重慶淺層S波速度結構研究＊

董蕾沈旭章陳麗娟

1） 中國重慶 401147 重慶市地震局

2） 中國廣州 510275 中山大學地球科學與工程學院

引言

重慶地區位于四川盆地東南緣，華南地震區的長江中游地震帶內（圖1）.重慶區域內的斷裂主要以基底斷裂為主，如華鎣山斷裂、長壽——遵義斷裂、七曜山——金佛山斷裂、彭水斷裂和城口斷裂，這些基底斷裂對重慶的地震活動具有明顯的控制作用.此外，四川盆地與其周緣的龍門山、米倉山——大巴山、七曜山——金佛山、大婁山及大涼山形成了典型的盆山體系.這些盆山構造非常復雜，并且對盆地內油氣的分布有較大的控制作用.四川盆地油氣資源豐富，其東南緣的地震活動可能與所在地區的鹽巖和油氣的存在相關，幾個典型的注水誘發地震序列的震源集中在三疊系以下的沉積巖地層中（雷興林等，2014）.特殊的地質構造和地理位置造成了重慶地區地震強度不高、震源淺的特點（丁仁杰，李克昌，2004）.2010年以來重慶及周邊地區共發生6次MS4.5以上地震，分別為2010年重慶榮昌MS4.7地震、2013年重慶石柱MS4.5地震、2013年湖北巴東MS5.1地震、2014年湖北秭歸MS4.7地震、2016年重慶榮昌MS4.8地震和2017年重慶武隆MS5.0地震.這些地震的震源深度均較淺，其中榮昌MS4.7地震震源深度僅1.85 km左右（王小龍等，2012），最深的武隆MS5.0地震震源深度也僅10 km 左右（李翠平等，2019）.

圖1 重慶及鄰區的構造及本文用到的地震臺站Fig.1 The tectonic of Chongqing and its adjacent areas and seismic stations used in this study

地震的孕育與介質性質及結構密切相關，重慶地區的地震震源較淺，因此有必要深入研究重慶地區的淺層速度結構.并且地殼的淺層速度結構可為盆地基底、微小震定位和地殼上地幔深部結構成像提供重要的研究基礎，亦可為地震工程場地評估和防震減災提供重要參考.

目前，地殼淺層S波速度結構研究主要有地震勘探和天然源等方法.地震勘探雖然具有信噪比高、精度高的特點，但是探測成本較高、對環境具有一定的破壞性.天然源則是利用背景噪聲和天然地震事件等數據研究淺層結構，該方法利用地震臺站的地震波形資料，節約了成本.例如，基于背景噪聲瑞雷面波頻散曲線研究地表至淺層數百米深度的S波速度結構（張寶龍等，2016；王娟娟等，2018）.

此外，接收函數直達P波垂向與徑向的幅度比與淺層S波速度有關（Ammon，1991）.近年來，基于接收函數直達P波振幅約束淺層結構的新方法取得了新進展.Julià （2007）經過半空間接收函數公式推導，得出了接收函數直達P波的理論振幅公式，證明直達P波垂向與徑向的幅度比與射線參數和淺層S波速度有關；并認為隨著接收函數有限頻率的增加，入射波的波長變短，S波速度值對應的深度范圍變淺.錢銀蘋等（2018）基于接收函數直達P波理論振幅公式進行了數值實驗，結果表明該公式能夠對近地表S波速度結構進行有效約束，之后又基于不同速度模型對近地表S波速度對應的深度進行了數值試驗，最后將該方法應用到青藏高原東北緣.王旭等（2019）同樣針對該公式進行了理論模擬，并利用不同頻率的接收函數直達P波振幅計算了青藏高原東北緣流動地震臺陣下方的淺層S波速度結構.

本文將采用接收函數直達P波約束淺層S波速度的方法研究重慶及周邊地區臺站下方淺層S波速度結構，探討該區域淺層速度結構與地質構造的關系，為研究區孕震環境提供科學依據.

1 數據與方法

1.1 數據資料獲取

本文收集整理了重慶臺網及鄰區固定臺站自2011年1月至2018年10月觀測到的遠震波形記錄，選取了MS≥5.5、震中距為30°——90°的遠震波形（圖2）.對所選波形作如下處理：① 截取P波到時前20 s和后80 s的遠震波形數據；② 將截取后的N，E，Z分量波形旋轉至R，T，Z分量；③ 選取多個高斯濾波因子α（共6個濾波因子：1.0，1.5，2.5，3，4，5，分別對應不同的通帶頻率，也即不同深度信息），利用時間域反褶積方法，計算P波接收函數.經過自動及人工挑選，平均每個濾波因子可挑選出震相清晰的接收函數1萬2 500多條.圖3為華鎣山斷裂附近的ROC臺6個濾波因子的R向接收函數.

