貴州西部多流域水庫區地殼三維速度結構

杜興忠 左可楨 段龍飛 趙翠萍

1)中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴陽 550081

2)中國地震局地震預測研究所,北京 100036

0 引言

貴州地區在地質構造上位于西部特提斯構造區域與東部瀕太平洋構造的交接處,歷史上構造地震活動較弱。其中,貴州西部地震活動相對較強,但是地震監測臺網建立以來發生的構造地震較少,因此一直以來對該地區的地震學研究,包括地殼三維速度結構等基礎性研究較為缺乏。自2000年以來,隨著貴州西南地區烏江、北盤江等幾大流域大型梯級水電站的建設,水庫地震監測專用臺網的監測結果表明黔西南地區水庫區域地震活動呈現出相對活躍的狀態,這為利用地震數據開展水庫地震等相關研究提供了條件。Duan等(2023)利用黔西南4個水庫臺網44個臺站記錄的連續觀測數據,采用基于人工智能技術的LOC-FLOW流程(Zhang et al,2022),得到2020年1月—2021年6月期間大約5倍于人工處理的地震目錄和震相數據,地震目錄的完備震級從1.3下降至0.8。本文使用該研究得到的地震目錄和震相數據,進一步反演黔西南地區的三維速度和波速比結構,為認識貴州西南地區的地殼結構特征,分析地震活動的深部環境,以及其他地學研究提供速度結構模型。

1 貴州西南區域地質背景和地震活動情況

受青藏高原隆起的影響,貴州高原山嶺縱橫,地表崎嶇。從中元古宙至今的地史時期,貴州地殼經歷了多次構造運動,造成了較為復雜的地質構造格局。巖石分布以沉積巖分布最廣,發育最佳。本文研究區貴州西南地區為黔北臺隆,屬于二級構造。黔北臺隆內部的威寧—水城深斷裂(屬于埡都—紫云斷裂的組成部分)將黔北臺隆劃分為六盤水斷陷和遵義斷拱2個三級構造單元。其中,六盤水斷陷由威寧NW向構造變形區和普安旋鈕構造變形區組成,以NW向構造為主,走滑、逆沖斷層均比較發育,特別是其南、北盤江流域三疊系陸源碎屑巖區,褶皺緊密,變形較強。遵義斷拱則包括畢節NE向構造變形區、鳳崗NNE向構造變形區和貴陽復雜構造變形區(徐偉鈞等,2018)。

除NW向的威寧—水城逆沖斷裂外,研究區內的主要活動斷裂還包括位于北部烏江流域附近、近EW向的開陽—納雍斷裂和馬場斷裂,以及南部北盤江流域附近的NE向晴隆、盤縣斷裂。其中,開陽—納雍斷裂位于烏江以南,屬于走滑斷層,其切斷了地臺基底和蓋層構造; 馬場斷裂位于烏江以北,具有逆沖和走滑性質; 北盤江南側NE走向的晴隆斷裂活動性質為正斷,其控制了一系列第四系盆地的發育,歷史上曾發生多次5級以上地震,該斷裂最新活動時代為中更新世晚期,晚更新世以來不活動。

研究區內沿北盤江流域、烏江干流三岔河、六沖河分別建設了黔西北、黔中、黔西南水利工程,其中沿北盤江流域建設有三座大型水庫,分別為光照水庫、馬馬崖水庫和董箐水庫。光照水庫壩高200.5m,庫容32.45億m3,2007年開始蓄水; 馬馬崖水庫壩高109m,庫容1.365億m3,2014年開始蓄水; 董箐水庫壩高149.5m,庫容9.55億m3,2009年開始蓄水。北盤江流域的水庫庫區基巖以碳酸鹽巖為主,巖溶、地下暗河發育。已有研究表明,巖溶發育的地區在水庫蓄水后容易誘發地震(胡毓良等,1979),光照水庫和董箐水庫在蓄水后地震活動性明顯增強(王尚彥,2015)。三岔河中游是黔中水利樞紐,平寨水庫位于三岔河中上游六枝與織金交界河段,最大壩高162.7m,庫容10.89億m3。平寨水庫大壩左岸巖溶十分發育,受巖性和構造影響共發育五套巖溶系統(孫浩淼,2014),這也是河流以北地震相對較多且集中在上游幾個支流附近的原因。烏江干流六沖河上的洪家渡水庫壩高179.5m,庫容49.25億m3,庫區附近巖溶發育、地質構造復雜、裂隙節理豐富,處于相對較高的應力狀態區(姜朝松等,1991)。該水庫于2004年正式開閘蓄水,在蓄水后誘發了有影響的地震(王尚彥,2015)。位于其上游的夾巖水庫壩高154m,庫容13.23億m3,于2021年12月28日開始正式蓄水。上述3個流域水庫地震監測臺網的監測數據在聯合處理后,可極大地提升整個黔中區域的地震監測能力。

