三峡库区上地壳速度结构初步研究

罗佳宏　马文涛

(中国地震局地质研究所， 活动构造与火山重点实验室， 北京　100029)



三峡库区上地壳速度结构初步研究

罗佳宏马文涛*

(中国地震局地质研究所， 活动构造与火山重点实验室， 北京100029)

文中利用三峡加密观测台网记录的2009年3月到2010年12月高精度地震数据， 使用双差层析成像方法， 联合反演了三峡库区上地壳的震源位置参数和三维上地壳P波和S波速度结构。研究结果显示， 三峡库区上地壳P波速度和S波速度区域出现2个高VP值、 上低下高VS值区， 分别在巴东北部神农溪两岸—泄滩西区域和仙女山断裂带北段香溪河口附近。巴东北部神农溪两岸—泄滩西区域， 较小地震的平面分布呈3条近EW向的条带， 剖面陡立、 向N倾， 沿着P波和S波高、 低速过渡带分布； 香溪河口附近地震沿NNW向的仙女山断裂带分布， 地质剖面显示出地震陡立线性分布， 沿着高VP值、 上低下高VS值区的过渡带展布， 联合反演得到的微震面与断裂构造分布具有较好的一致性。

双差层析成像P波速度S波速度上地壳构造三峡水库

0　引言

三峡水库作为世界上发电量最大的大型水库， 所在地区的上地壳稳定性受到广泛关注。从地质构造和地貌上看， 三峡水库位于中国第2阶梯向第3阶梯的过渡带上， 基底地层局部变形隆起。库区构造以黄陵背斜和秭归盆地为核心， 其周围发育有仙女山、 九湾溪、 远安、 新华、 天阳坪、 水田坝、 牛口、 高桥等断裂(图1)， 天然地震多发生在上述断裂附近(李峰等， 2008； 胡毓良， 1994)。自2003年6月三峡水库蓄水后， 地震平均月频次达20次以上， 明显超过该区天然地震的平均月频次6次(廖武林等， 2009)； 研究表明这些地震主要分布在黄陵背斜和秭归盆地周边的碳酸盐区域内(马文涛等， 2010)， 并且与水位有明显的关系。众多学者研究了三峡及邻近区域的上地壳速度结构， 获得了丰富的研究成果。

图1　三峡库区主要断裂、 台站和地震震中分布图Fig. 1　Distribution of main faults， observation station and history earthquake in Three Gorges Reservoir area.红色三角形为三峡库区加密台网， 黑色圆点为2005—2014年研究区域的MS>3.0地震事件的震中分布(表1)， 红色圆点为3次发生于巴东和秭归较大地震(图中标注)的位置； F1仙女山断裂， F2九畹溪断裂， F3兴山-水田坝断裂， F4牛口断裂， F5高桥断裂， F6亩田断裂； 灰白色实线分别为秭归盆地和黄陵背斜块体边界线

李强等(2009， 2011)利用刘福田等(1989)提出的分块速度层析成像模型， 结合前人的深部构造研究结果， 利用2001年至2007年7月三峡地震台网的到时数据， 采用近震层析成像技术重建了三峡水库坝址及邻区中上地壳P、 S波三维速度图像， 认为结晶基岩上隆、 库水渗透作用对地壳浅层速度结构产生了影响。 廖武林等(2007)利用Zhao等(1992)提出的体波走时层析成像方法， 利用三峡台网及其周边10个台站2001—2006年的直达P波资料， 反演了三峡地区的P波速度结构， 认为1979年秭归龙会观5.1级地震发生在高速体与低速体之间。 王小龙等(2013)利用背景噪声层析技术， 结合2012年1—12月的三峡库区及其邻近地区91个台站的连续地震背景噪声数据， 使用瑞利面波反演了研究区域的地壳剪切波速度结构。其他学者结合远震接收函数(王小龙等， 2010)、 LOTOS-07(Meietal.， 2013)、 远震虚震源反射成像(邹志辉等， 2015)等方法综合研究了三峡库区地壳的整体结构。

