2013, Vol. 56
2. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081
2. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
2013年4月20日08时02分，四川省雅安市芦山县境内发生Ms7.0级强烈地震（震中位置30.3°N，103.0°E，震源深度13 km)震中位于龙门山断裂带南段，与2008年汶川Ms8.0地震发生在同一条断裂带上.国内外学者对该地震进行了空间分布、震源机制和震源破裂过程的研究[1-3]，结果表明芦山地震是发生在龙门山断裂带南端的一次逆冲型地震，这次地震在震源性质上与2008年汶川地震同为逆冲破裂.龙门山断裂带是青藏高原东缘最剧烈的地形梯度带，南段是巨型推覆构造带，从西北到东南、由后山向前山分别由陇东、五龙、双石等几大推覆体呈叠瓦状堆叠而成，构成一个背驮式扩展的推覆构造带，并显示出由褶皱推覆向冲断推覆、由厚皮构造向薄皮构造、由深层次的韧性构造向浅层次的脆性构造发展的趋势[4].芦山地震震中附近的主要断裂有：大邑一名山（山前）断裂、双石-大川（天全）断裂、盐井一五龙（宝兴）断裂和宝兴西断裂[5-6]，区内历史地震及构造分布如图 1所示.
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图 1 芦山7.0级地震研究区历史地震、台站与构造分布红色线表示断裂，红色五角星表示芦山7.0级地震，黑色圆圈表示汶川8.0级地震，蓝色圆圈表示历史发生过的6级以上地震.F1:大邑一名山断裂，F2 :双石一大川断裂，F3 :盐井一五龙断裂，F4:宝兴西断裂；红色三角形表示固定台站，蓝色三角形表示流动台站，灰色三角形表示水库台站，红色五角星表示主震. Fig. 1 The Lushan M7.0 earthquake and the historical earthquake epicenter distribution、station and tectonic around it Red line indicate fault, red star indicate the Lushan M7.0 earthquake, black circle indicate Wenchuan M8.0 earthquake, blue circle indicate history earthquake with M > 6.F1: Dayi-Minshan fault, F2: Shuangsi-Dachuan fault, F3: Yanjing-Wulong fault, F4: Baoxing West fault.Red triangle indicate fixed stations, blue triangle indicate movable stations, grey triangle indicate reservoir stations, red stars denote main shock. |
地震发生后，流动地震观测小组在震中100 km范围内布设了15个流动观测台站，从4月23日起，流动台站架设完成并将数据实时传输到四川台网中心，在震源区附近的台站间距可以达到15 km，对震区形成很好的覆盖.四川台网中心利用包括震后架设的流动台站、四川台网台站及周边水库台站在内的102个台站资料处理芦山地震序列.截至4月28日20时，共处理余震5657次，分析震相数据14万余条.20日08时至22日09时采用四川省地震局研发的SeisDPS软件的区域模型搜索法定位，速度模型采用赵珠分区模型[7](上地层厚度20 km，平均P波速度5.65 km/s，下地层厚度30 km，平均P波速度6.68 km/s，上地幔P波速度8.00 km/s，平均波速比1.69).22日09时起，采用广东省地震局研发的JOPENS软件，采用Loc3dSB (川滇3D)定位，速度模型为川滇三维走时表.
余震序列产出结果的震中分布如图 2a所示，余震密集分布在长轴40 km左右、短轴20 km左右的区域内.深度剖面如图 2(b、c)所示，深度的优势分布不明显.本文拟利用广泛使用双差定位法[8-9]进行精确定位，来获得芦山地震及余震相对位置更加准确的空间分布图像.
