川南泸州地区地震重定位与地壳三维速度结构研究

陈成锋,张瑞青*,强正阳,李大虎,徐政语

1 中国地震局地球物理研究所，北京 100081 2 中国地震局成都青藏高原地震研究所（中国地震科学试验场成都基地），成都 610041 3 四川省地震局，成都 610041 4 中国石油杭州地质研究院，杭州 310000

0 引言

2021年9月16日（北京时间），四川省南部泸县地区发生了ML6.0地震（以下称为泸县地震）.根据地质构造背景和余震分布，以及震源区地表强震动记录初步估测，泸县M6.0地震VI度等震线长轴沿北西西展布，长轴约62 km，短轴约54 km.它的VIII度烈度区范围约103 km2，与2019年长宁M6.0地震最大烈度区（VIII度）面积范围基本相当（84 km2）.

四川盆地是一个具有棱形边框的构造盆地，以华蓥山和龙泉山断裂为界，主要分为三个构造区（图1）.华蓥山断裂以东是川东南高陡斜坡构造区，主要发育北东向平行排列的侏罗山式褶皱束，背斜紧密，向斜宽缓.龙泉山断裂以西是川西坳陷低陡构造区.龙泉山与华蓥山断裂之间区域为川中低缓隆起区，以平缓褶皱构造为主，并伴随有逆冲断裂体系（蔡学林和曹家敏,1998）.泸县M6.0地震震中位于四川盆地东南部的泸州地区，地处川中低缓隆起区与川东南高陡斜坡构造区的交界部位（刘树根等,2011;谷志东等,2012）.自印支期起，泸州地区受多期复杂构造运动的叠加作用，现今区域构造最大水平主应力方向基本为北西向（唐永等,2018;董敏等,2022），与褶皱断裂轴向基本正交（图1c）（杨洪志等,2019）.

泸州及周边地区的主要活动断裂是华蓥山断裂带西南段，其沿北东向展布，具有右旋逆冲挤压性质（徐世荣和徐锦华,1986;丁仁杰和李克昌,2004）.该断裂为一条重要的地震构造边界带，但目前对其活动性调查和研究程度仍然很低（张岳桥,2020）.华蓥山活动断裂带主要活动时期为晚中生代.喜马拉雅造山运动时期，华蓥山隆起强烈活动，使得断裂带南段泸州地区沉积盖层全面褶皱和破裂（唐荣昌和韩渭宾,1993;盛强和谢新生,2010），形成了一系列由北东向西南撒开的穹褶束（图2）.其中，包括螺观山背斜、古佛山背斜、新店子背斜等褶皱构造.这些背斜轴部或陡翼发育了一系列活动断层，如天洋坪断层、黄泥岭断层、燕子岩断层、双河场断层和滩金湾断层等.

泸州及周边地区历史上地震活动较弱，1990年前罕见M≥5.0地震记录（王小龙等,2015;Lei et al.,2008）.20世纪80年代末开始，在泸县以北荣昌附近开发了几口废水回注井（图1c），完井深度为2～3 km，最大注水压为2.1～2.9 MPa.至2013年，荣昌地区外围的注水井已陆续关闭（雷兴林等,2020）.在持续注水的约35年期间，通过废水处理井向荣昌及周边地区注入了超过100万m3的工业废水（朱丽霞等,2007;雷兴林等,2020）.废水回注的同时，泸州及周边地区地震活动增强，其中震级较大的地震为1997年M5.7地震（程万正等,2003;Lei et al.,2008）.

近十多年来，随着水平井分段水力压裂关键技术的突破，页岩气作为非常规气体能源的战略地位日益凸显（邹才能等,2015）.四川盆地南部下志留系五峰龙马溪组页岩气资源丰富，是目前我国页岩气勘探开发的主战场，主要集中在齐岳山和大娄山的山前带，以及永川至南川附近的隔挡式褶皱（郭卫星等,2021）.其中，具有万亿立方米储量规模的大型页岩气区块包括威远、长宁、焦石坝3个页岩气田，以及富顺—永川、彭水等页岩气产气区.与威远、长宁页岩气区块相比，泸州区块页岩气层地区脆性矿物含量高、深层裂缝发育.在低陡高压的背景下，该区块的页岩气资源更富集高产（赵欣等,2016）.泸州区块龙马溪组页岩储层下边界埋深为3500～4500 m，且自北向南逐渐加深（杨洪志等,2019）.

