王小龍,劉淵源,余國政,郭 欣,王 強(qiáng)

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,合肥 230026;

2.重慶市地震局,重慶 401137)

利用遠(yuǎn)震接收函數(shù)反演烏江彭水電站地震臺下方地殼厚度

王小龍1,2,劉淵源1,余國政2,郭 欣2,王 強(qiáng)2

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,合肥 230026;

2.重慶市地震局,重慶 401137)

烏江彭水電站目前是重慶市最大的水電站,電站總投資121億元,總裝機(jī)容量為175萬kW。壩高116.5m,水庫正常蓄水水位293m,總庫容13.35億m3,為河道型高壩水庫。已有研究結(jié)果表明,彭水電站壩區(qū)是穩(wěn)定的,但庫區(qū)及外圍地區(qū)仍存在5級左右的地震活動背景,在水庫蓄水后有可能誘發(fā)中、強(qiáng)地震。本文利用彭水臺網(wǎng)于2008年11月到2010年12月間記錄到的遠(yuǎn)震數(shù)據(jù),通過接收函數(shù)的 H-Kappa疊加法研究了彭水電站地震臺站下方的地殼厚度和泊松比等地殼參數(shù)。結(jié)果表明該區(qū)的地殼厚度在43～46km之間,泊松比在0.20～0.24之間,這對該區(qū)的深部地質(zhì)構(gòu)造特征、分析孕震機(jī)制等研究具有積極的意義。

接收函數(shù);彭水電站;地殼結(jié)構(gòu);遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)

0 前言

烏江彭水水電站(以下簡稱彭水電站)位于烏江干流下游,目前是烏江干流的第10個(gè)梯級電站。壩址座落在重慶市彭水苗族土家族自治縣縣城上游11km的峽谷河段,電站為水電Ⅰ等工程,電站壩型為混凝土重力壩,設(shè)計(jì)壩頂高程301.5m,正常蓄水水位293m,庫長約117km,庫容13.35億 m3,水庫蓄水后已回水至貴州省沿河縣縣城附近。工程建成后,不僅能提供巨大的電力資源,還具有防洪和航運(yùn)效益,是一個(gè)高效益綜合水利樞紐工程。

為確保電站大壩及下游居民的安全,重慶大唐彭水水電開發(fā)公司于2008年11月正式建成彭水電站地震監(jiān)測臺網(wǎng)。該臺網(wǎng)在彭水電站庫區(qū)微震監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用,它不僅積累了本區(qū)的地震活動資料,而且還記錄了一些遠(yuǎn)震資料。遠(yuǎn)震P波波形中所包含了莫霍間斷面所產(chǎn)生的P-S轉(zhuǎn)換波及其多次反射波的信息。人類對地球內(nèi)部的認(rèn)識來自于地表的觀察,反演技術(shù)是獲取地球內(nèi)部信息的重要手段,近年來用接收函數(shù)反演地殼厚度的方法日趨成熟,在地學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用[1-9]。而地殼厚度以及泊松比與地震波動性有較密切的關(guān)系。例如,研究表明一些大地震發(fā)生在地殼厚度急劇變化帶[10],而泊松比則表明地殼的巖石成分和地?zé)釥顟B(tài)與地震構(gòu)造環(huán)境相關(guān)[11]。本文根據(jù)烏江彭水電站臺網(wǎng)記錄到的地震資料,提取該臺網(wǎng)地震臺站下方的接收函數(shù),反演出地殼厚度和波速比,這是進(jìn)一步研究彭水電站庫區(qū)地震活動性及發(fā)震構(gòu)造的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),將對增強(qiáng)該區(qū)的深部地質(zhì)構(gòu)造特征、分析孕震機(jī)制等研究具有積極的意義。

