北京时间2008年8月30日16时30分，位于四川省攀枝花市仁和区和凉山彝族自治州会理县交界处(北纬26.23°，东经101.92°)发生了M_S6.1地震(以下简称“攀枝花地震”)，震源深度10 km，尽管该地震的震级只有M_S6.1，但由于其震源较浅，地震的震区烈度却达到Ⅷ级.据中国地震局报道，此次地震造成41人遇难(其中四川35人、云南6人)、589人受伤，10000间民房倒塌，超过190000间房屋受损，导致大量高速公路，桥梁和水库损坏.地表地质研究认为，此次地震发震构造为元谋一绿汁江断裂(图 1).该断裂为一条纵贯滇中—川南块体中部的深大断裂，北起冕宁的牦牛山，向南经磨盘山、昔格达、鱼蚱、元谋盆地东缘、一平浪等地，在罗川附近沿绿汁江延至易门三家厂以南消失，走向南北，倾向东和西，倾角~83°之间，方位角~140°(龙锋等，2010).在该断裂带历史上曾发生过6次破坏性地震，最大地震为1955年鱼鲊6级地震.同样，此次M_S6.1攀枝花地震震中发生在该断裂中段的鱼鲊附近(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 研究区域的地形构造示意图 蓝色的五星表示2008年MS6.1攀枝花地震震中位置，黑色实线表示活动断层(F1、F2元谋—绿支江断裂，F3安宁河断裂，F4则木河断裂，F5小江断裂，F6程海断裂，F7宁会断裂，F8普渡河断裂，F9红河断裂，F10昭通—鲁甸断裂，F11牟定断裂，F12南华—楚雄断裂)，淡蓝色粗实线表示主要板块边界(邓起东, 2007).左下角插图中的蓝色方框显示了本研究区域.左上图表示攀枝花主震及其主要余震(MS>4.0)的震源机制(龙锋等, 2010).图中WE与NS红色线显示图 8剖面的位置. Fig. 1 Schematic illustration of tectonics around source area of the 2008 Panzhihua earthquake and its surrounding regions A blue star shows the epicenter of the Panzhihua (MS6.1) earthquake. Black and light blue solid lines indicate active faults (F1, F2 Yuanmou-Lvzhijiang Fault, F3 Anninghe Fault, F4 Zemuhe Fault, F5 Xiaojiang Fault, F6 Chenghai Fault, F7 Ninghui Fault, F8 Puduhe Fault, F9 Red River Fault, F10 Zhaotong-Ludian Fault, F11 Mouding Fault, F12 Nanhua-Chuxiong Fault) and the tectonic boundaries, respectively (邓起东, 2007). A blue box on the lower-left map shows the study region. The beachballs on the upper-left map show the focal mechanisms of the 2008 MS6.1 main-shock and its large aftershocks (MS>4.0) (龙锋等, 2010).

攀枝花地震是继2008年5·12汶川大地震后川滇地区又一次震级较强、影响较大的地震.攀枝花地震序列为我们研究元谋—绿汁江断层性质，以及进一步了解该区域孕震过程提供了机会.先前关于攀枝花地震的震源机制的研究认为，本次地震的发震断层可能是贯穿震源区近南北向的红格断裂(南段)，反映了该地震序列是在川滇地块SE-SSE向水平运动的背景下，沿近南北向的红格断裂发生左旋走滑略兼逆冲运动的结果(龙锋等, 2010).通过采用多种震源深度定位方法，如全波形反演、深度震相(sPL、sPn)定位及hypo2000等方法对攀枝花地震序列进行定位研究(张瑞青和吴庆举，2008；Wang et al., 2011a；王登伟，2011)，得出了攀枝花地震序列震中呈近南北方向分布，总长度约37 km的结论.地震序列主要集中在元谋断裂带，震源深度的优势分布在5~15 km之间，平均震源深度为9.7 km(傅莺和范军，2010).汶川地震同震形变场定量计算结果表明，在汶川地震引起的同震形变场作用下，安宁河断裂带附近存在着较大的能量增加区，由此造成了攀枝花地震震源区库伦应力增加(Parsons et al., 2008).利用川西地区区域水准观测资料，借助负位错反演与应变积累时空演变特征分析，揭示在1997—2003年期间元谋—绿汁江断裂南段应变积累呈加速特征(张希等, 2009)，该特征对攀枝花M_S6.1地震孕育背景有一定的影响.

