三峡水库库首区地壳深部构造环境与地震成因研究＊

李 强 赵 旭 蔡晋安 刘瑞丰 赵翠萍

(1)地壳运动监测网络工程研究中心,北京 100036 2)中国地震台网中心,北京 100045

3)中国地震局地震预测研究所,北京 100036)

三峡水库库首区地壳深部构造环境与地震成因研究＊

李 强1)赵 旭2)蔡晋安3)刘瑞丰2)赵翠萍3)

(1)地壳运动监测网络工程研究中心,北京 100036 2)中国地震台网中心,北京 100045

3)中国地震局地震预测研究所,北京 100036)

利用地震 P波层析成像结果和三峡水库蓄水前的地震,研究三峡坝址及邻近区域的地壳深部构造环境与地震关系,探讨地震成因。结论如下：三峡地区蓄水前地震与地壳深部构造环境密切相关,地震基本发生在地壳深部高速异常构造与低速异常构造接壤处形成的速度梯度带上或附近,这表明,速度梯度带是地壳深部构造运动最活跃的地方,具有隐伏断裂的特征。三峡地区在现今区域构造应力场作用下,以及受上地幔部分熔融物质变形、膨胀、垂直向上的扰动场与伸张应力和热应力作用,导致地壳中断裂和隐伏断裂活动或产生新破裂,发生地震。

三峡水库库首区;地壳深部构造环境;蓄水;地震成因;隐伏断裂

1 引言

三峡水库蓄水前,三峡地区时有地震发生,如1972年 3月 13日周坪Ms3.3地震,1979年 5月 22日秭归龙会观Ms5.1地震,2001年 12月 13日秭归ML4.0地震等。前人对三峡地区有过很多研究,一般认为[1,2],在现今区域构造应力场的作用下,地震成因主要与NNW向的仙女山断裂、NNE向的新华断裂和九湾溪断裂、NE向的高桥断裂和牛口断裂有关。也有研究认为[3],中强地震与结晶基底顶层构造有关,大多数的中强地震出现在均衡重力异常正负值接壤处或均衡重力异常梯度带变化大的地方。还有研究认为[4],秭归龙会观地震发生在 NE向隐伏断裂上等。2001年三峡数字地震台网运行后, 2001—2003年 5月记录到三峡地区很多小地震 (图1),地震分布没有明显的规律性,有些地震分布在地表断裂上或附近,有些地震分布则与断裂无关。由上可知,三峡地区地震成因是比较复杂的。作者利用三峡数字地震台网记录地震资料,采用地震层析成像技术重建了三峡水库坝址及邻近地区中上地壳三维速度结构图像[5],为从地壳深部构造的角度研究地震成因创造了条件。本文通过研究地壳三维速度结构与地震关系,探讨三峡地区地壳深部构造环境与地震成因问题。

2 研究区构造背景与地震活动概况

2.1 研究区构造背景

图 1 三峡地区地质构造与地震分布图Fig.1 Geotectonic sketch of the Three Gorge area and epicenter distribution for 2001-2003 Mary

将 30.3°N～31.7°N,109.5°E～111.5°E的三峡水库库首区作为研究区域(图 1)。研究区域位于扬子准地台内,总体上说可分为基底构造层和盖层构造层两大部分[6]。基底构造层主要由早元古～晚元古代变质火山-碎屑岩及侵入期间的岩浆岩组成,黄陵地块是其出露部分,由巨厚变质杂岩和侵入其中的花岗岩、闪长岩组成,为固结程度高的结晶块体。盖层构造层主要由震旦系-三叠系的碳酸盐岩、碎屑岩组成。秭归盆地主要由侏罗系陆相和中上三迭统滨海相碎屑岩组成,砂岩、泥岩、页岩等互层,其他地区主要为碳酸盐岩广泛分布。人工地震测深研究得到[7],研究区域上地壳由结晶基底和沉积盖层组成,底面埋深 11～16.8 km。盖层底面埋深 0～8.2 km,结晶基底厚 7.2～14 km,波速 6.0～6.3 km/s,最厚处为黄陵背斜。中地壳底面埋深 24～28.8 km,平均波速 6.25 km/s,推测为闪长质岩层。中国东部 NNE向巨型重力梯度带通过该区域[2,8],三斗坪位于重力梯度带的中央,宜昌-归州梯度带宽约 65 km,梯度带等值线密集,梯度较大,平均梯度为 0.9×10-5ms-2/km。

