利用远震接收函数反演乌江彭水电站地震台下方地壳厚度

王小龙,刘渊源,余国政,郭 欣,王 强

(1.中国科学技术大学地球与空间科学学院,蒙城地球物理国家野外科学观测研究站,合肥 230026;

2.重庆市地震局,重庆 401137)

利用远震接收函数反演乌江彭水电站地震台下方地壳厚度

王小龙1,2,刘渊源1,余国政2,郭 欣2,王 强2

(1.中国科学技术大学地球与空间科学学院,蒙城地球物理国家野外科学观测研究站,合肥 230026;

2.重庆市地震局,重庆 401137)

乌江彭水电站目前是重庆市最大的水电站,电站总投资121亿元,总装机容量为175万kW。坝高116.5m,水库正常蓄水水位293m,总库容13.35亿m3,为河道型高坝水库。已有研究结果表明,彭水电站坝区是稳定的,但库区及外围地区仍存在5级左右的地震活动背景,在水库蓄水后有可能诱发中、强地震。本文利用彭水台网于2008年11月到2010年12月间记录到的远震数据,通过接收函数的 H-Kappa叠加法研究了彭水电站地震台站下方的地壳厚度和泊松比等地壳参数。结果表明该区的地壳厚度在43～46km之间,泊松比在0.20～0.24之间,这对该区的深部地质构造特征、分析孕震机制等研究具有积极的意义。

接收函数;彭水电站;地壳结构;远震数据

0 前言

乌江彭水水电站(以下简称彭水电站)位于乌江干流下游,目前是乌江干流的第10个梯级电站。坝址座落在重庆市彭水苗族土家族自治县县城上游11km的峡谷河段,电站为水电Ⅰ等工程,电站坝型为混凝土重力坝,设计坝顶高程301.5m,正常蓄水水位293m,库长约117km,库容13.35亿 m3,水库蓄水后已回水至贵州省沿河县县城附近。工程建成后,不仅能提供巨大的电力资源,还具有防洪和航运效益,是一个高效益综合水利枢纽工程。

为确保电站大坝及下游居民的安全,重庆大唐彭水水电开发公司于2008年11月正式建成彭水电站地震监测台网。该台网在彭水电站库区微震监测中发挥了重要作用,它不仅积累了本区的地震活动资料,而且还记录了一些远震资料。远震P波波形中所包含了莫霍间断面所产生的P-S转换波及其多次反射波的信息。人类对地球内部的认识来自于地表的观察,反演技术是获取地球内部信息的重要手段,近年来用接收函数反演地壳厚度的方法日趋成熟,在地学研究中得到广泛应用[1-9]。而地壳厚度以及泊松比与地震波动性有较密切的关系。例如,研究表明一些大地震发生在地壳厚度急剧变化带[10],而泊松比则表明地壳的岩石成分和地热状态与地震构造环境相关[11]。本文根据乌江彭水电站台网记录到的地震资料,提取该台网地震台站下方的接收函数,反演出地壳厚度和波速比,这是进一步研究彭水电站库区地震活动性及发震构造的基础环节,将对增强该区的深部地质构造特征、分析孕震机制等研究具有积极的意义。

1 区域地震地质背景

研究区位于稳定的扬子准地台之扬子台褶带黔江褶束上,地处我国地形第二阶梯级中部南缘,位于大娄山脉与武陵山脉之间的鄂黔山区,为溶岩中山或中低山地形,主体构造为一套北北东向的褶皱断裂体系,工程坝址主要处于郁山断裂带及黔江断裂带之间(图1)。区内山岭连绵,峰峦迭嶂,深沟浅壑,岩溶发育,层状地貌明显。新构造时期本区以间歇性抬升运动为主,形成了多级夷平面及深切峡谷地貌,燕山运动奠定了区内基本构造格架,断裂构造以北东向构造为主。历史上有多次构造活动的迹象,沿断裂带零星分布崩塌体及岩溶槽谷、洼地等地貌现象,并有盐泉和温泉出露,1885年秋在郁山断裂附近的彭水发生过1次4.7级地震,震中距坝址14km。1856年6月在黔江断裂带附近发生过重庆黔江ML61/4级地震,震中距坝址80km。彭水电站可行性研究报告表明,距坝址最近的诸佛江断层为中更新世活动断层,该断层西南端距乌江河谷2km,存在一定的地震危险性。

