三峽庫區(qū)上地殼S波衰減成像研究

吳海波 王 杰 杜承宸申學林 陳俊華

1) 中國武漢430071中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)2) 中國武漢430071湖北省地震局

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三峽庫區(qū)上地殼S波衰減成像研究

吳海波1,2),王 杰1,2)杜承宸1,2)申學林1,2)陳俊華1,2)

1) 中國武漢430071中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)2) 中國武漢430071湖北省地震局

利用三峽數(shù)字地震臺網(wǎng)2009年1月—2015年2月記錄的1300多次ML>1.5小震事件6000多條射線的S波數(shù)據(jù)， 利用S波衰減層析成像技術(shù)獲得了三峽庫區(qū)秭歸—巴東段上地殼QS成像分布圖． 結(jié)果顯示， 三峽庫區(qū)上地殼QS值存在明顯的橫向不均勻性， 沿水庫近岸區(qū)主要為QS高值區(qū)， 外圍NE， NW， SW和SE 等4個方向上均存在QS低值異常區(qū)， 這是由于這些異常區(qū)位于不同地層轉(zhuǎn)換帶， 巖層較易破碎， 易于庫水滲流所致． 在巫山—秭歸段剖面上， 本文QS成像結(jié)果與人工地震測深剖面上基底至上地殼底部之間巖層的Q值變化形態(tài)基本一致， 前者均值比后者低， 反映了上地殼深部介質(zhì)對地震波衰減特性的影響． 2013年巴東MS5.1震群活動和2014年秭歸MS4.5，MS4.7震群活動均分布在QS高值與低值過渡區(qū)， 這種區(qū)域的地下介質(zhì)位于“軟”、 “硬”轉(zhuǎn)換帶上， 巖層易破碎， 應力和能量易集聚，Q值易受水的滲透引起變化， 從而降低發(fā)震斷層抗剪切強度而誘發(fā)地震．

Q值 衰減系數(shù)QS值成像 人工測深剖面

引言

在反映地下巖層介質(zhì)性質(zhì)的眾多物理參數(shù)中， 品質(zhì)因子Q直接反映了地下介質(zhì)對地震波能量的吸收、 衰減和散射程度． 一般認為，Q值主要由巖石的微觀性質(zhì)， 如巖石裂紋密度、 分布和孔隙流體等確定， 宏觀上與地殼斷層、 巖漿和低速層分布等有關(guān)(陳颙等， 2009)． 采用數(shù)字地震波形衰減計算Q值是比較實用有效的方法之一， 通常使用遠臺長周期S波和Lg波或者近臺短周期S波計算Q值. 前者適用于較大區(qū)域背景的成像分析， 但其容易受到地震波振幅不確定性的影響， 如散射、 多重路徑疊加、 波型轉(zhuǎn)換和震源輻射形態(tài)等， 同時也受到區(qū)域觀測資料數(shù)量和臺站密度等的限制(胡家富等， 1999； 洪學海等， 2003)； 后者主要適用于小范圍精細結(jié)構(gòu)的衰減研究．

三峽庫區(qū)一直是地震學研究的熱點地區(qū)之一． 早在1988年， 國家地震局就已開展了長江三峽壩區(qū)及外圍人工地震測深工程項目， 利用人工地震資料計算了奉節(jié)—觀音垱近EW向測線剖面上地殼介質(zhì)的Q值， 分析了地殼內(nèi)各層介質(zhì)的衰減特征(陳學波等， 1994). 受當時條件所限， 陳學波等(1994)僅研究了該剖面上地殼介質(zhì)的衰減規(guī)律， 并未進行區(qū)域二維衰減成像分析． 2003年三峽水庫蓄水后誘發(fā)了大量淺表微小地震活動， 特別是2008年底水庫水位首次達到175 m左右， 庫區(qū)周邊仍持續(xù)大量小震活動． 據(jù)統(tǒng)計， 2009年1月—2015年2月底共發(fā)生的ML>1.0地震超過3000次， 三峽水庫誘發(fā)地震監(jiān)測臺網(wǎng)(以下簡稱三峽臺網(wǎng))共記錄到2萬多條清晰可靠的波形數(shù)據(jù)． 為了數(shù)據(jù)分析的可靠性， 本文首先對此期間記錄的1300多次ML>1.5小震進行雙差精定位； 然后選取震中距小于80 km的波形數(shù)據(jù)， 對庫區(qū)進行S波衰減層析成像反演， 分析QS成像分布特征， 并與20世紀80年代人工地震測深結(jié)果進行比較， 分析這兩個時期庫區(qū)上地殼介質(zhì)的衰減變化特征； 最后討論區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、 巖層巖性和水文地質(zhì)對QS分布的影響．

