三峡库区上地壳S波衰减成像研究

吴海波 王 杰 杜承宸申学林 陈俊华

1) 中国武汉430071中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)2) 中国武汉430071湖北省地震局



三峡库区上地壳S波衰减成像研究

吴海波1,2),王 杰1,2)杜承宸1,2)申学林1,2)陈俊华1,2)

1) 中国武汉430071中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)2) 中国武汉430071湖北省地震局

利用三峡数字地震台网2009年1月—2015年2月记录的1300多次ML>1.5小震事件6000多条射线的S波数据， 利用S波衰减层析成像技术获得了三峡库区秭归—巴东段上地壳QS成像分布图． 结果显示， 三峡库区上地壳QS值存在明显的横向不均匀性， 沿水库近岸区主要为QS高值区， 外围NE， NW， SW和SE 等4个方向上均存在QS低值异常区， 这是由于这些异常区位于不同地层转换带， 岩层较易破碎， 易于库水渗流所致． 在巫山—秭归段剖面上， 本文QS成像结果与人工地震测深剖面上基底至上地壳底部之间岩层的Q值变化形态基本一致， 前者均值比后者低， 反映了上地壳深部介质对地震波衰减特性的影响． 2013年巴东MS5.1震群活动和2014年秭归MS4.5，MS4.7震群活动均分布在QS高值与低值过渡区， 这种区域的地下介质位于“软”、 “硬”转换带上， 岩层易破碎， 应力和能量易集聚，Q值易受水的渗透引起变化， 从而降低发震断层抗剪切强度而诱发地震．

Q值 衰减系数QS值成像 人工测深剖面

引言

在反映地下岩层介质性质的众多物理参数中， 品质因子Q直接反映了地下介质对地震波能量的吸收、 衰减和散射程度． 一般认为，Q值主要由岩石的微观性质， 如岩石裂纹密度、 分布和孔隙流体等确定， 宏观上与地壳断层、 岩浆和低速层分布等有关(陈颙等， 2009)． 采用数字地震波形衰减计算Q值是比较实用有效的方法之一， 通常使用远台长周期S波和Lg波或者近台短周期S波计算Q值. 前者适用于较大区域背景的成像分析， 但其容易受到地震波振幅不确定性的影响， 如散射、 多重路径叠加、 波型转换和震源辐射形态等， 同时也受到区域观测资料数量和台站密度等的限制(胡家富等， 1999； 洪学海等， 2003)； 后者主要适用于小范围精细结构的衰减研究．

三峡库区一直是地震学研究的热点地区之一． 早在1988年， 国家地震局就已开展了长江三峡坝区及外围人工地震测深工程项目， 利用人工地震资料计算了奉节—观音垱近EW向测线剖面上地壳介质的Q值， 分析了地壳内各层介质的衰减特征(陈学波等， 1994). 受当时条件所限， 陈学波等(1994)仅研究了该剖面上地壳介质的衰减规律， 并未进行区域二维衰减成像分析． 2003年三峡水库蓄水后诱发了大量浅表微小地震活动， 特别是2008年底水库水位首次达到175 m左右， 库区周边仍持续大量小震活动． 据统计， 2009年1月—2015年2月底共发生的ML>1.0地震超过3000次， 三峡水库诱发地震监测台网(以下简称三峡台网)共记录到2万多条清晰可靠的波形数据． 为了数据分析的可靠性， 本文首先对此期间记录的1300多次ML>1.5小震进行双差精定位； 然后选取震中距小于80 km的波形数据， 对库区进行S波衰减层析成像反演， 分析QS成像分布特征， 并与20世纪80年代人工地震测深结果进行比较， 分析这两个时期库区上地壳介质的衰减变化特征； 最后讨论区域地质构造、 岩层岩性和水文地质对QS分布的影响．