1 區(qū)域地震地質(zhì)背景

研究區(qū)位于穩(wěn)定的揚(yáng)子準(zhǔn)地臺之揚(yáng)子臺褶帶黔江褶束上,地處我國地形第二階梯級中部南緣,位于大婁山脈與武陵山脈之間的鄂黔山區(qū),為溶巖中山或中低山地形,主體構(gòu)造為一套北北東向的褶皺斷裂體系,工程壩址主要處于郁山斷裂帶及黔江斷裂帶之間(圖1)。區(qū)內(nèi)山嶺連綿,峰巒迭嶂,深溝淺壑,巖溶發(fā)育,層狀地貌明顯。新構(gòu)造時(shí)期本區(qū)以間歇性抬升運(yùn)動為主,形成了多級夷平面及深切峽谷地貌,燕山運(yùn)動奠定了區(qū)內(nèi)基本構(gòu)造格架,斷裂構(gòu)造以北東向構(gòu)造為主。歷史上有多次構(gòu)造活動的跡象,沿?cái)嗔褞Я阈欠植急浪w及巖溶槽谷、洼地等地貌現(xiàn)象,并有鹽泉和溫泉出露,1885年秋在郁山斷裂附近的彭水發(fā)生過1次4.7級地震,震中距壩址14km。1856年6月在黔江斷裂帶附近發(fā)生過重慶黔江ML61/4級地震,震中距壩址80km。彭水電站可行性研究報(bào)告表明,距壩址最近的諸佛江斷層為中更新世活動斷層,該斷層西南端距烏江河谷2km,存在一定的地震危險(xiǎn)性。

圖1 彭水電站及鄰區(qū)地震危險(xiǎn)區(qū)劃與地震臺站分布圖

2 資料選取與方法

烏江彭水電站臺網(wǎng)(以下簡稱彭水臺網(wǎng))由2個(gè)臺網(wǎng)中心和6個(gè)測震子臺組成,跨彭水、酉陽2縣(圖1)。臺網(wǎng)由3大部分構(gòu)成,即子臺系統(tǒng),傳輸系統(tǒng)和臺網(wǎng)中心。各子臺將實(shí)時(shí)記錄到的地動數(shù)據(jù)通過2M SDH專線實(shí)時(shí)傳輸回電站廠部和重慶市三峽水庫地震監(jiān)測中心。所有子臺均使用DS-4A短周期地震計(jì)(頻帶寬度1～20Hz)和 TDS-324CI型數(shù)據(jù)采集器(24位)。本文根據(jù)美國地調(diào)局(USGS)目錄,選取了2008年11月至2010年12月間,震級大于6級,震中距在30°～95°之間的80個(gè)地震(圖2)。選取該震中距數(shù)據(jù)可以避免上地幔三重值震相的干擾和核幔邊界導(dǎo)致的低信噪比能量較弱的P波。從震中分布圖可以看出,地震方位角分布較均勻,這有利于減少數(shù)據(jù)分析處理過程中由于地殼橫向結(jié)構(gòu)的變化帶來的偏差[12]。

圖2 本文選取的遠(yuǎn)震事件震中分布

本文采用頻率域反褶積法獲得各臺站的接收函數(shù)[13],并用 H-Kappa疊加方法[3]來反演各臺站下方的地殼厚度和泊松比。這種方法是通過徑向分量與垂直分量反褶積獲取波形,從該波形中可以識別直達(dá)P波、莫霍界面的 PS轉(zhuǎn)換波以及 PpPms和PpSms+PsPms多次反射波等震相。Ps-P傳播時(shí)間與地殼厚度 h、平均地殼速度(VP和VS)以及VP/VS關(guān)系密切,在半無限空間中遠(yuǎn)震平面波對應(yīng)關(guān)系為:

式中:h是地殼厚度,VP和VS是地殼的平均速度,p是射線參數(shù)。

P波的多次反射波和 PS轉(zhuǎn)換波之間的差值是P波通過地殼的雙程傳播時(shí)間:

式(3)與地殼的厚度無關(guān),計(jì)算過程若給定一個(gè)P波的平均速度VP,則通過式(3)得到VP/VS,將其帶入式(1),得到地殼厚度 h。

假定VP/VS比率為k,則有如下關(guān)系式獲得泊松比σ:

