四川長寧MS6.0地震震區(qū)上地殼速度結(jié)構(gòu)特征與孕震環(huán)境

李大虎， 詹艷， 丁志峰， 高家乙， 吳萍萍， 孟令媛， 孫翔宇， 張旭

1 中國地震局成都青藏高原地震研究所(中國地震科學實驗場成都基地)， 成都 610041 2 四川省地震局， 成都 610041 3 中國地震局地質(zhì)研究所， 北京 100029 4 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 5 河南省地震局， 鄭州 450016 6 中國地震局臺網(wǎng)中心， 北京 100045

0 引言

據(jù)中國國家地震臺網(wǎng)(CENC)測定，北京時間2019年6月17日22時55分，四川省宜賓市長寧縣發(fā)生MS6.0地震(28.34°N，104.90°E)，地震震中位于長寧縣雙河鎮(zhèn).本次長寧地震序列相對較為活躍，在震后第18天的7月4日，震區(qū)附近西北側(cè)又發(fā)生了5.6級強震，截至2019年7月8日23時，四川測震臺網(wǎng)共記錄到ML≥0.0地震5030次.其中，ML0.0～0.9級2139次，ML1.0～1.9級2303次，ML2.0～2.9級473次，ML3.0～3.9級89次，ML4.0～4.9級19次，ML5.0～5.9級6次，ML6.0～6.9級1次，序列最大地震為7月4日珙縣MS5.6地震(易桂喜等，2019).

長寧地震發(fā)生后，四川省地震局地震現(xiàn)場工作隊對宜賓市6個區(qū)縣共63個鄉(xiāng)鎮(zhèn)122個調(diào)查點展開了實地調(diào)查，并參考震區(qū)構(gòu)造背景、余震分布和震源機制等資料，結(jié)合強震動觀測記錄，綜合確定了此次長寧地震的烈度分布(四川省地震局，2019)，此次地震最高烈度為Ⅷ度(8度)，VI度(6度)區(qū)及以上區(qū)域總面積為3058 km2，等震線長軸呈NW走向，長軸72 km，短軸54 km，主要涉及了宜賓市所屬長寧縣、珙縣、興文縣、高縣、江安縣和翠屏區(qū)等6個縣區(qū).易桂喜等(2019)指出，本次發(fā)生的長寧6.0級地震，不僅打破了川東南宜賓地區(qū)長期以來無6級及其以上地震發(fā)生的歷史記錄，而且也打破了穩(wěn)定的揚子塊體西緣四川盆地長期以來無6級及其以上發(fā)生地震的記錄.因此，開展四川盆地周邊及其內(nèi)部的地震孕育機理、深部孕震環(huán)境以及潛在地震風險性評價等工作，對四川省地震重點監(jiān)視防御區(qū)的監(jiān)測和跟蹤、地震成災致災機理的科學認識以及防災減災等工作提供強有力的地震科技支撐(易桂喜等，2019).

從區(qū)域構(gòu)造位置來看，長寧MS6.0地震震中位于長寧—雙河大背斜展布區(qū)(圖1)，長寧—雙河大背斜是由一系列相間分布的向斜和背斜組成的復雜構(gòu)造帶，該地區(qū)的褶皺構(gòu)造往往同時伴生有斷層或者存在隱伏的地腹構(gòu)造，雙河場背斜、梅子拗背斜、白象巖—獅子灘背斜、騰龍背斜和巡場背斜等均表現(xiàn)出明顯的弧形幾何構(gòu)造特征，白象巖—獅子灘背斜主要表現(xiàn)為向NW凸出的弧形特征，而巡場西側(cè)發(fā)育的一些褶皺構(gòu)造表現(xiàn)出一端發(fā)散，另一端較為收斂的帚狀展布特征(王玉滿等，2016；常祖峰等，2019).雙河背斜東南始于敘永地區(qū)，向北西經(jīng)過珙縣延伸至高縣附近，該背斜軸部的總體走向為NW-SE，西端轉(zhuǎn)為近EW向，背斜北西翼較陡，傾角約40°～60°，南東翼較緩，傾角約17°～32°，背斜核部出露比較古老的寒武系地層，自內(nèi)向外依次出露奧陶系(O)、志留系(S)、二疊系(P)、三疊系(T)、侏羅系(J)和白堊系(K)等地層.作為復式背斜的長寧背斜核部地區(qū)又發(fā)育著一系列的逆沖斷層，主要斷層往往與褶皺相互伴生，多呈現(xiàn)出高角度逆斷層的性質(zhì).長寧MS6.0震區(qū)地表斷裂比較集中，如雙河附近就發(fā)育著大地灣斷層、瓦房頭斷層和大佛崖斷層等.其中，大佛崖斷層總體走向為NW，傾向NE，傾角約60°，逆沖性質(zhì)；大地灣斷層總體呈現(xiàn)出NEE走向，地表見其發(fā)育于古生界之中，傾向NW，傾角79°，該斷層被NW向大佛崖斷層橫切；瓦房頭斷層走向為NEE向，傾向SE，傾角近于直立(四川省地質(zhì)局第一區(qū)測隊六分隊, 1973；四川省地質(zhì)局, 1976；宜賓市防震減災局, 2014).

圖1 長寧震區(qū)地震構(gòu)造背景圖Fig.1 Seismotectonic setting of the Changning MS6.0 earthquake region