研究区域地质构造的基本特征是以黄陵背斜为核心,周缘为沉积盖层所环绕,并被方向不同的断裂所围限,较大的区域性断裂,有雾渡河断裂、新华断裂、高桥断裂、水田坝断裂、牛口断裂、仙女山断裂、九湾溪断裂、天阳坪断裂、远安断裂带等。在兴山-巴东地区有新华、水田坝、牛口、高桥、巴东等断裂相会。上述断裂带的性质均为规模不大的一般区域性断裂,切割的深度不超过结晶基底。

2.2 研究区地震活动概况

“九五”期间,三峡总公司在库首区建设了由 24个台组成的数字地震台网 (图 1),平均台距为 15～20 km。在三斗坪-归州库段,台网内可定位的震级下限优于ML0.5,震中定位精度可达 1 km,震源深度测定精度可达 2 km;在归州-巫山库段,台网内可定位的震级下限优于ML0.5,震中定位精度可达 2 km,震源深度测定精度可达 5 km[9]。2001年 1月地震台网正式运行,到蓄水前的 2003年 5月,台网记录到研究区域内发生地震 251次。其中M≥4.0地震 1次,4.0＞M ≥3.0地震 4次,3.0＞M≥2.0地震 23次,2.0＞M≥1.0地震 190次,M＜1.0地震33次。另外,三峡地区两个重要地震事件,1979年5月 22日的秭归龙会观地震[10],1972年 3月 13日周坪地震也发生在研究区域内。我们选用M≥1.0共计 220次地震作为研究资料。采用双差定位法[11]对其进行重新定位[12,13],对那些不能重新定位的地震,则采用三峡数字地震台网的结果。

3 主要结果

图 2 地震、台站、射线覆盖和网格分布图Fig.2 The distribution of earthquakes,stations,ray coverage and grids

利用三峡地震台网 2001—2007年 6月记录的3 379次地震(图 2)的到时资料,采用地震层析成像技术[14]重建了三峡水库坝址及邻区中上地壳 P波速度结构[5],得到了 11张不同深度的速度结构图像,分辨率分析表明,在地震射线覆盖密集的区域(图 2),层析成像结果分辨率最高。将上述的蓄水前 220次地震,根据速度图像的深度,选择该深度上下 2 km深度范围内的地震,投影到该深度的速度图像上,得到不同深度速度结构与地震分布图像。速度分布表示如色标所示,以参考速度值为界,红色代表低速异常,蓝色代表高速异常。地震用圆圈表示,震级越大圆圈越大。为了解释方便,在图像中标注了主要地名,用三角形表示,他们分别是三斗坪、庙河、归州、周坪、兴山、巴东、培石和巫山。

由于地震层析成像时,地震台站与地震分布等原因,研究区域的边缘地区和 28km深度以下很少有或没有射线通过和地震发生,所以不对这部分地区和 28 km及以下深度进行讨论,仅对 2-0～20 km深度 9张速度图像进行讨论。由地震台网监测能力和三维速度结构图像结果分辨率情况可知,在地震台网覆盖的区域 (30.7°N～31.3°N,109.9°E～111.1°E)内结果精度最高,作为重点讨论的区域。

图 3(a)是 2-0km深度速度与地震分布图像,它反映的是上地壳 0～2 km深度的速度结构特征。相对于初始速度值 5.4 km/s的扰动主要在 -14%～14%之间,对应的速度值为 4.64～6.16 km/s。投影到图像上的地震震源深度为 0.0～4.0 km。图像表明：黄陵背斜为高、低速相间分布,南部长江通过的区域为低速异常,速度值为 4.64～5.1 km/s,其他区域以高速异常为主,速度值主要为 5.5～6.16 km/s;秭归盆地以低速异常为主,速度值主要为 5.0～5.35 km/s;长江和长江支流及其附近区域为低速异常,速度值主要为 4.64～5.37 km/s;巴东-巫山为高、低速异常相间分布。高速异常与低速异常接壤处形成速度梯度带,地震基本分布在速度梯度带上或附近。

