2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 北京 100101;
4. 四川省地震局, 成都 610041
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Chinese Academy of Sciences(CAS), Beijing 100101, China;
4. Sichuan Earthquake Agency, Chengdu 610041, China
近年来,四川盆地因地震频发而广受地震学界的关注.四川盆地原是在扬子克拉通台地的基础上形成并发展起来的,与周边造山带构成明显的复合盆山体系(沈传波等, 2007),历史地震活动较弱.位于其南部的川南地区在地质构造上则处于西部活跃的青藏高原与东南部稳定的扬子块体之间的交界处(图 1a),区内构造活动主要以展布细长的背斜、宽缓的向斜及与之相关的小尺度断层活动为主(图 1b).这些褶皱和断层走向错综复杂,主要包括NE向、NW向、EW向等.这种构造背景的复杂性可能与扬子块体周边的构造带多向挤压作用(张岳桥等, 2011)及多期构造运动的复合作用(何登发等, 2011; 覃作鹏等, 2013)有着密切联系.同时,作为国内页岩气资源最丰富的区块(马新华和谢军, 2018),川南地区主要有三个页岩气开采场,分别位于商洛、昭通和长宁.此外,该区为了处理废水和开采井盐而进行的长期注水也已经持续了多年(Lei et al., 2008; 张致伟等, 2012).
长宁地区近十多年的地震活动愈发活跃(阮祥等, 2008; 朱航和何畅, 2014).有研究表明,该区大多数地震活动可能与页岩气水力压裂或深井采盐注水有关(阮祥等, 2008; Lei et al., 2013, 2019b; Meng et al., 2019; Tan et al., 2020).长时间注射的高压水在进入已有的断层或微裂缝之后,造成其孔隙压力增大,并改变断层面的摩擦属性,最终诱发断层的滑动和地震的发生(朱航和何畅, 2014; Sun et al., 2017).并且,通过不断注射和抽取流体而进行的矿产开采能够造成地下孔隙压力的时空变化(Yang et al., 2017).该区自2014年年底开始应用水力压裂技术开采页岩气以来,地震活动性明显增强.特别是2015年以来,该区地震活动性展现出明显的增长趋势(Hu et al., 2018; Lei et al., 2019a; Tan et al., 2020).同时,该区相继发生了一系列5级及以上的中强震,包括2018年12月16日兴文MS5.7地震和2019年1月3日珙县MS5.3地震.Lei等(2019a)对这两个地震的特征、该区2018年6月之后的地震活动性以及区域应力等开展了研究工作,并认为该区存在隐伏的发震断层,因此不能排除6级及以上诱发大震的发生.果不其然,在2019年6月17日,四川盆地南缘发生了极具破坏力的长宁MS6.0地震.震后,在长宁和珙县地区相继发生了一系列5级及以上的中强震,给当地的生命和财产造成了极大破坏.此次长宁地震也被认为可能与水力压裂诱发地震密切相关(Atkinson et al., 2020).
长宁MS6.0地震发生后不久,易桂喜等(2019)就利用四川地区的地震台网资料,第一时间对此次地震序列开展了研究.他们的工作主要包括地震定位、震源机制解和震源矩心深度等,这为认识此次地震序列打下了重要基础.与其他大震级地震相比,此次长宁地震具有许多特别之处.例如,一般大震具有一个主震和一系列小震级余震,而此次长宁MS6.0地震主震发生后却有一系列5级及以上中强震相继发生,主震之后的5天时间里就先后发生了珙县MS5.1地震、长宁MS5.3地震和珙县MS5.4地震.并且,本次长宁MS6.0地震具有明显的非双力偶和低频震源模型特点(Liu and Zahradník, 2020).震源机制解研究表明,此次长宁地震的发震结构主要表现为逆冲和斜逆冲破裂(易桂喜等, 2019).而后,地震矩张量研究(Liu and Zahradník, 2020)则发现本次长宁地震具有浅层双震特征,即一次逆冲地震事件之后又在不远处紧接着发生了一个走滑地震事件,且在已知的背斜附近存在一条隐伏的左旋走滑断层.这些结果充分体现出本次地震序列的复杂性,而要进一步理解其发震机制,则需要开展更精细的背景结构研究.
