2019年6月17日四川長寧MS6.0地震震源區(qū)三維速度結(jié)構(gòu)

孫權(quán)， 裴順平,3*， 蘇金蓉， 劉雁冰， 薛曉添， 李佳蔚， 李磊， 左洪

1 中國科學(xué)院青藏高原研究所， 大陸碰撞與高原隆升重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 3 中國科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心， 北京 100101 4 四川省地震局， 成都 610041

0 引言

近年來，四川盆地因地震頻發(fā)而廣受地震學(xué)界的關(guān)注.四川盆地原是在揚(yáng)子克拉通臺地的基礎(chǔ)上形成并發(fā)展起來的，與周邊造山帶構(gòu)成明顯的復(fù)合盆山體系(沈傳波等, 2007)，歷史地震活動較弱.位于其南部的川南地區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上則處于西部活躍的青藏高原與東南部穩(wěn)定的揚(yáng)子塊體之間的交界處(圖1a)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動主要以展布細(xì)長的背斜、寬緩的向斜及與之相關(guān)的小尺度斷層活動為主(圖1b).這些褶皺和斷層走向錯綜復(fù)雜，主要包括NE向、NW向、EW向等.這種構(gòu)造背景的復(fù)雜性可能與揚(yáng)子塊體周邊的構(gòu)造帶多向擠壓作用(張?jiān)罉虻? 2011)及多期構(gòu)造運(yùn)動的復(fù)合作用(何登發(fā)等, 2011; 覃作鵬等, 2013)有著密切聯(lián)系.同時，作為國內(nèi)頁巖氣資源最豐富的區(qū)塊(馬新華和謝軍, 2018)，川南地區(qū)主要有三個頁巖氣開采場，分別位于商洛、昭通和長寧.此外，該區(qū)為了處理廢水和開采井鹽而進(jìn)行的長期注水也已經(jīng)持續(xù)了多年(Lei et al., 2008; 張致偉等, 2012).

長寧地區(qū)近十多年的地震活動愈發(fā)活躍(阮祥等, 2008; 朱航和何暢, 2014).有研究表明，該區(qū)大多數(shù)地震活動可能與頁巖氣水力壓裂或深井采鹽注水有關(guān)(阮祥等, 2008; Lei et al., 2013，2019b; Meng et al., 2019; Tan et al., 2020).長時間注射的高壓水在進(jìn)入已有的斷層或微裂縫之后，造成其孔隙壓力增大，并改變斷層面的摩擦屬性，最終誘發(fā)斷層的滑動和地震的發(fā)生(朱航和何暢, 2014; Sun et al., 2017).并且，通過不斷注射和抽取流體而進(jìn)行的礦產(chǎn)開采能夠造成地下孔隙壓力的時空變化(Yang et al., 2017).該區(qū)自2014年年底開始應(yīng)用水力壓裂技術(shù)開采頁巖氣以來，地震活動性明顯增強(qiáng).特別是2015年以來，該區(qū)地震活動性展現(xiàn)出明顯的增長趨勢(Hu et al., 2018; Lei et al., 2019a; Tan et al., 2020).同時，該區(qū)相繼發(fā)生了一系列5級及以上的中強(qiáng)震，包括2018年12月16日興文MS5.7地震和2019年1月3日珙縣MS5.3地震.Lei等(2019a)對這兩個地震的特征、該區(qū)2018年 6月之后的地震活動性以及區(qū)域應(yīng)力等開展了研究工作，并認(rèn)為該區(qū)存在隱伏的發(fā)震斷層，因此不能排除6級及以上誘發(fā)大震的發(fā)生.果不其然，在2019年6月17日，四川盆地南緣發(fā)生了極具破壞力的長寧MS6.0地震.震后，在長寧和珙縣地區(qū)相繼發(fā)生了一系列5級及以上的中強(qiáng)震，給當(dāng)?shù)氐纳拓?cái)產(chǎn)造成了極大破壞.此次長寧地震也被認(rèn)為可能與水力壓裂誘發(fā)地震密切相關(guān)(Atkinson et al., 2020).

圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景圖 (a) 區(qū)域構(gòu)造背景圖，品紅色五角星代表2019年長寧MS6.0地震的震源位置，黑色線段代表地表斷層的位置(鄧起東等, 2003)； (b) 長寧地震震源區(qū)附近的地質(zhì)構(gòu)造背景圖，其位置如圖(a)藍(lán)色方框所示，修改自該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖(易桂喜等, 2019).Fig.1 Tectonic background of the study region (a) shows the regional tectonic settings. The blue rectangle outlines the location of the region shown in Fig.1b, and the magenta star denotes the location of 2019 Changning MS6.0 earthquake. The black lines represent the surface location of active faults (Deng et al., 2003). (b) displays the detailed geological background of the areas surrounding the Changning earthquake which is modified from regional geological settings (Yi et al., 2019).

