三峽水庫庫首區地殼深部構造環境與地震成因研究＊

李 強 趙 旭 蔡晉安 劉瑞豐 趙翠萍

(1)地殼運動監測網絡工程研究中心,北京 100036 2)中國地震臺網中心,北京 100045

3)中國地震局地震預測研究所,北京 100036)

三峽水庫庫首區地殼深部構造環境與地震成因研究＊

李 強1)趙 旭2)蔡晉安3)劉瑞豐2)趙翠萍3)

(1)地殼運動監測網絡工程研究中心,北京 100036 2)中國地震臺網中心,北京 100045

3)中國地震局地震預測研究所,北京 100036)

利用地震 P波層析成像結果和三峽水庫蓄水前的地震,研究三峽壩址及鄰近區域的地殼深部構造環境與地震關系,探討地震成因。結論如下：三峽地區蓄水前地震與地殼深部構造環境密切相關,地震基本發生在地殼深部高速異常構造與低速異常構造接壤處形成的速度梯度帶上或附近,這表明,速度梯度帶是地殼深部構造運動最活躍的地方,具有隱伏斷裂的特征。三峽地區在現今區域構造應力場作用下,以及受上地幔部分熔融物質變形、膨脹、垂直向上的擾動場與伸張應力和熱應力作用,導致地殼中斷裂和隱伏斷裂活動或產生新破裂,發生地震。

三峽水庫庫首區;地殼深部構造環境;蓄水;地震成因;隱伏斷裂

1 引言

三峽水庫蓄水前,三峽地區時有地震發生,如1972年 3月 13日周坪Ms3.3地震,1979年 5月 22日秭歸龍會觀Ms5.1地震,2001年 12月 13日秭歸ML4.0地震等。前人對三峽地區有過很多研究,一般認為[1,2],在現今區域構造應力場的作用下,地震成因主要與NNW向的仙女山斷裂、NNE向的新華斷裂和九灣溪斷裂、NE向的高橋斷裂和牛口斷裂有關。也有研究認為[3],中強地震與結晶基底頂層構造有關,大多數的中強地震出現在均衡重力異常正負值接壤處或均衡重力異常梯度帶變化大的地方。還有研究認為[4],秭歸龍會觀地震發生在 NE向隱伏斷裂上等。2001年三峽數字地震臺網運行后, 2001—2003年 5月記錄到三峽地區很多小地震 (圖1),地震分布沒有明顯的規律性,有些地震分布在地表斷裂上或附近,有些地震分布則與斷裂無關。由上可知,三峽地區地震成因是比較復雜的。作者利用三峽數字地震臺網記錄地震資料,采用地震層析成像技術重建了三峽水庫壩址及鄰近地區中上地殼三維速度結構圖像[5],為從地殼深部構造的角度研究地震成因創造了條件。本文通過研究地殼三維速度結構與地震關系,探討三峽地區地殼深部構造環境與地震成因問題。

2 研究區構造背景與地震活動概況

2.1 研究區構造背景

圖 1 三峽地區地質構造與地震分布圖Fig.1 Geotectonic sketch of the Three Gorge area and epicenter distribution for 2001-2003 Mary

將 30.3°N～31.7°N,109.5°E～111.5°E的三峽水庫庫首區作為研究區域(圖 1)。研究區域位于揚子準地臺內,總體上說可分為基底構造層和蓋層構造層兩大部分[6]。基底構造層主要由早元古～晚元古代變質火山-碎屑巖及侵入期間的巖漿巖組成,黃陵地塊是其出露部分,由巨厚變質雜巖和侵入其中的花崗巖、閃長巖組成,為固結程度高的結晶塊體。蓋層構造層主要由震旦系-三疊系的碳酸鹽巖、碎屑巖組成。秭歸盆地主要由侏羅系陸相和中上三迭統濱海相碎屑巖組成,砂巖、泥巖、頁巖等互層,其他地區主要為碳酸鹽巖廣泛分布。人工地震測深研究得到[7],研究區域上地殼由結晶基底和沉積蓋層組成,底面埋深 11～16.8 km。蓋層底面埋深 0～8.2 km,結晶基底厚 7.2～14 km,波速 6.0～6.3 km/s,最厚處為黃陵背斜。中地殼底面埋深 24～28.8 km,平均波速 6.25 km/s,推測為閃長質巖層。中國東部 NNE向巨型重力梯度帶通過該區域[2,8],三斗坪位于重力梯度帶的中央,宜昌-歸州梯度帶寬約 65 km,梯度帶等值線密集,梯度較大,平均梯度為 0.9×10-5ms-2/km。

