四川宜宾地壳浅部三维S波速度结构及方位各向异性＊

王金泽 李红谊， 张玉婷 陈辛平 崔华伟

1） 中国北京 100083 中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院

2） 中国济南 250014 山东省地震局

引言

近年来，四川宜宾地区中小地震频发，引起科学界和社会的广泛关注，这使得该区域的地质构造背景研究较为迫切.宜宾长宁地区作为我国页岩气开发区之一，在新能源中占有重要地位，有关研究表明，该区域大多数地震活动与深井采盐注水或页岩气水力压裂有关（Leiet al，2019b；Tanet al，2020）.一直以来，盐气开采区注水诱发地震是国内外研究的热点问题（Segall， 1989；Bao，Eaton，2016；Zanget al，2019）.

地震波是研究地球内部结构及其变化的主要手段，利用背景噪声提取面波信号是二十一世纪以来研究地球内部结构的有效方法之一（Shapiroet al， 2005； Yaoet al， 2006）.地表的两个台站可以接收到来自风暴、海浪、人类活动等噪音源，通过噪音波形互相关，得到互相关函数或经验格林函数，通过分析其时间、振幅信息可以研究地下介质结构及其变化图像.由于背景噪声成像方法具有众多优点：① 无需等待地震发生，在地震活动性较弱的地区即可进行地下高分辨率成像；② 相较于人工爆破源，不需要很高的经济成本而且能够避免环境污染的产生；③ 在面状或线状台阵中可以把每一个台站作为虚拟源，其它台站作为接收器，以获得该台阵区域高分辨率的近地表结构，也可以通过走时信息得到形变特征及介质变化等，因此背景噪声层析成像方法在不同尺度地区都得到了很好的应用研究（Yaoet al，2008；Shenet al，2016）.随着背景噪声技术的发展，Feng等（2021）采用了一种不依赖天然地震的噪声干涉技术提取地幔间断面的上界面反射体波震相来研究地幔间断面的结构特征，并结合矿物物理模拟和波形正演约束间断面附近的矿物组成.Luo等（2021）利用我国安徽省巢湖及周边地区布设的密集短周期流动台地震数据，采用背景噪声方法获得该区域上地壳三维各向同性速度结构.Yang等（2021）利用背景噪声成像方法对越南及我国南海北部的地壳结构进行地震波速成像研究，分析了该区域地幔上涌和板块拼合等构造特征，这表明通过背景噪声与地震面波、体波相结合可以分析地球内部结构，再结合地球动力学、岩石物理学、地质构造，可以帮助我们研究地球内部成分、变形及动力学过程.Liu 等（2014）利用噪声频散和接收函数获得了青藏高原东缘的三维地壳上地幔速度结构，认为青藏高原是通过下部地壳物质流动和上部浅地壳沿断层块体滑移两种方式向东扩张.除此之外介质各向异性也是探索地球内部结构的手段之一，目前研究各向异性的方法众多，例如接收函数（Wanget al，2016）、横波分裂（王琼等，2013）、体波各向异性成像（Leiet al， 2014）、面波各向异性成像（Yaoet al， 2010；Lianget al，2020）.中下地壳介质的各向异性可以用来推断造山带和走滑断层构造运动的方向（滕吉文等，2012）.Yao等（2010）利用双台法和背景噪声成像法对青藏高原东南部地壳及上地幔方位各向异性进行了详细研究.Moschetti等（2010）和Lin等（2011）对美国西部地区的各向异性特征进行了研究，分析得出地壳和上地幔方位各向异性差别较大，推测该地区地壳变形特征复杂.Luo和Yao （2021）采用短周期密集台阵的背景噪声成像方法获得了巢湖及周边地区精细的浅地壳三维各向异性，本文也采用与其相同的的方位各向异性反演方法.