長寧MS6.0地震發(fā)生后不久，易桂喜等(2019)就利用四川地區(qū)的地震臺網(wǎng)資料，第一時間對此次地震序列開展了研究.他們的工作主要包括地震定位、震源機(jī)制解和震源矩心深度等，這為認(rèn)識此次地震序列打下了重要基礎(chǔ).與其他大震級地震相比，此次長寧地震具有許多特別之處.例如，一般大震具有一個主震和一系列小震級余震，而此次長寧MS6.0地震主震發(fā)生后卻有一系列5級及以上中強(qiáng)震相繼發(fā)生，主震之后的5天時間里就先后發(fā)生了珙縣MS5.1地震、長寧MS5.3地震和珙縣MS5.4地震.并且，本次長寧MS6.0地震具有明顯的非雙力偶和低頻震源模型特點(diǎn)(Liu and Zahradník, 2020).震源機(jī)制解研究表明，此次長寧地震的發(fā)震結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為逆沖和斜逆沖破裂(易桂喜等, 2019).而后，地震矩張量研究(Liu and Zahradník, 2020)則發(fā)現(xiàn)本次長寧地震具有淺層雙震特征，即一次逆沖地震事件之后又在不遠(yuǎn)處緊接著發(fā)生了一個走滑地震事件，且在已知的背斜附近存在一條隱伏的左旋走滑斷層.這些結(jié)果充分體現(xiàn)出本次地震序列的復(fù)雜性，而要進(jìn)一步理解其發(fā)震機(jī)制，則需要開展更精細(xì)的背景結(jié)構(gòu)研究.

盡管工業(yè)開采誘發(fā)地震的成因和機(jī)理目前尚有爭議(來貴娟等, 2019)，但已有研究表明誘發(fā)地震與構(gòu)造背景結(jié)構(gòu)特征有著密切關(guān)聯(lián)(Van Der Baan and Calixto, 2017; Pei et al., 2018).在四川盆地，目前開展的結(jié)構(gòu)研究以大尺度工作居多，而長寧地震區(qū)或川南地區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)研究卻很少.趙珠和張潤生(1987)對整個四川地區(qū)的地殼和上地幔速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究；宋曉東等(2015)結(jié)合地震和噪聲互相關(guān)數(shù)據(jù)，對四川盆地巖石圈的S波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；王小龍等(2020)利用遠(yuǎn)震資料獲得了四川盆地的瑞利面波相速度結(jié)構(gòu).以上地震成像研究的尺度較大，不能很好揭示長寧地震區(qū)的精細(xì)速度結(jié)構(gòu).Tan等(2020)利用局部地區(qū)地震臺網(wǎng)資料和雙差地震成像方法(Zhang and Thurber, 2003)獲得了小尺度區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)，但給出的成像結(jié)果在深度上不超過3.5 km.Long等(2020)也采用了雙差地震成像方法，并利用更多的地震走時數(shù)據(jù)，但還是沒有充分利用該區(qū)的大量地震數(shù)據(jù)，且他們的研究區(qū)范圍較小，在邊界區(qū)域并沒有獲得可靠的成像結(jié)果.因此，本文擴(kuò)大了成像區(qū)域范圍，收集了研究區(qū)內(nèi)豐富的地震走時資料，通過雙差地震成像方法對長寧MS6.0地震序列進(jìn)行了重定位，并獲得了震源區(qū)及鄰區(qū)的高分辨率三維體波速度結(jié)構(gòu).基于獲得的高分辨率P波和S波速度結(jié)果，本文進(jìn)一步獲得了研究區(qū)內(nèi)的波速比信息，希望能夠?yàn)檎J(rèn)識此次長寧地震序列的發(fā)震結(jié)構(gòu)及今后在該區(qū)開展地震危險性評估工作提供更好的約束.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

豐富的高質(zhì)量地震走時資料是獲得高分辨率成像結(jié)果的重要基礎(chǔ).因此，本文收集了研究區(qū)內(nèi)2008年1月—2019年9月的豐富地震目錄走時數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)來源于國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(http:∥data.earthquake.cn)(Zheng et al., 2010)和四川省地震局.為了保障數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量，本文對收集到的地震走時數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，主要依照以下三個標(biāo)準(zhǔn)：(1)所有的地震事件和臺站都位于27.6°N—29.1°N、104°E—105.5°E的范圍內(nèi)；(2)走時殘差≤0.3 s；(3)選用的地震事件高質(zhì)量P波和S波走時記錄均不低于6個.選取的地震資料包括34個固定臺站和臨時臺站記錄到的46,339個地震事件(圖2)，震級范圍為M0～6.0.最終，本文選用了共計(jì)229,898個Pg波和228,944個Sg波絕對走時數(shù)據(jù)，兩組震相的走時與震源距均呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系(圖3).

1.2 雙差地震成像方法

基于雙差地震定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)發(fā)展而來的雙差地震成像方法(Zhang and Thurber, 2003)，能夠同時獲得震源位置和三維體波速度結(jié)構(gòu).相較于雙差地震定位方法，該方法不僅利用了到時差數(shù)據(jù)，而且加入了絕對走時數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)φ鹪唇^對位置提供更好的約束.而相較于標(biāo)準(zhǔn)的地震成像方法，該方法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：(1)能夠?qū)φ鹪次恢眠M(jìn)行重定位；(2)考慮到震源位置與速度結(jié)構(gòu)間的耦合效應(yīng)，對震源位置和速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合反演；(3)在絕對走時數(shù)據(jù)之外，加入更為準(zhǔn)確的相對到時差數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)φ鹪磪^(qū)的速度結(jié)構(gòu)提供進(jìn)一步優(yōu)化.為了更好地發(fā)揮絕對走時數(shù)據(jù)和相對走時差數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，該方法對兩類數(shù)據(jù)采用了分階段加權(quán)的策略，即：先給絕對走時數(shù)據(jù)更大的權(quán)重，以獲得大尺度的速度結(jié)果；再給走時差數(shù)據(jù)更大的權(quán)重，優(yōu)化震源區(qū)的速度結(jié)構(gòu).該方法自提出以來不斷改進(jìn)和發(fā)展(Zhang and Thurber, 2006)，并獲得了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可(Pei et al., 2010; 于湘?zhèn)サ? 2010; 肖卓和高原, 2017; 李佳蔚等, 2018; 李敏娟等, 2018; 劉白云等, 2018; Zhang et al., 2019).