尽管工业开采诱发地震的成因和机理目前尚有争议(来贵娟等, 2019),但已有研究表明诱发地震与构造背景结构特征有着密切关联(Van Der Baan and Calixto, 2017; Pei et al., 2018).在四川盆地,目前开展的结构研究以大尺度工作居多,而长宁地震区或川南地区的精细结构研究却很少.赵珠和张润生(1987)对整个四川地区的地壳和上地幔速度结构进行了初步研究;宋晓东等(2015)结合地震和噪声互相关数据,对四川盆地岩石圈的S波速度结构进行了研究;王小龙等(2020)利用远震资料获得了四川盆地的瑞利面波相速度结构.以上地震成像研究的尺度较大,不能很好揭示长宁地震区的精细速度结构.Tan等(2020)利用局部地区地震台网资料和双差地震成像方法(Zhang and Thurber, 2003)获得了小尺度区域的速度结构,但给出的成像结果在深度上不超过3.5 km.Long等(2020)也采用了双差地震成像方法,并利用更多的地震走时数据,但还是没有充分利用该区的大量地震数据,且他们的研究区范围较小,在边界区域并没有获得可靠的成像结果.因此,本文扩大了成像区域范围,收集了研究区内丰富的地震走时资料,通过双差地震成像方法对长宁MS6.0地震序列进行了重定位,并获得了震源区及邻区的高分辨率三维体波速度结构.基于获得的高分辨率P波和S波速度结果,本文进一步获得了研究区内的波速比信息,希望能够为认识此次长宁地震序列的发震结构及今后在该区开展地震危险性评估工作提供更好的约束.
1 数据与方法 1.1 数据丰富的高质量地震走时资料是获得高分辨率成像结果的重要基础.因此,本文收集了研究区内2008年1月-2019年9月的丰富地震目录走时数据.数据来源于国家地震科学数据共享中心(http://data.earthquake.cn)(Zheng et al., 2010)和四川省地震局.为了保障数据资料的质量,本文对收集到的地震走时数据进行了筛选,主要依照以下三个标准:(1)所有的地震事件和台站都位于27.6°N-29.1°N、104°E-105.5°E的范围内;(2)走时残差≤0.3 s;(3)选用的地震事件高质量P波和S波走时记录均不低于6个.选取的地震资料包括34个固定台站和临时台站记录到的46, 339个地震事件(图 2),震级范围为M0~6.0.最终,本文选用了共计229, 898个Pg波和228, 944个Sg波绝对走时数据,两组震相的走时与震源距均呈现出很好的线性关系(图 3).
基于双差地震定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)发展而来的双差地震成像方法(Zhang and Thurber, 2003),能够同时获得震源位置和三维体波速度结构.相较于双差地震定位方法,该方法不仅利用了到时差数据,而且加入了绝对走时数据,从而能够对震源绝对位置提供更好的约束.而相较于标准的地震成像方法,该方法的优势主要体现在:(1)能够对震源位置进行重定位;(2)考虑到震源位置与速度结构间的耦合效应,对震源位置和速度结构进行联合反演;(3)在绝对走时数据之外,加入更为准确的相对到时差数据,从而能够对震源区的速度结构提供进一步优化.为了更好地发挥绝对走时数据和相对走时差数据的优势,该方法对两类数据采用了分阶段加权的策略,即:先给绝对走时数据更大的权重,以获得大尺度的速度结果;再给走时差数据更大的权重,优化震源区的速度结构.该方法自提出以来不断改进和发展(Zhang and Thurber, 2006),并获得了广泛应用和认可(Pei et al., 2010; 于湘伟等, 2010; 肖卓和高原, 2017; 李佳蔚等, 2018; 李敏娟等, 2018; 刘白云等, 2018; Zhang et al., 2019).
为了更好地反映地下三维速度结构,本文构建了三维网格节点,对研究区的速度模型进行参数化.根据数据分布情况和检测板分辨率测试结果,最终采用的网格节点在水平方向上以0.05°等间隔划分.而在深度方向上,反演网格节点位于0、1.5、3、4.5、6、7.5、9、10.5、12、13.5、15、20、25、30、40及100 km深度.
