大地震或者中等地震发生后，主震断层附近区域会出现地震活动性的显著加强，这些显著的地震活动我们称之为余震.尽管余震物理机制的研究还不是十分透彻，许多研究认为静态的应力变化是余震发生的原因(Das and Scholz, 1981；Hardebeck et al., 1998)，但是近期的其他研究也一直在争论动态的应力是否才是触发余震的主要原因(Felzer and Brodsky, 2006；Richards-Dinger et al., 2010).余震还是广泛地应用于各种地震学研究中，通过对主震及余震进行精确定位，我们可以描绘震后震源区地震时空活动图像，确定发震断层范围和空间展布，探讨地震孕育和发生的过程及其深部构造成因，增进对地震发生机制及孕育环境的认识，为震后灾情评估及地震发展趋势的判断提供参考依据.如Sykes(1971)通过板块边界的地震活动性研究历史大地震的破裂长度和地震活动空区来预测未来地震的危险性，Ji等(2015)、Mendoza和Hartzell(1988)、Yano等(2014)通过余震来研究震时和震后的断层滑动分布.

2017年8月8日21时19分，在四川省阿坝州九寨沟县发生了M_S7.0强震，中国地震台网中心快速测定的震源位置为北纬33.20°、东经103.82°、震源深度20 km.美国地质调查局地震信息中心(NEIC)发布的震源机制解为走向153°、倾角84°、滑动角-33°、矩震级M_W6.5、矩心深度13.5 km.这个结果也与之后的精细震源机制研究结果(易桂喜等，2017；杨宜海等，2017；张旭等，2017)基本一致.

主震发生后，震中区域发生大量余震，截止8月15日24点，四川地震台网共记录到超过4000次余震活动.本文采用结合绝对走时、相对走时差和尾波互相关走时的hypoRelocate地震精定位方法(Sun et al., 2016)对本次地震的主震及余震进行精确定位，以确定余震的空间分布特征，进而探讨本次地震的断层形态和孕震环境.

九寨沟地震发生在巴颜喀拉地块的东北缘，南北地震带中部，是我国东西部一级构造单元的过渡地区，是印度板块向北挤压欧亚板块造成青藏高原隆升的推覆构造带(陈长云等，2012；蒋良文等，2005；张培震等，2003).这个区域构造变形复杂，断裂活动频繁，震区周围就有岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂等三条主要断裂(张家声等，2010；张军龙等，2012；周荣军等，2000)，有地震仪器记录以来就发生过1933年茂县叠溪7.5级地震和1976年松潘—平武的7.2级双震(刘峰等，2009；王康等，2011；易桂喜等，2006)(如图 1所示).

图 1

Fig. 1

图 1 台站及断层分布图 棕色三角形代表固定地震台站，蓝色三角形代表震后布设的流动台站，黑色粗线代表断层，红色沙滩球表示九寨沟地震，红色五角星表示历史大地震. Fig. 1 Distribution map of seismic stations and faults Brown triangles present the permanent seismic stations; blue triangles present the temporal stations; black thick lines indicate faults; red beach ball presents Jiuzhaigou Earthquake; red stars present the historical big earthquake.

hypoRelocate是一套新发展地震精定位方法(Sun et al., 2016)，利用绝对走时、相对走时差和尾波互相关走时三种约束，其中相对走时差对速度结构的变化并不敏感，它主要受到震源区域速度结构的影响，而源区范围相对较小，速度变化不大，因此相对走时差对地震间的相对位置有较好的约束；尾波互相关方法可以更加准确地拾取两个震源之前的相对走时，减小人为拾取误差对相对走时的影响，可以更加精确地确定两个震源之间的距离；由于相对走时差对地震的绝对位置没有约束，绝对走时的结合可以更好地约束地震的震源深度.与广泛使用的地震精定位方法hypoDD只使用相对走时差相比，hypoRelocate又加入了绝对走时和尾波互相关走时两种约束，同时搜索三种约束的最小残差，在精确确定地震相对位置的基础上，对地震的绝对位置，尤其深度具有更高的分辨率，其重定位的结果不依赖原始地震目录的位置.

在重定位过程中，各种约束不同的权重组合会明显影响最终的定位结果.在本文的计算中，不同约束权重因子的选择依赖于约束数据的质量和不同约束对模型参数影响的相对重要性.其中尾波互相关走时的拾取精度最高，对地震的相对位置和绝对位置都有重要的约束作用，我们赋予它最大的权重；绝对走时数据和相对走时差数据均来源于震相报告，拾取精度相同，但相对走时对速度变化相对不敏感，我们赋予相对走时差比绝对走时更大的权重.在实际计算中，还要保证三种约束同时参与定位时，它们各自的最终残差均不大于三种约束单独用于定位时最小残差的110%.根据以上原则，最终选择的绝对走时、相对走时差和尾波互相关走时的权重分别为0.1、0.2和0.7.由于只有少数地震具有尾波互相关走时，我们赋予具有尾波互相关走时约束的地震10倍权重，以便尾波互相关走时在地震定位过程中发挥作用.S波走时数据相对P波走时数据，拾取精度较差，计算中P波的权重是S波的4倍.