圖2 地震事件和臺站分布圖 品紅色五角星代表2019年長寧MS6.0地震的震源位置；不同顏色的圓圈代表不同震源深度地震事件的震源位置； 黑色三角形代表地震臺站的位置.Fig.2 The distribution of seismic events and seismic stations used in this study The magenta star denotes the location of 2019 Changning MS6.0 earthquake, the colorful circles represent the earthquakes with different hypocentral depth, and the black triangles represent the seismic stations.

為了更好地反映地下三維速度結(jié)構(gòu)，本文構(gòu)建了三維網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，對研究區(qū)的速度模型進(jìn)行參數(shù)化.根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況和檢測板分辨率測試結(jié)果，最終采用的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在水平方向上以0.05°等間隔劃分.而在深度方向上，反演網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位于0、1.5、3、4.5、6、7.5、9、10.5、12、13.5、15、20、25、30、40及100 km深度.

合理選擇初始速度模型有利于獲得可靠的反演結(jié)果.我們嘗試了不同的初始速度模型，發(fā)現(xiàn)獲得的相對速度特征體現(xiàn)出非常好的一致性.綜合參照Wang等(2016)通過加入大量鉆井和石油勘探地震反射資料獲得的上地殼速度模型及易桂喜等(2019)通過Velest反演獲得的地殼和上地幔速度結(jié)構(gòu)，本文獲得了最終采用的一維初始速度模型(表1)，并據(jù)此構(gòu)建三維初始速度結(jié)構(gòu).

表1 本文采用的一維初始速度模型Table 1 The 1-D initial velocity model adopted in the study

雙差地震成像方法采用阻尼最小二乘(LSQR)算法(Paige and Saunders, 1982)進(jìn)行反演問題的求解.LSQR算法是一種常用的反演算法，通過一系列的線性迭代獲得最后的結(jié)果.為了防止由于不明因素造成局部區(qū)域出現(xiàn)較大的速度擾動，需要在反演中加入阻尼和光滑正則化參數(shù).合理地選取這兩個參數(shù)能夠有效獲得準(zhǔn)確的成像結(jié)果，而目前的選取多是通過折中曲線實(shí)現(xiàn)的.為了選取適當(dāng)?shù)淖枘嵯禂?shù)，本文采用相同的光滑因子和不同的阻尼系數(shù)進(jìn)行了一系列反演，并獲得了選取阻尼系數(shù)的折中曲線.同樣的道理，采用之前選取的最佳阻尼系數(shù)和一系列不同的光滑因子可以獲得選取光滑因子的折中曲線，并選取最佳光滑因子.為了保證之前阻尼系數(shù)的準(zhǔn)確性，本文又基于剛才獲取的最佳光滑因子重新獲得求取阻尼系數(shù)的折中曲線.基于這兩條折中曲線(圖4)，本文選取的最佳光滑因子為15、最佳阻尼系數(shù)為400.

圖3 本文所用Pg和Sg波走時資料的時距曲線圖 綠色和藍(lán)色圓點(diǎn)分別表示了Pg和Sg震相.Fig.3 The distribution of Pg and Sg wave travel times used in the study versus hypocenter distance The two phases Pg and Sg are shown as green and cyan dots, respectively.

1.3 檢測板測試結(jié)果

由于反演問題的解存在不唯一性，因此在對得到的地震層析成像結(jié)果進(jìn)行解釋之前，通常需要對所得結(jié)果的穩(wěn)定性和質(zhì)量進(jìn)行評估.檢測板測試就是一種被大家廣泛應(yīng)用和認(rèn)可的評估方法.為了反映數(shù)據(jù)的分辨能力，本文采用了0.05°的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距進(jìn)行了檢測板測試.合成走時數(shù)據(jù)所用的速度模型是在初始速度模型中加入正負(fù)相間、大小為初始速度值5%的速度擾動獲得的.反演用到的地震事件、臺站及反演方法均與正常反演一致.最終得到的檢測板測試結(jié)果如圖5和圖6所示.整體來看，整個成像區(qū)域的P波和S波速度結(jié)果在3～9 km深度范圍內(nèi)的分辨效果較好，基本可以達(dá)到0.05°.而長寧地震震源區(qū)及其南部建武向斜區(qū)的P波和S波速度結(jié)果在12 km以內(nèi)整體都可以達(dá)到0.05°的分辨率.