近年来随着层析成像技术的发展和水库诱发地震监测台网的建设， 层析成像技术在水库地区得到了广泛应用， 主要有simul2000和tomoDD(Zhangetal.， 2003)2种， 后者在双差定位算法(Waldhauseretal.， 2000)上加入速度参数项， 改造成为震源位置参数和速度结构的联合反演， 通过改变速度模型重新计算震源参数， 使得定位精度进一步提高。Gunasekera(2003)结合simul2000程序反演得到了Geyser地区的3DVP和VP/VS图像， 分析了地热储层与含水饱和度关系； Haggag 等(2009)应用近震层析成像的方法(LET)获得了埃及Aswan水库的3D速度结构， 指出速度不均匀的不同深度高速和低速块体具有不同的地震活动性， 结果表明上地壳(深度<5km)的地震事件受到岩石中饱和流体的影响， 表现出低VP和高VP/VS或者是高泊松比， 在这深度以下的部分主要是构造引发地震而不是水库诱发地震； Zhou等(2011)利用近震层析成像(LET)方法研究了龙滩水库区库区的3DVP和VP/VS结构， 得到了库区地震活动性与低速异常区的对应关系， 以及库区地震活动性与水的作用密切相关， 地震主要集中在主河流浅源地区， 且主要分布在距库区10～20km范围内。Cuenot等(2006)将simul2000和tomoDD应用于Soultz-sous-Forêts地区， 得出微震震源位置和低速异常区有明显的关系； Dixit等 (2014)将tomoDD方法应用于印度Koyna-Warna水库， 研究了库区的地震断层和结构， 表明重定位震源位置和速度异常分布存在着明显的相关关系， 震源位置主要位于速度梯度较大的区域。

虽然前人在三峡区域获得了很好的研究结果， 但是也有些不足。 为了能更好地研究三峡库区巴东段的上地壳速度结构， 本文利用2009年3月至2010年12月三峡加密观测台网26个高频地震台的直达波走时数据， 获得了地震目录绝对走时数据和地震目录地震事件双差数据； 取李强等(2009)的最小一维模型研究结果作为初始模型， 结合双差层析成像(Zhangetal.， 2003)反演三峡库区的震源位置参数和三维VP、VS结构， 分析速度结构与震源位置的耦合关系， 讨论地震活动性与速度结构的关系。

1　方法与地震数据

1.1双差层析成像方法简介

所谓双差层析成像方法是指利用2射线路径相似的地震到时差反演地下速度结构的层析成像方法， 由Zhang等(2003)基于双差定位方法(Waldhauseretal.， 2000)提出； 其假设有2个相邻的地震到同1个台站的路径相似， 获得2个地震的走时残差之差， 据以进行速度结构的反演。

(1)

式(1)中， τi为事件i的发震时刻， u代表慢度， 其中震源参数(x1， x2， x3)、 发震时刻、 射线路径及慢度场是未知量。式(1)一般为非线性方程， 为了得到线性方程将其在震源处展开为一阶Taylor级数， 并用三维网格速度模型离散介质， 可以得到线性的等式：

(2)

(3)

式(3)也可以写成

(4)

双差层析成像方法运用绝对走时和相对走时资料实现三维速度和震源参数的联合反演。该方法首先采用网格节点法进行模型参数化， 通过划分空间三维网格， 使用伪射线追踪法搜索地震波的最小走时路径， 并计算理论走时及走时对震源位置和慢度的偏导数， 联合使用绝对走时、 双差走时数据进行反演。 双差数据主要用于确定震源区的精细结构， 绝对走时数据主要用于确定震源区以外的速度结构， 同时双差层析成像可以通过适当调整速度结构来提高地震定位的精度。 使用该方法可以得到更加精确的速度结构和地震定位结果， 采用阻尼最小二乘方法反演求解， 在3个方向采取相同的光滑权重对模型进行光滑约束， 同时计算每个节点的偏微分加权数(DWS: Derivative Weight Sum)， 多次迭代直至得到稳定的解。