1 三峡水库及台网概况

长江三峡水库位于长江中游， 水库主体位于湖北秭归县和巴东县境内， 坝高179 m， 是全国库容量最大的水库之一． 库区内发育了一系列断裂， 包括NNE向的高桥断裂、 周家山—牛口断裂， NNW向的仙女山断裂、 水田坝断裂以及近NS向的九畹溪断裂， 基本构成了库区构造的主体构架． 2013年12月16日巴东MS5.1地震和2014年3月27日秭归MS4.5， 3月30日秭归MS4.7地震就分别发生在周家山—牛口断裂和仙女山断裂附近．

三峡台网初期于2001年正式运行， 由24个子台站和八河口数据中心构成； 2011年进行二期改造后， 减少为22个子台站， 如图1所示． 台站较均匀地分布在水库南北两岸， 分别配备了19台JCV-104型短周期地震仪、 3台FSS-3型宽频带地震仪和24位数据采集器． 记录波形采样率为100 Hz， 由GPS统一授时， 十多年来三峡台网的观测数据一直连续、 稳定可靠．

图1 三峡库区断层及台站分布图

2 原理与数据预处理

2.1 原理

根据近台记录波形S波衰减结构反演的基本原理(Sherbaum， 1990； Haberland， Rietbrock， 2001； 黄玉龙等， 2003； 苏有锦等， 2006； 周龙泉等， 2009)， 台站j对地震事件i的记录波形振幅谱可表示为

(1)

式中：Si(f)为震源谱，Ij(f)为仪器响应，Rj(f)为场地响应，Gij(r)为路径r的几何扩散系数，Bij(f)为衰减谱． 如果已知Si(f)，Ij(f)，Rj(f)和Gij(r)， 则可通过波形振幅谱Aij(f)反演得到衰减谱Bij(f)．

(2)

(3)

2.2 波形数据预处理

图2 2014年6月2日秭归ML2.1地震ZJS台水平向记录波形(a)及其位移谱(b)

对于式(3)， 假定事件i有j个台站记录， 且每次事件具有唯一的震源参数ω0和fc， 这些参数可通过该事件多台位移谱拟合求得， 从而在式(3)反演中降低了解的非唯一性． 由图2可以看出， 在消除噪声、 仪器响应和几何扩散等影响后， 不同台站观测位移谱主要受到不同路径衰减的影响．

计算衰减系数后， 可通过式(2)反演Q值． 与速度层析成像方法类似， 假定地壳为横波速度均匀的二维介质， 则t*主要受QS的影响． 将地壳离散化为二维网格， 依据通过每个网格的平均射线数， 调整网格大小， 确定合适的分辨率． 以地壳平均QS值建立初始模型， 采用射线追踪伪弯曲法， 经10次迭代计算， 得到最终的QS值． 反演过程中， 以震源距代替震中距以消除深度的影响．

3 三峡库区QS值成像

3.1 数据及反演结果稳定性分析

本文使用2009年1月—2015年2月经双差精定位后的1067次地震波形资料， 震级为ML1.5—4.0， 震源深度为3—11 km， 如图3所示. 将每条射线波形数据位移谱代入式(3)，采用遗传算法反演得到了6091条t*数据． 初始计算时假定区域介质QS值均匀， 则t*与震中距Δ呈线性关系， 利用线性最小二乘法拟合得到了t*与震中距Δ的关系曲线， 如图4所示. 反演得到的研究区平均QS值为180， 该结果与陈学波等(1994)基于人工地震测深数据所得到的测线剖面上地壳平均Q值差异不大． 同时， 对所得到的t*数据进行筛选， 舍弃观测值与拟合值残差大于一倍均方差的数据． 据此， 从6091条t*数据中选取4120条用于QS值成像， 其射线分布如图5所示．

图3 震源深度剖面图

图4 t*与震中距Δ的线性拟合曲线Fig.4 Linear fitness between t* and epicentral distance Δ

图5 三峡库区秭归—巴东段地震射线分布

经大量的S波数据走时计算， 三峡库区上地壳S波平均初始速度为3.19 km/s， 与李强等(2011)计算反演的同层S波速度基本一致， 初始QS值为180． 以该值为初始条件， 经10次迭代反演后，t*的均方根残差由迭代前的0.0291降至0.0229， 反演前后残差δt*随震中距Δ的分布如图6所示．