繼2008年汶川8.0級大地震之后，2019年6月17日長寧6.0級地震的發(fā)生，四川盆地內(nèi)部及邊緣的深部孕震環(huán)境和潛在地震危險背景再次引起國內(nèi)外地學工作者們的密切關(guān)注(Parsons et al., 2008；Toda et al., 2008；Nalbant et al., 2011；易桂喜等，2010，2013，2016，2019).近些年來，地學工作者針對長寧震區(qū)及周邊開展的科學研究已經(jīng)取得了很多重要的研究成果.常利軍等(2008，2015)采用遠震SKS偏振資料分析技術(shù)，揭示了宜賓長寧震區(qū)附近剪切波快波方向(SEE)差異明顯，在一定程度上說明了長寧震區(qū)所在區(qū)域的殼-幔構(gòu)造變形特征差異明顯；易桂喜等(2013)利用四川省區(qū)域測震臺網(wǎng)資料，系統(tǒng)分析研究了自1970年7月以來長寧地震窗發(fā)生的ML≥3.5地震及其與四川及鄰區(qū)M≥5.5中強地震之間的對應關(guān)系；宮悅等(2015)利用2008—2013年四川數(shù)字臺網(wǎng)記錄資料對川東南地區(qū)ML3.0以上地震的視應力值進行計算，表明具有最高視應力的單個地震位于長寧—珙縣地區(qū)，且視應力整體水平最高；高原等(2018)基于四川區(qū)域測震臺網(wǎng)資料，計算得到長寧地震震區(qū)存在慢波時間延遲增加的現(xiàn)象，從而推測該區(qū)域在汶川MS8.0地震之后一直處在應力增加狀態(tài)；Meng等(2019)和Lei等(2019b)基于長寧地區(qū)的地震臺站數(shù)據(jù)分析該區(qū)地震活動特征，表明大量叢集分布的中小地震基本上均位于上地殼淺部；易桂喜等(2019)基于四川區(qū)域地震臺網(wǎng)和流動地震臺陣提供的地震資料，對長寧MS6.0地震序列早期(時段：2019年6月17日至22日)地震分布進行了精定位工作，并采用CAP波形反演的方法，獲得了截至7月4日的地震序列16次MS≥3.6地震的震源機制解和震源矩心深度，研究結(jié)果表明長寧MS6.0地震序列重定位后的610次ML≥1.5地震余震序列主要呈現(xiàn)NW-SE向展布特征，長度25 km，寬度5 km，該序列震源深度主要集中分布在0～10 km，平均深度約3.2 km，空間上呈西深東淺的分布特征.Long等(2020)的長寧—珙縣地區(qū)速度結(jié)構(gòu)和定位結(jié)果表明，長寧MS6.0和興文MS5.7地震發(fā)震構(gòu)造與NW-SE向斷層滑動有關(guān)，且其動力源于青藏高原塊體向四川盆地的推擠作用.Jia等(2020)估計了非平穩(wěn)背景地震活動率并對應力時空變化進行了反演，研究結(jié)果表明研究區(qū)域的壓力從2005年開始呈現(xiàn)加速增加的趨勢.然而，震后科考工作表明本次地震未發(fā)現(xiàn)的同震地表破裂，加之此次長寧地震發(fā)生在淺部的上地殼內(nèi)，震源淺，造成了地震災區(qū)大量的人員傷亡和社會經(jīng)濟損失，因此，究竟是什么深部構(gòu)造因素或邊界條件驅(qū)動震區(qū)構(gòu)造變形和地震活動的動力背景仍不清楚.

研究地震震區(qū)的上地殼速度結(jié)構(gòu)特征、物性狀態(tài)和動力學環(huán)境對揭示其深部孕震環(huán)境和分析發(fā)震構(gòu)造等都具有重要的科學意義(徐濤等，2014；常利軍等，2015).長寧MS6.0地震發(fā)生后，中國地震局啟動了四川長寧MS6.0地震科學考察工作，由中國地震局地球物理研究所牽頭實施，通過天然地震臺陣觀測、大地電磁測深、密集重力測量以及其他地球物理場等多種手段綜合觀測，以期揭示長寧震區(qū)的深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和孕震環(huán)境，綜合解釋地震活動的構(gòu)造背景和展布特征.鑒于此，本文充分收集川東南宜賓長寧MS6.0地震震源區(qū)及其周邊范圍內(nèi)涵蓋四川省數(shù)字測震固定臺網(wǎng)、宜賓市地方測震臺網(wǎng)以及2016年以后宜賓地區(qū)新增的長寧小孔徑流動地震臺陣等共計35套觀測地震設(shè)備2013年1月1日—2019年7月記錄到的17305次地震并拾取P波到時數(shù)據(jù)(圖2)，采用雙差地震層析成像方法(TOMODD)反演獲得長寧MS6.0地震震區(qū)及周邊上地殼三維P波速度結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合此次地震后科考組在震區(qū)獲取的三維大地電磁陣列測深和重力密集測量等最新觀測資料，綜合分析討論了長寧震區(qū)速度結(jié)構(gòu)特征與地震活動關(guān)系、深部構(gòu)造環(huán)境及地震危險性等科學問題.研究結(jié)果對于理解川東南長寧地區(qū)地震孕育的深部動力機制、科學研判該區(qū)域未來地震活動趨勢和潛在的地震危險性，為盡可能地減輕地震災害風險提供指導和依據(jù).

1 數(shù)據(jù)和成像方法

1.1 觀測數(shù)據(jù)

由于本次長寧6.0級地震發(fā)生在川東南地震監(jiān)測能力良好的區(qū)域，200 km范圍內(nèi)有35個測震臺(含宜賓長寧小孔徑觀測臺陣)，其中100 km范圍內(nèi)有19個測震臺，距離本次地震序列最近的臺站為漢王山固定臺(HWS)，震中距約27 km，地震監(jiān)測能力在宜賓地區(qū)可達到ML0.5，因此，本文充分收集川東南宜賓長寧MS6.0地震震源區(qū)及其周邊范圍內(nèi)大量的地震觀測資料，具體包括來自四川省數(shù)字測震固定臺網(wǎng)、宜賓市地方測震臺網(wǎng)以及2016年以后宜賓地區(qū)新增流動小孔徑觀測臺陣等共計35套觀測地震設(shè)備(圖2a)記錄到的大量地震事件的P波到時數(shù)據(jù)(圖2b)，從圖中可以看出，長寧6.0級地震震中以西的觀測臺站分布比較密集，事件分布不但對研究區(qū)形成了較好的方位覆蓋，而且保證了地震序列目錄的完整性、射線交叉分布密集性以及成像反演的可靠性.

