重慶淺層S波速度結(jié)構(gòu)研究＊

董蕾沈旭章陳麗娟

1） 中國(guó)重慶 401147 重慶市地震局

2） 中國(guó)廣州 510275 中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院

引言

重慶地區(qū)位于四川盆地東南緣，華南地震區(qū)的長(zhǎng)江中游地震帶內(nèi)（圖1）.重慶區(qū)域內(nèi)的斷裂主要以基底斷裂為主，如華鎣山斷裂、長(zhǎng)壽——遵義斷裂、七曜山——金佛山斷裂、彭水?dāng)嗔押统强跀嗔?，這些基底斷裂對(duì)重慶的地震活動(dòng)具有明顯的控制作用.此外，四川盆地與其周緣的龍門山、米倉山——大巴山、七曜山——金佛山、大婁山及大涼山形成了典型的盆山體系.這些盆山構(gòu)造非常復(fù)雜，并且對(duì)盆地內(nèi)油氣的分布有較大的控制作用.四川盆地油氣資源豐富，其東南緣的地震活動(dòng)可能與所在地區(qū)的鹽巖和油氣的存在相關(guān)，幾個(gè)典型的注水誘發(fā)地震序列的震源集中在三疊系以下的沉積巖地層中（雷興林等，2014）.特殊的地質(zhì)構(gòu)造和地理位置造成了重慶地區(qū)地震強(qiáng)度不高、震源淺的特點(diǎn)（丁仁杰，李克昌，2004）.2010年以來重慶及周邊地區(qū)共發(fā)生6次MS4.5以上地震，分別為2010年重慶榮昌MS4.7地震、2013年重慶石柱MS4.5地震、2013年湖北巴東MS5.1地震、2014年湖北秭歸MS4.7地震、2016年重慶榮昌MS4.8地震和2017年重慶武隆MS5.0地震.這些地震的震源深度均較淺，其中榮昌MS4.7地震震源深度僅1.85 km左右（王小龍等，2012），最深的武隆MS5.0地震震源深度也僅10 km 左右（李翠平等，2019）.

圖1 重慶及鄰區(qū)的構(gòu)造及本文用到的地震臺(tái)站Fig.1 The tectonic of Chongqing and its adjacent areas and seismic stations used in this study

地震的孕育與介質(zhì)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，重慶地區(qū)的地震震源較淺，因此有必要深入研究重慶地區(qū)的淺層速度結(jié)構(gòu).并且地殼的淺層速度結(jié)構(gòu)可為盆地基底、微小震定位和地殼上地幔深部結(jié)構(gòu)成像提供重要的研究基礎(chǔ)，亦可為地震工程場(chǎng)地評(píng)估和防震減災(zāi)提供重要參考.

目前，地殼淺層S波速度結(jié)構(gòu)研究主要有地震勘探和天然源等方法.地震勘探雖然具有信噪比高、精度高的特點(diǎn)，但是探測(cè)成本較高、對(duì)環(huán)境具有一定的破壞性.天然源則是利用背景噪聲和天然地震事件等數(shù)據(jù)研究淺層結(jié)構(gòu)，該方法利用地震臺(tái)站的地震波形資料，節(jié)約了成本.例如，基于背景噪聲瑞雷面波頻散曲線研究地表至淺層數(shù)百米深度的S波速度結(jié)構(gòu)（張寶龍等，2016；王娟娟等，2018）.

此外，接收函數(shù)直達(dá)P波垂向與徑向的幅度比與淺層S波速度有關(guān)（Ammon，1991）.近年來，基于接收函數(shù)直達(dá)P波振幅約束淺層結(jié)構(gòu)的新方法取得了新進(jìn)展.Julià （2007）經(jīng)過半空間接收函數(shù)公式推導(dǎo)，得出了接收函數(shù)直達(dá)P波的理論振幅公式，證明直達(dá)P波垂向與徑向的幅度比與射線參數(shù)和淺層S波速度有關(guān)；并認(rèn)為隨著接收函數(shù)有限頻率的增加，入射波的波長(zhǎng)變短，S波速度值對(duì)應(yīng)的深度范圍變淺.錢銀蘋等（2018）基于接收函數(shù)直達(dá)P波理論振幅公式進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該公式能夠?qū)乇鞸波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效約束，之后又基于不同速度模型對(duì)近地表S波速度對(duì)應(yīng)的深度進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)，最后將該方法應(yīng)用到青藏高原東北緣.王旭等（2019）同樣針對(duì)該公式進(jìn)行了理論模擬，并利用不同頻率的接收函數(shù)直達(dá)P波振幅計(jì)算了青藏高原東北緣流動(dòng)地震臺(tái)陣下方的淺層S波速度結(jié)構(gòu).

