2019年四川威遠東兩次MS>5.0地震序列活動特征及震源區(qū)體波速度結(jié)構(gòu)

張栓, 江國焰,2*, 許才軍,2*, 雷興林, 蘇金蓉, 林學(xué)楷

1 武漢大學(xué)測繪學(xué)院, 武漢 430079 2 湖北珞珈實驗室, 武漢 430079 3 日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所, 筑波 305-8567 4 四川省地震局, 成都 610041

0 引言

位于中國西南部的四川盆地,是揚子準地臺上構(gòu)造最穩(wěn)定的地區(qū)(谷志東和汪澤成,2014).盆地以龍泉山脈和華鎣山脈為界,分成了川東、川中和川西三個單元(梅慶華等,2014;Lei et al.,2020).威遠地區(qū)位于川中低緩隆區(qū)西南部,北西和南東分別與龍泉山斷裂和華鎣山斷裂相鄰(圖1a).該地區(qū)主要地質(zhì)特征為北東—南西向的威遠大型穹窿背斜構(gòu)造,其沉積層發(fā)育著一些規(guī)模不等的以壓扭性逆斷層或純逆斷層為主的NE向和NW向斷層(四川省地質(zhì)局,1980;易桂喜等,2020).從更大的區(qū)域構(gòu)造尺度來看,還有幾條規(guī)模比較大的隱伏基底斷裂控制著沉積層的構(gòu)造變形,其中最重要的是沿華鎣山系延伸的基底逆斷層(Lei et al.,2020).

圖1 四川威遠及鄰區(qū)地形、地震臺站和2019年2月份以來MS≥4.0地震分布圖

威遠及鄰區(qū)屬于歷史弱震區(qū),然而,自2015年開始,地震活動頻次急劇增加(Lei et al.,2020;Yang et al.,2020;Sheng et al.,2020,2022;易桂喜等,2020;杜廣寶等,2021;Zhou et al.,2021;Wong et al.,2021).據(jù)統(tǒng)計,2019年M>2.0的地震頻次就突破了1000次(杜廣寶等,2021).與此同時,研究區(qū)及周邊發(fā)生了多次中強地震,僅2019年2月份以來就發(fā)生了8次MS≥4.0的地震(數(shù)據(jù)來自http:∥www.ceic.ac.cn/history),包括四川榮縣2019年2月24日MS4.7、2月25日MS4.3、MS4.9以及9月10日MS4.0和2020年2月16日MS4.4地震,四川威遠2019年9月8日MS5.4、MS4.3地震,四川資中2019年12月18日MS5.2地震(圖1a).Lei等(2020)根據(jù)目前地震活動分布情況,以威遠為中心將威遠頁巖氣區(qū)塊劃分為威西和威東兩個子區(qū)塊.特別值得注意的是,2019年9月和12月在威東子區(qū)塊接連發(fā)生的MS5.4和MS5.2地震是研究區(qū)內(nèi)有歷史記錄以來最大的兩次地震(圖1b),同時也刷新了威遠地區(qū)有記錄以來歷史地震震級上限.相比之下,威西子區(qū)塊發(fā)生了更多的破壞性地震,2019年2月在威西子區(qū)塊短短2天內(nèi)就發(fā)生了3次MS>4.0地震,引發(fā)廣泛關(guān)注.這些地震導(dǎo)致多人傷亡,并造成了重大財產(chǎn)損失.最近的一些研究表明,水力壓裂可能與一些地震的發(fā)生有關(guān)(Lei et al.,2020;Yang et al.,2020;Sheng et al.,2020,2022;Wang M et al.,2020;Wong et al.,2021).如何精確獲取地震震源區(qū)高分辨率的背景速度結(jié)構(gòu)和高精度的地震目錄對于理解誘發(fā)地震的物理機制,減輕與之相關(guān)的地震風險以及保證相關(guān)產(chǎn)業(yè)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要(Lei et al.,2020;Tan et al.,2020;Sheng et al.,2022).

