2021, Vol. 64
2. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026;
3. 长白山火山综合地球物理教育部野外科学观测研究站, 长春 130021;
4. 吉林省地震局, 长春 130021
2. Key Laboratory of Geophysical Exploration Equipment, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130026, China;
3. Changbaishan Volcano Geophysical Observatory, Ministry of Education, Changchun 130021, China;
4. Earthquake Administration of Jilin Province, Changchun 130021, China
中国东北地区由多个微陆块组成，主体位于西伯利亚地台、华北克拉通与西太平洋板块之间，构造活动复杂.该区的构造演化在古生代期间主要受控于华北克拉通和西伯利亚地台之间的古亚洲洋构造体系演化的影响，以众多微陆块之间的碰撞-拼合和古亚洲洋的最终闭合为主要特征(唐杰等，2019).中生代以来，该地区经历了蒙古-鄂霍茨克闭合和中-新生代西太平洋板块俯冲的双重叠加和改造(田有等，2019).而东北亚大陆边缘构造演化(如长白山火山、松辽盆地)自中生代以来主要受到西太平洋板块向欧亚大陆岩石圈下大规模、多角度和多期次深俯冲作用的影响(唐克东等，2004；田有等，2019).
2013年10月，位于松原市的前郭尔罗斯地区发生了5.5级地震，震中位于查干花镇东白音花村(东经124.2°，北纬44.6°)，震源深度约11 km.长春、哈尔滨等地有明显震感，吉林市农安县有两次明显震感.截止到11月25日12时00分，共记录到地震事件400多次，其中，10月31日又发生5.0级地震，震源深度6 km，11月23日发生5.8级地震，震源深度9 km，周边市县震感明显，11月23日06时32分发生5.0级地震，震源深度8 km，4.0~4.9级4次，3.0~3.9级10次.吉林省松原市官方2013年11月23日发布的统计，自10月31日至11月23日，松原前郭县几次地震已经累计严重损毁房屋16210户，直接经济损失201162万元人民币.吉林油田就坐落在松原，而松原市是政治、经济、文化的中心，松原市一旦发生较大地震，将会对城市造成严重后果.因此，对于松原震区的发震机制研究具有重要的科学意义.
国内自20世纪80年代开始开展地震层析成像研究.例如，众多学者利用地震波走时数据对首都圈地区、西北造山带、天山地区、昆仑造山带、帕米尔等关键构造区带进行了层析成像研究(金安蜀等，1980；胥颐等，2000；雷建设等，2002；赵文津等，2004；郭飚等, 2004, 2006；赵大鹏等2004；黄金莉和赵大鹏，2005；齐诚等，2006；贺日政等，2006；钱辉等, 2007, 2011)，获得了岩石圈尺度三维地震波速度结构，探讨了典型构造区构造演化特征，取得了重要研究成果.田有等(2011, 2019)对东北地区的地壳、上地幔三维结构进行研究，表明该区的构造演化与西太平洋板块的俯冲息息相关.上述研究表明地震层析成像是研究深部壳幔结构和发震构造的最有效方法之一.
前人对于东北地区地震层析成像研究工作重点关注岩石圈尺度构造演化、活火山深部起源等，而对东北地区的浅部精细速度结构、破坏性地震发震机制及盆地内部中上地壳高精度速度结构等方面并未进行深入研究.针对松原地震区震群的发震机制与该区速度结构、波速比结构等诸多科学问题，本文收集松原前郭地震区及邻区地震台站采集的地震震相到时资料，采用双差层析成像方法构建松原震区中、上地壳三维速度结构和泊松比模型，并基于反演得到的成像结果进一步计算了该区地下介质的裂缝密度和饱和度分布特征，揭示震区未来的地震危险性，并且为地震监测规划、民居震害预防工作和震后恢复重建提供抗震指导建议，最终达到最大限度减轻地震灾害的目的.