图1 （a）四川盆地南部地形、地震台站（黄色三角为固定台站，蓝色三角为流动台站），以及地震事件（灰点为2010以来的地震）；（b）地震射线路径和反演网格分布图.其中，蓝色方框表示研究区成像范围，黑色十字星表示反演网格，红点为研究区内的地震；（c）研究区活动构造（修改自邓起东等，2007），泸县M 6.0地震和荣昌M 5.1地震震中、以及震源机制解示意图（引自易桂喜等，2021；王志伟等，2018）.蓝色箭头表示区域最大水平主应力方向（董敏等，2022），白色正方形为根据卫星资源识别出的页岩气钻井位置，菱形为注水井位置.①薄刀岭断层，②仙峰寺断层，③石马岭断层，④天洋坪断层，⑤黄泥岭断层，⑥燕子岩断层，⑦广顺横断层，⑧螺观山背斜南翼隐伏断层，⑨月琴坝断层，⑩菜子沟断层， 双河场断层，滩金湾断层Fig.1 （a） Map showing topography,seismometer stations （yellow triangles,permanent stations;blue triangle,portable stations） and seismicity since 2010 （darkgray dots） in the southern Sichuan basin;（b） Distribution of seismic ray paths with grid nodes.Our study area is marked by blue box.Black cross stars denote the grid nodes,and red dots depict the seismicity in the study region;（c） Active tectonics in the study region （modified from Deng et al.,2007）,locations of Luxian M 6.0 and Rongchang M 5.1 earthquakes,and their focal mechanisms （Yi et al.,2021;Wang et al.,2018）.The blue arrow shows the direction of the maximum horizontal principal stress （Dong et al.,2022）.White squares indicate the well pad of shale gas,and white diamonds mark wastewater injection wells which have been identified according to China Resources Satellite.①Bodaoling fault,②Xianfengsi fault,③Shimaling fault,④Tianyangping fault,⑤Huangniling fault,⑥Yanziyan fault,⑦Guangshun transverse fault,⑧Unmapped fault in the southern limb of the Luoguanshan anticline,⑨Yueqinba fault,⑩Caizigou fault, Shuanghechang fault, Tanjinwan fault.

图2 泸州及周边地区地质构造纲要图Fig.2 Geological map of Luzhou and surrounding regions

在页岩气规模化开采的同时，川南地区地震活动的频度和强度显著上升（图3），其中泸县M6.0地震就发生在富顺—永川开发区内.针对荣昌及周边地区的地震，已开展了一些震源参数和余震序列等研究，但对这些地震是否为诱发地震仍存有不同的看法（Lei et al.,2008;贺曼秋等,2012;王小龙等，2012;王志伟等，2018）.如采用双差定位方法，贺曼秋等（2012）对荣昌及邻区2008—2011年期间地震进行了重新定位.其研究结果显示，地震分布与华蓥山断裂走向基本一致，且注水量与地震频次相关性并不显著.王小龙等（2012）利用重庆市台网和流动台站资料，对2010年荣昌5.1级地震序列进行分析，发现地震丛集在燕子岩断层北段，震源深度较浅（约2 km），与注水井深度相符，同时地震序列与注水活动具有较好的相关性.王志伟等（2018）研究认为，荣昌附近地震主要集中在几条隐伏断层附近，由M≥3.5地震震源机制解反演获得的主压应力方向与区域应力场方向一致，继而推断流体孔隙压力扩散是诱发地震的主要成因机制.

