2020, Vol. 40
重庆地区毗邻南北地震带中部, 区内的地震构造按其走向特征可以分为3类：北东向断裂，包括华蓥山断裂、彭水断裂、七曜山-金佛山及其附属断裂方斗山等；北西西向断裂，包括城口深断裂及其伴生小断裂；南北向断裂，主要为长寿-遵义断裂等[1]。重庆地区地震活动的特征表现为强度不高、震级不大、深度不深，近现代中强地震活动始于上世纪80年代末期，2017年重庆武隆地区发生的5.0级地震为近几年来重庆地区震级最大的地震事件[1]。
王小龙等[2]采用接收函数进行研究发现，重庆东北地区大巴山台缘坳陷附近厚度最大，深度可达51 km。之后，他还采用背景噪声成像对三峡地区进行剪切波速度结构研究发现，地质构造对研究区的沉积环境及速度结构变化具有较大的影响[3]。地下速度结构的三维空间分布与实际地下物质的存在形态及属性变化关系密切[4]，通过将层析成像结果与地震定位结合，可以探索地震发生的外部环境条件，也为揭示地震形成机制提供了可能。
1 数据及分析方法双差层析成像方法[5]消除震源区外部的地下速度结构带来的误差是通过地震事件的相对走时差数据来实现的，结合绝对走时数据进行震源参数和地下介质速度结构的联合反演，提升了反演结果的分辨率和精确度[6]。
利用2009-01~2018-10中国地震台网中心地震目录中重庆及邻近区域(26°~35° N，103°~113° E)的M＞0.5地震事件资料，采用经Hypo2000重定位后地震事件的初至P波(Pg、Pn)和初至S波(Sg、Sn)的数据资料[7]，进行研究区域(主要集中在重庆市范围以内)的精细速度结构反演。资料中的地震事件及台站位置分布如图 1所示，其中重庆数字台网固定台站36个，流动台站4个，周围邻近省份台站31个。
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F1华蓥山断裂; F2七曜山-金佛山断裂; F3彭水断裂; F4方斗山断裂; F5城口深断裂; F6长寿-遵义断裂 图 1 研究区构造背景及数据分布 Fig. 1 Structural background and data distribution of the studied area |
对收集的地震数据资料进行初步检查与筛选，降低人工拾取震相数据可能存在的偏差，选择震相数据多于4个的地震事件进行计算，定位前剔除偏差较大(超过±5 s)的震相数据。震中距小于200 km的地震选择Pg、Sg震相进行筛选，震中距大于200 km的地震选择Pn、Sn波进行筛选，筛选后的时距曲线如图 2所示，P波与S波的波速比为1.73。地震对之间的最大距离为20 km，得到3 597个地震31 562条P波绝对到时数据，38 548条S波绝对到时数据，881 923条相对到时数据。在联合反演过程中，P波震相的权重值为1.0，S波震相的权重值为0.8。
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图 2 筛选后P波、S波时距曲线 Fig. 2 Time-distance curves of P wave and S wave after screening |
为了提高反演结果的准确性和可靠性，需要选取大小合适的网格节点和初始速度模型结构。结合区域的地震震中及台站的分布情况，采取王小龙等[3]根据接收函数所得速度结构转换得到初始一维速度模型，速度结构分布如图 3所示，波速比为1.73。反演网格节点的划分则采用平面上节点间距为0.3°×0.3°，垂直方向上深度分别为0 km、5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、30 km、35 km、40 km，通过地震震中与台站位置相连的射线覆盖情况检查对研究区域的数据覆盖情况。射线分布及平面方向上网格节点分布如图 4所示。
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图 3 初始一维速度模型 Fig. 3 Initial one dimensional velocity model |
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图 4 射线及网格节点分布 Fig. 4 Distribution of ray and grid nodes |
在进行实际数据的联合反演前，通过计算L曲线选取适合的阻尼因子和光滑因子参数。如图 5、图 6所示，最终将光滑因子(smooth)定位为20、阻尼因子(damp)定位为300，作为进行数据反演计算的最佳参数组合。