本研究使用的震相数据资料源于四川测震台网产出的2017年8月8日至8月15日观测报告，所用到的地震台站如图 1中棕色和蓝色三角形所示，包括11个固定台，和在震后布设的6个流动台(8月9日19点以后，流动台站陆续启用).考虑震后大概二十多个小时的时间，主震震中附近没有近台(最近的九寨沟台震中距约37 km)，我们选择M_L＞1.5的余震进行重新定位，观测报告给出的震中分布如图 1中红色圆点所示，所选择的地震总数为1106个(包括主震)，为了保证定位的精度，我们要求每个地震至少有4个以上的台站记录并且包括6个以上的到时，经过挑选，有854个地震满足要求，将其作为我们精定位的数据集.

鉴于所在区域地质构造复杂，速度结构变化较大，我们选用较近台站(震中距200 km以内)记录的走时9541个，其中Pg走时6178个，Sg走时3363个(图 2).为了提取相对走时，我们根据观测报告将距离20 km以内的地震两两配对，并要求每个地震至少要与周围8个以上地震进行配对，共计得到16365个地震对(158929个走时差).另外，我们选取M_L＞3.5的34个地震构造SH尾波互相关走时.将34个地震中震中距小于200 km的台站的波形记录旋转得到T分量，进行0.5~5 Hz带通滤波，在理论S波走时之后20 s，以20 s为窗长，10 s为步长，滑动10次，对地震两两进行尾波互相关，并叠加每个时间窗的互相关波形记录，经过高信噪比挑选，从635条记录中获得74条清晰的尾波互相关走时记录(如图 3所示)，我们自动拾取图 3中波形极值点偏离时间0点的时刻，将其作为尾波互相关走时.

图 2

Fig. 2

图 2 hypoRelocate重定位所使用Pg及Sg震相走时图 蓝色圆点为Pg波走时，红色圆点为Sg波走时. Fig. 2 Pg and Sg travel times used in hypoRelocate relocation Blue dots indicate Pg travel time and red dots are for Sg travel time.

图 3

Fig. 3

图 3 从34个地震构建的635条互相关波形里挑选的74条清晰尾波互相关走时波形.图中蓝色直线表示时间0点 Fig. 3 74 clear coda cross-correlograms selected from 635 correlograms constructed from 34 events. Blue lines mark the time 0

本文所采用的速度模型来源于王椿镛等(Wang et al., 2007)青藏高原东缘的人工测深剖面研究.该速度模型分为6层(表 1)，莫霍面深度为55 km，波速比源自震中附近的Crust 1.0模型(https://igppweb.ucsd.edu/~gabi/crust1.html).

表 1 Table 1

表 1 定位所使用速度模型 Table 1 Velocity models used in relocation P波速度模型 S波速度模型 速度/(km·s-1) 深度/km 速度/(km·s-1) 深度/km 5.80 0.0 3.34 0.0 5.90 20.0 3.40 20.0 6.15 24.0 3.53 24.0 6.65 30.0 3.82 30.0 6.80 40.0 3.91 40.0 7.80 55.0 4.48 55.0

表 1 定位所使用速度模型 Table 1 Velocity models used in relocation

重定位后，854个地震绝对走时的平均残差由0.6 s减小到0.2 s，相对走时的平均残差由0.35 s下降到0.1 s，尾波互相关走时的平均残差由1.5 s变为0.12 s.定位后的平均水平精度为0.5~1.5 km，垂直精度1~4 km.图 4展示了余震重定位前后的结果对比，从平面分布图(图 4a)可以看出，重定位前(黑色圆圈)相对比较分散，重定位后(红色圆圈)地震分布更加聚集，在主震西北和东南两侧形成了两个明显的丛集，西北丛集的展布更宽，约12 km，此外，西北方向的一些地震明显沿西侧的岷江断裂分布.东南丛集的横向展布稍窄，大概7~8 km.两个丛集的走向都是清晰的北西方向，与国内外震源机制结果一致(易桂喜等，2017；杨宜海等，2017；张旭等，2017).