然后將多個(gè)地震事件的接收函數(shù)進(jìn)行疊加以提高信噪比,這樣將同一臺站記錄的多個(gè)遠(yuǎn)震的接收函數(shù)作疊加處理可以有效地壓制隨機(jī)噪聲,增強(qiáng)信號的信噪比,最后將時(shí)間域的接收函數(shù)轉(zhuǎn)換成莫霍深度h與k的關(guān)系,就稱 H-Kappa法(H為地殼厚度;Kappa為縱橫波速比,以下簡稱 K)。為了有效地避免震相識別和到時(shí)拾取的困難以及由此產(chǎn)生的誤差,我們利用這幾種轉(zhuǎn)換波的走時(shí)差與縱橫波速比K的關(guān)系及震相權(quán)重(本文對 Ps、PpPs、PpSs+PsPs賦予權(quán)重分別為0.6、0.3、0.1)關(guān)系,以便得到最佳深度 H值。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

本文選用由美國加州大學(xué)開發(fā)研制的地震分析處理軟件SAC對地震事件進(jìn)行預(yù)處理。首先,以直達(dá)波前60s為起點(diǎn),在寬度為100s的時(shí)間窗內(nèi)截取P波波形,這種長度的時(shí)窗足以包括來自最深界面的多次反射波震相。然后作去傾斜和直流分量處理,使用0.1～3Hz的4極Butterworth作帶通濾波處理?？紤]到短周期儀器在小于1Hz時(shí)幅頻曲線不平坦,必須去除儀器響應(yīng),然后將三分向的NS、EW向作坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)得到徑向和切向,再用垂直分量分別對徑向和切向分量在時(shí)間域作最大反褶積,從而得到臺站下方的接收函數(shù)[14]。圖 3a為2010年12月21日 GOT臺記錄到的伊朗6.6級地震的原始波形;圖3b為該臺原始波形經(jīng)過去傾斜、去直流分量、去除儀器響應(yīng)后得到的波形;圖3c為徑向接收函數(shù)波形,它們的高斯參數(shù)分別為2.5、1.0、0.5;圖3d為切向接收函數(shù),它們的高斯參數(shù)也分別為 2.5、1.0、0.5。

圖4為 GOT臺接收函數(shù)波形,由圖可以看出GOT臺接收函數(shù)的多次反射震相清晰,能夠明顯地看到轉(zhuǎn)換震相PS以及后面的多次轉(zhuǎn)換震相。將圖4上的這些接收函數(shù)波形作疊加處理(本文在 HK疊加時(shí)只使用高斯參數(shù)為1.0的徑向分量),最后將時(shí)間域的接收函數(shù)轉(zhuǎn)換成莫霍深度 H與 K的關(guān)系(圖5),具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 烏江彭水電站企業(yè)臺下方地殼厚度和泊松比

計(jì)算結(jié)果顯示該區(qū)域地殼平均厚度為44.6km,地殼最厚的為LUJ臺45.2km,地殼最薄的為LAX臺43km,兩者相差1.6km。1986—1988年中國地質(zhì)科學(xué)院完成的“黑水—昭陽”深地震測深剖面,以大致NW-SE向穿越重慶,得出該地區(qū)上地殼包括沉積蓋層、結(jié)晶基底和上地殼底部的低速層,厚度24km左右,下地殼從低速層下界面到莫霍面,厚度16～20km,莫霍面深度變化為36～44km,其中龔灘炮點(diǎn)的莫霍面深度為43km[15]。本文結(jié)果龔灘臺(GOT)深度為43.9km,與“黑水—昭陽”深地震測深剖面研究結(jié)果較為吻合。研究區(qū)內(nèi)泊松比0.20～0.24,沒有明顯的差異。根據(jù)已有的研究結(jié)果,泊松比與介質(zhì)所含的石英礦物和鐵鎂質(zhì)礦物的相對含量有關(guān),即泊松比小于標(biāo)準(zhǔn)泊松體的比值,則含有相對較高的石英礦物的成分[16-17]?？赡鼙砻餮芯繀^(qū)內(nèi)巖石組成以長英質(zhì)為主,這種低泊松比值與野外剖面露頭觀察一致,研究區(qū)內(nèi)巖石類型主要為碳酸鹽巖(白云巖為主,且多為含藻、含硅質(zhì)白云巖)和硅質(zhì)巖。趙瞻等人[18]研究認(rèn)為本區(qū)大量的硅質(zhì)巖是震旦紀(jì)末期揚(yáng)子板塊東南緣于拉張環(huán)境下熱海水帶來了大量的SiO2,這為本區(qū)中厚層硅質(zhì)巖的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)和接受函數(shù)波形