弄清废水回注/页岩气裂采区内地震活动高精度的时空分布，以及震源处地壳介质结构，对断层活化和诱发地震孕震机理研究具有重要意义.近年来，川南已成为许多地震研究的热点，且针对威远和长宁地区长已开展了一些双差层析成像研究（杜广宝等,2021;Tan et al.,2020;Zuo et al.,2020;Long et al.,2020;Zhang et al.,2020;孙权等,2021）.本文收集了泸州及周边区域台网和流动台站记录的近震P波和S波初至震相数据（图1），采用双差层析成像方法，进行了地震精定位，并构建研究区高精度的地壳VP、VS以及VP/VS结构模型.通过对地震活动与震源处介质结构之间关系的探索，为深入研究川南地区中强地震的成因机制提供地震学约束.

1 数据与方法

1.1 走时数据

四川泸州和邻区已有的固定台站（33个）和流动台站（31个）分布情况如图1所示.其中，威远地区的流动台站建成于2019年荣县M4.9地震以后，而长宁地区的流动台站则在2015年架设完成并持续观测至今.根据中国地震台网中心提供的地震目录，本文收集整理了上述台站2010年1月至2021年10月期间记录的近震初至P波和S波到时数据.

图4a为震中距小于200 km的P波和S波时距曲线.为保证走时数据的可靠性，根据时距曲线剔除偏差较大的震相数据，并挑选至少有6个P波/S波初至绝对到时的地震事件.对地震对进行匹配时，选取的最大空间距离不超过15 km，且每个地震最多可与10个相邻地震组成地震对.最终筛选出1400个地震事件，其中P波和S波的绝对到时数据分别为8373条和8789条，P波和S波的相对到时数据分别为47,630条和52,747条.图1b是研究区地震射线路径分布示意图.由该图可知，泸县M6.0地震震中及周边地区均得到了较好的射线覆盖.

1.2 双差层析成像反演方法

双差层析成像方法（Zhang and Thurber,2003）由双差定位方法（Waldhauser and Ellsworth,2000）发展而来，其基本原理是：利用地震的绝对走时和相对到时数据对震源位置和3D地壳介质结构进行联合反演.该方法考虑到地震与台站之间的速度结构变化，基于绝对走时反演震源区外的速度结构，利用相对走时约束震源区速度结构（Zhang and Thurber,2006），因而可有效提高研究区3-D速度结构的成像精度.在该方法基础上，Guo等（2018）近年来发展了波速比一致性约束的双差层析成像方法.

考虑到双差层析成像采用的是线性反演方法，对初始模型具有一定的依赖性.为此，本文首先利用VELEST程序（Kissling et al.,1995），通过走时反演获取研究区最小一维P波和S波速度模型（图4b）.在最小一维模型获取过程中，参考模型是基于接收函数反演获得的地壳速度模型，选取的每个地震事件至少有6个台站记录.最终共选取了351个地震事件，其平均GAP值为114°.经过12次迭代后，走时残差均方根由初始的1.18 s降为0.34 s.

图3 泸州地区2008年以来M≥2.0地震事件M -t图Fig.3 Magnitude-frequency distribution of M≥2.0 earthquakes since 2008 in the Luzhou region

图4 （a） P波和S波时距曲线；（b） 最小一维模型（红色实线）和王小龙等（2012）基于接收函数反演获得的速度模型（蓝色虚线）的比较Fig.4 （a） Time-distance curves of P- and S-wave data；（b） Comparison of the minimum 1-D model （red line） and the velocity model （blue line） obtained from receiver function inversion by Wang （2012）

以上述最小一维模型作为初始速度模型，本文开展了双差走时层析成像研究.根据地震和台站分布情况，对核心成像区域进行等间距网格剖分.进行不同网格尺度的棋盘格恢复效果测试与对比分析.设定核心区水平向网格间隔为0.08°，垂向网格节点分别为-100、0、4、6、8、12、14、22、27、30、60 km.其次，双差层析成像反演采用的是阻尼最小二乘算法（LSQR），以绝对走时残差和相对走时差的残差的2范数为目标进行迭代求解，获得地震震源位置和3D速度结构最优解.反演结果的稳定性与阻尼因子和平滑因子的选取有关（Eberhart-Phillips,1986）.本文通过L曲线法（Hansen,1999），选取的最佳平滑因子和阻尼因子分别为25和200（图5a和5b）.