圖2 本研究所用的地震臺站分布(a)和地震震中分布(b)Fig.2 (a) Distribution of seismic stations and (b) earthquake epicenters used in this study

在反演計算之前，我們在地震P波到時數(shù)據(jù)預處理的階段進行了嚴格的篩選工作，只選取地震觀測報告中ML≥1.0的地震事件且利用震相走時和震中距的關(guān)系曲線對震相到時數(shù)據(jù)進行了控制，剔除走時曲線中個別離散程度較大的震相，最終確保每個地震事件至少有5個臺站記錄到P波到時數(shù)據(jù)(圖3).2019年6月17日，長寧MS6.0地震發(fā)生后的幾天時間內(nèi)又連續(xù)發(fā)生4次MS5.0以上的中強震以及一系列小震，該地震序列主要位于主震的北西側(cè)區(qū)域，沿著長寧—獅子灘大背斜排列展布，長寧震區(qū)及周邊發(fā)生的大量地震事件以及密集的射線交叉分布，為反演震區(qū)速度結(jié)構(gòu)研究奠定了較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(圖4).

圖3 震中距-走時擬合曲線圖Fig.3 The fitting curve of travel time and epicentral distance

1.2 成像方法

本文采用了Zhang和Thurber(2003，2006)提出的雙差層析成像方法來反演長寧震區(qū)三維P波速度結(jié)構(gòu)，該方法是在雙差定位方法(Double-Difference earthquake location algorithm)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(Waldhauser and Ellsworth，2000)，聯(lián)合反演三維速度結(jié)構(gòu)與震源位置過程之中同時使用了相對走時數(shù)據(jù)和絕對走時數(shù)據(jù)，在建立整個研究區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu)的時候，先賦予絕對走時數(shù)據(jù)較高的權(quán)重，為了更好地約束三維速度結(jié)構(gòu)與震源位置，迭代后又給相對走時數(shù)據(jù)賦予較高的權(quán)重(肖卓和高原，2017).與傳統(tǒng)的基于走時數(shù)據(jù)的層析成像方法相比，該方法由于考慮了地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)的變化特征，也克服了雙差定位時關(guān)于地震臺站到事件對之間速度不變的條件假設(shè)，而且由于反演時加入了相對走時數(shù)據(jù)，提高了三維速度結(jié)構(gòu)的反演精度，從而能夠揭示出更多的地下介質(zhì)的精細結(jié)構(gòu).目前，該方法已被廣泛應用于不同區(qū)域的三維速度結(jié)構(gòu)反演研究(Allam et al.,2014; Hofstetter et al.,2012; Okada et al.,2006,2007; Thurber et al.,2004,2007; 王長在等，2018；吳海波等，2018； Watkins et al.,2018).在進行匹配地震對事件的時候，我們將地震對之間最大距離設(shè)置為10 km，且每個地震事件最多能和10個地震匹配成對，最終，篩選出了17126個地震共計95312條絕對到時數(shù)據(jù)和1519964條相對到時數(shù)據(jù)用于聯(lián)合反演.根據(jù)長寧震區(qū)地震事件的分布、觀測臺站位置以及地震射線的覆蓋情況對研究區(qū)進行了網(wǎng)格模型劃分，我們將研究區(qū)域的中心位置(長寧震區(qū))水平網(wǎng)格大小劃分為0.1°×0.1°，邊緣部分水平網(wǎng)格為0.2°×0.2°，垂向網(wǎng)格節(jié)點分別為0 km、2 km、4 km、6 km、8 km和10 km，采用Lei等(2017)的地殼速度模型建立研究區(qū)一維P波初始速度模型.

圖4 研究區(qū)域P波射線分布圖Fig.4 Distribution of P-wave ray paths used in this study

1.3 參數(shù)選擇

在反演過程中，對于阻尼最小二乘問題，成像方法采用了帶阻尼的LSQR算法(Least Squares QR Factorization)，并以總走時殘差的2范數(shù)為目標函數(shù)進行迭代和求解方程組(Zhang and Thurber，2003).成像過程之中慢度的變化量用光滑因子來約束，且地震位置和慢度的變化量用阻尼因子來約束，由于反演結(jié)果的穩(wěn)定性很大程度上受到平滑因子和阻尼參數(shù)的大小的影響，所以在反演前，對不同阻尼參數(shù)和平滑因子的數(shù)值大小進行權(quán)衡分析就顯得尤為重要(Eberhart-Phillips, 1986; Eberhart-Phillips et al.,1993；Ma et al., 2016)，建立模型方差與數(shù)據(jù)方差均衡曲線來保證反演結(jié)果的穩(wěn)定性，最終選取數(shù)據(jù)方差明顯降低且滿足模型方差變化較小時所對應的參數(shù)組合為最優(yōu)數(shù)值進行反演.我們利用L曲線法進行最優(yōu)參數(shù)值搜索(Hansen, 1992; Hansen and O′Leary, 1993)，把平滑因子搜索范圍設(shè)定在1～600，阻尼參數(shù)搜索范圍設(shè)定在10～1000，最終，選取的最優(yōu)平滑因子數(shù)值為40，阻尼參數(shù)數(shù)值為300(圖5)，經(jīng)過20次迭代反演，走時殘差的均方差從0.31s下降為0.09 s.

1.4 檢測板測試

我們采用棋盤格測試方法來檢驗速度結(jié)構(gòu)反演的可靠性及空間分辨能力(Spakman et al.，1993)，即先在初始模型中加入正負相間的速度擾動值生成棋盤模型并計算理論走時，再進行初始模型和理論走時數(shù)據(jù)反演，最后綜合評價反演結(jié)果對棋盤模型的恢復程度，擾動恢復程度較好的區(qū)域說明反演結(jié)果可靠.根據(jù)網(wǎng)格劃分大小和±3%速度擾動值的棋盤模型正演計算理論走時，再結(jié)合實際初始模型進行反演計算，經(jīng)過不同深度的棋盤格測試結(jié)果顯示，不同深度范圍層處于研究區(qū)中心的長寧震區(qū)及附近恢復較好，層析成像結(jié)果可達到0.1°×0.1°的分辨率(圖6)，這主要是由于長寧震區(qū)附近集中分布的序列事件以及大量地震射線主要分布在淺部上地殼，從而使數(shù)據(jù)的分辨能力得到了較大的提高.