目前針對于威遠及鄰區(qū)的地下速度結(jié)構(gòu)已經(jīng)開展了大量的研究工作.Wang等(2016)利用油井、工業(yè)等厚圖、地質(zhì)圖和數(shù)字高程模型等資料提出了一個新的青藏高原東緣地殼三維速度模型,該模型描述了四川盆地及其周邊逆沖帶的高分辨率三維速度結(jié)構(gòu),但其研究區(qū)域的尺度相對于威遠頁巖氣田要大很多,不能很好分辨出氣田內(nèi)部精細速度結(jié)構(gòu);曾求等(2020)根據(jù)威遠地區(qū)50個流動臺站連續(xù)波形資料,利用背景噪聲成像方法重建了該地區(qū)5 km以內(nèi)的三維S波速度結(jié)構(gòu);Wei等(2022)采用多頻接收函數(shù)和面波頻散聯(lián)合反演了威遠頁巖氣田地殼S波速度結(jié)構(gòu),推測高低速度交替的地層特征和長期水力壓裂注水作用可能是2018年以來威遠頁巖氣田ML>4.0地震的主要誘因.以上僅僅對于威遠頁巖氣田S波速度結(jié)構(gòu)進行了分析,均缺乏精細的地震時空分布的討論.Zhou等(2021)利用短周期臨時密集臺陣,基于機器學(xué)習以及絕對定位構(gòu)建高分辨率地震目錄,并使用探測到的爆炸源和地震活動改進速度結(jié)構(gòu),獲得了威遠頁巖氣區(qū)塊穩(wěn)健的一維速度模型,但是一維速度模型不能很好的表征速度結(jié)構(gòu)的橫向變化;杜廣寶等(2021)利用流動臺+固定臺記錄的近震P波和S波震相報告數(shù)據(jù),通過雙差層析成像方法(TomoDD)獲得了威遠及鄰區(qū)地震活動特征和高分辨率淺層速度結(jié)構(gòu),但是反演中只利用了震相報告數(shù)據(jù),未加入波形互相關(guān)到時差數(shù)據(jù),而互相關(guān)數(shù)據(jù)的加入可以大大提高反演精度(Zhang and Thurber,2003,2006).綜上所述,現(xiàn)有研究主要重點關(guān)注整個威遠頁巖氣田及鄰區(qū)的地下結(jié)構(gòu),并沒有對威遠東和威遠西兩個子區(qū)塊單獨進行細化研究,更沒有針對于頁巖氣田內(nèi)具體的破壞性地震序列所在震源區(qū)的精細速度結(jié)構(gòu)進行深入分析.

