扈桂讓 張廣偉 梁姍姍

1)山西省地震局,太原 030002

2)應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院,北京 100085

3)中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045

0 引言

長寧地區(qū)位于四川盆地的東南緣,是小震活動較為頻繁的區(qū)域,在其周邊發(fā)生過2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0 以及2014年魯?shù)镸S6.5 地震等(圖1(a))。近年來,長寧地區(qū)地震頻度明顯增強(qiáng),其中2019年連續(xù)發(fā)生5次MS≥5.0地震,而2019年6月17日長寧MS6.0 地震造成長寧縣及其周邊地區(qū)較為嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失(易桂喜等,2019;Lei et al,2019; 梁姍姍等,2020),引起社會和科研工作者的廣泛關(guān)注。這些中等地震并未造成明顯的地表破裂,且均遠(yuǎn)離已知的區(qū)域活動斷裂(圖1(a)),其成因機(jī)理受到廣泛關(guān)注。另外,長寧地區(qū)歷史上具有長時(shí)間的鹽礦開采活動(Sun et al,2017),且近十幾年來區(qū)域內(nèi)開展了密集的頁巖氣開采(Meng et al,2019;Lei et al,2019)(圖1(b)),因此詳細(xì)分析該區(qū)域地震空間分布特征對于探討發(fā)震構(gòu)造尤為重要。

注: (a)研究區(qū)周邊斷層及近年來中強(qiáng)地震分布; (b)長寧地區(qū)MS≥5.0地震及主要構(gòu)造分布,其中鹽井位置據(jù)Sun等(2017),頁巖氣井位置據(jù)Meng等(2019); (c)橫切建武向斜和長寧背斜的人工地震剖面,其中紅線代表滑脫面,虛線代表斷層(據(jù)何登發(fā)等(2019))。

關(guān)于長寧地區(qū)地震的發(fā)震機(jī)制,不同學(xué)者開展了大量工作。其中,針對長寧MS6.0 地震序列的精定位結(jié)果顯示,發(fā)震破裂面呈NW-SE走向,斷層面較為陡立,且震源深度表現(xiàn)出西深東淺的趨勢(易桂喜等,2019; 徐志國等,2020; 郭志等,2020)。震源機(jī)制研究結(jié)果表明長寧MS6.0 主震為逆斷型兼左旋走滑性質(zhì)(梁姍姍等,2020),震源破裂位置位于長寧背斜上的高傾角發(fā)震斷層(圖1(b)、1(c))。區(qū)域三維速度模型揭示出長寧地區(qū)高波速比和低波速比相間存在的特征,暗示地震觸發(fā)機(jī)制與區(qū)域結(jié)構(gòu)和流體注入密切相關(guān)(Long et al,2020;Zhang et al,2020;Anyiam et al,2023)。此外,Lu等(2021)利用高分辨率的地震反射剖面揭示出長寧地區(qū)斷層深部三維幾何結(jié)構(gòu),提出基底先存斷層系統(tǒng)為地震的孕育提供了構(gòu)造條件。

上述關(guān)于長寧地區(qū)發(fā)震機(jī)理的研究對認(rèn)識四川盆地邊緣地震的孕震環(huán)境及地震活動特征具有啟示意義。然而,精細(xì)的震前-震后地震序列空間分布和震源破裂機(jī)制對探討區(qū)域地震活動水平,理解發(fā)震斷層破裂延展范圍具有重要的作用。為此,本研究收集了2019年長寧MS6.0 地震發(fā)生前后近一年時(shí)間段內(nèi)的區(qū)域臺網(wǎng)震相數(shù)據(jù),通過雙差地震定位方法(Waldhauser et al,2000)獲取地震的空間位置; 進(jìn)一步利用寬頻帶地震波形數(shù)據(jù),采用波形擬合方法(Zhu et al,2013)反演震源機(jī)制解,分析長寧地區(qū)地震空間分布的差異性,并討論不同構(gòu)造位置地震的發(fā)震機(jī)理,為探究長寧資源開采區(qū)地震發(fā)震機(jī)理提供新的認(rèn)識。

