杜廣寶， 吳慶舉， 張雪梅， 張瑞青

1 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 中國地震臺網(wǎng)中心， 北京 100045

0 引言

四川盆地位于揚子地臺西緣，是在揚子地臺內(nèi)形成的構(gòu)造-沉積盆地(呂寶鳳，2005)，其北鄰秦嶺構(gòu)造帶，西靠松潘—甘孜褶皺帶，南部與華南構(gòu)造帶毗鄰.根據(jù)現(xiàn)今構(gòu)造與基底結(jié)構(gòu)，盆地分成了川東、川中和川西三大區(qū)塊，華鎣山斷裂以東為川東斜坡高陡構(gòu)造區(qū)，龍泉山斷裂以西為川西坳陷低陡構(gòu)造區(qū)，兩斷裂之間為川中隆起平緩構(gòu)造區(qū)，以平緩褶皺構(gòu)造為主(郭正吾等，1996；梅慶華等，2014).威遠地區(qū)位于川中構(gòu)造區(qū)西南部，威遠背斜、白馬鎮(zhèn)向斜和自流井背斜構(gòu)成區(qū)域內(nèi)主要構(gòu)造格架(四川省地質(zhì)局，1980)，其中威遠背斜為大型穹窿狀背斜構(gòu)造，長軸走向為NE向，大體與龍門山一致(朱瑜等，2010)(圖1)，是區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造單元.自流井背斜位于區(qū)域南部，軸向基本沿重灘斷層向至長巖斷層方向呈弧形分布.白馬鎮(zhèn)向斜位于威遠背斜和自流井背斜之間，兩翼寬緩，近對稱展布，軸向為北東向(四川省地質(zhì)局，1980).研究區(qū)分布著系列以逆沖型為主的斷層(四川省地質(zhì)局，1980)，如大埡口斷層、墨林場斷層、資中斷層、黃桷坡斷層、長巖斷層、重灘斷層等.

圖1 四川威遠地區(qū)地形、地震臺站和2018年以來M 4.0以上地震分布圖藍色三角形表示新建密集臺站.Fig.1 The topography of theWeiyuan area, distribution of seismic stations and M≥4.0 earthquakes since 2018The blue triangle indicates the new dense stations.

自2014年以來，威遠及鄰區(qū)的地震活動頻次明顯增強.統(tǒng)計結(jié)果顯示，2.0級以上地震在2014年前的年頻次約40次，2015至2017年之間的年頻次增至140次，2018年年頻次已達600次，2019年則突升至1000次以上(圖2).與此同時，研究區(qū)中強地震的發(fā)震次數(shù)也明顯增加，包括2018年7月23日四川威遠M4.2地震，2019年2月24日、25日四川榮縣M4.7、M4.3和M4.9地震，2019年9月8日四川威遠M5.4、M4.3地震，2019年9月10日四川榮縣M4.0地震，2019年12月18日四川資中M5.2地震以及2020年2月16日四川榮縣M4.4地震等(圖1).有研究表明，該區(qū)域多數(shù)地震活動可能與水力壓裂有關(guān)(Lei et al.,2013,2017; Meng et al.,2018, 2019; Sheng et al.,2020; Wang et al.,2020)，Yang等(2020)對威遠—榮縣2019年2月25的地震序列進行了雙差定位和震源機制解等研究，指出此次地震可能與頁巖氣壓裂活動有關(guān)，是由孔隙彈性壓力變化誘發(fā)所致.另一方面，易桂喜等(2020)利用CAP波形反演方法，獲得了榮縣—威遠—資中地區(qū)MS≥3.0地震的震源機制解，認(rèn)為研究區(qū)的主要發(fā)震構(gòu)造可能是發(fā)育在威遠背斜南翼的一系列走向NNE-NE的緩傾角盲沖斷層，反映區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動主要受區(qū)域應(yīng)力場控制.這體現(xiàn)出了研究區(qū)地震序列的復(fù)雜性，而要進一步理解其發(fā)震機制，則需要開展更精細的背景結(jié)構(gòu)研究.

