荣昌及周边三维速度结构初步研究

李翠平 唐茂云 郭卫英 王小龙 董 蕾

(重庆市地震局， 重庆 401147)

0 引言

经中国地震台网中心测定， 北京时间2016年12月27日08时17分， 重庆荣昌区发生MS4.9 地震， 震中位于四川盆地东缘的华蓥山基底断裂系中北段。该区域地震活动性原本很弱， 自20世纪80年代末起， 由于天然气田废水回注的影响， 出现4.0级地震频发的现象， 目前已发生了14次MS≥4.0地震， 最大为1997年荣昌MS5.2 地震(图 1)。从地质构造背景来看， 华蓥山基底断裂以西的川中穹窿地区变形微弱、 断层发育不明显， 以鼻状或短穹隆状背斜构造为特点。而其东侧为川东陷褶束， 表现为沉积盖层在结晶基底之上的滑脱变形， 产生一系列狭长背斜和宽大平缓向斜相间排列的侏罗山式隔挡式褶皱以及与背斜构造共生的中等规模断续分布的早—中更新世地表和隐伏断层， 长度多为几千米至几十千米(丁仁杰等， 2004； 李峰等， 2013)。区域内中等地震频发被认为是人为注水使这些中等规模的断层发生再活动所致(Leietal.， 2008； 王小龙等， 2015； 王志伟等， 2018)。多名学者先后分析了该区域的地震活动与注水的关系， Lei等(2008)基于ETAS模型对1988—2006年荣昌地区的地震活动进行了详细研究， 认为荣昌诱发地震序列的物理机制是伴随深井注水的孔隙压力扩散作用和先前地震本身引起的库仑破裂应力变化联合作用的结果。此外， 有研究通过传统统计学方法分析荣昌地区注水和地震活动(1993—2006)的关系， 发现两者存在很好的相关性(黄世源等， 2007； 朱丽霞等， 2007)。2010年9月10日MS4.5 和2014年2月23日ML3.8地震的震源参数结果表明其震源深度与注水井深度一致， 为注水活动诱发的构造地震活动(王小龙等， 2012， 2015)。王志伟等(2018)采用匹配定位方法对荣昌地区2008—2011年的微小地震进行检测和定位， 结合ML≥3.5地震的震源机制解， 表明地震主要分布在几条隐伏断层附近， 与注水活动导致已有断层的再活动有关。

图 1 研究区台站、 历史震中分布图Fig. 1 Seismic stations and historical earthquakes in the study area.

前人多对研究区2012年以前的地震活动进行分析， 之后该区域又相继发生了5次4.0级以上地震， 特别是2016年荣昌MS4.9 地震， 对当地居民造成了一定的影响， 针对此次地震的孕震环境以及人为注水活动对震区地壳介质结构的影响都亟待开展进一步研究。此外， 现有的研究结果在该区域震源分布与三维速度结构之间的关系方面涉及较少， 这为认识荣昌地区深部介质环境以及破裂过程的深部构造成因机制带来困难。本文基于2008年1月—2020年6月重庆区域地震台网、 流动地震台网和自贡地方台网记录的地震观测报告， 开展荣昌及周边精细的三维速度结构和地震重定位研究， 为更深入地了解该区域中等地震的发震构造和注水活动影响范围提供基础信息。

1 方法和数据

1.1 地震数据

表 1 荣昌及周边断裂性质Table1 The fault properties in the Rongchang and its adjacent areas

1.2 双差层析成像方法

地震层析成像是一种利用大量地震观测数据反演地下介质的速度以及震源参数等重要信息的方法。本文基于获得的绝对到时和相对到时数据， 采用Zhang等(2003， 2006)提出的双差层析成像方法进行速度结构反演。该方法在双差定位算法(Waldhauseretal.， 2000)的基础上加入速度参数项， 减少了双差定位中假设台站到事件对之间路径为恒定速度所引起的误差， 通过改变速度模型重新计算震源参数， 使得定位精度进一步提高。同时相对精确的地震定位可以降低由于射线路径的不同造成的速度结构反演的误差， 从而提高速度结构反演的精度， 其获得的分辨尺度可达3～5km， 能够刻画出较小尺度范围内比较精细的速度结构(Zhangetal.， 2003； 王小娜等， 2015)， 可用于研究地震活动与速度结构的关系(肖卓等， 2017； 韩晓明等， 2018； 刘白云等， 2018； 王长在等， 2018； Longetal.， 2020)和库水渗透影响作用(Dixitetal.， 2015； 吴海波等， 2018)， 所得结果将为分析地震孕育发生环境等提供重要信息。

图 2 a 研究区断层、 注水井、 网格节点； b 初始一维速度模型Fig. 2 The distribution map of faults， injection wells and grid nodes(a)and initial 1D velocity model(b) in the study area.绿色六边形代表注水井， 六边形内的数字代表注水井编号， 其中注水井1螺4井， 2螺2井， 3包11井， 4包24井， 5包18井， 6 包23井(图7和图8相同)