相比速度結(jié)構(gòu)而言,盡管前人對威遠頁巖氣田發(fā)生的破壞性地震的發(fā)震構(gòu)造已經(jīng)進行了多次研究,并嘗試討論了可能的誘發(fā)機理,但由于缺乏震源區(qū)高精度地震序列時空演化特征和高分辨率體波速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合分析,目前一些破壞性較強地震的發(fā)震構(gòu)造仍存在較大爭議,特別是威東子區(qū)塊2019年最大的兩次MS>5.0地震(見表1).Lei等(2020)利用震相到時數(shù)據(jù)(流動臺+固定臺)以及雙差定位方法獲得了威遠東部4139個M≥1.2事件的重定位結(jié)果,并通過gCAP方法獲得了兩次MS>5.0地震的震源機制解,綜合MS5.4地震后兩周余震的分布,推測其發(fā)震斷層是走向北25°東,傾向東南傾角40°左右的逆斷層.斷層活化分析表明,1.3～10.6 MPa的流體壓力增加便足以誘發(fā)MW>3.5地震(Lei et al.,2020);易桂喜等(2020)利用四川區(qū)域地震臺網(wǎng)(固定臺)寬頻帶地震波形記錄和CAP方法,獲得了包括威遠東兩次MS>5.0地震在內(nèi)的26個地震的震源機制解,逆沖型的震源機制解以及區(qū)域應(yīng)力場反演結(jié)果表明,研究區(qū)主要的發(fā)震構(gòu)造可能為一系列走向NNE-NE、傾向SE的低傾角盲沖斷層,區(qū)域應(yīng)力場對研究區(qū)的構(gòu)造變形起著重要的控制作用;Wang M等(2020)利用橫跨威遠背斜的地震反射剖面、地震活動重定位和震源機制解結(jié)果以及地震活動與壓裂井之間的關(guān)系,認為2019年9月8日威遠MS5.4地震序列的發(fā)震斷層為緩東傾逆沖斷層,并推測此次地震可能是由孔隙彈性效應(yīng)所致;Wong等(2021)利用固定臺網(wǎng)通過機器學(xué)習和波形互相關(guān)構(gòu)建了一個高分辨率地震目錄,其中位于威遠東北部的地震震群描繪了一個東南傾的盲斷層,該斷層在空間上的位置與2019年MS5.4地震質(zhì)心位置一致,作者認為該斷層可能是該地震的發(fā)震斷層;但與以上結(jié)果不同,Sheng等(2020)利用短周期臨時密集地震臺網(wǎng)反演獲得了兩次小地震的高精度震源參數(shù),并以此為參考,確定了威遠地區(qū)三次中等規(guī)模地震(包括威遠東兩次MS>5.0地震)的可靠質(zhì)心位置和破裂方向,認為MS5.4地震的發(fā)震斷層更可能是西北傾的一個高角度斷層面,MS5.2地震的發(fā)震斷層面和破裂方向與MS5.4地震相似,而MS5.2地震相對于MS5.4地震的長時間延時發(fā)生以及其附近2 km內(nèi)注入井的存在表明,該地震更有可能是由水力壓裂引起的.還有研究認為此次威遠MS5.4地震為構(gòu)造地震,是由NE向隱伏基底大斷裂的北東段錯動引起的(劉成明,2021).但是考慮到基底深度和地震震源深度,基底大斷裂活動的證據(jù)不足.綜上所述,威遠東兩次MS>5.0地震的發(fā)震構(gòu)造確實存在較大爭議.為進一步確定該區(qū)最大地震震源區(qū)相對精確的地震重定位結(jié)果和高分辨率速度結(jié)構(gòu),本文采用雙差層析成像方法(Zhang and Thurber,2003,2006),利用2019年8月至2020年3月期間四川威遠及周邊25個流動臺和17個固定臺所記錄的Pg波和Sg波震相報告資料,以及基于連續(xù)波形數(shù)字信號計算的互相關(guān)到時差數(shù)據(jù),對兩個地震序列的震源位置和精細速度結(jié)構(gòu)進行聯(lián)合反演.在此基礎(chǔ)上,分析了震源區(qū)地震活動特征與速度異常之間的關(guān)系,并深入探討了兩次地震的發(fā)震構(gòu)造及機理.

表1 2019年威遠東兩次MS>5.0地震的不同研究結(jié)果

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 地震資料與預(yù)處理

本文采用了2019年8月至2020年3月期間威遠及周邊區(qū)域(103.75°E—105.5°E,28.75°N—30.3°N)42個寬頻地震臺所記錄的5638次ML≥1.2地震(原始地震目錄的最小完備震級為ML0.8)Pg波和Sg波震相報告資料和連續(xù)波形數(shù)字信號(圖2a,圖2f),其中17個是固定臺,25個是2019年2月25日開始布設(shè)的流動臺(圖1a).研究區(qū)(104.74°E—104.88°E,28.56°N—29.68°N)內(nèi)射線覆蓋密集,周圍臺站分布較好(圖2a),為反演該區(qū)域精細速度結(jié)構(gòu)和地震時空分布提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中,我們首先從Pg波和Sg波震相資料中挑選出所有ML≥1.2地震事件,然后通過反演測試,最終限制地震對之間的最大距離為2 km,地震對到臺站的最大距離為200 km,每個地震事件被記錄到的臺站數(shù)不少于10個.為進一步提高震相到時拾取精度,本文利用時距曲線對目錄震相到時進行了校正,剔除了Pg波走時誤差大于2 s、Sg波走時誤差大于3 s的震相數(shù)據(jù)(圖2b,圖2c).最終39個臺站和5528個地震事件用于反演,其中Pg、Sg波目錄絕對走時數(shù)據(jù)分別為71690條和66777條,目錄相對走時數(shù)據(jù)分別為542514條和477350條.

