2010年4月14日青海省玉树县发生M_S7.3地震，震中位置(33.11°N，96.59°E)，震源深度14 km(中国地震台网统一正式地震目录，http://10.5.202.22).玉树地震发生在甘孜—玉树断裂带上(陈立春等，2010)，该断裂带是一条沿北西—南东方向延伸、以左旋走滑为主的断裂带，是巴彦喀拉地块和羌塘地块的构造边界，总长约500 km.甘孜—玉树断裂带历史上曾发生4次破坏性地震，即1738年12月23日青海省玉树县西北6.5级地震，1896年3月四川石渠县洛须—青海玉树间7级地震，1854年洛须—错阿7.7级地震，1866年错阿—甘孜7.3级地震(Li et al.，2012).2010年的玉树地震是发生在甘孜—玉树断裂上的又一次破坏性地震.

玉树M_S7.3 地震序列是一个前—主—余震型地震序列，发生在2010年4月14日的前震(M_S4.8)、主震和序列最大余震(M_S6.4)震源位置接近，震源机制解相似，但它们与5月29日发生在地震序列北西端的M_S5.9地震的震源机制存在明显差异.主震震源机制解北西向节面走向与甘孜—玉树断裂带延 伸方向一致，走向300°，倾角88°.5月29日的M_S5.9 地震两个节面的走向分别为345°和75°，倾角89°和88°(http://www.globalcmt.org〖2010-10-20〗).野外调查显示，在M_S5.9地震震源区未发现主震的同震破裂带，也未发现与M_S5.9地震震源机制解节面走向相同的已存断层(陈立春等，2010；Li et al.，2012；吴富晓等，2011).震源破裂过程研究结果显示，玉树M_S7.3地震是由初始破裂点向南东方向延伸的单侧破裂，北西端的M_S5.9地震震源区几乎没有发生滑动(张勇等，2010).同震形变也表现出类似的特征，形变主要分布于M_S7.3地震初始破裂点南东方向的甘孜—玉树断裂带两侧(刘云华等，2010).王未来等(2012)对玉树地震序列进行了双差定位，认为5月29日M_S5.9地震序列震中分布与主震序列共轭，但M_S5.9地震及其余震的震源机制解的节面走向没有表现出与主震序列共轭的特征，那么，位于主震序列北西端的M_S5.9地震的断层具有怎样的几何特征？它与主 震序列的关系成为值得深入探讨的问题.本文拟利用地震双差定位结果和震源机制解相结合的方法，研究玉树地震序列的断层结构和应力场特征，进而对玉树M_S7.3主震序 列及M_S5.9强余震序列的孕震机制进行初步探讨.

玉树M_S7.3地震震源区附近固定台站稀疏，震中距100 km范围内仅有玉树一个台站，地震定位精度较差.地震发生后，青海省地震局和中国地震局地球物理研究所立即派出地震流动观测组，在玉 树震区共架设了7个实时传输的宽频带流动台(图 1)，其中L6301、L6302、L6303和L6304台于4月17开始传输数据，L6305、L6306和L6307 台于5月19 日开始传输数据，流动台的观测数据并入青海省地震局地震遥测台网统一管理.2010年10月，流动台站陆续停测.玉树地区的地壳厚度约为70 km(王有学和钱辉，2000；Jiang et al.，2006)，距震源区250 km 范围内的台站记录到玉树地震的初至波为Pg，因此选择这个震中距范围内的5个固定台站参与双差定位计算，5个台站中YUS、ZAD、MAD、QML 4个台属于青海省地震局遥测台网，CAD台属于西藏自治区遥测台网.