1 三峽水庫及臺網(wǎng)概況

長江三峽水庫位于長江中游， 水庫主體位于湖北秭歸縣和巴東縣境內(nèi)， 壩高179 m， 是全國庫容量最大的水庫之一． 庫區(qū)內(nèi)發(fā)育了一系列斷裂， 包括NNE向的高橋斷裂、 周家山—牛口斷裂， NNW向的仙女山斷裂、 水田壩斷裂以及近NS向的九畹溪斷裂， 基本構(gòu)成了庫區(qū)構(gòu)造的主體構(gòu)架． 2013年12月16日巴東MS5.1地震和2014年3月27日秭歸MS4.5， 3月30日秭歸MS4.7地震就分別發(fā)生在周家山—?？跀嗔押拖膳綌嗔迅浇?/p>

三峽臺網(wǎng)初期于2001年正式運行， 由24個子臺站和八河口數(shù)據(jù)中心構(gòu)成； 2011年進行二期改造后， 減少為22個子臺站， 如圖1所示． 臺站較均勻地分布在水庫南北兩岸， 分別配備了19臺JCV-104型短周期地震儀、 3臺FSS-3型寬頻帶地震儀和24位數(shù)據(jù)采集器． 記錄波形采樣率為100 Hz， 由GPS統(tǒng)一授時， 十多年來三峽臺網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)一直連續(xù)、 穩(wěn)定可靠．

圖1 三峽庫區(qū)斷層及臺站分布圖

2 原理與數(shù)據(jù)預處理

2.1 原理

根據(jù)近臺記錄波形S波衰減結(jié)構(gòu)反演的基本原理(Sherbaum， 1990； Haberland， Rietbrock， 2001； 黃玉龍等， 2003； 蘇有錦等， 2006； 周龍泉等， 2009)， 臺站j對地震事件i的記錄波形振幅譜可表示為

(1)

式中：Si(f)為震源譜，Ij(f)為儀器響應，Rj(f)為場地響應，Gij(r)為路徑r的幾何擴散系數(shù)，Bij(f)為衰減譜． 如果已知Si(f)，Ij(f)，Rj(f)和Gij(r)， 則可通過波形振幅譜Aij(f)反演得到衰減譜Bij(f)．

(2)

(3)

2.2 波形數(shù)據(jù)預處理

圖2 2014年6月2日秭歸ML2.1地震ZJS臺水平向記錄波形(a)及其位移譜(b)

對于式(3)， 假定事件i有j個臺站記錄， 且每次事件具有唯一的震源參數(shù)ω0和fc， 這些參數(shù)可通過該事件多臺位移譜擬合求得， 從而在式(3)反演中降低了解的非唯一性． 由圖2可以看出， 在消除噪聲、 儀器響應和幾何擴散等影響后， 不同臺站觀測位移譜主要受到不同路徑衰減的影響．

計算衰減系數(shù)后， 可通過式(2)反演Q值． 與速度層析成像方法類似， 假定地殼為橫波速度均勻的二維介質(zhì)， 則t*主要受QS的影響． 將地殼離散化為二維網(wǎng)格， 依據(jù)通過每個網(wǎng)格的平均射線數(shù)， 調(diào)整網(wǎng)格大小， 確定合適的分辨率． 以地殼平均QS值建立初始模型， 采用射線追蹤偽彎曲法， 經(jīng)10次迭代計算， 得到最終的QS值． 反演過程中， 以震源距代替震中距以消除深度的影響．