1 数据资料与成像方法 1.1 数据资料本次地震数据源自吉林省地震局布设在松原地区的17个地震台站在2013年10月-2018年12月期间记录的地震事件(图 1).震中位置比较集中(图 2)，其中绝大多数地震事件分布在东经123.7°~124.5°、北纬44.5°~45.4°范围内.在深度方向上，大部分事件分布在0~19 km范围内，有两个事件震源深度大于20 km，最大震源深度为24 km.地震事件在空间上的分布形态近似为柱状分布.
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图 1 (a) 松原地震区构造、地震台站和震群位置分布图. 黑色三角代表地震台站；圆点代表地震；穿过震群的实线代表速度剖面位置；虚线表示断层；(b)研究区位置图 Fig. 1 (a) Map showing tectonics map, seismic stations and earthquakes in the Songyuan area. Black triangles are seismic stations. Small circles are earthquakes. The solid lines passing through seismic events are locations of velocity profiles. Dashed solid lines are faults; (b) The location of the study area |
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图 2 松原地区地震重定位前(a-c)后(d-f)震源位置分布 Fig. 2 Hypocenters before (a-c) and after (d-f) relocation of earthquakes in Songyuan area |
本研究共采用2926条P波走时数据和2665条S波走时数据.P波和S波射线分布如图 3所示.从射线分布图上看，在研究区中心位置，即震群位置射线非常密集，后面对于该成像分辨率检测结果也证明在震群集中区域分辨率较高.双差成像方法主要的优点在于可以采用时间对进行反演运算，所以依据地震之间的距离对515个地震事件进行了配对，其中共有415个事件满足配对条件，获得47870个P波事件对和46350个S波事件对.
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图 3 P波和S波射线分布 Fig. 3 Ray paths of P-wave and S-wave |
双差层析成像方法是基于双差地震定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)发展而来，该方法利用地震对相对于同一台站之间相对走时差的差来同时反演速度结构和高精度震源位置(Zhang and Thurber, 2003).双差层析成像方法在强震区精细结构构建、俯冲带的高分辨率成像、火山的速度结构反演等方面具有较好的效果.由于双差层析成像方法是利用相邻事件的相对走时进行反演，所以在地震多发区域，如板块俯冲带，大断层区域，发生的地震比较集中，容易产生配对而成像效果好.
作为相对定位方法的双差法，由于地震对到台站之间的路径几乎是一致的，这可以有效消除地壳速度结构带来的影响，进而提高震源定位精度.本研究对地震重新定位前后P波走时残差的分布特征进行了统计(图 4)，从图上看出定位之前虽然走时残差值呈正态分布特征，但更多的数据是集中在-0.5~+0.5，残差较大(图 4a)；定位后，更多的走时残差集中在-0.2~+0.2，说明定位后震源位置更接近于实际地震位置，震源定位精度较高(图 4b).定位后震源位置分布更加集中(图 2d-f)，而从定位后的地震深度直方图上(图 5)可以看出，地震分布的深度也主要集中在5~14 km，而5~10 km深度的上部地壳区域地震震源更为集中.图 2a-c表示未定位的震源分布，不难看出震源分布较为凌乱，深度方向上也没有规律可循，但定位后地震成簇分布，表明发震断层的主体走向为北西-南东向(图 2d-f).