图 3(b)是 2+0km深度速度与地震分布图像,它反映的是上地壳 2～5 km深度的速度结构特征。相对于初始速度值 5.5 km/s的扰动主要在 -15%～12%之间,对应的速度值为 4.67～6.16 km/s。投影到图像上的地震震源深度为 0.0～4.0 km。图像表明：黄陵背斜为高速异常,速度值为 5.6～6.16 km/s;黄陵背斜西侧区域为 NS走向的低速异常带,速度值主要在 4.8～5.3 km/s之间,中间被高速异常分隔;归州-巴东长江以南区域以高速异常为主,速度值主要在 5.5～6.0 km/s之间;巴东-巫山长江南北两侧区域以低速异常为主,速度值主要在 4.67～5.4 km/s之间,其中存在高速异常;长江支流及其附近区域多为低速异常。高速异常与低速异常接壤处形成速度梯度带,地震基本分布在速度梯度带上或附近。

图 3(c)是 5 km深度速度与地震分布图像,它反映的是上地壳中部的速度结构特征。相对于初始速度值 5.65 km/s的扰动主要在 -10%～10%之间,对应的速度值在 5.09～6.22 km/s之间。投影到图像上的地震震源深度在 3.0～7.0 km之间。图像表明：黄陵背斜为高速异常,速度值主要在 5.9～ 6.2 km/s之间;黄陵背斜与秭归盆地之间、秭归盆地、周坪及附近区域为NE走向的条带状低速异常,速度值主要在 5.09～5.4 km/s之间;低速异常带以西区域,以高速异常为主,速度值主要在 5.7～6.1 km/s之间;再往西为高低速异常相间分布。高速异常与低速异常接壤处形成速度梯度带,地震基本分布在速度梯度带上或附近。

图 3(d)是 8-0km深度的速度与地震分布图像,它反映的是上地壳中部 5～8 km深度地壳的速度结构特征。相对于初始速度值 5.8 km/s的扰动主要在 -9%～8%之间,对应的速度值在 5.28～6.27 km/s之间。投影到图像上的地震震源深度为5.0～11.0 km。图像表明：黄陵背斜以高速异常为主,并与其西侧高速异常形成大范围的高速异常,速度值主要在 6.0～6.3 km/s之间,具有结晶基底的速度特征。在周坪、归州、培石、巫山等地有小范围低速异常,速度值主要为 5.3～5.7 km/s。高速异常与低速异常接壤处形成速度梯度带,地震基本分布在速度梯度带上或附近。

图 3(e)是 8+0km深度的速度与地震分布图像,它反映的是上地壳 8～11 km深度的速度结构特征。相对于初始速度值 5.9 km/s的扰动主要在-8%～7%之间,对应的速度值在为 5.43～6.31 km/s,投影到图像上的地震震源深度为 6.0～10.0 km。图像表明：黄陵背斜以高速异常为主,速度值主要在 6.0～6.31 km/s之间;在黄陵背斜西侧为NE走向的低速异常带,速度值主要在 5.43～5.8 km/s之间;低速异常带西侧为高速异常区,速度值在 5.95～6.3 km/s之间;培石及附近为低速异常区。高速异常与低速异常接壤处形成速度梯度带,地震基本分布在速度梯度带上或附近。

图 3(f)是 11 km深度速度结构与地震分布图像,它反映的是上地壳下部的速度结构特征。相对于初始速度值 6.0 km/s的扰动主要在 -6%～6%之间,对应的速度值在5.64～6.36 km/s之间。投影到图像上的地震震源深度在 9.0～13.0 km之间。图像表明：黄陵背斜及南部、巴东及附近、培石及附近等区域为高速异常,速度值主要在 6.0～6.36 km/s之间;其他地区普遍为低速异常,速度值在5.64～6.0 km/s之间。高速异常与低速异常接壤处形成速度梯度带,地震基本分布在速度梯度带上或附近。