图 1

Fig. 1

图 1 双差定位前玉树地震序列震中位置及台站分布 图中2个黄色五角星分别为2010年4月14日玉树MS7.3地震和5月29日MS5.9地震，绿色实心圆为玉树地震序列余震，红色实心 圆为6级以上历史地震，其中1738年的6.5级地震和1896年的7.0级地震发生在甘孜—玉树断裂上.黑色三角为流动台站、方块为 固定台站.F1为甘孜—玉树断裂带，F2为玉树南—风火山南麓断裂带.Fig. 1 Epicenter distribution of Yushu earthquake sequence before double difference relocation and distribution of seismic stations Two yellow stars represent Yushu MS7.3 earthquake on 14 April，2010 and MS5.9 earthquake on 29 May，2010，respectively. Green solid circles indicate the aftershocks of Yushu earthquake sequence. Red solid circles indicate the historical earthquakes with M>6，including M6.5 earthquake in 1738 and M7.0 earthquake in 1896 which occurred on Ganzi-Yushu fault. Black triangles denote temporary stations and squares indicate permanent stations. F1 denotes Ganzi-Yushu fault and F2 indicates Yushu south-southern piedmont of Fenghuoshan fault.

我们由中国地震台网中心全国地震编目系统下载了2010年4月14日至10月31日玉树余震区M_L≥1.0地震的震相观测报告，从中提取出地震目 录和上述12个台站的震相文件，地震目录和震相文件的格式 是双差定位程序的输入格式.2010年4月14日至10月31日玉树地震序列共发生M_L≥1.0地震1809个，其中M_S4.0~4.9地震16个，M_S5.0~5.9地震3个，M_S6.0~6.9地震1个，7级地震1个.

双差定位法虽然可以减小速度横向不均匀性的影响，但对震源所在处的速度结构依赖性较强.因此，选取合适的速度模型对该地区地震的精确定位依然非常重要.本文分析了多年来这一地区的地壳速度结构研究成果，选用了3种不同速度模型用于地震双差定位试算.速度模型Ⅰ参考了王有学和钱辉(2000)的研究成果(图 2a)，他们利用中法联合布设的玉树—共和人工地震测深剖面资料，反演得到了玉树附近地区的速度结构.速度模型Ⅱ参考了Jiang等(2006)的研究成果，他们利用与上述相同的资料得到了巴颜喀拉块体、北昆仑和柴达木盆地的速度结构，速度模型Ⅱ采用了巴颜喀拉块体南部的速度结构(图 2b).速度模型Ⅲ参考了王夫运等(2011)、张建狮等(2014)的研究成果，2010年玉树地震发生后，中国地震局地球物理勘探中心布设了穿过玉树震区的主动源宽角反射／折射探测剖面，并给出了玉树及邻区的速度结构反演结果(图 2c).

图 2

Fig. 2

图 2 用于双差定位试算的3种速度模型 (a)速度模型Ⅰ；(b)速度模型Ⅱ；(c)速度模型Ⅲ.Fig. 2 Three velocity models used for trial calculation with double-difference algorithm (a)Velocity model Ⅰ；(b)Velocity model Ⅱ；(c)Velocity model Ⅲ.

本文采用3种速度模型分别进行地震双差定位试算，在所选参数相同时，使用第三种模型计算时震源深度在地面以上的地震最少，三种模型得到的重定位地震数占参与计算的地震总数的百分比分别为70.9%、78%和91.3%，因此，本文选用第三种模型，即穿过玉树震区的速度模型进行地震双差定位，波速比参考王未来(2012)的研究结果(表 1).

表 1(Table 1)

表 1 双差定位采用的速度模型Table 1 Velocity model used for double-difference relocation 上界面深度/km P波速度/(km·s-1) 波速比 0 4.3 4.5 5.25 14.5 5.75 1.72 24 5.85 36 6.3 52 6.55 70 8.0

表 1 双差定位采用的速度模型Table 1 Velocity model used for double-difference relocation

本文使用双差定位程序进行地震精定位，震相数据和初始地震目录由中国地震台网中心提供的地震观测报告中提取.计算时，取地震对间最大距离8 km，最小连接数为6，地震丛质心距台站的距离为250 km，成功配对的地震有1692个，P波双差走时39498个，S波双差走时40038个，参与反演计算的台站12个.P波权重取1.0，S波权重取0.7，10次迭代后定位残差由0.565 s减小到0.196 s，得到1545个地震的双差定位结果.