圖2 研究區(qū)2.0級以上地震M-t(a)和N-t(b)圖Fig.2 Diagrams of M-t (a) and N-t (b) (M≥2.0)

目前研究區(qū)開展的速度結(jié)構(gòu)研究以大尺度居多，趙珠和張潤生(1987)研究了四川地區(qū)地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)；王椿鏞等(2002)研究了川滇地區(qū)上地殼三維速度結(jié)構(gòu)；Wang等(2016)綜合了1166口油井、600多條地震反射剖面和地形資料等數(shù)據(jù)得到了四川盆地上地殼高分辨率的三維速度結(jié)構(gòu)；王小龍等(2020)利用遠震數(shù)據(jù)獲得了四川盆地的瑞利面波相速度結(jié)構(gòu).另外，李永華等(2006)、韋偉等(2010)、胡亞平等(2017)、劉偉等(2019)、Zheng等(2019)分別研究了青藏高原東緣的速度結(jié)構(gòu).但以上結(jié)果尺度較大，不能很好地分辨出榮縣—威遠地區(qū)的精細速度結(jié)構(gòu).曾求等(2020)利用流動臺站資料，基于地震背景噪聲成像獲得了威遠地區(qū)高分辨率的淺層速度結(jié)構(gòu)，但缺少對地震空間分布的探討.因此，為進一步研究威遠及周邊地區(qū)中小地震的時空分布特征和相對準(zhǔn)確的震源深度，以及探討地震活動與速度結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，本文收集了2019年榮縣M4.9地震后在榮縣—威遠布設(shè)的密集觀測臺站數(shù)據(jù)，以及固定臺站震相報告(圖1)，采用雙差層析成像方法(Zhang and Thurber，2003，2006)，對威遠及鄰近地區(qū)地震事件的震源位置和地殼速度結(jié)構(gòu)進行了聯(lián)合反演.并在此基礎(chǔ)上，深入探討了該區(qū)域內(nèi)發(fā)生的中強地震的深部結(jié)構(gòu)特征.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

圖1給出的本文研究區(qū)范圍(104.3°E—105.0°E，29.2°N—29.7°N)，為保證足夠的射線覆蓋，將用于反演的范圍向四周各擴展0.5°(103.8°E—105.5°E，28.7°N—30.2°N)(圖3).2019年2月25日榮縣M4.9地震后，在榮縣—威遠地區(qū)布設(shè)了25個密集地震觀測臺站，平均臺間距8 km，最小間距約4 km左右(圖3).此外，本文還收集了2019年1月至2020年6月期間榮縣—威遠及周邊地區(qū)固定臺站所記錄的P和S波震相報告數(shù)據(jù).

圖3 射線路徑及臺站地震分布黑框為研究區(qū)范圍.Fig.3 Geographical distribution of the seismic stations (yellow triangles), earthquake hypocenters (red circles) and ray paths (blue lines) considered in this study. The black lines represent the boundary of the study area.

為保證觀測數(shù)據(jù)定位精度和可靠性，我們做如下挑選：震中距小于200 km，地震對間距小于10 km，每個地震事件至少被6個臺站記錄到，時距曲線如圖4.最終用于反演的臺站38個，地震事件9034個，絕對走時數(shù)據(jù)P、S波分別為131098條和125225條，相對走時數(shù)據(jù)P、S波分別為562363條、521662條.

圖4 P(a)、S(b)波時距曲線Fig.4 Time-distance curves of P (a) and S (b) wave

1.2 雙差層析成像方法

雙差層析成像(TomoDD)方法是Zhang和Thurber(2003)在雙差定位方法(Waldhauser and Ellsworth，2000)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來.該方法利用絕對走時數(shù)據(jù)與每個臺站記錄的鄰近事件之間的走時差數(shù)據(jù)，進行三維速度結(jié)構(gòu)與震源位置的聯(lián)合反演，其基本思路為：假設(shè)相鄰的兩個地震事件到達同一臺站有相似路徑，對其到時殘差做差，得到雙差數(shù)據(jù)，將其為反演中的觀測數(shù)據(jù)來反演速度結(jié)構(gòu)(例如，王偉平，2016；李敏娟等，2018；劉偉等，2019； 繆思鈺等，2019).采用阻尼最小二乘法求解，使由雙差和絕對走時數(shù)據(jù)殘差的2范數(shù)系統(tǒng)構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)最小化，同時反演VP和VS速度結(jié)構(gòu)，從而獲取最優(yōu)的震源位置和三維速度結(jié)構(gòu)(肖卓和高原，2017).

1.3 初始模型和參數(shù)的選擇

本文所選用的初始模型參考了區(qū)域背景噪聲成像(曾求等，2020)和四川地區(qū)人工地震結(jié)果(趙珠和張潤生，1987；姚忠瑞和何惺華，2007；Wang et al., 2016)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的殘差分布做了適當(dāng)調(diào)整，如表1所示.通過和達法擬合研究區(qū)縱橫波波速比為1.72.水平方向上采用0.1°×0.1°的網(wǎng)格間隔，垂直方向上的網(wǎng)格節(jié)點分別為-10 km、0 km、2 km、5 km、7 km、10 km、15 km、20 km、40 km.

