珊溪水庫地震波速比時空分布特征

鐘羽云 張震峰 闞寶祥

1 浙江省地震局，杭州市塘苗路7號，310007

水庫蓄水后將導(dǎo)致庫水向下滲透，改變庫基巖體的應(yīng)力狀態(tài)和介質(zhì)性質(zhì)，誘發(fā)地震活動［1］。由于水的作用，地殼介質(zhì)的物理性狀將產(chǎn)生一系列變化，如出現(xiàn)微破裂、擴容、塑性硬化及相變等，地震波通過地殼介質(zhì)時，地震波速、波速比和地震波Q值等與震源區(qū)介質(zhì)有關(guān)的參數(shù)均將發(fā)生變化。巖石力學(xué)實驗也表明，巖石中流體的存在將會影響巖石介質(zhì)的地震波傳播特性。例如，施行覺等［2］通過實驗測量和理論計算認為，當(dāng)飽和度高于某值時含水量的增加可使P 波波速增加30%左右。史謌等［3］認為地震波速度不僅與巖石飽和度有關(guān)，還與不同飽和階段的孔隙流體分布有關(guān)，并且進水和失水過程中縱波、橫波速度與飽和度關(guān)系顯示出不同的規(guī)律。

本文使用多臺和達法計算珊溪水庫地震序列地震波速比，結(jié)合地震序列的時空分布特征和發(fā)震構(gòu)造，分析序列的波速比時空分布特征，探索其在地震預(yù)測中的應(yīng)用，并用“擴容－流體擴散或擴容－進水模式”（簡稱DD 模式）進行解釋。

1 地震活動與地質(zhì)背景

珊溪水庫位于浙江省溫州市飛云江干流上游河段，壩址位于文成縣珊溪鎮(zhèn)上游1km 的峽谷處，水庫絕對壩高156.8 m，壩長308 m，設(shè)計最大庫容18.24×109m3，最高水位154.75 m。水庫蓄水之前，庫區(qū)歷史上沒有發(fā)生過地震。水庫于2000－05－12開始下閘蓄水，2002－07－28 發(fā)生3.5級地震，之后庫區(qū)每年都有地震活動。截止到2014－07－31，珊溪水庫記錄到0級以上地震共3 869次，其中3.0～3.9級地震46次，4.0級以上地震13次，最大為2006－02－09的4.6級地震。地震具有成叢、成組分布的特點（圖1），每一組地震相當(dāng)于一次震群活動。因此，珊溪水庫地震序列是由多個震群構(gòu)成的地震活動。震群是指最大震級與次大震級之差ΔM小于0.6［4］，地震活動緩慢開始并緩慢結(jié)束且數(shù)目很多的一群地震。通常使用震級差ΔM、地震能量釋放均勻度U和地震能量分布均勻度K等參數(shù)來描述和判定地震序列類型，如果K≥0.05，則為震群型［5］。2002－07－28～2013－12－31珊溪水庫地震序列主要由5次震群活動組成（表1）。

珊溪水庫位于華南褶皺系浙東南褶皺的溫州－臨海坳陷帶南部，即泰順－溫州斷坳。庫區(qū)在太古代結(jié)晶基底上，沉積了巨厚的中生代火山碎屑及河湖相沉積，庫區(qū)巖性主要為侏羅系上統(tǒng)火山碎屑巖、白堊系下統(tǒng)河湖相沉積巖夾火山巖。庫區(qū)的斷裂構(gòu)造以北東向壓扭性、北西向張扭性斷裂構(gòu)造為主，其次為東西向和南北向，斷層規(guī)模都很小，寬度多在10m 以內(nèi)，長度均小于25km，深度達5km 以上，切穿基底變質(zhì)巖。庫區(qū)范圍內(nèi)有14條斷裂，多為蓋層斷裂，發(fā)育在上侏羅統(tǒng)火山巖及下白堊統(tǒng)火山沉積巖地層中。北東向斷裂帶內(nèi)擠壓構(gòu)造透鏡體、劈理發(fā)育，形成于前中生代，破碎帶剝蝕較淺，往往被北西向斷裂切割。北西向斷裂帶內(nèi)擠壓構(gòu)造透鏡體、斷層泥及片理發(fā)育，斷裂形成于燕山晚期。