與西側的川滇地區相比,研究區內(25.2°N～27.6°N,104.4°E～106.8°E)歷史地震活動相對較弱。公元前780年至1969年共記錄到5級以上地震6次; 1970年至2019年共記錄到5級以上地震0次,4級以上地震8次,其中7次位于大型水庫附近(圖1(a));2009年至2019年期間共記錄到研究區內地震超過2000次,大量地震叢集位于北盤江流域的董箐水庫和光照水庫庫區附近(圖1(b))。地震活動頻次、強度與水庫蓄水具有一定的相關性,其中光照庫區蓄水后發生的最大地震震級為ML4.4,董箐庫區發生的最大地震震級為ML4.7。

注: (a)研究區位置及歷史地震震中分布; (b)2009年1月至2019年12月地震震中分布; (c)利用 LOC-FLOW 得到的2020年1月至2021年6月地震震中分布; 其中藍色曲線代表河流,棕色曲線代表已知斷裂,黑色矩形代表水庫大壩,三角形代表臺站,其顏色表示不同的臺網; 圖(a)中白色五角星代表公元前780年至2019年5級以上地震事件,紅色五角星代表1970年至2019年4級以上地震事件; 圖(b)、(c)中白色圓代表地震震中,大小代表震級。

2 數據與方法

2.1 數據

流域型梯級水庫的水庫地震監測臺站沿江布設在20km范圍內(圖1(c)),每個臺網的臺站均沿河分布且臺網數據單獨進行定位處理,線狀分布的臺站布局對于庫區內外的地震監測和定位存在缺陷,也未能充分發揮對整個區域地震監測的作用。為了使得這些監測數據得到更為有效的利用,獲取貴州西南區域更加完整和準確的地震目錄,對這些臺網記錄的2020年1月至2021年6月的連續波形數據進行合并,利用LOC-FLOW自動定位流程開展基于機器學習的庫區地震識別和定位研究,獲取了該區域2020年1月1日至2021年6月12日的地震目錄(圖1(c))和震相觀測報告,并基于獲得的高精度定位結果分析該階段黔西南水庫庫區的地震活動特征(Duan et al,2023)。

本文進一步采用波速比一致性約束的雙差層析成像方法(Guo et al,2018),利用獲取的定位結果和震相觀測報告進行地震位置和三維速度結構聯合反演,研究黔西地區的地殼結構特征。為保證結果的可靠性,從中挑選至少被3個臺站記錄到的地震事件用于震源位置和速度結構的聯合反演。此外,要求所使用的震相數據的震中距不超過100km,且根據走時曲線(圖2)刪除偏差較大的震相數據后,參與反演的每個事件至少包括6個震相到時。經過篩選,共有4967個地震事件和44個臺站用于反演計算,其中P波震相25106個,S波震相16703個,所使用的地震和臺站分布如圖3所示。

圖2 P波(a)和S波(b)震相走時曲線

圖3 研究區內數據及反演網格節點分布

2.2 方法流程

本研究所使用的波速比一致性約束的雙差層析成像方法是在傳統雙差層析成像方法(Zhang et al,2009)的基礎上發展而來的。該方法可以同時使用P波、S波以及P波和S波的走時差(ts-tp)等3種數據的絕對走時和相對走時來聯合反演研究區的地震震源位置和三維vp、vs和vp/vs結構,并在反演過程中對vp模型除以vs模型得到的波速比模型和由ts-tp數據直接反演得到的波速比模型添加一致性約束,使二者之間差異最小,從而得到更為精確的地下介質結構和震源位置(Guo et al,2018;Zuo et al,2020)。

在地震對匹配時,設置每個地震對之間的最大距離為20km,每個地震最多可以和20個地震組成地震對?；跀祿植记闆r,經測試將研究區內水平網格間距設為20km(圖3),深度方向上的網格節點分別位于0km、3km、6km、10km、15km、20km和30km深度處。反演使用的最優阻尼因子和光滑因子通過L曲線方法(Eberhart-Phillips,1986)獲得,分別為300和30(圖4)。反演使用的一維速度模型與定位時使用的速度模型相同。