圖2 (a) P波射線路徑及臺站分布,(a1)研究區(qū)放大圖; (b,c)P波、S波時距曲線; (d,e)L曲線選擇正則化參數(shù),其中(d)為平滑因子,(e)為阻尼參數(shù),黑色圓圈標記的數(shù)值為選定的最佳參數(shù); (f)反演采用的地震目錄時間變化圖

一般基于波形互相關(guān)的相對到時差數(shù)據(jù)的精度比人工拾取的精度高1到2個數(shù)量級(Schaff and Waldhauser,2005).將波形互相關(guān)得到的同一臺站觀測到的地震對高精度相對走時差用于地震的相對定位方法中,可以顯著改善地震重定位結(jié)果(Du et al.,2004;黃媛,2008;汪銳等,2013).本文根據(jù)篩選得到的5528個ML≥1.2地震事件的震相報告數(shù)據(jù),利用Geotaos_Map(http:∥bemlar.ism.ac.jp/lxl/)從連續(xù)波形中截取出對應(yīng)的事件波形,經(jīng)過去均值、線性趨勢和波形尖滅以及1～8 Hz濾波,并剔除掉部分信噪比較差的波形數(shù)據(jù).在進行互相關(guān)計算時,只保留所有事件波形的Z分量,設(shè)定Pg波及Sg波到達前0.5 s開始的長度為1.5 s的時間窗,選取初始互相關(guān)閾值為0.6.最終基于波形互相關(guān)分析,獲得了Pg波相對走時差數(shù)據(jù)249918個和Sg波相對走時差數(shù)據(jù)196152個.

1.2 雙差層析成像方法

雙差層析成像(TomoDD)方法(Zhang and Thurber,2003,2006)巧妙的將雙差地震定位(HypoDD)方法(Waldhauser and Ellsworth,2000)以及傳統(tǒng)的走時層析成像結(jié)合在一起,反演中利用絕對和相對走時(目錄走時差和基于波形互相關(guān)得到的互相關(guān)走時差),采用分層動態(tài)加權(quán)方式,將不同的數(shù)據(jù)類型組合到一個系統(tǒng)中.首先,賦予目錄絕對走時更高的權(quán)重,以在大尺度上成像速度結(jié)構(gòu),然后對目錄走時差和互相關(guān)走時差數(shù)據(jù)依次賦予更高的權(quán)重,以細化震源區(qū)附近的事件位置和速度結(jié)構(gòu),從而充分發(fā)揮不同數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,同時對震源的絕對和相對位置以及三維速度結(jié)構(gòu)進行反演.

TomoDD主要用于地震叢集區(qū)或者密集臺陣區(qū)的速度反演,本研究屬于前者,其分辨率主要取決于地震的空間密度分布.由于使用了相鄰事件到不同臺站的到時差(構(gòu)建雙差),極大地降低了地震對到臺站間的射線路徑上速度結(jié)構(gòu)不確定性的影響,因此TomoDD方法很大程度上解決了區(qū)域速度結(jié)構(gòu)不均一性的問題.同時由于耦合效應(yīng)的存在,地震的位置和速度結(jié)構(gòu)之間存在密不可分的關(guān)系(Thurber,1992).在反復(fù)迭代過程中速度結(jié)構(gòu)分辨率和震源位置精度會相互促進,從而達到提高整體反演精度的效果(Zhang and Thurber,2003).

1.3 初始模型和參數(shù)的選擇

本文反演采用的初始速度模型為杜廣寶等(2021)使用的一維速度模型,研究區(qū)縱橫波速比為1.72.在研究區(qū)東西和南北方向上均采用0.02°×0.02°的網(wǎng)格,深度上分別取-5 km,0 km,2 km,3 km,5 km,7 km,10 km.由于數(shù)據(jù)量比較大,反演中利用共軛梯度法(LSQR)的加權(quán)最小二乘方法對每個臺站的地震對之間所構(gòu)建的雙差的殘差進行最小化,并采用L-curve(Hansen,1992;Hansen and O′Leary,1993)方法來選擇兩個正則化參數(shù),分別為約束慢度變化量的平滑因子以及同時約束了地震位置和慢度變化量的阻尼因子.最優(yōu)平滑和阻尼因子最終被確定為3和300(圖2d,圖2e).