图 3(g)是 14-0km深度速度与地震分布图像,它反映的是上地壳下部或中地壳上部的速度结构特征。相对初始速度值 6.15 km/s的扰动主要在-6%～6%之间,对应的速度值在 5.78～6.52 km/ s之间,投影到图像上的地震震源深度在 12.0～16.0 km之间。图像表明：黄陵背斜及其南部区域以高速异常为主,速度值主要在 6.15～6.4 km/s之间;黄陵背斜西侧为NS向条带状低速异常,速度值主要在 5.78～6.1 km/s之间;低速异常条带西侧为高速异常,速度值主要在 6.15～6.52 km/s之间,南北两端有低速异常。高速异常与低速异常接壤处形成速度梯度带,地震基本分布在速度梯度带上或附近。

图 3(h)是 14+0km深度速度与地震分布图像,它反映的是中地壳 14～20 km深度的速度结构特征。相对初始速度值 6.3 km/s的扰动主要在 -8%～4%之间,对应的速度值在 5.80～6.55 km/s之间,投影到图像上的地震震源深度在 12.0～16.0 km之间。图像表明：黄陵背斜及其南北地区、兴山及以西和巴东-巫山及以北地区为大范围高速异常区,速度值主要在 6.3～6.55 km/s之间;高速异常中部及其以南地区为大范围的低速异常区,速度值主要在 5.80～6.1 km/s之间;高速异常与低速异常接壤处形成速度梯度带,地震基本分布在速度梯度带上或附近。

图 3(i)是 20 km深度速度图像与地震分布,它反映的是中地壳中下部的速度结构特征。相对初始速度值 6.5 km/s的扰动主要在 -8%～3%之间,对应的速度值在 5.98～6.7 km/s之间。投影到图像上的地震震源深度 18.0～22.0 km之间。图像表明：黄陵背斜及其南北区域形成NS向的高速异常带,速度值主要在 6.5～6.7 km/s之间,在庙河附近有间断;高速异常带西侧为大范围的低速异常,速度值主要在 5.98～6.48 km/s之间。低速异常的北部地区为高速异常,速度值主要在 6.5～6.7 km/s之间。高速异常与低速异常接壤处形成速度梯度带,地震基本发生在速度梯度带上或附近。

图3 研究区扰动与速度分布图Fig.3 The map of the velocity structure and earthquake

图 3(j)是沿 31.03°N下切的纵剖面速度图像,位置与观音垱-奉节的人工地震测深剖面[8]一致,它揭示了黄陵背斜、秭归盆地和其他区域的深部速度结构特征。黄陵背斜高速异常由地表到 20 km深度,14 km之上,速度值主要在 6.1～6.4 km/s之间,14 km之下,速度值主要在 6.4～6.7 km/s之间;高速异常的形状随深度变化;秭归盆地低速异常由地表到 6 km左右;黄陵背斜与秭归盆地之间的 8 km深度以下区域为低速异常,在 14 km深度附近低速异常西移;在 110.0°E附近有深达 7 km左右的低速异常;其他区域在 5 km深度以下以高速异常为主,高速异常的深度达 16 km左右,在 110.0°E以东培石下方 8～12 km深度存在低速异常区。将 1979年秭归地震,1973年周坪地震和 2001年归州地震投影到速度图像上,地震发生在速度梯度带上或附近。