合理选择初始速度模型有利于获得可靠的反演结果.我们尝试了不同的初始速度模型,发现获得的相对速度特征体现出非常好的一致性.综合参照Wang等(2016)通过加入大量钻井和石油勘探地震反射资料获得的上地壳速度模型及易桂喜等(2019)通过Velest反演获得的地壳和上地幔速度结构,本文获得了最终采用的一维初始速度模型(表 1),并据此构建三维初始速度结构.
双差地震成像方法采用阻尼最小二乘(LSQR)算法(Paige and Saunders, 1982)进行反演问题的求解.LSQR算法是一种常用的反演算法,通过一系列的线性迭代获得最后的结果.为了防止由于不明因素造成局部区域出现较大的速度扰动,需要在反演中加入阻尼和光滑正则化参数.合理地选取这两个参数能够有效获得准确的成像结果,而目前的选取多是通过折中曲线实现的.为了选取适当的阻尼系数,本文采用相同的光滑因子和不同的阻尼系数进行了一系列反演,并获得了选取阻尼系数的折中曲线.同样的道理,采用之前选取的最佳阻尼系数和一系列不同的光滑因子可以获得选取光滑因子的折中曲线,并选取最佳光滑因子.为了保证之前阻尼系数的准确性,本文又基于刚才获取的最佳光滑因子重新获得求取阻尼系数的折中曲线.基于这两条折中曲线(图 4),本文选取的最佳光滑因子为15、最佳阻尼系数为400.
由于反演问题的解存在不唯一性,因此在对得到的地震层析成像结果进行解释之前,通常需要对所得结果的稳定性和质量进行评估.检测板测试就是一种被大家广泛应用和认可的评估方法.为了反映数据的分辨能力,本文采用了0.05°的网格节点间距进行了检测板测试.合成走时数据所用的速度模型是在初始速度模型中加入正负相间、大小为初始速度值5%的速度扰动获得的.反演用到的地震事件、台站及反演方法均与正常反演一致.最终得到的检测板测试结果如图 5和图 6所示.整体来看,整个成像区域的P波和S波速度结果在3~9 km深度范围内的分辨效果较好,基本可以达到0.05°.而长宁地震震源区及其南部建武向斜区的P波和S波速度结果在12 km以内整体都可以达到0.05°的分辨率.
最后的结果是经过10次迭代获得的,走时均方根残差由0.44 s降到0.23 s,下降了48%.本节将重点介绍获得的重定位、三维P波、S波速度及波速比结果,并对其揭示的地球物理意义进行简要探讨.
2.1 长宁MS6.0地震序列重定位结果正如1.2节所说,双差地震成像方法(Zhang and Thurber, 2003)是在双差地震定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)的基础上发展起来的,能够对震源位置进行可靠的重定位.相较于早前的地震重定位方法,双差定位的优势在于除了利用绝对走时数据之外,将更为准确的相对走时差数据加入反演中,从而能够对震源的相对位置提供更好的约束.
相较于重定位前(图 7a),重定位后的长宁地震序列排布更为紧密,且成簇展布.最为明显的是5个M5.0及以上的中强地震(图 7a和8b中黑色圆圈和品红色五角星所示)位置发生了显著变化.其中,长宁MS6.0地震重定位前位于长宁背斜西端、地震簇东端,而重定位之后则处于白象岩-狮子滩和双河背斜区东端.其他4个中强震重定位前比较分散,甚至偏离白象岩-狮子滩背斜核部,而重定位后都位于地震簇所在的白象岩-狮子滩背斜核部.重定位后的震源深度分布也有了很大的变化和改善(图 7c和7d).此外,此次长宁地震序列震源深度普遍较浅,主要集中在0~6 km深度范围内(图 7d),但也有部分处于6~12 km深度范围内.
