〔作者简介〕 张娜, 女, 1992年生, 2018年于中国地震局地震预测研究所获地球物理学专业硕士学位, 现主要从事地震学研究, 电话: 18834821722, E-mail: 15201562933@163.com。
文中使用2013年8月—2016年12月金沙江下游水库台网42个台站记录到的7465个地震事件的到时数据, 采用双差层析成像方法, 反演得到了金沙江下游水库区地震震源参数及周围地区分辨率达0.1°的地壳三维速度结构。 在研究区2~6km深的浅层, P、 S波沿小江断裂北段呈现低速异常特征, S波的低速异常尤其显著, 在小江断裂带东、 西两侧出现了明显的低速区, 说明浅层低速区的分布与研究区的地形、 岩性分布以及金沙江流经区域对应较好。 自6km深处开始, P波在小江断裂北段东侧形成了沿昭通、 会泽-彝良断裂的NE向高速条带, S波在莲峰断裂、 包谷垴-小河断裂、 昭通-鲁甸断裂和会泽-彝良断裂所围限的区域内呈现高速分布。 以小江断裂为界, 在深度10km以上的浅层, 包括宁会断裂在内的小江断裂西侧, VP呈现显著的低速异常, 而小江断裂东侧则为高速。 小江断裂带自北至南呈现显著的 VP低值, 且北段的低速异常相对显著, 在巧家附近低速异常区的深度达15km。 白鹤滩大坝下方呈现显著的 VP低速分布, 深度至5km。 大坝周围的地震在低速一侧由浅至深形成了条带。 乌东德大坝下方为稳定的高速分布。 重定位结果显示: 研究区内震源深度<20km的地震优势分布在15km以浅, 在小江断裂带东、 西两侧的麻塘断裂、 大朵断裂以及会泽县附近的重定位事件出现了比较明显的近EW向分布, 与该区域内主要大型断裂的NE走向不同。 鲁甸地震序列的震源深度<15km, 优势分布在10km以浅, 地震序列的优势分布方向为近EW和SN向, 在2个优势方向上2a内发生的余震分别形成了长约40km、 20km的条带。
In this paper, the double difference seismic tomography method is applied to the phase arrival times of 7465 seismic events to determine the hypocenter parameters of events as well as detailed 3D velocity structure at the northern segment of Xiaojiang Fault and its surrounding area. The data was recorded by 42 stations of the Jinshajiang River network from August 2013 to November 2016. At 2~6km, VP and VS present low velocity anomalies along the northern segment of Xiaojiang Fault, and the VS anomaly is especially remarkable. On both sides of the Xiaojiang Fault, there also exist obvious P and S wave low velocity areas. These low velocity areas correspond to the terrain, lithology distribution and the watershed of Jinsha River at shallower layer in the study area. Starting from 6km, a NE-directed high VP band along Zhaotong-Ludian and Huize-Yiliang Fault is formed on the eastern side of the northern segment of Xiaojiang Fault. VS also shows the high value in the area bounded by Lianfeng Fault, Baogunao-Xiaohe Fault and Huize-Yiliang Fault. Above 10km depth, to the west side of the Xiaojiang Fault including the Ninghui Fault, VP shows a significant low-velocity anomaly, while to the east side it presents high velocity feature. The Xiaojiang fault zone shows a significant low VP from north to south in the study region, and the low velocity anomaly in the northern segment is relatively significant, especially the low velocity anomaly area reaches 15km deep around Qiaojia area. Beneath the Baihetan Dam, a significant low VP area reaching to 5km deep is found. The earthquakes around the dam formed a strip from shallow to deep on the low-velocity area side. Whereas, a stable high-velocity area is found under the Wudongde Dam. The events relocation result shows that: all the focal depths in the study area are shallower than 20km, and the predominant focal depth is within 15km. Different from the NE-trending of the major faults in the study area, the relocated seismic events are obviously distributed nearly east-west along Matang Fault and Daduo Fault and the region around Huize. The focal depths of MS6.5 Ludian earthquake sequences are shallower than 15km, and mostly less than 10km. The aftershocks within 2a after the Ludian M6.5 earthquake form two predominant bands of about 40km and 20km along near EW and SN direction, respectively.