图 4

Fig. 4

图 4 四川九寨沟主震及余震精定位前后结果对比图(使用固定台站加流动台站) 黑色五角星表示主震(重定位结果)，黑色圆圈表示四川台网观测报告的位置，红色圆圈表示重定位之后的位置，黄色三角形为流动台站，圆圈大小表示震级大小.图(a)为地震平面分布图，图(b，c)分别为图(a)中所示AA′(沿断层走向)和BB′(垂直断层走向)两个方向断层剖面示意图，包含图(a)中所有地震. Fig. 4 Comparison between catalog location and the relocation of the Sichuan Jiuzhaigou earthquake and aftershocks (permanent stations and temporal stations are all used) Black star marks the relocated main shock; black circles present the catalog location from Sichuan Earthquake Monitor Center; red circles present the relocations; yellow triangles are temporal stations. The size of the circles indicate the size of the events. (a) Map distribution; (b, c) Profiles distribution along the fault (AA′) and perpendicular the fault (BB′). (b, c) Include all the events in subplot (a).

垂直剖面分布图(图 4b、c)显示重新定位后，地震显著地向更浅的方向移动.重定位前余震主要分布在0至20 km的深度范围，优势深度是15 km左右；重定位后，优势深度变浅至10 km附近，10 km及更浅区域的地震达到了地震总数的50%，深度大于20 km的地震数量明显减少(图 8a，8b).主震的深度也由初始的23 km变为16 km，这种变化主要来源于其他余震对主震深度的间接约束.由于震后流动地震台站的布设，较近的台站信息使大量余震的震源深度具有更高的分辨率，在相对走时的配对选择中，我们尽量让主震与有近台约束深度的余震进行配对，通过具有较精确震源深度的余震对主震深度进一步约束.另外从主震周围一直延伸到地表的区域内，余震的数量相对稀少，出现明显空区(图 4b)，这可能与主震破裂滑动位移分布有关.地震剖面分布(图 4c)勾勒出断层近似直立的陡峭倾向，同时勾勒出的断层倾向随深度呈现一定的变化，在7 km以浅稍向西南方向倾斜，而更深的区域则向东北方向微倾.

图 8

Fig. 8

图 8 重定位前后震源深度统计图 (a)原始地震目录震源深度统计图；(b) 图 4重定位结果震源深度统计图；(c，d)分别为图 4西北、东南丛集重定位震源深度统计图；(e)固定台站重定位结果震源深度统计图. Fig. 8 Statistical histogram of relocated depths (a) Bar graph of catalog depths; (b) Bar graph of relocation depth with all stations; (c, d) Bar graphs of relocation depths for northwestern and southeastern events crowds; (e) Bar graph of relocation depth with permanent stations.

另外我们还发现一个有趣的现象，西北丛集的深度明显比东南丛集更浅，并且这个现象在重定位前后都存在.针对这个现象是否真实存在，我们进行了更进一步的分析.首先在台站分布方面，西北丛集附近有两个10 km以内的流动台，其中一个位于丛集之中，东南丛集距离最近的台站要超过10 km，多数情况下在15~20 km的范围，由此我们初步判断这种震源深度的差别主要来源于台站分布的不同，因为近台震中距直接影响定位深度的分辨率，一般需要有与震源深度相当距离的台站来控制深度.

由于震源附近的台站均为流动台站，是在震后1天以后才陆续布设的，我们分析了重定位后两个丛集深度随时间的变化(图 5).图 5中红色圆圈表示西北丛集，蓝色圆圈表示东南丛集，从地震深度随时间的变化上看，在震后60 h以内，两个地震集的深度并没有明显区别，主要分布在5~20 km之间，从60 h开始，西北和东南丛集都显著变浅，但是西北丛集明显更浅，两边出现了5 km左右的差别(图 8c，8d)，这个时间也正是所有流动台站开始正常工作的时间.同时从图 5还可以看到余震大小和数量随时间的显著衰减关系.另外通过对比发现较大的余震主要发生在东南丛集.

图 5

Fig. 5

图 5 所有台站重定位余震深度与震后时间对比图 横轴为震后时间，0点表示主震发生的时间，单位为h；纵轴为深度，单位为km；红色五角星表示主震.红色圆圈表示北纬33.2°以北的地震(西北丛集)，蓝色表示以南的地震(东南丛集). Fig. 5 Comparison of relocation event depths and origin time (events relocated with all stations) The x axis is time after main shock (h) and the y axis is source depths of the events (km).The red star indicates the main shock; the red circles indicate events (northwestern crowd) located in north of 33.2° (N) and the blue circles are events (southeastern crowd) located in south.