本文利用棋盘格检测（Humphreys and Clayton,1988;Spakman et al.,1993）来评价反演结果的可靠性和空间分辨能力.以最小一维模型为参考模型，分别给定±5%的速度扰动幅度，建立相应的P波和S波扰动模型.然后根据实际的地震和台站观测系统，采用伪弯曲射线追踪法（Um and Thurber,1987）合成理论走时数据集，并基于相同的反演参数进行反演.总体而言，在4～14 km深度范围内，黑框所示区域基本得到了较好的恢复（图6）.

图5 平滑因子（a）和阻尼因子（b）L曲线；（c） 重新定位前（蓝）、后（红）残差分布图；（d） 重新定位前（蓝色）、后（红色）地震震源深度分布直方图Fig.5 Trade-off curves for （a） smoothing factor and （b） damping factor；（c） Distribution of travel-time residuals of earthquakes before （red） and after （blue） inversion；（d） Distribution of focal depths of earthquakes before （blue） and after （red） inversion

图6 VP和VS速度模型棋盘格检测结果Fig.6 Results of the checkerboard resolution test for （above） VP and （bottom） VS at different depth layers

2 结果

2.1 地震重新定位结果

经过18次双差层析成像迭代反演后，共获得1044次地震的重新定位结果.其地震走时残差明显收敛（图5c），均方根由0.93 s降低至0.35 s.重新定位后，研究区约80%的地震发生在2～10 km的深度范围内，但震源深度分布形态比较分散（图5d）.这与威远和长宁地区重新定位后地震震源深度分布形态有所不同（杜广宝等,2021;Zuo et al.,2020）.因此，泸州地区地震震源深度约束还需进一步深入研究.

图7a和7b分别为重新定位前、后的地震震中分布图.由图7b可知，重新定位后，地震活动在空间上丛集分布特征明显，主要集中在螺观山背斜和古佛山背斜之间的低缓区内，整体呈北东向展布.图7c显示，研究区地震活动具有一定的时空迁移特征.以约29.3°N为界，2018年前地震多簇集在北部荣昌注水井附近，而2018年后地震主要发生在南部页岩气开采区.值得注意的是，页岩气开采区内的地震活动分布并不均匀，存在明显的地震稀疏区.其次，泸县M6.0地震震中区和新店子背斜附近均可观测到北西走向的地震丛集分布现象（图7b和7d）.此外，螺观山背斜和古佛山背斜南部也存在一条近乎线性、北西走向的地震活动带，与区域内已知断层分布无明显关联.

图8为沿AA′测线的地震震源深度剖面图，其中基底埋深约为9 km.该基底埋深参考了前人编制的四川盆地基底等值线图（Zhou et al.,2006），以及一些人工地震反射剖面结果（熊小松等,2015）.同时，最近华蓥山断裂带南段过永川的人工地震剖面结果显示，川南地区地层主要为古生界和中生界，总厚度10 km左右（郭卫星等,2021）.由图8可以看出，泸县M6.0地震发生在一条高倾角、倾向为北东向的地震带上.与该地震带上其他≥3.0级的地震相比，泸县地震发生深度较深（约 6.2 km）.同时，重定位结果显示，2010年荣昌5.1级地震的震源深度约为2.4 km，与利用波形拟合方法获得的震源机制解结果（约2.9 km）基本一致（王志伟等,2018）.