研究區域地質構造的基本特征是以黃陵背斜為核心,周緣為沉積蓋層所環繞,并被方向不同的斷裂所圍限,較大的區域性斷裂,有霧渡河斷裂、新華斷裂、高橋斷裂、水田壩斷裂、牛口斷裂、仙女山斷裂、九灣溪斷裂、天陽坪斷裂、遠安斷裂帶等。在興山-巴東地區有新華、水田壩、牛口、高橋、巴東等斷裂相會。上述斷裂帶的性質均為規模不大的一般區域性斷裂,切割的深度不超過結晶基底。

2.2 研究區地震活動概況

“九五”期間,三峽總公司在庫首區建設了由 24個臺組成的數字地震臺網 (圖 1),平均臺距為 15～20 km。在三斗坪-歸州庫段,臺網內可定位的震級下限優于ML0.5,震中定位精度可達 1 km,震源深度測定精度可達 2 km;在歸州-巫山庫段,臺網內可定位的震級下限優于ML0.5,震中定位精度可達 2 km,震源深度測定精度可達 5 km[9]。2001年 1月地震臺網正式運行,到蓄水前的 2003年 5月,臺網記錄到研究區域內發生地震 251次。其中M≥4.0地震 1次,4.0＞M ≥3.0地震 4次,3.0＞M≥2.0地震 23次,2.0＞M≥1.0地震 190次,M＜1.0地震33次。另外,三峽地區兩個重要地震事件,1979年5月 22日的秭歸龍會觀地震[10],1972年 3月 13日周坪地震也發生在研究區域內。我們選用M≥1.0共計 220次地震作為研究資料。采用雙差定位法[11]對其進行重新定位[12,13],對那些不能重新定位的地震,則采用三峽數字地震臺網的結果。

3 主要結果

圖 2 地震、臺站、射線覆蓋和網格分布圖Fig.2 The distribution of earthquakes,stations,ray coverage and grids

利用三峽地震臺網 2001—2007年 6月記錄的3 379次地震(圖 2)的到時資料,采用地震層析成像技術[14]重建了三峽水庫壩址及鄰區中上地殼 P波速度結構[5],得到了 11張不同深度的速度結構圖像,分辨率分析表明,在地震射線覆蓋密集的區域(圖 2),層析成像結果分辨率最高。將上述的蓄水前 220次地震,根據速度圖像的深度,選擇該深度上下 2 km深度范圍內的地震,投影到該深度的速度圖像上,得到不同深度速度結構與地震分布圖像。速度分布表示如色標所示,以參考速度值為界,紅色代表低速異常,藍色代表高速異常。地震用圓圈表示,震級越大圓圈越大。為了解釋方便,在圖像中標注了主要地名,用三角形表示,他們分別是三斗坪、廟河、歸州、周坪、興山、巴東、培石和巫山。

由于地震層析成像時,地震臺站與地震分布等原因,研究區域的邊緣地區和 28km深度以下很少有或沒有射線通過和地震發生,所以不對這部分地區和 28 km及以下深度進行討論,僅對 2-0～20 km深度 9張速度圖像進行討論。由地震臺網監測能力和三維速度結構圖像結果分辨率情況可知,在地震臺網覆蓋的區域 (30.7°N～31.3°N,109.9°E～111.1°E)內結果精度最高,作為重點討論的區域。

圖 3(a)是 2-0km深度速度與地震分布圖像,它反映的是上地殼 0～2 km深度的速度結構特征。相對于初始速度值 5.4 km/s的擾動主要在 -14%～14%之間,對應的速度值為 4.64～6.16 km/s。投影到圖像上的地震震源深度為 0.0～4.0 km。圖像表明：黃陵背斜為高、低速相間分布,南部長江通過的區域為低速異常,速度值為 4.64～5.1 km/s,其他區域以高速異常為主,速度值主要為 5.5～6.16 km/s;秭歸盆地以低速異常為主,速度值主要為 5.0～5.35 km/s;長江和長江支流及其附近區域為低速異常,速度值主要為 4.64～5.37 km/s;巴東-巫山為高、低速異常相間分布。高速異常與低速異常接壤處形成速度梯度帶,地震基本分布在速度梯度帶上或附近。