圖1 珊溪水庫地震序列分布Fig.1 Shanxi reservoir earthquake sequence distribution

表1 珊溪水庫地震序列震群參數(shù)Tab.1 Shanxi reservoir earthquake swarm parameter for sequence earthquake

對地震重新定位表明，絕大部分地震發(fā)生在大壩上游的文成縣珊溪鎮(zhèn)與泰順縣包垟鄉(xiāng)交界處的水庫庫區(qū)，集中分布在一個由北西向f11和f9、北東向f7和近南北向f3多組斷裂圍限的梯形塊體內(nèi)，塊體內(nèi)有近東西向斷裂f14穿過（圖2，藍：2002～2003，綠：2004～2005，紫：2006－02，紅：2006－03之后）。

圖2 珊溪水庫庫區(qū)震中與斷裂分布圖Fig.2 Shanxi reservoir epicenter and fault distribution

發(fā)震構(gòu)造研究表明，珊溪水庫地震序列是由NW 向雙溪－焦溪垟斷裂fl1右旋走滑的主破裂與NE向南浦－焦溪垟斷裂f7、NW 向東坑－章坑斷裂f9、NEE向巖上斷裂f14等多個次要破裂共同作用的結(jié)果［6］。并且地震活動有沿斷裂遷移的現(xiàn)象：2002～2003地震主要發(fā)生在水庫淹沒區(qū)，震中比較集中（圖2）；2004～2005地震開始向水庫南岸遷移，震中變分散；2006年后震中的優(yōu)勢分布方向為NW，與穿過庫區(qū)的NW 向雙溪－焦溪垟斷裂走向一致［7－8］，并且2006－02地震主要發(fā)生在水庫南岸的雙溪－焦溪垟斷裂東南段，2006－03以后的地震則分布在整個老震區(qū)。

2 資料與數(shù)據(jù)處理

利用浙江、福建區(qū)域臺網(wǎng)資料和珊溪水庫地震臺網(wǎng)資料，采用多臺和達法計算珊溪水庫地震序列波速比，即根據(jù)P波走時和P波、S波到時差的線性關(guān)系得到波速比值（vP／vS）、線性相關(guān)系數(shù)R和波速比的計算誤差γ。

影響波速比計算精度的主要因素有直達P波和S波的到時判讀精度、參與擬合的臺站個數(shù)和地震定位精度等。為盡可能降低上述因素的影響，本文選擇P 波、S 波到時差Δt≤14s的臺站數(shù)據(jù)，即距離震中小于120km 的臺站直達波到時資料進行計算。由于珊溪水庫地震震中非常集中，減少了地震分布過于分散而導(dǎo)致路徑差異增大的影響，提高了波速比計算的穩(wěn)定性。珊溪水庫地震震中120km 范圍內(nèi)有18個臺站，其中震中30km 范圍內(nèi)有7 個臺站。每次計算地震波速比時，至少有4 個臺站以上的數(shù)據(jù)（一律采用Pg和Sg震相數(shù)據(jù)），最多達到18 個臺站數(shù)據(jù)。地震震相的判讀精度將直接反映在相關(guān)系數(shù)和計算誤差中，如果震相的判讀精度較低，則導(dǎo)致波速比計算誤差過大，湮沒波速比的異常信息。使用重新定位后的發(fā)震時刻數(shù)據(jù)進行波速比計算，選取相關(guān)系數(shù)R≥0.95、計算誤差γ≤0.085（即大于5%的波速比異常是可信的）的結(jié)果，得到768次地震波速比計算結(jié)果。珊溪水庫90%的地震波速比分布在1.66～1.75，波速比平均值為1.70，計算誤差集中分布在0.01～0.05，并且波速比并不隨震源深度而變化（圖3）。雖然2002－07～2003－03 震中區(qū)沒有地震觀測臺站，但是震中120km 范圍內(nèi)有11個臺站，臺站分布也比較合理，1.8級以上地震均在4個以上臺站中有記錄，波速比計算的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，能夠滿足計算的擬合精度。2003－04以后震中區(qū)先后建起地震臺站，資料更為豐富。