多年来国内外学者已经对川滇地区做了大量的工作，并取得了丰富的研究成果，但由于成像方法、精度、区域范围等各异，仍需进一步探索，例如在长宁这样的小区域运用背景噪声层析成像的方法进行S波速度结构成像并进行方位各向异性的研究还需加强.宋晓东等（2015）运用地震和噪声互相关结果，对四川盆地的岩石圈S波速度结构进行了详细研究；雷霆（2020）使用背景噪声成像方法对济南市的S波速度和方位各向异性进行了研究，这也证实了本研究采用的方法在小区域应用的可行性；高原等（2020）对青藏高原东南缘各向异性的研究表明，上地壳各向异性与地表形变观测结果一致，快波偏振方向具有发散性，与地表运动特征相符并且与该区域主压应力方向相同，一定程度上与地质构造环境相关.Tan等（2020）利用双差地震成像方法获得了四川盆地区域的小尺度速度结构，但成像深度较浅，未进行各向异性的相关分析；Long等（2020）利用大量的走时数据，采用双差地震成像方法（Zhang，Thurber， 2003）进行了长宁—珙县小范围研究.通常，地球物理学方法对地下三维速度结构、间断面等深部结构的研究更为适用，而地质学手段对地球浅部的研究更加直观，具有高精度、高分辨率、结果更加可靠的特点，两者可以更好地相互补充，与此同时，地质学对地下深部结构的推测可以通过地球物理成像去验证.

由于不同周期的面波对应于不同深度的敏感核，周期越大，敏感深度越深，因此S波速度具有较好的垂向分辨率，可以获得随深度变化的各向同性和方位各向异性结果.通过S波速度结构可以获得地下介质分布差异，分析方位各向异性可以知道波速沿传播方位角的变化，综合其上可以更好地揭示浅地壳变形机制.鉴于此，为了丰富对四川宜宾地区的地壳结构研究手段，本文结合研究区域地质构造背景，拟采用短周期密集台阵背景噪声成像的方法反演地下三维S波速度结构和方位各向异性，以期为区域地球物理相关研究和地震危险性评估工作提供参考资料.

1 区域地质构造

宜宾位于中国西南部的四川盆地南缘、扬子板块西缘，是川东褶皱带和雪峰山造山带的交接处，地质构造主要以北东和近东西向的褶皱为主，伴有走向各异的小规模断层.由于川滇地区受到青藏高原物质向东逃逸的推挤以及东部稳定的华南块体的阻挡，其地质构造背景十分复杂，强烈的地壳形变和断裂活动使得川滇地区地震活动频发（图1）.研究区内发育有长宁背斜，为不对称的复式背斜，其东起泸州市叙永县以西，西至高县，主要位于兴文县、长宁县，东西长约100 km，南北宽约20 km，主轴走向整体呈北西-南东向，北西翼倾角约为40°—60°，南东翼倾角约17°—32°；长宁背斜为多断裂构造背斜，绝大多数断裂发育在由古生界地层构成的核部、两翼，且以高角度压性逆冲小断裂为主（张致伟等，2019）；建武向斜位于长宁背斜西南部，其地层产状较平缓，倾角大约为5°—10° （何登发等，2019）.

图1 四川宜宾地区构造及地震和台站分布Fig. 1 The topography of the Yibin area and distribution of earthquakes and stations

2004年6月17日宜宾北白花镇发生MS4.5地震，位于宜宾与自贡之间，属川中隆起自流井凹陷的南部，北东向华蓥山断裂带处于该凹陷东南侧，北西向荣县—南溪基底断裂处于该凹陷中段.震区以北东向褶皱构造为主，平面上形似于向北收敛向西南撒开的帚状构造，北西向构造主要为小规模断裂，由北东—南西向把自流井凹陷切割为阶梯状（刘成明，2005）.震中位于孔滩背斜中部，其背斜长约29 km，轴向约N40°E，核部地层产状近水平，两翼倾角约为10°，该背斜向南西方向延伸的末端（永兴）曾在1996年2月28日发生过一次MS5.4地震.在孔滩背斜地表下的地层中发育有一些盲冲断层，并且由浅至深数量增多长度增大，该区域地表大范围出露侏罗纪-白垩纪红色碎屑岩，震中西南侧大约18 km处出露一北西向毛桥断层（何玉林等，2004）.

