陳 揚 陳 輝 彭 露 周玉柱 李夢媛

1 成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都市東三路1號，610059 2 成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都市東三路1號，610059 3 成都理工大學數學地質四川省重點實驗室，成都市東三路1號，610059 4 成都理工大學計算機與網絡安全學院(牛津布魯克斯學院)，成都市東三路1號，610059

2019-06-17四川長寧地區(qū)發(fā)生MS6.0地震，震中位于長寧縣雙河鎮(zhèn)，震源深度16 km，極震區(qū)烈度達Ⅷ度，四川、云南、貴州、重慶等多地震感明顯。此次MS6.0地震是四川盆地邊緣地區(qū)歷史最大地震[1]，使得長寧地區(qū)地震災害研究再次回到地震學術界視野[2-3]。

2015年以來，長寧地區(qū)中等強度地震頻發(fā)。部分學者認為這一系列地震與工業(yè)作業(yè)、流體注入有關[4-9]，也有學者認為與區(qū)域復雜的地質構造相關[1,10]。關于此次長寧MS6.0地震的孕震機理目前仍存在較大爭議。地震序列精確定位后的空間展布特征和震源機制反演特征是確定序列發(fā)震構造和判定孕震機理的有效方法，而長寧MS6.0地震發(fā)生后，國內外相關研究機構給出的地震震源機制解差異巨大。為此，本文采用寬頻帶波形資料和震相報告數據，使用Geiger重定位方法對長寧MS6.0地震序列空間分布特征展開研究，然后使用ISOLA近震全波形反演方法對序列中MS≥5.0地震震源機制進行反演，討論本次長寧地震發(fā)震成因，以期研究該區(qū)域地震觸發(fā)機制和孕震機理，為后期長寧地區(qū)工業(yè)注水活動提供參考。

1 區(qū)域地質概況

長寧地區(qū)位于四川盆地南緣，揚子板塊西緣，地震活動頻繁。長寧MS6.0地震震中位于長寧-雙河復式大背斜，背斜軸跡呈NW-SE方向展布，其中西北區(qū)域狹窄、東南區(qū)域寬廣，背斜從西北端向西南端彎曲成近東西方向(圖1)。震中區(qū)以西為華鎣山斷層帶，由若干大小不等的斷層組成；震中區(qū)以東發(fā)育多條平行褶皺構造帶，對區(qū)域內沉積構造和構造變形作用明顯[10]。震中區(qū)內褶皺斷裂走向較為復雜，主要為NE、NW、EW向，可能與揚子板塊周圍構造帶的相互擠壓[11]以及多期構造作用有關[12]。

圖1 長寧區(qū)域地質構造[10]Fig.1 Regional geological structure of Changning

2 地震序列重定位

2.1 方法與數據

采用Geiger定位法對長寧地震序列(2019-06-17～07-04)進行震源重定位。Geiger定位法是通過地震波的走時和空間關系建立目標函數：

(1)

選取迭代初值m0=(x0,y0,z0,t0)求導獲得校正量，使用奇異值分解(SVD)最小二乘法求解，使時間殘差逐漸最小化，從而獲得最優(yōu)定位解[13]，重定位流程見圖2。

圖2 地震震源重定位流程Fig.2 Flow chart of hypocenter relocation

截至2019-07-04 11:00，共記錄到MS2.0及以上余震563次。其中，5.0～5.9級地震4次，4.0～4.9級地震21次，3.0～3.9級地震83次，2.0～2.9級地震455次。根據Wen等[14]對四川區(qū)域地下一維層狀速度模型的研究成果(表1，表中M為莫霍面深度)，對長寧MS6.0地震及余震進行重新定位。

表1 一維速度模型

2.2 重定位結果分析

為確保得到精確的重定位結果，對余震進行嚴格篩選，標準為：1)震級≥2.0；2)至少被6個地震臺站所接收；3)將研究區(qū)劃分成0.5 km×0.5 km×0.5 km小格，區(qū)塊中如果含有地震事件，則只選擇最大數量的臺站所記錄的地震事件，防止地震過度集中和維持相對統(tǒng)一的空間分布；4)每次地震至少包含4次P波或S波初至時間。剔除不符合條件的地震震中數據，最后得到研究區(qū)域463次地震的震中位置。

通過Geiger定位法得到長寧地震主震及余震震中分布(圖3)。從圖中可以看出，地震序列總體沿NW65°方向展布，長約25 km，寬約10 km，呈條帶狀分布。地震序列震源深度表現為西深東淺、北深南淺，即沿著NW-SE方向為北西深、南東淺。深度統(tǒng)計結果(圖4)顯示，重定位前余震震源深度在0～15 km之間，中小地震發(fā)震層位深度在15 km以上，主要分布于中上地殼，絕大多數地震深度分布在3～8 km，重定位后線性集中趨勢更加顯著，震中多集中分布在2～6 km之間，5次MS≥5.0地震的發(fā)震深度均在6～10 km之間。

圖3 長寧地震序列震源重定位分布Fig.3 Hypocenter relocation distribution of Changning earthquake sequence

