松嫩盆地井下擺記錄到的地方震地表反射波

韋慶海 孟憲森 楊家亮 高東輝郝永梅 刁桂苓 孟令蕾 佟艷英

1)黑龍江省地震局，哈爾濱市鴻翔路24號 150090

2)河北省地震局，石家莊 050021

3)哈爾濱市地震局，哈爾濱 150000

4)黑龍江省地震局大慶地震臺，黑龍江 大慶 163000

1 引言

2003年1～11月在第二松花江斷裂和松遼盆地深斷裂交匯部位發(fā)生了ML≥1.0地震71次，其中ML≥2.0地震39次，最大地震為2003年5月9日ML3.7。松原市寧江區(qū)新民鄉(xiāng)對其中13次地震有震感。該次震群活動不僅對于松原地區(qū)，對于地震頻度較低的東北地震區(qū)(吳戈等，1994)來說也是一次顯著的地震活動。且于1119年第二松花江斷裂的吉林前郭曾發(fā)生級地震(吳戈等，1994)，為此對這組小地震活動作了認真研究(孟憲森等，2007)。在對吉林松原臺地震波形記錄進行分析時，意外發(fā)現(xiàn)松原臺井下擺記錄到了一些特殊的震相(圖1)。2005年大慶市林甸發(fā)生了M5.1地震，大慶臺網(wǎng)中部分井下擺也記錄到了這一特殊的震相(圖1)。在此基礎(chǔ)上收集了首都圈地區(qū)的井下擺地震記錄，發(fā)現(xiàn)在特定的震中距離內(nèi)也記錄到一些類似震相。對于首都圈地區(qū)記錄到的該類震相，一些學者(沈偉森等，2010;劉淵源等，2011)確定為地表反射波，并用其開展了關(guān)于首都圈地區(qū)S波速度結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究。在松嫩盆地該類震相則是首次發(fā)現(xiàn)，因此，本文對這組震相進行了詳細研究。

圖1 松嫩平原井下擺記錄到的地表反射波

2 松原臺單臺記錄分析

2.1 松原震群較大地震分布及其定位

圖2是根據(jù)雙差精確定位數(shù)據(jù)(溫巖等，2007)繪制的震中分布圖。從圖2中可看出地震分布在兩條斷裂的交匯部位，集中在松原市新民鄉(xiāng)、第二松花江和嫩江圍成的三角形區(qū)域。

圖2 2003年松原震群震中分布

因此，以這些較大地震的震中位置作為分析松原單臺記錄地震的震相分析參考點是相對可信的。經(jīng)過對松原臺記錄進行重新處理，發(fā)現(xiàn)ML≥2.0地震有30次初動清晰，可計算地震方位角。經(jīng)計算該臺記錄地震事件主要分布在臺站NW357°方向(見表1和圖3)，震中距離為22km左右，因此，其小地震的位置參考幾個較大地震多臺精定位結(jié)果都分布在上述三角形區(qū)域內(nèi)。兩組未知震相與 Pg和 Sg波到時差非常穩(wěn)定，平均為ti1-tPg=0.36s，ti2-tSg=1.177s。

2.2 松原臺記錄震相特征及其解釋

松原地震臺位于松原市南，井深490m，390m處產(chǎn)油，套管深489.4m，擺放置在井下384m處。地質(zhì)構(gòu)造位于松遼盆地中坳陷帶與東南隆起帶的交界處，在雙山-前郭-肇東活動斷裂帶附近。第四系厚50m，基巖為白堊系地層。

圖3 松原臺測定震相到時差和方位角分布

松原臺記錄的兩組震相i1和i2，由于22km左右震中距內(nèi)不會記錄到地殼反射波P11和S11，考慮到松原臺擺是放在井下384m處，初步判定Pg和Sg震相后出現(xiàn)的應(yīng)為Pg和Sg波在地表面反射波PgPg和SgSg，其原理將如圖4所示。首先需要說明的是如果沉積層波速和基底的波速相差較大的話，則射線路徑由于Snell折射定律在進入沉積層時變成近似垂直入射。例如，首都圈附近的研究(沈偉森等，2010;劉淵源等，2011)認為基底S波速度為3000～5000m/s，而沉積土層中一般小于800m/s，因此可認為基本是垂直入射。但根據(jù)大慶-松原地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)分析，第四紀沉積層約50～80m，而老的沉積層厚度可達3000～5000m(遲元林等，2002)。同時依據(jù)大慶地區(qū)鉆井波速測定結(jié)果，沒有明顯的分界面。由于震源深度淺，且震中距離近，因此圖4的射線路徑可能是合理的。這樣，我們只要能計算出直達波射線(EJ)和地表反射波射線(EF+FJ)走時差，然后和實際記錄到時差相比較即可證明井下擺在特定的震中距內(nèi)是否記錄到地方震地表反射波。

圖4 松原臺觀測地震波射線示意圖

這里需要考慮的是該臺附近是否在上地殼內(nèi)存在一個十分明顯的間斷面，從而出現(xiàn)了一個該界面產(chǎn)生的反射波。如果有的話，則地面擺也會記錄到該類震相，事實上無地面臺站記錄到此震相。同時大慶慶新臺(井下708m)在林甸地震中也記錄到該震相。林甸地震的震源深度參考各臺網(wǎng)結(jié)果應(yīng)為10km以下，所以從不同地震和不同深度井下擺記錄結(jié)果分析，不會是地殼內(nèi)存在某一明顯間斷面產(chǎn)生的震相。

