魯甸MS6.5地震震源區地殼結構及孕震環境研究

王興臣， 丁志峰， 武巖， 朱露培

1 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081 2 Department of Earth and Atmos. Sciences, Saint Louis Univ., MO, 63108, USA

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魯甸MS6.5地震震源區地殼結構及孕震環境研究

王興臣1， 丁志峰1， 武巖1， 朱露培2

1 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081 2 Department of Earth and Atmos. Sciences, Saint Louis Univ., MO, 63108, USA

本文利用由中國地震局在魯甸地震震區附近架設的35個流動觀測臺站記錄的遠震事件記錄，采用接收函數H-k掃描方法和CCP疊加成像方法獲取了魯甸地震震源區的地殼精細結構，結果顯示魯甸地震發生在地殼厚度和泊松比變化較劇烈的地區.昭通斷裂西南段和東北段地殼物質組分差異明顯，西南段斷裂兩側地殼組分均顯示為中泊松比分布，東北段斷裂兩側泊松比從低泊松比快速變化為高泊松比，表明東北段西南側殼內含有更多鐵鎂質組分，造成昭通斷裂西南段和東北段對青藏高原下地殼物質向東南運移的阻擋有所差異，導致殼內應變積累，從而引起魯甸地震的發生.在震源區地殼內部存在的低速層，可能為此次地震提供了可能的孕震環境.魯甸地震與蘆山地震雖然均沒有產生明顯的地表破裂帶，但兩者的震源機制以及孕震環境存在著明顯的差異.本文也認為未來應關注青藏高原東緣斷裂的歷史地震空段發生大地震的可能性.本文研究結果對于理解青藏高原東緣區域的孕震背景具有一定的意義.

地殼結構； 魯甸地震； 接收函數； 泊松比

1 引言

北京時間2014年8月3日16時30分，云南省昭通市魯甸縣發生MS6.5級地震，震中位置位于北緯27.1°，東經103.3°，震源深度12 km，余震1335次(http:∥www.cea.gov.cn/publish/dizhenj/464/515/20140811084413870213972/index.html[2014-11-28])，截至2014年8月8日15時，地震共造成617人死亡，造成了重大的人員傷亡和財產損失.震區所處的川滇地區位于青藏高原東南，揚子塊體的西緣，地處南北地震帶的南段，是我國地震活動最強的地區之一，附近有眾多深大斷裂存在，主要的斷裂有則木河斷裂、大涼山斷裂、小江斷裂、寧會斷裂、蓮峰斷裂、馬邊—鹽津斷裂(圖1).地震發生在昭通斷裂中段西側，而其余震分布并非沿著昭通斷裂的NE走向，主震震源機制以走滑特性為主(房立華等，2014；劉成利等，2014；王未來等，2014；張勇等，2014)，也非昭通斷裂的逆沖特性，同時地震沒有產生明顯的地表破裂帶，因此是否與2013年四川蘆山MS7.0地震相似、發生在隱伏斷裂上就成為一個很值得探討的問題.

2006年中國地震局在南北地震帶的南段架設了流動地震觀測臺陣，本文在區域地震構造環境分析的基礎上，結合魯甸地震震源機制解、余震空間分布特征及其他地球觀測結果等，采用在震源區附近架設的35個臺站的遠震事件記錄獲取了魯甸地震震源區的地殼結構，然后討論地震斷層的孕震環境.這一研究有助于深化認識地震破裂過程，對活動斷層相互作用和地震空間遷移或未來地震發展趨勢的認識等具有重要的科學意義.

圖1 構造及流動地震臺站分布圖

2 數據與方法

本文選取在魯甸地震震區及周邊地區布設的寬頻帶流動臺站35個，地震計為CMG-3ESP，頻帶范圍為50 Hz～60 s，每秒50個采樣點，臺站間距約為30 km，臺站分布如圖1所示.選取從2006年8月至2013年7月間，震中距在30°～90°、震級大于5.5級、波形記錄性噪比高的地震事件，圖2給出了所用事件的震中分布，共1370個地震事件，從圖2中我們可以看到，地震事件的方位覆蓋較好.