综上所述，尽管前人对本次地震震源机制、成因、地震参数等进行了探索和讨论，但整体来说，研究成果较少，不足以全面揭示和理解该地震的产生机制；另一方面，针对攀枝花地震震源区三维速度结构的研究较少.因此，为了更好的理解和揭示该地震的产生机制及区域地震构造背景，我们收集了2000—2017年仁和—会理地区地震台站记录的大量的纵、横波地震走时数据，采用地震层析成像的方法，对纵波和横波数据进行联合反演，获得了震源区的深部三维速度(V_P, V_S)和泊松比结构(σ).该研究成果将为进一步理解攀枝花地震的孕育、诱发和发震机制提供重要信息.

为了获得震源区的高分辨三维深部速度和泊松比结构，我们收集了大量的地震走时数据.这些数据的来自241个固定台站和临时台站(如图 2)，包括中国地震台网2009—2017年的震相数据，以及由四川地震局、云南地震局和中国地震局地球物理研究所提供的固定台站与临时台站的震相数据.在此基础上，我们对收集到的数据进行了严格的挑选，标准如下: (1)地震事件均发生在本研究区的域内，且震级大于等于2.0；(2)每一个地震事件都有8条以上的走时记录.最后，在研究区域共挑选出9550个地震事件用于纵波速度结构的反演，包括123053条P、Pg、Pn震相.此外，我们还挑选出8541个地震事件用于横波速度结构的反演，包括100176条S、Sg、Sn震相.为了进一步提高结果的质量，我们在实际反演三维纵、横波速度结构的过程中仅选择绝对走时残差在-3.0 s~+3.0 s之间的数据进行反演(图 3).

图 2

Fig. 2

图 2 反演中所使用的台站、地震事件和射线路径的分布 白色三角符号表示中国地震台网的固定台站，黑色三角符号表示四川地震局、云南地震局以及中国地震局地球物理研究所(IGCEA)提供的台站；白色圆形符号表示地震事件的震源位置，其大小表示震级；白色五角星是攀枝花地震的主震震中位置；深灰色实线表示射线路径. Fig. 2 Distributions of seismic stations, events and ray paths White triangles represent stations of China National Seismological Network (CNSN), while black ones stand for stations of Seismological Bureau Sichuan Province and Yunnan Province and Institution of Geophysics of China Seismological Bureau (IGCEA). White circles are hypocenter locations, whose sizes are corresponding to the magnitudes. The white star is the epicenter of the mainshock of MS6.1 Panzhihua earthquake. Dark gray solid lines are ray paths.

图 3

Fig. 3

图 3 反演前后走时残差的分布：(a)纵波走时残差的分布；(b)纵波走时残差绝对值的分布；(c)横波波走时残差的分布；(d)横波走时残差绝对值的分布.灰色柱状图表示第一次迭代的结果，蓝绿色柱状图表示第十次迭代后的结果. 每个子图图示中括号里的两个数字依次代表数据的平均值和方差. Fig. 3 Distributions of (a) traveltime residuals of VP, (b) absolute traveltime residuals of VP, (c) traveltime residuals of VS and (d) absolute traveltime residuals of VS. gray bars are results after one iteration and cyan ones are those after ten iterations. The two numbers in the brackets in the legend of each subplot are respectively the mean value and the variance of corresbonding data

