四川長寧地區地震活動空間分布特征研究

扈桂讓 張廣偉 梁姍姍

1)山西省地震局,太原 030002

2)應急管理部國家自然災害防治研究院,北京 100085

3)中國地震臺網中心,北京 100045

0 引言

長寧地區位于四川盆地的東南緣,是小震活動較為頻繁的區域,在其周邊發生過2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0 以及2014年魯甸MS6.5 地震等(圖1(a))。近年來,長寧地區地震頻度明顯增強,其中2019年連續發生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較為嚴重的人員傷亡和財產損失(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注。這些中等地震并未造成明顯的地表破裂,且均遠離已知的區域活動斷裂(圖1(a)),其成因機理受到廣泛關注。另外,長寧地區歷史上具有長時間的鹽礦開采活動(Sun et al,2017),且近十幾年來區域內開展了密集的頁巖氣開采(Meng et al,2019;Lei et al,2019)(圖1(b)),因此詳細分析該區域地震空間分布特征對于探討發震構造尤為重要。

注: (a)研究區周邊斷層及近年來中強地震分布; (b)長寧地區MS≥5.0地震及主要構造分布,其中鹽井位置據Sun等(2017),頁巖氣井位置據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(據何登發等(2019))。

關于長寧地區地震的發震機制,不同學者開展了大量工作。其中,針對長寧MS6.0 地震序列的精定位結果顯示,發震破裂面呈NW-SE走向,斷層面較為陡立,且震源深度表現出西深東淺的趨勢(易桂喜等,2019; 徐志國等,2020; 郭志等,2020)。震源機制研究結果表明長寧MS6.0 主震為逆斷型兼左旋走滑性質(梁姍姍等,2020),震源破裂位置位于長寧背斜上的高傾角發震斷層(圖1(b)、1(c))。區域三維速度模型揭示出長寧地區高波速比和低波速比相間存在的特征,暗示地震觸發機制與區域結構和流體注入密切相關(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斷層深部三維幾何結構,提出基底先存斷層系統為地震的孕育提供了構造條件。

上述關于長寧地區發震機理的研究對認識四川盆地邊緣地震的孕震環境及地震活動特征具有啟示意義。然而,精細的震前-震后地震序列空間分布和震源破裂機制對探討區域地震活動水平,理解發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 地震發生前后近一年時間段內的區域臺網震相數據,通過雙差地震定位方法(Waldhauser et al,2000)獲取地震的空間位置; 進一步利用寬頻帶地震波形數據,采用波形擬合方法(Zhu et al,2013)反演震源機制解,分析長寧地區地震空間分布的差異性,并討論不同構造位置地震的發震機理,為探究長寧資源開采區地震發震機理提供新的認識。

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日四川地震臺網的觀測報告震相到時資料,選擇震中距250km范圍內、至少8個到時記錄的地震事件(圖2(a)),最終符合條件的地震共7430個,包含53487條P波和52527條S波走時數據(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殘差來修定地震初始位置,基于相鄰2個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確性對定位結果的影響。在地震重定位過程中,將事件對之間的最大距離設為4km,構建出2086259條P波和1992446條S波走時差數據。初始一維模型參考張廣偉等(2014)和Lei等(2017)的研究結果(圖2(c))。

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

1.2 震源機制反演

震源機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重,計算理論和實際波形的擬合誤差函數。反演前,首先對原始波形去除儀器響應、去傾斜、去平均值及旋轉到大圓弧路徑; 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。格林函數采用頻率-波數法(F-K法)計算(Zhu et al,2002),采樣間隔設為0.1s,采樣點為1024個。

2 結果與討論

2.1 地震空間分布

本研究獲得四川長寧地區7055個地震事件的重定位結果,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間的空間變化,以2018年12月1日為初始時間起點,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,該區域正是頁巖氣開采的主要位置; 隨著時間的推移,地震活動向南部擴展,至2019年6月在長寧背斜發生NW向的條帶狀地震活動。

圖3 長寧地區地震事件隨時間變化的空間分布

進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叢集性分布,主要分為6個叢集(圖4(a))。其中,叢集C1為長寧MS6.0 地震的發震區域,該區位于鹽礦開采區,地震序列表現為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(何登發等,2019),表明向斜構造對地震的發生起到控制作用(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,推測該區地震活動與開采活動相關(圖4(d))。叢集C4地震序列展現出明顯的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,達到15km(圖4(f))。叢集C6地震序列在平面上表現為窩狀分布,與叢集C3類似,其發震機制可能與頁巖氣開采活動相關(圖4(g))。