图1 彭水电站及邻区地震危险区划与地震台站分布图

2 资料选取与方法

乌江彭水电站台网(以下简称彭水台网)由2个台网中心和6个测震子台组成,跨彭水、酉阳2县(图1)。台网由3大部分构成,即子台系统,传输系统和台网中心。各子台将实时记录到的地动数据通过2M SDH专线实时传输回电站厂部和重庆市三峡水库地震监测中心。所有子台均使用DS-4A短周期地震计(频带宽度1～20Hz)和 TDS-324CI型数据采集器(24位)。本文根据美国地调局(USGS)目录,选取了2008年11月至2010年12月间,震级大于6级,震中距在30°～95°之间的80个地震(图2)。选取该震中距数据可以避免上地幔三重值震相的干扰和核幔边界导致的低信噪比能量较弱的P波。从震中分布图可以看出,地震方位角分布较均匀,这有利于减少数据分析处理过程中由于地壳横向结构的变化带来的偏差[12]。

图2 本文选取的远震事件震中分布

本文采用频率域反褶积法获得各台站的接收函数[13],并用 H-Kappa叠加方法[3]来反演各台站下方的地壳厚度和泊松比。这种方法是通过径向分量与垂直分量反褶积获取波形,从该波形中可以识别直达P波、莫霍界面的 PS转换波以及 PpPms和PpSms+PsPms多次反射波等震相。Ps-P传播时间与地壳厚度 h、平均地壳速度(VP和VS)以及VP/VS关系密切,在半无限空间中远震平面波对应关系为:

式中:h是地壳厚度,VP和VS是地壳的平均速度,p是射线参数。

P波的多次反射波和 PS转换波之间的差值是P波通过地壳的双程传播时间:

式(3)与地壳的厚度无关,计算过程若给定一个P波的平均速度VP,则通过式(3)得到VP/VS,将其带入式(1),得到地壳厚度 h。

假定VP/VS比率为k,则有如下关系式获得泊松比σ:

然后将多个地震事件的接收函数进行叠加以提高信噪比,这样将同一台站记录的多个远震的接收函数作叠加处理可以有效地压制随机噪声,增强信号的信噪比,最后将时间域的接收函数转换成莫霍深度h与k的关系,就称 H-Kappa法(H为地壳厚度;Kappa为纵横波速比,以下简称 K)。为了有效地避免震相识别和到时拾取的困难以及由此产生的误差,我们利用这几种转换波的走时差与纵横波速比K的关系及震相权重(本文对 Ps、PpPs、PpSs+PsPs赋予权重分别为0.6、0.3、0.1)关系,以便得到最佳深度 H值。

3 计算结果与分析

本文选用由美国加州大学开发研制的地震分析处理软件SAC对地震事件进行预处理。首先,以直达波前60s为起点,在宽度为100s的时间窗内截取P波波形,这种长度的时窗足以包括来自最深界面的多次反射波震相。然后作去倾斜和直流分量处理,使用0.1～3Hz的4极Butterworth作带通滤波处理。考虑到短周期仪器在小于1Hz时幅频曲线不平坦,必须去除仪器响应,然后将三分向的NS、EW向作坐标旋转得到径向和切向,再用垂直分量分别对径向和切向分量在时间域作最大反褶积,从而得到台站下方的接收函数[14]。图 3a为2010年12月21日 GOT台记录到的伊朗6.6级地震的原始波形;图3b为该台原始波形经过去倾斜、去直流分量、去除仪器响应后得到的波形;图3c为径向接收函数波形,它们的高斯参数分别为2.5、1.0、0.5;图3d为切向接收函数,它们的高斯参数也分别为 2.5、1.0、0.5。