为了进一步分析流动台对深度分布的影响，我们只使用固定台站，对所有的地震进行重新定位，定位结果如图 6a和6b所示.图 6中蓝色圆圈表示主震后60 h之前的余震，红色圆圈表示60 h以后的余震.由图 6a和6b可见两个丛集没有明显的深度区别，优势深度集中在10~20 km(图 8e)，并且两个丛集深度随时间推移也没有明显变化(图 7).

图 6

Fig. 6

图 6 不同台站约束情况四川九寨沟余震精定位结果剖面展示图 (a)只使用固定台站重定位结果AA′剖面图；(b)只使用固定台站重定位结果BB′剖面图；(c, d, e, f)分别为使用所有台站重定位结果AA′、BB′、CC′和DD′剖面图(图 4中剖面).蓝色圆圈表示主震后60 h以内的地震，红色圆圈表示60 h以后的地震. Fig. 6 Relocation profiles with different station constraints (a, b) Profiles of AA′ and BB′ that only permanent stations are used in relocation; (c, d, e, f) Profiles of AA′, BB′, CC′ and DD′ that all stations are used in relocation (profiles in Fig. 4). Blue circles indicate events recorded in 60 hours after the mainshock and the reds are events after 60 hours.

图 7

Fig. 7

图 7 固定台站重定位余震深度与震后时间对比图.图例图标同图 5 Fig. 7 Comparison of relocation event depths and origin time (events relocated with permanent stations). Symbols are same as Fig. 5

但是在增加了流动台站的重定位结果(图 6c和6d)清晰地展示出了震后60 h前后发生的余震震源深度的差别，尤其是西北部丛集体现的更加明显(图 6c和6e)，西北丛集的CC′剖面显示10~20 km的深度范围主要是主震后60 h以内的地震，60 h以后的地震多数分布在10 km以及更浅的区域，东南丛集(DD′)也有类似的震源深度分布特征(图 6c和6f)，但是没有西北丛集的特征显著.

本文应用对相对位置和绝对位置都有较好约束的hypoRelocate精定位方法，结合Pg走时、Sg走时、地震对的相对走时差以及SH尾波互相关走时，对四川九寨沟M_S7.0主震及其余震进行了重新定位，重定位后的绝对走时残差、相对走时差残差和尾波互相关走时残差有显著下降，定位的平均水平精度为0.5~1.5 km，垂直精度1~4 km.

重定位后余震的分布更加清晰地勾勒出本次地震的断层沿SE-NW展布，以主震为起点，向西北方向延伸超过20 km，向东南方向扩展大概15 km，余震水平分布和垂直分布分别揭示的断层走向和倾向与震源机制解一致，发震断层近似垂直，推测发震构造为虎牙断裂西北段.沿断层走向的垂直剖面所展示的主震西北侧一直延伸到地表的区域存在一个上窄下宽的余震空区，通过对比张旭等(2017)用地震波形资料和inSAR资料联合反演的地震破裂过程结果，我们认为这个区域正是地震破裂滑动位移较大的区域，在主震破裂的过程中原始积累的应力基本得到了释放，故不会有很多余震发生，而周围震时滑动较小区域积累的应力，由于主震破裂扰动的影响在震后逐步通过余震的发生得到释放.尤其在主震的东南相对较深方向基本没有明显破裂，而较大余震几乎都集中在这个区域.另外断层破裂过程结果显示主震周边滑移较大区域的震源机制以走滑为主，而位于西北较浅区域的较大滑移以正滑为主，这种破裂机制的改变也可能是余震空区出现的原因之一.

本次地震的余震主要集中在15 km以上的范围(加入流动地震台站的重定位结果)，相比芦山余震10~20 km优势深度分布，说明该区域的上地壳更硬更脆，上地壳结构与芦山地震震中区域存在明显区别(房立华等，2013；Liu et al., 2015；Sun et al., 2016).另外较大余震主要发生在东南丛集可能说明东南部断层积累了更多的应力并且可能有尺寸较大的凸凹体，更有利于出现大的断层破裂，发生大余震.

重定位结果还显示，本次地震触发了周边断层的地震活动，尤其是西侧的岷江断裂，东南部的虎牙断裂也有微弱的地震活动.在西北丛集与岷江断裂交汇的区域，断层活动明显横向变宽，出现沿岷江断裂活动的余震.说明大地震震后会明显触发周边断层的地震活动，这点也与芦山地震类似(Sun et al., 2016).

另外我们深入分析了台站分布对深度的影响，结果表明，台站分布对深度的影响不容忽视，在分析地震精定位的结果时，需要考虑台站分布的因素，单纯就结果而论，容易走向错误结论.

感谢中国地震台网中心提供的波形数据，四川省地震局四川省地震监测中心提供的临时台站及固定台站震相目录.本文的图件均由GMT(Wessel et al，2013)软件绘制.