图 3是玉树地震序列双差定位前后震中及震源深度分布图，可以看出，玉树地震序列双差定位前后震中分布图形态接近，双差定位后余震分布明显集中.玉树地震序列由北西向和北东东向两条相交地震条带组成，4月14日M_S7.3主震发生在北西向条带上，5月29日M_S5.9余震发生在北东东向条带上.在深度剖面上，A-A′两侧的地震全部投影到A-A′剖面上，B-B′两侧20 km范围内的地震投影在B-B′剖面上，可以看出，双差定位后震源断层的几何特征更为清晰.图 3b显示，北西向主震序列条带清晰而狭窄，沿甘孜—玉树断裂带分布，走向约300°，延伸长度约80 km，断层面接近直立，是一个高角度断层.5月29日M_S5.9余震序列长轴方向北东东，延伸长度约40 km，宽约18 km，为一较宽的矩形条带(图 4).野外调查结果显示(陈立春等，2010；Guo et al.，2012；Li et al.，2012)，玉树地震地表破裂带沿甘孜—玉树断裂展布，虽然他们给出的破裂带长度存在差异(51~73 km)，但均未在玉树地震序列北西端发现与主震断层相交的断层.卫星影像及震后形变场研究也认为玉树地震破裂主要发生在甘孜—玉树断裂带上(张桂芳等，2011；刘云华等，2010).但从双差定位结果可以看出，玉树地震序列北西端明显存在一条北东东向地震条带，这条北东东条带可能是一条隐伏断层.

图 3

Fig. 3

图 3 玉树地震序列双差定位前后震中分布、深度剖面及震源深度分布图 图中a1—a4是玉树地震序列双差定位前的震中分布、深度剖面及震源深度分布图，b1—b4是双差定位后的震中分布、深度剖面及震源深度分布图.Fig. 3 Distribution of epicenter location，depth section，and distribution of focal depth of Yushu earthquake sequence before and after double difference relocation a1—a4 indicate the distribution of epicenter location，depth section，and distribution of focal depth of Yushu earthquake sequence before double difference relocation. b1—b4 indicate the distribution of epicenter location，depth section，and distribution of focal depth of Yushu earthquake sequence after double difference relocation.

图 4

Fig. 4

图 4 双差定位后MS5.9余震序列震中分布及震源深度剖面图 图中，(c1)是玉树地震序列双差定位后的震中分布;(c2)是沿C-C′的深度剖面;(c3)是沿D-D′的深度剖面.Fig. 4 Distribution of epicenter location and depth section of Yushu MS5.9 earthquake sequence after double difference relocation (c1)indicates distribution of epicenter location of Yushu MS5.9 earthquake sequence after double difference relocation;(c2)indicate the depth section along C-C′;(c3)indicate the depth section along D-D′.

玉树地震序列双差定位前后震源深度变化明显，双差定位前大多数地震集中在10 km深度上(图 3a4).双差定位后地震主要集中在8~12 km深度范围内，0~15 km均有地震发生(图 3b4).玉树地震序列震源区下方18~25 km深度存在低速体(张建狮等，2014)，玉树地震序列发生在上地壳低速体上面的高速脆性层内.

由以上分析可知，玉树M_S7.3地震发生在甘孜—玉树断裂带上，震源断层是一条北西走向的高角度断层.5月29日M_S5.9余震震源断层是一条北东东走向的隐伏断层.