图4为 GOT台接收函数波形,由图可以看出GOT台接收函数的多次反射震相清晰,能够明显地看到转换震相PS以及后面的多次转换震相。将图4上的这些接收函数波形作叠加处理(本文在 HK叠加时只使用高斯参数为1.0的径向分量),最后将时间域的接收函数转换成莫霍深度 H与 K的关系(图5),具体计算结果见表1。

表1 乌江彭水电站企业台下方地壳厚度和泊松比

计算结果显示该区域地壳平均厚度为44.6km,地壳最厚的为LUJ台45.2km,地壳最薄的为LAX台43km,两者相差1.6km。1986—1988年中国地质科学院完成的“黑水—昭阳”深地震测深剖面,以大致NW-SE向穿越重庆,得出该地区上地壳包括沉积盖层、结晶基底和上地壳底部的低速层,厚度24km左右,下地壳从低速层下界面到莫霍面,厚度16～20km,莫霍面深度变化为36～44km,其中龚滩炮点的莫霍面深度为43km[15]。本文结果龚滩台(GOT)深度为43.9km,与“黑水—昭阳”深地震测深剖面研究结果较为吻合。研究区内泊松比0.20～0.24,没有明显的差异。根据已有的研究结果,泊松比与介质所含的石英矿物和铁镁质矿物的相对含量有关,即泊松比小于标准泊松体的比值,则含有相对较高的石英矿物的成分[16-17]。可能表明研究区内岩石组成以长英质为主,这种低泊松比值与野外剖面露头观察一致,研究区内岩石类型主要为碳酸盐岩(白云岩为主,且多为含藻、含硅质白云岩)和硅质岩。赵瞻等人[18]研究认为本区大量的硅质岩是震旦纪末期扬子板块东南缘于拉张环境下热海水带来了大量的SiO2,这为本区中厚层硅质岩的形成提供了物质基础。

图3 远震波形数据和接受函数波形

图4 GOT台接收函数叠加图

图5 各台接收函数 H-Kappa叠加结果

4 结论

本文根据彭水台网的资料通过接收函数和 HKappa叠加法对彭水电站地震台站下方的地壳厚度、泊松比等地壳参数进行了研究,结果表明该区的厚度在43～46km之间,泊松比在0.20～0.24之间,这对该区的深部地质构造特征、分析孕震机制等研究具有积极的意义。然而由于台站密度与布局等因素的影响,所获得的地壳厚度和泊松比还不够详细地描述该区的地壳结构,因为接收函数对地壳内部缓变的垂向结构不敏感,不能很好地确定地壳的速度结构,而具体的速度结构是研究孕震活动的重要信息,例如中下地壳的低速层有可能是地壳最容易流动的区域,它和上地壳脆性层的交接容易形成较大的应力积累,从而形成地震。另外如果该地区微震的震源深度能够准确确定[19],那么地壳速度结构综合起来,可以更好地确定孕震深度及背景。下一步可以利用面波频散和接收函数联合反演该区的壳幔速度结构,以弥补本文精度上的不足,又可修正该地区的速度模型,为将来地震定位、震源研究等提供重要的参考数据。

致谢 感谢倪四道老师在本文形成过程中的指导与帮助!感谢评审专家在审稿中提出的宝贵修改意见,对本文的改进和完善提供了很大帮助!本文研究过程中使用了重庆市地震数据共享库中地震资料,在资料收集中得到勾宪斌、马伟、刘晶等人帮助,在此深表感谢!

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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

重庆市2011年科技计划资助项目(CSTC 2011AC0149)

王小龙(1977-),在读硕士研究生,工程师,主要从事地震监测和地壳结构研究.E-mail:cqwxl@mail.ustc.edu.cn