圖 3(b)是 2+0km深度速度與地震分布圖像,它反映的是上地殼 2～5 km深度的速度結構特征。相對于初始速度值 5.5 km/s的擾動主要在 -15%～12%之間,對應的速度值為 4.67～6.16 km/s。投影到圖像上的地震震源深度為 0.0～4.0 km。圖像表明：黃陵背斜為高速異常,速度值為 5.6～6.16 km/s;黃陵背斜西側區域為 NS走向的低速異常帶,速度值主要在 4.8～5.3 km/s之間,中間被高速異常分隔;歸州-巴東長江以南區域以高速異常為主,速度值主要在 5.5～6.0 km/s之間;巴東-巫山長江南北兩側區域以低速異常為主,速度值主要在 4.67～5.4 km/s之間,其中存在高速異常;長江支流及其附近區域多為低速異常。高速異常與低速異常接壤處形成速度梯度帶,地震基本分布在速度梯度帶上或附近。

圖 3(c)是 5 km深度速度與地震分布圖像,它反映的是上地殼中部的速度結構特征。相對于初始速度值 5.65 km/s的擾動主要在 -10%～10%之間,對應的速度值在 5.09～6.22 km/s之間。投影到圖像上的地震震源深度在 3.0～7.0 km之間。圖像表明：黃陵背斜為高速異常,速度值主要在 5.9～ 6.2 km/s之間;黃陵背斜與秭歸盆地之間、秭歸盆地、周坪及附近區域為NE走向的條帶狀低速異常,速度值主要在 5.09～5.4 km/s之間;低速異常帶以西區域,以高速異常為主,速度值主要在 5.7～6.1 km/s之間;再往西為高低速異常相間分布。高速異常與低速異常接壤處形成速度梯度帶,地震基本分布在速度梯度帶上或附近。

圖 3(d)是 8-0km深度的速度與地震分布圖像,它反映的是上地殼中部 5～8 km深度地殼的速度結構特征。相對于初始速度值 5.8 km/s的擾動主要在 -9%～8%之間,對應的速度值在 5.28～6.27 km/s之間。投影到圖像上的地震震源深度為5.0～11.0 km。圖像表明：黃陵背斜以高速異常為主,并與其西側高速異常形成大范圍的高速異常,速度值主要在 6.0～6.3 km/s之間,具有結晶基底的速度特征。在周坪、歸州、培石、巫山等地有小范圍低速異常,速度值主要為 5.3～5.7 km/s。高速異常與低速異常接壤處形成速度梯度帶,地震基本分布在速度梯度帶上或附近。

圖 3(e)是 8+0km深度的速度與地震分布圖像,它反映的是上地殼 8～11 km深度的速度結構特征。相對于初始速度值 5.9 km/s的擾動主要在-8%～7%之間,對應的速度值在為 5.43～6.31 km/s,投影到圖像上的地震震源深度為 6.0～10.0 km。圖像表明：黃陵背斜以高速異常為主,速度值主要在 6.0～6.31 km/s之間;在黃陵背斜西側為NE走向的低速異常帶,速度值主要在 5.43～5.8 km/s之間;低速異常帶西側為高速異常區,速度值在 5.95～6.3 km/s之間;培石及附近為低速異常區。高速異常與低速異常接壤處形成速度梯度帶,地震基本分布在速度梯度帶上或附近。

圖 3(f)是 11 km深度速度結構與地震分布圖像,它反映的是上地殼下部的速度結構特征。相對于初始速度值 6.0 km/s的擾動主要在 -6%～6%之間,對應的速度值在5.64～6.36 km/s之間。投影到圖像上的地震震源深度在 9.0～13.0 km之間。圖像表明：黃陵背斜及南部、巴東及附近、培石及附近等區域為高速異常,速度值主要在 6.0～6.36 km/s之間;其他地區普遍為低速異常,速度值在5.64～6.0 km/s之間。高速異常與低速異常接壤處形成速度梯度帶,地震基本分布在速度梯度帶上或附近。