2 P波速度結(jié)構(gòu)特征

由于2019年6月17日長寧MS6.0地震及其余震序列主要發(fā)生在長寧—雙河大背斜構(gòu)造區(qū)內(nèi)，該地區(qū)構(gòu)造較為復雜，褶皺構(gòu)造往往伴生有斷層或存在隱伏的地腹構(gòu)造，且震后的地震現(xiàn)場科考資料并未發(fā)現(xiàn)的同震地表破裂，鑒于此，我們重點剖析和研究長寧MS6.0地震震區(qū)及其周邊的雙河場背斜、騰龍背斜、白象巖—獅子灘背斜等復式背斜褶皺構(gòu)造區(qū)域的三維P波速度結(jié)構(gòu).圖7給出了長寧震區(qū)及周邊淺層上地殼0～8 km范圍內(nèi)的三維P波速度異常分布圖，可以看出長寧震區(qū)及其周邊上地殼P波速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的不均勻分布特征，長寧震區(qū)上地殼存在顯著的橫向介質(zhì)分布差異，并且淺層P波速度結(jié)構(gòu)與地表地質(zhì)構(gòu)造特征和地層巖性密切相關(guān).

其中，0 km速度結(jié)構(gòu)分布圖顯示雙河背斜及其東部處在高波速異常區(qū)內(nèi)，且長寧—雙河大背斜的展布形態(tài)與高波速異常區(qū)分布范圍大體一致，騰龍背斜和芭蕉灘斷層等構(gòu)造限制住了高速異常前緣繼續(xù)向西側(cè)擴展的趨勢(圖7a).由于長寧—雙河大背斜東南起于敘永地區(qū)，向西北穿過珙縣至高縣地區(qū)，該背斜核部出露寒武系，外圍依次出露奧陶系、志留系、二疊系、三疊系等古老地層，故這種古老巖性分布特點與高速異常分布特征密切相關(guān).而長寧震區(qū)南北側(cè)所處的川東盆嶺區(qū)整體性好，第四紀以來一直處于剝蝕狀態(tài)，抬升幅度小于500 m，表現(xiàn)為丘陵、低山相間分布的地貌類型，如建武向斜和相嶺向斜等地較為寬緩，形成較開闊的山間丘陵谷地，平均海拔300～500 m，故在P波速度結(jié)構(gòu)圖中表現(xiàn)出低速異常的分布特征.2 km深度層上的速度結(jié)構(gòu)特征則更為明顯，雙河場褶皺及其東側(cè)區(qū)域的高速異常特征明顯，震區(qū)北西側(cè)大佛崖附近存在低速異常分布，據(jù)我們科考獲取的大地電磁探測剖面結(jié)果揭示在深度約2.5 km到5 km范圍存在電阻率小于1 Ωm的低電阻層且該低阻層的埋深呈西深東淺的賦存樣式(圖7b).結(jié)合寧201-寧203-寧2井地層對比剖面(童崇光，1992；郭正吾等，1996)可知，長寧背斜核部的寧2井鉆遇厚達3300余米的寒武系和震旦系，震旦系燈影組下段發(fā)育厚約240 m的膏鹽層(何登發(fā)等，2019)，加之長寧雙河背斜附近的抽(注)水作業(yè)等因素，因此，該處淺部低速異常區(qū)可能與流體存在有關(guān).建武向斜的核部出露中侏羅統(tǒng)沙溪廟組地層且地層產(chǎn)狀比較平緩，表現(xiàn)出圈閉狀或條帶狀的低速異常展布特征.李俊倫等(2019)基于密集臺陣的四川長寧昭通頁巖氣開發(fā)區(qū)域淺部S波速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果，同樣表明建武向斜為一低速異常區(qū)域，這也從另一角度論證了我們反演結(jié)果的可靠性.

4 km深度處長寧震區(qū)及其周邊上地殼速度結(jié)構(gòu)依然呈現(xiàn)出明顯的橫向不均勻分布特征，震區(qū)雙河場褶皺以及該褶皺構(gòu)造地表出露的大地灣斷層和NW向大佛崖斷層兩側(cè)速度結(jié)構(gòu)特征各異(圖7c).其中，低速異常主要分布在震區(qū)北側(cè)，而高速異常則分布在震區(qū)以東.2019年長寧MS6.0地震位于該高低速異常的分界線附近，這種特有的速度結(jié)構(gòu)特征也在以往蘆山MS7.0地震、康定MS6.3地震和魯?shù)镸S6.5地震等多次強震震區(qū)的研究中得到體現(xiàn)(李大虎等，2015a，2019).結(jié)合震后我們科考組對長寧地區(qū)復測的143個密集大地電磁陣列數(shù)據(jù)反演結(jié)果，獲取了長寧震區(qū)震后的深部三維電性結(jié)構(gòu)圖像也表明，震區(qū)NW向斷裂和NE向斷裂兩側(cè)介質(zhì)的電阻率性質(zhì)具有明顯的差異，震區(qū)北側(cè)相嶺向斜表現(xiàn)為低阻異常分布，雙河場背斜及其以東同樣表現(xiàn)為高阻異常特征.隨著反演深度的增加，震區(qū)及周邊上地殼速度結(jié)構(gòu)分布特征呈現(xiàn)一定的趨勢性變化，6 km深度處的長寧震區(qū)及周邊速度異常分布形態(tài)和展布范圍均有所改變，長寧震區(qū)向北凸出的弧形構(gòu)造白象巖—獅子灘背斜作為高低速異常區(qū)分界線逐漸清晰，該異常西邊界被芭蕉灣斷層限制住了其繼續(xù)西擴的范圍，米灘子背斜、筠連鼻狀背斜和巡司場鼻狀背斜也處于高波速異常區(qū)內(nèi).相嶺向斜延伸一帶的低速異常仍然存在，并呈現(xiàn)出近EW向的展布特征，而建武向斜至長官司—敘永向斜區(qū)域的低速異常特征愈發(fā)明顯且該異常前緣向北東擴展至鳳凰山背斜附近，而震區(qū)以東雙河—富興一帶均仍位于高速區(qū)內(nèi)(圖7d).