圖4 重定位前、后震源深度統(tǒng)計對比Fig.4 Comparison of hypocenter depth statistics before and after relocation

3 ISOLA矩張量反演

3.1 方法與數據

反演數據來源于四川區(qū)域地震臺網提供的長寧MS6.0地震以及4次MS≥5.0余震震相報告。采用ISOLA全波形反演方法進行震源機制反演[15]。ISOLA方法是將時間域迭代反卷積多點源矩張量反演方法發(fā)展到全波形矩張量反演中，其中任意矩張量產生的地震記錄均是基本地震記錄的線性組合，即

(2)

d=Gm

(3)

式中，d為N個波形值的列向量(每個三分量臺站包含的所有時間樣本)，G為N×6系數矩陣，每列為G1、G2、…、G6(每列都與d以相同方式排序)，m為mi系數的列向量。

由于波形反演得到的超定方程d=Gm無精確解，故采用最小二乘法得到近似解。將方程寫為：

m=(GTG)-1GTd

(4)

經過最小二乘法和網格搜索法等對地震最優(yōu)矩張量解進行反演。反演得到的矩張量m為對稱方陣，可進一步將其分解為ISO(isotropic)、DC(double couple)以及CLVD(compensated linear vector dipole)[16]，即m=mISO+mDC+mCLVD。最后利用約化方差(VR)和條件數(CN)來快速評估理論波形和觀測波形之間的相關性。

3.2 矩張量反演結果

在利用ISOLA方法時，首先基于臺站對地震事件包圍相對完整、地震波形信噪比高、P波初動明顯的原則，對長寧MS6.0地震區(qū)域50～200 km之間的臺站進行篩選(圖5)。將震中坐標固定，在震源深度方向(Z方向)進行搜索，搜索深度范圍為1～10 km，搜索步長設為1 km，每個臺站的濾波頻帶范圍設定為0.04～0.09 Hz。采用Liu等[2](圖6)的速度模型和離散波速法[17]計算全場格林函數，按照臺站震中距合成理論地震圖，在計算格林函數時，矩心時間在發(fā)震時刻5 s范圍內以0.25 s作為搜索步長，并采用全矩張量求解模式進行計算，最終反演得到長寧MS6.0地震震源機制解(圖7～9)。

從圖7、8可以看出，當矩心時間和矩心深度發(fā)生變化時，最終解的觀測波形與合成波形的互相關系數也隨之發(fā)生變化，當矩心時間為2.25 s、矩心深度為4 km時，互相關系數達到最高值0.916。圖9為最終解的觀測波形與合成理論地震圖。10個臺站中，剔除在反演過程中波形擬合較差的三分量波形數據后，平均約化方差VR=84%。長寧MS6.0地震震源參數顯示(表2)，主震節(jié)面Ⅰ走向/傾角/滑動角分別為20°/72°/151°，節(jié)面Ⅱ走向/傾角/滑動角分別為120°/62°/21°，P軸方位角、傾角分別為71°、6°，T軸方位角、傾角分別為337°、33°。

圖5 主震震中與地震臺站分布Fig.5 Distribution of epicenter and seismic stations

圖6 長寧地區(qū)地殼一維速度模型Fig.6 1-D crustal velocity model in Changning area

圖7 矩心深度與互相關系數Fig.7 Centroid depth and cross-correlation coefficient

圖8 長寧MS6.0主震矩心深度和波形互相關系數Fig.8 Centroid depth and cross-correlation coefficientof waveforms of Changning MS6.0 main shock

4 討 論

4.1 矩張量反演參數穩(wěn)定性評估

使用刀切法[18]評估矩張量反演參數的穩(wěn)定性，對長寧地震序列震源機制解展開研究。首先加入反演所需的地震臺站，根據Liu等[2]的一維速度模型，使用每次增減一個臺站或增減一個三分量臺站通道的方法，使得每個地震事件的所有斷層均向對應的震源球進行反演，圖10為5次地震的所有解節(jié)線圖。從圖中可以看出，5次地震斷層面節(jié)面線分布均較為集中，說明多次反演結果穩(wěn)定，震源機制反演參數值可靠。

紅色波形表示合成波形，黑色波形表示觀測波形，灰色波形表示未參與反演，藍色數字為約化方差圖9 觀測波形與合成波形對比Fig.9 Comparison between observed and synthetic waveform

表2 長寧地震序列震源機制解

圖10 采用刀切法分析震源參數不確定性Fig.10 Uncertainty of source parametersby Jackknifing method

4.2 孕震機理探討

對長寧地震序列重新定位后，發(fā)現地震序列總體沿NW65°方向呈長條狀分布，震中多集中在2～6 km深度，長寧主震震中分布在余震區(qū)東南端，絕大多數余震位于MS6.0地震北西側，主震附近及南東側余震較少，呈現單側破裂特征。研究地震序列震源深度整體分布趨勢發(fā)現，地震序列表現為西深東淺、北深南淺特征，即沿著NW-SE方向為北西深、南東淺。根據長寧地震重定位后的震源深度特征，沿長寧地震破裂方向AA′作垂直剖面圖[19](圖11)。