金沙江下游建设了乌东德、 白鹤滩、 溪洛渡和向家坝4座世界级巨型梯级水库, 规模相当于2个三峡水库, 在中国具有非常重要的民生和经济意义。 其中, 已建成但尚未蓄水的乌东德、 白鹤滩水库和已经运行的溪洛渡水库坐落在本文的研究区域(26° ~27.8° N, 102° ~104° E)内。 白鹤滩水电站位于研究区中心, 其上游与乌东德梯级电站相接, 下游尾水与溪洛渡梯级电站相连, 是金沙江下游河段4个梯级开发的第2级。 溪洛渡水库最大坝高278m, 正常蓄水位600m, 库容1.27× 1010m3; 白鹤滩水库最大坝高289m, 正常蓄水位825m, 库容2.06× 1010m3, 是中国目前库容最大的水电站之一; 乌东德水电站距白鹤滩水电站180km, 最大坝高265m, 初设蓄水位(海拔)975m, 总库容约5.863× 109m3。
金沙江下游梯级电站中的溪洛渡、 向家坝先后于2012年10月、 2013年5月蓄水, 蓄水后水库区周边区域地震活动增强。 为加强金沙江下游地区的地震活动监测, 开展白鹤滩水库蓄水前后高精度的地震活动时空特征、 深浅介质结构等对比研究, 沿金沙江下游架设了26个加密台站, 与四川、 云南区域地震台网、 中国地震局地球物理研究所布设的 “ 巧家台阵” 组成了覆盖溪洛渡— 白鹤滩— 乌东德段的观测台阵, 本文称之为 “ 金沙江下游水库台网” 。 该台网平均台间距< 20km, 监测能力可达0.3级, 仪器采样率为100sps。 由于Zhang等(2003)提出的双差层析成像方法(TomoDD)具有能够获得更加精细的震源区速度结构和地震定位结果的显著优势, 近年来该方法已被广泛应用于有密集观测数据的水库区的结构研究(Dixit et al., 2014; 罗佳宏等, 2016), 以揭示库区介质受水库蓄水的影响及库区地震发生的介质环境等。 为获得白鹤滩水库区蓄水前的精细速度结构, 为今后开展对比研究奠定基础, 本文利用金沙江下游水库区台网的观测数据, 采用TomoDD方法, 进行了金沙江下游水库及其周边区域的震源定位和三维速度结构成像研究。
研究区(图1a)位于川滇菱形块体东缘, 属于地质构造不稳定的地区, 该区地质构造背景复杂、 构造活动性强(徐锡伟等, 2003)。 印度板块持续向欧亚板块的NE向俯冲碰撞导致现今川滇地块向SSE沿喜马拉雅东构造顺时针旋转, 在块体运动过程中华南地块以稳定被动地块的形式阻挡川滇地块的EW和SSE向挤压。 研究区内发育许多规模巨大、 内部结构复杂的断裂(图1b), 如大凉山断裂、 则木河断裂和小江断裂北段(巧家— 东川段)等走向NNW或SN向的深大断裂及NE走向的巧家-莲峰、 昭通-鲁甸、 会泽-彝良等活动断裂。 这些断裂带从活动构造性质及规模上看均具有发生强震、 大震的能力(闻学泽等, 2013)。 断裂活动对地貌起着重要的控制作用, 金沙江在则木河断裂南段、 小江断裂北段及莲峰断裂等多处沿断裂发育, 大坝以南、 以北分属于不同的断裂构造。 以金沙江(小江断裂北段)为界, 研究区东、 西两侧分属不同的构造块体。 巧家-莲峰、 昭通-鲁甸2条NE向断裂带属于川滇块体-华南地块边界带, 亦是大凉山次级块体与华南地块之间的边界带。 位于研究区中心的白鹤滩水电站正好在大凉山SN向构造带的南段、 凉山构造带东侧与莲峰-巧家构造带相加持的三角形区域内。
现代构造应力场的研究结果表明, 川滇地块应力场以水平作用为主, 主压应力优势方位为NNW(谢富仁等, 2004; 刘平江等, 2007; Luo et al., 2016)。 本研究区历史上发生6级以上地震11次, 其中2次7级以上地震, 分别是1933年发生于小江断裂上的云南东川7.5级和1850年发生于则木河断裂的四川西昌7.5级地震。 历史中强震主要集中在则木河-小江断裂带上, 2000AD以来主要沿NE向的昭通-鲁甸断裂及其周边发生, 以中等强度地震为主。 如2003年鲁甸MS5.0和MS5.2地震、 2004年鲁甸MS5.6地震等。 2014年8月3日鲁甸M6.5地震发生于昭通、 莲峰断裂带之间NW走向的包谷垴断裂(徐锡伟等, 2014)。