3 三峽庫區(qū)QS值成像

3.1 數(shù)據(jù)及反演結(jié)果穩(wěn)定性分析

本文使用2009年1月—2015年2月經(jīng)雙差精定位后的1067次地震波形資料， 震級為ML1.5—4.0， 震源深度為3—11 km， 如圖3所示. 將每條射線波形數(shù)據(jù)位移譜代入式(3)，采用遺傳算法反演得到了6091條t*數(shù)據(jù)． 初始計算時假定區(qū)域介質(zhì)QS值均勻， 則t*與震中距Δ呈線性關(guān)系， 利用線性最小二乘法擬合得到了t*與震中距Δ的關(guān)系曲線， 如圖4所示. 反演得到的研究區(qū)平均QS值為180， 該結(jié)果與陳學波等(1994)基于人工地震測深數(shù)據(jù)所得到的測線剖面上地殼平均Q值差異不大． 同時， 對所得到的t*數(shù)據(jù)進行篩選， 舍棄觀測值與擬合值殘差大于一倍均方差的數(shù)據(jù)． 據(jù)此， 從6091條t*數(shù)據(jù)中選取4120條用于QS值成像， 其射線分布如圖5所示．

圖3 震源深度剖面圖

圖4 t*與震中距Δ的線性擬合曲線Fig.4 Linear fitness between t* and epicentral distance Δ

圖5 三峽庫區(qū)秭歸—巴東段地震射線分布

經(jīng)大量的S波數(shù)據(jù)走時計算， 三峽庫區(qū)上地殼S波平均初始速度為3.19 km/s， 與李強等(2011)計算反演的同層S波速度基本一致， 初始QS值為180． 以該值為初始條件， 經(jīng)10次迭代反演后，t*的均方根殘差由迭代前的0.0291降至0.0229， 反演前后殘差δt*隨震中距Δ的分布如圖6所示．

圖6 反演前(a)、 后(b)殘差δt*隨震中距Δ的分布圖

為了選取合適的網(wǎng)格大小， 經(jīng)反復試驗， 最終采用0.05°×0.05°網(wǎng)格， 多數(shù)網(wǎng)格內(nèi)穿過的射線數(shù)超過100條， 因此該反演結(jié)果能較真實地反映大部分地區(qū)地下介質(zhì)的衰減特征. 圖7給出了檢驗板分辨率試驗結(jié)果. 可以看出， 三峽庫區(qū)沿江兩岸約20 km范圍內(nèi)的地震事件和臺站較多， 射線密集， 分辨率高； 其它邊緣地區(qū)的地震事件少、 臺站少， 分辨率較低． 因此本文只對分辨率較好的區(qū)域進行成像研究， 即秭歸和巴東沿江兩岸地區(qū)， 范圍約為(110.0°E—111.0°E， 30.7°N—31.2°N)．

圖7 檢驗板分辨率試驗結(jié)果

3.2QS值成像結(jié)果

本研究主要使用2009年1月—2015年2月ML>1.5地震的精定位數(shù)據(jù)， 震源深度主要分布在3—11 km (圖3)， 因此， 本文成像結(jié)果集中反映了三峽庫區(qū)秭歸和巴東段上地殼QS值的分布特征．

圖8給出了三峽庫區(qū)QS值的分布圖． 可以看出，QS值的橫向分布明顯不均勻， 反映出不同區(qū)域S波衰減存在很大差異． 總體上， 沿長江三峽近岸兩側(cè)以QS高值為主， 特別是秭歸西部水庫近岸存在明顯的QS高值區(qū)， 在庫區(qū)四周地震波射線覆蓋范圍內(nèi)存在一些QS低值區(qū)， 分別分布在NW， NE， SE和SW 等4個方向， 主要包括NW1， NW2， NE1， NE2， NE3， SW和SE等低值區(qū)(圖8)． 高橋斷裂穿越NW2低值區(qū)， 周家山—?？跀嗔褨|西兩邊存在NW2和NE3低值區(qū)， 仙女山斷裂附近存在SE低值區(qū)， 九畹溪斷裂附近存在NE1和NE2低值區(qū)． 在上述QS低值區(qū)外圍也存在低值區(qū)， 如NW1和SW低值區(qū)西邊的低值區(qū)， 但地震波射線未覆蓋或很少穿越這些區(qū)域， 反演結(jié)果的可靠性不高， 故不予以分析討論．

