贵州西部多流域水库区地壳三维速度结构

杜兴忠 左可桢 段龙飞 赵翠萍

1)中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081

2)中国地震局地震预测研究所,北京 100036

0 引言

贵州地区在地质构造上位于西部特提斯构造区域与东部濒太平洋构造的交接处,历史上构造地震活动较弱。其中,贵州西部地震活动相对较强,但是地震监测台网建立以来发生的构造地震较少,因此一直以来对该地区的地震学研究,包括地壳三维速度结构等基础性研究较为缺乏。自2000年以来,随着贵州西南地区乌江、北盘江等几大流域大型梯级水电站的建设,水库地震监测专用台网的监测结果表明黔西南地区水库区域地震活动呈现出相对活跃的状态,这为利用地震数据开展水库地震等相关研究提供了条件。Duan等(2023)利用黔西南4个水库台网44个台站记录的连续观测数据,采用基于人工智能技术的LOC-FLOW流程(Zhang et al,2022),得到2020年1月—2021年6月期间大约5倍于人工处理的地震目录和震相数据,地震目录的完备震级从1.3下降至0.8。本文使用该研究得到的地震目录和震相数据,进一步反演黔西南地区的三维速度和波速比结构,为认识贵州西南地区的地壳结构特征,分析地震活动的深部环境,以及其他地学研究提供速度结构模型。

1 贵州西南区域地质背景和地震活动情况

受青藏高原隆起的影响,贵州高原山岭纵横,地表崎岖。从中元古宙至今的地史时期,贵州地壳经历了多次构造运动,造成了较为复杂的地质构造格局。岩石分布以沉积岩分布最广,发育最佳。本文研究区贵州西南地区为黔北台隆,属于二级构造。黔北台隆内部的威宁—水城深断裂(属于垭都—紫云断裂的组成部分)将黔北台隆划分为六盘水断陷和遵义断拱2个三级构造单元。其中,六盘水断陷由威宁NW向构造变形区和普安旋钮构造变形区组成,以NW向构造为主,走滑、逆冲断层均比较发育,特别是其南、北盘江流域三叠系陆源碎屑岩区,褶皱紧密,变形较强。遵义断拱则包括毕节NE向构造变形区、凤岗NNE向构造变形区和贵阳复杂构造变形区(徐伟钧等,2018)。

除NW向的威宁—水城逆冲断裂外,研究区内的主要活动断裂还包括位于北部乌江流域附近、近EW向的开阳—纳雍断裂和马场断裂,以及南部北盘江流域附近的NE向晴隆、盘县断裂。其中,开阳—纳雍断裂位于乌江以南,属于走滑断层,其切断了地台基底和盖层构造; 马场断裂位于乌江以北,具有逆冲和走滑性质; 北盘江南侧NE走向的晴隆断裂活动性质为正断,其控制了一系列第四系盆地的发育,历史上曾发生多次5级以上地震,该断裂最新活动时代为中更新世晚期,晚更新世以来不活动。

研究区内沿北盘江流域、乌江干流三岔河、六冲河分别建设了黔西北、黔中、黔西南水利工程,其中沿北盘江流域建设有三座大型水库,分别为光照水库、马马崖水库和董箐水库。光照水库坝高200.5m,库容32.45亿m3,2007年开始蓄水; 马马崖水库坝高109m,库容1.365亿m3,2014年开始蓄水; 董箐水库坝高149.5m,库容9.55亿m3,2009年开始蓄水。北盘江流域的水库库区基岩以碳酸盐岩为主,岩溶、地下暗河发育。已有研究表明,岩溶发育的地区在水库蓄水后容易诱发地震(胡毓良等,1979),光照水库和董箐水库在蓄水后地震活动性明显增强(王尚彦,2015)。三岔河中游是黔中水利枢纽,平寨水库位于三岔河中上游六枝与织金交界河段,最大坝高162.7m,库容10.89亿m3。平寨水库大坝左岸岩溶十分发育,受岩性和构造影响共发育五套岩溶系统(孙浩淼,2014),这也是河流以北地震相对较多且集中在上游几个支流附近的原因。乌江干流六冲河上的洪家渡水库坝高179.5m,库容49.25亿m3,库区附近岩溶发育、地质构造复杂、裂隙节理丰富,处于相对较高的应力状态区(姜朝松等,1991)。该水库于2004年正式开闸蓄水,在蓄水后诱发了有影响的地震(王尚彦,2015)。位于其上游的夹岩水库坝高154m,库容13.23亿m3,于2021年12月28日开始正式蓄水。上述3个流域水库地震监测台网的监测数据在联合处理后,可极大地提升整个黔中区域的地震监测能力。