1 資料與方法

1.1 地震重定位

本研究使用2018年12月1日—2019年7月7日四川地震臺網(wǎng)的觀測報(bào)告震相到時(shí)資料,選擇震中距250km范圍內(nèi)、至少8個(gè)到時(shí)記錄的地震事件(圖2(a)),最終符合條件的地震共7430個(gè),包含53487條P波和52527條S波走時(shí)數(shù)據(jù)(圖2(b))。采用雙差定位法(Waldhauser et al,2000)開展重新定位研究,該方法利用臺站相對走時(shí)殘差來修定地震初始位置,基于相鄰2個(gè)事件傳播到臺站的射線路徑幾乎相同,有效降低了速度模型不準(zhǔn)確性對定位結(jié)果的影響。在地震重定位過程中,將事件對之間的最大距離設(shè)為4km,構(gòu)建出2086259條P波和1992446條S波走時(shí)差數(shù)據(jù)。初始一維模型參考張廣偉等(2014)和Lei等(2017)的研究結(jié)果(圖2(c))。

注: (a)本研究所使用的地震臺站(藍(lán)色三角形)和地震(白色圓圈)分布; (b)P波和S波觀測走時(shí)曲線; (c)地震定位和震源機(jī)制反演采用的一維速度模型。

1.2 震源機(jī)制反演

震源機(jī)制反演采用近震波形擬合方法gCAP(Zhu et al,2013),該方法將地震波形分為Pnl和S波(或面波),并對兩部分賦予不同權(quán)重,計(jì)算理論和實(shí)際波形的擬合誤差函數(shù)。反演前,首先對原始波形去除儀器響應(yīng)、去傾斜、去平均值及旋轉(zhuǎn)到大圓弧路徑; 在反演過程中,Pnl和S波濾波范圍分別為0.02～0.2Hz和0.02～0.1Hz,走向、傾角和滑動角的搜索間隔為5°,深度搜索間隔為1km。格林函數(shù)采用頻率-波數(shù)法(F-K法)計(jì)算(Zhu et al,2002),采樣間隔設(shè)為0.1s,采樣點(diǎn)為1024個(gè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 地震空間分布

本研究獲得四川長寧地區(qū)7055個(gè)地震事件的重定位結(jié)果,其EW、SN和垂直方向的平均相對誤差分別為49m、56m和114m,較大提高了地震的定位精度。為直觀展示震中位置隨時(shí)間的空間變化,以2018年12月1日為初始時(shí)間起點(diǎn),給出地震的平面分布圖,如圖3所示。由圖可以看出,地震活動的初始位置主要集中在建武向斜,該區(qū)域正是頁巖氣開采的主要位置; 隨著時(shí)間的推移,地震活動向南部擴(kuò)展,至2019年6月在長寧背斜發(fā)生NW向的條帶狀地震活動。

圖3 長寧地區(qū)地震事件隨時(shí)間變化的空間分布

進(jìn)一步給出重定位后地震平面及深度分布圖,如圖4所示,由圖可見地震在空間上呈現(xiàn)叢集性分布,主要分為6個(gè)叢集(圖4(a))。其中,叢集C1為長寧MS6.0 地震的發(fā)震區(qū)域,該區(qū)位于鹽礦開采區(qū),地震序列表現(xiàn)為NW向條帶狀分布,與長寧背斜走向方向相一致,長度范圍約30km,呈現(xiàn)出北西深、南東淺的趨勢,橫切剖面顯示斷層面較為陡立(圖4(b))。叢集C2位于建武向斜,其地震分布的優(yōu)勢方向性并不明顯,2018年12月16日M5.7和2019年1月3日M5.3地震均位于該叢集,重定位結(jié)果也顯示出2次地震的深度位于人工反射剖面揭示的滑脫面上(何登發(fā)等,2019),表明向斜構(gòu)造對地震的發(fā)生起到控制作用(圖4(c))。叢集C3地震顯示出傾斜的柱狀分布特征,并且震源深度較淺,該位置處于頁巖氣開采區(qū),推測該區(qū)地震活動與開采活動相關(guān)(圖4(d))。叢集C4地震序列展現(xiàn)出明顯的SN向條帶分布,震源深度由北向南逐漸加深,橫切剖面清楚地刻畫出陡立的斷層面,表明該處存在一條近SN向的隱伏斷層(圖4(e))。叢集C5顯示出一條NW向的斷層,長度約30km,且斷層面較為陡立,與其他叢集不同,該叢集震源深度相對較深,達(dá)到15km(圖4(f))。叢集C6地震序列在平面上表現(xiàn)為窩狀分布,與叢集C3類似,其發(fā)震機(jī)制可能與頁巖氣開采活動相關(guān)(圖4(g))。