玉树地震发生后，研究人员利用不同方法对玉树地震序列进行了地震重定位.刘巧霞等(2012)利用应急流动台站和固定台站资料、最新的人工地震宽角反射／折射剖面的速度模型(王夫运等，2011；张建狮等，2014)、Hypo2000程序对2010年4月18日至4月29日间玉树震区发生的余震进行了重定位，结果显示，玉树余震序列沿甘孜—玉树断裂带分布，震源深度范围1~20 km.王未来等(2012)、朱艾澜等(2012)和Zhao等(2012)利用双差定位方法对玉树地震序列进行了重定位，结果均显示，玉树主震序列震中分布是一条狭窄的北西向条带，与甘孜—玉树断裂带走向一致.但由于他们所使用的速度模型和台站资料不尽相同，定位结果也存在一定的差异.王未来等(2012)参考Jiang等(2006)的人工地震测深速度剖面的研究结果给出了速度模型，选取震中距600 km范围内43个固定台站和8个流动台站的震相资料，反演得到2010年4月14日至10月30日间525个地震的重定位结果.地震震中分布显示，M_S5.9余震序列延伸方向与主震序列垂直，即M_S5.9余震断层与主震断层共轭.震源深度分布在0~25 km范围内，东南浅西北深.朱艾澜等(2012)参考王有学和钱辉(2000)人工地震测深剖面的研究结果给出了速度模型，使用了11个固定台和8个流动台的震相资料，反演得到2010年4月14日至9月15日间1670个地震的重定位结果，震中分布图像显示M_S5.9余震序列延伸方向与主震序列垂直，与王未来的结果一致.震源深度分布在0~15 km范围内.Zhao等(2012)的文章中没有给出速度结构和台站信息，双差定位后得到2010年4月14日至10月30日间677个地震的重定位结果，震中分布显示，所有地震均沿甘孜—玉树断裂带分布，震源深度范围0~20 km.

本文所用速度结构采用最新的人工剖面研究结果(王夫运等，2011；张建狮等，2014)，选取震源距250 km范围内的5个固定台站和连续记录时间较长的7个流动台站的震相资料，通过双差定位得到2010年4月14日至10月31日间1545个地震的重定位结果.震中分布图像显示，主震序列沿甘孜—玉树断裂带分布，与前人的研究结果一致.M_S5.9余震序列沿北东东向延伸，与主震序列斜交，与前人存在差异，但与M_S5.9中强余震的震源机制解北东东向节面走向一致(图 5).震源深度分布在0~15 km，与朱艾澜等(2012)的研究结果相同.本文选用震源距250 km范围内的台站，以保证记录到的地震初至波为Pg.Pg波尖锐、清晰，读数精度较高，可以提高双差定位的精度.

图 5

Fig. 5

图 5 玉树地震序列双差定位后震中分布及中强地震震源机制解 图中绿色实心圆为玉树地震序列余震，红色沙滩球为玉树地震序列中强地震震源机制解，兰线与图 1相同，红线表示玉树地震序列震源断层，黑色箭头表示断层两盘的滑动方向，黄色五角星为1834年玉树MS5.5地震.Fig. 5 Epicenter distribution of Yushu earthquake sequence after double difference relocation and focal mechanism solutions of moderate and strong earthquakes Green solid circles indicate aftershocks of Yushu earthquake sequence. Red beach balls represent the focal mechanism solutions of moderate and strong earthquakes in Yushu earthquake sequence. Blue lines are the same as Fig. 1. Red lines denote the focal faults of Yushu earthquake sequence. Black arrows represent the slip directions of two walls of the fault. Yellow star indicates Yushu MS5.5 earthquake in 1834.

要了解地震序列震源区的断层结构，地震双差定位和震源机制解的综合分析是非常有效的方法.当震源分布呈椭球型，深度剖面不能有效地勾画震源断层的几何特征时，震源机制解可以提供必要的补充.图 5是玉树地震序列双差定位后地震震中分布和中强地震震源机制解分布图，图中震源机制解参数来自全球矩心矩张量解(GCMT).由图 5可以 看出，主震序列中前震、主震和序列最大余震(M_S6.4)震源机制解非常接近，震源机制解北西向节面与甘孜—玉树断裂走向一致，也与主震序列余震震中分布延伸方向一致，所以北西向节面为主震序列的震源断层面.主震震源机制北西向节面走向300°，倾 角88°，滑动角23°，所以主震断层为走向北西、倾角接近直立的左旋走滑断层.GPS研究结果显示，羌塘地块的运 动方向为NE60°，平均速率约为(28 ±5)mm/a. 巴颜喀拉地块的运动方向为NE61.45°，平均速率约为21 mm/a(张培震等，2003).可见，羌塘地块沿甘孜—玉树断裂向南东的运动速度分量大于巴颜喀拉地块，由此形成了甘孜—玉树断裂的左旋走滑运动特征.