8 m深度層圖像可以看出，部分速度異常體的形態(tài)和范圍有所改變，震區(qū)以東的東陽場背斜和鳳凰山向斜均位于高波速區(qū)內(nèi)(圖7e)，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)和出露基底巖系資料顯示，川東南坳陷前震旦系基底為一套巨厚的板溪群地層(宋鴻彪和羅志立，1995)，結(jié)合長寧地震后通過地表高精度重力探測及改進的重力異常處理技術(shù)反演得到的長寧震區(qū)及周邊深部構(gòu)造的密度結(jié)構(gòu)結(jié)果，也表明該區(qū)為高密度異常分布區(qū)域(與石磊個人交流，2019)，因此，我們綜合分析認為三維P波速度結(jié)構(gòu)圖中高速異常分布特征應與板溪群基底巖性分布密切相關(guān).值得注意的是，長寧—雙河大背斜內(nèi)部則出現(xiàn)了明顯的大范圍低速異常分布特征，具體分析該深度層低速異常展布的原因應該與長寧背斜基底存在滑脫層有關(guān)，滑脫層作為一個偏塑性、易發(fā)生形變的軟弱區(qū)域，導致應力容易在其上部的脆性地層中積累，也正是由于低速滑脫層的存在，使得長寧震區(qū)的雙河場褶皺附近存在不一樣的深淺構(gòu)造背景，基底內(nèi)滑脫層橫向變化較大且控制了淺部隔槽式褶皺的發(fā)育.結(jié)合易桂喜等(2019)研究給出的長寧地震序列16次MS≥3.6地震的震源矩心深度在1～7 km范圍，揭示本次長寧地震序列發(fā)生在上地殼淺部，因此，綜合推測出該長寧地震序列基本上都發(fā)生在該滑脫層之上.同樣，長寧地震科考基于遠震接收函數(shù)共轉(zhuǎn)換點疊加方法(CCP)成像構(gòu)建的一條自SW至NE的二維剖面結(jié)果，揭示長寧背斜深部存在一層軟弱拆離構(gòu)造，并推測該拆離帶控制了區(qū)域褶皺的變形和演化[注]四川長寧6.0級地震科學考察報告，2019.除了水平速度結(jié)構(gòu)圖之外，我們分別給出了沿著NW-SE方向的和沿SW-NE方向的速度結(jié)構(gòu)剖面圖(圖8)，從不同方向的速度結(jié)構(gòu)切片圖可以看出，長寧震區(qū)及周邊的速度結(jié)構(gòu)不均勻性特征差異明顯，長寧MS6.0地震序列絕大部分集中展布在低速層之上，其中，NW-SE剖面垂向切片圖揭示出在長寧背斜及其北西側(cè)淺部存在低速異常，且剖面北西端的低速層埋深比東端深，震區(qū)東部淺部則表現(xiàn)出較為明顯的高速異常特征(圖8a).SW-NE剖面速度結(jié)構(gòu)更為明顯地顯示了長寧背斜基底深度處存在低速層，且該剖面低速層埋深在區(qū)域上亦呈南深北淺的賦存狀態(tài)(圖8b)，這與我們通過三維大地電磁陣列測深反演所獲取的長寧地震后地下介質(zhì)三維電阻率結(jié)構(gòu)所揭示的長寧雙河背斜和其南側(cè)區(qū)域電性低阻層結(jié)構(gòu)的深部賦存深度相一致.

圖5 利用L曲線法選取平滑因子(a)和阻尼參數(shù)(b)Fig.5 The optimum smoothing parameter (a) and damping parameter (b) selected by L-curve

圖6 不同深度棋盤格分辨率測試結(jié)果Fig.6 The checkerboard resolution test at different depths

圖7 不同深度P波速度結(jié)構(gòu)圖 圖中紅線為區(qū)內(nèi)主要斷裂，不同大小白色星號分別代表長寧MS6.0主震和4次5.0級以上地震.Fig.7 The images of 3D P wave velocity structure at different depths Red lines denote main faults in the study region, different size white star denotes the Changning MS6.0 mainshock and 4 events with magnitude greater than 5.0.

3 討論

3.1 速度結(jié)構(gòu)特征與地震序列分布

為了進一步揭示長寧MS6.0震區(qū)速度結(jié)構(gòu)特征與地震序列分布之間存在的關(guān)系，我們繪制了重新定位后的長寧地震序列分布圖(圖9)，從圖中可以看出該序列優(yōu)勢展布方向總體上沿著NW-SE向的長寧背斜核部排列，6月17日發(fā)生的長寧6.0級地震處在序列的東南側(cè)的雙河場褶皺區(qū)，隨后發(fā)生的珙縣MS5.1、長寧MS5.3、珙縣MS5.4和MS5.6地震以及大量中小地震事件均處在長寧6.0級地震的西北側(cè)，其中6月22日MS5.4和7月4日MS5.6地震發(fā)生在白象巖—獅子灘背斜區(qū)，NW走向的大佛崖斷層附近也存在大量中小地震事件展布(圖9a).剖面C-C′展示，長寧地震序列的震源深度呈現(xiàn)出自SE向NW逐漸變深趨勢，剖面A-A′揭示長寧余震區(qū)東段的地震事件深度較剖面B-B′所處余震區(qū)西段的事件深度淺，與已有研究一致(易桂喜等，2019).統(tǒng)計分析地震序列的震源深度分布特征還可發(fā)現(xiàn)，長寧6.0級地震序列的震源深度優(yōu)勢分布層位主要集中在0～10 km之間，平均深度為僅4.82 km，震源深度大于5 km以上的地震絕大多數(shù)發(fā)生在珙縣5.1級地震及其西側(cè)，地震序列總體上主要還是發(fā)生在淺部上地殼范圍內(nèi).易桂喜等(2019)、Lei等(2019)和Meng等(2019)基于長寧地區(qū)地震觀測數(shù)據(jù)分析地震活動性，結(jié)果均表明震區(qū)大量叢集分布的中小地震位于上地殼淺部.然而，由于長寧MS6.0地震震區(qū)歷史上并無致災型的強震記錄和宏觀震害表現(xiàn)記錄，震區(qū)地震序列展布特征與深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)造背景關(guān)系如何，仍是一個值得研究的科學問題.