2 数据处理

本研究采用四川宜宾及周边地区布设的30个临时短周期台站2019年6月1日到7月14日间共44天垂直向连续波形数据.数据预处理步骤参考Bensen等（2007）流程：首先，将连续背景噪声数据处理为24 h长文件，进行去均值、去趋势；其次，由于原始数据采样率较高而且很多高频信息对本研究无用，因此将数据重采样到10 Hz，同时进行分频段带通滤波（周期为：1—4 s，4—9 s，9—15 s）；随后，对数据进行时域归一化，以减小地震信号的干扰和地震仪器附近人类活动引起的一些较大震动对噪声互相关函数质量的影响；最后，对数据进行频率域谱白化，以使噪声信号更接近白噪音.

经过预处理，将每两个台之间的24 h数据进行互相关函数计算，得到信噪比大于10的互相关函数，红色虚线内显示面波窗口（图2a）.为了提取频散曲线，对叠加后的互相关函数进行希尔伯特变换得到面波经验格林函数（Yaoet al，2011），随后采用基于图像分析和滑动时窗的方法（Yaoet al， 2006）提取信噪比大于10、台站间距大于1.5倍波长并且平滑可靠的面波频散曲线（图2b）.不同周期的面波相速度对各深度S波速度结构的敏感核曲线如图3所示，可以看出，短周期面波相速度对浅地壳敏感，而长周期面波相速度对较深地壳敏感，例如周期15 s的面波相速度对10 km左右深度的S波速度结构较敏感.

图2 1—15 s周期的台站对之间的互相关函数（a）和基阶瑞雷面波相速度频散曲线（b）Fig. 2 nterstation cross-correlation function （a） and The fundamental Rayleigh wave phase velocity dispersion curves （b） in the 1-15 s period

图3 基阶瑞雷面波相速度频散的深度敏感核Fig. 3 Depth sensitivity kernels for the fundamental Rayleigh wave phase velocity dispersion at different periods

3 反演方法及测试

3.1 反演方法

本研究使用基于射线追踪的直接反演方法（Fanget al，2015），将频散数据反演得到S波速度.相比于传统的两步法反演，此方法省略了获取相速度、群速度分布图的中间步骤，直接由频散数据反演得到S波速度结构；并且该一步法未使用大圆路径，而是采用频率相关的射线追踪方法，因此可以更好地模拟非均匀介质中的射线路径弯曲效应，对横向变化较大的区域改善良好.在走时计算中，采用快速行进法（Rawlinson，Sambridge，2004）计算各周期的面波相位传播时间和射线路径.与此同时，该方法使用了基于小波变换的稀疏矩阵反演，相比于空间域，小波域中的面波病态敏感核矩阵会得到较好的改善.

3.2 模型参数设置及分辨率测试

基于射线路径分布和敏感核曲线，本文将模型空间设置为水平方向0.08°×0.08°， 深度0—12 km，步长1 km，等间隔设置.参考前人研究（易桂喜等，2019；曾求等，2020；李大虎等，2021；孙权等，2021），构建三维初始速度模型并增加0.5%随机噪声到合成数据.

为了验证反演所用模型的分辨率，本文进行了两种检测板测试（图4）.横向检测板测试结果显示，在随深度递增的水平各层中分布有棋盘状的异常体，大小为0.48°×0.48°.纵剖面检测版中将异常体设置为横向0.48°，纵向图案深度范围内第一层为0—3 km、第二层为4—7 km，第三层为8—12 km，结果显示第一层与第三层图案一致且与第二层相反，即高速异常对应低速异常（图4a，b）.

图4 2 km （a）和6 km （b）深度处的横向和纵向剪切波速棋盘测试结果左图为初始模型，右图为对应的恢复结果.三角形为台站位置，灰色阴影为地形Fig. 4 Lateral and vertical shear-wave velocity checkerboard tests at the depths of 2 km （a） and 6 km （b）The left panels are the initial models and the right ones are the corresponding recovery results. The location of the station and topography are shown as triangle and gray shadow，respectively

4 方位各向异性反演方法及测试

4.1 反演方法

地球介质的各向异性特征与地壳运动息息相关，并受到岩相、断裂分布、区域应力环境和地质构造的影响（Zhanget al， 2009； Gaoet al， 2011）.在传统的方位各向异性反演中需要两个步骤，即首先通过二维反演得到具有各向异性特征的不同周期相速度分布图，再进行深度反演得到各个深度的方位各向异性.Liu等（2019）在一步法各向同性反演基础上加入各向异性，实现了直接由频散数据反演得到各深度间平均各向异性结构.由于该程序反演基于平层模型而不是格点模型，因此其中各向同性部分区别于一步法只反演各向同性速度.