同时， 双差层析成像方法在反演解算中采用阻尼最小二乘分解算法(LSQR)求解， 该算法中的光滑权重(smooth)和阻尼(damp)参数可约束地震位置和慢度的变化量， 影响反演结果的稳定性。因此， 在实际数据反演前， 要对不同的光滑权重和阻尼参数进行权衡分析(Eberhart， 1986； 王小娜等， 2015)， 利用L曲线法进行不同光滑权重和阻尼值的测试， 通过归一化模型与走时残差关系曲线分析获得最佳的光滑权重和阻尼参数。分析显示， 当光滑权重和阻尼参数分别为20和300时(图 3)模型较平滑， 且走时残差也相对较小， 故在反演成像中采用这2个值。

图 3 利用L曲线选择最佳的光滑权重和阻尼参数Fig. 3 The best smoothing weight and damping parameters selected by trade-off curves.

在实际数据反演过程中共进行7轮迭代， 不断地调整迭代参数， 使WRCT和WDCT值不断降低， 并根据迭代结果调整阻尼值， 使得表征双差方程条件数的CND为40～80。被定位到空气中的个数(AQ)从初始的12个减少到结束时的0个， 地震走时残差均方根(RMS)也由初始的299ms降为36ms， 说明迭代过程趋于稳定合理。重定位前地震走时残差均方根的主要分布范围为200～800ms， 重新定位后地震走时残差均方根主要集中在0～150ms(图 4)， 定位精度明显提高。

图 4 定位前(a)、 后(b)0～1200ms范围内地震走时残差均方根直方图Fig. 4 Histograms of travel time residual RMS between 0～1200ms for seismic events before(a)and after(b)the relocation.

2 结果分析

2.1 分辨率及可靠性分析

图 5 研究区内不同深度的检测板结果Fig. 5 Checkerboard test results at different depths in the study area.

图 6 沿X、 Y方向速度剖面的检测板结果Fig. 6 Checkerboard test results along the direction of X and Y.

图 7 深度为0～16km处的P波速度结构及地震分布Fig. 7 Distribution of P wave velocity structure and earthquake in 0～16km deep layer.红色五角星表示层面上下各1.5km范围MS>4.0的地震(图8相同)

2.2 P波速度结构

采用双差层析成像方法得到了荣昌及周边不同深度层和不同剖面上P波速度结构分布图。考虑该区域地震的震源深度和检测板结果， 本文主要针对上地壳20km以内的速度结构特征进行分析。图 7 为研究区不同深度层的P波速度分布图， 将每条速度剖面上下1.5km范围内的地震事件投影到剖面上。其中1km深度层的P波高速区分布在螺观山背斜的北端， 该区域发育燕子岩断层、 螺观山南翼隐伏断层和广顺横断层等多条断层， 螺4井也分布在该区域， 该注水井自1984年开始向约2km的深度注入废水， 一直持续到2001年。但由于1km深度处的分辨率结果有限， 该高速区的分布仅作参考。4km深度层P波高速区分布在仁义—荣昌一带， 该区域分布着4口注水井， 是自2008年以来荣昌持续注水的主要集中区域(魏红梅等， 2014； 王小龙等， 2015)。7km深度层的速度结构与浅表层相比有明显变化， 仁义—荣昌高速区的范围明显缩小， 华蓥山基底断裂的西侧盘龙和隆昌地区表现为高速区， 这与基于接收函数反演得到的盘龙测震台在6～8km出现高速层的结果一致(王小龙等， 2012)。而华蓥山断裂东侧荣昌—双河地区则表现为大范围的低速区， 这种高速区和低速区的差异分布一直持续到13km深度。华蓥山断裂以东的川东陷褶束基底主要由一套巨厚的沉积变质碎屑岩夹碳酸盐岩与火山碎屑岩的复理石建造所组成， 属低密度和弱至无磁性的塑性基底结构， 而以西的川中台拱基底是由密度高、 磁性强的一套基性中性及较强磁性的火成岩组成(赵从俊， 1984)。本文反演的速度结构结果显示以华蓥山断裂带为界， 7～13km深度处两侧呈现截然不同的速度分布， 这与前人的研究结果基本吻合。

图 8 研究区不同剖面的P波速度结构Fig. 8 P wave velocity structure along the different profiles.红色倒三角表示断层在地表的位置

图 8 展示了不同剖面上的P波速度结构分布， 显示出3个明显特征： 1)12km深度处为明显的速度界面， 其上速度起伏变化较大， 其下速度变化较平稳。根据荣昌地震反射剖面结果可知， 荣昌地区的上地壳为典型的薄皮构造， 表现为沉积盖层在基底面之上滑脱、 变形， 并发育多条逆冲断层和褶皱， 基底埋深10～11km， 最深可达12km(王赞军等， 2018)。本文结果中12km深处的速度界面对应了上地壳沉积盖层和结晶基底的分界深度层。2)在螺2井位置下3～7km深度有明显的高速体。螺2井注水时间为1991—2012年， 周边发育埋深1.7km的螺观山北翼隐伏断层， 高速体沿着该断层的倾向分布， 可能表明螺观山北翼隐伏断层是废水下渗的主要断裂通道。3)Y=-10km和Y=0km剖面的速度结构能够较好地反映螺观山褶皱的形态， 也进一步论证了结果的可靠性。