圖2 震中分布圖Fig.2 Distribution of the epicenters

2.1 提取接收函數

先對地震臺站記錄到的三分量原始記錄作去均值處理，再進行0.02～1 Hz的帶通濾波處理，去除儀器響應，以P波前50 s為起點，在寬度150 s的時窗內截取了P波波形，將兩個水平分量旋轉到徑向和切向方向，得到徑向和切向分量.為了獲得較可靠的接收函數，需要對觀測波形進行嚴格的篩選，本文挑選信噪比大于5、至少被5個臺站以上記錄到的波形記錄用于提取接收函數.采用Ligorría和Ammon 1999年提出的時間域迭代反褶積方法來提取接收函數.提取完接收函數后，需要對接收函數進行評價，沒有明顯的Moho界面轉換波震相，或者與鄰近射線路徑的接收函數差異較大的結果均被剔除.2.2H-k方法

地殼厚度H和地殼物質的泊松比ν作為描述地殼結構和物質性質的2個參數, 對深部介質性質的研究有重要作用.地殼的泊松比ν可以直接從P波和S波的波速比k求取:

ν=0.5[1-1/(k2-1)],

其中k=Vp/Vs.接收函數的水平徑向主要包括Ps波，以及經過多次反射的PpPs，PsPs和PpSs等震相.利用這些震相和直達P波之間的到時差，Zhu和Kanamori(2000)發明了H-k方法，可以用來獲取臺站下方的地殼厚度H和波速比k.H-k疊加函數為s(H,k)，有

s(H,k)=w1r(t1)+w2r(t2)-w3r(t3),

r(t)是徑向接收函數，t1，t2和t3是對應的Ps, PpPs和PpSs+PsPs的轉換波到時.wi(i=1,2,3)是權重因子，需要滿足w1+w2+w3=1.在本文中，權重因子w1，w2，w3分別為0.6，0.3和0.1，相對應為Ps, PpPs 和PpSs + PsPs震相.

2.3 CCP疊加成像

Dueker和Sheehan(1997)、Yuan等(1997)采用共中心點(CMP)疊加成像方法獲得臺站下方地殼上地幔結構，獲得了很好的研究結果.Zhu在此基礎上提出了共轉換點(CCP)疊加接收函數成像方法，本文將其應用到研究區地殼結構接收函數成像中.先對臺站下方進行網格劃分，深度方向網格間距為1 km，水平方向網格間距為5 km.通過一個背景模型進行射線追蹤以確定射線路徑，將接收函數的每一個時間上的振幅看作某個深度的界面產生的Ps轉換波，從而將此振幅投放到其轉換點上.進行接收函數的時空變換之后，將每個網格內的所有的振幅進行疊加來壓制噪音和多次波的干擾.由于振幅正比于轉換點處介質的速度跳躍幅度，CCP疊加后得到的三維空間圖像將反映地殼結構.

本文采用三維速度模型進行射線追蹤.地殼部分采用的是通過接收函數H-k掃描獲得的各臺站下方的地殼速度結構，地幔部分的速度結構采用的是IASPEI91參考模型.

3 結果

利用時間域接收函數的計算方法，對研究區35個臺站所接收到的1370個地震進行了計算.并經過嚴格的挑選，最后共得到良好接收函數7230個，平均每個臺站有206個有效接收函數，為進行H-k疊加搜索和CCP疊加成像提供了可靠的保障.在地殼45 km處的轉換點間距小于0.2 km范圍內的接收函數進行了疊加.把挑選好的接收函數按方位角分布，得到的結果如圖3a所示，將接收函數按照射線參數排列，并對相同的射線參數的接收函數進行了疊加，得到的結果如圖3b.從圖中可以看到明顯的Moho界面轉換波Ps震相及多次波震相.

為了更好地展示研究區的地殼厚度和泊松比分布情況，對各臺站通過H-k掃描獲取的結果進行插值得到了地殼厚度及泊松比的二維分布，如圖5所示.從圖5中可以看到在震源區附近地殼厚度和泊松比均有明顯的變化.昭通斷裂的東北段和西南段地殼厚度及泊松比差異明顯.昭通斷裂東北段地殼厚度較薄，泊松比在其東南側由低泊松比快速變為高泊松比；斷裂西南段地殼厚度較厚，泊松比則均呈現為中泊松比，表明昭通斷裂東北段和西南段下方地殼物質組分存在明顯的差異.這種在昭通斷裂東北段與西南段之間的差異，可能是形成這次地震的構造基礎.為了更好地刻畫震源區地殼內部結構，利用H-k掃描獲取的結果構建三維模型來進行CCP疊加成像，選取的兩條剖面位置如圖5所示，成像結果如圖6所示.從圖中可以看到在震源區下方Moho界面及泊松比變化明顯.