由GCMT得到5月29日M_S5.9余震序列中5个M_S≥4.8地震的震源机制解，这5个地震的震源机制解非常一致.震源机制解的北东东向节面与M_S5.9余震序列震中分布长轴方向一致，所以北东东向节面为M_S5.9余震序列的震源断层面.5.9级地震的震源断层面走向75°，倾角88°，滑动角1°.该断层是一条走向北东东、接近直立的左旋走滑断层.断层没有破裂到地表，是一条隐伏断层.在玉树县城东侧存在一条与M_S5.9余震震源断层平行的北东东向断层，玉树地震时沿该断层有少量小地震分布.该断层上1834年曾发生M_S5.5地震(图 5).

由于玉树地震序列北西向和北东东向断层均接近直立，我们假设北西向断层的北东盘为上盘，北东东向断层的北盘为上盘，把8个地震震源机制解上盘相对于下盘的滑动矢量投影在断层面上(图 6)，可以看出，北西向断层的上盘向北西方向滑动，北东东向断层的上盘向西滑动，滑动方向均接近水平.北西向和北东东向断层均为接近直立的左旋走滑断层，两条断层在(96.35°，33.35°)附近相交.

图 6

Fig. 6

图 6 玉树地震序列断层面上滑动矢量(红)和震源区最大主应力(黑)分布图Fig. 6 Distribution of slip vectors(red)on the fault plane of Yushu earthquake sequence and maximum principal stress(black)in the focal region

由于震源机制解较少，主震区和M_S5.9余震区的最大主应力方向由震源机制解主压应力方向平均值得到.主震区的最大主应力方向为72°，接近水平.M_S5.9余震区最大主应力方向为38°，相当于主震区最大主应力逆时针旋转34°.主震区的最大主应力方向与王连捷等(2011)的研究结果一致，他认为玉树地区主压应力场为北东东向的水平应力场.谢富仁等(2011)给出的中国大陆现代构造应力场图也显示该区区域主压应力场方向为北东东向.主震区最大主应力方向与区域主压应力方向一致，说明主震是区域应力作用下，断层不连续段应力积累超过岩石强度发生的地震，而5.9级地震可能是主震后局部应力积累和调整的结果.这种情况与日本Tottori M_W6.6地震序列相似，Tottori地震序列北段位于震后形变区，没有发现同震破裂带，北段的应力场方向相对于主震区顺时针旋转了20°，Fukuyama等(2003)认为地震序列北段可能是震后应力调整的结果.

以弹性空隙介质突然加载时的形变和扩散过程耦合理论为基础(Rice and Cleary，1976)，Li等(1987)给出了走滑断层引起的应力和空隙压的时空变化模型，由此计算出与时间相关的库伦应力变化，并分析了库伦应力增加与余震分布的关系，发现膨胀区存在库伦应力增加条带，且随着时间的推移条带内库伦应力逐渐增加.余震可能沿着库伦应力增加条带向膨胀区弯曲扩展或离开主震断裂在膨胀区成丛发生.膨胀区内是否有密集的地震丛出现依赖初始应力场、主震破裂尺度和地壳介质特性等.如1983年的Pasinler地震北端向膨胀区弯曲，1968年的Borrego Mountain地震和1975年的海城地震在膨胀区内出现地震丛.1987年的美国南加州Superstition Hill地震序列，则是发生在北东向横断层上的M_S6.2左旋走滑地震诱发了断层南端膨胀区内与之正交的Superstition Hill断层上的M_S6.6地震(Hudnut et al.，1989).