1.4 反演結(jié)果的可靠性分析

反演后所有臺站均方根走時殘差從0.201 s降低到0.086 s(圖3e).為了進一步評估重定位精度,本文采用自助法(Efron and Gong,1983;Efron and Tibshirani,1991;Waldhauser and Ellsworth,2000)進行了100次抽樣計算,震源位置東西(圖3f)、南北(圖3g)、深度(圖3h)方向的測定誤差(2倍標準差)分別為:0.324 km、0.356 km、0.402 km.

圖3 (a,b)重定位前后地震空間位置變化,紅色橢圓所示為主要震源區(qū);(c,d)重定位前后震源深度變化;(e)重定位前(藍色)后(紅色)走時殘差直方圖,右上角標注了反演前后的方差;(f—h)X、Y、Z三個方向地震重定位誤差; (i)主要震源區(qū)內(nèi)ML≥1.2地震隨時間變化,紅色水平虛線代表W204-H37井壓裂時間窗,壓裂開始具體時間暫不確定,2019年9月初結(jié)束;紅色水平實線代表W204-H42井壓裂時間窗,壓裂從2019年10月10日開始,2020年1月中旬結(jié)束(據(jù)Lei et al.,2020).

本文采用棋盤檢測方法(Humphreys and Clayton,1988)以及節(jié)點微分加權(quán)總和(Dericative Weighted Sum,DWS)的大小來共同評定反演結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性.棋盤測試是通過將初始一維速度模型加減5%得到的棋盤模型和實際數(shù)據(jù)來正演理論走時,再用正演得到的理論走時數(shù)據(jù)與實際反演過程中使用的初始一維速度模型進行反演,可以依據(jù)棋盤恢復(fù)度來測試不同反演參數(shù)下反演結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性.DWS是節(jié)點射線密度的一種度量,DWS越大,表明該區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)受到反演數(shù)據(jù)的約束越強,相應(yīng)的模型分辨率也就越高(Thurber,1983;李洪麗等,2021).Scarfì等(2007)研究表明DWS大于100的區(qū)域具有較高的模型分辨率.本文理論模型采用0.02°×0.02°網(wǎng)格和±5%異常相間的棋盤模型,圖4a給出了不同深度棋盤檢測結(jié)果.如圖4b所示,震源區(qū)的DWS值均大于100,最高值達到35000.結(jié)果表明,震源區(qū)的速度異常得到了不同程度的恢復(fù).

圖4 不同深度的棋盤測試結(jié)果(a)及DWS(b)分布

2 結(jié)果

2.1 地震重定位結(jié)果

本文利用威遠頁巖氣田周邊共計5528個地震進行反演,其中研究區(qū)(目標成像區(qū))內(nèi)地震為2064個,在利用雙差層析成像方法過程中,通過對數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及平滑因子和阻尼因子等反演參數(shù)的選擇,最終獲取兩次MS>5.0地震震源區(qū)附近2013個地震事件的重定位結(jié)果(圖3b紅色橢圓內(nèi)所包含的主要震源區(qū)內(nèi)地震數(shù)量為1785個).

從整體上看,重新定位后的震源位置分布更加聚集(圖3a,圖3b),震源深度主要集中在2～5 km深度范圍(3～4 km居多)(圖3d).MS5.4和MS5.2震后10天的余震序列呈現(xiàn)出近NNE向條帶狀分布(圖5b、圖5g),與該區(qū)域已知的斷裂分布無明顯關(guān)聯(lián).相對于絕大部分中小地震而言,兩次MS>5.0地震的震源深度明顯偏深,分別為6.47 km和5.25 km.