本文將采用接收函數(shù)直達(dá)P波約束淺層S波速度的方法研究重慶及周邊地區(qū)臺(tái)站下方淺層S波速度結(jié)構(gòu)，探討該區(qū)域淺層速度結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，為研究區(qū)孕震環(huán)境提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料獲取

本文收集整理了重慶臺(tái)網(wǎng)及鄰區(qū)固定臺(tái)站自2011年1月至2018年10月觀測(cè)到的遠(yuǎn)震波形記錄，選取了MS≥5.5、震中距為30°——90°的遠(yuǎn)震波形（圖2）.對(duì)所選波形作如下處理：① 截取P波到時(shí)前20 s和后80 s的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)；② 將截取后的N，E，Z分量波形旋轉(zhuǎn)至R，T，Z分量；③ 選取多個(gè)高斯濾波因子α（共6個(gè)濾波因子：1.0，1.5，2.5，3，4，5，分別對(duì)應(yīng)不同的通帶頻率，也即不同深度信息），利用時(shí)間域反褶積方法，計(jì)算P波接收函數(shù).經(jīng)過自動(dòng)及人工挑選，平均每個(gè)濾波因子可挑選出震相清晰的接收函數(shù)1萬2 500多條.圖3為華鎣山斷裂附近的ROC臺(tái)6個(gè)濾波因子的R向接收函數(shù).

圖2 本文用到的地震事件分布圖（黑色三角為研究區(qū)域參考中心）Fig.2 Locations of the earthquakes collected in this study （The triangle presents the center of the studied region）

圖3 ROC 臺(tái) 不同濾波因子 α 的接收函數(shù)Fig.3 Receiver functions of different filter factors α for ROC station

1.2 臺(tái)站下方淺層S波速度及誤差分析

在P波初動(dòng)附近（±2 s）提取徑向接收函數(shù)和垂向接收函數(shù)的波峰極大值，用垂向分量最大振幅值對(duì)徑向最大振幅值作歸一處理（Ammon，1990），得到的結(jié)果即為接收函數(shù)直達(dá)P波絕對(duì)幅度的觀測(cè)值.

根據(jù)入射P波引起的自由表面位移方程（Aki，Richards，2002）可計(jì)算直達(dá)P波絕對(duì)幅度的理論值，即

絕對(duì)幅度的理論值與觀測(cè)值之間的差異用Misfit （vS0）表示，即

式中，Aobs為絕對(duì)幅度的觀測(cè)值，為不同vS0計(jì)算的理論值.Misfit最小值所對(duì)應(yīng)的vS0即為vS0的最優(yōu)值，每條接收函數(shù)可確定一個(gè)vS0.

實(shí)際處理中，對(duì)于一個(gè)臺(tái)站，按1°的震中距疊加接收函數(shù)，利用疊加的接收函數(shù)確定vS0，它們的平均值即為這個(gè)臺(tái)站的淺層S波速度.因每疊加1°，接收函數(shù)都可以確定一個(gè)vS值，為了評(píng)估計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，以均方誤差ε來表示計(jì)算誤差.當(dāng)誤差大于0.4時(shí)，舍棄該臺(tái)站的結(jié)果.

圖4為ROC臺(tái)濾波因子為5時(shí)確定的vS0值，計(jì)算結(jié)果為（2.68±0.13） km/s.

圖4 濾波因子為 5 時(shí) ROC 臺(tái)接收函數(shù)確定的vS0值Fig.4 Receiver function （filter factor 5） of ROC station constrains shallow S-wave velocity