与西侧的川滇地区相比,研究区内(25.2°N～27.6°N,104.4°E～106.8°E)历史地震活动相对较弱。公元前780年至1969年共记录到5级以上地震6次; 1970年至2019年共记录到5级以上地震0次,4级以上地震8次,其中7次位于大型水库附近(图1(a));2009年至2019年期间共记录到研究区内地震超过2000次,大量地震丛集位于北盘江流域的董箐水库和光照水库库区附近(图1(b))。地震活动频次、强度与水库蓄水具有一定的相关性,其中光照库区蓄水后发生的最大地震震级为ML4.4,董箐库区发生的最大地震震级为ML4.7。

注: (a)研究区位置及历史地震震中分布; (b)2009年1月至2019年12月地震震中分布; (c)利用 LOC-FLOW 得到的2020年1月至2021年6月地震震中分布; 其中蓝色曲线代表河流,棕色曲线代表已知断裂,黑色矩形代表水库大坝,三角形代表台站,其颜色表示不同的台网; 图(a)中白色五角星代表公元前780年至2019年5级以上地震事件,红色五角星代表1970年至2019年4级以上地震事件; 图(b)、(c)中白色圆代表地震震中,大小代表震级。

2 数据与方法

2.1 数据

流域型梯级水库的水库地震监测台站沿江布设在20km范围内(图1(c)),每个台网的台站均沿河分布且台网数据单独进行定位处理,线状分布的台站布局对于库区内外的地震监测和定位存在缺陷,也未能充分发挥对整个区域地震监测的作用。为了使得这些监测数据得到更为有效的利用,获取贵州西南区域更加完整和准确的地震目录,对这些台网记录的2020年1月至2021年6月的连续波形数据进行合并,利用LOC-FLOW自动定位流程开展基于机器学习的库区地震识别和定位研究,获取了该区域2020年1月1日至2021年6月12日的地震目录(图1(c))和震相观测报告,并基于获得的高精度定位结果分析该阶段黔西南水库库区的地震活动特征(Duan et al,2023)。

本文进一步采用波速比一致性约束的双差层析成像方法(Guo et al,2018),利用获取的定位结果和震相观测报告进行地震位置和三维速度结构联合反演,研究黔西地区的地壳结构特征。为保证结果的可靠性,从中挑选至少被3个台站记录到的地震事件用于震源位置和速度结构的联合反演。此外,要求所使用的震相数据的震中距不超过100km,且根据走时曲线(图2)删除偏差较大的震相数据后,参与反演的每个事件至少包括6个震相到时。经过筛选,共有4967个地震事件和44个台站用于反演计算,其中P波震相25106个,S波震相16703个,所使用的地震和台站分布如图3所示。

图2 P波(a)和S波(b)震相走时曲线

图3 研究区内数据及反演网格节点分布

2.2 方法流程

本研究所使用的波速比一致性约束的双差层析成像方法是在传统双差层析成像方法(Zhang et al,2009)的基础上发展而来的。该方法可以同时使用P波、S波以及P波和S波的走时差(ts-tp)等3种数据的绝对走时和相对走时来联合反演研究区的地震震源位置和三维vp、vs和vp/vs结构,并在反演过程中对vp模型除以vs模型得到的波速比模型和由ts-tp数据直接反演得到的波速比模型添加一致性约束,使二者之间差异最小,从而得到更为精确的地下介质结构和震源位置(Guo et al,2018;Zuo et al,2020)。

在地震对匹配时,设置每个地震对之间的最大距离为20km,每个地震最多可以和20个地震组成地震对。基于数据分布情况,经测试将研究区内水平网格间距设为20km(图3),深度方向上的网格节点分别位于0km、3km、6km、10km、15km、20km和30km深度处。反演使用的最优阻尼因子和光滑因子通过L曲线方法(Eberhart-Phillips,1986)获得,分别为300和30(图4)。反演使用的一维速度模型与定位时使用的速度模型相同。