圖4 確定最優阻尼因子(a)和光滑因子(b)的L曲線

2.3 結果可靠性分析

采用檢測板測試方法(Zhao et al,1992)評估反演得到的研究區三維速度模型的可靠性。首先,在聯合反演所使用的一維速度模型的基礎上,按照實際反演時采用的網格節點劃分方式,對P波速度模型相鄰的網格節點添加±5%的擾動,對波速比模型添加±10%的擾動。由于初始S波速度模型是由P波速度模型和波速比計算得到的,因此S波速度模型相鄰網格節點的擾動量約為+5.5%和-4.5%。然后,基于該理論檢測板模型和實際反演時使用的地震數據,采用偽彎曲射線追蹤方法(Um et al,1987)生成一個理論的走時數據集。最后,采用與實際反演時相同的反演策略對合成的理論數據集進行反演,分析反演得到的模型與初始檢測板模型的一致性。

最終的檢測板測試結果如圖5所示,從圖中可以看出,在0～15km深度,對于研究區內地震和臺站分布比較集中的區域,其vp、vs和vp/vs模型均能得到較好的恢復(紅色曲線所包圍的區域)。因此,下文中主要討論這部分區域的三維速度結構。

注: 紅色曲線所包圍的區域檢測板模型恢復較好。

3 結果與討論

經過聯合反演,最終得到4591個地震的重定位結果,重定位前后的地震震中分布如圖6所示,重定位前,地震在研究區內的分布比較離散(圖6(a)),重定位后的地震分布明顯收斂(圖6(b))。研究區內地震活動在北盤江的董箐水庫大壩、光照大壩及其上游庫區、晴隆斷裂與北盤江交匯區域形成了地震叢集,在三岔河流域兩側分布著大量地震,在六沖河兩側遠離河流的地區存在密集的地震分布。結合反演得到的三維vp、vs和vp/vs結構對該地區的地震活動進行進一步分析。

注: 黑線代表斷層; 紅色實線為圖8中剖面位置,紅色和紫色虛線分別為二級、三級構造單元邊界。

不同深度水平方向上的vp、vs和vp/vs模型反演結果如圖7所示。通常情況下,射線分布密集、檢測板模型恢復較好的區域其速度結構反演結果比較可靠。根據研究區內射線分布(圖3)和檢測板測試結果(圖5),本文僅展示速度結構反演結果較為可靠的區域,即圖5中紅色曲線所包圍的區域。反演結果顯示,研究區內的地震波速度結構具有明顯的橫向不均勻性,不同大地構造變形分區展現出不同的速度結構特征?？傮w來講,在0km、3km、6km和10km深度層,研究區中部六盤水斷陷與遵義斷拱分界帶的NW向威寧構造變形區(圖6)顯示出顯著而持續一致的低vp、vs特征(圖7(a)、7(b))。其西南側的六盤水斷陷在0km和3km深度層以低vp、vs為主,在6km和10km深度層顯示出顯著的高vp、vs特征。在其北東側的遵義斷拱在0km和3km深度層顯示出低vp、vs特征,在6km和10km深度層顯示低vp、高vs分布。在15km深度層,P波和S波速度均顯示出較好的一致性和均勻性。

注: 白色圓圈為地震在距離最近的剖面上的垂直投影; 藍線代表河流; 紅線代表斷層,MCF:馬場斷裂,KYNYF:開陽—納雍斷裂,WNSCF:威寧—水城斷裂,PXF:盤縣斷裂,QLF:晴隆斷裂。

在淺層地表附近(0km深度),夾巖、平寨和馬馬崖水庫大壩所在位置表現為P波和S波低速異常,光照水庫大壩及其上游區域也為低速異常區(圖7(a)、7(b))。對于淺層的波速比結構,夾巖、平寨、光照和馬馬崖水庫大壩所在區域為高波速比區(圖7(c))。0km淺層的低速特征與橫穿研究區的3條河流及碳酸鹽巖為主的巖性特征有關。地質研究表明,研究區內碳酸鹽巖廣泛分布,六沖河干流上溶洞發育,夾巖水庫庫區伏流溶洞與明流河道呈相間分布(楊周等,2014)。溶洞、地下暗河等巖溶地貌是水體滲透擴散的有利通道(易立新等,2000; 紀星星等,2023),流體沿通道向深部滲透,能夠使地下介質的波速發生變化(曹穎等,2018)。平寨水庫壩址區出露地層為三疊系夜郎組、永寧鎮組、關嶺組以及第四系堆積物,庫區巖溶和裂隙十分發育,構成了復雜的巖溶-裂隙網絡(簡文星等,2004)。光照水庫庫區構造以短軸褶皺為主,斷裂和巖溶比較發育(陳本金等,2014)。馬馬崖水庫區的河谷邊坡巖性為軟巖、或上軟下硬、或夾層發育,受構造切割等因素的影響,岸邊多處分布有第四系覆蓋層(張秀宏,2006)。因此,夾巖、平寨、光照和馬馬崖水庫區域的低速、高波速比異常反映了該區域淺層的地質環境和流體滲透的影響。