注: C1～C6表示6個(gè)地震叢集,不同叢集給出沿矩形框長軸和橫切剖面圖; 圖(c)中C2剖面的灰色線表示滑脫面; 每個(gè)橫切剖面的虛線代表可能的斷層面,星號代表M>5.0地震; 剖面縱橫坐標(biāo)比例相等。

2.2 震源機(jī)制分布特征

采用近震波形反演gCAP方法,獲得了14次MS>4.0地震的震源機(jī)制解(表1)。圖5展示出長寧MS6.0 地震震源機(jī)制反演的理論波形和實(shí)際波形擬合圖,整體上波形擬合較好,波形相關(guān)系數(shù)較高,表明反演結(jié)果可靠; 通過不同深度反演,在矩心深度3km處所得到的震源機(jī)制最優(yōu)。最終得到MS6.0 地震的雙力偶機(jī)制解節(jié)面Ⅰ走向311°,傾角65°,滑動角57°; 節(jié)面Ⅱ走向188°,傾角41°,滑動角140°; 矩震級為MW5.7。斷層面幾何參數(shù)顯示此次地震為一次逆沖為主、兼少量左旋走滑分量的地震事件,斷層面較為陡立,且傾向NE。結(jié)合震源區(qū)構(gòu)造走向(易桂喜等,2019; 何登發(fā)等,2019)和余震空間分布特征,推斷發(fā)震斷層面與NW-SE向的長寧背斜主軸走向一致,是位于背斜構(gòu)造上的高傾角斷層(Lu et al,2021)。

表1 MS>4.0地震震源機(jī)制解

注: 波形下方數(shù)字為各段理論地震波形相對實(shí)際觀測波形的移動時(shí)間,以及波形擬合的相關(guān)系數(shù)(%); 波形圖左側(cè)字母為臺站代碼,其下方數(shù)字分別為臺站震中距(km)和理論值與觀測值擬合偏移(s)。

圖6(a)顯示發(fā)生在建武向斜的地震事件Evt1和Evt2表現(xiàn)為正斷和走滑性質(zhì),這與震源發(fā)生的位置處在滑脫層的特殊構(gòu)造上密切相關(guān)(Lu et al,2021)。地震事件Evt3為走滑機(jī)制,傾角較為陡立,與精定位地震序列顯示的近NS向斷層條帶具有較好的一致性,進(jìn)一步表明該處存在一條隱伏斷層。地震事件Evt4位于NW向的斷層上,與地震空間展布方向也較為一致,印證了震源機(jī)制解的可靠性。Evt5～Evt14共10個(gè)地震事件均位于長寧MS6.0 地震序列的長寧背斜上,表明區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制了地震展布的方向,褶皺及伴生斷層為發(fā)震斷層(圖6(b)); 另外,震源破裂機(jī)制主要以逆沖擠壓型為主,斷層面的走向自SE至NW向存在少許差異,震源機(jī)制節(jié)面走向的差異暗示此次地震序列受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的控制,但是存在小尺度的應(yīng)力方向變化(胡幸平等,2021); 同時(shí),三維速度結(jié)構(gòu)也顯示出在長寧背斜的NW向存在一個(gè)高速異常體(Zhang et al,2020),斷層的NW方向可能受到該高速異常體的阻擋,這種結(jié)構(gòu)的橫向不均勻性也可能導(dǎo)致應(yīng)力場方向產(chǎn)生了局部變化,從而造成震源破裂機(jī)制的復(fù)雜性。