双差层析成像方法自提出以来， 在断层(Zhangetal.， 2003， 2005)、 俯冲带(Zhangetal.， 2004)、 火山(Brownetal.， 2004; Shellyetal.， 2006)和水库地热区域(Cuenotetal.， 2006; Dixitetal.， 2014)的速度结构的确定方面得到了广泛的应用。

1.2地震数据和反演模型

本文的研究区域为北纬30°40′～31°20′、 东经110°～111°， 主要地表断裂、 台站分布见图1， 其中黑色的圆点为三峡自2005年到2014年12月由中国地震台网中心提供的MS>3.0地震震中分布(表1)； 在三峡水库范围内发生的最高震级分别是2013年12月16日(国际时， 下同)巴东MS5.1地震、 2014年3月26日和30日秭归仙女山断裂带北端及香溪河口的MS4.3和MS4.7地震。三峡加密台网由中国地震局地质研究所建于2009年1月到2011年7月， 由26个地震台组成； 其中地震检波器有21个英国L-22型三分向短周期速度摆和5个美国GuralpCMG-3ESPC宽频地震计； 数据采集器均为Reftek130型； 设置数据采样率为200次/s； 为研究三峡水库诱发地震的精确位置以及三维速度结果提供了丰富可靠的基础数据(马文涛等， 2010)。

表1　三峡库区2005—2014年震级>3.0地震事件统计表

Table1　Statistics of earthquake magnitude greater than 3.0 in Three Gorges Reservoir area from 2005 to 2014

发震时刻(国际时)纬度(N)/(°)经度(E)/(°)深度/kmMSMS7mLmBmB参考地点2014-09-24,00:28:25.031.10110.1873.83.7中国东南部2014-05-25,22:40:56.930.93110.7663.63.44.04.04.1中国东南部2014-03-29,16:24:44.630.91110.7854.64.45.04.64.8中国东南部2014-03-26,16:20:05.830.92110.79104.44.04.84.44.8中国东南部2013-12-27,14:31:22.731.05110.1053.73.63.83.8中国东南部2013-12-16,05:04:52.331.10110.45105.15.05.25.15.2中国东南部2012-10-30,19:42:38.930.92110.7773.63.43.9中国东南部2008-11-29,18:43:24.931.14110.60133.0中国东南部2008-11-22,08:01:15.731.02110.7794.44.24.54.64.9中国东南部2008-11-20,17:04:19.931.27110.1663.2中国东南部2008-09-26,21:55:17.630.86110.84114.03.64.04.04.3中国东南部2008-08-06,13:04:31.031.31110.13143.4中国东南部2008-06-02,04:09:38.131.18110.28153.0中国东南部2008-04-21,01:58:43.130.83110.38183.2中国东南部2008-04-16,12:58:02.831.13110.00143.2中国东南部2008-02-12,06:07:14.230.96110.67193.2中国东南部2008-02-11,09:25:07.531.40110.98143.1中国东南部2008-01-27,15:36:03.831.05110.54183.5中国东南部2007-10-06,16:16:22.030.87110.61183.4中国东南部2007-09-26,05:46:53.230.97110.50163.1中国东南部2007-09-22,19:48:21.530.97110.37293.1中国东南部2007-07-10,09:53:19.731.16110.38153.1中国东南部2006-03-12,09:54:56.731.08110.15183.23.33.3中国东南部2005-09-22,07:30:59.631.07110.45183.83.43.5中国东南部

注共计24个地震事件， 中国地震台网中心(CENC)提供。

根据2009年3月至2010年12月的观测数据， 一共得到5,275个地震事件， P波走时43,538条， S波走时43,385条， 平均每个地震事件有7个清晰记录台站。为了排除震相判读错误或非地震事件的影响， 结合走时曲线(图2)， 挑选出清晰可用的地震事件5,224个， P波走时41,423条， S波走时42,345条。

图2　三峡库区2009年3月到2010年12月数据的地震震相走时曲线Fig. 2　The travel time curves of seismic waves recorded fromMarch 2009 to December 2010 in the Three Gorges Reservoir area.a 初始地震走时； b 挑选后的地震走时

