂带在6 km以上深度表现为高速异常带,而在6~15 km逐渐转换为明显的低速特征,之后再次转换为高速体.震区下部在10~20 km深度有一个尺度约200 km²的低速异常体,地震发生时破裂首先在该低速体发生,与主震空间位置非常吻合.主震区的岩石结构主要由奥陶纪变质砂岩、石英岩和加里东期的花岗岩等坚硬岩体组成.这种坚硬岩体对应的P波速度结构为高速体,有利于能量积累.武威盆地在20 km以上深度表现为明显的低速异常,在25 km深度之下,整体显示为高速体,表现出稳定块体的特征.表明武威盆地中下地壳和上地幔顶部已插入到冷龙岭隆起带之下.震区小震重新定位发现,皇城—双塔断裂带东、西两段表现出不同的力学运动性质,西段以逆冲运动为主,地震主要发生在断裂的下盘.而东段地震却主要发生在上盘,断层活动以局部拉张为主.我们还首次发现在皇城—双塔断裂带的中段与主破裂呈垂直方向存在有在主震发生时新产生的一条共轭断层,基于小震的断层面参数反演显示该断裂是一高倾角运动性质以右旋为主兼具正断的断裂.     

利用远震P波层析成像研究巴颜喀拉地块东缘及邻区的深部结构

为了揭示巴颜喀拉地块东缘及邻区的壳幔速度结构差异,获取2017年九寨沟M_S7.0地震的深部构造背景,本文收集了2009年5月至2016年8月期间四川及邻区数字测震台网的203个地震台站所记录到的远震P波走时数据,应用有限频体波走时层析成像方法,反演得到了巴颜喀拉地块东缘及邻区50—600 km深度范围内的三维壳幔P波速度结构。反演结果表明:巴颜喀拉地块东缘及邻区的壳幔速度结构具有明显的横向不均匀性和分区特征,松潘—甘孜地槽褶皱系、西秦岭和祁连山褶皱系的整体速度异常较低,研究区东部具有克拉通性质的四川盆地西北缘和鄂尔多斯地块南缘则呈明显的高速异常。上地幔P波速度结构特征差异表明松潘—甘孜地块的抬升可能与地幔上涌有关,巴颜喀拉地块东缘九寨沟震区及周边50—250 km深度范围内的上地幔存在低速异常,在400—600 km地幔过渡带深度范围内表现为明显的高速异常特征。巴颜喀拉地块向东南方向运移受到东部高速、高强度的扬子克拉通地块对青藏高原物质东向挤出的强烈阻挡,而九寨沟震区处于松潘—甘孜地块重要的北东边界断裂交会处附近,应力容易在此集中,这些因素均可能是东昆仑断裂塔藏段与岷江断裂北段交会处附近发生九寨沟M_S7.0地震的深部动力学背景。      

汶川MS8.0级地震余震分布及周边区域P波三维速度结构研究

利用川滇地区长期积累的地震走时观测资料和汶川地震余震观测资料对汶川地震震源区及周边区域地壳和上地幔P波三维速度结构进行了研究.结果表明,浅部P波速度分布与地表地质之间具有很好的对应关系.龙门山断裂带在20 km以上深度表现为高速异常带,彭灌杂岩体和宝兴杂岩体为局部高速异常区.龙门山断裂带中上地壳的局部高速异常体对汶川地震的余震分布具有明显的控制作用.在余震带南端,余震全部发生在与宝兴杂岩体对应的高速异常体的东北侧;在余震带的中段,与彭灌杂岩体对应的高速异常体在一定程度上控制了余震的分布;在余震带的东北端,宁强-勉县一带的高速异常体可能阻止了余震进一步向东北扩展.龙门山断裂带中上地壳的P波高速异常表明介质具有相对较高的强度,在青藏高原物质向东挤出过程中起到了较强的阻挡作用,有利于深部能量积累.在30 km深度之下,扬子地块具有明显的高速特征,其前缘随深度增加向青藏高原方向扩展,在下地壳和上地幔顶部已达到龙门山断裂带以西.     

从反射地震剖面中认识芦山地区的地壳精细结构和构造

采用深地震反射剖面探测,结合地表地质信息,本文对芦山地区的地壳结构、深浅构造和隐伏活动断裂进行了分析.研究结果表明:该区上地壳结构特征清晰,深度约为15km左右;区内断裂由于受青藏高原向东南方向的推挤和坚硬的四川盆地阻挡的联合作用均属逆冲断裂,其中双石—大川断裂以低角度向深部延伸,主要表现为纯逆冲的运动学性质,并与周边小断裂共同组成叠瓦状断层构造.而广元—大邑断裂为上陡下缓式逆冲断裂,与其六条分支断裂共同组成了"正花状"构造,断裂活动是以逆冲为主,并伴随着小的水平滑动,是一条斜向逆冲的断裂.在芦山地震发震断裂的2km范围内推测存在一陡一缓两条断裂,并根据三者形态推测其在18km或以上收敛到一起并向深部延伸,从而使它们在芦山地震中被同时激活.研究结果揭示了研究区近地表活动断裂和地壳深部构造之间的关系,为进一步研究龙门山断裂带的深部构造环境、深浅构造关系以及断裂的活动性提供了有利的依据.     