金沙江下游水库区台网分布如图 2所示。 我们对金沙江下游水库台网中42个台站2013年8月31日— 2016年12月13日的观测数据进行处理(巧家台阵观测数据的时间范围为2013年8月— 2015年12月)。 首先进行震相和事件识别, 采用基于川滇三维模型的盖格定位方法, 得到了7465个事件的初始定位结果和大量震相数据, 用于本文的进一步研究。
在速度成像反演过程中, 一维速度模型影响着三维反演结果的合理性。 本文从金沙江下游水库台网的7465个观测数据中选择了最大方位空隙角≤ 180° 、 P波观测数目最少为8的地震事件共824个, 首先进行最小一维速度模型反演(Kissling et al., 1994)。 由于YLTV台位于研究区的中心(图2), 记录的地震到时资料丰富, 反演过程中选择其为参考台站。 分别以研究区内前人通过人工地震方法获得的测震剖面(熊绍柏等, 1986; 徐涛等, 2014)及CRUST1.0(Laske et al., 2013)速度模型作为最小一维速度模型反演的初始速度模型。 使用相同的P波数据并设置相同的反演参数进行20次迭代反演, 得到最小一维速度模型。 反演结果(图3)表明, 不同输入模型的反演结果在深度≥ 4km处均收敛于同样的速度, 深度< 4km时由于地震深度分布的不均性导致结果较为发散。 其中, 使用CRUST1.0速度模型作为初始模型反演得到的最小一维速度模型的走时均方根残差和数据方差均最小, 均方根残差从1.014s降至 0.455s, 方差从1.405s2降至0.284s2。 同时, 为验证结果的准确性, 再以添加± 15%扰动的CRUST1.0模型(图3)作为输入模型进行扰动性实验, 得到的2种速度模型基本都收敛于最小一维速度模型, 说明迭代反演得到的最小一维速度模型是准确且稳定的。 最终确定以CRUST1.0模型为输入的反演结果即最小一维速度模型作为双差成像采用的初始速度模型(图 3中的红色实线)。
在反演过程中, 将研究区域划分为水平方向间隔为0.1° 的网格, 垂向层位深度设置为0km、 1km、 2km、 4km、 6km、 8km、 10km、 15km、 20km和80km, 选取近白鹤滩水库大坝的点位(26.9° N, 103.0° E)为反演坐标原点。 从7465个原始数据中剔除一些明显异常的震相, 最后所用数据的震相、 走时如图4a所示。 根据研究区内地震事件的分布特点、 射线路径的分布情况(图4b), 设置事件到台站的最大距离为200km, 每个事件的最大邻居数为30, 事件对之间的最小和最大间距为0.1km和10km。 最终用于反演的台站数为42个, 实际参加反演的地震事件为6328个, P波记录63099条, S波记录65612条, P波、 S波绝对到时差数据121472个, 双差数据1250868个。
双差层析成像采用LSQR(Least Square QR factorization)算法进行速度结构和地震定位的联合反演, 在LSQR反演过程中阻尼因子和平滑参数共同约束反演结果, 其中平滑因子约束慢度的变化量, 而阻尼因子则同时约束着地震位置和慢度的变化量。 LSQR以总走时残差L2范数为目标函数进行迭代求解(Zhang et al., 2003), 故需要分别对慢度变化量的L2范数、 地震位置和慢度变化量的L2范数进行权衡分析, 以得到平滑因子和阻尼因子。 