圖4 選取最佳光滑因子(a)和阻尼系數(shù)(b)的折中曲線圖 紅色圓點(diǎn)代表了用以確定最佳系數(shù)而采用的一系列數(shù)值，最終選取的最佳光滑因子和阻尼系數(shù)分別為15和400，如圖中黑色圓點(diǎn)所示.Fig.4 Trade-off curves for determining optimal smoothing (a) and damping (b) parameters The red dots represent a series of different values used in searching for the optimal values. The finally chosen optimal values are 15 and 400 which are denoted as black circles for smoothing and damping parameters, respectively.

圖5 P波在不同深度上的檢測板測試結(jié)果Fig.5 The checkerboard testing results for P wave tomography at different depth

圖6 S波在不同深度上的檢測板測試結(jié)果Fig.6 The checkerboard testing results for S wave tomography at different depth

圖7 長寧MS6.0地震序列重定位前后的空間分布與深度變化圖 (a)和(b)分別為重定位前(原始地震觀測報告中的地震位置)和重定位后的地震震中水平分布圖.其中，品紅色五角星和不同顏色的圓圈分別代表了長寧MS6.0地震及其余震的震中位置.圓圈的大小與震級成正比關(guān)系，圓圈充填的顏色則代表其距主震發(fā)震時刻的時間間隔，黑色圓圈表示的是5級及以上的地震事件.(c)和(d)分別為重定位前和重定位后的地震震源深度統(tǒng)計(jì)直方圖.Fig.7 Spatial and depth variations of the Changning MS6.0 earthquake sequence before and after relocation (a) and (b) display the horizontal distribution of the Changning earthquake sequence before and after relocation, respectively. The magenta star and colorful circles denote the relocated locations of the main shock and aftershocks, respectively. The diameters of the circles are proportional to the magnitude, and the color denotes the elapsed time with regard to the origin time of the main shock. The black circles represent the earthquakes with magnitude not less than M5.0. (c) and (d) show the histograms of focal depth for the Changning earthquake sequence before and after relocation.

圖8 長寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)P波水平速度剖面圖 品紅色五角星和灰色圓圈分別代表重定位的長寧MS6.0地震和區(qū)內(nèi)其他地震事件.圖(a)中的5條品紅色實(shí)線分別代表了 圖11中AA′、BB′、CC′、DD′和EE′ 5條垂直速度剖面的位置.Fig.8 Tomographic VP images around the source region of the 2019 Changning MS6.0 earthquake The magenta star and grey circles represent the location of relocated Changning MS6.0 earthquake and other earthquakes, respectively. The five magenta solid lines in Fig.(a) represent the location of the five vertical tomographic profiles named AA′, BB′, CC′, DD′ and EE′ in Fig.11.

圖9 長寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)S波水平速度剖面圖Fig.9 Tomographic VS images around the source region of the 2019 Changning MS6.0 earthquake

2 結(jié)果

最后的結(jié)果是經(jīng)過10次迭代獲得的，走時均方根殘差由0.44 s降到0.23 s，下降了48%.本節(jié)將重點(diǎn)介紹獲得的重定位、三維P波、S波速度及波速比結(jié)果，并對其揭示的地球物理意義進(jìn)行簡要探討.

2.1 長寧MS6.0地震序列重定位結(jié)果

正如1.2節(jié)所說，雙差地震成像方法(Zhang and Thurber, 2003)是在雙差地震定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能夠?qū)φ鹪次恢眠M(jìn)行可靠的重定位.相較于早前的地震重定位方法，雙差定位的優(yōu)勢在于除了利用絕對走時數(shù)據(jù)之外，將更為準(zhǔn)確的相對走時差數(shù)據(jù)加入反演中，從而能夠?qū)φ鹪吹南鄬ξ恢锰峁└玫募s束.

相較于重定位前(圖7a)，重定位后的長寧地震序列排布更為緊密，且成簇展布.最為明顯的是5個M5.0及以上的中強(qiáng)地震(圖7a和8b中黑色圓圈和品紅色五角星所示)位置發(fā)生了顯著變化.其中，長寧MS6.0地震重定位前位于長寧背斜西端、地震簇東端，而重定位之后則處于白象巖—獅子灘和雙河背斜區(qū)東端.其他4個中強(qiáng)震重定位前比較分散，甚至偏離白象巖—獅子灘背斜核部，而重定位后都位于地震簇所在的白象巖—獅子灘背斜核部.重定位后的震源深度分布也有了很大的變化和改善(圖7c和7d).此外，此次長寧地震序列震源深度普遍較淺，主要集中在0～6 km深度范圍內(nèi)(圖7d)，但也有部分處于6～12 km深度范圍內(nèi).

本文獲得的重定位結(jié)果(圖7b)顯示，長寧MS6.0地震余震序列主要沿著NW-SE方向展布，與白象巖—獅子灘背斜軸部對應(yīng).長寧MS6.0地震位于余震區(qū)的東南端，其西南邊有一小簇余震沿著雙河背斜展布，整體上體現(xiàn)出明顯的單向破裂特征，與早前易桂喜等(2019)的結(jié)果一致.從余震事件距主震發(fā)震時刻的時間間隔來看，主震發(fā)生后，破裂向兩邊擴(kuò)散，但其東南部似乎被阻擋而不易發(fā)生破裂和錯動，余震事件也很少.破裂主要向主震的西北方擴(kuò)展，導(dǎo)致該區(qū)余震密集，且展布區(qū)域長達(dá)20多公里.主震后發(fā)生了一系列5級及以上的中強(qiáng)地震，包括珙縣MS5.1地震、長寧MS5.3地震、珙縣MS5.4地震等，也都展布在主震西北部(圖1b).這表明主震西北部相較于其東南部更容易發(fā)生破裂和錯動，且具備中強(qiáng)地震的孕育條件.