Superstition Hill地震序列震源断层由北东向的横断层和北西向的Superstition Hill断层组成.M_S6.2使北东向的横断层破裂，14个小时后，M_S6.6地震由两条断层的交叉点附近沿Superstition Hill 断层向南东方向破裂.Hudnut等(1989)认为横断层上的左旋滑动降低了主断层上的正应力，正应力减小造成的库伦应力增加部分被空隙压的减小所补偿，但库仑应力的净效应是增加的.随着时间的推移，库伦应力逐渐增加直到空隙压恢复到初始值.Hudnut利用饱和空隙弹性介质中的二维裂隙模型模拟了横断层上的位移导致的主断层上的应力变化，证实了以上的推测，而且还发现，横断层滑动引起的弹性效应并不足以触发主断层的破裂，横断层滑动引起的断层弱化最终导致了主断层的失稳.

玉树地震序列的情况与Superstition Hill地震序列近似.玉树地震序列由北西向主震断层和北东东向的M_S5.9余震断层组成，两条断层均为接近直立的左旋走滑断层(图 5).主震破裂带位于高速区，是断层的闭锁段(Pei and Chen，2012).羌塘地块和巴颜喀拉地块的差异运动使应力在高速区内积累，在应力积累超过岩石强度时破裂失稳发生了玉树M_S7.3地震.主震断层的左旋滑动导致位于膨胀区的北东东向断层的正应力减小，库伦应力增加.主震断层滑动引起的弹性效应未能造成北东东向断层的失稳，断层弱化可能起到了重要作用.岩石空隙内的流体由压缩区向膨胀区的扩散使北东东向断层空隙压逐渐增加，流体向断层的迁移导致断层内摩擦力减低，空隙压增加和摩擦力降低使北东东向断层逐渐弱化.因此，M_S5.9余震序列的破裂机制可以解释为主震断层的滑动导致北东东向断层库仑应力增加和断层的逐渐弱化，并最终导致北东东断层的失稳.

M_S5.9余震与主震之间的时间延迟也可以用流体扩散来解释.地震发生后流体由空隙压较高的压缩区向膨胀区流动，直到膨胀区空隙压恢复到初始值，这个时间被称为特征松弛时间(Li et al.，1987).主余震之间的时间延迟不仅依赖特征松弛时间，也依赖介质特性和触发强余震所需积累的库仑应力大小.主震后余震断层可能立即失稳，也可能在随后的几天或几个月内逐渐弱化并最终失稳(Hudnut et al.，1989).

印度洋板块和欧亚板块在喜马拉雅山弧处的碰撞使得青藏高原不断隆升，高原物质向东部运移.由于受到四川地台的阻挡，巴颜喀拉地块的运动速度低于羌塘地块，在两个地块边界形成左旋走滑的玛尼—玉树—鲜水河断裂.玉树地震序列主震区为高速区(Pei and Chen，2012)，是断层的闭锁段，由于两个地块的差异运动，在断层的闭锁段应力高度积累，达到极限状态后突然破裂失稳发生了玉树M_S7.3地震.主震断层的左旋滑动导致北东东向断层的正应力减小，同时空隙应力也减小，但库仑应力的净效应是增加的.随着流体向膨胀区的扩散，库伦应力逐渐增加直到北东东向断层破裂失稳发生M_S5.9地震.

通过对玉树地震序列的分析，我们得到如下结论：

(1)玉树地震序列由两条交叉的断层组成，主震发生在北西走向的甘孜—玉树断裂带上，5月29日的5.9级余震序列发生在北东东走向的一条隐伏断裂上，两条断裂均接近直立.

(2)玉树地震序列地震震源深度分布在1~15 km范围内，位于上地壳低速体上面的高速脆性层内，震源区构造有利于应力的积累.

(3)由于羌塘地块和巴颜喀拉地块的差异运动使甘孜—玉树断裂强耦合段应力高度积累，在应变能超过岩石强度时破裂失稳发生了M_S7.3地震.主震断层的左旋滑动导致北东东向断层的正应力减 小，库伦应力增加，触发了M_S5.9余震序列的活动.

致谢 本文使用了青海省地震局和中国地震局地球物理研究所提供的流动台网数据，中国台网中心提供的震相数据，Waldhauser先生提供的hypoDD程序，在此一并表示感谢.感谢审稿专家给出的宝贵建议.