圖 3(g)是 14-0km深度速度與地震分布圖像,它反映的是上地殼下部或中地殼上部的速度結構特征。相對初始速度值 6.15 km/s的擾動主要在-6%～6%之間,對應的速度值在 5.78～6.52 km/ s之間,投影到圖像上的地震震源深度在 12.0～16.0 km之間。圖像表明：黃陵背斜及其南部區域以高速異常為主,速度值主要在 6.15～6.4 km/s之間;黃陵背斜西側為NS向條帶狀低速異常,速度值主要在 5.78～6.1 km/s之間;低速異常條帶西側為高速異常,速度值主要在 6.15～6.52 km/s之間,南北兩端有低速異常。高速異常與低速異常接壤處形成速度梯度帶,地震基本分布在速度梯度帶上或附近。

圖 3(h)是 14+0km深度速度與地震分布圖像,它反映的是中地殼 14～20 km深度的速度結構特征。相對初始速度值 6.3 km/s的擾動主要在 -8%～4%之間,對應的速度值在 5.80～6.55 km/s之間,投影到圖像上的地震震源深度在 12.0～16.0 km之間。圖像表明：黃陵背斜及其南北地區、興山及以西和巴東-巫山及以北地區為大范圍高速異常區,速度值主要在 6.3～6.55 km/s之間;高速異常中部及其以南地區為大范圍的低速異常區,速度值主要在 5.80～6.1 km/s之間;高速異常與低速異常接壤處形成速度梯度帶,地震基本分布在速度梯度帶上或附近。

圖 3(i)是 20 km深度速度圖像與地震分布,它反映的是中地殼中下部的速度結構特征。相對初始速度值 6.5 km/s的擾動主要在 -8%～3%之間,對應的速度值在 5.98～6.7 km/s之間。投影到圖像上的地震震源深度 18.0～22.0 km之間。圖像表明：黃陵背斜及其南北區域形成NS向的高速異常帶,速度值主要在 6.5～6.7 km/s之間,在廟河附近有間斷;高速異常帶西側為大范圍的低速異常,速度值主要在 5.98～6.48 km/s之間。低速異常的北部地區為高速異常,速度值主要在 6.5～6.7 km/s之間。高速異常與低速異常接壤處形成速度梯度帶,地震基本發生在速度梯度帶上或附近。

圖3 研究區擾動與速度分布圖Fig.3 The map of the velocity structure and earthquake

圖 3(j)是沿 31.03°N下切的縱剖面速度圖像,位置與觀音垱-奉節的人工地震測深剖面[8]一致,它揭示了黃陵背斜、秭歸盆地和其他區域的深部速度結構特征。黃陵背斜高速異常由地表到 20 km深度,14 km之上,速度值主要在 6.1～6.4 km/s之間,14 km之下,速度值主要在 6.4～6.7 km/s之間;高速異常的形狀隨深度變化;秭歸盆地低速異常由地表到 6 km左右;黃陵背斜與秭歸盆地之間的 8 km深度以下區域為低速異常,在 14 km深度附近低速異常西移;在 110.0°E附近有深達 7 km左右的低速異常;其他區域在 5 km深度以下以高速異常為主,高速異常的深度達 16 km左右,在 110.0°E以東培石下方 8～12 km深度存在低速異常區。將 1979年秭歸地震,1973年周坪地震和 2001年歸州地震投影到速度圖像上,地震發生在速度梯度帶上或附近。