圖3 珊溪水庫地震波速比、誤差分布以及波速比隨震源深度的變化Fig.3 Shanxi reservoir seismic wave velocity and the error distribution，and changes of wave velocity ratio with focal depth

3 時間和空間變化特征

珊溪水庫地震序列包含有多組地震活動，每一組地震可以劃分成2個階段：開始階段2次地震間的時間間隔短、頻度高，震中位置集中；后一階段地震之間的時間間隔逐漸增長，頻度逐漸降低，震中開始向周邊遷移。波速比的變化與地震的階段性分布特征有一定的關(guān)系，每組地震開始階段的波速比均呈現(xiàn)出快速下降，后一階段波速比呈現(xiàn)出緩慢上升的變化，并且下降比上升要快；每兩組地震之間的波速比一般都呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。因此，可以把珊溪水庫地震序列波速比的變化歸納為“下降－回升－發(fā)生一組地震”（圖4）。一次震群結(jié)束后到下一次震群發(fā)生前的一段時間，地震頻度低，持續(xù)時間相對較長，圖4對波速比逐漸回升的過程顯示得比較清楚。由于每一次震群包含的地震次數(shù)很多，圖4對每一次震群波速比的變化過程顯示不清楚，為了能夠更清楚地了解波速比的變化過程，把表1 所列震群（2005年的震群由于樣本少而沒有包括）開始階段的波速比繪于圖5?？梢钥吹剑?次震群的開始階段波速比均呈現(xiàn)出下降趨勢。

圖4 珊溪水庫地震波速比隨時間變化Fig.4 Shanxi reservoir seismic wave velocity ratio changes with time

圖5 表1中每次震群開始階段波速比變化Fig.5 Variation of wave velocity ratio of earthquake swarm in Shanxi reservoir

一次地震就是一次巖體破裂或一次原有斷裂的重新活動，小震的發(fā)生形成了良好的滲水通道，導(dǎo)致庫水滲入較深部位或者周邊其他地方，引發(fā)后續(xù)地震。每一組地震的開始階段由于地震密集發(fā)生，巖體破裂后，水的滲透速率未能使巖石達到水飽和狀態(tài)，巖體主要表現(xiàn)為孔隙度增加、飽和度減小，從而導(dǎo)致波速比下降；后一階段由于地震的時間間隔增加，水在巖體中的滲透更加充分，巖石的水飽和度逐漸增加，最終處于飽和狀態(tài)，波速比緩慢回升。隨著巖石的水飽和度增加，孔隙壓力增大，斷層面的有效剪應(yīng)力減小，斷層滑動的危險性增加，新一叢地震又將開始。因此，每一叢地震的開始階段波速比較大，隨后逐漸減小。孔隙流體是引起波速比變化的主要原因，符合DD 模式對波速比變化的解釋。

波速比的變化和震中位置的遷移有一定關(guān)系，地震遷移到新的位置時最初幾次地震的波速比一般較大，隨后逐漸減小。例如，2002－07地震主要發(fā)生在雙溪－焦溪垟斷裂水庫淹沒區(qū)一段，2003－08地震開始向水庫南岸遷移，直至2005年地震均發(fā)生在水庫南岸。與此相應(yīng)，2003－08－21發(fā)生的1.8級地震波速比為1.736，隨后波速比逐漸減小，至2005－08－27發(fā)生的2.1級地震波速比為1.673 7，減小了約4%。2006－02地震雖然仍發(fā)生在水庫南岸，但開始向東靠近雙溪－焦溪垟斷裂方向遷移，開始了新的一叢地震活動。這一叢地震最初幾次地震波速比均大于1.71，其中2006－02－04的4.2級地震波速比達到1.761 7，此后，波速比逐漸減小，至2006－02－09 的1.8 級地震波速比為1.599 5，減小約9%。