圖11 P波和S波速度垂直剖面圖Fig.11 P and S wave velocity profiles

圖11中色度代表相對速度擾動值，從圖中可以看出，長寧MS6.0地震震中處于P波和S波高低速異常體的過渡帶，P波和S波在橫向上均表現出較強的不均一性，圖中長寧MS6.0地震附近P波和S波速度高于左側，說明研究區(qū)地下東南部比西北部巖層結構更加致密，力學性質更強，使得巖層不易發(fā)生破裂和錯動。主震產生的地震波能量向西北部擴展，導致余震在主震西北方向密集分布。矩張量反演結果顯示，節(jié)面Ⅰ走向/傾角/滑動角分別為20°/72°/151°；節(jié)面Ⅱ走向/傾角/滑動角分別為120°/62°/21°，震源深度為6 km。本研究得到的震源機制解與中國科學院地質與地球物理研究所給出的結果較為一致，結合重新定位后的地震分布特征，認為節(jié)面Ⅱ為長寧地震主震斷層面，為發(fā)育在白象巖-獅子灘背斜的高傾角左旋走滑型地震。主震震源矩心深度為4 km，主壓應力軸方位角、傾角分別為71°、6°，主張應力軸方位角、傾角分別為337°、33°，與余震展布特征一致。通過分析每次地震的斷層面傾角特征可知，2019-06-17珙縣MS5.1地震發(fā)震斷層為逆傾滑動斷層，其余3次余震發(fā)震斷層均為逆沖型斷層。矩張量反演結果如表3所示，其中約化方差VR、條件數CN用來評判反演結果的正確性。從表中可以看出，5次地震DC含量均小于70%，其中2019-06-17珙縣MS5.1地震DC含量更是低至22.3%，地震中存在較大的非雙力偶成分，表明此次長寧MS6.0地震并非簡單的構造地震。長寧地區(qū)注水活動頻繁，而此次長寧地震序列震源深度較淺，震中多集中分布在2～6 km深度，5次MS≥5.0地震矩心深度均小于10 km，同時表3中震源機制數據顯示非雙力偶含量(ISO+CLVD)占比很高，推測長寧地震的發(fā)生與工業(yè)注水活動息息相關。該結論與Wang等[8]和Li等[20]的研究結果一致。此外，長寧MS6.0地震序列震源機制解顯示，發(fā)震斷層走向以NW向和近NS向為主，P軸方位角以NE-近EW方向為主(表2)，長寧地震序列總體表現出NE-SW向擠壓，少量NW-SE向張拉特征。該特點反映出本次地震序列震源區(qū)域的主壓應力方向應該為NE-SW向。但發(fā)生在長寧地震南側的2018-12-16興文MS5.7和2019-01-03珙縣MS5.3地震呈現出NW-SE向擠壓和NE-SW向拉張?zhí)卣鱗1]，相隔不遠卻呈現出完全相反的應力場特征，說明四川盆地南部邊緣地區(qū)構造變形特征具有顯著差異，該區(qū)應力場轉變復雜。

表3 ISOLA矩張量反演結果

5 結 語

1)由地震序列重定位得到的463條震源數據可知，長寧MS6.0地震余震總體呈條帶狀分布在白象巖-獅子灘背斜。主震位于地震序列東南端，而絕大多數余震位于主震西北端，呈現單側破裂特征。分析P波和S波速度剖面可知，長寧地震序列東南端地下巖層結構更加致密，力學性質更強，使得巖層不易發(fā)生破裂和錯動。余震震源深度在0～15 km之間，絕大多數地震震中分布在2～6 km深度，沿NW-SE方向深度特征表現為北西深、南東淺。

2)主震矩震級為MW5.78，震源矩心深度為4 km，斷層面走向/傾角/滑動角為120°/62°/21°，為高傾角左旋走滑型地震。主壓應力軸方位角、傾角分別為71°、6°，主張應力軸方位角、傾角分別為337°、33°，與余震展布特征相符。2019-06-17珙縣MS5.1地震發(fā)震斷層為逆傾滑動斷層，2019-06-18長寧MS5.3、2019-06-22珙縣MS5.4以及2019-07-04珙縣MS5.6地震發(fā)震斷層均為逆沖型斷層。

3)從長寧MS6.0地震主震和4次MS≥5.0余震震源機制反演結果來看，雙力偶(DC)成分占比均不高，非雙力偶(ISO+CLVD)成分占比很高，且5次MS≥5.0地震矩心深度均小于10 km，同時層析成像結果表明長寧地震處于P波和S波高低速異常體的過渡帶，表明此次地震并非構造地震。此次長寧MS6.0地震序列應力場表現為以NE-SW向擠壓為主，而發(fā)生在長寧區(qū)域南側的2018-12-16興文MS5.7地震和2019-01-03珙縣MS5.3地震均表現為以NW-SE向擠壓為主，兩者應力場方向差別明顯，表明長寧區(qū)域應力場較為復雜。綜合分析認為，此次長寧地震為流體注入以及地質構造活動共同引發(fā)。

致謝：感謝四川省地震局提供相關地震數據。