2.2 3-D地壳介质结构

图9为双差层析成像反演获得的VP、VS以及VP/VS介质结构在不同深度的水平切片图.由图9可知，研究区内VS速度结构的不均匀性特征显著.在4～6 km的深度处，螺观山背斜与古佛山背斜之间低缓区内的VS速度结构呈现南北分区特征.其中，约29.2°N以北地区表现为高速异常，以南地区的速度较低.随着深度的增加，低缓区内VS速度结构的分区特征逐渐减弱甚至消失.与VS速度结构相比，低缓区内的VP速度结构横向变化特征并不明显.在近地表处（4～6 km深度），低VP异常主要位于低缓区东部.随着深度的增加（如在12 km深度处）VP低速异常范围逐渐扩大.其次，通过VP和VS速度结构，获得了对应的VP/VS介质结构模型，在4～8 km深度处，低缓区北部对应的VP/VS明显要低.

图10是沿AA′和BB′测线的VP、VS和VP/VS的介质结构垂直剖面图.由AA′剖面可以看到，地震活动与速度结构具有一定的关联性，即在荣昌及附近地区下方，中小地震多发生在高VS和低VP/VS异常体内.其次，两条剖面结果均显示，在页岩气开采区内，泸县M6.0地震震源区位于VP和VS的高、低速交界带之间.

3 讨论与结论

本文收集整理了2010年以来，研究区及周边已有的固定和流动台站记录的近震P波和S波初至数据，采用双差层析成像方法，对地震进行了精定位，并获得了高分辨率的地壳浅部介质结构模型.重定位结果显示，研究区中小地震震源深度较浅，主要分布在2～10 km的深度范围内.同时，地震活动在空间上呈现出显著的丛集特征，集中在螺观山背斜与古佛山背斜之间的低缓区内，与长宁盐矿开采区观测到的地震主要沿长宁—双河背斜核部分布有所不同（Zuo et al.,2020）.这种不同可能与泸州及周边地区具有背斜紧闭、向斜宽缓的“隔挡式褶皱”特征有关.另一方面，穿过华蓥山断裂的永川—丁山人工地震勘探与地质解释剖面表明，褶皱在地表和深部的形态并不一致，存在一定的空间偏移，因此尚不排除位于螺观山背斜与古佛山背斜之间的地震在深部沿背斜侧翼分布的可能性.

图7 （a）和（b）分别是重新定位前、后的地震震中分布图；（c） 重新定位后地震时空分布图；（d） 泸县M 6.0地震震中及附近地震分布图Fig.7 Earthquake distribution （a） before and （b） after inversion；（c） Spatiotemporal distribution of the relocated earthquakes；（d） Epicentral distribution in and around the Luxian M 6.0 earthquake

图8 沿AA′测线（图7b）的地震震源深度分布示意图，其中浅蓝色区域表示五峰—龙马溪组页岩气储层，浅灰色区域表示基岩，地形剖面的橙色倒三角形表示水力压裂平台Fig.8 Cross section of focal depths projected along AA′ profile shown in Fig.7b.The inverted orange triangles in the terrain section denote well pad locations

图9 反演模型中不同深度的VP（左）、VS（中）和VP/VS（右）结构黑点表示M<2.0地震，白点表示2.0≤M<4.0地震，红点表示4.0≤M<5.0地震，蓝色五角星表示2021年泸县6.0级地震.Fig.9 Map showing the inverted models for （left） VP,（middle） VS and （right） VP/VS structures at different depthsBlack dots show events with M<2.0,white dots show events with 2.0≤M<4.0,red dots represent events with 4.0≤M<5.0.The blue star represents the Luxian M 6.0 earthquake

图10 沿AA′和BB′测线（图7b）的VP、VS和VP/VS结构垂直剖面图红色五角星表示2010年荣昌5.1级地震，其他地震表示与图9相同.Fig.10 Vertical cross sections for VP,VS and VP/VS structures along AA′ （left） and BB′ （right） shown in Fig.7b.Thered star shows the Rongchang M 5.1 earthquake while symbols for other earthquakes are the same as Fig.9.

泸县M6.0地震震中、新店子背斜靠近黄204井（H-204）附近，以及螺观山背斜与古佛山背斜以南地区，均观测到线性、沿北西向展布的地震活动丛集现象（图7）.这些地震活动与区域内已知地表断层分布无明显关联.经过泸县M6.0地震的震源深度剖面显示（图8），主震下方可能存在高倾角的隐伏断层，倾向为北东向.