綜合三維P波速度結(jié)構(gòu)和地震序列展布的研究結(jié)果可以看出，長寧MS6.0地震序列的空間分布特征與震區(qū)上地殼介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)存在密切關(guān)系.其中，0 km速度結(jié)構(gòu)圖表明長寧震區(qū)雙河場褶皺附近北西向大佛崖斷裂以及白象巖—獅子灘背斜兩側(cè)介質(zhì)的速度特征具有明顯差異，也說明了震區(qū)東、西兩側(cè)沉積地層物性存在一定差異，且這一特征在2 km深度圖上依舊存在，地震序列大體上沿著高低速異常分界線呈NW-SE向分布并終止于白象巖—獅子灘背斜構(gòu)造附近，雙河場褶皺及其以東區(qū)域的高速異常特征明顯，且長寧—雙河大背斜的展布形態(tài)與高波速異常區(qū)分布范圍大體一致.4 km和6 km深度的速度結(jié)構(gòu)圖顯示了長寧MS6.0地震發(fā)生在高低速異常分界線附近，而長寧震區(qū)附近以東雙河—富興以及東壩鼻狀背斜一帶仍位于高波速區(qū)內(nèi).

易桂喜等(2019)的研究結(jié)果表明長寧MS6.0地震附近區(qū)域的余震稀少，并通過與國內(nèi)外幾次地震事件(日本新潟6.6級地震、四川康定6.3級地震和四川九寨溝7.0級地震)對比研究，表明這幾次主震附近的余震分布與此次長寧6.0級地震序列分布特征類似(Kato et al., 2010；易桂喜等，2015，2017)，據(jù)此認為長寧地震在主震中能量得以充分釋放(易桂喜等，2019).本文P波速度結(jié)構(gòu)揭示了長寧震區(qū)附近及雙河場褶皺東側(cè)高速體的存在，地震序列大體上沿著高低速異常分界線呈NW-SE向展布，并終止于白象巖—獅子灘背斜構(gòu)造東段附近.因此，長寧MS6.0地震震區(qū)及周邊介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)的非均勻分布特征是控制長寧地震及其序列展布形態(tài)的深部構(gòu)造因素.

圖8 垂直剖面P波速度結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Vertical profiles of P-wave velocity structure

圖9 精定位后的地震震中分布(a)和沿A-A′剖面(b)、B-B′剖面(c)、C-C′剖面(d)震源深度分布圖Fig.9 (a) Distributions of epicenter after precise relocation and Focal depth distributions of (b) the A-A′， (c) B-B′， (d) C-C′ profiles

3.2 長寧震區(qū)的深部孕震環(huán)境

四川盆地川東南地區(qū)發(fā)育一系列規(guī)模不大的背斜構(gòu)造，斷裂構(gòu)造往往發(fā)育于背斜的軸部或陡翼，背斜構(gòu)造與斷層的彎曲擴展具有密切的成因聯(lián)系，控制了一系列5級左右中強地震的發(fā)生(張岳橋等，2011；王適擇，2014).據(jù)史料記載以來，川東南地區(qū)僅發(fā)生過十余次中強地震(4.7～53/4級)，最大地震為1896年富順53/4級地震，迄今尚未有6級以上強震記載.自1985年以來，四川盆地曾先后發(fā)生過數(shù)次中強地震，如1985年自貢4.8級地震、1989年江北統(tǒng)景4.7、5.3級地震，1936年長寧東北側(cè)江安5.0級地震，1996年宜賓永興5.4級地震及1997年榮昌4.9級地震等，且這些中強地震一般都發(fā)生在背斜構(gòu)造的軸部或陡翼.

近些年來，川東南地區(qū)地震活動強度及頻度均高于以往，相繼發(fā)生了2010年長寧MS4.6、2013年長寧MS4.8、2017年筠連MS4.9和5月4日珙縣MS4.9、2018年興文MS5.7和2019年珙縣MS5.3地震、2019年2月24日榮縣MS4.7和25日榮縣MS4.9、9月8日威遠MS5.4、12月18日資中MS5.2及多次MS4.0～4.4地震等.已有研究結(jié)果表明，四川盆地的5.0級左右中強地震通常發(fā)生在背斜構(gòu)造部位，與斷層彎曲背斜或斷層擴展背斜成因上存在一定的聯(lián)系，地表背斜構(gòu)造通常認為是5～6級左右地震危險源的標志(錢洪和唐榮昌，1992).Lei等(2017)研究發(fā)現(xiàn)川東南地區(qū)4.0級以上地震發(fā)生在三疊紀早期沉積蓋層，而不是在結(jié)晶基底中，據(jù)此推測可能是基底深度和沉積蓋層中廣泛分布的脫頂構(gòu)造對地震的發(fā)生起到了一定的作用.何登發(fā)等(2019)據(jù)人工地震勘探剖面和鉆井資料開展構(gòu)造解析，認為形成長寧背斜的基底斷層發(fā)生了復活，還未傳遞到北側(cè)的上盤斷坡部位，背斜北翼相對“平靜”.易桂喜等(2019)推測本次長寧MS6.0地震序列的發(fā)生，可能與長寧—雙河復式大背斜中雙河場褶皺伴生斷層以及白象巖—獅子灘背斜構(gòu)造的活動有關(guān)，長寧MS6.0地震觸發(fā)白象巖—獅子灘背斜伴生斷層活動，導致了隨后一系列5級以上地震(珙縣MS5.1、長寧MS5.3、珙縣MS5.4和MS5.6級地震)的發(fā)生.然而，究竟是什么深部因素或邊界條件驅(qū)動構(gòu)造活動的動力背景尚不清楚，據(jù)長寧地震震后野外地面地震地質(zhì)調(diào)查科考工作發(fā)現(xiàn)，雙河鎮(zhèn)與珙縣之間的山區(qū)有很多與邊坡相關(guān)的地表裂縫，主要表現(xiàn)為滑坡體后緣的張裂縫以及水泥路面基礎(chǔ)塌陷裂縫等，但并未發(fā)現(xiàn)本次地震的同震地表破裂，加之此次長寧地震發(fā)生在淺部的上地殼內(nèi)，震源淺，造成了大量的人員傷亡和社會經(jīng)濟損失，因此，研究長寧MS6.0地震震區(qū)的上地殼速度結(jié)構(gòu)對揭示其深部孕震環(huán)境、分析發(fā)震構(gòu)造及減輕地震災害風險等都具有重要的現(xiàn)實意義.