圖2 本文用到的地震事件分布圖（黑色三角為研究區域參考中心）Fig.2 Locations of the earthquakes collected in this study （The triangle presents the center of the studied region）

圖3 ROC 臺 不同濾波因子 α 的接收函數Fig.3 Receiver functions of different filter factors α for ROC station

1.2 臺站下方淺層S波速度及誤差分析

在P波初動附近（±2 s）提取徑向接收函數和垂向接收函數的波峰極大值，用垂向分量最大振幅值對徑向最大振幅值作歸一處理（Ammon，1990），得到的結果即為接收函數直達P波絕對幅度的觀測值.

根據入射P波引起的自由表面位移方程（Aki，Richards，2002）可計算直達P波絕對幅度的理論值，即

絕對幅度的理論值與觀測值之間的差異用Misfit （vS0）表示，即

式中，Aobs為絕對幅度的觀測值，為不同vS0計算的理論值.Misfit最小值所對應的vS0即為vS0的最優值，每條接收函數可確定一個vS0.

實際處理中，對于一個臺站，按1°的震中距疊加接收函數，利用疊加的接收函數確定vS0，它們的平均值即為這個臺站的淺層S波速度.因每疊加1°，接收函數都可以確定一個vS值，為了評估計算結果的質量，以均方誤差ε來表示計算誤差.當誤差大于0.4時，舍棄該臺站的結果.

圖4為ROC臺濾波因子為5時確定的vS0值，計算結果為（2.68±0.13） km/s.

圖4 濾波因子為 5 時 ROC 臺接收函數確定的vS0值Fig.4 Receiver function （filter factor 5） of ROC station constrains shallow S-wave velocity

2 結果

根據上述流程，對重慶及鄰區固定臺站的不同高斯濾波因子（1.0，1.5，2.5，3，4，5）的接收函數進行了處理，共得到6個不同頻率接收函數的淺層S波速度.本文參考了錢銀蘋等（2018）利用數值試驗估計出的不同頻率S波速度對應的深度范圍，其中：α為1時表示10——11 km深度；α為1.5時表示7 km左右深度；α為2.5時表示4——5 km深度；α為3和4時表示3——4 km深度；α為5時表示2——3 km深度.根據不同濾波因子的接收函數計算的重慶及鄰區臺站的vS，繪制了S波速度分布圖（圖5）.從圖中可以看出，重慶境內長江沿線的近地表S波速度在2——3 km左右深度處較低（圖5a）.七曜山——金佛山斷裂為四川盆地的東南邊界，在2——3 km深度處四川盆地的S波低速異常與四川盆地沉積特征相符.華鎣山斷裂附近臺站（ROC，HYS，XHA）的S波速度結構與斷裂兩側的臺站下方相比表現為高速異常，與王小龍等（2013）周期5 s的相速度結果一致.城口斷裂以北的大巴山地區（CHK，HCB，WUX，SHL，SXH）S波速度較高.彭水臺網（GOT，LUJ，LAX，XIT，ANZ）S波速度較低，應為水庫滲透影響，導致該地區速度出現相對低值.而水庫西北方的武隆地區呈現明顯高速，速度為2.9 km/s.α＝2.5——4表示3——5 km左右深度，該深度范圍與α＝5對應深度的速度分布特征較一致，臺站的速度變化小于0.2 km/s，并且速度值隨深度增大.α＝1.5和1對應的深度范圍，研究區的S波速度進一步增大.武隆、仙女山、涪陵地區高值區范圍增大，該區S波平均速度約為3.33 km/s，而四川盆地在α＝1.5和1時對應的深度范圍仍為明顯的低速異常，說明8——10 km左右深度，四川盆地仍為沉積層.

圖5 不同濾波因子α下重慶及鄰區淺層S波速度結構Fig.5 Shallow S-wave velocity distribution of Chongqing and its adjacent area with different filtering factors α

3 討論

3.1 重慶及周邊淺層S波速度結構

除彭水臺網外，重慶淺層S波速度結構與盆山構造明顯相關，盆地內低速異常與沉積層特征對應，大巴山、大婁山區域則表現相對高速特征.王小龍等（2013）及王小龍（2017）利用地震背景噪聲成像技術反演三峽庫區5——40 s的瑞雷面波相速度分布模型及三維剪切波速度模型，結果也顯示四川盆地周邊的龍門山、米倉山、大巴山、七曜山和大婁山等地質構造與地殼S波速度結構具有明顯的對應關系.α=1.5和1對應的深度范圍，四川盆地仍為明顯的低速異常，說明8——10 km左右深度，四川盆地仍為沉積層；宋曉東等（2015）通過對面波層析成像的三維S波速度模型的研究認為，四川盆地內部上地殼絕大部分都表現為低速，反映出盆地內存在很厚的沉積層；李建有等（2018）利用低頻和高頻接收函數的兩步反演地殼S波速