本文获得的重定位结果(图 7b)显示,长宁MS6.0地震余震序列主要沿着NW-SE方向展布,与白象岩-狮子滩背斜轴部对应.长宁MS6.0地震位于余震区的东南端,其西南边有一小簇余震沿着双河背斜展布,整体上体现出明显的单向破裂特征,与早前易桂喜等(2019)的结果一致.从余震事件距主震发震时刻的时间间隔来看,主震发生后,破裂向两边扩散,但其东南部似乎被阻挡而不易发生破裂和错动,余震事件也很少.破裂主要向主震的西北方扩展,导致该区余震密集,且展布区域长达20多公里.主震后发生了一系列5级及以上的中强地震,包括珙县MS5.1地震、长宁MS5.3地震、珙县MS5.4地震等,也都展布在主震西北部(图 1b).这表明主震西北部相较于其东南部更容易发生破裂和错动,且具备中强地震的孕育条件.
2.2 长宁MS6.0地震震源区及邻区水平速度结构图 8和图 9分别给出了本次长宁地震震源区及邻区的P波和S波速度结构.总体上讲,两者体现出比较好的一致性,但也存在局部异常特征的差异,且速度分布展现出的横向不均一性随深度增加逐渐减弱.此外,本文将各深度上下1 km范围内的重定位地震事件投影在各个水平速度剖面上.
在1.5 km深度(图 8a和9a)上,长宁地震序列所在的双河背斜和白象岩-狮子滩背斜区整体呈现相对高速特征,特别是P波速度,局部存在P波和S波弱低速结构.其东南边的长宁背斜区则整体呈现明显更高的P波和S波速度特征,且地震活动性很弱,几乎没有地震分布.除了4.5 km深度的S波速度结构(图 9c),长宁背斜区相较于白象岩-狮子滩和双河背斜区整体上更高的P波和S波速度特征一直持续到6 km深度附近.高速结构对应的介质孔隙度较低、力学性质较强,因此不容易发生破裂,这可能是本次长宁地震东南一侧没有发生较大破裂的缘由.研究区东北部的四川盆地内部整体展现出明显的P波和S波低速特征,且一直持续到6 km深度附近.位于长宁地震区南部的建武向斜、罗场向斜及玉和背斜区整体表现出P波高速和S波低速结构.3 km深度速度剖面(图 8b和9b)的主要特征与1.5 km(图 8a和9a)基本一致,但长宁地震序列所在的双河背斜和白象岩-狮子滩背斜区的S波高速特征更为明显.
4.5 km深度P波速度图(图 8c)的一个显著特征是长宁地震区呈现出显著的低速异常结构,该低速结构穿过双河背斜区向南展布.该区在S波速度图 9c上的低速异常特征虽然不像P波那么明显,但长宁地震区北部展现出相对较弱的低速特征.白象岩-狮子滩背斜呈现高速结构,S波尤为明显,其南部则存在明显的P波和S波低速结构体.长宁地震区南部的罗场向斜及玉和背斜区整体表现出P波和S波低速结构,建武向斜区则整体呈现弱高速特征.
在6 km深度(图 8d和9d)上,长宁地震区所处的双河背斜区呈现出明显的P波和S波低速异常,S波尤为明显.双河背斜东西两侧的白象岩-狮子滩背斜和长宁背斜区依然呈现出P波和S波的高速结构.其南边的玉和背斜及罗场向斜P波和S波速度结构则整体呈现低速特征,而建武向斜区在P波和S波速度结构中均表现为相对高速特征.
7.5 km深度(图 8e和9e)的主要特征与6 km一致,长宁地震区西侧仍然存在P波和S波低速异常结构,只是S波的低速特征并没有6 km那么明显.白象岩-狮子滩背斜周边呈现明显的P波和S波低速结构.
随着深度的增加,在9、10.5和12 km深度(图 8f,8g,8h,9f,9g和9h)上,整个研究区内的P波和S波速度结构体现出比较明显的差异.白象岩-狮子滩背斜及其西北地区基本呈现P波高速、S波低速特征;而其东南至建武向斜地区,包括双河背斜区在内,整体呈现出P波低速、S波高速的特点.