長寧MS6.0震區(qū)的三維P波速度結(jié)構(gòu)顯示震區(qū)沉積蓋層的物性特征分異明顯.由于震區(qū)褶皺構(gòu)造和伴生斷裂發(fā)育，褶皺的軸向和斷裂的走向存在著明顯的差異性，以華鎣山斷裂為界，靠近該斷裂的褶皺構(gòu)造軸向主要呈NE向，而往東的褶皺構(gòu)造軸向比較復雜，呈EW向、NE向和NW向，甚至局部呈弧形產(chǎn)出.東側(cè)褶皺構(gòu)造的伴生斷裂走向也表現(xiàn)出多樣性，有NW走向、NE走向、SN走向和近EW走向，這也表明除了受區(qū)域性構(gòu)造運動的影響之外，長寧震區(qū)局部構(gòu)造的差異性活動也較為突出.長寧大背斜就是由白象巖—獅子灘背斜、雙河場背斜、梅子拗背斜、長寧背斜等多個次級褶皺構(gòu)造組成，由于局部構(gòu)造差異活動，次級褶皺構(gòu)造的軸向并不一致，震區(qū)深淺構(gòu)造的耦合也存在明顯差異.長寧背斜所在位置沉積蓋層中存在高速異常分布，異常體西邊界位于雙河場背斜和梅子拗背斜附近.而長寧背斜軸向為NW向，雙河場背斜和梅子拗背斜的軸向則呈EW-NE向，它們的軸向并不一致，除此之外，雙河場背斜周緣的速度結(jié)構(gòu)與其東側(cè)的存在明顯的差異性，這種差異與局部構(gòu)造的特征亦存在著相關(guān)性.因此，長寧MS6.0地震震區(qū)局部構(gòu)造的差異活動，不僅造成了褶皺構(gòu)造軸向和伴生斷裂走向的變化多樣，也造成了震區(qū)深淺構(gòu)造耦合和沉積蓋層的物性特征存在明顯的差異.長寧MS6.0地震震中位于速度結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的邊界帶附近，因此我們推測長寧地震是震區(qū)局部構(gòu)造活動的結(jié)果，而且這種介質(zhì)物性發(fā)生變化的邊界帶可能是中強地震孕育和發(fā)生的有利部位.

長寧6.0級地震震區(qū)位于青藏高原東緣四川盆地的川東南地區(qū)，該區(qū)基底主要由一套巨厚的沉積變質(zhì)碎屑巖夾碳酸鹽巖與火山碎屑的復理式建造所組成，屬低密度塑性基底結(jié)構(gòu)，埋深一般為7～9 km(趙從俊等，1989；高金尉，2012).結(jié)合本文P波速度結(jié)構(gòu)8 km深度圖可以看出，長寧—雙河大背斜內(nèi)部包括震區(qū)附近則出現(xiàn)了明顯的大范圍低速異常分布特征，我們推測該深度低速異常應與長寧背斜塑性基底內(nèi)的滑脫層有關(guān).滑脫層作為一個偏塑性、易發(fā)生形變的軟弱區(qū)域，導致應力容易在其上部地層中積累，該低速滑脫層在區(qū)域構(gòu)造運動中也起著重要的作用，作為難于積累應變能的塑性軟弱層，容易將應力傳遞給上部地層物質(zhì)(李大虎等，2015b).長寧MS6.0地震之后，中國地震局地球物理研究所牽頭實施了四川長寧6.0級地震科學考察工作，流動地震觀測臺陣第一科考組通過布設(shè)密集臺陣記錄并采用接收函數(shù)成像方法揭示了在蓋層底部和基底淺部(約5～10 km)存在明顯的軟弱層(中國地震局地球物理研究所，2020)，因此，這也從另一方面證實了本文成像結(jié)果的可靠性.

綜上，長寧MS6.0地震及其余震序列絕大部分發(fā)生在基底滑脫帶之上，應力容易在其上部地層中積累，長寧6.0級震中位于雙河場褶皺核部，背斜構(gòu)造的軸部往往又是構(gòu)造應力容易集中的地帶，且震區(qū)附近還存在較多改造背斜構(gòu)造的順層或切層的斷裂.由于受到區(qū)域NE-SW向主壓應力和經(jīng)華鎣山構(gòu)造帶傳遞而來的NW-SE向的現(xiàn)今應力場的共同作用(Gan et al., 2007；高原等，2018；易桂喜等，2019)，導致了此次長寧6.0級地震的發(fā)生，而隨后發(fā)生的珙縣5.1級地震、長寧5.3級地震、珙縣5.4級地震和珙縣5.6級地震以及大量中小地震事件均受到了長寧6.0級地震的觸發(fā)作用而相繼發(fā)生.

3.3 對周邊地區(qū)地震危險性的潛在影響

處于穩(wěn)定揚子地塊西緣的四川盆地內(nèi)部具有很小的應變速度，歷史上地震活動不高，但在過去幾十年來發(fā)生了一系列中強地震(Lei et al.,2017，2019a)，本次長寧MS6.0地震也造成了一定的人員傷亡和較大的財產(chǎn)經(jīng)濟損失(易桂喜等，2019)，一些研究也表明川東南地區(qū)具有5級強震連發(fā)、復雜構(gòu)造地區(qū)的應力容易觸發(fā)、小尺度的斷層段可能存在的閉鎖和“填空”現(xiàn)象等特征，使得我們不得不重新審視該區(qū)域的強震風險(易桂喜等，2019；Long et al., 2020).自2006年4月起，長寧、興文、珙縣交界區(qū)域小震活動突然增加，活動強度及頻度均高于以往，顯示長寧地區(qū)的地震活動增加與注水采鹽作業(yè)生產(chǎn)工藝的改變在時間上準同步，但該區(qū)地震活動與鹽礦開采到底存在怎樣的關(guān)系以及在何種條件下可能導致老斷層活化等問題必須在充分了解深部構(gòu)造展布、生產(chǎn)井位分布、壓裂時間進程及流體注入等相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字模擬試驗等進行分析研究(易桂喜等，2020).