度結構，認為四川盆地4——10 km呈現相對低速區，S波速度介于2.8——3.2 km/s之間，基本反映了四川盆地絕大部分為沉積巖或新生代松軟覆蓋層的低速分布特征（范軍等，2015）；華鎣山斷裂S波速度（HYS，ROC，XHA）均較其兩側沉積層速度高，反映了四川盆地沉積層中間薄兩側厚的特點；四川盆地的深地震反射剖面顯示四川盆地上地殼以沉積層為主，從西北向東南逐漸變薄，在龍門山前沉積層厚度超過15 km，在華鎣山下沉積層減薄到8 km并發生了褶皺變形，形成了華鎣山薄皮褶皺沖斷帶（王海燕等，2017），與本文計算的S波特征相符.華鎣山以東的川東地區（XIM，FUP，LIJ，HOT，WAZ，SHG，LOH，SHZ，YAL，WUX，JIP）的淺層S波速度表現為低速異常.川東地區是華鎣山與七曜山之間的褶皺變形區，淺層發育一系列NE-NNE向的隔檔式褶皺，并且該區發育以寒武系和三疊系膏鹽巖為主的多套滑脫層，擠壓變形后形成多套滑脫層構造，滑脫構造下覆寒武系底達8 km左右（王志勇等，2018）.

3.2 孕震環境

本文討論2010年以來重慶5次顯著地震，分別為2010年重慶榮昌MS4.7地震（圖5a）、2013年重慶石柱MS4.5地震（圖5c）、2016年墊江MS4.4地震（圖5a）、2016年重慶榮昌MS4.8地震（圖5b）和2017年重慶武隆MS5.0地震（圖5f）.5次地震的震中位置來自國家地震臺網中心正式測定和精定位，震源深度來自CAP方法和精定位.

2010年9月10日榮昌MS4.7地震震源機制解最佳深度為2.93 km （王志偉等，2018），2016年12月27日MS4.8地震最佳擬合深度為3.8 km，同樣為淺源地震.α＝4和5對應深度處ROC臺S波速度分別為2.69 km/s和2.68 km/s，與重慶地區平均速度2.66 km/s較一致，沒有明顯的高低速特征.許多研究表明榮昌地區地震活動與天然氣開采過程中的注水密切相關，注水引起的流體壓力擴散導致斷層帶孔隙壓力增加，使得斷層帶強度降低，觸發斷層活動（王志偉等，2018），而震源深度與主要儲藏層及注水井有關（王小龍等，2012）.

2016年墊江MS4.4地震的波形具有明顯的淺源特征，CAP方法反演出的震源深度約為1——2 km （黃世源等，2020）.地震位于川東滑脫構造地區，黃世源等（2020）認為在區域應力作用下，震源區沉積蓋層內部的軟弱地層受擠壓變形，導致地層內斜交的裂隙發生切層失穩滑動，從而誘發了墊江MS4.4地震，而震中附近（XIM臺）較低速度的S波為該地震的發生提供了條件.

石柱MS4.5柱地震Rg面波發育明顯，震源深度約為4 km （王同軍等，2015），地震同樣發生在低速異常的川東構造區內，與墊江MS4.4地震不同的是，石柱MS4.5地震震中附近有方斗山斷裂.

武隆MS5.0地震發生在七曜山——金佛山斷裂與彭水斷裂之間，震源深度約為10 km （李翠平等，2019）（圖5f），震源區附近S波速度顯示出明顯的橫向不均勻分布特征，武隆地區S波速度明顯高于川東滑脫構造區和彭水臺網.其中α＝1——1.5對應的深度范圍，WUL臺出現明顯的高速異常，S波速度為3.22——3.44 km/s.武隆MS5.0地震發生在高低速交界部位的有利于積累應變的高速體一側，許多研究表明地殼高低速過渡區域可能是中強地震孕育和發生的關鍵部位.

4 結論

本文基于重慶臺網及鄰區固定臺站自2011年1月至2018年10月觀測到的遠震波形記錄，利用接收函數直達P波振幅約束淺層結構的方法計算了重慶及周邊地區臺站下方淺層S波速度結構，該方法不依賴初始模型，不需要反演，能有效抑制速度結果的不唯一性.最終形成以下幾點認識：

重慶淺層S波速度結構與盆山構造明顯相關，盆地內低速異常與沉積層特征對應，大巴山、大婁山區域均表現為相對高速特征；華鎣山斷裂S波速度均較其兩側沉積層速度高，表現出四川盆地沉積層中間薄兩側厚的特點；華鎣山以東的川東地區的淺層S波速度表現為低速異常，該區存在多套滑脫層構造.

此外，本文還討論了2010年以來重慶5次顯著地震的孕震環境：川東滑脫構造地區的墊江MS4.4地震和石柱MS4.5地震兩個淺源地震與該區明顯的低速異常有關；榮昌MS4.7和MS4.8地震震源區沒有明顯的高低速特征，可能與天然氣開采過程中的注水相關；武隆MS5.0地震發生在高低速交界部位的有利于積累應變的高速體的一側.