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图 4 松原震群重定位前(a)后(b)走时残差统计直方图 Fig. 4 Statistical histograms of travel time residuals before (a) and after (b) relocation of earthquakes in Songyuan area |
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图 5 松原震群重定位前(a)后(b)震源深度统计直方图 Fig. 5 Statistical histograms of focal depths before (a) and after (b) relocation of the Songyuan earthquake cluster |
O′Connell-Budiansky理论是一种基于各向同性介质条件下，利用地震波速度、泊松比参数估计地下岩石裂缝密度和饱和度的方法(O′Connell and Budiansky, 1974; Zhao and Mizuno, 1999).该理论假设岩石介质中变平的圆形裂缝随机排列，并充满了流体.依据该理论，裂缝密度参数ε可以定义为
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(1) |
其中，N为单位体积含有的裂缝数量，〈α〉表示圆形裂缝的平均半径.如果假设Ndry表示干岩石的裂缝数量，则充满流体的裂缝数量为Nsad=N－Ndry，所以饱和度ξ可以定义为
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(2) |
O′Connell和Budiansky(1974)推导获得地震波速度(VP, VS)、泊松比(σ)、裂缝密度(ε)和饱和度(ξ)的关系式为
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(3) |
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(4) |
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(5) |
其中
依据松原地震区地震与台阵的分布，本次研究模型的选取范围为东经119°~128.5°，北纬43.5°~46°，深度范围为0~25 km.但模型格点设置范围适当减小.本次研究采用规则网格，在经度和纬度方向上节点距离为0.25°，深度方向在0~20 km范围内，每5 km设置一个节点.
本次研究采用的初始速度模型为层状模型，各个深度层位上的初始速度值参考iasp91全球一维速度模型给出，输入分别为各层(节点)纵波速度和纵横波速度比.在深度方向上的5个节点(0 km·s-1、5 km·s-1、10 km·s-1、15 km·s-1、20 km·s-1)纵波速度依次为5.8 km·s-1、5.8 km·s-1、5.95 km·s-1、6.15 km·s-1和6.5 km·s-1，波速比设置为1.73.
地震层析成像结果的分辨率分析是十分重要的环节.偏导加权之和(DWS，Derivative Weight Sum)是衡量反演分辨率和反演精度的有效手段之一(Thurber, 1983).DWS越高，说明地震波走时数据对于该地区的速度约束越强，反演得到的速度结构精度就越高.所以本研究给出了深度平面上的DWS分布(图 6).从图中可以看出，白色区域速度反演的分辨率和精度均较高，这与该区地震和台站分布的密集程度相对应.震群附近及研究区东北部区域成像精度较高.波速比结构是通过将反演得到的P波和S波三维速度值直接相除获得，所以对于波速比结构的成像分辨率参考了P波和S波速度成像中分辨率较低的S波成像分辨率，即S波成像分辨率在一定程度上代表了波速比结构的分辨率.
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图 6 各水平深度层位上P波(a)和S波(b)的DWS(Derivative Weight Sum，偏导加权之和)分布 Fig. 6 DWS (Derivative Weight Sum) distribution of P-wave (a) and S-wave (b) at every horizontal depth |
鉴于以上DWS分布特征表明，本研究的地震波P波和S波成像的分辨率较好的区域均分布在地震集中的震群附近，因此本研究针对P波、S波与波速比结构的深入探讨也集中在震群区域.
3 成像结果与讨论 3.1 介质结构异常解释图 7为5个典型深度的P波、S波速度与VP/VS结构图像及利用反演的速度结构计算获得的裂缝密度和饱和度分布图, 并标出主要断层和震源分布.从图中可以看出P和S波速度分布具有很好的相似性.总体来看在近地表低速速度结构呈现近南北向，向深部转变为北北东向.震区附近的P波速度较低并延伸至20 km，低S波速异常也延伸至20 km深度附近.VP/VS分布表明该区8~10 km以浅表现较高异常；在深部区域，震群附近VP/VS值较低，而裂缝密度和饱和度在10 km以浅区域也表现为高值.
