松原前郭地震區孕震構造的地震層析成像研究

李洪麗, 劉財,2, 田有,2,3* , 吳兆營, 朱洪翔

1 吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室， 長春 130026 2 吉林大學地球探測科學與技術學院， 長春 130026 3 長白山火山綜合地球物理教育部野外科學觀測研究站， 長春 130021 4 吉林省地震局， 長春 130021

0 引言

中國東北地區由多個微陸塊組成，主體位于西伯利亞地臺、華北克拉通與西太平洋板塊之間，構造活動復雜.該區的構造演化在古生代期間主要受控于華北克拉通和西伯利亞地臺之間的古亞洲洋構造體系演化的影響，以眾多微陸塊之間的碰撞-拼合和古亞洲洋的最終閉合為主要特征(唐杰等，2019).中生代以來，該地區經歷了蒙古—鄂霍茨克閉合和中-新生代西太平洋板塊俯沖的雙重疊加和改造(田有等，2019).而東北亞大陸邊緣構造演化(如長白山火山、松遼盆地)自中生代以來主要受到西太平洋板塊向歐亞大陸巖石圈下大規模、多角度和多期次深俯沖作用的影響(唐克東等，2004；田有等，2019).

2013年10月，位于松原市的前郭爾羅斯地區發生了5.5級地震，震中位于查干花鎮東白音花村(東經124.2°，北緯44.6°)，震源深度約11 km.長春、哈爾濱等地有明顯震感，吉林市農安縣有兩次明顯震感.截止到11月25日12時00分，共記錄到地震事件400多次，其中，10月31日又發生5.0級地震，震源深度6 km，11月23日發生5.8級地震，震源深度9 km，周邊市縣震感明顯，11月23日06時32分發生5.0級地震，震源深度8 km，4.0～4.9級 4次，3.0～3.9級10次.吉林省松原市官方2013年11月23日發布的統計，自10月31日至11月23日，松原前郭縣幾次地震已經累計嚴重損毀房屋16210戶，直接經濟損失201162萬元人民幣.吉林油田就坐落在松原，而松原市是政治、經濟、文化的中心，松原市一旦發生較大地震，將會對城市造成嚴重后果.因此，對于松原震區的發震機制研究具有重要的科學意義.

國內自20世紀80年代開始開展地震層析成像研究.例如，眾多學者利用地震波走時數據對首都圈地區、西北造山帶、天山地區、昆侖造山帶、帕米爾等關鍵構造區帶進行了層析成像研究(金安蜀等，1980；胥頤等，2000；雷建設等，2002；趙文津等，2004；郭飚等，2004，2006；趙大鵬等2004；黃金莉和趙大鵬，2005；齊誠等，2006；賀日政等，2006；錢輝等，2007，2011)，獲得了巖石圈尺度三維地震波速度結構，探討了典型構造區構造演化特征，取得了重要研究成果.田有等(2011, 2019)對東北地區的地殼、上地幔三維結構進行研究，表明該區的構造演化與西太平洋板塊的俯沖息息相關.上述研究表明地震層析成像是研究深部殼幔結構和發震構造的最有效方法之一.

前人對于東北地區地震層析成像研究工作重點關注巖石圈尺度構造演化、活火山深部起源等，而對東北地區的淺部精細速度結構、破壞性地震發震機制及盆地內部中上地殼高精度速度結構等方面并未進行深入研究.針對松原地震區震群的發震機制與該區速度結構、波速比結構等諸多科學問題，本文收集松原前郭地震區及鄰區地震臺站采集的地震震相到時資料，采用雙差層析成像方法構建松原震區中、上地殼三維速度結構和泊松比模型，并基于反演得到的成像結果進一步計算了該區地下介質的裂縫密度和飽和度分布特征，揭示震區未來的地震危險性，并且為地震監測規劃、民居震害預防工作和震后恢復重建提供抗震指導建議，最終達到最大限度減輕地震災害的目的.