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图 2 (a)台网余震序列震中分布;(b) AA'剖面深度分布图;(c) BB'剖面深度分布图.红色线表示断裂，红色五角星表示主震，黑色圆圈表示3级以下地震，蓝色圆圈表示3~5级地震，红色圆圈表示5~6级地震，黄色AA'与BB'表示深度剖面线 Fig. 2 (a) Epicenter distribution of aftershockswhich comes from fast report; (b) Cross section of AA' depth profile; (c) Cross section of BB' depth profile.Red line denote fault, red star indicate the Lushan M7.0 earthquake, black circle indicate aftershocks with M < 3, blue circle indicate aftershocks with 3≤M < 5, red circle indicate aftershocks with 5≤M < 6, yellow line denote depth profile of AA' and BB' |
芦山地震位于龙门山断裂带南端，震中150 km范围内台站分布如图 1所示，其中：①四川台网台站9个，其中名山、宝兴、天全等台均在震中区，距震中最近仅15 km左右，台站采用宽频带地震计.②紫坪铺水库台站6个，最近台站距震中70 km左右.③瓦屋山水库台站4个，最近台站距震中60 km左右.④爆布沟水库台站13个，最近台站距震中90 km左右.上述水库台站仪器均为短周期地震计.⑤震后架设流动台15个，采用短周期地震计.密集的台站分布对余震监测能力达到了0.5级，实现了对震区余震活动的有效监控.本文利用上述台站震相数据进行精确定位，台站仪器记录时间均采用GPS授时，无钟差.天台山流动台（L0132)因台站参数有一定误差未参与定位.
2.2 震相数据4月20日08时至4月28日20时余震数据5657次，其中4个及以上台站记录到的地震事件有3758次，分布在30.05°N-30.35°N，102.7°E-103.2°E.震相数据的可靠性是定位质量的基本保证，余震序列预处理时，一般分析包围震中最近10个左右台站的震相数据，Pg读数误差在0.2 s内，Sg的读数误差在0.5 s内.本文对重新定位地震事件的每一震相数据进行了重新复核，增加震中距在150 km以内的所有台站数据，并保证参加定位的台站空隙角尽可能小.在复核时，通过仿真、滤波等手段来提高震相的读数精度，Pg读数误差在0.1 s内，Sg的读数误差在0.2 s内.并通过时程曲线、绝对定位时给出地震事件各单台间的发震时刻等手段检验震相数据的可靠性.重新定位地震事件的时程曲线，Pg、Sg震相的走时与震中距对应较好，绝对定位后各事件单台间的发震时刻最大相差均在2.0 s以内，这说明用于定位的震相数据可靠性高.
3 精确定位方法 3.1 速度模型芦山地震发生于龙门山断裂带南段，该断裂带将四川分成东西两部分.东、西两部分无论是在地形、地貌还是在结构、地质条件等方面，都存在较大差异[6].东部为四川盆地，以平原、丘陵为主，海拔低，是稳定的大陆地块.西部为川西高原，海拔高.东西两部高程相差巨大，因此它们的地震波走时存在明显的系统偏差，这与地壳厚度从西向东由突然减薄、波速陡增密切相关.芦山地震及余震位于四川盆地与川西高原的过渡带上，不同速度模型的定位结果都有一定差异，虽然有学者对四川地区的速度模型做了较多工作，但是适合芦山地区的精细速度模型研究尚不够深人.
地震定位中，相对定位算法较好地消除了速度横向不均勻性的影响，尤其双差定位算法对地壳速度模型的依赖性相对较小.双差定位算法采用的是水平分层速度模型，震源所在处的速度值对定位结果有一定影响.由于相对定位是在两个地震之间的小空间范围内用量级仅为几秒的走时差进行的，这就使得震源定位对震源所处的地震波速度的变化甚为敏感.本文做定位时，选用了多个学者提出的四川地区速度模型[7, 10-12]，并进行对比分析.在利用速度模型与震源联合反演试验结果的基础上，并考虑到芦山地震发生在龙门山断裂带南段及东西部地壳厚度相差20 km，选用赵珠[7]提出的四川地区分层模型（波速比为1.69)作为双差定位的速度模型，模型参数如表 1所示.
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表 1 定位速度模型中参数表 Table 1 Seismic velocity model using in location |
双差地震定位算法（双差法）由Waldhauser和Ellsworth (2000，2002)[8-9]提出.双差地震定位法反演的是一组丛集的地震中的每个地震相对于该丛集的矩心的相对位置，并且即使丛集地震的空间跨度很大也适用.双差地震定位法不仅能有效地减小由于对地壳结构了解不够精细而引起的误差，而且能应用在空间跨度相对大的地震事件群体，只要丛集中每两个相邻的地震事件之间的距离远小于事件到台站间的距离以及在波传播的路径上速度不均匀体的线性尺度这一条件成立即可(杨智娴[13]; 郑钰[14]).