4 结论与讨论

不同深度的速度结构与地震分布图像表明,三峡地区的地震与地壳深部构造密切相关,地震基本发生在地壳深部高速异常构造与低速异常构造接壤处形成的速度梯度带上或附近。

速度梯度带的形成有多种不同的原因：1)不同地质构造单元接面处形成的速度梯度带。黄陵背斜为结晶岩体,速度结构特征为均匀的高速异常,埋藏深度达到 14 km,在不同的深度边界的形状不同。秭归盆地为碎屑岩组成的沉积岩体,速度结构特征以低速异常为主,盆地内沉积厚度不均匀,最厚处约6 km。黄陵背斜与秭归盆地接面处形成速度梯度带,深度仅限于秭归盆地的沉积厚度。由 5 km深度图像可知,结晶岩与沉积岩接面处相互交叉渗透。2)地壳中存在的上地幔部分熔融物质形成的速度梯度带。三峡地区晋宁运动时期有多期的岩浆侵入活动,黄陵背斜是由岩浆岩组成。研究认为[15,16],三斗坪和黄陵庙两个岩套主要由英云闪长岩、奥长花岗岩、花岗闪长岩组成,是在近南北向区域挤压下于约 16 km深部塑性域定位的同构造花岗岩,前者主要依靠岩浆在构造弱面逐次强力楔入创造定位空间,后者主要在处于活动状态的韧性拉张剪切带内定位。黄陵地区北部变质杂岩和南部变质杂岩具有可对比性,代表本地区晚太古代形成的硅铝壳基底,在早元古代,发生裂陷,遭受强烈的变质变形和岩浆活动改造。人工地震测深[7]在坝址北侧的太平溪、培石两地存在断差 3～5 km的莫霍面断点,穿过下地壳,进入中地壳,成为幔源物质的通道。在兴山、秭归、长阳和五峰 4县有温泉分布的记载,温泉都分布在仙女山断裂沿线及其延伸线上,且分布在上盘上,显示地热体顺断裂次级张扭面上升而达地表[17]。上述研究成果表明,研究区域 8 km深度以下地壳中存在没有完全固结冷却的上地幔部分熔融物质,表现为低速异常,与结晶基底接壤处形成速度梯度带。在纵剖面速度图像中,在黄陵背斜与秭归盆地之间和培石附近地区下方约 7 km深度以下的低速异常,与地壳中存在的上地幔部分熔融物质有关。这两个地区是地震多发区。3)断裂带深切造成的速度梯度带。研究区域内的仙女山断裂、九湾溪断裂、高桥断裂带属于切穿基底顶,进入上地壳的基底Ⅱ型断裂,牛口断裂属于切穿上地壳,进入中地壳的基底Ⅰ型断裂[6]。在5 km深度的图像中,找不到与仙女山断裂、九湾溪断裂、高桥断裂带走向一致速度梯度带,有两种可能的解释,一是上述断裂切割深度有限、规模小,没有造成断裂两侧地质构造发展分异形成速度梯度带;二是虽然断错,但断层两侧的物质相同,没有形成速度梯度带。因此,仙女山断裂、九湾溪断裂、高桥断裂带的切割深度有待深入研究;在牛口断裂附近存在走向基本一致的速度梯度带,将秭归盆地一分为二,推测牛口断裂切割达到5km深度,造成断裂带两侧构造发展分异形成速度梯度带。4)基底构造层顶面或底面起伏变化(或说基底构造层厚度变化)形成的速度梯度带。三峡地区的基底构造层为结晶岩体,其顶面的起伏变化较大,纵剖面图像中,黄陵背斜上隆至地表附近,在110.0°E附近区域凹陷达 7 km深度,其他区域约在5 km深度。据此推断,结晶基底顶面在 0～7 km深度;结晶基底底面变化约在 14～16 km深度,在同一深度上结晶基底顶面或地面的变化在速度图像中形成速度梯度带。5)基底构造层内部的不均匀性形成的速度梯度带。在同一深度的速度图像中基底构造层的速度值不同,也会形成速度梯度值较小的速度梯度带。综上所述,速度梯度带的形成有多种地壳深部构造原因,地震基本发生在速度梯度带上或附近表明,速度梯度带是地壳深部构造运动最活跃的地方,是隐伏的地震构造活动带,具有隐伏断裂带的特征,构成了研究区域地壳深部地震构造的基本特征。