1 數據資料與成像方法

1.1 數據資料

本次地震數據源自吉林省地震局布設在松原地區的17個地震臺站在2013年10月—2018年12月期間記錄的地震事件(圖1).震中位置比較集中(圖2)，其中絕大多數地震事件分布在東經123.7°～124.5°、北緯44.5°～45.4°范圍內.在深度方向上，大部分事件分布在0～19 km范圍內，有兩個事件震源深度大于20 km，最大震源深度為24 km.地震事件在空間上的分布形態近似為柱狀分布.

圖1 (a)松原地震區構造、地震臺站和震群位置分布圖. 黑色三角代表地震臺站；圓點代表地震；穿過震群的實線代表速度剖面位置；虛線表示斷層；(b)研究區位置圖Fig.1 (a) Map showing tectonics map, seismic stations and earthquakes in the Songyuan area. Black triangles are seismic stations. Small circles are earthquakes. The solid lines passing through seismic events are locations of velocity profiles. Dashed solid lines are faults； (b) The location of the study area

圖2 松原地區地震重定位前(a—c)后(d—f)震源位置分布Fig.2 Hypocenters before (a—c) and after (d—f) relocation of earthquakes in Songyuan area

本研究共采用2926條P波走時數據和2665條S波走時數據.P波和S波射線分布如圖3所示.從射線分布圖上看，在研究區中心位置，即震群位置射線非常密集，后面對于該成像分辨率檢測結果也證明在震群集中區域分辨率較高.雙差成像方法主要的優點在于可以采用時間對進行反演運算，所以依據地震之間的距離對515個地震事件進行了配對，其中共有415個事件滿足配對條件，獲得47870個P波事件對和46350個S波事件對.

圖3 P波和S波射線分布Fig.3 Ray paths of P-wave and S-wave

1.2 震源定位與成像方法

雙差層析成像方法是基于雙差地震定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)發展而來，該方法利用地震對相對于同一臺站之間相對走時差的差來同時反演速度結構和高精度震源位置(Zhang and Thurber, 2003).雙差層析成像方法在強震區精細結構構建、俯沖帶的高分辨率成像、火山的速度結構反演等方面具有較好的效果.由于雙差層析成像方法是利用相鄰事件的相對走時進行反演，所以在地震多發區域，如板塊俯沖帶，大斷層區域，發生的地震比較集中，容易產生配對而成像效果好.

圖4 松原震群重定位前(a)后(b)走時殘差統計直方圖Fig.4 Statistical histograms of travel time residuals before (a) and after (b) relocation of earthquakes in Songyuan area

作為相對定位方法的雙差法，由于地震對到臺站之間的路徑幾乎是一致的，這可以有效消除地殼速度結構帶來的影響，進而提高震源定位精度.本研究對地震重新定位前后P波走時殘差的分布特征進行了統計(圖4)，從圖上看出定位之前雖然走時殘差值呈正態分布特征，但更多的數據是集中在-0.5～+0.5，殘差較大(圖4a)；定位后，更多的走時殘差集中在-0.2～+0.2，說明定位后震源位置更接近于實際地震位置，震源定位精度較高(圖4b).定位后震源位置分布更加集中(圖2d—f)，而從定位后的地震深度直方圖上(圖5)可以看出，地震分布的深度也主要集中在5～14 km，而5～10 km深度的上部地殼區域地震震源更為集中.圖2a—c表示未定位的震源分布，不難看出震源分布較為凌亂，深度方向上也沒有規律可循，但定位后地震成簇分布，表明發震斷層的主體走向為北西-南東向(圖2d—f).