注: C1～C6表示6個地震叢集,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; 剖面縱橫坐標比例相等。

2.2 震源機制分布特征

采用近震波形反演gCAP方法,獲得了14次MS>4.0地震的震源機制解(表1)。圖5展示出長寧MS6.0 地震震源機制反演的理論波形和實際波形擬合圖,整體上波形擬合較好,波形相關系數較高,表明反演結果可靠; 通過不同深度反演,在矩心深度3km處所得到的震源機制最優。最終得到MS6.0 地震的雙力偶機制解節面Ⅰ走向311°,傾角65°,滑動角57°; 節面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。結合震源區構造走向(易桂喜等,2019; 何登發等,2019)和余震空間分布特征,推斷發震斷層面與NW-SE向的長寧背斜主軸走向一致,是位于背斜構造上的高傾角斷層(Lu et al,2021)。

表1 MS>4.0地震震源機制解

注: 波形下方數字為各段理論地震波形相對實際觀測波形的移動時間,以及波形擬合的相關系數(%); 波形圖左側字母為臺站代碼,其下方數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)顯示發生在建武向斜的地震事件Evt1和Evt2表現為正斷和走滑性質,這與震源發生的位置處在滑脫層的特殊構造上密切相關(Lu et al,2021)。地震事件Evt3為走滑機制,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,印證了震源機制解的可靠性。Evt5～Evt14共10個地震事件均位于長寧MS6.0 地震序列的長寧背斜上,表明區域地質構造控制了地震展布的方向,褶皺及伴生斷層為發震斷層(圖6(b)); 另外,震源破裂機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,震源機制節面走向的差異暗示此次地震序列受到區域構造應力場的控制,但是存在小尺度的應力方向變化(胡幸平等,2021); 同時,三維速度結構也顯示出在長寧背斜的NW向存在一個高速異常體(Zhang et al,2020),斷層的NW方向可能受到該高速異常體的阻擋,這種結構的橫向不均勻性也可能導致應力場方向產生了局部變化,從而造成震源破裂機制的復雜性。

注: 圖(a)長寧地區MS>4.0地震震源機制解,地震事件號與表1一致,其中震源球上灰色區域代表壓縮區,白色代表拉張區,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),這暗示地震的發生可能與開采活動密切相關。在研究區的長寧背斜,歷史上具有長時間段的鹽礦開采(阮祥等,2008;Sun et al,2017),而在建武向斜區,近十幾年來頁巖氣開采頻度顯著增加(Meng et al,2019)。大量的研究結果揭示出開采注水活動與地震發生存在密切關系(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了區域淺部先存斷層的活動。同時,矩心深度較淺的地震對地表建筑物破壞性也較大,這從另外一個角度解釋了長寧MS6.0 地震造成地表災害嚴重的重要原因。

綜上,基于精細的地震空間位置和震源破裂機制,并結合人工地震剖面結果(何登發等,2019;Lu et al,2021),給出長寧地區的發震構造示意圖(圖7)。整體上,震源區主要受到長寧背斜和建武向斜的控制,長時間的開采注水活動觸發了不同尺度、不同幾何產狀的先存斷層活動。北部地震活動主要與鹽礦開采有關,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,開采井分布較為零散,因此地震的分布也呈現出多個叢集式的展布。胡幸平等(2021)指出長寧地區地殼應力場的最大主應力軸在整個區域內基本均處于近水平狀態,然而北側和南側存在顯著差異,這種局部改變是長寧地區復雜地震活動的必要力學基礎。本研究也認為介質巖性的橫向差異和高壓流體注入直接影響了長寧地區地震活動的空間分布格局。

圖7 長寧地區地震發震構造示意圖

3 結論

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

(1)2019年長寧MS6.0 地震的發震構造為長寧背斜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西深東淺,是NW向先存斷裂活化的構造地震事件。

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

(3)長寧地區南、北2個區域地震活動的差異性受控于局部應力場方向的變化,而介質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; 感謝中國地震臺網中心國家地震科學數據中心(https://data.earthquake.cn/)為本研究提供數據。