圖8 三峽庫區(qū)上地殼S波QS值分布圖

4 區(qū)域庫水滲透和地質(zhì)構(gòu)造對介質(zhì)QS值的影響

4.1QS值成像結(jié)果與蓄水前人工測深剖面Q值的比較

地殼巖石中孔隙、 孔隙率、 結(jié)構(gòu)面及孔隙中充滿的液、 氣、 固體含量等對地震波衰減均有明顯的影響. 隨著巖石中黏土含量、 孔隙率和滲透率的增加， 地震波衰減增大(李亞林等， 2001； 安勇等， 2006； 陳颙等， 2009)； 當含水量達到一定程度時，Q值基本不變或略微增加， 并隨著圍壓的增加而增大(施行覺等， 1995)．

陳蜀俊等(2005)研究顯示， 自2003年三峽水庫首期蓄水以來， 水庫蓄水已引起庫首區(qū)重力場、 滲流場、 形變場和構(gòu)造應力場的明顯變化， 這意味著水庫蓄水可能也會對區(qū)域地下介質(zhì)Q值產(chǎn)生影響． 早在1988年國家地震局就曾實施了長江三峽壩區(qū)及外圍人工地震測深工程項目， 利用人工測深數(shù)據(jù)對測線Ⅰ(奉節(jié)—觀音垱)剖面進行了地震波衰減分析， 并計算了不同段和不同地層的Q值(陳學波等， 1994)． 本文QS層析成像經(jīng)度范圍(109.8°E—111.1°E)正好位于該剖面西端(奉節(jié))以東25—150 km范圍內(nèi)． 表1給出了該段基底以上以及基底至上地殼底部不同段的Q值以及本研究沿該測線的QS值反演結(jié)果． 研究區(qū)的平均QS值約為180， 該值介于上地殼兩層巖層平均Q值之間. 由于本研究中地震事件震源深度主要分布在3—11 km， 集中在基底層下部， 射線同時穿越了上地殼兩層介質(zhì)， 所以平均QS值180是上地殼兩層介質(zhì)QS值的綜合反映． 另外， 沿剖面自西向東分為3段： 巴東以西段、 巴東—香溪段和香溪以東—秭歸段， 其中巴東—香溪段的QS值最高且較穩(wěn)定， 香溪以東—秭歸段QS值最低， 該特征與表1中基底至上地殼底部的特征基本一致， 反映了本文反演結(jié)果受上地殼深部介質(zhì)衰減特性的影響更明顯．

表1 三峽庫區(qū)人工測深剖面不同段的平均Q值與QS值比較

由于蓄水前三峽庫區(qū)地震很少， 僅從測線Ⅰ剖面的Q值并不能反映庫區(qū)蓄水前的總體特征， 而且測線Ⅰ基本沿長江沿岸布設， 其Q值反映了長江近岸區(qū)地下介質(zhì)的地震波衰減規(guī)律， 而近岸區(qū)巖層經(jīng)長江江水長久滲透， 含水已達飽和， 因此對Q值的影響并不明顯． 但是， 水庫蓄水后對近岸區(qū)淺表層或周邊滲流的影響更明顯， 這在QS值成像結(jié)果中也有所反映， 圖8中水庫周圍的4個QS低值區(qū)可能與庫水長期滲流有一定關(guān)系．