本文P波速度結(jié)構(gòu)揭示了長寧MS6.0地震震區(qū)及其周邊上地殼速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的橫向不均勻性分布，震區(qū)雙河場褶皺以及該褶皺構(gòu)造地表出露伴生的大地灣斷層和北西向大佛崖斷層兩側(cè)淺層速度結(jié)構(gòu)特征各異.其中，低速區(qū)主要分布在震區(qū)北西側(cè)，震區(qū)東側(cè)存在高速體分布，這與我們對長寧MS6.0地震震后復測的143個密集大地電磁陣列數(shù)據(jù)反演結(jié)果吻合較好，三維深部電性結(jié)構(gòu)揭示了震區(qū)東側(cè)存在高阻異常體，該異常體可能阻擋了長寧MS6.0地震余震序列繼續(xù)向東延伸，使得此次地震序列主要展布于主震的北西一側(cè)，震區(qū)附近NW向展布的大佛崖斷層和NE向大地灣斷層在深部電性結(jié)構(gòu)圖中均表現(xiàn)出邊界帶特征.結(jié)合長寧—雙河背斜軸部伴生的NW向斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，背斜核部巖層的順層相對滑動量較大且裂隙發(fā)育等地面地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，綜合表明了長寧—雙河背斜構(gòu)造區(qū)軸部構(gòu)造應力集中及其伴生的斷裂具備一定的發(fā)震能力和深部孕震背景，這可能也是長寧及其周邊地區(qū)地震強度較大、活動持續(xù)時間較長的主要原因.迄今為止，震區(qū)仍時有中等強度的余震發(fā)生，如2019年11月27日長寧MS4.0、2020年4月23日長寧MS4.1地震以及2020年6月12日珙縣MS4.0地震，加之川東南地區(qū)構(gòu)造系統(tǒng)較為復雜且地下介質(zhì)物性結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出多樣性，因此，仍需深入研究該區(qū)褶皺及其伴生斷裂的深部延伸形態(tài)以及深淺構(gòu)造的耦合關(guān)系，只有這樣才能更深入認識該區(qū)地震構(gòu)造特征、深部孕震環(huán)境以及更科學地評估其未來地震活動和潛在的地震危險性.

4 結(jié)論

本文充分收集川東南宜賓長寧MS6.0地震震源區(qū)及其周邊范圍內(nèi)四川省數(shù)字測震臺網(wǎng)、宜賓市地方臺網(wǎng)以及2016年以后宜賓長寧地區(qū)新增小孔徑流動地震臺陣等共計35套觀測地震設(shè)備2013年1月1日—2019年7月記錄到的17305次地震的P波到時資料的數(shù)據(jù)，應用雙差地震層析成像方法反演得到了長寧MS6.0地震震區(qū)上地殼三維P波速度結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合此次地震后科考組在震區(qū)獲取的三維大地電磁陣列和重力密集測量等最新觀測資料，綜合分析討論了長寧震區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)特征與地震活動關(guān)系、孕震環(huán)境及地震危險性等科學問題，具體結(jié)論如下：

(1)長寧MS6.0地震震區(qū)及其周邊上地殼P波速度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的橫向不均勻分布特征，震區(qū)沉積蓋層的物性特征分異明顯，雙河場背斜褶皺北西側(cè)的波速結(jié)構(gòu)與其東部存在明顯的差異性且淺層P波速度結(jié)構(gòu)分布特征與地表地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性密切相關(guān).

(2)長寧地震序列的空間分布特征與震區(qū)介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)存在密切關(guān)系，P波速度結(jié)構(gòu)還揭示了長寧震區(qū)附近及雙河場褶皺東側(cè)高速體的存在，序列大體上沿著高低速異常分界線呈NW-SE向展布，并終止于白象巖—獅子灘背斜構(gòu)造東段附近，長寧MS6.0地震震區(qū)及周邊介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)的非均勻性分布特征是控制長寧地震序列展布特征的深部構(gòu)造因素.

(3)三維P波速度結(jié)構(gòu)還表明了長寧MS6.0震區(qū)的雙河場褶皺附近存在不一樣的深淺構(gòu)造背景，雙河大背斜的核部NW向大佛崖斷裂以及白象巖—獅子灘背斜兩側(cè)介質(zhì)的速度特征具有明顯差異，由于長寧震區(qū)局部構(gòu)造的差異活動，不僅造成了褶皺構(gòu)造軸向和伴生斷裂走向的變化多樣，也造成了震區(qū)深淺構(gòu)造耦合和沉積蓋層的物性特征存在明顯的差異.長寧MS6.0地震震中位于速度結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的邊界帶附近，因此，我們推測長寧地震是震區(qū)局部構(gòu)造活動的結(jié)果，這種介質(zhì)物性變化的邊界帶可能是中強地震孕育和發(fā)生的有利部位.

(4)長寧震區(qū)雙河場褶皺以及該褶皺地表出露伴生的大地灣斷層和NW向大佛崖斷層兩側(cè)淺層速度結(jié)構(gòu)特征各異，結(jié)合長寧—雙河背斜與軸線方向一致的NW向伴生斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，而褶皺東側(cè)的伴生斷裂走向表現(xiàn)出多樣性和復雜性，由此推斷除了受區(qū)域性構(gòu)造運動的影響之外，長寧震區(qū)局部構(gòu)造的差異性活動也較為突出，長寧—雙河背斜構(gòu)造軸部及其伴生的斷裂具備一定的發(fā)震能力和深部孕震背景，這可能也是長寧地震余震強度較大、活動持續(xù)時間較長的主要原因，川東南地區(qū)的潛在地震危險性仍值得進一步關(guān)注.

致謝感謝中國科學技術(shù)大學張海江教授提供的雙差地震層析成像程序(TOMODD)和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所雷興林教授提供的一維初始速度模型.在文章的撰寫過程中，先后與石磊副研究員、胡雋副教授、尹陳副教授、梁明劍博士、莘海亮博士、劉巧霞博士和吳朋高級工程師等進行了多次有益的交流和探討，三位審稿專家對本文提出了寶貴的修改建議，作者表示最衷心的感謝.