圖5 松原震群重定位前(a)后(b)震源深度統計直方圖Fig.5 Statistical histograms of focal depths before (a) and after (b) relocation of the Songyuan earthquake cluster

1.3 O′Connell-Budiansky理論與裂縫密度、飽和度的計算

O′Connell-Budiansky理論是一種基于各向同性介質條件下，利用地震波速度、泊松比參數估計地下巖石裂縫密度和飽和度的方法(O′Connell and Budiansky, 1974; Zhao and Mizuno, 1999).該理論假設巖石介質中變平的圓形裂縫隨機排列，并充滿了流體.依據該理論，裂縫密度參數ε可以定義為

ε=N〈α3〉，

(1)

其中，N為單位體積含有的裂縫數量，〈α〉表示圓形裂縫的平均半徑.如果假設Ndry表示干巖石的裂縫數量，則充滿流體的裂縫數量為Nsad=N-Ndry，所以飽和度ξ可以定義為

(2)

O′Connell和Budiansky(1974)推導獲得地震波速度(VP,VS)、泊松比(σ)、裂縫密度(ε)和飽和度(ξ)的關系式為

(3)

(4)

(5)

2 反演計算與分辨率分析

依據松原地震區地震與臺陣的分布，本次研究模型的選取范圍為東經119°～128.5°，北緯43.5°～46°，深度范圍為0～25 km.但模型格點設置范圍適當減小.本次研究采用規則網格，在經度和緯度方向上節點距離為0.25°，深度方向在0～20 km范圍內，每5 km設置一個節點.

本次研究采用的初始速度模型為層狀模型，各個深度層位上的初始速度值參考iasp91全球一維速度模型給出，輸入分別為各層(節點)縱波速度和縱橫波速度比.在深度方向上的5個節點(0 km·s-1、5 km·s-1、10 km·s-1、15 km·s-1、20 km·s-1)縱波速度依次為5.8 km·s-1、5.8 km·s-1、5.95 km·s-1、6.15 km·s-1和6.5 km·s-1，波速比設置為1.73.

地震層析成像結果的分辨率分析是十分重要的環節.偏導加權之和(DWS，Derivative Weight Sum)是衡量反演分辨率和反演精度的有效手段之一(Thurber, 1983).DWS越高，說明地震波走時數據對于該地區的速度約束越強，反演得到的速度結構精度就越高.所以本研究給出了深度平面上的DWS分布(圖6).從圖中可以看出，白色區域速度反演的分辨率和精度均較高，這與該區地震和臺站分布的密集程度相對應.震群附近及研究區東北部區域成像精度較高.波速比結構是通過將反演得到的P波和S波三維速度值直接相除獲得，所以對于波速比結構的成像分辨率參考了P波和S波速度成像中分辨率較低的S波成像分辨率，即S波成像分辨率在一定程度上代表了波速比結構的分辨率.

圖6 各水平深度層位上P波(a)和S波(b)的DWS(Derivative Weight Sum，偏導加權之和)分布Fig.6 DWS (Derivative Weight Sum) distribution of P-wave (a) and S-wave (b) at every horizontal depth

鑒于以上DWS分布特征表明，本研究的地震波P波和S波成像的分辨率較好的區域均分布在地震集中的震群附近，因此本研究針對P波、S波與波速比結構的深入探討也集中在震群區域.

3 成像結果與討論

3.1 介質結構異常解釋

圖7為5個典型深度的P波、S波速度與VP/VS結構圖像及利用反演的速度結構計算獲得的裂縫密度和飽和度分布圖, 并標出主要斷層和震源分布.從圖中可以看出P和S波速度分布具有很好的相似性.總體來看在近地表低速速度結構呈現近南北向，向深部轉變為北北東向.震區附近的P波速度較低并延伸至20 km，低S波速異常也延伸至20 km深度附近.VP/VS分布表明該區8～10 km以淺表現較高異常；在深部區域，震群附近VP/VS值較低，而裂縫密度和飽和度在10 km以淺區域也表現為高值.