4 結論與討論

不同深度的速度結構與地震分布圖像表明,三峽地區的地震與地殼深部構造密切相關,地震基本發生在地殼深部高速異常構造與低速異常構造接壤處形成的速度梯度帶上或附近。

速度梯度帶的形成有多種不同的原因：1)不同地質構造單元接面處形成的速度梯度帶。黃陵背斜為結晶巖體,速度結構特征為均勻的高速異常,埋藏深度達到 14 km,在不同的深度邊界的形狀不同。秭歸盆地為碎屑巖組成的沉積巖體,速度結構特征以低速異常為主,盆地內沉積厚度不均勻,最厚處約6 km。黃陵背斜與秭歸盆地接面處形成速度梯度帶,深度僅限于秭歸盆地的沉積厚度。由 5 km深度圖像可知,結晶巖與沉積巖接面處相互交叉滲透。2)地殼中存在的上地幔部分熔融物質形成的速度梯度帶。三峽地區晉寧運動時期有多期的巖漿侵入活動,黃陵背斜是由巖漿巖組成。研究認為[15,16],三斗坪和黃陵廟兩個巖套主要由英云閃長巖、奧長花崗巖、花崗閃長巖組成,是在近南北向區域擠壓下于約 16 km深部塑性域定位的同構造花崗巖,前者主要依靠巖漿在構造弱面逐次強力楔入創造定位空間,后者主要在處于活動狀態的韌性拉張剪切帶內定位。黃陵地區北部變質雜巖和南部變質雜巖具有可對比性,代表本地區晚太古代形成的硅鋁殼基底,在早元古代,發生裂陷,遭受強烈的變質變形和巖漿活動改造。人工地震測深[7]在壩址北側的太平溪、培石兩地存在斷差 3～5 km的莫霍面斷點,穿過下地殼,進入中地殼,成為幔源物質的通道。在興山、秭歸、長陽和五峰 4縣有溫泉分布的記載,溫泉都分布在仙女山斷裂沿線及其延伸線上,且分布在上盤上,顯示地熱體順斷裂次級張扭面上升而達地表[17]。上述研究成果表明,研究區域 8 km深度以下地殼中存在沒有完全固結冷卻的上地幔部分熔融物質,表現為低速異常,與結晶基底接壤處形成速度梯度帶。在縱剖面速度圖像中,在黃陵背斜與秭歸盆地之間和培石附近地區下方約 7 km深度以下的低速異常,與地殼中存在的上地幔部分熔融物質有關。這兩個地區是地震多發區。3)斷裂帶深切造成的速度梯度帶。研究區域內的仙女山斷裂、九灣溪斷裂、高橋斷裂帶屬于切穿基底頂,進入上地殼的基底Ⅱ型斷裂,牛口斷裂屬于切穿上地殼,進入中地殼的基底Ⅰ型斷裂[6]。在5 km深度的圖像中,找不到與仙女山斷裂、九灣溪斷裂、高橋斷裂帶走向一致速度梯度帶,有兩種可能的解釋,一是上述斷裂切割深度有限、規模小,沒有造成斷裂兩側地質構造發展分異形成速度梯度帶;二是雖然斷錯,但斷層兩側的物質相同,沒有形成速度梯度帶。因此,仙女山斷裂、九灣溪斷裂、高橋斷裂帶的切割深度有待深入研究;在牛口斷裂附近存在走向基本一致的速度梯度帶,將秭歸盆地一分為二,推測牛口斷裂切割達到5km深度,造成斷裂帶兩側構造發展分異形成速度梯度帶。4)基底構造層頂面或底面起伏變化(或說基底構造層厚度變化)形成的速度梯度帶。三峽地區的基底構造層為結晶巖體,其頂面的起伏變化較大,縱剖面圖像中,黃陵背斜上隆至地表附近,在110.0°E附近區域凹陷達 7 km深度,其他區域約在5 km深度。據此推斷,結晶基底頂面在 0～7 km深度;結晶基底底面變化約在 14～16 km深度,在同一深度上結晶基底頂面或地面的變化在速度圖像中形成速度梯度帶。5)基底構造層內部的不均勻性形成的速度梯度帶。在同一深度的速度圖像中基底構造層的速度值不同,也會形成速度梯度值較小的速度梯度帶。綜上所述,速度梯度帶的形成有多種地殼深部構造原因,地震基本發生在速度梯度帶上或附近表明,速度梯度帶是地殼深部構造運動最活躍的地方,是隱伏的地震構造活動帶,具有隱伏斷裂帶的特征,構成了研究區域地殼深部地震構造的基本特征。