图4 确定最优阻尼因子(a)和光滑因子(b)的L曲线

2.3 结果可靠性分析

采用检测板测试方法(Zhao et al,1992)评估反演得到的研究区三维速度模型的可靠性。首先,在联合反演所使用的一维速度模型的基础上,按照实际反演时采用的网格节点划分方式,对P波速度模型相邻的网格节点添加±5%的扰动,对波速比模型添加±10%的扰动。由于初始S波速度模型是由P波速度模型和波速比计算得到的,因此S波速度模型相邻网格节点的扰动量约为+5.5%和-4.5%。然后,基于该理论检测板模型和实际反演时使用的地震数据,采用伪弯曲射线追踪方法(Um et al,1987)生成一个理论的走时数据集。最后,采用与实际反演时相同的反演策略对合成的理论数据集进行反演,分析反演得到的模型与初始检测板模型的一致性。

最终的检测板测试结果如图5所示,从图中可以看出,在0～15km深度,对于研究区内地震和台站分布比较集中的区域,其vp、vs和vp/vs模型均能得到较好的恢复(红色曲线所包围的区域)。因此,下文中主要讨论这部分区域的三维速度结构。

注: 红色曲线所包围的区域检测板模型恢复较好。

3 结果与讨论

经过联合反演,最终得到4591个地震的重定位结果,重定位前后的地震震中分布如图6所示,重定位前,地震在研究区内的分布比较离散(图6(a)),重定位后的地震分布明显收敛(图6(b))。研究区内地震活动在北盘江的董箐水库大坝、光照大坝及其上游库区、晴隆断裂与北盘江交汇区域形成了地震丛集,在三岔河流域两侧分布着大量地震,在六冲河两侧远离河流的地区存在密集的地震分布。结合反演得到的三维vp、vs和vp/vs结构对该地区的地震活动进行进一步分析。

注: 黑线代表断层; 红色实线为图8中剖面位置,红色和紫色虚线分别为二级、三级构造单元边界。

不同深度水平方向上的vp、vs和vp/vs模型反演结果如图7所示。通常情况下,射线分布密集、检测板模型恢复较好的区域其速度结构反演结果比较可靠。根据研究区内射线分布(图3)和检测板测试结果(图5),本文仅展示速度结构反演结果较为可靠的区域,即图5中红色曲线所包围的区域。反演结果显示,研究区内的地震波速度结构具有明显的横向不均匀性,不同大地构造变形分区展现出不同的速度结构特征。总体来讲,在0km、3km、6km和10km深度层,研究区中部六盘水断陷与遵义断拱分界带的NW向威宁构造变形区(图6)显示出显著而持续一致的低vp、vs特征(图7(a)、7(b))。其西南侧的六盘水断陷在0km和3km深度层以低vp、vs为主,在6km和10km深度层显示出显著的高vp、vs特征。在其北东侧的遵义断拱在0km和3km深度层显示出低vp、vs特征,在6km和10km深度层显示低vp、高vs分布。在15km深度层,P波和S波速度均显示出较好的一致性和均匀性。

注: 白色圆圈为地震在距离最近的剖面上的垂直投影; 蓝线代表河流; 红线代表断层,MCF:马场断裂,KYNYF:开阳—纳雍断裂,WNSCF:威宁—水城断裂,PXF:盘县断裂,QLF:晴隆断裂。

在浅层地表附近(0km深度),夹岩、平寨和马马崖水库大坝所在位置表现为P波和S波低速异常,光照水库大坝及其上游区域也为低速异常区(图7(a)、7(b))。对于浅层的波速比结构,夹岩、平寨、光照和马马崖水库大坝所在区域为高波速比区(图7(c))。0km浅层的低速特征与横穿研究区的3条河流及碳酸盐岩为主的岩性特征有关。地质研究表明,研究区内碳酸盐岩广泛分布,六冲河干流上溶洞发育,夹岩水库库区伏流溶洞与明流河道呈相间分布(杨周等,2014)。溶洞、地下暗河等岩溶地貌是水体渗透扩散的有利通道(易立新等,2000; 纪星星等,2023),流体沿通道向深部渗透,能够使地下介质的波速发生变化(曹颖等,2018)。平寨水库坝址区出露地层为三叠系夜郎组、永宁镇组、关岭组以及第四系堆积物,库区岩溶和裂隙十分发育,构成了复杂的岩溶-裂隙网络(简文星等,2004)。光照水库库区构造以短轴褶皱为主,断裂和岩溶比较发育(陈本金等,2014)。马马崖水库区的河谷边坡岩性为软岩、或上软下硬、或夹层发育,受构造切割等因素的影响,岸边多处分布有第四系覆盖层(张秀宏,2006)。因此,夹岩、平寨、光照和马马崖水库区域的低速、高波速比异常反映了该区域浅层的地质环境和流体渗透的影响。