2 結(jié)果

根據(jù)上述流程，對(duì)重慶及鄰區(qū)固定臺(tái)站的不同高斯濾波因子（1.0，1.5，2.5，3，4，5）的接收函數(shù)進(jìn)行了處理，共得到6個(gè)不同頻率接收函數(shù)的淺層S波速度.本文參考了錢銀蘋等（2018）利用數(shù)值試驗(yàn)估計(jì)出的不同頻率S波速度對(duì)應(yīng)的深度范圍，其中：α為1時(shí)表示10——11 km深度；α為1.5時(shí)表示7 km左右深度；α為2.5時(shí)表示4——5 km深度；α為3和4時(shí)表示3——4 km深度；α為5時(shí)表示2——3 km深度.根據(jù)不同濾波因子的接收函數(shù)計(jì)算的重慶及鄰區(qū)臺(tái)站的vS，繪制了S波速度分布圖（圖5）.從圖中可以看出，重慶境內(nèi)長(zhǎng)江沿線的近地表S波速度在2——3 km左右深度處較低（圖5a）.七曜山——金佛山斷裂為四川盆地的東南邊界，在2——3 km深度處四川盆地的S波低速異常與四川盆地沉積特征相符.華鎣山斷裂附近臺(tái)站（ROC，HYS，XHA）的S波速度結(jié)構(gòu)與斷裂兩側(cè)的臺(tái)站下方相比表現(xiàn)為高速異常，與王小龍等（2013）周期5 s的相速度結(jié)果一致.城口斷裂以北的大巴山地區(qū)（CHK，HCB，WUX，SHL，SXH）S波速度較高.彭水臺(tái)網(wǎng)（GOT，LUJ，LAX，XIT，ANZ）S波速度較低，應(yīng)為水庫滲透影響，導(dǎo)致該地區(qū)速度出現(xiàn)相對(duì)低值.而水庫西北方的武隆地區(qū)呈現(xiàn)明顯高速，速度為2.9 km/s.α＝2.5——4表示3——5 km左右深度，該深度范圍與α＝5對(duì)應(yīng)深度的速度分布特征較一致，臺(tái)站的速度變化小于0.2 km/s，并且速度值隨深度增大.α＝1.5和1對(duì)應(yīng)的深度范圍，研究區(qū)的S波速度進(jìn)一步增大.武隆、仙女山、涪陵地區(qū)高值區(qū)范圍增大，該區(qū)S波平均速度約為3.33 km/s，而四川盆地在α＝1.5和1時(shí)對(duì)應(yīng)的深度范圍仍為明顯的低速異常，說明8——10 km左右深度，四川盆地仍為沉積層.

圖5 不同濾波因子α下重慶及鄰區(qū)淺層S波速度結(jié)構(gòu)Fig.5 Shallow S-wave velocity distribution of Chongqing and its adjacent area with different filtering factors α

3 討論

3.1 重慶及周邊淺層S波速度結(jié)構(gòu)

除彭水臺(tái)網(wǎng)外，重慶淺層S波速度結(jié)構(gòu)與盆山構(gòu)造明顯相關(guān)，盆地內(nèi)低速異常與沉積層特征對(duì)應(yīng)，大巴山、大婁山區(qū)域則表現(xiàn)相對(duì)高速特征.王小龍等（2013）及王小龍（2017）利用地震背景噪聲成像技術(shù)反演三峽庫區(qū)5——40 s的瑞雷面波相速度分布模型及三維剪切波速度模型，結(jié)果也顯示四川盆地周邊的龍門山、米倉山、大巴山、七曜山和大婁山等地質(zhì)構(gòu)造與地殼S波速度結(jié)構(gòu)具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系.α=1.5和1對(duì)應(yīng)的深度范圍，四川盆地仍為明顯的低速異常，說明8——10 km左右深度，四川盆地仍為沉積層；宋曉東等（2015）通過對(duì)面波層析成像的三維S波速度模型的研究認(rèn)為，四川盆地內(nèi)部上地殼絕大部分都表現(xiàn)為低速，反映出盆地內(nèi)存在很厚的沉積層；李建有等（2018）利用低頻和高頻接收函數(shù)的兩步反演地殼S波速

度結(jié)構(gòu)，認(rèn)為四川盆地4——10 km呈現(xiàn)相對(duì)低速區(qū)，S波速度介于2.8——3.2 km/s之間，基本反映了四川盆地絕大部分為沉積巖或新生代松軟覆蓋層的低速分布特征（范軍等，2015）；華鎣山斷裂S波速度（HYS，ROC，XHA）均較其兩側(cè)沉積層速度高，反映了四川盆地沉積層中間薄兩側(cè)厚的特點(diǎn)；四川盆地的深地震反射剖面顯示四川盆地上地殼以沉積層為主，從西北向東南逐漸變薄，在龍門山前沉積層厚度超過15 km，在華鎣山下沉積層減薄到8 km并發(fā)生了褶皺變形，形成了華鎣山薄皮褶皺沖斷帶（王海燕等，2017），與本文計(jì)算的S波特征相符.華鎣山以東的川東地區(qū)（XIM，F(xiàn)UP，LIJ，HOT，WAZ，SHG，LOH，SHZ，YAL，WUX，JIP）的淺層S波速度表現(xiàn)為低速異常.川東地區(qū)是華鎣山與七曜山之間的褶皺變形區(qū)，淺層發(fā)育一系列NE-NNE向的隔檔式褶皺，并且該區(qū)發(fā)育以寒武系和三疊系膏鹽巖為主的多套滑脫層，擠壓變形后形成多套滑脫層構(gòu)造，滑脫構(gòu)造下覆寒武系底達(dá)8 km左右（王志勇等，2018）.