图6 反演前(a)、 后(b)残差δt*随震中距Δ的分布图

为了选取合适的网格大小， 经反复试验， 最终采用0.05°×0.05°网格， 多数网格内穿过的射线数超过100条， 因此该反演结果能较真实地反映大部分地区地下介质的衰减特征. 图7给出了检验板分辨率试验结果. 可以看出， 三峡库区沿江两岸约20 km范围内的地震事件和台站较多， 射线密集， 分辨率高； 其它边缘地区的地震事件少、 台站少， 分辨率较低． 因此本文只对分辨率较好的区域进行成像研究， 即秭归和巴东沿江两岸地区， 范围约为(110.0°E—111.0°E， 30.7°N—31.2°N)．

图7 检验板分辨率试验结果

3.2QS值成像结果

本研究主要使用2009年1月—2015年2月ML>1.5地震的精定位数据， 震源深度主要分布在3—11 km (图3)， 因此， 本文成像结果集中反映了三峡库区秭归和巴东段上地壳QS值的分布特征．

图8给出了三峡库区QS值的分布图． 可以看出，QS值的横向分布明显不均匀， 反映出不同区域S波衰减存在很大差异． 总体上， 沿长江三峡近岸两侧以QS高值为主， 特别是秭归西部水库近岸存在明显的QS高值区， 在库区四周地震波射线覆盖范围内存在一些QS低值区， 分别分布在NW， NE， SE和SW 等4个方向， 主要包括NW1， NW2， NE1， NE2， NE3， SW和SE等低值区(图8)． 高桥断裂穿越NW2低值区， 周家山—牛口断裂东西两边存在NW2和NE3低值区， 仙女山断裂附近存在SE低值区， 九畹溪断裂附近存在NE1和NE2低值区． 在上述QS低值区外围也存在低值区， 如NW1和SW低值区西边的低值区， 但地震波射线未覆盖或很少穿越这些区域， 反演结果的可靠性不高， 故不予以分析讨论．

图8 三峡库区上地壳S波QS值分布图

4 区域库水渗透和地质构造对介质QS值的影响

4.1QS值成像结果与蓄水前人工测深剖面Q值的比较

地壳岩石中孔隙、 孔隙率、 结构面及孔隙中充满的液、 气、 固体含量等对地震波衰减均有明显的影响. 随着岩石中黏土含量、 孔隙率和渗透率的增加， 地震波衰减增大(李亚林等， 2001； 安勇等， 2006； 陈颙等， 2009)； 当含水量达到一定程度时，Q值基本不变或略微增加， 并随着围压的增加而增大(施行觉等， 1995)．

陈蜀俊等(2005)研究显示， 自2003年三峡水库首期蓄水以来， 水库蓄水已引起库首区重力场、 渗流场、 形变场和构造应力场的明显变化， 这意味着水库蓄水可能也会对区域地下介质Q值产生影响． 早在1988年国家地震局就曾实施了长江三峡坝区及外围人工地震测深工程项目， 利用人工测深数据对测线Ⅰ(奉节—观音垱)剖面进行了地震波衰减分析， 并计算了不同段和不同地层的Q值(陈学波等， 1994)． 本文QS层析成像经度范围(109.8°E—111.1°E)正好位于该剖面西端(奉节)以东25—150 km范围内． 表1给出了该段基底以上以及基底至上地壳底部不同段的Q值以及本研究沿该测线的QS值反演结果． 研究区的平均QS值约为180， 该值介于上地壳两层岩层平均Q值之间. 由于本研究中地震事件震源深度主要分布在3—11 km， 集中在基底层下部， 射线同时穿越了上地壳两层介质， 所以平均QS值180是上地壳两层介质QS值的综合反映． 另外， 沿剖面自西向东分为3段： 巴东以西段、 巴东—香溪段和香溪以东—秭归段， 其中巴东—香溪段的QS值最高且较稳定， 香溪以东—秭归段QS值最低， 该特征与表1中基底至上地壳底部的特征基本一致， 反映了本文反演结果受上地壳深部介质衰减特性的影响更明显．