2.3 长宁MS6.0地震震源区及邻区波速比结构波速比(VP/VS)是表征地壳介质组分和力学强度性质的重要参数(Zandt and Ammon, 1995; Owens and Zandt, 1997).低波速比的介质力学性质较强,而高波速比则相反,对应的介质力学性质较弱,并指示着可能存在流体.基于本研究的高分辨率P波和S波速度结果,本文获得了研究区内的波速比结构(图 10).需要指出的是,由于S波走时拾取误差较大,且S波速度的分辨率相对P波也要低些,因此通常情况下直接通过P波和S波速度相除获得的波速比会存在一定的误差.但本研究获得的P波和S波速度分辨率比较高,核心地区整体可达0.05°,因此通过两者相除获得的波速比在较大尺度上依然能够反映真实波速比的信息.
在1.5、3和4.5 km深度(图 10a、10b和10c)上,白象岩-狮子滩背斜、双河背斜及长宁背斜区整体展现出低波速比的特点,局部在1.5 km深度存在高波速比结构.建武向斜区整体呈现高波速比结构,位于其西北边的玉和背斜及罗场向斜区也整体表现为高波速比特征.整个区内的绝大多数地震事件处于低波速比区内,特别是本文重点研究的长宁地震序列.
在6 km深度(图 10d),长宁地震区所在的双河背斜附近表现为高波速比异常特征,白象岩-狮子滩背斜东端和长宁背斜西端也存在高波速比异常结构,这可能指示着这些地区存在流体.而在7.5 km深度(图 10e),白象岩-狮子滩背斜、双河背斜和长宁背斜区整体表现为低波速比结构,局部存在相对较高的波速比结构.随着深度的增加,在9、10.5和12 km深度(图 10f、10g和10h),长宁地震区西北部整体为高波速比区,东南部整体却为低波速比区.
2.4 长宁MS6.0地震震源区及邻区垂直剖面结构为了更好地探究长宁MS6.0地震震源区的速度结构及地震事件的垂向展布特征,本文沿着地震破裂方向及与之垂直及斜交的方向做了一系列绝对速度垂直剖面(图 11).并且,本文将距各剖面5 km范围内的重定位地震事件投影在各个剖面上.需要指出的是,本研究只利用走时数据对地震进行重定位,因此得到的震源深度位置更偏向于地震初始破裂的位置.并且由于缺少近台的约束,本研究对震源深度的控制相对较弱.为了更好地探讨长宁MS6.0地震区的垂直速度特征,本文中的长宁地震震源深度采用了易桂喜等(2019)利用波形拟合方法获得的结果-3 km,表示能量释放的中心和破裂最大的位置.总体来看,S波速度结构与P波速度结构整体上体现出比较好的一致性,但P波速度图揭示了更多小尺度的结构特征.
沿着长宁地震破裂方向的AA′剖面显示,白象岩-狮子滩背斜及双河背斜整体呈现S波高速特征;而P波速度横向不均一性比较强,整体表现为相对高速结构,但局部存在弱低速结构.在6 km深度附近,长宁地震区存在明显的P波和S波低速异常结构.长宁主震以东的长宁大背斜区P波和S波速度在6 km之上呈现明显的高速特征.该剖面揭示出沿地震破裂方向的地震事件深度分布呈现出西北深、东南浅的特点,即长宁MS6.0地震以东地震震源深度基本在5 km以浅,事件数目也相对较少;而其以西地震震源深度逐渐加深,甚至超过10 km,地震数目也明显更多,且深处分布了更多大震级地震.并且,震源的分布与高速结构体的展布表现出较好的对应关系,可能指示了高速结构对地震孕育的重要作用.
与本次长宁地震破裂方向垂直的剖面BB′、CC′和DD′显示,白象岩-狮子滩背斜及双河背斜区整体呈现高速特征,S波速度尤为显著,而P波速度横向不均一性更强.各剖面在6 km深度附近均存在明显的P波和S波低速异常结构.此外,白象岩-狮子滩背斜及双河背斜区南北两侧均存在明显的低P波和S波速度异常结构,分别对应了四川盆地南缘和建武向斜区.地震事件主要集中在白象岩-狮子滩背斜和双河背斜区及建武向斜区内,且成簇展布.并且,地震震级整体呈现出由深到浅逐渐减小的趋势,大震级地震普遍接近地震簇的深部.当然正如前文所说,本文采用的双差地震方法对震源深度的约束相对较弱,因此该特征有待进一步验证.