最近InSAR形变数据反演结果认为，泸县地震的发震断层有两种可能，一种是北西走向和北东倾向，另一种是东南走向和西南倾向（四川泸县6.0地震科学考察报告，内部交流）.已有的中石油矿权大安探区内过黄204井和黄202井的人工地震勘探资料显示，区域内断层发育，走向以北东向为主，主断裂发育于背斜两翼，而北西向主要为调节断裂.此外，通过CAP波形反演结果表明（图1c），泸县M6.0地震的震源机制解以逆冲为主（易桂喜等,2021）.

结合上述InSAR形变反演结果、地震勘探、震源机制解，以及本文震源深度剖面结果，推断泸县地震的发震断层可能是一条北西走向、以逆冲为主、高倾角的调节断层，倾向为北东向.同样，新店子背斜东部沿北西展布的地震活动带，暗示该区也存在一条与月琴坝断层近乎垂直相交的调节断层.据此，我们认为研究区内的调节断层具备发生M≥3.0有感地震的可能性.

整体而言，研究区地震活动具有一定的时空迁移特征（图7c）.大体以29.3°N为界，2018年前地震活动多簇集在北部荣昌地区的注水井附近.2018年后地震主要发生在南部泸县地区页岩气开采区周边，与该区页岩气规模化开采时间基本相符.荣昌地区的废水回注井已于2013年全部关闭，且在2016年以后，该区的中小地震活动性逐渐减弱（雷兴林等,2020）.综上可以看出，研究区中小地震的时空迁移特征可能与工业活动有关.但需要指出的是，由于目前缺乏详细的注采资料，因此地震活动与工业注采/裂采之间的时空关联性还需进一步深入研究.

其次，双差成像结果显示，地壳浅部的VS和VP/VS介质结构具有一定的相似性，均表现出明显的南北分区特征.其中，螺观山与古佛山背斜之间低缓区的中北部表现为VS高速异常，对应的VP/VS也明显较低.将地震投影到地壳介质结构剖面可以看出，地震活动与介质结构具有一定的关联性，即震源位置主要对应于高VS和低VP/VS值区域.最近威远和长宁盐矿区研究显示，大部分中小地震分布在VS高速和低波速比异常体内（杜广宝等,2021;Zuo et al.,2020），与本文泸州地区的观测结果基本相符.但泸县M6.0地震震源区位于VP和VS的高、低速过渡带之间.这种现象在其他工业开采区也可以观测到.如，美国俄克拉荷马州地区Pg震相走时成像结果表明，4.0级以上的中强地震主要分布在高、低速过渡带或者高速区内（Pei et al.,2018）.

目前，对于川南盐矿区和页岩气示范区内断层活化和诱发地震机理研究甚少，尚未形成统一的认识（Yang et al.,2020;Zuo et al.,2020;Tan et al.,2020;雷兴林等,2020）.基于波速比一致性约束的双差层析成像研究发现，长宁页岩气示范区水平钻井平台下方的地震位置与低速异常体存在较好的对应性（Tan et al.,2020）.这被用来支持水力压裂裂缝与先存断层连通，高压流体渗入增大了断层面上的孔隙压力，进而引发断层活化.然而，与Tan等（2020）研究结果有所不同，本文研究显示泸州地区中小地震主要分布在高VS和低VP/VS异常区.考虑到川南—川东坳陷及其周边地区富有机质、富硅质页岩厚度仅为30～80 m（邹才能等,2015），小于本文成像的分辨尺度.在此情况下，我们不能排除这种由高压流体直接渗入、导致断层孔隙压力增加进而诱发地震的可能性.

致谢感谢中国科学技术大学张海江教授提供的tomoDD程序，以及二位审稿专家对本文提出的宝贵意见.感谢中国地震台网中心国家地震科学数据中心（http:∥data.earthquake.cn）提供数据支撑.