为了提高双差层析成像的反演精度， 从给出的5,224个地震事件中重新挑选， 限制震中距<100km， 事件对间距<15km， 并且每个地震最少记录台站数为10个， 最终用于反演的地震事件数减少到4,244个。根据地震台站和地震震中的分布的实际情况， 保证每个网格点有足够的射线通过(图1， 3)， 其中在110.2°～110.8°E、 30.8°～31.2°N范围内， 深度8km(在仙女山断裂带北端香溪河口附近， 射线能够保证深度在10km以上)以上的射线密度能够满足速度计算精度的需要(图3)。

考虑到地震台站主要分布在长江沿岸， 网格划分主要沿长江水域， 网格中心位于31.0°N， 110.5°E；X指向E， 范围-35～45km；Y指向N， 范围-20～25km； 间隔都为5km。 根据马文涛等(2010)震源位置精定位和李强等(2009)最小一维速度模型研究结果， 垂直向下的深度层分别取0.0km、 2.0km、 5.0km、 8.0km、 11.0km、 14km和20km， 将速度模型分为7层(表2)建立相应的反演网格， 波速比取1.73， 反演过程中计算三维节点速度， 节点以外区域的速度值通过插值给出。

图3　双差层析成像地震事件震中分布图、 深度剖面图和统计图Fig. 3　The epicenter distribution map， depth profile and statistical chart of the seismic event by double difference tomography.

2　三维VP、 VS图像

结合获得的最小一维速度模型， 采用阻尼最小二乘(LSQR)算法， 设置3个方向的平滑加权数为30， 通过16组32次迭代走时残差从0.359,6s降到0.027,5s， 获得了三峡水库研究区域内的三维VP、VS结构。反演得到的速度结构的可靠性主要通过偏微分加权数DWS(Derivative Weight Sum)评价， 研究表明当DWS>100时(Scarfietal.， 2007)反演结果具有较高的可靠性。

图4 中分别表示了三峡库区不同深度P波和S波速度结构的水平剖面图； 白线包围的区域DWS>100， 黑色点表示上、 下层界面之间的地震震中平面位置。从图4 可以看出三峡库区的速度结构存在明显的横向不均性， 速度变化区主要集中在长江流域及其支流， 随着深度的增加， 速度横向不均匀性减弱， 在Z=2km和Z=5km处横向不均匀表现得最为突出。在其浅部0～5km内， 高桥断裂带、 牛口断裂带和仙女山断裂带北段都存在着3个局部高速区。 这些高速区都在这些断裂带上， 秭归盆地东南侧、 沿渡河地区表现出明显的低速， 这与李强等(2009， 2011)的研究结果较为一致。 但在5～8km范围内， 高速区变成了巴东北岸和长江沿岸两地， 范围也较大， 走向变成了近EW向条带。S波在秭归盆地表现为低速区， 在仙女山断裂地区则为高速区。

从震源深度的分布情况来看(图4， 5)， 在不同深度处的震中投影与地表断裂和速度结构之间的关系十分密切。 在巴东北岸板桥河附近， 地震震中分布与EW向断裂基本一致， 并且震中位置多位于VP、VS高低速转换的地区(图5a)， 呈陡立分布。 在仙女山断裂地区的地震事件则没有表现出沿断裂线性分布的情况， 但大致位于高低VP、VS转换的区域(图5b)。 重建的速度图像表明三峡库区的发震与断裂和速度转换带分布有明显的耦合关系。在巴东、 板桥河和泄滩地区， 震中沿断裂线性展布， 距离长江水系不超过5km， 震源主要集中在波速过渡地区。

图4　不同深度速度模型的水平面投影图Fig. 4　The velocity model graph in horizontal plane projection at different depths.a VP 模型， b VS 模型； 黑色圆点为震中投影， 白色等值线DWS=100