2.3 地震活动与速度结构的关系

基于双差层析成像反演得到了荣昌及周边2008年以来相对精确的地震时空展布特征， 重定位后的地震丛集性更加明显， 除了2020年分布在荣昌与泸县交界附近的地震外， 其余地震主要分布在变形强烈的螺观山背斜轴部， 呈明显的NE向带状分布， 与背斜和断层走向一致(图7a， b)， 优势深度为0～6km(图 9)。该区域受废水回注的影响， 周边的地表和隐伏断层易活化， 而使地震活动与断层表现较强的空间相关性。2009年8月8日MS4.3 、 2010年2月22日MS4.3 和2010年9月10日MS4.5 地震位于地表燕子岩断层上， 震源机制解较为一致， 均显示为NE走向的逆冲型地震(表2)。垂直于断层走向的P波速度剖面(图8c)显示地震呈SE倾向的带状分布， 位于高、 低速分界线上， 发生在其底端的2010年9月10日MS4.5 地震则更偏向于北西侧的高速区。利用根据小地震分布确定断层面参数的方法对该地震条带进行断层面走向和倾角参数的求解(万永革等， 2008)， 得到地震断层面的走向为42°， 倾角为80°， 倾向SE， 断层深度为1～6km， 对应MS4.5 地震震源机制解的节面Ⅱ。该地震条带的发震断层与螺观山南翼隐伏断层和燕子岩断层的产状相吻合， 由于地震主要位于断层的南东盘且1km深度以浅地震分布较少， 与螺观山南翼隐伏断层的位置和埋深一致， 故推测螺观山南翼隐伏断层应为其发震断层。2009年8月8日MS4.5 地震也有类似的规律(图8e)。2016年12月27日MS4.9 和2016年12月28日MS4.0 地震则分布在以螺观山北翼隐伏断层为界限的高、 低速交界地区(图8b， f)， 该处地表未见断层出露， 仅存在螺观山北翼隐伏断层， 该断层走向225°， 倾角45°， 倾向NW(丁仁杰等， 2004)， 与2016年12月27日MS4.9 的震源机制解的节面Ⅰ相吻合。

图 9 初始定位(a)和重定位(b)震源深度统计直方图Fig. 9 The statistical histogram of focal depth before(a) and after(b) relocation.

表 2 研究区MS≥4.0地震的震源机制解Table2 Focal mechanism solutions of MS≥4.0 earthquake in the study area

2.4 注水对荣昌地区速度结构的影响

3 结论

本文基于2008年1月—2020年6月重庆区域台网固定台站、 流动台网及自贡地方台网记录到的大量地震事件的P波、 S波到时数据， 采用双差层析成像方法反演获得了荣昌及周边精细的三维P波速度结构和地震事件的重定位结果， 得到的主要认识如下：

(1)荣昌及周边上地壳为典型的薄皮构造， 为变形强烈的沉积盖层与结晶基底的双层结构， 本文的P波速度结构结果显示该地区12km深度为2层的分界深度， 与荣昌地震反射剖面结果一致。4km深度以内的高、 低速区分布与7～13km以下深度层存在明显差别， 7～13km深度层的速度结构显示华蓥山基底断裂东、 西两侧的川中台拱和川东陷褶束分别表现为低速区和高速区， 与前人的研究结果基本一致。

(2)荣昌浅表层P波速度结构横向差异变化较大， 在螺观山背斜轴部的螺2注水井附近为高速区， 分布深度为3～7km， 该井周边发育埋深1.7km的螺观山北翼隐伏断层， P波高速体主要沿着螺观山北翼隐伏断层的倾向分布， 可能表明该断层是废水下渗的主要断裂通道， 下渗深度达7km， 使该断层两侧存在较大的速度差异。2016年12月27日MS4.9 和2016年12月28日MS4.0 地震就分布在该速度过渡带上。

(3)地震重定位结果显示地震主要分布在变形强烈的螺观山背斜轴部， 呈明显的NE向带状分布， 震源优势深度为0～6km。以广顺横断层为界， 南侧的地震表现为倾向SE的地震条带， 结合震源机制解和区域地震构造环境分析， 广顺横断层南侧的MS>4.0地震的发震断层应为螺观山南翼隐伏断层， 而广顺横断层北侧的地震活动可能与螺观山北翼隐伏断层有关。

致谢中国科学技术大学张海江教授提供了双差层析成像程序； 重庆地震台网中心提供了地震观测报告； 审稿专家为本文提供了修改意见和建议； 本文图件使用GMT及Origin软件绘制。在此一并表示感谢！