圖3 XNN01臺接收函數結果

圖4 用H-k掃描算法獲得臺站下方的地殼厚度和地殼波速比，以及用獲得的(H,k)最佳解作預測的走時曲線(Ps, PpPs, PpSs+PsPs)Fig.4 The crustal thickness and VP/VSobtained by H-k grid search method, and the travel time predicted by the optimum pair (H,k)

圖5 地殼厚度(a)及泊松比(b)分布Fig.5 Variation of crustal thickness (a) and Poisson′s ratio (b)

表1 地震臺站下方的地殼厚度和波速比Table 1 Crustal thickness andVP/VSbeneath the stations

4 討論

本文利用接收函數H-k掃描方法獲取了震源區的地殼厚度和泊松比分布，通過CCP疊加成像獲得了剖面下方的地殼精細結構，成像結果清晰地顯示了地殼厚度和泊松比變化情況.地殼組分一般分為低泊松比值(ν<0.26)、中泊松比值(0.26<ν<0.28)和高泊松比值(ν>0.28).從圖5中可以看到魯甸地震發生在地殼厚度和泊松比變化較劇烈的位置.昭通斷裂西南段兩側地殼厚度和泊松比均勻連續變化，而東北段兩側地殼厚度和泊松比變化劇烈，泊松比迅速從低泊松比變化為高泊松比.

從圖5中可以看出，昭通斷裂西南段兩側泊松比都為中泊松比分布(0.26<ν<0.28)，且斷裂兩側地殼厚度連續變化，表明昭通斷裂西南段對青藏高原下地殼物質向南東流的阻擋作用較弱，青藏高原下地殼物質運移可能已經跨過昭通斷裂西南段.而昭通斷裂東北段兩側則存在明顯的地殼厚度差異，同時昭通斷裂東北段兩側泊松比存在明顯差異，由西北側的低泊松比(ν<0.26)快速變化為東南側的高泊松比(ν>0.28)，低泊松比暗示地殼含有的長英質組分較多，高泊松比暗示含有鐵鎂質組分較高，表明昭通斷裂西北段兩側地殼組分有巨大差異；東南側存在較硬塊體，暗示青藏高原下地殼物質在向東南運移的過程中受到昭通斷裂東北段的阻擋作用較強.

重力研究結果顯示在昭通斷裂西南段和東北段存在明顯的密度結構差異，西南段的密度結構沒有受到斷裂影響，而東北段的密度結構顯著受到斷裂阻擋(陳石等，2014).GPS監測給出的應變速率具有西南段大、北東段小的變化特點：其西南段垂直于斷裂帶走向的地殼擠壓縮短率為4～6 mm·a-1，北東段擠壓縮短率2～3 mm·a-1(聞學澤等，2013).基于噪聲成像的研究結果(魯來玉等，2014)顯示，在25 s周期，昭通斷裂附近面波群速度及各向異性快波方向存在快速轉變，西南段群速度較低，面波各向異性快波方向為近南北向，東北段群速度較高，面波各向異性快波方向為近東西向，而在震中附近各向異性強度幾乎為零.這些研究也表明青藏高原下地殼物質在向東南運移的過程中受到昭通斷裂西南段和東北段的阻擋作用有所差異，西南段的阻擋作用較弱，東北段的阻擋作用較強，為本文的研究結果提供了支持.

根據接近垂直于昭通斷裂的AA′剖面CCP疊加成像給出的震區地殼精細結構(圖6)可知，本次地震震中區域地殼在15 km深度上存在低速間斷面，在25 km深度上存在高速間斷面，表明殼內15 km左右存在低速層，而此次魯甸地震的震源深度也為15 km，推斷這個殼內低速層可能與孕震構造有一定關系.重力研究結果也顯示在上地殼內部存在低密度結構異常，也表明可能存在低速層(陳石等，2014).同時可以看到，昭通斷裂兩側殼內結構差異明顯，在昭通斷裂東南側20 km高速間斷面埋深變淺，變為15 km左右，泊松比升高，暗示殼內物質含鎂鐵組分較多；同時這個區域下地殼呈現出高密度結構特征，體波層析成像結果顯示為高速異常(吳建平等，2013)，表明這個區域可能存在一個較硬的異常體.這個局部異常體可能起到了障礙體的作用，使得昭通斷裂東北段對青藏高原下地殼物質向東南運移有較強的阻擋作用，有利于應變能的積累.如果認為這個高速間斷面為上中地殼分界面，則可以看出昭通斷裂兩側上地殼厚度在斷裂兩側相差10 km.從平行于昭通斷裂走向方向的BB′剖面CCP疊加成像(圖6)給出的地殼精細結構可以看出，在震源區下方地殼厚度存在突變，從震中西南部的52 km，越過魯甸震中區域，至震中東北部減薄到48 km.同時可以看出在震中區域的西南，在上下地殼同時存在低速間斷面，呈現為高低速間斷面相間平行排列的特征，可能也為魯甸地震的孕育提供了環境.