本文选择L曲线法进行权衡分析, 选取最优的正则化参数参加反演, 如图 5所示。 最终选定的阻尼因子和平滑参数分别为15和500。 反演进行过程中对不同的数据采用不同的加权方案, 开始时为绝对数据赋予较大权重以反演整体的速度结构, 之后为相对走时数据赋予较大权重以更好地约束震源区的速度结构。 由于在联合反演中速度的收敛快于地震位置, 因此在实际反演过程中每次联合反演之后单独进行1次定位反演。 迭代次数根据走时残差不再减小为准则, 最后经过10次迭代, 绝对数据的RMS残差从 0.386s 降至 0.193s, 加权数据的RMS残差从 0.998s 降至 0.141s。
为判断在实际数据和网格模型下所采用的反演方法能否正确地反映出速度异常, 本文在反演开始前采用棋盘法测试解的分辨率。 将研究区划分为0.1° × 0.1° 的网格, 对实际反演中的初始速度模型加± 5%的扰动得到棋盘格速度模型, 并将其作为理论速度模型, 利用其计算得到理论走时模型; 再使用实际反演中的初始速度模型和理论走时数据反演速度结构, 比较反演结果与检测板的相似程度以估计解的可靠性。 根据图 6所示的棋盘测试结果可知, 在4~20km的深度上, 除边界外研究区的分辨率可以达到10km; 在浅层即0~2km的深度上, 棋盘测试结果仅在研究区中心区域可达10km的分辨率。
在反演过程中每个节点的射线分布可以作为解的可靠性的一个估计。 DWS(Distributions of Derivative Weight)反映了一个模型参量周围的平均相对射线密度。 Scarfì 等(2007)的研究表明, 当DWS> 100时, 反演结果具有较高的可靠性。 因此在下文结果讨论时, 重点讨论DWS> 100 的区域的速度值。
根据三维速度反演结果(图7)可知, 研究区P、 S波的速度分布在各个深度上显示出较好的一致性变化特征。 P波速度结果显示, 在2km深处, 沿金沙江的小江断裂北段及其周边的巧家、 宁南、 会东、 会泽等地均出现了显著的P波低速区域。 由浅至深, 自4km深处起, 沿小江断裂北段分布的P波低速区范围开始缩小并变得离散; 宁南— 白鹤滩大坝— 巧家低速区自4km深处消失, 会东附近的低速异常则一直延续至15km深处。 在4km、 6km、 8km深处, 研究区小江断裂东侧NE向的会泽-彝良断裂、 昭通-鲁甸断裂及与莲峰断裂、 昭通-鲁甸断裂相交的NW向包谷垴-小河断裂以高速异常为主, 而昭通-鲁甸断裂的鲁甸— 昭通段为整条断层上速度相对较低的一段。 在10~15km深度范围内, NW向的包谷垴-小河断裂呈现低速, 并将处于高速区的昭通-鲁甸断裂截为2段, 高速分布逐渐占据了小江断裂北段东侧, 其中沿昭通-鲁甸断裂、 会泽-彝良断裂的区域均为高速区。
S波速度结果显示, 在2km深处, 沿白鹤滩大坝— 东川之间的小江断裂带及其两侧呈现显著的S波低速分布。 在4~6km深度范围内, 沿小江断裂北段分布的S波低速区范围开始离散。 在其东侧, S波低速区被沿昭通、 莲峰断裂展布的NE向高速区所取代, 仅在会泽盆地及鲁甸— 昭通段周围存在明显的低速区域, 这2个S波低速区一直延续至15km深处。 沿小江断裂带及其西侧, 在宁南北— 巧家— 白鹤滩大坝及会东周围存在S波低速区。 自6km起的下部区域, 宁南北— 巧家— 白鹤滩大坝的低速区在巧家附近消失, 而宁南北— 白鹤滩大坝及会东附近的低速分布一直延续到15km深处。
综上, 在研究区2~6km的浅层, 沿小江断裂北段(向N至白鹤滩大坝)及其西侧的范围, P、 S波低速异常特征相对较为显著, S波低速特征尤其显著。 而自6km深处开始, 在金沙江东侧形成了沿昭通断裂、 会泽-彝良断裂的NE向P波高速条带; S波在莲峰断裂、 包谷垴-小河断裂、 昭通-鲁甸断裂和会泽-彝良断裂所围限的区域内呈现高速特征。 金沙江西侧宁南北— 白鹤滩大坝及会东附近、 小江断裂东侧昭通-鲁甸断裂上的鲁甸— 昭通段及会泽盆地的低速区延续到了15km深处。