4.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造對QS值的影響分析

地殼構(gòu)造差異、 巖層破碎度和不同性質(zhì)的巖性也會對Q值產(chǎn)生影響， 騰吉文等(2004)和陳颙等(2009)研究認為巖石的衰減受巖性影響， 由于孔隙和構(gòu)造面等差異， 沉積巖層中地震波的衰減遠大于巖漿巖和變質(zhì)巖． 地質(zhì)構(gòu)造上， 三峽庫區(qū)位于八面山褶皺帶東北端， 主體構(gòu)造受黃陵背斜、 秭歸向斜和神農(nóng)架穹窿等控制． 從測線Ⅰ地質(zhì)剖面分析， 三峽庫區(qū)上地殼大部分被沉積蓋層所覆蓋， 僅東部黃陵隆起段結(jié)晶基底基巖出露， 巫山—秭歸向斜東緣香溪段上地殼蓋層均勻穩(wěn)定， 主要為三疊系和侏羅系海相沉積巖層， 基底及以下為變質(zhì)巖或花崗巖， 該區(qū)QS值偏高但非常穩(wěn)定． 圖8中的QS低值異常區(qū)均處于地層轉(zhuǎn)換比較復雜的區(qū)域， 從三峽庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖(圖9)可以看出： NE向3個QS低值異常區(qū)位于秭歸向斜與黃陵背斜的轉(zhuǎn)折地帶； NW向的NW1和NW2低值區(qū)位于神農(nóng)架穹窿南緣； SW低值區(qū)位于八面山褶皺帶邊緣， 巖層巖性復雜； SE低值區(qū)位于黃陵背斜西南邊界帶上. 這些區(qū)域巖體較易破碎， 庫水易滲流， 從而使介質(zhì)QS值降低．

圖9 三峽庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖(引自黃崇軻等， 2002)

從QS成像結(jié)果與區(qū)域地震活動分布關(guān)系角度分析， 2013年巴東MS5.1地震震群位于水庫以北高橋斷裂與周家山—牛口斷裂之間， 在NW1低值區(qū)以南、 NW2低值區(qū)以西， 為明顯的QS高值與低值過渡區(qū)． 2014年秭歸MS4.5，MS4.7地震震群在仙女山斷裂北端與九畹溪斷裂之間， 位于SE與NE2低值區(qū)之間， 為明顯的QS高值與低值過渡區(qū)． 2000年云南姚安MS6.5 地震大多數(shù)余震分布在Q高值與低值過渡區(qū)(張杰卿等， 2009)； 2003年大姚地震的兩個主震位于Q低值邊緣過渡區(qū)(王偉君等， 2007)； 紫坪鋪水庫地區(qū)QS成像結(jié)果也顯示庫區(qū)震群活動基本都位于QS高值與低值過渡區(qū)(王惠琳等， 2012)． 本文結(jié)果與前人的研究結(jié)果是一致的．Q值在一定程度上反映了區(qū)域巖性軟硬程度，Q高值與低值過渡區(qū)正好位于軟硬轉(zhuǎn)換帶上， 巖層更易破碎， 更容易受水的滲透而引起Q值的變化， 同時也降低斷層抗剪切強度從而誘發(fā)地震．

5 討論與結(jié)論

通過對本文所得三峽庫區(qū)QS成像結(jié)果以及與人工測深剖面Q值結(jié)果的比較， 并結(jié)合庫區(qū)巖層巖性和地質(zhì)構(gòu)造， 得到結(jié)論如下：

1) 三峽水庫庫區(qū)上地殼QS值存在明顯的橫向不均勻性， 沿水庫近岸區(qū)主要為QS高值區(qū)， 而其周邊區(qū)域存在一些較明顯的QS低值區(qū)， 分布在水庫四周NE， NW， SW和SE等方向上． 這些低值異常區(qū)多位于地層轉(zhuǎn)換復雜區(qū)， 巖層較易破碎， 易于庫水滲流， 從而導致介質(zhì)QS值降低．

2) 將本文QS成像結(jié)果與沿測線Ⅰ人工地震測深剖面上的Q值進行比較可知， 沿巫山—秭歸段剖面上的Q值與基底至上地殼底部之間巖層的QS值成像結(jié)果變化形態(tài)基本一致， 前者的平均Q值比后者更低， 反映了上地殼深部介質(zhì)對地震波衰減特性的影響． 由于本研究QS值集中反映的是11 km以上巖層內(nèi)的地震波衰減， 包含蓋層和部分基底以下巖層， 故該值低于基底下層而明顯高于上部蓋層的QS值．