注: 圖(a)長寧地區(qū)MS>4.0地震震源機(jī)制解,地震事件號與表1一致,其中震源球上灰色區(qū)域代表壓縮區(qū),白色代表拉張區(qū),震源球采用下半球投影,震源球上符號“+”表示反演使用臺站投影。

反演獲得的震源矩心深度均較淺,主要集中在2～5km之間(表1),這暗示地震的發(fā)生可能與開采活動密切相關(guān)。在研究區(qū)的長寧背斜,歷史上具有長時(shí)間段的鹽礦開采(阮祥等,2008;Sun et al,2017),而在建武向斜區(qū),近十幾年來頁巖氣開采頻度顯著增加(Meng et al,2019)。大量的研究結(jié)果揭示出開采注水活動與地震發(fā)生存在密切關(guān)系(Lei et al,2017、2019),本研究獲得較淺的地震矩心深度也表明高壓注水可能觸發(fā)了區(qū)域淺部先存斷層的活動。同時(shí),矩心深度較淺的地震對地表建筑物破壞性也較大,這從另外一個(gè)角度解釋了長寧MS6.0 地震造成地表災(zāi)害嚴(yán)重的重要原因。

綜上,基于精細(xì)的地震空間位置和震源破裂機(jī)制,并結(jié)合人工地震剖面結(jié)果(何登發(fā)等,2019;Lu et al,2021),給出長寧地區(qū)的發(fā)震構(gòu)造示意圖(圖7)。整體上,震源區(qū)主要受到長寧背斜和建武向斜的控制,長時(shí)間的開采注水活動觸發(fā)了不同尺度、不同幾何產(chǎn)狀的先存斷層活動。北部地震活動主要與鹽礦開采有關(guān),在背斜核部存在高角度的NW向斷層,因此地震的NW向條帶也較為明顯; 南部地震活動主要與頁巖氣開采活動有關(guān),開采井分布較為零散,因此地震的分布也呈現(xiàn)出多個(gè)叢集式的展布。胡幸平等(2021)指出長寧地區(qū)地殼應(yīng)力場的最大主應(yīng)力軸在整個(gè)區(qū)域內(nèi)基本均處于近水平狀態(tài),然而北側(cè)和南側(cè)存在顯著差異,這種局部改變是長寧地區(qū)復(fù)雜地震活動的必要力學(xué)基礎(chǔ)。本研究也認(rèn)為介質(zhì)巖性的橫向差異和高壓流體注入直接影響了長寧地區(qū)地震活動的空間分布格局。

圖7 長寧地區(qū)地震發(fā)震構(gòu)造示意圖

3 結(jié)論

本研究利用雙差定位方法對2019年長寧MS6.0 地震發(fā)生前后一年時(shí)間段內(nèi)的地震進(jìn)行重定位,并采用波形擬合方法獲得了14次MS>4.0地震的震源機(jī)制解,綜合分析了長寧地區(qū)地震活動的空間分布特征,獲得以下主要認(rèn)識:

(1)2019年長寧MS6.0 地震的發(fā)震構(gòu)造為長寧背斜NW向高傾角左旋逆沖兼走滑斷層,地震序列的震源深度呈現(xiàn)西深東淺,是NW向先存斷裂活化的構(gòu)造地震事件。

(2)南部建武向斜地區(qū)地震頻度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于北部,并且表現(xiàn)出叢集性的分布特征,推測其與頁巖氣開采活動密切相關(guān)。

(3)長寧地區(qū)南、北2個(gè)區(qū)域地震活動的差異性受控于局部應(yīng)力場方向的變化,而介質(zhì)巖性的橫向差異和高壓流體注入直接影響了地震活動的空間分布特征。

致謝：感謝審稿專家提出的寶貴修改意見; 感謝中國地震臺網(wǎng)中心國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.earthquake.cn/)為本研究提供數(shù)據(jù)。