图 8给出了图9b中沿库区内几个典型断层走向剖面上的速度分布, 其中AA'剖面沿NE向穿过小江断裂, 其西侧为宁会断裂, 东侧为莲峰断裂, 白鹤滩大坝位于该剖面附近。 由图8a可见, 5km以浅金沙江以西的宁会断裂低速异常显著, 同时白鹤滩大坝下方也为显著的P波低速分布区域, 一直延伸至5km深处, 该低速体似乎存在侵入高速区域的趋势。 白鹤滩大坝周围的地震由浅至深沿低速区分布, 形成条带, S波的低速异常不明显。 BB’ 剖面也沿NE向穿过金沙江, 其东侧为昭通-鲁甸断裂带, 其西侧端部是乌东德大坝。 由图8b可见, 以小江断裂为界, 以西为相对低速区域, 其东侧昭通-鲁甸断裂呈显著的高速。 乌东德大坝下方是稳定的高速体。 CC’ 沿小江断裂带展布, 由图8c可见, 该剖面自北至南呈现显著的低VP特征, 且与昭通-鲁甸断裂交会处以北的段低速异常显著, 尤其是在巧家附近的低速异常区, 其深度可达15km。 此外, 地质研究表明, 自巧家盆地至蒙姑以南的小江口段, 小江断裂带沿金沙江谷地发育, 断层破碎带及影响带较宽, 尤其在后期遭受金沙江的强烈切割, 张性构造裂隙及边坡卸荷裂隙均在一定程度上发育。 查阅中国 1︰50万地质图可发现, 小江断裂带及以西的岩性主要为砂岩、 灰岩、 白云岩以及碎屑岩等硬度较低、 孔隙度较大的岩石。 上述因素可能是金沙江下游及其周围浅层P、 S波速度较低的主要原因。 而小江断裂带以东主要出露着大面积的峨眉山玄武岩, 与该处浅层为P、 S波高速区具有较好的一致性。 本文的结果与其它地球物理场反演结果也有共同之处。 吴建平等(2013)反演得到的整个小江断裂带及其周边0.25° 网格的P波速度结果显示, 在1km、 10km深度上, 小江断裂带内主要为低速异常, 其东侧为高速异常; 在20km以上的中下地壳, 其北段主要为高速异常。 根据本文的结果(图7a), 可能自15km开始小江断裂北段已基本为P波高速区。
国内外研究表明(杨卓欣等, 2013; Dixit et al., 2014; 周连庆, 2016), 水库蓄水之后, 水库区的断层裂隙带是库区蓄水后的主要导水通道, 叶秀薇等(2017)发现在新丰江库区地震多发生于导水通道的两侧。三峡水库蓄水后丛集性地震集中发生在岩性易于渗水、 断裂与河流交会的区域(廖武林等, 2009; 马文涛等, 2010; 周连庆, 2016)。 因此, 金沙江下游水库区需要重点关注岩性易于流体渗透、 有较破碎断裂带可作为导水通道的区段, 其中白鹤滩大坝区域需要重点加强监测。
我们得到了6120个地震事件的重定位结果(如图9), 重定位之后震源平均测定误差在SN、 EW和UD向分别为0.50km、0.40km和0.50km。 重定位的结果显示, 研究区地震震源深度< 20km, 优势分布于15km及以浅范围内。 由地震深度分布统计图可见, 重定位事件中94.7%的事件分布在0~15km的深度范围内, 且主要集中在5~10km范围内, 占震源深度≤ 15km的地震总数目的45.60%。 而初始定位结果显示震源深度在0~15km范围内的地震占总地震数目的90.1%, 但其中深5~10km的地震数目只占35.03%。 与初始震源位置相比, 地震更集中沿断层分布, 主要沿小江断裂北段、 小江断裂东、 西两侧的NWW向分支断裂以及鲁甸地震震源区分布。 沿小江断裂北段金沙江分布的地震深度可达10km, 表明小江断裂带可能至少切穿上地壳。 重定位之后的地震事件在小江断裂东、 西两侧的麻塘断裂、 大朵断裂和会泽县附近出现了比较明显的近EW向分布特征, 这些EW向分布的地震震源深度均约10km。