3) 2013年巴東MS5.1震群活動和2014年秭歸MS4.5，MS4.7震群活動均分布在QS高值與低值過渡區(qū)． 這種區(qū)域地下介質(zhì)處于“軟”、 “硬”轉(zhuǎn)換帶上， 巖層更易破碎， 更容易受庫水的影響而引起Q值的變化， 同時這些脆弱部位抗剪切強度低， 應力容易集中從而誘發(fā)地震．

4) 本文反演得到的三峽庫區(qū)上地殼平均S波速度與李強等(2011)的反演結(jié)果一致， 但本文并未考慮QS值與頻率的關(guān)系． 周龍泉等(2009)和王惠琳等(2012)的研究指出， 未考慮頻率相關(guān)時， 使用的初始QS值比考慮頻率相關(guān)時的初始QS值略高， 即對反演結(jié)果數(shù)值會產(chǎn)生影響， 但其二維成像分布變化特征不會改變， 因此仍能以此來分析地下介質(zhì)的分布特征．

周龍泉研究員提供了相關(guān)軟件， 審稿專家對本文提出了寶貴意見， 作者在此一并表示感謝．

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Tomography of the S wave attenuation in the upper crust of Three Gorges Reservoir region

Wu Haibo1,2),Wang Jie1,2)Du Chengchen1,2)Shen Xuelin1,2)Chen Junhua1,2)

1)KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy，InstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Wuhan430071，China2)EarthquakeAdministrationofHubeiProvince，Wuhan430071，China

A 2-D S-waveQSvalues of the upper crust of Zigui-Badong segment beneath the Three Gorges Reservoir region are estimated by means of S wave attenuation tomography based on more than 6000 S wave-rays of 1300 small seismic events withML>1.5 recorded by digital seismic network of Three Gorges from January 2009 to February 2015. The results show thatQSexhibits a significantly lateral heterogeneity distribution in Three Gorges Reservoir region， with highQSvalue mainly in the nearby riversides and lowQSvalue in the surrounding area in the northeast， northwest， southwest and southeast directions. Particularly， the lowQSvalue is closely related to seepage of reservoir water due to the conversion and fragment of rock stratum. The variation ofQSvalue in this paper is in accord withQvalue of rock stratum from rock-basement to the bottom of the upper crust from the Wushan-Zigui deep seismic sounding (DSS) profile, which reflects that the deep media of upper crust have influence on the seismic wave attenuation. TheMS5.1 Badong earthquake swarm in 2013 and theMS4.5，MS4.7 Zigui earthquake swarms in 2014 were basically converged to transitional edge regions of high and lowQSvalues. That is because that， the physical property of the crustal medium is located on the weak-soft transitional region， strain energy is prone to accumulate， andQSvalue also decreses due to the permeation of the water， furthermore， the shear strength of the seismogenic fault is reduced so as to induce earthquakes.

Qvalue; attenuation coefficient;QStomography; deep seismic sounding (DSS) profile

吳海波, 王杰, 杜承宸, 申學林, 陳俊華. 2016. 三峽庫區(qū)上地殼S波衰減成像研究. 地震學報, 38(2): 188--198. doi:10.11939/jass.2016.02.004.

Wu H B, Wang J, Du C C, Shen X L, Chen J H. 2016. Tomography of the S wave attenuation in the upper crust of Three Gorges Reservoir region.ActaSeismologicaSinica, 38(2): 188--198. doi:10.11939/jass.2016.02.004.

中國地震局地震科技星火計劃項目(XH14035YSX)和中國地震局測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(20150418)共同資助.

2015-08-17收到初稿， 2015-11-15決定采用修改稿.

e-mail: wuhaibo7777@163.com

10.11939/jass.2016.02.004

P315.3+1

A