一维初始速度模型的选择对反演速度模型具有较大的影响.在浅部，我们检测了大量的前人的研究成果.通过多次实验，我们在接收函数和层析成像研究的速度模型(Xu et al., 2007; Wang et al., 2010)的基础稍作修改，并把它作为初始速度模型用于三维反演.为了有效降低最终残差，同时考虑了攀枝花地震震源区及周边区域地层的横向不均匀性和康拉德面、莫霍面深度的变化.其中，康拉德面和莫霍面信息来自Crust 1.0模型(Laske et al., 2013).我们利用三次插值方法(cubic interpolation)对Crust 1.0模型中的数据进行插值.在研究区域的范围内，我们采用相比于研究区域外边界条件区间更加密集插值点.在上地幔，V_P和V_S的初始值采用IASP91(Kennett and Engdahl, 1991)模型.在充分考虑到地震和台站空间分布的情况下，我们将三维网格模型的网格水平间距设置为0.4°，垂直间距设置为3~15 km并随着深度的增加而递增.基于以上数据、模型，我们进行了第一次反演.所采用的方法是Zhao等(1996)提出的地震层析成像方法.它的优点是同时应用斯奈尔定律和伪弯曲法(Thurber, 1983; Um and Thurber, 1987)有效地处理地下速度不连续面上射线的反射和折射问题，进而提高射线追踪和走时计算的精确度.然后，我们在获得的三维P波和S波速度模型中再次提取新的速度模型，把它作为新的3-D初始速度模型再次进行反演，反演中共迭代10次，反演前后的残差情况如图 3所示.一维速度模型如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 反演中所使用的3-D网格模型和初始速度模型 (a)三维网格模型，在该模型中考虑了Moho和Conrad速度不连续面；(b)初始速度模型的1-D表述，速度值大小为同一层速度模型的平均值. Fig. 4 3-D grid model and initial velocity model (a) 3-D grid model with Moho and Conrad velocity discontinuities; (b) Initial velocity model in 1-D version. The velocity value is the average of each layer calculated from the model.

为了验证结果的可靠性，我们开展了不同栅格间距的棋盘分辨率测试来评估层析成像模型的空间分辨率.在测试中，我们在相邻网格节点增加±3%相间的速度扰动，然后通过正演计算理论走时数据.同时，为了保证检测板实验和实际反演的一致性，两者所采用的地震台站、三维网格和初始速度模型以及相关的主要参数均保持一致.图 5是V_P和V_S在不同深度的棋盘分辨率测试结果平面图.从该结果中我们可以看到V_P和V_S的结果具有较好的一致性，研究区域在3~60 km深度之间分辨率良好.

图 5

Fig. 5

图 5 分辨率测试结果在不同深度上的水平切片 Fig. 5 Plain slices of Checkboard Resolution Test in different depths

此外，图 6给出了2008年攀枝花地震主震震中的两条重要剖面的分辨率测试结果.该结果进一步表明，主震震源区域及其周边区域的三维地震波速度场被很好地恢复.再者，图 2给出的射线分布说明在上述区域内的射线覆盖水平良好.最后，图 3给出的走时残差结果表明，进行10次迭代以后的走时残差明显比第一次迭代的结果收敛.综合以上四方面因素，我们认为基于本研究所采用的数据、模型和方法进行反演，获得的三维速度结构是真实可靠的.

图 6

Fig. 6

图 6 棋盘分辨率测试的垂直剖面结果 剖面的位置在图 1中给出.灰色的虚线表示速度间断面，白色五角星代表攀枝花地震的主震震源位置. Fig. 6 Results of Checkboard Resolution Test of the two cross sections given by Fig. 1 The gray dash lines represent the depth of velocity discontinuities. The white star stands for the epicenter of the mainshock of MS6.1 Panzhihua earthquake

图 7给出了攀枝花地震震源及周边地区的3~60 km的纵、横波速度与泊松比结构.其中，泊松比是根据纵、横波速度模型直接计算得到的.虽然通过这种方法计算得到泊松比模型，相比于通过泊松比反演方法计算得到的模型精确度较低，但它仍然能够粗略地反映泊松比分布特征.这是因为数据集中的地震事件同时包含多个纵、横波到时，两者的匹配度较好.从该图中能够看出，川滇菱形地块在中上地壳中分布着大范围的高速、低泊松比异常.该特征可能代表富含铁镁成分的下地壳流不断挤压所造成的结果.地壳内部大量幔源物质的侵入极大地增强了地壳介质的力学强度，并形成以攀枝花(101.8°E，26.05°N)为中心的坚硬块体，阻碍了青藏高原物质向南的运移，从而导致了北部地形的快速隆升(吴建平等, 2013；Wang et al., 2015；胡亚平等, 2017).相比之下，研究区域下方中下地壳内存在大范围的低速、高泊松比异常，我们认为这种异常可能代表来自青藏高原的下地壳流体或部分熔融物质受到高原内部挤压在向东迁移的过程中，遇到四川前陆盆地的阻挡而向南逃逸而呈现出的特征.攀枝花地震发生在青藏高原东南缘滇中次级块体上呈近南北分布的元谋—绿汁江(元谋—昔格达)断裂带北段(徐锡伟等, 2003；龙锋等, 2010；刘强和毛慧玲, 2012).从层析成像的结果来看，该断裂是一个明显的高、低速异常边界.在元谋—绿汁江断裂西侧分布着的川滇菱形地块呈高速异常体，而在元谋—绿汁江断裂西东侧分布着低速异常体，且该低速异常体与高速异常体同样具有高泊松比异常的特征，初步推测元谋—绿汁江断裂可能是一条重要的、明显的次级构造分界线.从岩石物理学角度来讲，高速异常代表截止的固态属性，如硬度、脆性等；高泊松比异常代表岩石的流变性质或含流体的程度.因此，高速、低泊松比异常很有可能代表含有极少或不含流体的坚硬岩石结构，如四川盆地下方古老而稳定的克拉通构造就具有这样的特征.高速度、高泊松比异常兼具固体和流体特征，很可能代表被流体侵入的岩体，例如一些研究中得到的汶川地震震源区域.低速、高泊松异常代表具有很强的流体特征，相对应的介质可能包括：(1)流体及流变或部分流变的岩石, (2)地表附近高度破裂且被大量流体侵入的岩石，以及(3)沉积盆地中孔隙度较大的砂岩.这三种特征均可以在龙门山断裂带上、下地壳和四川前陆盆地0~10 km深度范围内发现(Wang et al., 2015;王志等, 2017).因此，我们认为，元谋－绿汁江断裂可能是中下地壳流体上涌的重要通道.由于位于西侧具有高速、低泊松比特征的川滇菱形块体对流体的迁移有较强的阻挡作用，大量上涌的流体通过断层系统向东侧的上地壳中迁移.