自2000年以來，青藏高原東緣地區地震活動背景明顯增加，已進入構造運動明顯增強的階段，魯甸地震是繼汶川地震和蘆山地震后的又一次重大地震.如引言中所說，魯甸地震和蘆山地震均沒有產生明顯的地表破裂帶，那么探討兩者之間的異同點就成為一個很有意義的問題，有利于理解青藏高原東緣的孕震背景.兩次地震均發生在青藏高原東緣，蘆山地震也發生在地殼厚度和波速結構變化劇烈之處.魯甸地震及其余震發生在泊松比較低的地區, 而蘆山地震及其余震發生在高泊松比地區(鄭勇等，2013).在龍門山斷裂帶，從青藏高原到四川盆地，海拔迅速從～4000 m過渡到～500 m，龍門山兩側的重力異常差異高達200×10-5m·s-2，為世界上坡度最陡的高原邊界.同時，龍門山地區與四川盆地之間的縮短率僅為2～3 mm·a-1，在龍門山斷裂帶兩側，地殼厚度存在10 km左右的突變(Wang et al.，2007)，地殼厚度由距離斷層150 km處的～60 km急劇減薄到斷層附近約～40 km(鄭勇等，2013).地殼厚度和地形高度的巨大差異所產生的重力勢能可能在一定程度上構造成了蘆山地震的孕震環境.然而從青藏高原跨過小江斷裂帶到華南地塊的魯甸地區附近海拔高度基本是逐漸變化，地殼厚度的變化也沒有龍門山斷裂帶附近變化劇烈，這些表明青藏高原地殼物質在向東運移的過程中雖然受到了華南地塊的阻擋，但在龍門山斷裂帶和昭通斷裂帶處的阻擋作用有所差異.以上這些表明雖然兩次地震都受青藏高原地殼物質東移的影響，然而兩次地震的孕震環境存在著明顯的差異.

圖6 接收函數CCP疊加結果黑線代表高程，紅線代表泊松比，黑色圓圈代表余震序列分布.Fig.6 CCP stacking image of receiver functions Black line indicate the elevation, red line indicate the Poisson′s ratio, black circles are the aftershock events.

蘆山地震是巴彥喀拉塊體向東南運動受到華南塊體強烈阻擋，引起龍門山推覆構造帶南段深部緩傾角逆斷層黏滑錯動產生的一次高角度逆沖型地震，而魯甸地震以走滑特性為主，兩次地震震源機制上存在著明顯的區別.徐錫偉等(2013)結合余震的空間分布特征、震源機制解等資料, 推測蘆山地震屬典型的盲逆斷層型地震，并認為龍門山推覆構造帶尚未發生歷史地震破裂的地震空段應引起高度重視.結合野外考察、主余震條帶狀展布、震源機制解和地震烈度長軸方位等資料，研究結果表明魯甸地震發震斷層為北西向包谷垴—小河斷裂(徐錫偉等，2014；王未來等，2014)，屬大涼山斷裂南端部組成部分，與西側的安寧河斷裂和則木河斷裂，東側的馬邊—鹽津斷裂一起組成了青藏高原最東緣與華南地塊相互作用形成的前緣最新構造變形帶.昭通、蓮峰斷裂帶作為活動的大涼山次級塊體與相對穩定的華南地塊之間的分界帶，近十年來其附近發生的中強地震明顯增多，計有2003年魯甸MS5.0和5.1級地震、2004年MS5.6級地震、2006年鹽津兩次MS5.1級地震、2012年彝良MS5.7和5.6級地震、以及2014年魯甸MS6.5級地震.2014年MS6.5級魯甸地震對則木河斷裂南段、大涼山斷裂南段都有一定程度的加載作用(聞學澤等，2013；徐錫偉等，2014)，因此未來應關注這些斷裂的歷史地震空段發生大地震的可能性.