在双差法中，由每两个相邻地震的观测走时差减去理论计算值的走时差得到的残差(双差)构成一个观测方程.对于N个待定事件和K个观测台站，如果每个台站都记录到每次地震，就有N(N-1)K/2个观测方程.但是，通常的情况并不是这样.假如取得双差观测的数据数目为M，那么，便得到反演方程为：
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(1) |
式中的系数矩阵G就是一个M×4N的偏微商矩阵，M是双差观测的数目，N是地震数d是双差资料矢量; m是由待定的震源参数改变量（Δxi，Δyi，Δzi, Δτi, i=1，2，…，N)构成的维数为4N的矢量；W是一用以对每个方程加权的对角线矩阵.反演中，我们引进了一个表示所有的地震经重新定位后其平均“位移”为零(也即其“矩心”不动)的约束条件：
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(2) |
我们以阻尼最小二乘法求解方程(1)，此时，问题归结为：
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(3) |
式中，λ为阻尼因子，I为单位矩阵.
实际计算中，采用共轭梯度法求解方程(3)，得到阻尼最小二乘解.同时将奇异值分解法应用于部分资料，以获得有关模型参数的误差、分辨度等信息(杨智娴等[15], 2004).
4 定位结果及分析 4.1 数据的再次筛选在选取震相时，若某一方位台站过多，则选取距震中最近的1~2个台站数据.若某方位台站布局不合理，则挑选包围震中的较好远台数据参与定位.同时通过绝对定位，舍弃单台发震时刻与地震发震时刻相差较大的台站数据，最终给出了3324次地震的精确定位结果.
4.2 芦山7.0级地震精确定位由于该地震震级大，近台S波限幅严重，采用震中距150 km以内的19个台站.台站布局空隙角为60.7°已很好地包围震中，其中宝兴台距震中16 km，为最近台站.精确定位使用19个Pg震相，4个Sg震相，参加定位的震相数据如表 2, 各单台间的发震时刻最大相差1.0 s.4月20日08时02分芦山M7.0级地震的时程曲线如图 3所示，时程曲线中各台站的震相到时数据在拟合的直线上，从而验证了所用定位的震相数据是可靠的.其部分台站波形记录如图 4所示.台网序列处理时，定位采用区域模型搜索法，定位结果的走时残差0.181s，水平误差1.112 km，垂直误差3.307 km，空隙角60.4°.精确定位采用同样的震相数据，以台网序列处理结果为初值.定位后走时残差为0.070 s，E-W、N-S、U-D三分向的均方根误差分别为：0.255 km、0.244 km、0.273 km.根据国际定位质量标准[16]，本文7.0级地震的定位精度为A类~结果参数如表 3所示.
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图 3 2013年4月20日芦山M7.0级地震时程曲线 Fig. 3 Curves of travel time and epicenter distance on 20 April 2013 |
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图 4 2013年4月20日芦山Ms7.0级地震波形（部分台站） Fig. 4 Waveform of Lushan MS7.0 earthquake on 20 April 2013(station of part) |
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表 2 2013年4月20日芦山7.0级地震定位所用震相数据（北京时间） Table 2 Phase records of Lushan, MS7.0 earthquake used in location on 20 April 2013 |
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表 3 2013年4月20日芦山7.0级地震震源参数 Table 3 Parameter of Lushan, MS7.0 earthquake on 20 April 2013 |
精确定位地震事件的台站空隙角最小为37.7°, 最大为190°其中空隙角60°~90°的地震事件约占83%，台站布局总体合理.余震序列产出结果中，走时残差分布在0.003~0.983 s，水平方向、垂直向的平均标准误差分别为0~78km、1.67 km.
本文以余震序列产出结果为初值采用双差定位方法，最终获得3324次地震重新定位结果，精确定位后的走时残差为0.002~0.097 s，主要集中在0.04~0.08 s，E-W、N-S、U-D三分向的定位平均标准差分别为：0 233km 0 221km 0 223km.