4.2 模型参数设置及分辨率测试

由于两种方法使用相同的反演框架，且各向同性分辨率上节已测试，因此本节只进行方位各向异性的检测板测试.检测板模型参数设置与之前各向同性反演一致，水平方向均为0.08°，深度为0—12 km且等间隔设置.类似于各向同性检测版，本文在各深度设置的各向异性图案大小为0.56°×0.56°，各向异性强度为2.5 %，快波方向为南北向和东西向交替，各层检测板异常图案相同.棋盘分辨率测试结果表明，射线路径分布影响检测板恢复结果，在射线路径分布密集的区域恢复得较好（图5）.实际数据的反演将利用上步得到的各向同性速度模型作为初始模型进行方位各向异性联合反演，由于最终反演结果是平层模型，因此得到的是特定深度之间的平均各向同性和平均方位各向异性.

图5 方位各向异性棋盘测试的输入（a）和输出（b）结果Fig. 5 Checkerboard tests input （a） and output （b） results of azimuthal anisotropy

5 结果分析与讨论

5.1 各向同性速度结构

地震S波速度结构能反映地下物质分布特征，本次研究结果的各向同性速度结构有两种：切片各向同性（图6）和平层各向同性（图8）.切片各向同性描述某一具体深度的S波速度分布，平层各向同性描述特定深度间的平均S波速度结构.

在2 km深度处（图6a），研究区域大范围以低速分布为主，与地表覆盖较厚的沉积物有关；而东南部S波速度整体偏高，尤其在筠连—高县—珙县—兴文一带呈高速分布.在长期地质构造过程中，由于受到西南方向挤压应力作用，长宁大背斜区域地层经历了褶皱、抬升和地表风化剥蚀，可能是形成相对高速的原因.在4 km深度处（图6b），研究范围以北大面积区域S波速度逐渐由低转高，屏山—水富一带和南溪—江安一带速度变化明显；长宁MS6.0地震震中以南S波速度逐渐增高，但相对周边仍显低速，该区域为川南地区五峰组—龙马溪组埋深4 500 m以浅的核心勘探区部分（杨跃明，2021），因此相对低速也可能与页岩、泥岩和盐岩等软弱层分布有关.孙权等（2021）通过对长宁MS6.0地震震源区及邻区波速比的分析认为，深度在4.5 km以上的白象岩—狮子滩背斜、双河背斜和长宁背斜区的S波速度整体表现为低波速比特点.在5 km深度处（图7a），孔滩背斜周围S波速度分布高低差异明显，2004年宜宾北白花镇MS4.5地震（震源深度约为5 km）即位于S波速度高低过渡区.在6 km深度处（图6c），高县—珙县以南、筠连东北部S波表现为低速，而在5 km深度处（图7a）该区域S波速度较周围变化还不明显，因此6 km左右存在一S波速度高低过渡层，泸州以西S波表现为低速，长宁大背斜一带S波速度与周围一致.胡幸平等（2021）通过对长宁地区双差层析成像结果分析认为，正是由于该区域地层前期被抬升和后期经历风化作用，长宁背斜区域在深度为7 km以上的地层与周围区域更深地层的S波速度一致，这种横向差异使得长宁背斜区的S波速度与周围区域相比相对较高，这与我们的反演结果较为一致.与此同时，在5 km和6 km深度处的S波速度分布结果显示长宁—双河场—狮子滩背斜西北部较东南相对低速，介质力学性质较弱，这可能是长宁地震序列沿近西北向破裂的原因之一.孙权等（2021）认为长宁震区随着深度增加，西北部整体表现为高波速比而东南部整体为低波速比.在10 km深度处（图6d），研究区域大范围S波速度呈高速，速度分布差异较小，仅筠连以北、泸州以西和孔滩背斜以西区域的S波速度相对较低.