2.2 長寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)水平速度結(jié)構(gòu)

圖8和圖9分別給出了本次長寧地震震源區(qū)及鄰區(qū)的P波和S波速度結(jié)構(gòu).總體上講，兩者體現(xiàn)出比較好的一致性，但也存在局部異常特征的差異，且速度分布展現(xiàn)出的橫向不均一性隨深度增加逐漸減弱.此外，本文將各深度上下1 km范圍內(nèi)的重定位地震事件投影在各個水平速度剖面上.

在1.5 km深度(圖8a和9a)上，長寧地震序列所在的雙河背斜和白象巖—獅子灘背斜區(qū)整體呈現(xiàn)相對高速特征，特別是P波速度，局部存在P波和S波弱低速結(jié)構(gòu).其東南邊的長寧背斜區(qū)則整體呈現(xiàn)明顯更高的P波和S波速度特征，且地震活動性很弱，幾乎沒有地震分布.除了4.5 km深度的S波速度結(jié)構(gòu)(圖9c)，長寧背斜區(qū)相較于白象巖—獅子灘和雙河背斜區(qū)整體上更高的P波和S波速度特征一直持續(xù)到6 km深度附近.高速結(jié)構(gòu)對應(yīng)的介質(zhì)孔隙度較低、力學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)，因此不容易發(fā)生破裂，這可能是本次長寧地震東南一側(cè)沒有發(fā)生較大破裂的緣由.研究區(qū)東北部的四川盆地內(nèi)部整體展現(xiàn)出明顯的P波和S波低速特征，且一直持續(xù)到6 km深度附近.位于長寧地震區(qū)南部的建武向斜、羅場向斜及玉和背斜區(qū)整體表現(xiàn)出P波高速和S波低速結(jié)構(gòu).3 km深度速度剖面(圖8b和9b)的主要特征與1.5 km(圖8a和9a)基本一致，但長寧地震序列所在的雙河背斜和白象巖—獅子灘背斜區(qū)的S波高速特征更為明顯.

4.5 km深度P波速度圖(圖8c)的一個顯著特征是長寧地震區(qū)呈現(xiàn)出顯著的低速異常結(jié)構(gòu)，該低速結(jié)構(gòu)穿過雙河背斜區(qū)向南展布.該區(qū)在S波速度圖9c上的低速異常特征雖然不像P波那么明顯，但長寧地震區(qū)北部展現(xiàn)出相對較弱的低速特征.白象巖—獅子灘背斜呈現(xiàn)高速結(jié)構(gòu)，S波尤為明顯，其南部則存在明顯的P波和S波低速結(jié)構(gòu)體.長寧地震區(qū)南部的羅場向斜及玉和背斜區(qū)整體表現(xiàn)出P波和S波低速結(jié)構(gòu)，建武向斜區(qū)則整體呈現(xiàn)弱高速特征.

在6 km深度(圖8d和9d)上，長寧地震區(qū)所處的雙河背斜區(qū)呈現(xiàn)出明顯的P波和S波低速異常，S波尤為明顯.雙河背斜東西兩側(cè)的白象巖—獅子灘背斜和長寧背斜區(qū)依然呈現(xiàn)出P波和S波的高速結(jié)構(gòu).其南邊的玉和背斜及羅場向斜P波和S波速度結(jié)構(gòu)則整體呈現(xiàn)低速特征，而建武向斜區(qū)在P波和S波速度結(jié)構(gòu)中均表現(xiàn)為相對高速特征.

7.5 km深度(圖8e和9e)的主要特征與6 km一致，長寧地震區(qū)西側(cè)仍然存在P波和S波低速異常結(jié)構(gòu)，只是S波的低速特征并沒有6 km那么明顯.白象巖—獅子灘背斜周邊呈現(xiàn)明顯的P波和S波低速結(jié)構(gòu).

隨著深度的增加，在9、10.5和12 km深度(圖8f，8g，8h，9f，9g和9h)上，整個研究區(qū)內(nèi)的P波和S波速度結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出比較明顯的差異.白象巖—獅子灘背斜及其西北地區(qū)基本呈現(xiàn)P波高速、S波低速特征；而其東南至建武向斜地區(qū)，包括雙河背斜區(qū)在內(nèi)，整體呈現(xiàn)出P波低速、S波高速的特點(diǎn).

2.3 長寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)波速比結(jié)構(gòu)

波速比(VP/VS)是表征地殼介質(zhì)組分和力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)的重要參數(shù)(Zandt and Ammon, 1995; Owens and Zandt, 1997).低波速比的介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)，而高波速比則相反，對應(yīng)的介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)較弱，并指示著可能存在流體.基于本研究的高分辨率P波和S波速度結(jié)果，本文獲得了研究區(qū)內(nèi)的波速比結(jié)構(gòu)(圖10).需要指出的是，由于S波走時拾取誤差較大，且S波速度的分辨率相對P波也要低些，因此通常情況下直接通過P波和S波速度相除獲得的波速比會存在一定的誤差.但本研究獲得的P波和S波速度分辨率比較高，核心地區(qū)整體可達(dá)0.05°，因此通過兩者相除獲得的波速比在較大尺度上依然能夠反映真實(shí)波速比的信息.