表1 P波初始速度模型Table 1 Initial model of P wave velocity

雙差層析成像方法采用帶阻尼的LSQR算法，以總走時殘差2范數(shù)為目標(biāo)函數(shù)進行迭代求解(Zhang and Thurber，2003).反演中使用的最佳阻尼因子和平滑權(quán)重通過構(gòu)建數(shù)據(jù)方差和模型方差間的平衡曲線來確定(Eberhart-Phillips，1986)，最終選取的最佳阻尼因子和平滑因子分別為300、150(圖5).

圖5 阻尼參數(shù)(a)和平滑因子(b)選擇曲線Fig.5 Damp (a) and smooth (b) coefficients chosen for tomography

2 結(jié)果

2.1 分辨率測試

為驗證反演結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，本文采用測試板方法測試結(jié)果的分辨率.檢測板測試就是在初始速度模型基礎(chǔ)上，加一定的速度擾動計算理論走時，再采用與實際反演相同的策略進行反演計算，觀察反演結(jié)果對理論模型的恢復(fù)情況.本文以0.1°×0.1°網(wǎng)格和±5%異常相間的棋盤模型作為理論模型進行分辨率測試.圖6 給出了不同深度的檢測板結(jié)果，在2～10 km深度范圍內(nèi)，P波和S波的速度模型得到了不同程度的恢復(fù)，P波的恢復(fù)度優(yōu)于S波.

圖6 不同深度剖面P、S波檢測板測試結(jié)果(0.1°×0.1°)Fig.6 P and S wave checkboard resolution tests (0.1°×0.1°) at the depths of 2,5,7 km and 10 km

2.2 地震重定位結(jié)果

圖7給出了地震重定位前后的地震空間分布變化，其中圖7a為震相報告結(jié)果，主要是采用單純型法(Nelder and Mead，1965)獲得的震源位置，圖7b是采用雙差層析成像方法得到的地震定位結(jié)果.

由圖7b可知，重定位后的地震事件分布更加聚集，多呈南北條帶狀分布.但整體而言，震源位置在空間上無明顯的簇集特征，與研究區(qū)內(nèi)已知斷層的分布并不相關(guān).其次，從圖7b中也可以看到，研究區(qū)內(nèi)中小地震發(fā)震位置的遷移也無明顯規(guī)律.如，2020年以來發(fā)生的地震事件分布范圍較廣，無明顯的帶狀或蔟狀分布特征.在震源深度方面，重定位后的地震事件集中分布在2～5 km的深度范圍(圖8)，這與利用震源機制解得到的中小地震矩心深度結(jié)果基本一致(易桂喜等，2020)，但比長寧—興文地區(qū)(Zuo et al., 2020)重定位后地震的平均震源深度5～10 km要淺.重定位后所有臺站的殘差均方根顯著減小，由0.23 s降低到了0.03 s，參見圖9.

圖8 重定位前(a)后(b)震源深度變化Fig.8 Numbers of earthquakes with different epicentral depths before (a) and after (b) relocation

圖9 重定位前(紅)后(藍)殘差直方圖Fig.9 Histograms of travel time residual before (red) and after (blue) relocation

本文結(jié)果與以往研究有所不同.例如，利用威遠及周邊地區(qū)臺站所記錄到的2018年9月至2019年3月份的震相報告數(shù)據(jù)，Yang等(2020)采用雙差定位方法發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的地震主要簇集在兩個區(qū)域，一個是榮縣附近，另一個是威遠—資中地區(qū).與他們的研究結(jié)果相比，本文結(jié)果顯示一部分特別是2020年以來的地震事件分布在黃桷坡斷層以北地區(qū).

2.3 三維速度結(jié)構(gòu)

本文利用雙差層析成像方法同時反演了P、S波速度，其在不同深度的水平切片如圖10所示.總體而言，在不同深度，P波和S速度結(jié)構(gòu)特征基本相同，但相比較而言，同一深度的P波比S波速度結(jié)構(gòu)要復(fù)雜.