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图 5 使用不同光滑因子得到的L曲线 Fig. 5 L-curve with different smoothing factors |
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图 6 使用不同阻尼因子得到的L曲线 Fig. 6 L-curve with different damping factors |
采用棋盘格测试误差分析方法对获得的三维速度结构模型进行可靠性分析和测试，反演得到的P波测试结果如图 7所示。受实际台站分布及震源位置的影响，地面附近棋盘格测试的结果较差，分辨率较低；在5~25 km深度，棋盘格测试具有更好的恢复能力和更高的分辨率；在25~35 km深度，受实际地震震源深度影响，棋盘格测试的恢复情况较分辨率有所下降。
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图 7 不同深度P波棋盘格测试值 Fig. 7 P-wave checker board test values at different depths |
在射线路径与网格节点参数使得DWS值超过100的情况下，反演的速度结构可靠性较高[8]。不同深度P波DWS值分布如图 8所示，浅色区域表示DWS值大于100，表明该区域速度结构反演的可靠性较高。同样，受实际震源位置及台站分布的影响，在地震射线分布较为密集的地区可靠性较高，其检测结果与棋盘格测试具有一定的一致性。
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图 8 不同深度P波DWS分析值 Fig. 8 DWS analysis value of P-wave in different depth |
根据数据资料反演计算出的不同深度的P波速度分布如图 9所示，并在该层的深度上投射深度2 km以内发生的地震的震中分布情况。
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图 9 不同深度P波速度结构分布 Fig. 9 Velocity structure distribution of P-wave in different depths |
从反演结果看出，重庆地区的速度结构存在明显的横向不均匀分布特性，通过对比该地区的地质构造分布情况发现，0~5 km的浅层地壳速度结构与地质构造的分布呈现出较高的相关性。多数地震分布在浅层地层中，除去部分地区的分辨率不高，其他区域能识别出凹陷与隆起形态的分布复杂且不规则。
在5~10 km深度处，速度结构在长江以北、观音峡活动断层带及华蓥山基底断裂末端的褶皱构造区附近存在高速异常区。在重庆东南方向，南川和万盛附近存在高速异常区，两条基底断裂在该区域交汇，为区域应力的集中点。在渝东南地区，七曜山-金佛山断裂与彭水基底断裂之间存在低速异常区域。在石柱地区，方斗山断裂与华蓥山基底断裂之间存在低速异常区。该区域地震集中分布在方斗山断裂以北低速向高速的过渡带上。渝东北地区主要表现为高速区，该区域主要断裂为城口深断裂，呈现瓦状的褶皱构造形式。位于大巴山、川鄂湘褶皱带和川东褶皱带的巫山地区，速度结构特征为高值，该地区地形起伏大，地质构造复杂，表现为沿着山脉、断裂分布的高速区，并沿三峡库区向东速度进一步升高，这与罗佳宏等[9]的研究结果一致。
在15 km深度处，速度结构的横向分布不均匀性有所降低。P波速度分布上，在华蓥山断裂末端出现高速异常区，方斗山断裂北侧低速异常区继续减小。长寿基底断裂附近出现低速异常体，彭水基底断裂到黔江断层附近出现相对高值，秀山断层附近出现高速异常。七曜山-金佛山基底断裂与城口深断裂及附近的小断层之间出现相对高值，城口附近出现低速异常区。巫山至巴东速度结构变化范围变小，相对高值区域基本消失。
在20 km深度处，速度结构的横向分布不均匀性向下延伸。华蓥山基底断裂末端出现高速异常。彭水基底断裂以南出现低值异常区，渝中及渝东北区域呈现相对高值，巫溪断层和奉节断层交汇处出现低值异常。
在25 km深度处，P波速度分布在华蓥山断裂末端继续保持高值异常，七曜山-金佛山基底断裂至彭水基底断裂呈现相对低值。城口深断裂附近及巫山-巴东地区出现低值异常。
低于25 km深度地震分布较少，分辨率测试恢复度较差，结果的可信度不高，不再进行分析。
3 讨论为了进一步研究重庆地区地震发生的深部构造原因及研究区域内速度结构的分布与地震活动性之间的关系，将反演得到的P波速度结构作4条垂直剖面，并在剖面上投影发生在两侧0.1°范围内的地震事件，发现速度过渡带与地震震中分布之间往往存在一定的相关性，如图 10、图 11所示。