深地震反射剖面因为能够较好刻画地下精细结构而广受地质和地球物理学界的认可,因此我们将本次研究获得的速度结果(图 11中的剖面EE′)与早前的地震反射剖面(何登发等, 2019)进行了对照.因为本项研究的关注重点主要集中在包括白象岩-狮子滩背斜及双河背斜在内的长宁大背斜区附近,所以本文主要与其反射剖面东段进行对照.总体上看,两者体现出非常好的一致性,这也进一步验证本项研究结果的可靠性.钻井获得的地层剖面揭示长宁大背斜核部为厚达3 km的寒武纪和震旦系地层(何登发等, 2019),本文的结果也显示长宁大背斜核部展现出3 km左右的高速结构,其下方则为相对低速结构,P波尤为明显.地震簇指示的活跃断层分别位于建武向斜的南翼和长宁大背斜的核部附近,表明这些部位可能发育着构造裂缝或节理.长宁大背斜的两翼地震事件则较少,可能表明这些区域现今并不存在活跃的构造活动带.
3 讨论本文的重定位结果显示,长宁MS6.0地震序列主要沿着NW-SE方向展布,与白象岩-狮子滩背斜轴部相对应(图 7b).地质调查发现白象岩-狮子滩背斜轴部发育了一组规模较大且延伸较远的NW向节理(常祖峰等, 2020)及一系列切穿寒武系地层的逆冲断层(何登发等, 2019),这可能构成本次长宁地震序列的发震断层体系.本次长宁地震呈现出明显的单向破裂特征,绝大多数余震事件集中分布于主震西北部,而其东南部余震则极少(图 7b和图 11a).并且,从平行于地震破裂方向的垂直剖面(图 11a)来看,地震事件的深度分布呈现出明显的西北深、东南浅特征.从速度和波速比结构(图 8、9、11)来看,相较于白象岩-狮子滩及双河背斜区,长宁背斜区在6 km之上展现出更明显的高度特征,特别是在分辨能力更好的P波速度.高速结构对应着低孔隙度、高密度、强力学性质(Tenthorey et al., 2003),因此不容易发生破裂,而要使其破裂则需要更大的应力累积.这可能是此次长宁地震东南部没有发生较大破裂而呈现明显单向破裂特征的缘由.
整个研究区内的速度结构在6 km之上(图 8a-8c、图 9a-9c和图 11)横向不均一性比较强,速度结构体整体呈NW-NWW向展布;而在7.5~12 km(图 8d-8h、图 9d-9h和图 11)内横向不均一性则较弱,速度结构体整体呈NNE或SN向展布.这种速度结构不均一性及展布方向在深度上的改变可能指示着该区6 km之上基本为沉积层,而7.5 km之下则基本为结晶基底,上下可能存在解耦.早前的研究表明该区的沉积层厚度为3~6 km(熊小松等, 2015; Wang et al., 2017; Liu and Zahradník, 2020),与本文的结果基本一致.该区绝大多数地震事件震级较小、震源深度较浅,这表明该区地震活动主要受沉积层结构的控制.而该区发育的大量盲断层(吴奇等, 2015; Lei et al., 2019a)和微裂缝(何登发等, 2019)可能与沉积层内地震密集发生有着密切联系.
深入研究震源区的构造应力情况有助于了解其孕育和发生的力学过程.研究区处于四川盆地边缘构造转换地带,因此局部构造应力场差异明显(易桂喜等, 2019).各向异性研究结果显示,研究区内快波偏振方向为NE-SW向(石玉涛等, 2013; 吴朋等, 2017; 高原等, 2018, 2020),对应着近NW-SE向的主压应力场.古应力研究表明该区在四川盆地多旋回构造作用的影响下,经历了多期构造运动,先后经历了早白垩世E-W向挤压作用、晚白垩世近S-N向挤压作用、早新生代NE-SW向挤压作用及现今的NW-SE向挤压作用(覃作鹏等, 2013).多期构造应力的叠加也与该区复杂的速度结构有着密不可分的联系.震源机制解研究有助于了解震源区在地震发生时的力学过程.长宁地震的震源机制解研究结果虽有些许差异,但总体认为以NE-SW向挤压为主(易桂喜等, 2019; 胡晓辉等, 2020),而这与该区现今NW-SE向的主压应力场并不一致,却与早新生代的NE-SW向挤压应力场一致,可能指示着本次长宁地震的发生与古构造应力的释放有着密切联系.
