用CAP方法研究重慶榮昌2014年2月23日M L 3.8地震震源機制

王小龍 雷興林 勾憲斌 郭欣 余國政

1)重慶市地震局，重慶市渝北區(qū)紅黃路339號 401137

2)日本地質(zhì)調(diào)查所，筑波 305-8567

0 引言

榮昌地處四川、重慶兩地接壤處，位于四川盆地東緣。構(gòu)造上位于川東斷裂褶皺帶華鎣山系的西南段，屬于川中穹窿和川東斷褶帶2個構(gòu)造單元的分界部位(圖1)。川中穹窿地層近水平，變形微弱，以鼻狀或短穹隆狀背斜構(gòu)造為特點。川東斷裂褶皺帶變形強烈，以狹長的背斜和寬緩的向斜大致等間距平行展布為特點，是典型的侏羅山式隔檔式褶皺。背斜成山，向斜為谷，地表斷裂與背斜構(gòu)造具有伴生現(xiàn)象，且大多位于背斜的軸部或陡翼(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991)。該區(qū)地震活動性原本很弱，歷史上無5級以上地震的記載。但有研究認為自20世紀80年代末期開始，隨著工業(yè)部門將天然采氣過程產(chǎn)生的污水通過幾口深度2～3km的廢井回灌，榮昌地區(qū)注水地震活動性顯著提高，已發(fā)生數(shù)十次4級以上地震，包括幾個5級地震，成為重慶市轄區(qū)內(nèi)地震活動最強的地區(qū)之一(Lei et al，2008)。

震源機制解，又稱斷層面解，是用地球物理學(xué)方法判別斷層類型和地震發(fā)生機制的一種方法。地震發(fā)生后，通過對不同的地震臺站所接受到的地震波信號進行數(shù)學(xué)分析，即可求出其震源機制解。震源機制解不僅有助于更好掌握震源性質(zhì)、破裂過程、解釋孕震機理及震區(qū)構(gòu)造力學(xué)環(huán)境，而且能為震后救援、余震預(yù)測、震后評估提供及時準確的數(shù)據(jù)。隨著寬頻帶數(shù)字地震臺網(wǎng)的普及，Zhao等(1994)提出CAP(cut-and-paste)方法。該方法將地震波分成面波和體波部分，分別對這些截取的震相利用相關(guān)性方法進行擬合，對各自的震相按照最大的相關(guān)性系數(shù)進行比較，從而解決了由于地震波速度模型不準確導(dǎo)致的不同震相到時差異產(chǎn)生的擬合偏差，因此有效減小了地殼結(jié)構(gòu)模型對反演的影響。同時，由于采用近震擬合，不但可以提高信噪比和反演精度，還能降低對臺站數(shù)量和方位角分布的要求。該方法一經(jīng)提出，國內(nèi)外研究人員就對部分區(qū)域內(nèi)的中等地震開展了震源機制解研究，并獲得一些很有意義的結(jié)果。本文根據(jù)重慶區(qū)域臺網(wǎng)及鄰近省份臺網(wǎng)記錄的寬頻帶波形數(shù)據(jù)，利用CAP方法對2014年2月23日重慶榮昌ML3.8地震的震源機制和震源深度進行了反演。

1 資料選取

在通常情況下，區(qū)域速度結(jié)構(gòu)的橫向不均勻性隨著震中距增加而增大，區(qū)域地震臺站記錄到的震相復(fù)雜性也隨著震中距增大而增大。因此，在利用區(qū)域地震波形反演中強地震的震源機制解時，較多地采用震中距250km范圍內(nèi)的臺站記錄(呂堅等，2013)。在本研究中，采用中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄中重慶榮昌地震的震級為ML3.8，地震震中位置為29.442°N、105.591°E。我們選取震中周邊9個臺站的寬帶數(shù)字地震記錄進行震源機制反演，這些臺站能夠較好地包圍震中(圖1)。地震所在區(qū)域榮昌的速度結(jié)構(gòu)模型，目前也有較為可靠的研究成果(圖2)(王小龍等，2012)，我們采用該模型和頻率-波數(shù)法(F-K方法)計算理論地震圖。由于地震的矩心深度反映了地震發(fā)生時能量釋放最大區(qū)域的震源深度，對研究地表破壞的成因比起始破裂深度更具參考意義，因此我們采用CAP方法對2014年2月23日重慶榮昌ML3.8地震的矩心深度和震源機制解進行反演研究。

2 方法

對挑選出的寬頻帶數(shù)據(jù)先去除儀器響應(yīng)，旋轉(zhuǎn)至大圓路徑得到徑向、切向和垂向的速度記錄，再分成Pnl和面波兩個部分，并將Pnl部分用帶寬為0.05～0.2 Hz、面波部分用帶寬為0.05～0.10 Hz的帶通濾波器進行濾波。采用相同的濾波范圍對計算得到的理論地震圖進行濾波處理。選擇這樣的分析頻率范圍，既可以濾掉長周期地脈動和由速度積分得到位移造成的長周期漂移，也可以有效避免介質(zhì)細結(jié)構(gòu)所帶來的影響，既可得到恰當(dāng)?shù)臉肆康卣鹁?，也能較充分地反映地震波攜帶的震源信息(呂堅等，2013)。經(jīng)過上述處理后，參與波形擬合的每一個臺站都有Z分量、R分量的Pnl震相和3個分量的面波震相資料供反演擬和分析。我們計算了1～10km間10個深度下的各臺站格林函數(shù)，對斷層走向、傾角、滑動角以5°間隔搜索不同震源深度的最佳雙力偶解，然后對比不同深度反演誤差，得到最佳震源深度和雙力偶解。