在1.5、3和4.5 km深度(圖10a、10b和10c)上，白象巖—獅子灘背斜、雙河背斜及長寧背斜區(qū)整體展現(xiàn)出低波速比的特點(diǎn)，局部在1.5 km深度存在高波速比結(jié)構(gòu).建武向斜區(qū)整體呈現(xiàn)高波速比結(jié)構(gòu)，位于其西北邊的玉和背斜及羅場向斜區(qū)也整體表現(xiàn)為高波速比特征.整個區(qū)內(nèi)的絕大多數(shù)地震事件處于低波速比區(qū)內(nèi)，特別是本文重點(diǎn)研究的長寧地震序列.

圖10 長寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)波速比分布圖Fig.10 Tomographic VP/VS images around the source region of the 2019 Changning MS6.0 earthquake

圖11 不同垂直剖面的P波和S波速度及重定位的地震事件分布圖 5條剖面的位置如圖8a所示，白色圓圈代表了重定位的地震事件.Fig.11 Vertical P and S wave tomographic images with relocated earthquakes along different profiles The locations of the five profiles are shown in Fig.8a, and the white circles denote the relocated hypocenters.

在6 km深度(圖10d)，長寧地震區(qū)所在的雙河背斜附近表現(xiàn)為高波速比異常特征，白象巖—獅子灘背斜東端和長寧背斜西端也存在高波速比異常結(jié)構(gòu)，這可能指示著這些地區(qū)存在流體.而在7.5 km深度(圖10e)，白象巖—獅子灘背斜、雙河背斜和長寧背斜區(qū)整體表現(xiàn)為低波速比結(jié)構(gòu)，局部存在相對較高的波速比結(jié)構(gòu).隨著深度的增加，在9、10.5和12 km深度(圖10f、10g和10h)，長寧地震區(qū)西北部整體為高波速比區(qū)，東南部整體卻為低波速比區(qū).

2.4 長寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)垂直剖面結(jié)構(gòu)

為了更好地探究長寧MS6.0地震震源區(qū)的速度結(jié)構(gòu)及地震事件的垂向展布特征，本文沿著地震破裂方向及與之垂直及斜交的方向做了一系列絕對速度垂直剖面(圖11).并且，本文將距各剖面5 km范圍內(nèi)的重定位地震事件投影在各個剖面上.需要指出的是，本研究只利用走時數(shù)據(jù)對地震進(jìn)行重定位，因此得到的震源深度位置更偏向于地震初始破裂的位置.并且由于缺少近臺的約束，本研究對震源深度的控制相對較弱.為了更好地探討長寧MS6.0地震區(qū)的垂直速度特征，本文中的長寧地震震源深度采用了易桂喜等(2019)利用波形擬合方法獲得的結(jié)果——3 km，表示能量釋放的中心和破裂最大的位置.總體來看，S波速度結(jié)構(gòu)與P波速度結(jié)構(gòu)整體上體現(xiàn)出比較好的一致性，但P波速度圖揭示了更多小尺度的結(jié)構(gòu)特征.

沿著長寧地震破裂方向的AA′剖面顯示，白象巖—獅子灘背斜及雙河背斜整體呈現(xiàn)S波高速特征；而P波速度橫向不均一性比較強(qiáng)，整體表現(xiàn)為相對高速結(jié)構(gòu)，但局部存在弱低速結(jié)構(gòu).在6 km深度附近，長寧地震區(qū)存在明顯的P波和S波低速異常結(jié)構(gòu).長寧主震以東的長寧大背斜區(qū)P波和S波速度在6 km之上呈現(xiàn)明顯的高速特征.該剖面揭示出沿地震破裂方向的地震事件深度分布呈現(xiàn)出西北深、東南淺的特點(diǎn)，即長寧MS6.0地震以東地震震源深度基本在5 km以淺，事件數(shù)目也相對較少；而其以西地震震源深度逐漸加深，甚至超過10 km，地震數(shù)目也明顯更多，且深處分布了更多大震級地震.并且，震源的分布與高速結(jié)構(gòu)體的展布表現(xiàn)出較好的對應(yīng)關(guān)系，可能指示了高速結(jié)構(gòu)對地震孕育的重要作用.

與本次長寧地震破裂方向垂直的剖面BB′、CC′和DD′顯示，白象巖—獅子灘背斜及雙河背斜區(qū)整體呈現(xiàn)高速特征，S波速度尤為顯著，而P波速度橫向不均一性更強(qiáng).各剖面在6 km深度附近均存在明顯的P波和S波低速異常結(jié)構(gòu).此外，白象巖—獅子灘背斜及雙河背斜區(qū)南北兩側(cè)均存在明顯的低P波和S波速度異常結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)了四川盆地南緣和建武向斜區(qū).地震事件主要集中在白象巖—獅子灘背斜和雙河背斜區(qū)及建武向斜區(qū)內(nèi)，且成簇展布.并且，地震震級整體呈現(xiàn)出由深到淺逐漸減小的趨勢，大震級地震普遍接近地震簇的深部.當(dāng)然正如前文所說，本文采用的雙差地震方法對震源深度的約束相對較弱，因此該特征有待進(jìn)一步驗(yàn)證.