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图 7 不同深度层位上的P波、S波、波速比、裂缝密度和饱和度成像结果 Fig. 7 Tomographic results of P waves, S waves, VP/VS, crack density and saturation degree at different depths |
为了深入探讨介质结构变化与地震活动性的关系，本研究沿着震群中心区域截取了3个剖面(图 8)，剖面位置见图 1.松原震区附近共发育3条隐伏断层(邓起东，2007)分别是NE向扶余-肇东断裂、克山-大安断裂及NW向查干泡-道字井断裂.从截取的剖面上看低P波延伸至20 km深度附近，低S波速度结构向下延伸至10 km深度附近；VP/VS结构在5 km以浅区域表现为高值，深部VP/VS较低；而高裂缝密度和高饱和度异常亦延伸至10 km附近.从震源分布来看，地震主要发生在P波和S波低度、低VP/VS区域.水平剖面上(图 7)地震分布总体表现为沿北西-南东向，即松原震区的地震主要发生在NW-SE向的查干泡-道字井断裂上；纵向上，地震分布近于垂直，但从垂直扶余-肇东断裂的剖面上(图 8中BB′剖面)可以看出该断裂是具有向北东方向倾斜的特征.
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图 8 震群附近地震波速度、波速比结构、裂缝密度和饱和度剖面图(剖面位置见图 1) Fig. 8 Vertical tomographic profiles of VP, VS, VP/VS, crack density and saturation degree (locations of profiles are shown in Fig. 1) |
地壳岩石的地震波速度结构、波速比结构与压力、温度、岩石组成、裂缝密度和流体含量等密切相关，实验研究表明流体对岩石地震波速度的影响取决于流体类型(水、部分熔融)及岩石孔隙的形状等(Takei，2002).对较小的岩石孔隙纵横比，流体可以降低岩石地震波速度，提高波速比；对较大的岩石孔隙纵横比，流体导致地震波速度和波速比均降低(Nugraha et al., 2013; Takei, 2002).
图 8为松原震区速度结构与震群分布剖面图，图中的地震为剖面两侧2 km范围内的震源位置投影，经过双差法重定位后的地震分布表明地震位置与速度结构之间有很强的依赖关系.浅层(＜5 km)速度结构表现为低P波和S波速度异常、高波速比异常、且具有高裂缝密度和高饱和度异常，显然该深度速度异常与浅层流体作用密切相关，而这一深度发生的地震很少；在5~15 km深度附近，主体表现为低P波速度、低S波速度和低波速比异常，10 km以下区域表现为低裂缝密度和低饱和度异常，可能表征了较小的岩石孔隙比，所以流体致使地震波速降低，同时也导致波速比降低.
大量的监测表明非常规油气藏勘探开发过程中地下深处注水、注气会诱发天然地震(Lei et al., 2013, 2017；Walsh III and Zoback, 2015; 孙小龙等，2018). 当有大量的流体被压入地下时，地下岩石的孔隙压力会随之增大，改变地下原有的应力分布情况，进而可能导致地质力学变化、断层复活、微地震活动，甚至会有破坏性地震发生(Lei et al., 2017).2017年1月在四川筠连县发生了最大震级为4.9级的震群.Lei等(2017)分别从统计分析、矩张量反演、震源重新定位、数值计算的库仑破裂应力结果以及地震发生指数等不同方面进行研究，认为该震群中的大多数地震是因大量注水再激活预先存在的断层而发生的.2003-2013年间，美国俄克拉荷马州中部由于地下深层注入大量废水影响，地震活动明显增强(Walsh III and Zoback, 2015)，俄克拉荷马州波尼发生最强烈的一次地震(5.8级).Pei等(2018)对俄克拉荷马州地区的地震构造进行了各向异性的二维P波层析成像，结果显示大多数中尺度地震都发生在高速体区域内部或高速体与低速体的边界附近，表明它们跟不同基底岩石性质的地质边界和上地壳中的物质性质有关.