在3km深度处,P波低速异常主要分布在毕节—大方—纳雍一带和六盘水—平寨—晴隆一带,贞丰县西北侧和赫章县北侧则为显著的P波高速异常。S波低速异常主要分布在六盘水-平寨—晴隆一带,该区域同时具有较高的波速比。晴隆断裂两侧的速度结构表现出明显的差异。将研究区内不同深度的地震投影在距离最近的水平切片上(图7),发现地震主要分布在赫章至纳雍之间的高低波速区的过渡带、平寨西北侧的高波速区和晴隆县附近低波速体的边缘。

在6km深度处,研究区显著的P波低速异常主要分布在六冲河两侧,并具有较低的波速比,而北盘江区域尤其是晴隆—贞丰一带则为P波高速异常区和高波速比区。北盘江两侧的S波速度结构具有明显差异,其西南侧为S波高速区,东北侧为S波低速区。在10～15km深度,晴隆—贞丰一带仍然为显著的高vp、低vs和高波速比区。

整体上,研究区内的地震丛集主要位于高、低速异常体的边缘等速度结构变化剧烈的区域,对应于高波速比区或高、低波速比区的过渡带。为进一步分析研究区内的三维介质结构及地震活动,给出了穿过主要地震丛集区的4条深度剖面(剖面位置见图6(b)),其中AA′剖面(图8(a))显示,夹岩水库西侧、六冲河南岸NWW向的地震丛集(图6(b))其震源深度位于0～7km,呈近直立状分布,地震丛集南侧为低速区,北侧波速相对较高,地震丛集下方3km以下深度存在明显的低波速比异常体。夹岩水库北侧的地震丛集由于受台站覆盖的影响,在深度上可靠性较差,分布较为离散。BB′剖面(图8(b))显示,北盘江和三岔河附近的地震震源深度同样较浅,主要集中在10km以浅的深度。北盘江西南侧的地震丛集位于相对高速异常体内,在深度上具有倾向WS的条带状特征。

注: 黑色圆圈为剖面两侧10km范围内地震的垂直投影。

沿CC′剖面(图8(c))地震主要位于北盘江光照水库、三岔河平寨水库和开阳—纳雍断裂附近。其中,平寨水库位于研究区的中部,周围台站包围较好,重定位后地震收敛较好,在深度方向上呈现具有不同倾向和倾角的多条地震条带,反映了该区域的地震活动为多条小规模断层发生活动所致。平寨水库所在区域速度结构较为复杂,其南、北两侧速度结构和波速比具有明显差异。沿DD′剖面(图8(d))地震主要集中在马马崖大坝附近的晴隆断裂上,位于高低速异常的交界处和低波速比区域。董箐大坝附近的地震活动受台站覆盖的影响,地震在深度上的分布比较离散。

4 结论

由于贵州地区的构造地震活动水平较弱,基于地震观测资料开展的地壳三维速度结构研究缺乏。本文使用基于机器学习方法构建的地震目录和观测报告,反演得到了该地区水平分辨率20km、垂直分辨率3km的三维vp、vs和vp/vs结构,并分析了地震的空间分布特征。研究区内分布有多个大型水库,受库区岩性和流体渗透的影响,浅层的速度结构普遍具有低波速和高波速比特征。上地壳速度结构呈现出与大地构造变形分区相关的横向不均匀性。重定位后的地震丛集勾勒出了大量隐伏断层的几何展布特征,其主要位于高、低速异常体的边缘等速度结构变化剧烈的区域,对应于高波速比区或高、低波速比区的过渡带上,推测该区域的地震活动与水库周围的断层活化有关。

致谢：中国科学技术大学张海江教授提供TomoDDMC软件,文中图件使用GMT软件绘制,在此一并表示感谢。