三峽地區現今構造應力場從地殼形變和震源機制分析,優勢方向為 NE向;地應力實測資料顯示,隨深度變化較大,淺部優勢方向為NE向,深部優勢方向為NW-NWW向,不同地區也有一定的差異[6]。在現今區域構造應力場的作用下,研究區域地殼受到擠壓,同時地殼中存在的地幔低速物質可以產生垂直向上的擾動場和伸張應力,地幔物質的高溫還將產生熱應力[18]對地殼附加新的擠壓。研究區域地殼在多種力源作用下,發生間歇式整體上升、地殼變形和隱伏地震構造活動發生地震。1954—1971年水準測量資料表明,黃陵背斜相對江漢平原和秭歸盆地仍在上升[2];1979年秭歸龍會觀地震前,在震區有明顯的地殼變形[4]。黃陵背斜結晶巖均勻完整,體量巨大,不容易發生變形和破裂,而作整體上升運動,其內部基本沒有地震發生,而在其接壤地區導致隱伏地震構造(速度梯度帶)運動發生地震。基底構造層由于厚度變化大,內部的均勻性不如黃陵背斜,構造演化過程中形成的斷裂和隱伏斷裂,容易發生地震,也可以產生新的破裂發生地震。由縱剖面速度與地震分布圖像可知,在黃陵背斜與秭歸盆地之間和培石及附近區域,存在結晶基底坳陷,達6～7 km深度,上地幔部分熔融物質也到達 7 km深度附近,這是廟河-周坪-歸州及附近、巴東-巫山之間長江及附近區域地震活動頻繁的主要原因。另外,上地幔部分熔融物質容易發生變形、膨脹和產生新的破裂[19]。綜上所述,三峽地區在區域構造應力場和上地幔部分熔融低速物質產生的垂直向上的擾動場和伸張應力,以及高溫產生的熱應力作用下,導致地殼深部原有的斷裂帶和隱伏斷裂活動或產生新的破裂,發生地震。

本文通過研究不同深度地殼速度結構與地震分布關系,結合已知的地質構造、地球物理勘探和地震成因等研究成果,探討了研究區地殼深部地震構造特征和地震成因。盡管地震比較少、震級比較小,但從中得到了一些規律性的東西,對研究三峽地區地震成因取得了一些有意義的認識。

致謝 衷心感謝與汪雍熙先生討論得到有益幫助,感謝三峽地震臺網為研究工作提供的觀測數據。

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STUDY ON TECTONIC ENVIRONM ENT OF DEEP CRUST AND SEISMOGENESIS OF EARTHQUAKES BENEATH MA IN THREE GORGES RESERVO IR AREA

LiQiang1),Zhao Xu2),Cai Jin’an3),Liu Ruifeng2)and Zhao Cuiping3)

(1)N ational Earthquake Infrastructure Service,B eijing 100036 2)China Earthquake N etwork Center,Beijing 100045 3)Institute of Earthquake Science,CEA,Beijing 100036)

The relationship bet ween the tectonic environment of deep crust and earthquakes are investigated, and the seis mogenesis of earthquakes are further discussed,using the P-wave tomography beneath the Three Gorges reservoir dam and adjacent regions and earthquakesoccurred before the i mpoundmentof the Three Gorges reservoir. The main results indicate：the earthquakeswhich took place in the Three Gorges area,are closely associated with the tectonic environmentof deep crust,mostof those eventsoccurred in or around the velocity gradient belts,whose for mation are influenced by various factors of deep tectonics,are mainly developed by the bordering on the high-velocity anomalywith low velocity anomaly.The aforementioned phenomenon shows that the velocity gradient belt, which is considered as one of the most active placeswhere the deep plate motions exist,is similar to the characteristics of buried fault zones.The regional tectonic stress field,deformation,dilation and upwards perturbation field and tensile stress generated by the partiallymoltenmaterialsof uppermantle,and thermal stress,which jointly contribute to the Three Gorges area,then lead to the activities of the faulting zones and buried faults and possibly acti-vate the new ruptures,finally trigger earthquakes.

Three Gorges reservoir area;tectonic environment of deep crust;impoundment;seis mogenesis;buried fault

1671-5942(2010)05-0001-08

2010-07-15

國家自然科學基金(40574039);國家科技支撐計劃重點項目(2008BAC38B02)

李強,研究員,主要從事地震臺網數據處理方法與應用、地震層析成像和水庫誘發地震等方面的研究工作.E-mail：qli@neis. gov.cn

P315.72+8

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