为了更好地探究震源区的速度分布特征，本文设置了两条测线AA′和BB′ （图7a）.2004年6月17日宜宾北白花镇发生MS4.5地震，震中位于孔滩背斜中部，而该背斜西南向末端曾于1996年2月28日发生永兴MS5.4地震，但对此次地震研究较少，本文设置AA′测线拟对该区域地下结构进行研究.该剖面下的速度结构以低速分布为主，A′端下方0—6 km深度范围内出现了近似三角形的S波高速区，对应于高县—珙县以南区域，可以看出深度6 km左右为一高低速过渡界面，与本文6 km深度切片速度模型对应（图6c）.地形上的倒三角为震中位置（图7b），该地震震源深度为5 km，位于高低速分界线处，说明地震易发生于S波的高低速过渡区.

图6 研究区内深度为2 km （a），4 km （b），6 km （c）和10 km （d）的三维S波速度结构Fig. 6 3D shear wave velocity structures at the depths of 2 km （a），4 km （b），6 km （c）and 10 km （d） beneath the study area

BB′测线南东方向在0—2 km深度范围内（图7c）可以清楚看到呈折线状高低速分界线，这与地表背斜、向斜构造相对应.此外，BB′测线在大约4—8 km深度范围内S波出现一明显低速区，对应于珙县区域下方，可以看到在同一深度该低速区左边S波呈高速分布，而右边呈低速分布，因此推测右边呈低速分布可能与页岩、泥岩和盐岩等软弱层有关，也可能与页岩气开采流体向下渗入断层或岩石缝隙有关.断层一般与背斜构造共生，长宁及周边地区背斜、向斜分布较多并且随着页岩气的开采高压注水断层间的摩擦属性会降低，因此该区域中小地震活动值得长期关注.

图7 AA′和BB′剖面 0—10 km深度范围内的S波速度结构（a） 5 km深度的S波速度图像，其中黑线剖面位置；（b） AA′剖面；（c） BB′剖面Fig. 7 Shear wave structures of the profiles AA′ and BB′ in the depth range of 0-10 km（a） vS structure at the depth of 5 km，the black lines respent the location of profiles；（b） AA′ profile；（c） BB′ profile

5.2 方位各向异性分布特征

本文的研究目标为浅地壳结构，处于低压环境下的各向异性主要受岩石裂隙定向排列的影响，而在地壳深部，岩石中的微裂隙在高压环境下已闭合，因此各向异性由矿物晶格和形态的优选方位控制（张国苓等，2010）.Crampin和Chastin （2003）认为介质微裂缝中的填充物对应力场的波动最为敏感，因此上地壳顶部的岩石变形主要受应力控制下的微裂缝、破裂形状影响.Boness和Zoback （2004， 2006）由钻孔压裂实验认识到地壳浅部S波的快速极化方向同岩石裂缝产生的最大水平压应力方向极为一致，层状黑云母砂岩、高裂隙花岗岩中的S波速度各向异性主要由地壳的现今应力状态控制，而在精细层压的页岩中，S波各向异性受黏土沿沉积层理面结构排列的影响.

从地质学角度分析，地壳介质的各向异性成因主要包括区域裂缝、破裂，断层带的剪切、变质岩在壳内的变形，以及各向同性的非均质性或分层、材料组分、纹理属性等；而从岩石学角度分析，岩石固有各向异性是自身形成时晶体结晶排列所导致的.高温高压岩石学实验证明：当岩石发生扩散蠕变时其内部晶体不会形成晶格优选方向，但当岩石变形受错位蠕变机制控制时则会沿某个方向优势排列；岩石的次生各向异性是由于在应力作用下岩石会发生破裂从而形成一定方向性的裂隙或空隙，然而裂隙、空隙中的流体、油等填充物会对地震波速的衰减造成一定影响（商咏梅，2018）.在孔滩背斜附近（图8），快波方向与背斜走向近似平行，随着深度增加各向异性强度变弱，而且此区域快波方向逐渐向北收敛向南撒开，呈帚状分布，与地质构造背景符合.刘成明（2005）认为孔滩背斜区以北东向褶皱构造为主，平面上形似于向北收敛向西南撒开的帚状构造，北西向构造主要为断裂且规模较小，由北东—南西至南西向把自流井凹陷切割为阶梯状，这也与我们结果“北东向的各向异性较强，北西向各向异性较弱”相对应.在狮子滩—双河场—长宁背斜区域（图8），各向异性强度相对较弱，可能与该区域地质环境有关.长宁背斜地区发育的志留系龙马溪组页岩是川南页岩气主要开采区之一，富含页岩、盐岩、膏岩和泥岩等软弱层通常具有泊松比高、弹性模量小和抗压、抗剪切强度小等特点，在地壳构造变形过程中岩层主要以塑性变形为主（杨跃明等，2021）.