3.2 孕震環(huán)境

本文討論2010年以來重慶5次顯著地震，分別為2010年重慶榮昌MS4.7地震（圖5a）、2013年重慶石柱MS4.5地震（圖5c）、2016年墊江MS4.4地震（圖5a）、2016年重慶榮昌MS4.8地震（圖5b）和2017年重慶武隆MS5.0地震（圖5f）.5次地震的震中位置來自國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)中心正式測(cè)定和精定位，震源深度來自CAP方法和精定位.

2010年9月10日榮昌MS4.7地震震源機(jī)制解最佳深度為2.93 km （王志偉等，2018），2016年12月27日MS4.8地震最佳擬合深度為3.8 km，同樣為淺源地震.α＝4和5對(duì)應(yīng)深度處ROC臺(tái)S波速度分別為2.69 km/s和2.68 km/s，與重慶地區(qū)平均速度2.66 km/s較一致，沒有明顯的高低速特征.許多研究表明榮昌地區(qū)地震活動(dòng)與天然氣開采過程中的注水密切相關(guān)，注水引起的流體壓力擴(kuò)散導(dǎo)致斷層帶孔隙壓力增加，使得斷層帶強(qiáng)度降低，觸發(fā)斷層活動(dòng)（王志偉等，2018），而震源深度與主要儲(chǔ)藏層及注水井有關(guān)（王小龍等，2012）.

2016年墊江MS4.4地震的波形具有明顯的淺源特征，CAP方法反演出的震源深度約為1——2 km （黃世源等，2020）.地震位于川東滑脫構(gòu)造地區(qū)，黃世源等（2020）認(rèn)為在區(qū)域應(yīng)力作用下，震源區(qū)沉積蓋層內(nèi)部的軟弱地層受擠壓變形，導(dǎo)致地層內(nèi)斜交的裂隙發(fā)生切層失穩(wěn)滑動(dòng)，從而誘發(fā)了墊江MS4.4地震，而震中附近（XIM臺(tái)）較低速度的S波為該地震的發(fā)生提供了條件.

石柱MS4.5柱地震Rg面波發(fā)育明顯，震源深度約為4 km （王同軍等，2015），地震同樣發(fā)生在低速異常的川東構(gòu)造區(qū)內(nèi)，與墊江MS4.4地震不同的是，石柱MS4.5地震震中附近有方斗山斷裂.

武隆MS5.0地震發(fā)生在七曜山——金佛山斷裂與彭水?dāng)嗔阎g，震源深度約為10 km （李翠平等，2019）（圖5f），震源區(qū)附近S波速度顯示出明顯的橫向不均勻分布特征，武隆地區(qū)S波速度明顯高于川東滑脫構(gòu)造區(qū)和彭水臺(tái)網(wǎng).其中α＝1——1.5對(duì)應(yīng)的深度范圍，WUL臺(tái)出現(xiàn)明顯的高速異常，S波速度為3.22——3.44 km/s.武隆MS5.0地震發(fā)生在高低速交界部位的有利于積累應(yīng)變的高速體一側(cè)，許多研究表明地殼高低速過渡區(qū)域可能是中強(qiáng)地震孕育和發(fā)生的關(guān)鍵部位.

4 結(jié)論

本文基于重慶臺(tái)網(wǎng)及鄰區(qū)固定臺(tái)站自2011年1月至2018年10月觀測(cè)到的遠(yuǎn)震波形記錄，利用接收函數(shù)直達(dá)P波振幅約束淺層結(jié)構(gòu)的方法計(jì)算了重慶及周邊地區(qū)臺(tái)站下方淺層S波速度結(jié)構(gòu)，該方法不依賴初始模型，不需要反演，能有效抑制速度結(jié)果的不唯一性.最終形成以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

重慶淺層S波速度結(jié)構(gòu)與盆山構(gòu)造明顯相關(guān)，盆地內(nèi)低速異常與沉積層特征對(duì)應(yīng)，大巴山、大婁山區(qū)域均表現(xiàn)為相對(duì)高速特征；華鎣山斷裂S波速度均較其兩側(cè)沉積層速度高，表現(xiàn)出四川盆地沉積層中間薄兩側(cè)厚的特點(diǎn)；華鎣山以東的川東地區(qū)的淺層S波速度表現(xiàn)為低速異常，該區(qū)存在多套滑脫層構(gòu)造.

此外，本文還討論了2010年以來重慶5次顯著地震的孕震環(huán)境：川東滑脫構(gòu)造地區(qū)的墊江MS4.4地震和石柱MS4.5地震兩個(gè)淺源地震與該區(qū)明顯的低速異常有關(guān)；榮昌MS4.7和MS4.8地震震源區(qū)沒有明顯的高低速特征，可能與天然氣開采過程中的注水相關(guān)；武隆MS5.0地震發(fā)生在高低速交界部位的有利于積累應(yīng)變的高速體的一側(cè).