截至2016年12月, 2014年8月3日鲁甸MS6.5地震序列(图9a中红色方框所示的范围为鲁甸震区)重定位前余震分布在图9a中的绿色方框内, 重定位的余震分布显示出更为明显的丛集性, 优势方向为基本垂直共轭分布的近EW和SN向条带, 与前人的重定位结果基本一致(房立华等, 2014; 王未来等, 2014)。 但与主震后2个月内的余震图像不同的是, 2a多内的余震形成EW向长约40km、 SN向长约20km的条带(图9b中DD'、 EE'的位置)。 鲁甸地震序列的震源深度< 15km, 优势分布在10km以浅的范围内。
本研究利用2013年8月— 2016年12月金沙江下游水库台网42个台站记录到的7465个地震事件的P、 S波绝对到时数据以及相对到时数据, 采用双差层析成像方法对金沙江下游水库区震源参数和三维速度结构进行了联合反演, 首次得到了研究区2km、 4km、 6km、 8km、 10km、 15km深度、 分辨率为0.1° 的速度结构。 根据反演结果, 得到以下几点认识:
(1)在研究区深2~6km的浅层, 低速区与研究区地形、 岩性分布以及金沙江流经的区域对应较好。 沿小江断裂北段(北至白鹤滩大坝)P、 S波呈现低速异常特征, S波低速异常尤为显著。 在金沙江下游的西侧, 存在宁南北— 巧家— 白鹤滩大坝及会东周围的P、 S波低速区, 自6km深处起, 宁南北— 巧家— 白鹤滩大坝低速区在巧家附近消失, 而会东周围的P、 S波低速区一直延续至15km深处。 在金沙江东侧的会泽盆地及昭通-鲁甸断裂上的鲁甸— 昭通段, 自2km深处起存在2个明显的低速区, 且一直延续至15km深处。
(2)自6km深处开始, 在小江断裂带北段东侧形成了NE向沿昭通-鲁甸断裂、 会泽-彝良断裂分布的P波高速条带。 S波在莲峰断裂、 包谷垴-小河断裂、 昭通-鲁甸断裂和会泽-彝良断裂所围限的区域内呈现高速特征, 这可能与峨眉山玄武岩喷发造成的大量基性和超基性幔源物质侵入地壳有关。
(3)以小江断裂为界, 在深10km以上的浅层, 小江断裂西侧包括宁会断裂在内的区域P波低速异常显著, 东侧则呈现高速特征。 而小江断裂自北至南呈现显著的低VP特征, 且与昭通-鲁甸断裂交会处以北的区域低速异常显著, 尤其在巧家附近低速异常区的深度达到15km。 该区域VS则较为稳定。
(4)白鹤滩大坝下方呈现明显的P波低速分布区域, 深度至5km。 大坝周围的地震由浅至深沿低速区分布, 形成条带。 而乌东德大坝下方是稳定的高速体。 白鹤滩大坝尚未蓄水, 需关注该大坝周围的地震活动, 重点加强监测。
(5)研究区内发生地震的震源深度< 20km, 优势分布在15km以浅的地壳内部。 地震主要集中分布在小江断裂北段、 小江断裂东、 西两侧NWW走向的分支断裂以及鲁甸地震震源区。 沿小江断裂北段分布的地震深度可达10km, 表明小江断裂带可能至少切穿了上地壳。 与该区域主要大型断裂的NE走向所不同的是, 重定位之后的地震事件在小江断裂东、 西两侧的麻塘断裂、 大朵断裂和会泽县附近出现了比较明显的近EW向分布, 这些EW向分布的地震震源深度均约10km。
(6)2014年8 月3日鲁甸MS6.5地震的序列余震分布优势方向为近EW和SN向, 呈基本垂直的共轭分布, 2a内在这2个优势方向上的余震分别形成了长约40km、 20km的条带。 鲁甸地震余震序列震源深度< 15km, 优势分布在10km以浅的范围内。
致谢 中国地震局地球物理研究所许力生研究员提供了巧家台阵观测数据; 张海江老师提供了TomoDD软件; 审稿专家为本文提出了中肯的修改意见。 在此一并表示感谢!
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