深地震反射剖面因?yàn)槟軌蜉^好刻畫地下精細(xì)結(jié)構(gòu)而廣受地質(zhì)和地球物理學(xué)界的認(rèn)可，因此我們將本次研究獲得的速度結(jié)果(圖11中的剖面EE′)與早前的地震反射剖面(何登發(fā)等, 2019)進(jìn)行了對照.因?yàn)楸卷?xiàng)研究的關(guān)注重點(diǎn)主要集中在包括白象巖—獅子灘背斜及雙河背斜在內(nèi)的長寧大背斜區(qū)附近，所以本文主要與其反射剖面東段進(jìn)行對照.總體上看，兩者體現(xiàn)出非常好的一致性，這也進(jìn)一步驗(yàn)證本項(xiàng)研究結(jié)果的可靠性.鉆井獲得的地層剖面揭示長寧大背斜核部為厚達(dá)3 km的寒武紀(jì)和震旦系地層(何登發(fā)等, 2019)，本文的結(jié)果也顯示長寧大背斜核部展現(xiàn)出3 km左右的高速結(jié)構(gòu)，其下方則為相對低速結(jié)構(gòu)，P波尤為明顯.地震簇指示的活躍斷層分別位于建武向斜的南翼和長寧大背斜的核部附近，表明這些部位可能發(fā)育著構(gòu)造裂縫或節(jié)理.長寧大背斜的兩翼地震事件則較少，可能表明這些區(qū)域現(xiàn)今并不存在活躍的構(gòu)造活動帶.

3 討論

本文的重定位結(jié)果顯示，長寧MS6.0地震序列主要沿著NW-SE方向展布，與白象巖—獅子灘背斜軸部相對應(yīng)(圖7b).地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)白象巖—獅子灘背斜軸部發(fā)育了一組規(guī)模較大且延伸較遠(yuǎn)的NW向節(jié)理(常祖峰等, 2020)及一系列切穿寒武系地層的逆沖斷層(何登發(fā)等, 2019)，這可能構(gòu)成本次長寧地震序列的發(fā)震斷層體系.本次長寧地震呈現(xiàn)出明顯的單向破裂特征，絕大多數(shù)余震事件集中分布于主震西北部，而其東南部余震則極少(圖7b和圖11a).并且，從平行于地震破裂方向的垂直剖面(圖11a)來看，地震事件的深度分布呈現(xiàn)出明顯的西北深、東南淺特征.從速度和波速比結(jié)構(gòu)(圖8、9、11)來看，相較于白象巖—獅子灘及雙河背斜區(qū)，長寧背斜區(qū)在6 km之上展現(xiàn)出更明顯的高度特征，特別是在分辨能力更好的P波速度.高速結(jié)構(gòu)對應(yīng)著低孔隙度、高密度、強(qiáng)力學(xué)性質(zhì)(Tenthorey et al., 2003)，因此不容易發(fā)生破裂，而要使其破裂則需要更大的應(yīng)力累積.這可能是此次長寧地震東南部沒有發(fā)生較大破裂而呈現(xiàn)明顯單向破裂特征的緣由.

整個研究區(qū)內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)在6 km之上(圖8a—8c、圖9a—9c和圖11)橫向不均一性比較強(qiáng)，速度結(jié)構(gòu)體整體呈NW-NWW向展布；而在7.5～12 km(圖8d—8h、圖9d—9h和圖11)內(nèi)橫向不均一性則較弱，速度結(jié)構(gòu)體整體呈NNE或SN向展布.這種速度結(jié)構(gòu)不均一性及展布方向在深度上的改變可能指示著該區(qū)6 km之上基本為沉積層，而7.5 km之下則基本為結(jié)晶基底，上下可能存在解耦.早前的研究表明該區(qū)的沉積層厚度為3～6 km(熊小松等, 2015; Wang et al., 2017; Liu and Zahradník, 2020)，與本文的結(jié)果基本一致.該區(qū)絕大多數(shù)地震事件震級較小、震源深度較淺，這表明該區(qū)地震活動主要受沉積層結(jié)構(gòu)的控制.而該區(qū)發(fā)育的大量盲斷層(吳奇等, 2015; Lei et al., 2019a)和微裂縫(何登發(fā)等, 2019)可能與沉積層內(nèi)地震密集發(fā)生有著密切聯(lián)系.

深入研究震源區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力情況有助于了解其孕育和發(fā)生的力學(xué)過程.研究區(qū)處于四川盆地邊緣構(gòu)造轉(zhuǎn)換地帶，因此局部構(gòu)造應(yīng)力場差異明顯(易桂喜等, 2019).各向異性研究結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)快波偏振方向?yàn)镹E-SW向(石玉濤等, 2013; 吳朋等, 2017; 高原等, 2018, 2020)，對應(yīng)著近NW-SE向的主壓應(yīng)力場.古應(yīng)力研究表明該區(qū)在四川盆地多旋回構(gòu)造作用的影響下，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動，先后經(jīng)歷了早白堊世E-W向擠壓作用、晚白堊世近S-N向擠壓作用、早新生代NE-SW向擠壓作用及現(xiàn)今的NW-SE向擠壓作用(覃作鵬等, 2013).多期構(gòu)造應(yīng)力的疊加也與該區(qū)復(fù)雜的速度結(jié)構(gòu)有著密不可分的聯(lián)系.震源機(jī)制解研究有助于了解震源區(qū)在地震發(fā)生時的力學(xué)過程.長寧地震的震源機(jī)制解研究結(jié)果雖有些許差異，但總體認(rèn)為以NE-SW向擠壓為主(易桂喜等, 2019; 胡曉輝等, 2020)，而這與該區(qū)現(xiàn)今NW-SE向的主壓應(yīng)力場并不一致，卻與早新生代的NE-SW向擠壓應(yīng)力場一致，可能指示著本次長寧地震的發(fā)生與古構(gòu)造應(yīng)力的釋放有著密切聯(lián)系.

