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

水庫蓄水后將導致庫水向下滲透，改變庫基巖體的應力狀態和介質性質，誘發地震活動［1］。由于水的作用，地殼介質的物理性狀將產生一系列變化，如出現微破裂、擴容、塑性硬化及相變等，地震波通過地殼介質時，地震波速、波速比和地震波Q值等與震源區介質有關的參數均將發生變化。巖石力學實驗也表明，巖石中流體的存在將會影響巖石介質的地震波傳播特性。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，還與不同飽和階段的孔隙流體分布有關，并且進水和失水過程中縱波、橫波速度與飽和度關系顯示出不同的規律。

本文使用多臺和達法計算珊溪水庫地震序列地震波速比，結合地震序列的時空分布特征和發震構造，分析序列的波速比時空分布特征，探索其在地震預測中的應用，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上游1km 的峽谷處，水庫絕對壩高156.8 m，壩長308 m，設計最大庫容18.24×109m3，最高水位154.75 m。水庫蓄水之前，庫區歷史上沒有發生過地震。水庫于2000－05－12開始下閘蓄水，2002－07－28 發生3.5級地震，之后庫區每年都有地震活動。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），每一組地震相當于一次震群活動。因此，珊溪水庫地震序列是由多個震群構成的地震活動。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束且數目很多的一群地震。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。庫區在太古代結晶基底上，沉積了巨厚的中生代火山碎屑及河湖相沉積，庫區巖性主要為侏羅系上統火山碎屑巖、白堊系下統河湖相沉積巖夾火山巖。庫區的斷裂構造以北東向壓扭性、北西向張扭性斷裂構造為主，其次為東西向和南北向，斷層規模都很小，寬度多在10m 以內，長度均小于25km，深度達5km 以上，切穿基底變質巖。庫區范圍內有14條斷裂，多為蓋層斷裂，發育在上侏羅統火山巖及下白堊統火山沉積巖地層中。北東向斷裂帶內擠壓構造透鏡體、劈理發育，形成于前中生代，破碎帶剝蝕較淺，往往被北西向斷裂切割。北西向斷裂帶內擠壓構造透鏡體、斷層泥及片理發育，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，絕大部分地震發生在大壩上游的文成縣珊溪鎮與泰順縣包垟鄉交界處的水庫庫區，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，塊體內有近東西向斷裂f14穿過（圖2，藍：2002～2003，綠：2004～2005，紫：2006－02，紅：2006－03之后）。

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

發震構造研究表明，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果［6］。并且地震活動有沿斷裂遷移的現象：2002～2003地震主要發生在水庫淹沒區，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年后震中的優勢分布方向為NW，與穿過庫區的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。

2 資料與數據處理

利用浙江、福建區域臺網資料和珊溪水庫地震臺網資料，采用多臺和達法計算珊溪水庫地震序列波速比，即根據P波走時和P波、S波到時差的線性關系得到波速比值（vP／vS）、線性相關系數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的臺站數據，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致路徑差異增大的影響，提高了波速比計算的穩定性。珊溪水庫地震震中120km 范圍內有18個臺站，其中震中30km 范圍內有7 個臺站。每次計算地震波速比時，至少有4 個臺站以上的數據（一律采用Pg和Sg震相數據），最多達到18 個臺站數據。地震震相的判讀精度將直接反映在相關系數和計算誤差中，如果震相的判讀精度較低，則導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震時刻數據進行波速比計算，選取相關系數R≥0.95、計算誤差γ≤0.085（即大于5%的波速比異常是可信的）的結果，得到768次地震波速比計算結果。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 震中區沒有地震觀測臺站，但是震中120km 范圍內有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系數均在0.99以上，能夠滿足計算的擬合精度。2003－04以后震中區先后建起地震臺站，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系，每組地震開始階段的波速比均呈現出快速下降，后一階段波速比呈現出緩慢上升的變化，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－發生一組地震”（圖4）。一次震群結束后到下一次震群發生前的一段時間，地震頻度低，持續時間相對較長，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。可以看到，4次震群的開始階段波速比均呈現出下降趨勢。

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，小震的發生形成了良好的滲水通道，導致庫水滲入較深部位或者周邊其他地方，引發后續地震。每一組地震的開始階段由于地震密集發生，巖體破裂后，水的滲透速率未能使巖石達到水飽和狀態，巖體主要表現為孔隙度增加、飽和度減小，從而導致波速比下降；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，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地震主要發生在雙溪－焦溪垟斷裂水庫淹沒區一段，2003－08地震開始向水庫南岸遷移，直至2005年地震均發生在水庫南岸。與此相應，2003－08－21發生的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為通過震中區且平行于雙溪－焦溪垟斷裂的直線。將AB兩側各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。第1個低值區位于點A東南約4km 處，從較淺的2km 處一直延伸到6km 處。該區域位于雙溪－焦溪垟斷裂的水庫淹沒區一段，是2002－07 最初發生地震的地方。第2個低值區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雜，存在2個高、低值相間的區域，4級以上地震均發生在這一段5～8km 深度處的波速比高、低值過渡區域。第3個低值區位于雙溪－焦溪垟斷裂與巖上斷裂相交處東南的水庫淹沒區。

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 語

本文使用P波、S波到時差Δt≤14s的臺站數據計算地震波速比。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≥4、相關系數R≥0.95、計算誤差γ≤0.085的計算結果，得到768次地震波速比。結合珊溪水庫地震序列的時空分布特征和發震構造，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－發生一組地震”。

3）波速比的變化和震中位置的遷移有一定關系，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雜，存在2個高、低值相間的區域，4級以上地震均發生在這一段5～8km 深度處的波速比高、低值過渡區域。

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