图 7

Fig. 7

图 7 不同深度的纵、横波速度和泊松比图像的水平切片 黑色和白色实线分别表示活动断层和主要板块边界，白色和黑色圆点分别表示沿着不同深度的余震和背景地震，绿色五星表示攀枝花地震震源.黑色圆圈表示历史性大地震，地震震级表示在右侧.红色代表低速和高泊松比，蓝色表示高速和低泊松比.速度和泊松比扰动值显示在底部. Fig. 7 Plan views of seismic images in depth A green star indicates the 2008 MS6.1 Panzhihua earthquake. Black solid circles show the large histroical earthquakes. Black and white solid lines indicate the active faults and the main tectonic boundaries, respectively. The magnitude scale of the large earthquake is shown on the right hand. Left, middle and right column indicate VP, VS and σ respectively. Red color denotes low velocity and high Poisson ratio and blue color indicates high velocity and low Poisson′s ratio. The velocity and Poisson ratio perturbation scales are shown on the bottom of the map.

图 8给出了东西、南北走向的两个的垂直剖面.从这两个剖面上我们可以更加容易地看出，攀枝花地震震源区是一个高速异常与低速异常的分界区域，同时该区域及其下方存在着明显的低横波速度异常、高泊松比异常区域.这种柱状异常区域很可能表征了下地壳流体或上地幔热物质的大量上涌.上涌的流体或流变物质对地震的触发有很大的贡献：一方面能够通过侵入岩石降低其力学强度，使岩石的脆性增加，更容易破裂；另一方面还能降低断层面的摩擦力，使其更容易发生解耦.而高速与低速异常体的分界处之所以更加容易发生地震还有另一个重要原因：分界处两侧较大的速度结构差异可能表示它们之间的岩石物理属性具有较大的差异.在相同或相似的应力环境下，两侧块体所发生应变程度差异较大，而这种较大的应变差异可能产生额外滑动或滑动趋势.

图 8

Fig. 8

图 8 南北向、东西向速度和泊松比垂直剖面 地表形貌在每个剖面顶部显示.在每一剖面中两条实线表示上、下地壳之间的边界，而地壳和地幔之间的边界是从以往的研究(Laske et al., 2013)得出的.黑点表示沿每个剖面发生在水平方向上15 km范围内的地震.绿色五星表示攀枝花地震的震源.红色表示低速和高泊松比，蓝色表示高速和低泊松比.速度和泊松比扰动在底部显示. Fig. 8 Vertical cross-sections along WE and NS lines shown in Fig. 1 The surface topography is shown on the top of each profile. Two black dashed lines in each section indicate the boundary between the upper and lower crust and that between the crust and mantle(Laske et al., 2013). Black dots exhibit the earthquakes that occurred within a 15 km-wide band along each profile. A green star denotes the locations of the 2008 Panzhihua main-shocks. Red circles indicate the large historic earthquakes. Red denotes low velocity and high Poisson′s ratio and blue color indicates high velocity and low Poisson ratio. The velocity and Poisson ratio perturbation scales (in percentage) are shown at the bottom.