3 結(jié)果分析

圖1 榮昌及鄰近地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及反演所用資料臺站分布圖

圖3(a)給出了反演方差和震源機制解隨不同深度值的變化，可見震源深度在3km左右時震源機制解的反演方差達到極小值。由此可見，此次地震震源深度為3km左右，考慮到速度模型本身的誤差，應(yīng)該有一定的誤差。此次地震震源機制解的節(jié)面Ⅰ走向46°、傾角44°、滑動角 74°，節(jié)面Ⅱ走向 247°、傾角 48°、滑動角 104°，P 軸方位 147.25°、仰角 -2.09°，T軸方位46°、仰角-78.76°，表明該地震是帶走滑分量的逆沖型地震(圖3(b))。圖4給出了相應(yīng)的波形擬合情況，可見總體上擬合效果較好，本次地震反演得到的震級為MW3.04。本結(jié)果與重慶地震局預(yù)報中心利用P波初動方法得到的結(jié)果基本一致，表明我們的CAP震源機制解結(jié)果是可靠的。

4 發(fā)震構(gòu)造探討

圖2 榮昌臺下方的地殼速度模型(據(jù)王小龍等，2012)

圖3 反演方差和震源機制解隨不同深度的變化(a)及震源機制反演結(jié)果(b)

據(jù)丁仁杰等(2001)的研究可知，榮昌ML3.8地震所在的螺觀山背斜呈NE50°展布，在廣順至半邊街一線被NW320°走向的斷層右行水平扭錯(圖1)。背斜軸部地震出露NE60°走向的燕子巖逆斷層，斷層面傾南東，傾角30°～40°，長約10km，斷層構(gòu)造巖經(jīng)熱釋光(TL)年代測定為距今22.4萬年。震中附近未發(fā)現(xiàn)地表斷層，但據(jù)石油深孔鉆探證實，在1700m深度存在一條SW50°傾向北西，傾角約45°的“腹底”逆斷層。這次ML3.8地震震源深度為3km，在油氣的儲層蓋層內(nèi)，對應(yīng)地層為二疊系儲層，與自貢黃家場氣田注水誘發(fā)地震序列的多數(shù)地震震源位置類似(Lei et al，2013)(圖5)。震源機制解中節(jié)面Ⅱ與該“腹底”逆斷層基本一致。故節(jié)面Ⅱ是地震的主破裂面，其走向和力學(xué)性質(zhì)與震中地區(qū)NE向活動斷裂基本一致。從圖1可知，螺觀山背斜上有2口注水井，這些注水井深達2km左右，直接鉆入該背斜深部的儲氣層。注水使該井附近的隱伏斷層面的摩擦強度降低，產(chǎn)生較大的應(yīng)力降，從而產(chǎn)生誘發(fā)地震。另外一方面，由于四川盆地構(gòu)造方向性強，在NW或SE壓應(yīng)力場作用下，形成了一系列NE向展布的構(gòu)造帶，這些構(gòu)造帶與龍門山構(gòu)造帶大致平行。特別是在喜山期以來，受NWW向擠壓，具有強烈的右行水平方向的運動力學(xué)特征，也是形成重慶地區(qū)幾近平行發(fā)育褶皺構(gòu)造的主要構(gòu)造成因。這次地震P軸方位147.25°、仰角-2.09°，T軸方位46°、仰角-78.76°與區(qū)域應(yīng)力場一致?！吨袊鹄?1997～1999)中有資料表明(陳棋福等，2003)，1997年8月13日榮昌5.2級地震的震源機制與本次地震的震源機制幾乎一致。綜上所述，該地震有可能是在區(qū)域主應(yīng)力場的作用下，注水導(dǎo)致的孔隙壓增加所觸發(fā)的蓋層內(nèi)“腹底”斷層活動的結(jié)果。

圖4 2014年榮昌M L 3.8地震反演實際波形與理論波形對比

5 結(jié)論

本文利用2014年2月23日重慶榮昌ML3.8地震的近震寬頻帶波形，用CAP方法反演了該地震震源機制解，得到的最佳雙力偶解表明這是一次以逆沖為主兼具走滑分量的地震，節(jié)面Ⅱ的走向247°、傾角48°、滑動角104°，與震中附近的一條深度為1700m走向為 NE50°傾向NW，傾角約45°的“腹底”逆斷層基本一致。震源深度為3km左右，在油氣儲層蓋層內(nèi)發(fā)生的地震，有可能是在區(qū)域主應(yīng)力場的作用下，注水后巖石的孔隙壓發(fā)生變化觸發(fā)了蓋層內(nèi)“腹底”斷層活動所致。

圖5 (a)自貢黃家場氣田注水誘發(fā)地震序列(據(jù)Lei et al，2013);(b)2014年榮昌M L 3.8級地震的震源在相應(yīng)簡易地質(zhì)剖面上的投影 (地質(zhì)剖面與相應(yīng)背斜的軸垂直)