表1 三峡库区人工测深剖面不同段的平均Q值与QS值比较

由于蓄水前三峡库区地震很少， 仅从测线Ⅰ剖面的Q值并不能反映库区蓄水前的总体特征， 而且测线Ⅰ基本沿长江沿岸布设， 其Q值反映了长江近岸区地下介质的地震波衰减规律， 而近岸区岩层经长江江水长久渗透， 含水已达饱和， 因此对Q值的影响并不明显． 但是， 水库蓄水后对近岸区浅表层或周边渗流的影响更明显， 这在QS值成像结果中也有所反映， 图8中水库周围的4个QS低值区可能与库水长期渗流有一定关系．

4.2 区域地质构造对QS值的影响分析

地壳构造差异、 岩层破碎度和不同性质的岩性也会对Q值产生影响， 腾吉文等(2004)和陈颙等(2009)研究认为岩石的衰减受岩性影响， 由于孔隙和构造面等差异， 沉积岩层中地震波的衰减远大于岩浆岩和变质岩． 地质构造上， 三峡库区位于八面山褶皱带东北端， 主体构造受黄陵背斜、 秭归向斜和神农架穹窿等控制． 从测线Ⅰ地质剖面分析， 三峡库区上地壳大部分被沉积盖层所覆盖， 仅东部黄陵隆起段结晶基底基岩出露， 巫山—秭归向斜东缘香溪段上地壳盖层均匀稳定， 主要为三叠系和侏罗系海相沉积岩层， 基底及以下为变质岩或花岗岩， 该区QS值偏高但非常稳定． 图8中的QS低值异常区均处于地层转换比较复杂的区域， 从三峡库区地质构造图(图9)可以看出： NE向3个QS低值异常区位于秭归向斜与黄陵背斜的转折地带； NW向的NW1和NW2低值区位于神农架穹窿南缘； SW低值区位于八面山褶皱带边缘， 岩层岩性复杂； SE低值区位于黄陵背斜西南边界带上. 这些区域岩体较易破碎， 库水易渗流， 从而使介质QS值降低．

图9 三峡库区地质构造简图(引自黄崇轲等， 2002)

从QS成像结果与区域地震活动分布关系角度分析， 2013年巴东MS5.1地震震群位于水库以北高桥断裂与周家山—牛口断裂之间， 在NW1低值区以南、 NW2低值区以西， 为明显的QS高值与低值过渡区． 2014年秭归MS4.5，MS4.7地震震群在仙女山断裂北端与九畹溪断裂之间， 位于SE与NE2低值区之间， 为明显的QS高值与低值过渡区． 2000年云南姚安MS6.5 地震大多数余震分布在Q高值与低值过渡区(张杰卿等， 2009)； 2003年大姚地震的两个主震位于Q低值边缘过渡区(王伟君等， 2007)； 紫坪铺水库地区QS成像结果也显示库区震群活动基本都位于QS高值与低值过渡区(王惠琳等， 2012)． 本文结果与前人的研究结果是一致的．Q值在一定程度上反映了区域岩性软硬程度，Q高值与低值过渡区正好位于软硬转换带上， 岩层更易破碎， 更容易受水的渗透而引起Q值的变化， 同时也降低断层抗剪切强度从而诱发地震．

5 讨论与结论

通过对本文所得三峡库区QS成像结果以及与人工测深剖面Q值结果的比较， 并结合库区岩层岩性和地质构造， 得到结论如下：

1) 三峡水库库区上地壳QS值存在明显的横向不均匀性， 沿水库近岸区主要为QS高值区， 而其周边区域存在一些较明显的QS低值区， 分布在水库四周NE， NW， SW和SE等方向上． 这些低值异常区多位于地层转换复杂区， 岩层较易破碎， 易于库水渗流， 从而导致介质QS值降低．