5 結論

本文通過應用接收函數H-k掃描方法和CCP疊加成像方法獲取了魯甸地震震源區的地殼精細結構，結果顯示魯甸地震發生在地殼厚度和泊松比變化較劇烈的地區，表明在地殼厚度和泊松比變化劇烈的地區發生大地震的可能性較大.在昭通斷裂東北段泊松比快速由低泊松比變化為高泊松比，西北側地殼組分含長英質成分較多，而東南側含鎂鐵質組分較多，顯示昭通斷裂東北段東南側存在較硬的塊體，導致青藏高原下地殼物質在向東南運移的過程中受到昭通斷裂東北段的阻擋作用較強，形成了昭通斷裂西南段和東北段下地殼物質向南東方向的運移速率差異，從而在地殼內形成應變積累，繼而引發了魯甸地震.在震中區域15 km深度存在低速層，可能與孕震環境有一定關系.魯甸地震與蘆山地震雖然均沒有產生明顯的地表破裂帶，但兩者的震源機制以及孕震環境存在著明顯的差異.結合其他研究，本文也認為未來應關注青藏高原東緣斷裂的歷史地震空段發生大地震的可能性.

致謝 感謝中國地震局地球物理研究所“地震科學探測臺陣數據中心”為本研究提供地震波形數據.感謝評審專家對本文提出的寶貴建議.

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2.2.3 培育苗種。培育苗種對于養殖水體的水質有著較高的要求，在培育苗種的過程中，水體中的水溫、溶氧、氨氮、DH值及硝酸鹽等指標均會對培育苗種造成非常大的影響。苗種幼小，耐低氧能力偏弱，免疫力相對偏低，無法抵御外界侵犯，在全池中潑灑微生物制劑，利用微生物制劑分解掉水體中的殘留物質，降解水體中的氨氮，推動有益菌群的生長、繁育，弱化藻類及有害菌，為苗種創建優良的生態水質條件，增強養殖動物的免疫力。

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(本文編輯 胡素芳)

The crustal structure and seismogenic environment in the LudianMS6.5 earthquake region

WANG Xing-Chen1, DING Zhi-Feng1, WU Yan1, ZHU Lu-Pei2

1InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China2DepartmentofEarthandAtmos.Sciences,SaintLouisUniv.,MO, 63108,USA

Teleseismic events used in this study were recorded by 35 seismic stations that operated by China Earthquake Administration in the Ludian epicenter and surrounding region. We usedH-kstacking method and Common Conversion Point stacking method to reveal the detailed crustal structure beneath the Ludian earquake. The results show the Ludian earthquake occurred in the place where the crustal thickness and the Poisson′s ratio varies strongly. The crustal compositions are very different between the southwest part and the northeast part of Zhaotong fault，the Poisson′s ratio is at the middle level in the southwest part, however, the Poisson′s ratio changes rapidly from the lower level to higher level across the fault in the northeast part, indicates that there is more mafic minerals in the crust beneath the northeast part of the Zhaotong fault. The significant difference of the crustal composition between the southwest part and the northeast part of Zhaotong fault played a different blocking role to the southeast escaping of Tibetan Plateau materials and caused the strain accumulated in the crust, that induced the Ludian earthquake. The low velocity layer beneath the epicenter may provide the seismogenic environment. Although no surface rupture zone is observed in the epicenter of the Ludian earthquake and Lushan earthquake, there are significant different focal mechanism and seismogenic environment between the Ludian earthquake and Lushan earthquake. We also suggest that the historical seismic gaps in the eastern margin of the Tibetan plateau should get more attention in the furture. Our results are very useful to understand the seismogenic process in the eastern margin of the Tibetan plateau.Keywords Crustal structure, Ludian earthquake, Receiver function, Poisson′s ratio

10.6038/cjg20151112.

國家自然科學基金(41404069，41474088)和地震行業科研專項(201308011, 201008001)資助.

王興臣，男，中國地震局地球物理研究所助理研究員，主要從事深部結構研究.E-mail：wxc@cea-igp.ac.cn

10.6038/cjg20151112

P315

2014-12-02，2015-09-29收修定稿

王興臣， 丁志峰， 武巖等. 2015. 魯甸MS6.5地震震源區地殼結構及孕震環境研究.地球物理學報，58(11):4031-4040,

Wang X C, Ding Z F, Wu Y，et al. 2015. The crustal structure and seismogenic environment in the LudianMS6.5 earthquake region.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(11):4031-4040,doi:10.6038/cjg20151112.