圖7 不同深度層位上的P波、S波、波速比、裂縫密度和飽和度成像結果Fig.7 Tomographic results of P waves, S waves, VP/VS, crack density and saturation degree at different depths

為了深入探討介質結構變化與地震活動性的關系，本研究沿著震群中心區域截取了3個剖面(圖8)，剖面位置見圖1.松原震區附近共發育3條隱伏斷層(鄧起東，2007)分別是NE向扶余—肇東斷裂、克山—大安斷裂及NW向查干泡—道字井斷裂.從截取的剖面上看低P波延伸至20 km深度附近，低S波速度結構向下延伸至10 km深度附近；VP/VS結構在5 km以淺區域表現為高值，深部VP/VS較低；而高裂縫密度和高飽和度異常亦延伸至10 km附近.從震源分布來看，地震主要發生在P波和S波低度、低VP/VS區域.水平剖面上(圖7)地震分布總體表現為沿北西-南東向，即松原震區的地震主要發生在NW-SE向的查干泡—道字井斷裂上；縱向上，地震分布近于垂直，但從垂直扶余—肇東斷裂的剖面上(圖8中BB′剖面)可以看出該斷裂是具有向北東方向傾斜的特征.

圖8 震群附近地震波速度、波速比結構、裂縫密度和飽和度剖面圖(剖面位置見圖1)Fig.8 Vertical tomographic profiles of VP, VS, VP/VS, crack density and saturation degree (locations of profiles are shown in Fig.1)

3.2 流體注入與誘發地震的可能性

地殼巖石的地震波速度結構、波速比結構與壓力、溫度、巖石組成、裂縫密度和流體含量等密切相關，實驗研究表明流體對巖石地震波速度的影響取決于流體類型(水、部分熔融)及巖石孔隙的形狀等(Takei，2002).對較小的巖石孔隙縱橫比，流體可以降低巖石地震波速度，提高波速比；對較大的巖石孔隙縱橫比，流體導致地震波速度和波速比均降低(Nugraha et al., 2013; Takei, 2002).

圖8為松原震區速度結構與震群分布剖面圖，圖中的地震為剖面兩側2 km范圍內的震源位置投影，經過雙差法重定位后的地震分布表明地震位置與速度結構之間有很強的依賴關系.淺層(<5 km)速度結構表現為低P波和S波速度異常、高波速比異常、且具有高裂縫密度和高飽和度異常，顯然該深度速度異常與淺層流體作用密切相關，而這一深度發生的地震很少；在5～15 km深度附近，主體表現為低P波速度、低S波速度和低波速比異常，10 km以下區域表現為低裂縫密度和低飽和度異常，可能表征了較小的巖石孔隙比，所以流體致使地震波速降低，同時也導致波速比降低.

大量的監測表明非常規油氣藏勘探開發過程中地下深處注水、注氣會誘發天然地震(Lei et al., 2013, 2017；Walsh III and Zoback, 2015; 孫小龍等，2018).當有大量的流體被壓入地下時，地下巖石的孔隙壓力會隨之增大，改變地下原有的應力分布情況，進而可能導致地質力學變化、斷層復活、微地震活動，甚至會有破壞性地震發生(Lei et al., 2017).2017年1月在四川筠連縣發生了最大震級為4.9級的震群.Lei等(2017) 分別從統計分析、矩張量反演、震源重新定位、數值計算的庫侖破裂應力結果以及地震發生指數等不同方面進行研究，認為該震群中的大多數地震是因大量注水再激活預先存在的斷層而發生的.2003—2013年間，美國俄克拉荷馬州中部由于地下深層注入大量廢水影響，地震活動明顯增強(Walsh III and Zoback, 2015)，俄克拉荷馬州波尼發生最強烈的一次地震(5.8級).Pei等 (2018)對俄克拉荷馬州地區的地震構造進行了各向異性的二維P波層析成像，結果顯示大多數中尺度地震都發生在高速體區域內部或高速體與低速體的邊界附近，表明它們跟不同基底巖石性質的地質邊界和上地殼中的物質性質有關.