根據(jù)雙差定位結(jié)果，松原小震群的震源深度平均為5～9km。根據(jù)臺網(wǎng)定位結(jié)果，較大地震震中位于新民鄉(xiāng)西北，結(jié)合表1中松原臺記錄到的小震分析，震中距松原臺平均21.3 km，而松原單臺測定的震源距平均為22 km，據(jù)此計算震源深度為5.5km。由于震級不大(最大為ML3.7)，而震中新民鄉(xiāng)多次震感強烈，說明震源很淺。

圖4中射線EJ和EF+FJ分別為直達波和地表反射波所經(jīng)路徑，h1=50m為第四系松散沉積，h2=384m為井下擺所放位置，EO=h為震源深度，取5500m。

依據(jù)地震波在地球表面入射角等于反射角有OF/5500m=FS/384m

其中FS=21300m-OF 解得OF=19909mFS=1390mEA=19264m

在直達波射線段上取EB=EA，計算余下線段BJ的走時并和地表反射波AF+FJ的走時相比較，即可判定松原臺記錄到的是否為地表反射波。

由于有大慶地區(qū)測井資料和地表沉積層S波速度資料，先計算地震波速隨深度分布，據(jù)圖5進行線性擬合。

圖5 松原地區(qū)不同深度地震波速度分布

然后計算S波的直達波和地表反射波的到時差。

直達波射線BJ其行進路線從(地下)-615m到-384m，依據(jù)(3)式該段路徑平均波速為 628m/s，BJ=EJ-EB=22000m-19264m=2736mtBJ=BJ/628m/s=4.36s

反射波線段AF+FJ，由于有一段行進在地表第四紀沉積層中，需要分別計算:

行進在50m之上射線長度CF+FD段為 (CF+FD)/(AF+FJ)=50m/384m，有CF+FD=361m

依據(jù)(1)式和(2)式，50m以上平均波速為313m/s，則tCF+FD=1.15s，

而AC+DJ=2416m

依據(jù)(3)式，從-50m至-384m平均波速為547m/s，計算得到tAC+DJ=4.41s

所以有反射波走時，t反射=4.42s+1.16s=5.56s

走時差為1.20s，和圖3及表1中i2-Sg到時差平均值數(shù)據(jù)基本吻合，因此，可以認定松原臺直達波后記錄到的比較明顯的震相為Sg波在地表面的反射波，定義為SgSg。

對于P波，由于沒有50m以上的波速資料，無法直接計算，采用大慶480m～1100m測井縱橫波速比進行推測:

據(jù)大慶測井資料計算波速比Vp/VS=(2201.4m/s)/(711m/s)=3.1，則縱波走時差為1.20s/3.1=0.39s，和圖3及表1中i1-Pg到時差平均值基本吻合?？梢源_定其為Pg波在地表面的發(fā)射波，定義為PgPg。

3 大慶臺網(wǎng)慶新臺記錄到的林甸地震震相分析

2005年7月大慶林甸發(fā)生5.1級地震，根據(jù)黑龍江臺網(wǎng)和中國地震臺網(wǎng)測定，震源深度為15km，美國臺網(wǎng)的測定結(jié)果為10km，距慶新臺25.48km，慶新臺井下擺位于-708m。

從圖1中可看到在Sg波后面2.46s左右有一明顯震相。由于慶新臺和松原臺都位于松嫩平原，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)類似，因此可以應(yīng)用松原臺分析計算過程對慶新臺地震記錄進行分析，將慶新臺具體數(shù)據(jù)代入，h1=50m，為第四系松散沉積，h2=708m為井下擺所放位置，EO=h為震源深度，取12500m。

走時差為2.49s，和圖1中ti2-tSg基本吻合，因此，可以認定慶新臺直達波后記錄到的明顯震相為Sg波在地表面的反射波SgSg。

4 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)松原地震臺和大慶慶新臺記錄資料計算表明，松嫩平原井下擺可以記錄到地方震的地球表面反射波。

(2)根據(jù)首都圈臺網(wǎng)記錄，一些井下擺臺近期又記錄到許多該震相，應(yīng)該深入開展已獲得的地表沉積層S波速度結(jié)構(gòu)研究。因為從現(xiàn)有資料分析，很難觀測到震中距離超過50km井下擺記錄到地表反射波的事實。如2013年吉林前郭5.8級震群距離松原臺70km，距離大慶臺網(wǎng)大多數(shù)臺都在200km內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)記錄到地表反射波，而文安地震，遍布在華北平原的井下擺臺站也只有在特定震中距離內(nèi)(很少超過50km)才能記錄到地表反射波。所以如果首都圈地區(qū)地下結(jié)構(gòu)滿足于垂直入射的話((劉淵源等，2011;徐錫偉等，2002)，觀測到地表反射波的井下擺臺站不應(yīng)限制在數(shù)十千米的震中距內(nèi)。

(3)松嫩平原地區(qū)近期將有一批深井地震觀測投入運行，應(yīng)進一步開展松嫩平原S波地下速度結(jié)構(gòu)的研究。

致謝:吉林省地震局監(jiān)測處、分析預報中心和松原地震臺和大慶地震臺網(wǎng)、河北臺網(wǎng)各位同仁在資料收集時給予了大量幫助，黑龍江省地震工程研究院馬艷麗繪制了文中圖件，在此表示謝意。