上述研究表明工业开采期间的注水、注气会不同程度的诱发该区域天然地震的发生.而松原震区同样处于吉林油田范围内.油气田的开采后期或达到增产的目的，都可能会采用注水驱油技术，这势必导致地层裂缝和流体含量的变化，从而使得地层地质结构发生改变.但对比上述研究结构，我们可以看出松原地区上地壳的速度结构和震群发生位置具有较为明显的区别.四川筠连震区和美国俄克拉荷马州波尼震群发生的较大地震均发生在高速体或高速体与低速体过渡区域，而松原震群均发生在低P波和S波速度异常区域，只是浅层(＜5 km)和中深层(5~15 km)的波速比异常具有较大差异.吉林油田前郭尔多斯地区油层为泉头组四段的扶余油层，深度在350~450 m深度左右(王艳丽, 2018)，但松原前郭尔多斯震区主震群发生在5~15 km深度，所以推测该区地震的发生可能与油田注水活动并无直接的关系.
3.3 速度结构不均一性与地震发生的关系前人的研究表明流体与强震发生有着密切关系(Zhao et al., 2000, Tian and Liu, 2013；缪淼和朱守彪，2012).Hickman等(1995)研究表明流体广泛地存在于地球内部.日本神户7.3级地震震源区域介质表现为低P波和S波速度、高泊松比异常(Zhao et al., 1996)，表明该地震的发生与壳内流体的作用息息相关.流体可能来自深部俯冲的太平洋板块脱水作用.流体作用导致了岩石有效应力的下降和孔隙压力的增加，使断层弱化而触发地震(田有等，2007).上述的研究多基于大洋和大陆俯冲带地区，如太平洋俯冲带在日本岛弧下面的俯冲作用.由于俯冲的太平洋板块富含流体，带入到上部地幔后释放到地幔楔内部，使得岛弧地壳富含流体；但大陆内部强震的形成机制可能有不同认识.
地壳结构的横向不均匀性与地震分布密切相关(田有等，2007；田有，2008；曲中党等，2018)，尤其是大陆板块内部区域绝大多数大地震(＞6.0级)发生与高地震波速度异常密切相关(Huang and Zhao, 2004；田有等，2007)；近来对华北1960年以来发生的大于6级的地震研究发现，这些地震多数也都分布在高P波、S波速度，低泊松比区域，或者发生在高速和低速异常体的分界区域，表明高速区多属地壳脆性介质，应力容易集中，因而导致大地震；相反，低速度区域则可能代表了破裂程度高、富含流体或温度较高的区域，因而倾向于发生无震变形或小震群(田有等，2007；田有，2008).这与松原震区非常相似，该区地震均发生在低P波、S波与高波速比区域，而且最近几年尚未发生过7级左右的大地震，表明该区的低速物质不容易积累产生大地震的应力，所以推测松原震区发生较大破坏性地震的可能性较低.松原前郭震区震源机制研究显示该区4.5级以上的地震具有逆冲断层兼走滑性质(吴微微等，2014)，而震群又发生在NW走向的断层上，即与太平洋北西向俯冲方向一致.
4 结论(1) 地震重新精确定位结果表明松原地区地震主要发生在NW-SE的查干泡-道字井断裂上，该断裂倾向为北东向，近垂直断裂.
(2) 松原震群区主要表现为低P波、低S波、低波速比结构，中国大陆内部，尤其是从华北地区大地震(＞6.0级)的研究来看，大地震主要发生在高P波和S波速度异常，低泊松比异常区，所以推测松原地震区发生更大地震的可能性较低.
(3) 松原震群区浅地表区域(＜5 km)整体表现为低P波、低S波、高波速比、高裂缝密度和饱和度异常，浅层(＜5 km)高波速比结构可能与流体有关，但该区产油的扶余油层较浅(350~450 m深度)，推测地震发生可能与油田驱油注水并无直接相关.从区域构造出发表明松原地震发震构造与东北地区的区域构造应力场密切相关, 即可能与太平洋板块俯冲远程效应有关.
致谢 感谢张海江教授提供的双差地震层析成像计算程序(TOMODD)，感谢中国国家地震局和吉林省地震局提供的地震波走时数据，感谢两位评审专家提出的详细的、宝贵的修改意见和建议.本文中图件均用GMT软件绘制(Wessel and Smith，1998).
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