上述研究表明工業開采期間的注水、注氣會不同程度的誘發該區域天然地震的發生.而松原震區同樣處于吉林油田范圍內.油氣田的開采后期或達到增產的目的，都可能會采用注水驅油技術，這勢必導致地層裂縫和流體含量的變化，從而使得地層地質結構發生改變.但對比上述研究結構，我們可以看出松原地區上地殼的速度結構和震群發生位置具有較為明顯的區別.四川筠連震區和美國俄克拉荷馬州波尼震群發生的較大地震均發生在高速體或高速體與低速體過渡區域，而松原震群均發生在低P波和S波速度異常區域，只是淺層(<5 km)和中深層(5～15 km)的波速比異常具有較大差異.吉林油田前郭爾多斯地區油層為泉頭組四段的扶余油層，深度在350～450 m深度左右(王艷麗, 2018)，但松原前郭爾多斯震區主震群發生在5～15 km深度，所以推測該區地震的發生可能與油田注水活動并無直接的關系.

3.3 速度結構不均一性與地震發生的關系

前人的研究表明流體與強震發生有著密切關系(Zhao et al.，2000，Tian and Liu, 2013；繆淼和朱守彪，2012).Hickman等(1995)研究表明流體廣泛地存在于地球內部.日本神戶7.3級地震震源區域介質表現為低P波和S波速度、高泊松比異常(Zhao et al.，1996)，表明該地震的發生與殼內流體的作用息息相關.流體可能來自深部俯沖的太平洋板塊脫水作用.流體作用導致了巖石有效應力的下降和孔隙壓力的增加，使斷層弱化而觸發地震(田有等，2007).上述的研究多基于大洋和大陸俯沖帶地區，如太平洋俯沖帶在日本島弧下面的俯沖作用.由于俯沖的太平洋板塊富含流體，帶入到上部地幔后釋放到地幔楔內部，使得島弧地殼富含流體；但大陸內部強震的形成機制可能有不同認識.

地殼結構的橫向不均勻性與地震分布密切相關(田有等，2007；田有，2008；曲中黨等，2018)，尤其是大陸板塊內部區域絕大多數大地震(>6.0級)發生與高地震波速度異常密切相關(Huang and Zhao，2004；田有等，2007)；近來對華北1960年以來發生的大于6級的地震研究發現，這些地震多數也都分布在高P波、S波速度，低泊松比區域，或者發生在高速和低速異常體的分界區域，表明高速區多屬地殼脆性介質，應力容易集中，因而導致大地震；相反，低速度區域則可能代表了破裂程度高、富含流體或溫度較高的區域，因而傾向于發生無震變形或小震群(田有等，2007；田有，2008).這與松原震區非常相似，該區地震均發生在低P波、S波與高波速比區域，而且最近幾年尚未發生過7級左右的大地震，表明該區的低速物質不容易積累產生大地震的應力，所以推測松原震區發生較大破壞性地震的可能性較低.松原前郭震區震源機制研究顯示該區4.5級以上的地震具有逆沖斷層兼走滑性質(吳微微等，2014)，而震群又發生在NW走向的斷層上，即與太平洋北西向俯沖方向一致.

4 結論

(1)地震重新精確定位結果表明松原地區地震主要發生在NW-SE的查干泡—道字井斷裂上，該斷裂傾向為北東向，近垂直斷裂.

(2)松原震群區主要表現為低P波、低S波、低波速比結構，中國大陸內部，尤其是從華北地區大地震(>6.0級)的研究來看，大地震主要發生在高P波和S波速度異常，低泊松比異常區，所以推測松原地震區發生更大地震的可能性較低.

(3)松原震群區淺地表區域(<5 km)整體表現為低P波、低S波、高波速比、高裂縫密度和飽和度異常，淺層(<5 km)高波速比結構可能與流體有關，但該區產油的扶余油層較淺(350～450 m深度)，推測地震發生可能與油田驅油注水并無直接相關.從區域構造出發表明松原地震發震構造與東北地區的區域構造應力場密切相關,即可能與太平洋板塊俯沖遠程效應有關.

致謝感謝張海江教授提供的雙差地震層析成像計算程序(TOMODD)，感謝中國國家地震局和吉林省地震局提供的地震波走時數據，感謝兩位評審專家提出的詳細的、寶貴的修改意見和建議.本文中圖件均用GMT軟件繪制(Wessel and Smith，1998).