我们的成像结果显示,长宁地震序列所在的白象岩-狮子滩背斜和双河背斜区在6 km之上整体呈高波速、低波速比特征.但长宁地震主震区在6 km深度附近表现出明显的P波和S波低速及高波速比异常结构,指示着可能存在流体.早前有研究认为,长宁地震区附近的页岩气水力压裂或深井采盐注水活动可能对该区的构造应力加载水平等方面造成了影响.长时间注射的高压水在进入已有的断层或微裂缝之后,造成孔隙压力增大,并改变断层面的摩擦属性(朱航和何畅, 2014; Sun et al., 2017).总体上看,在构造应力的主体作用及流体的诱发作用下,白象岩-狮子滩背斜和双河背斜区核部发育的断层构造发生破裂、错动(常祖峰等, 2020),从而导致本次长宁序列地震的发生.
而对于大家普遍比较关心的问题,即为什么本次长宁地震主震发生后相继发生了一系列5级及以上中强地震,本文也可以给出一个可能的解释.背斜在构造应力作用下,核部不可避免地会发育一系列微裂缝或小断层(图 1b).随着构造应力的不断累积,断层发生错断,导致长宁地震的发生.而作为新的断层体系,一次错断是不彻底的,因此会接二连三地发生错动,导致数个中强地震接连发生.而在这个过程中,背斜核部的发震断层会被进一步贯穿,并逐渐达到相对稳定的状态.
4 结论本文通过收集研究区内的丰富地震走时资料,利用双差地震成像方法对2019年6月17日四川长宁MS6.0地震序列进行了重定位,并获得了震源区及邻区的三维体波速度结构.基于获得的高分辨率P波和S波速度结果,本文进一步得到了波速比结构.根据本研究的结果,主要可以得到以下几点认识:
(1) 长宁MS6.0地震序列主要沿着NW-SE方向展布,与白象岩-狮子滩背斜轴部相对应,且该区在6 km之上整体呈高波速、低波速比特征.但是,长宁地震主震区在6 km深度附近呈现出明显的低速、高波速比异常结构,指示着6 km深度附近可能存在流体.
(2) 相较于白象岩-狮子滩和双河背斜区,长宁背斜区明显更高的波速特征一直持续到6 km深度附近.因此,力学性质更强的长宁背斜可能阻挡了此次长宁地震的东南向破裂,而使其呈现显著的单向破裂特点.
(3) 研究区内的速度结构在6 km之上横向不均一性比较强,速度结构整体呈NW-NWW向展布;而在7.5~12 km横向不均一性则较弱,速度结构整体呈NNE或SN向展布.这种结构特征在深度上的变化可能指示着该区6 km之上基本为沉积层,而7.5 km之下则基本为结晶基底,上下可能存在解耦.该区绝大多数地震事件震级较小,且集中发生在6 km以浅,表明该区绝大部分地震活动主要受沉积层结构的控制.
(4) 长宁地震发震断层可能是一条发育在白象岩-狮子滩和双河背斜区核部的新断层.该断层接连发生长宁MS6.0地震及包含数个M5.0以上的中强震在内的余震序列.而在整个过程中,该新断层也在不断贯穿并逐渐趋于稳定.
当然,该区地震危险性依然很高,值得大家持续关注和开展更细致的研究工作.
致谢 感谢国家地震科学数据共享中心和四川省地震局提供的地震数据,感谢中国科学技术大学张海江教授提供的tomoDD-SE程序.感谢三位审稿专家提供的宝贵修改意见及建议.本文的图件是利用GMT软件绘制的,在此一并感谢.
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