我們的成像結(jié)果顯示，長寧地震序列所在的白象巖—獅子灘背斜和雙河背斜區(qū)在6 km之上整體呈高波速、低波速比特征.但長寧地震主震區(qū)在6 km深度附近表現(xiàn)出明顯的P波和S波低速及高波速比異常結(jié)構(gòu)，指示著可能存在流體.早前有研究認(rèn)為，長寧地震區(qū)附近的頁巖氣水力壓裂或深井采鹽注水活動可能對該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力加載水平等方面造成了影響.長時間注射的高壓水在進(jìn)入已有的斷層或微裂縫之后，造成孔隙壓力增大，并改變斷層面的摩擦屬性(朱航和何暢, 2014; Sun et al., 2017).總體上看，在構(gòu)造應(yīng)力的主體作用及流體的誘發(fā)作用下，白象巖—獅子灘背斜和雙河背斜區(qū)核部發(fā)育的斷層構(gòu)造發(fā)生破裂、錯動(常祖峰等, 2020)，從而導(dǎo)致本次長寧序列地震的發(fā)生.

而對于大家普遍比較關(guān)心的問題，即為什么本次長寧地震主震發(fā)生后相繼發(fā)生了一系列5級及以上中強(qiáng)地震，本文也可以給出一個可能的解釋.背斜在構(gòu)造應(yīng)力作用下，核部不可避免地會發(fā)育一系列微裂縫或小斷層(圖1b).隨著構(gòu)造應(yīng)力的不斷累積，斷層發(fā)生錯斷，導(dǎo)致長寧地震的發(fā)生.而作為新的斷層體系，一次錯斷是不徹底的，因此會接二連三地發(fā)生錯動，導(dǎo)致數(shù)個中強(qiáng)地震接連發(fā)生.而在這個過程中，背斜核部的發(fā)震斷層會被進(jìn)一步貫穿，并逐漸達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài).

4 結(jié)論

本文通過收集研究區(qū)內(nèi)的豐富地震走時資料，利用雙差地震成像方法對2019年6月17日四川長寧MS6.0地震序列進(jìn)行了重定位，并獲得了震源區(qū)及鄰區(qū)的三維體波速度結(jié)構(gòu).基于獲得的高分辨率P波和S波速度結(jié)果，本文進(jìn)一步得到了波速比結(jié)構(gòu).根據(jù)本研究的結(jié)果，主要可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

(1)長寧MS6.0地震序列主要沿著NW-SE方向展布，與白象巖—獅子灘背斜軸部相對應(yīng)，且該區(qū)在6 km之上整體呈高波速、低波速比特征.但是，長寧地震主震區(qū)在6 km深度附近呈現(xiàn)出明顯的低速、高波速比異常結(jié)構(gòu)，指示著6 km深度附近可能存在流體.

(2)相較于白象巖—獅子灘和雙河背斜區(qū)，長寧背斜區(qū)明顯更高的波速特征一直持續(xù)到6 km深度附近.因此，力學(xué)性質(zhì)更強(qiáng)的長寧背斜可能阻擋了此次長寧地震的東南向破裂，而使其呈現(xiàn)顯著的單向破裂特點(diǎn).

(3)研究區(qū)內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)在6 km之上橫向不均一性比較強(qiáng)，速度結(jié)構(gòu)整體呈NW-NWW向展布；而在7.5～12 km橫向不均一性則較弱，速度結(jié)構(gòu)整體呈NNE或SN向展布.這種結(jié)構(gòu)特征在深度上的變化可能指示著該區(qū)6 km之上基本為沉積層，而7.5 km之下則基本為結(jié)晶基底，上下可能存在解耦.該區(qū)絕大多數(shù)地震事件震級較小，且集中發(fā)生在6 km以淺，表明該區(qū)絕大部分地震活動主要受沉積層結(jié)構(gòu)的控制.

(4)長寧地震發(fā)震斷層可能是一條發(fā)育在白象巖—獅子灘和雙河背斜區(qū)核部的新斷層.該斷層接連發(fā)生長寧MS6.0地震及包含數(shù)個M5.0以上的中強(qiáng)震在內(nèi)的余震序列.而在整個過程中，該新斷層也在不斷貫穿并逐漸趨于穩(wěn)定.

當(dāng)然，該區(qū)地震危險性依然很高，值得大家持續(xù)關(guān)注和開展更細(xì)致的研究工作.

致謝感謝國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心和四川省地震局提供的地震數(shù)據(jù)，感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張海江教授提供的tomoDD-SE程序.感謝三位審稿專家提供的寶貴修改意見及建議.本文的圖件是利用GMT軟件繪制的，在此一并感謝.