为了研究巴东和仙女山地区3次较大地震的发震区域(图1 中的红点位置)的速度结构， 图5 给出了X=-5km与Y=10km、X=25km与Y=-10km的速度剖面图。巴东速度异常主要在5km深度左右(图5a)， 将距离平面±2.5km的地震事件投影到剖面上， 发现震中分布与速度转换带之间存在明显的耦合关系； 相反的区域地震事件则要少一些。速度剖面图显示， 在高桥断裂以东到板桥河之间存在1个近乎直立的微震面， 深度大约6km， 且该微震面两侧速度差异很大， 微震面底端与赵凌云等(2014)用CAP拟合的震源深度相吻合。在秭归地区发生的2次震级较大的地震， 震源位置与速度异常区较为吻合， 微震面两侧存在很大的速度差异， 仙女山地区2次较大地震(图5b中的红五角星)都处于该微震面上。

3　讨论

表2　三峡库区P波分层速度模型(李强等， 2009)

Table2The layered velocity model of P wave in Three Gorges Reservoir area (after LI Qiangetal.，2009)

利用双差层析成像方法与三峡加密观测台网记录的2009年3月到2010年12月地震数据， 反演出的三峡库区上地壳P波速和S波速区域出现2个高VP值、 上低下高VS值区(图4， 5)。

巴东北部神农溪两岸和泄滩西区域， 存在1个近EW向的高VP条带区域，VS值上低下高、 西高东低。较小地震的平面分布呈3条近EW向的条带状， 主要表现为沿高桥断裂的线性展布、 巴东以北板桥河以西的线性分布和泄滩西区的微震线性分布； 剖面陡立、 向N倾， 沿P波和S波速高低过渡带分布， 2013年12月16日巴东MS5.1地震正是发生在板桥河以西的微地震条带东端处， 初步认为该地震可能是微小地震活动引起滑动面扩展， 进而产生较大的破裂， 与NE向的高桥断裂带活动没有多大关系。 它是近EW向断裂活动的结果， 继承了新构造运动， 与形成长江水系的构造原因类似。这个解释不同于蓄水后巴东北岸地震与高桥断裂带活动相关(钟以章， 1990； 李强等， 2009， 2011)， 也不同于它们是岩溶塌陷引起的认识(廖武林等， 2007)。香溪河口附近地震沿着NNW向的仙女山断裂带分布， 地质剖面显示出地震陡立线性分布， 沿着高VP值、 上低下高VS值区的过渡带展布， 2014年3月26日秭归MS4.3地震和29日秭归MS4.7地震分别位于不同的深度， 说明这2次地震是在库水作用下仙女山断裂带不同深度错动的结果。

反演得到的速度结构和微震分布与断裂具有明显的一致性(图5)。在巴东以北板桥河附近存在1个E倾的速度转换带， 微震在该转换带集中分布， 微震面与近EW向地层一致。 仙女山地区速度梯度带和微震的陡立线性分布与仙女山断裂及九湾溪断裂一致， 图5b清楚地揭示了仙女山断裂的深部剖面形态和高倾角逆冲断裂的性质(陈学波等， 1994)。

三峡库区上地壳P波速度和S波速度区域出现2个高VP值、 上低下高VS值区， 既不同于印度Koyna-Warna水库(Dixitetal.， 2014)和中国龙滩水库(Zhouetal.， 2011)的高VP和低VS特征， 也不同于埃及Aswan水库(Haggagetal.， 2009)低VP和高VS特征， 这是因为不同水库存在着不同的断裂构造条件， 虽然没有相同的地震活动规律， 但研究方法是可以借鉴的。 不同水库区的速度异常体是客观存在的。通过水库不同蓄水阶段监测库区地震， 计算上地壳P波速度和S波速度场， 及时发现VP值、VS值异常区， 比较波速异常区分布、 规模， 探讨与发震构造的关系， 可以成为1种预测水库诱发地震危险性的有效方法。

按照水库诱发地震震级与微震分布长度统计关系*马文涛等， 2011， “十二五”国家科技支撑重点课题研究报告： 典型水库诱发地震危险性评定技术及预警技术研究(2008BAC38B04)。：MS=3.2logL+2.2， 在巴东北岸板桥河附近的微震分布长度为9km， 计算得到预测的地震震级为5.2级； 在香溪河口郭家坝附近， 微震的分布长度为8km， 预测的地震震级为5级， 统计结果与实际已经发生的地震震级较为接近。