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图 10 P波速度结构剖面位置分布 Fig. 10 Distribution of P-wave velocity structure section |
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图 11 P波速度结构剖面 Fig. 11 P-wave velocity structure section |
AA′剖面(图 11(a))由西南至东北斜穿整个地区，其速度结构分布与地表结构之间具有良好的对应关系，地震集中发生在巫溪断裂附近的高速区。该区域属于北大巴山推覆构造前缘叠瓦状复杂断褶推覆区，推覆出露的地层为澄江构造层南华地层[1]，并伴有基底隆起的高速区。研究表明，该推覆构造似乎已经固块，其块段边缘已成为介质不连续界面，引起应变累积和地震发生。地幔深处的物质上溢可能会形成地壳下部的高速区，影响地壳内的应力分布和地震活动性。同时，受上地幔热作用，下地壳物质上涌驱动上地壳发生脆性形变，应力在断裂封闭区域进行集聚，造成中上地壳浅源地震活动频发。
BB′剖面(图 11(b))横穿重庆地区中部，沉积层厚度由四川盆地向山脉展现出由深变浅的过渡变化，地震活动则发生在这一速度变化的过渡带下部5~10 km区域，速度结构分布对应盆地沉积层由10 km到5 km的变化。地震主要集中在方斗山断裂，方斗山两侧的速度结构变化并不大，其东边的七曜山-金佛山基底断裂两侧速度结构发生变化。地质资料表明[10]，七曜山断裂以西，垫江-涪陵-石柱地区仅有康定群单层结晶基底，无褶皱基底，航磁资料特征显示与其出露地表的康定群磁性相同。七曜山断裂以东存在结晶基底和褶皱基底的共同作用，石柱地区褶皱基底缺失，且原岩建造为泥质碎屑岩，变质相为绿片岩相，其岩石速度明显大于基性为火山岩建造的康定群。
CC′剖面(图 11(c))穿越重庆东南地区及三峡库区部分地区，三峡库区的地震主要有东西两个丛集。巫山-巴东的丛集分布在巫山断层附近，深度较浅，下界面主要在10 km深度附近P波低速向高速的过渡带区域。该地区地层岩溶发育为碳酸盐，透水性好。地震深度较浅且波速比较高的特征反映该区域的岩石空隙较大，地震活动可能与水库蓄水相关性较大。巴东-秭归段丛集波速与前段不连续，P波低速不连续的特征与库区岩性的透水性相关，库区断裂带作为渗水通道亦呈现P波低速分布。该丛集地震分布在高桥断裂、牛口断裂等附近的P波相对高值区，深度较前段有加深的趋势，且区域岩性透水层和不透水层分布较为分散，地震活动可能为水库蓄水与活动断层共同作用的结果。这与张娜等[11]对三峡库区的研究结果较为一致。
DD′剖面(图 11(d))穿越华蓥山断裂及荣昌震区。根据物探资料[12]，结晶基底的深度和物性在华蓥山基底断裂两侧差别巨大，位于华蓥山断裂西侧地区的基底由火成岩形成，该岩石密度高、磁性强，说明该地区基底为硬化程度高的刚性块体。断裂东侧地区的基底则由沉积变质碎屑岩夹碳酸盐岩与火山碎屑岩形成，表现为密度低、磁性较弱的特征，说明该地区基底为相对塑性结构，这与王小龙等[2]利用接收函数所得到的结果一致。
4 结语本文利用重庆数字地震台网目录记录到的2009-01~2018-10重庆地区及邻区的地震数据资料，采用双差层析成像法对震源参数和地下速度结构进行联合反演，提高了地震定位的精度并分析了重庆地区地下介质结构。研究表明，重庆及邻区地震活动集中分布在中上地壳内部，震源深度较浅，地震震中平面方向沿着断裂展布的形态有所收敛，且多分布在速度结构由低到高的过渡带上，受地质构造控制明显。石柱地区仅有康定群单层结晶基底，无褶皱基底，其建造泥质碎屑岩速度大于基性火山岩建造的康定群，造成区域速度结构差异明显。华蓥山基底断裂两侧结晶基底的深度和物性差别巨大，火成岩形成的西侧刚性基底与东侧碳酸盐岩与火山碎屑岩形成的东侧相对塑性基底速度结构差别明显。三峡库区地层岩溶发育为碳酸盐，透水性好，波速比高，地震深度较浅，造成该区域地震活动可能与水库蓄水的相关性较大，同时受到断层的影响。巫溪断裂推覆出露的澄江构造南华地层附近呈现高速区，并伴有基底的隆起所造成的高速区，其块段边缘已成为介质不连续界面，从而引起应变累积和地震发生。
致谢: 感谢中国地震台网中心提供震相数据资料，感谢中国科学技术大学张海江教授提供tomoDD程序。
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