圖4 GOT臺接收函數(shù)疊加圖

圖5 各臺接收函數(shù) H-Kappa疊加結(jié)果

4 結(jié)論

本文根據(jù)彭水臺網(wǎng)的資料通過接收函數(shù)和 HKappa疊加法對彭水電站地震臺站下方的地殼厚度、泊松比等地殼參數(shù)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明該區(qū)的厚度在43～46km之間,泊松比在0.20～0.24之間,這對該區(qū)的深部地質(zhì)構(gòu)造特征、分析孕震機(jī)制等研究具有積極的意義。然而由于臺站密度與布局等因素的影響,所獲得的地殼厚度和泊松比還不夠詳細(xì)地描述該區(qū)的地殼結(jié)構(gòu),因?yàn)榻邮蘸瘮?shù)對地殼內(nèi)部緩變的垂向結(jié)構(gòu)不敏感,不能很好地確定地殼的速度結(jié)構(gòu),而具體的速度結(jié)構(gòu)是研究孕震活動的重要信息,例如中下地殼的低速層有可能是地殼最容易流動的區(qū)域,它和上地殼脆性層的交接容易形成較大的應(yīng)力積累,從而形成地震。另外如果該地區(qū)微震的震源深度能夠準(zhǔn)確確定[19],那么地殼速度結(jié)構(gòu)綜合起來,可以更好地確定孕震深度及背景。下一步可以利用面波頻散和接收函數(shù)聯(lián)合反演該區(qū)的殼幔速度結(jié)構(gòu),以彌補(bǔ)本文精度上的不足,又可修正該地區(qū)的速度模型,為將來地震定位、震源研究等提供重要的參考數(shù)據(jù)。

致謝 感謝倪四道老師在本文形成過程中的指導(dǎo)與幫助!感謝評審專家在審稿中提出的寶貴修改意見,對本文的改進(jìn)和完善提供了很大幫助!本文研究過程中使用了重慶市地震數(shù)據(jù)共享庫中地震資料,在資料收集中得到勾憲斌、馬偉、劉晶等人幫助,在此深表感謝!

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Analysis of Crustal Structure under Pengshui Hydropower Station by Receiver Function

WANG Xiao-long1,2,LU Yuan-yuan1,YU Gou-zhen2,GUO Xin2,WANG Qiang2
(1.Mengcheng National Geophysical Observatory,School of Earth and Space University of Science and Technology,Hefei 230026,China;
2.Earthquake Administration of Chongqing,Chongqing 401137,China)

With installed capacity of 1.75million kilowatts and total investment of 23billion yuan,the Pengshui hydropower station on Wujiang-river is the biggest hydropower station of Chongqing.The dam of the station is about 116.5meters high,the normal water level is up to 293meters,and the reservoir capacity is 1.335billion cubic meters.Researches show that the crust around the dam is stable,but the impoundment of the reservoir may induce moderate and strong earthquake in the potential seismic sources zone.On basis of teleseismic waveform data from 2008to 2010recorded by Pengshui Hydropower seismic network,this paper studies the crustal thickness and Passion’s ratio of the area using receiver function method.The results show that the crustal thickness range from 43.9to 47km and the Poisson’s ratio ranges from 0.20to 0.24.

receiver function;Pengshui hydropower station;crustal structure;teleseismic wave form data

P315.2

A

1003-1375(2011)02-0013-06

2010-11-15

重慶市2011年科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(CSTC 2011AC0149)

王小龍(1977-),在讀碩士研究生,工程師,主要從事地震監(jiān)測和地殼結(jié)構(gòu)研究.E-mail:cqwxl@mail.ustc.edu.cn