4　结论

本文利用高质量的三峡加密台网观测走时数据， 反演了三峡库区的三维速度结构。 根据不同深度的速度重建图像， 结果表明在上地壳波速场变化与震源位置存在耦合关系； 地震主要受断裂的控制， 同时地震活动性可能与库水沿裂隙、 暗河等的渗透有关。结合地表断裂和长江流域水系的分布情况， 综合分析联合反演得到的震源位置参数和三维速度结构图像， 可以得到以下几点认识。

(1)双差层析成像方法反演出的三峡库区上地壳P波速度和S波速度区域出现2个高VP值、 上低下高VS值区； 在巴东北部神农溪两岸和泄滩西区域存在1个近EW向的条带状波速异常区， 在香溪河口附近也存在着1个面状波速异常区。

(2)三峡库区较小地震分布成条带状， 剖面陡立， 沿着P波和S波速高低过渡带发生。 2013年12月16日巴东MS5.1地震、 2014年3月26日秭归MS4.3地震和29日秭归MS4.7地震的发生就是因为不连续结构面不断贯通、 岩石强度弱化的结果。

(3)巴东北岸神农溪和板桥河区域微震与地震、 断裂走向具有一致性， 同时微震面与速度梯度带揭示了仙女山断裂和九湾溪断裂的高倾角性质。

致谢感谢审稿专家对本文详细的审阅以及所提出的宝贵意见。

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基于行程时间比的交通指数计算是指在一定的统计时间内计算每个路段实际行程时间与畅通状态下行程时间的比值，即TTI，如某路段行程时间比1.2，表示该时刻花费的时间比畅通状态多0.2倍，路网中每个路段均参与计算，加权得到全路网的行程时间比，有的转换成0～10的指数，有的直接用行程时间比作为指数. 路段畅通状态下的旅行时间通常采用累积速度排序，取85%分位数作为畅通流速度. 美国德州交通研究院最早提出TTI[1-3]，国内高德、滴滴等互联网企业在城市拥堵排名应用较多.

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Abstract

In this paper， using the double difference tomography method， the P wave and S wave velocity structures of the earth’s crust beneath the Three Gorges Reservoir are inversed based on the high-resolution seismic data of seismological stations recorded from March 2009 to December 2010. According to the research results， the P wave and S wave crust velocity zones in the Three Gorges Reservoir area show a highVPvalue area and aVSvalue area with value low in the lower part and high in the upper part， distributing respectively at both sides of Shennongxi River to western Xietan in the north of Badong and near the outlet of the Xiangxi River at the northern section on Xiannvshan Fault. In the region from the two sides of Shennong River in the north of Badong to the western Xietan， microseisms are distributed in three zones in near east-west direction， with steep and north-dipping sections， spreading along the high- to- low velocity transition zone of the P and S wave. On the northern section of Xiannvshan Fault， small earthquakes are distributed along the NNW-trending Xiannvshan Fault， and the geological section reveals a steep and linear distribution along the transitional zone between the highVPvalue area and theVSvalue that is low in the upper and high in the lower part. Joint inversion results show a good consistency of the planes of the microseisms with the distribution of active faults.

A PRELIMINARY STUDY ON UPPER CRUSTAL VELOCITY STRUCTURE IN THE THREE GORGES RESERVOIR AREA

LUO Jia-hongMA Wen-tao

(KeyLaboratoryofActiveTectonicsandVolcano，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China)

double difference tomography， P and S-wave velocity structure， upper crust structure， Three Gorges Reservoir

2015-04-27收稿， 2015-11-05改回。

中国地震局2015年度全国地震监测常规任务(272)和“十一五”国家科技支撑重点课题(2008BAC38B04)共同资助。
*

马文涛， 副研究员， E-mail: wentaoma@sina.com。

P313.3

A

0253-4967(2016)02-329-13

罗佳宏， 男， 1989年4月出生， 2013年7月云南大学地球物理系固体地球物理专业本科毕业， 现为中国地震局地质研究所地球物理学专业硕士研究生， 主要从事地震层析成像、 近场地震学、 诱发地震等研究工作， E-mail: ljh1771@163.com。

doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.02.008