图 5a示出了本文余震双差定位结果~从平面分布图来看，7.0级地震南西侧余震约占总数的5/6, 北东侧余震较少.余震沿南西走向呈带状集中分布于大邑一名山断裂与双石一大川断裂之间.
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图 5 (a)双差法重新定位后获得的震中分布（共3324个重定位事件）双差定位沿AA'(b)和BB'(c)两个剖面的深度分布.五角星表示主震，黑色圆圈表示3.0级以下地震，蓝色圆圈表示3到5级地震，红色圆圈表示5到6级地震 Fig. 5 (a) Epicenter distribution of relocation by double difference algorithm (3324 aftershocks), Depth distribution map of aftershocks along AA'(b) and BB' (c) section after double difference algorithm.Red star indicate the Lushan M7.0 earthquake, black circle indicate aftershocks with M < 3, blue circle indicate aftershocks with 3 < M < 5, red circle indicateaftershockswith 5 < M < 6, yellow line denote depth profile of AA' and BB'. |
余震震源深度剖面如图 5b所示，优势分布于地壳上部10~22 km，占总数的92%;约1%的地震事件震源深度超过22 km.图 6a、6b分别为双差定位与余震序列产出的震源深度频次统计图，图 6b显示其深度在0~28 km，结合图 2b、2c，余震序列产出的震源深度分布离散，优势分布范围较宽; 而双差定位结果的震源深度呈更明显的带状优势分布，这与杨智娴[13]、黄媛[17]的定位研究结果一致.
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图 6 (a)双差定位震源深度分布频次；（b)台网余序列定位震源深度分布频次 Fig. 6 (a) Depth distribution frequency diagram after double (b) Depth distribution frequency diagram of initial location |
图 5a为双差法重新定位后获得的震中分布（共3324个重定位事件)
4.4 芦山地震的发震构造初步分析芦山地震主、余震深度分布显示的破裂倾向(AA'剖面）与主要断层倾向间的关系如图 7a所示，从图上可以看出，主震发生在大邑一名山断裂上，余震主要集中在断层的上盘，下盘地震较少，这与逆冲型地震余震分布特点一致.破裂集中在断层面上，发震断裂是NW倾向的基底隐伏逆冲断裂的一段[1-2]，在大川一双石断裂附近上仅有一些零星小震~从余震分布可以看出，芦山县城、龙门乡、太平乡、双石乡地震活动密集，也是这次地震破坏严重的地区，这与现场考察的结果一致.余震西起灵关镇，东至飞仙关.从图 7中测得到主破裂的下倾宽度约20 km，从图 7b知破裂长度约为40 km，经计算，断层的倾角为40°破裂视面积约为800 km2.
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图 7 (a)芦山地震及余震AA'(a)和BB'(b)剖面深度分布与发震断层构造 Fig. 7 Seismo-tectonics of Lushan earthquake and afterearthquake for AA; (a) andBB'(b) profile |
(1)本文给出2013年4月20日芦山M7.0级地震的发震时刻与震源位置分别为2013-04-20 08:02:46.8, 30.278°N，102.989°E，震源深度16.67 km，位于大邑一名山断裂.
(2)余震呈带状集中在大邑-名山断裂上盘，沿龙门山断裂带南段的南西走向分布.
(3)双差定位的震源深度明显成条带状分布、更加集中，分布于10~22 km.
(4)芦山地震主破裂长度约40 km，下倾宽度约20 km，破裂视面积约800 km2，主破裂沿南西走向，倾角约40°
致谢感谢台网中心与河北、广东、福建、山东、新疆、甘肃、安徽、黑龙江等地震局分析工作人员共同处理芦山地震序列，为本文提供了高质量的震相报告; 感谢中国地震局地球物理研究所、四川省地震局、重庆市地震局、湖北省地震局等单位的测震流动观测队全体成员，冒着生命危险深入地震灾区架设流动台站，为本文获取更加精确的震源位置提供了宝贵的近台资料; 感谢闻学泽研究员、周荣军为本文解释芦山地震的发震构造方面提了宝贵意见和建议，感谢裴顺平博士为本文的写作和绘画给予的帮助; 感谢评审专家为本文的进一步完善提出的合理化建议.本文使用了Waldhauserr先生提供的hypoDD程序.
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