2) 将本文QS成像结果与沿测线Ⅰ人工地震测深剖面上的Q值进行比较可知， 沿巫山—秭归段剖面上的Q值与基底至上地壳底部之间岩层的QS值成像结果变化形态基本一致， 前者的平均Q值比后者更低， 反映了上地壳深部介质对地震波衰减特性的影响． 由于本研究QS值集中反映的是11 km以上岩层内的地震波衰减， 包含盖层和部分基底以下岩层， 故该值低于基底下层而明显高于上部盖层的QS值．

3) 2013年巴东MS5.1震群活动和2014年秭归MS4.5，MS4.7震群活动均分布在QS高值与低值过渡区． 这种区域地下介质处于“软”、 “硬”转换带上， 岩层更易破碎， 更容易受库水的影响而引起Q值的变化， 同时这些脆弱部位抗剪切强度低， 应力容易集中从而诱发地震．

4) 本文反演得到的三峡库区上地壳平均S波速度与李强等(2011)的反演结果一致， 但本文并未考虑QS值与频率的关系． 周龙泉等(2009)和王惠琳等(2012)的研究指出， 未考虑频率相关时， 使用的初始QS值比考虑频率相关时的初始QS值略高， 即对反演结果数值会产生影响， 但其二维成像分布变化特征不会改变， 因此仍能以此来分析地下介质的分布特征．

周龙泉研究员提供了相关软件， 审稿专家对本文提出了宝贵意见， 作者在此一并表示感谢．

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Tomography of the S wave attenuation in the upper crust of Three Gorges Reservoir region

Wu Haibo1,2),Wang Jie1,2)Du Chengchen1,2)Shen Xuelin1,2)Chen Junhua1,2)

1)KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy，InstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Wuhan430071，China2)EarthquakeAdministrationofHubeiProvince，Wuhan430071，China

A 2-D S-waveQSvalues of the upper crust of Zigui-Badong segment beneath the Three Gorges Reservoir region are estimated by means of S wave attenuation tomography based on more than 6000 S wave-rays of 1300 small seismic events withML>1.5 recorded by digital seismic network of Three Gorges from January 2009 to February 2015. The results show thatQSexhibits a significantly lateral heterogeneity distribution in Three Gorges Reservoir region， with highQSvalue mainly in the nearby riversides and lowQSvalue in the surrounding area in the northeast， northwest， southwest and southeast directions. Particularly， the lowQSvalue is closely related to seepage of reservoir water due to the conversion and fragment of rock stratum. The variation ofQSvalue in this paper is in accord withQvalue of rock stratum from rock-basement to the bottom of the upper crust from the Wushan-Zigui deep seismic sounding (DSS) profile, which reflects that the deep media of upper crust have influence on the seismic wave attenuation. TheMS5.1 Badong earthquake swarm in 2013 and theMS4.5，MS4.7 Zigui earthquake swarms in 2014 were basically converged to transitional edge regions of high and lowQSvalues. That is because that， the physical property of the crustal medium is located on the weak-soft transitional region， strain energy is prone to accumulate， andQSvalue also decreses due to the permeation of the water， furthermore， the shear strength of the seismogenic fault is reduced so as to induce earthquakes.

Qvalue; attenuation coefficient;QStomography; deep seismic sounding (DSS) profile

吴海波, 王杰, 杜承宸, 申学林, 陈俊华. 2016. 三峡库区上地壳S波衰减成像研究. 地震学报, 38(2): 188--198. doi:10.11939/jass.2016.02.004.

Wu H B, Wang J, Du C C, Shen X L, Chen J H. 2016. Tomography of the S wave attenuation in the upper crust of Three Gorges Reservoir region.ActaSeismologicaSinica, 38(2): 188--198. doi:10.11939/jass.2016.02.004.

中国地震局地震科技星火计划项目(XH14035YSX)和中国地震局测震台网青年骨干培养专项(20150418)共同资助.

2015-08-17收到初稿， 2015-11-15决定采用修改稿.

e-mail: wuhaibo7777@163.com

10.11939/jass.2016.02.004

P315.3+1

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