三峡地区现今构造应力场从地壳形变和震源机制分析,优势方向为 NE向;地应力实测资料显示,随深度变化较大,浅部优势方向为NE向,深部优势方向为NW-NWW向,不同地区也有一定的差异[6]。在现今区域构造应力场的作用下,研究区域地壳受到挤压,同时地壳中存在的地幔低速物质可以产生垂直向上的扰动场和伸张应力,地幔物质的高温还将产生热应力[18]对地壳附加新的挤压。研究区域地壳在多种力源作用下,发生间歇式整体上升、地壳变形和隐伏地震构造活动发生地震。1954—1971年水准测量资料表明,黄陵背斜相对江汉平原和秭归盆地仍在上升[2];1979年秭归龙会观地震前,在震区有明显的地壳变形[4]。黄陵背斜结晶岩均匀完整,体量巨大,不容易发生变形和破裂,而作整体上升运动,其内部基本没有地震发生,而在其接壤地区导致隐伏地震构造(速度梯度带)运动发生地震。基底构造层由于厚度变化大,内部的均匀性不如黄陵背斜,构造演化过程中形成的断裂和隐伏断裂,容易发生地震,也可以产生新的破裂发生地震。由纵剖面速度与地震分布图像可知,在黄陵背斜与秭归盆地之间和培石及附近区域,存在结晶基底坳陷,达6～7 km深度,上地幔部分熔融物质也到达 7 km深度附近,这是庙河-周坪-归州及附近、巴东-巫山之间长江及附近区域地震活动频繁的主要原因。另外,上地幔部分熔融物质容易发生变形、膨胀和产生新的破裂[19]。综上所述,三峡地区在区域构造应力场和上地幔部分熔融低速物质产生的垂直向上的扰动场和伸张应力,以及高温产生的热应力作用下,导致地壳深部原有的断裂带和隐伏断裂活动或产生新的破裂,发生地震。

本文通过研究不同深度地壳速度结构与地震分布关系,结合已知的地质构造、地球物理勘探和地震成因等研究成果,探讨了研究区地壳深部地震构造特征和地震成因。尽管地震比较少、震级比较小,但从中得到了一些规律性的东西,对研究三峡地区地震成因取得了一些有意义的认识。

致谢 衷心感谢与汪雍熙先生讨论得到有益帮助,感谢三峡地震台网为研究工作提供的观测数据。

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STUDY ON TECTONIC ENVIRONM ENT OF DEEP CRUST AND SEISMOGENESIS OF EARTHQUAKES BENEATH MA IN THREE GORGES RESERVO IR AREA

LiQiang1),Zhao Xu2),Cai Jin’an3),Liu Ruifeng2)and Zhao Cuiping3)

(1)N ational Earthquake Infrastructure Service,B eijing 100036 2)China Earthquake N etwork Center,Beijing 100045 3)Institute of Earthquake Science,CEA,Beijing 100036)

The relationship bet ween the tectonic environment of deep crust and earthquakes are investigated, and the seis mogenesis of earthquakes are further discussed,using the P-wave tomography beneath the Three Gorges reservoir dam and adjacent regions and earthquakesoccurred before the i mpoundmentof the Three Gorges reservoir. The main results indicate：the earthquakeswhich took place in the Three Gorges area,are closely associated with the tectonic environmentof deep crust,mostof those eventsoccurred in or around the velocity gradient belts,whose for mation are influenced by various factors of deep tectonics,are mainly developed by the bordering on the high-velocity anomalywith low velocity anomaly.The aforementioned phenomenon shows that the velocity gradient belt, which is considered as one of the most active placeswhere the deep plate motions exist,is similar to the characteristics of buried fault zones.The regional tectonic stress field,deformation,dilation and upwards perturbation field and tensile stress generated by the partiallymoltenmaterialsof uppermantle,and thermal stress,which jointly contribute to the Three Gorges area,then lead to the activities of the faulting zones and buried faults and possibly acti-vate the new ruptures,finally trigger earthquakes.

Three Gorges reservoir area;tectonic environment of deep crust;impoundment;seis mogenesis;buried fault

1671-5942(2010)05-0001-08

2010-07-15

国家自然科学基金(40574039);国家科技支撑计划重点项目(2008BAC38B02)

李强,研究员,主要从事地震台网数据处理方法与应用、地震层析成像和水库诱发地震等方面的研究工作.E-mail：qli@neis. gov.cn

P315.72+8

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