在3km深度處,P波低速異常主要分布在畢節—大方—納雍一帶和六盤水—平寨—晴隆一帶,貞豐縣西北側和赫章縣北側則為顯著的P波高速異常。S波低速異常主要分布在六盤水-平寨—晴隆一帶,該區域同時具有較高的波速比。晴隆斷裂兩側的速度結構表現出明顯的差異。將研究區內不同深度的地震投影在距離最近的水平切片上(圖7),發現地震主要分布在赫章至納雍之間的高低波速區的過渡帶、平寨西北側的高波速區和晴隆縣附近低波速體的邊緣。

在6km深度處,研究區顯著的P波低速異常主要分布在六沖河兩側,并具有較低的波速比,而北盤江區域尤其是晴隆—貞豐一帶則為P波高速異常區和高波速比區。北盤江兩側的S波速度結構具有明顯差異,其西南側為S波高速區,東北側為S波低速區。在10～15km深度,晴隆—貞豐一帶仍然為顯著的高vp、低vs和高波速比區。

整體上,研究區內的地震叢集主要位于高、低速異常體的邊緣等速度結構變化劇烈的區域,對應于高波速比區或高、低波速比區的過渡帶。為進一步分析研究區內的三維介質結構及地震活動,給出了穿過主要地震叢集區的4條深度剖面(剖面位置見圖6(b)),其中AA′剖面(圖8(a))顯示,夾巖水庫西側、六沖河南岸NWW向的地震叢集(圖6(b))其震源深度位于0～7km,呈近直立狀分布,地震叢集南側為低速區,北側波速相對較高,地震叢集下方3km以下深度存在明顯的低波速比異常體。夾巖水庫北側的地震叢集由于受臺站覆蓋的影響,在深度上可靠性較差,分布較為離散。BB′剖面(圖8(b))顯示,北盤江和三岔河附近的地震震源深度同樣較淺,主要集中在10km以淺的深度。北盤江西南側的地震叢集位于相對高速異常體內,在深度上具有傾向WS的條帶狀特征。

注: 黑色圓圈為剖面兩側10km范圍內地震的垂直投影。

沿CC′剖面(圖8(c))地震主要位于北盤江光照水庫、三岔河平寨水庫和開陽—納雍斷裂附近。其中,平寨水庫位于研究區的中部,周圍臺站包圍較好,重定位后地震收斂較好,在深度方向上呈現具有不同傾向和傾角的多條地震條帶,反映了該區域的地震活動為多條小規模斷層發生活動所致。平寨水庫所在區域速度結構較為復雜,其南、北兩側速度結構和波速比具有明顯差異。沿DD′剖面(圖8(d))地震主要集中在馬馬崖大壩附近的晴隆斷裂上,位于高低速異常的交界處和低波速比區域。董箐大壩附近的地震活動受臺站覆蓋的影響,地震在深度上的分布比較離散。

4 結論

由于貴州地區的構造地震活動水平較弱,基于地震觀測資料開展的地殼三維速度結構研究缺乏。本文使用基于機器學習方法構建的地震目錄和觀測報告,反演得到了該地區水平分辨率20km、垂直分辨率3km的三維vp、vs和vp/vs結構,并分析了地震的空間分布特征。研究區內分布有多個大型水庫,受庫區巖性和流體滲透的影響,淺層的速度結構普遍具有低波速和高波速比特征。上地殼速度結構呈現出與大地構造變形分區相關的橫向不均勻性。重定位后的地震叢集勾勒出了大量隱伏斷層的幾何展布特征,其主要位于高、低速異常體的邊緣等速度結構變化劇烈的區域,對應于高波速比區或高、低波速比區的過渡帶上,推測該區域的地震活動與水庫周圍的斷層活化有關。

致謝：中國科學技術大學張海江教授提供TomoDDMC軟件,文中圖件使用GMT軟件繪制,在此一并表示感謝。