图 9给出研究区域历史强震的震源机制和地应力分布.元谋—绿汁江断裂带是川滇地区重要的一条二级构造单元(张瑞青和吴庆举，2008)，北起磨盘山断裂附近，南止楚雄—建水断裂带，长约270 km，以宁会断裂为界，宁会断裂以北称为昔格达断裂受NNW-SSE方向挤压作用，以南称为元谋断裂，受较强的NW-SE向最大主压应力作用(卢海峰等，2009;卢海峰和姬志杰，2011)；元谋—绿汁江断裂带呈近S-N方向展布，以左行剪切走滑为主，局部呈张剪或压剪的性质，自晚第四纪以来平均水平滑动速率为2.0±0.6 mm·a^-1(卢海峰等，2008).该断裂曾发生过数次中强破坏性地震(李世成等，2009；李大虎，2016)，如1955年9月1日、23日四川会理鱼蚱5级和6.7级地震、2008年8月30日的攀枝花M_S6.1地震、31日的攀枝花M_S5.6地震.从震源机制的情况我们可以看出，虽然部分强震具有东西走向的拉张，但绝大多数强震以纯剪切为主.综合考虑应力分布、速度结构以及泊松比分布，我们认为攀枝花地震的触发可以解释为下述机制：元谋—绿汁江断裂的断层面上积累了强大的剪切应力.一方面，大量流体的侵入降低断层面上的摩擦力，使其更容易发生滑动；另一方面，由于西侧坚硬的川滇菱形块体对流体具有一定的阻挡作用，绝大部分流体通过断层系统向东侧的块体内部迁移，造成断层面两侧块体的岩石物理属性具有较大的差异(Wang et al., 2015).这种差异在相同的应力环境下产生的应变程度同样具有较大的差异，对滑动趋势有额外的贡献.另外，汶川地震的同震效应也可能促进了上述过程(Parsons et al., 2008).

图 9

Fig. 9

图 9 地壳应力和地震震源机制 黑箭头显示最大地壳应力的方位角，箭头的长度显示最大应力值.震源机制数据来源于哈佛的CMT目录. Fig. 9 Crustal stress and earthquake mechanisms in source area of the 2008 Panzhihua earthquake and its surrounding regions Black arrows indicate locations and the maximum stresses of the crust, respectively (Huang et al., 2009; Wang et al., 2011b). The arrow directions show the azimuths of the maximum stresses. Black beach balls show mechanisms of the earthquakes calculated using the CMT catalog from Harvard University. The sizes of the beach balls indicate the earthquake magnitudes. Bold gray solid lines indicate the main tectonic boundaries and thin black lines show the active faults.

本研究通过反演大量高质量的地震走时数据，获得了攀枝花地震震源区及周边深部三维纵、横波速度及泊松比结构，进一步探讨了2008年攀枝花M_S6.1地震的触发机制.从层析成像的结果来看，元谋—绿汁江断裂是一个明显的高、低速异常边界.在元谋—绿汁江断裂西侧的川滇菱形地块呈高速异常体，而在元谋—绿汁江断裂西东侧分布着明显的低速异常体，且该低速异常体与高速异常体同样具有高泊松比异常的特征，初步推测元谋—绿汁江断裂可能是一条重要的次级构造分界线，同时是中下地壳流体上涌的重要通道.因地处元谋—绿汁江断裂西侧具有高速、低泊松比特征的川滇菱形块体对流体的迁移有较强的阻挡作用，大量上涌的流体通过断层系统向东南侧的上地壳中迁移.因此，攀枝花地震的触发可以归结为以下四个方面的综合作用：(1)元谋—绿汁江断裂的断层面上积累了强大的剪切应力.(2)大量流体的侵入降低断层面上的摩擦力，使其更容易发生滑动.(3)由于元谋—绿汁江断裂西侧坚硬的川滇菱形块体对流体具有一定的阻挡作用，绝大部分流体通过断层系统向东南侧上地壳迁移，造成断层面两侧块体的岩石物理属性具有较大的差异，该差异在相同的应力环境下产生的应变程度同样具有较大的差异，对滑动趋势有额外的贡献.(4)汶川地震的同震效应.