將2002－07～2014－02共計764次地震的波速比按照500m×500 m 網(wǎng)格，繪出波速比的空間分布圖（圖6）。圖6表明，沿雙溪－焦溪垟斷裂波速比分布不均勻，總體上是靠近斷裂且位于水庫淹沒區(qū)的西北段波速比較小，靠近斷裂且位于水庫庫岸的東南段較大，但離開斷裂一定距離后情況又有所不同。事實上，震中離開斷裂的距離間接地反映了震源深度，即離開斷裂越遠則震源深度越大。為研究波速比在深度方向的分布，在雙溪－焦溪垟斷裂西南側(cè)選取點A（119.93°E，27.72°N）和點B（120.07°E，27.64°N），AB為通過震中區(qū)且平行于雙溪－焦溪垟斷裂的直線。將AB兩側(cè)各5km 的地震波速比全部投影到AB剖面上，按照500m×1 000m 進行網(wǎng)格化，繪出波速比在AB垂直剖面上的分布（圖7）。圖7表明，波速比存在3個低值區(qū)。第1個低值區(qū)位于點A東南約4km 處，從較淺的2km 處一直延伸到6km 處。該區(qū)域位于雙溪－焦溪垟斷裂的水庫淹沒區(qū)一段，是2002－07 最初發(fā)生地震的地方。第2個低值區(qū)位于水庫庫岸至雙溪－焦溪垟斷裂與巖上斷裂相交一段。這一段波速比在深度方向上的變化最復(fù)雜，存在2個高、低值相間的區(qū)域，4級以上地震均發(fā)生在這一段5～8km 深度處的波速比高、低值過渡區(qū)域。第3個低值區(qū)位于雙溪－焦溪垟斷裂與巖上斷裂相交處東南的水庫淹沒區(qū)。

圖6 珊溪水庫地震波速比空間分布Fig.6 Shanxi reservoir seismic wave velocity spatial distribution

圖7 珊溪水庫地震波速比在垂直剖面上的分布（黑色點：ML≤3.9，紅色點ML≥4.0）Fig.7 Shanxi reservoir seismic wave velocity distribution in the vertical section of the AB

4 結(jié) 語

本文使用P波、S波到時差Δt≤14s的臺站數(shù)據(jù)計算地震波速比。為了進一步選取可靠性較高的波速比進行分析，選取臺站數(shù)≥4、相關(guān)系數(shù)R≥0.95、計算誤差γ≤0.085的計算結(jié)果，得到768次地震波速比。結(jié)合珊溪水庫地震序列的時空分布特征和發(fā)震構(gòu)造，波速比的時空分布具有如下特征：

1）珊溪水庫90%的地震波速比分布在1.66～1.75，波速比平均值為1.70。

2）珊溪水庫地震序列包含有多組地震活動，每組地震波速比均呈現(xiàn)出開始階段快速下降、后一階段緩慢上升的變化。每兩組地震之間的波速比一般都呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。珊溪水庫地震序列波速比的變化特征可以歸納為“下降－回升－發(fā)生一組地震”。

3）波速比的變化和震中位置的遷移有一定關(guān)系，地震遷移到新位置時最初幾次地震波速比一般較大，隨后逐漸減小。

4）沿深度方向和沿雙溪－焦溪垟斷裂方向波速比分布不均勻。位于水庫淹沒區(qū)的雙溪－焦溪垟斷裂西北段波速比較小。位于水庫庫岸的東南段波速比在深度方向上的變化最復(fù)雜，存在2個高、低值相間的區(qū)域，4級以上地震均發(fā)生在這一段5～8km 深度處的波速比高、低值過渡區(qū)域。

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