圖10 不同深度剖面VP(左)、VS(右)分布白色圓圈代表地震，黑色五角星表示4級以上地震，綠色五角星表示5級以上地震.Fig.10 VP (left) and VS (right) distributions at the depths of 2,5,7 km and 10 kmThe white circles represent events，black stars represent earthquakes with M≥4 and green stars represent earthquakes with M≥5

本文結(jié)果顯示，在2 km深度處，長巖斷層以北地區(qū)整體表現(xiàn)為VP和VS高速異常區(qū)，而以南地區(qū)則表現(xiàn)為低速異常.在該深度，中小地震的分布與VS相關(guān)聯(lián)，主要發(fā)生在VS高速異常區(qū)，而對應(yīng)VP則略顯低速.在5 km深度處，速度分布特征與地質(zhì)構(gòu)造具有一定的相關(guān)性，如，威遠背斜基本表現(xiàn)為P波和S波高速異常，而以南地區(qū)則呈現(xiàn)低速異常.墨林場斷裂的東、西兩側(cè)的P波速度結(jié)構(gòu)也存有差別.在該深度，研究區(qū)地震多發(fā)生在VP和VS的高、低速異常轉(zhuǎn)換帶.在7～10 km深度，P波和S波速度結(jié)構(gòu)特征無明顯變化，但中小地震事件的個數(shù)急劇減少.值得注意的是，與其他中強地震相比，2019年9月8日威遠M5.4地震和2019年12月18日資中M5.2地震的震源深度較深，但也基本位于P波的高、低速交界區(qū).

此外，利用VP/VS本文還獲得了研究區(qū)不同深度的波速比分布，見圖11.整體上波速比隨深度的增加而降低.我們發(fā)現(xiàn)，在2 km深度，中小地震多位于低波速比地區(qū).但在5～10 km深度，上述特征則不明顯，例如在5 km深度，黃桷坡斷層以北地區(qū)的中小地震位于高波速比地區(qū)，參見圖11.

圖11 不同深度剖面波速比分布白色圓圈代表地震，黑色五角星表示4級以上地震，綠色五角星表示5級以上地震.Fig.11 VP/VS distributions at the depths of 2,5,7 km and 10 kmThe white circles represent events，black stars represent earthquakes with M≥4 and green stars represent earthquakes with M≥5.

為進一步探討研究區(qū)地震活動性與速度結(jié)構(gòu)之間關(guān)系，我們沿著緯度29.4°N、29.5°N和29.6°N，分別給出了AA′，BB′和CC′縱剖面的VP、VS和VP/VS，參見圖12，并將剖面兩側(cè)0.05°以內(nèi)的地震震中投影到速度圖像上.結(jié)果顯示，研究區(qū)地震主要發(fā)生在2～5 km深度之間，且多數(shù)位于P波和S波的高低速交界區(qū).其次，如前文所述，除部分中小地震沿著墨林場斷裂分布以外，多數(shù)地震事件的空間位置與地表已知斷層無明顯對應(yīng)關(guān)系.如BB′剖面中，在104.75°附近，可觀測到一些近乎直立、帶狀分布的地震事件，其震源深度從近地表逐漸加深到7 km左右，而地表并無已知斷層相對應(yīng)，推測該處可能存在高傾角的隱伏斷層.此外，剖面結(jié)果顯示，研究區(qū)多數(shù)有感及破壞性地震(≥3.0)的震源深度明顯要深，特別是一些中強地震，如威遠M5.4和資中M5.2地震的震源深度達約6 km，而其他小震的震源深度相對要淺，參見CC′剖面.需要指出的是，由剖面結(jié)果可知，墨林場斷裂帶下方2019年2月25日榮縣M4.9主震的震源深度較淺(約1.4 km)，而兩次前震的震源深度明顯要深(4～6 km).

圖12 VP、VS和VP/VS縱向剖面與地震分布圖紅色五角星表示4級以上地震.Fig.12 VP, VS and VP/VS images along different vertical profiles and earthquakes distributionThe red stars represent earthquakes with M≥4.

(圖12續(xù))

與以往研究結(jié)果相比(Yang et al., 2020)，2019年榮縣M4.9主震的震源深度基本相當(dāng)，但兩次前震(M4.7和M4.3)的震源深度有所區(qū)別.Yang等(2020)認(rèn)為榮縣M4.9主震發(fā)生在向西傾的墨林場斷層上，且該斷層為一逆沖斷層，深度只有1.5 km，而兩次前震的震源深度在2.7 km左右，比本文的估計值明顯要淺.