图8 不同深度范围的三维S波速度模型及方位各向异性Fig. 8 Three-dimensional shear wave speed model and corresponding azimuthal anisotropy in different depth ranges

介质的弹性参数除了自身性质外还会在一定程度受到应力条件的影响.在挤压环境下，地震波沿着挤压的方向传播较快，正交挤压方向传播较慢（Sayers，1999）.岩石物理实验表明在晶体尺度上的各向异性较为复杂，但深部地壳岩石的平均各向异性基本为准六边形，而且云母含量高的岩石如长英质片麻岩和变质岩的各向异性最强（Weisset al，1999）.由图8可以看出：长宁—双河场—狮子滩背斜以南快波方向为北东—南西向，随深度增加强度变小，而背斜以北快波方向为北西—南东向，强度随深度增加而变大；罗场向斜东部在0—3 km和3—6 km深度内快波方向为近东西向逐渐变为北东东—南西西向，而在6—9 km快波方向为近北西西—南东东向，这种差异可能与局部应力场变化有关.阚荣举等（1977）认为四川盆地属稳定的华南地块，位于龙门山断裂带东南部，其主压应力方向为北西西向，在不受地表断裂影响的区域，本文结果快波方向为北西—南东向.易桂喜等（2019）认为长宁2019年6月17日MS6.0地震震源区的主压应力方向为北东—南西向，而华南地块西部大区域主压应力方向为北西—南东向，表明四川盆地边缘构造转换带应力场局部变化较明显.断层一般与背斜构造共生，川南地区构造活动主要以背斜、向斜和与之相关的小尺度断层分布为主，这些断层、褶皱走向错综复杂，主要包括北东向、北西向和东西向等（孙权等，2021），而且该区还发育有大量盲断层（Leiet al，2019a）和微小裂缝（何登发等，2019），因此致使本文的方位各向异性快波方向结果分布各异.

6 结论

S波速度结构能够反映地下物质成分及一些物性特征，而地壳各向异性能够反映地球介质的形变特征和古今应力场状态，是地震学与地球动力学之间的纽带.本研究利用四川宜宾地区布设的30个临时台站连续44天的波形数据，采用背景噪声互相关方法提取了1—15 s周期的瑞雷波相速度频散曲线，然后运用基于射线追踪的一步反演方法，由面波频散数据直接反演出S波速度结构，最后利用得到的速度模型使用相同的反演框架反演出方位各向异性，对该地区地质构造环境进行了分析.根据反演结果可以得到以下结论：

1） 宜宾地区浅地壳S波速度横向分布不均匀，随着深度增加呈不均一性减弱.深度从5 km开始，随着深度增加，狮子滩—双河场—长宁背斜区域的S波速度西北部较东南部相对低速，而低速反映出了介质力学性质较弱，因此可能是长宁地震序列沿近西北向破裂的原因之一；孔滩背斜区域约在5 km深度处S波高低速分布明显，2004年6月17日宜宾北MS4.5地震位于在高低速过渡区.

2） 方位各向异性快波方向在孔滩背斜附近与背斜走向近似平行，随着深度增加各向异性强度变弱，而且此区域快波方向逐渐向北收敛，呈帚状分布，与地质环境吻合；狮子滩—双河场—长宁背斜以南快波方向为北东—南西向，随深度增加各向异性强度变小，而该背斜以北快波方向为北西—南东向，随深度增加各向异性强度变大；宜宾地区在受到多向挤压和多期构造运动复合作用下，褶皱和断层走向错综复杂，各向异性快波方向的空间分布与地表走向各异的小规模断裂基本一致，局部范围在不同深度表现各异.

中国科学技术大学姚华建教授课题组为本研究提供了面波频散曲线测定程序、DSurfTomo程序和DAzimSurfTomo程序，审稿专家为本文提供了宝贵修改意见及建议，本文大部分图件采用GMT绘制，作者在此一并表示感谢.