龙门山断裂带精细速度结构的双差层析成像研究

利用川西流动地震台阵、汶川地震震后应急台网记录到的P波到时资料,对2008年5月至2008年10月期间发生的汶川地震余震序列应用双差层析成像方法进行了地震震源和三维P波速度结构的联合反演.结果显示,联合反演获得的地震重定位结果与基于一维地壳参考模型的双差定位方法结果相近;研究区15 km以上速度结构与地表断裂分布密切相关,20 km以下深度呈现北东向和北西向交错结构.汶川地震破裂带南段龙门山断裂带之间上地壳呈现高速异常,速度结构的非均匀变化是控制余震分布和主震破裂传播的主要因素;联合反演结果给出了小鱼洞-理县方向存在隐伏断裂的速度结构证据,同时发现,破裂带北东段可能沿新发断裂扩展;结果确认了汶川地震起始段的高角度逆冲断裂特征,也确认了前山断裂和中央断裂在约20 km深度合并到脆韧转换带的特征.     

川滇交界东段昭通、莲峰断裂带的深部结构特征与2014年鲁甸M_S6.5地震

2014年鲁甸M_S6.5地震位于川滇菱形块体向东突出的过渡变形区大凉山次级块体南东缘的昭通、莲峰断裂带内部,属于青藏高原东南缘南北地震带的中南段,近十多年来,该断裂带及其周边中强地震的发生频次明显增多,昭通、莲峰断裂带是否具备孕育和发生强震的深部构造背景成为一个亟待研究的问题.为了研究昭通、莲峰断裂带的深部结构特征及孕震背景,探求2014年鲁甸M_S6.5地震的成因的深部动力机制,本文充分收集了四川、云南等区域数字地震台网和"中国地震科学台阵探测-南北地震带南段"("喜马拉雅"项目Ⅰ期)流动地震台阵的观测数据,应用区域震和远震联合反演的方法得到川滇地区三维速度结构图像,在此基础上重点剖析和研究了昭通、莲峰断裂带P波速度结构;再对昭通、莲峰断裂带及周边区域的重力、航磁数据进行三维视密度和视磁化强度反演,得到了壳内不同深度层视密度的横向变化特征和反映壳内磁性物质的分布范围以及结晶基底的视磁化强度异常分布情况,综合分析研究昭通、莲峰断裂带的深部结构特征及孕震动力环境.研究结果表明:川滇交界东部昭通、莲峰断裂带及其周边地区上地壳物质存在显著的横向介质差异,中下地壳深度范围大凉山次级块体西南缘存在低速异常分布,并呈现出近SN向的展布特征,2014年鲁甸M_S6.5地震位于该高低速异常的分界线附近略偏向高速体一侧.P波速度结构还揭示了鲁甸M_S6.5主震震源体下方中下地壳存在大范围低速异常分布,P波速度异常扰动与重磁异常的展布特征、梯度变化在深度和分区特征上均具有较好的联系和可比性,结合昭通、莲峰断裂带中下地壳范围内存在大范围的低密度弱磁性异常分布,综合表明了该区中下地壳物质相对较为软弱,这种特有的深部物性结构特征有利于应力在脆性的上地壳内积累和集中.研究结果还揭示了共轭断裂的深部构造形态,高低航磁异常边界与NW向的苞谷脑—小河断裂的深部展布形态相一致,苞谷脑—小河断裂处于航磁异常突变带附近,昭通断裂北段(昭通—鲁甸段)位于上地壳强磁性、高波速异常区内且具有深大断裂的深部地球物理场响应特征,因此该断裂段(昭通—鲁甸段)具备发生7级及以上强震的深部构造背景.当大凉山次级块体内部的中下地壳低速管流层自NW向SE方向运动到昭通、莲峰断裂带附近时,受到华南块体的强烈阻挡,应力在昭通、莲峰断裂附近基底性质存在差异处集中,脆性上地壳中低强度区域在横向挤压的构造应力场作用下易于破裂从而引发强震,这也正是昭通、莲峰断裂带内部鲁甸M_S6.5地震孕育和发生的深部构造环境.     

A study on 3-D velocity structure of crust and upper mantle in Sichuan -Yunnan region, China

Many evidences indicate that the collision of two plates deformed strongly the crust of the SYR, and the deformation has been continued up to the present. In addition, the SYR is in the south segment of the South-North Seismic Zone of China, which is one of the regions in the Chinese mainland, where the seismic activity is very high, and the strong earthquakes frequently occurred. Since the 1970s, a series of large earthquakes with magnitude M>7.0 occurred in SYR, such as the 1970 Tongha…