3 討論

本文的重定位結(jié)果顯示，研究區(qū)地震序列主要沿NS向或NNE向展布，這與震源機制走向(易桂喜等，2020)基本一致.在2 km深度，研究區(qū)地震的分布與VS相關(guān)聯(lián)，主要發(fā)生在VS高速異常和低波速比地區(qū)，這與我國西南地區(qū)某頁巖氣壓裂井淺部的微地震事件分布特征基本相符(繆思鈺等, 2019).在5～10 km深度，研究區(qū)地震多發(fā)生在高、低速異常交界的區(qū)域，甚至更偏向低速區(qū).可能是此類區(qū)域更有利于能量的積累與釋放進而引發(fā)地震.由AA′-CC′剖面可知，地下4～6 km存在一比較明顯的速度界面，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)剖面(王貝等，2017；Wang et al.，2020；Zou et al.，2020)，推測該界面為結(jié)晶基底頂部，其上為沉積層.研究區(qū)兩次5級以上地震(CC′剖面)均位于此界面以下，此外還有3次4級以上地震(BB′剖面)位于界面之下，其他絕大多數(shù)小震位于界面之上，表明該區(qū)域地震主要受沉積層結(jié)構(gòu)的控制.

前文將研究區(qū)地震分成了榮縣附近、威遠—資中地區(qū)和黃桷坡斷層以北三個部分.其中黃桷坡斷層以北地區(qū)2019年以前少有地震發(fā)生，進入2020年以后地震開始大量發(fā)生(圖7)，且該區(qū)域地震均小于3級，本文試圖結(jié)合速度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造應(yīng)力給出可能的解釋.易桂喜等(2020)系統(tǒng)研究了區(qū)域內(nèi)MS≥3.0地震的震源機制解，認(rèn)為研究區(qū)主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場控制，處于相對簡單的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境，最大水平應(yīng)力方向為NW-SE向.從分辨率更高的P波速度結(jié)構(gòu)(圖10)看，在研究區(qū)7～10 km深度，威遠背斜和自流井背斜及其北部為高速異常區(qū)，低速異常區(qū)夾在兩高速異常區(qū)中間，呈扇形分布，研究區(qū)各深度層地震基本位于此扇形區(qū)域內(nèi).當(dāng)受到NW-SE向的壓力時，扇尾處的威遠—資中地區(qū)比較窄，應(yīng)力集中，能量積累快，這可能是該區(qū)域發(fā)生兩次5級以上地震的原因.榮縣和黃桷坡斷層以北兩個區(qū)域位于扇形區(qū)域的頭部，應(yīng)力狀態(tài)相似，但黃桷坡斷層以北地區(qū)P波速度更高，高速結(jié)構(gòu)對應(yīng)著高密度、強力學(xué)性質(zhì)(Tenthorey et al.，2003)，要使其破裂，則需要更大的應(yīng)力積累.這可能是黃桷坡斷層以北地區(qū)直到2020年才開始大量發(fā)生地震的原因.另外，在受外力擠壓時，扇形的低速區(qū)域會向外擠出，這可能是導(dǎo)致沉積蓋層一系列逆沖斷層的緣由.

4 結(jié)論

本文利用2019年1月—2020年6月期間四川榮縣—威遠布設(shè)的密集地震觀測臺站，以及部分國家和區(qū)域固定臺站，所記錄到的P波和S波震相到時數(shù)據(jù)，采用雙差層析成像方法，進行中小地震的重定位和層析成像研究，獲得了該區(qū)高分辨率的三維地殼速度結(jié)構(gòu)，主要結(jié)論如下.

(1)研究區(qū)一部分中小地震沿墨林場斷裂分布.整體上，地震事件在空間上無明顯的簇集特征，與研究區(qū)內(nèi)已知斷層無明顯關(guān)聯(lián).在震源深度上，地震主要集中在2～5 km的深度范圍內(nèi).

(2)地震活動與速度結(jié)構(gòu)變化具有相關(guān)性.在2 km深度，地震主要發(fā)生在VS高速異常區(qū).在5～10 km深度，地震常發(fā)生在VP和VS的高、低速異常交界區(qū)域，甚至更偏向低速區(qū).

(3)速度縱剖面結(jié)果顯示，研究區(qū)結(jié)晶基底的頂部約在4～6 km深度附近，中強地震多發(fā)生在該深度層，區(qū)域內(nèi)絕大多數(shù)地震發(fā)生在6 km以淺，表明該區(qū)域地震活動主要受沉積層結(jié)構(gòu)控制.

(4)在研究區(qū)深部，黃桷坡斷層以北地震區(qū)比榮縣地震區(qū)具有更高的P波速度，因此，在相似的應(yīng)力狀態(tài)下，力學(xué)性質(zhì)更強的黃桷坡斷層以北地區(qū)更難以破裂，可能是導(dǎo)致該地區(qū)直到2020年才開始發(fā)生地震的緣由.

致謝感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張海江教授提供的雙差地震層析成像程序(TomoDD)，感謝二位審稿專家提供的寶貴修改意見及建議，感謝全國地震監(jiān)測人員為地震編目付出的辛勤工作.