圖5 震源區(qū)內(nèi)不同時間段地震空間分布變化

主要震源區(qū)內(nèi)地震的震級和累積次數(shù)隨時間的變化(圖3i)顯示,地震活動經(jīng)歷了3次加速,分別為2019年9月8日(MS5.4地震發(fā)生時)、2019年11月7日和2019年12月18日(MS5.2地震發(fā)生時).而在MS5.4地震發(fā)生前一個多月,以及MS5.2地震發(fā)生后一個多月(特別是2020-01-15—2020-03-31期間),地震活動頻度較低.從不同時間段地震空間分布圖(圖5)中我們還可以看出地震活動明顯的遷移現(xiàn)象,2019年11月7日開始,中小地震在H42壓裂平臺東側(cè)大規(guī)模爆發(fā)(圖5e),隨著時間的推移,以H42井為中心向西南和東北方向延伸,并于2019年12月5日左右開始在東北方向出現(xiàn)兩個明顯分支,其中一個分支逐漸延伸到了MS5.2震中位置附近(圖5f、圖5g).

2.2 三維速度結(jié)構(gòu)

本文同時反演了研究區(qū)P波和S波速度結(jié)構(gòu),圖6a和圖6b分別呈現(xiàn)了P波和S波速度相對于初始一維速度模型變化的百分比.從整體上來看,速度結(jié)構(gòu)在不同深度剖面上存在相似性,同一深度,速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的橫向變化,P波速度變化量大于S波,P波低速異常往往對應(yīng)著S波弱高速異常.

首先，音樂創(chuàng)作本身就是一種藝術(shù)行為，是一種情感升華，是一種審美體驗。音樂創(chuàng)作對于創(chuàng)作者本身是其思想情感的表達，對于欣賞音樂作品的人民群眾來說，也是一個美的享受過程。當人民群眾對音樂產(chǎn)生共鳴，他們的藝術(shù)認知力和審美鑒賞力都會在無形中得到提高，這對于提升全社會整體文化素質(zhì)有著不可替代的重要作用。

兩次MS>5.0地震序列的絕大部分事件均與源區(qū)的VP低速異常和VS弱高速異常相關(guān)聯(lián),這與繆思鈺等(2019)獲得的我國西南地區(qū)某頁巖氣水力壓裂井淺層微地震定位和速度成像研究結(jié)果存在一致性,而一小部分事件分布在VP和VS高低速異常過渡帶內(nèi).從5 km開始,隨著深度的增加,中小地震數(shù)量急劇減小,地震分布主要與VP相關(guān)聯(lián),基本上全部發(fā)生在VP低速異常區(qū).

本文還利用VP和VS直接相除獲得了震源區(qū)不同深度剖面的波速比(圖6c),結(jié)果顯示,震源區(qū)中小地震大部分都位于VP/VS比背景值低4%～10%的區(qū)域.為了進一步驗證速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果的可靠性,我們根據(jù)Lei等(2020)的結(jié)果將速度結(jié)構(gòu)縱剖面與簡易地質(zhì)剖面(Zou et al.,2015)進行對比分析.結(jié)果顯示,不同深度P波和S波速度結(jié)構(gòu)與地質(zhì)剖面之間對應(yīng)較好.

3 討論

從2010年開始,中國在四川盆地開展了廣泛的頁巖氣勘探和生產(chǎn)活動,四川盆地志留系龍馬溪組頁巖是頁巖氣水力壓裂作業(yè)的主要目標層(Zhai et al.,2018).自2015年大規(guī)模水力壓裂作業(yè)后,我國川南地區(qū)的地震活動顯著增加(Lei et al., 2020).正如前文所提到的,最近的研究表明,近年來研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的多次MS>4.0地震與水力壓裂之間存在關(guān)聯(lián).人們廣泛采用三種觸發(fā)機制來解釋水力壓裂誘發(fā)地震.一種是,現(xiàn)有斷層與水力裂縫直接相連,由于流體擴散,斷層上的孔隙壓力增加,有效正應(yīng)力減少,導(dǎo)致斷層滑動(Bao and Eaton,2016; Schultz et al.,2017;Goebel and Brodsky,2018;Wang S et al.,2020,2022;Zhao et al.,2023).另一種是,雖然水力裂縫和原有斷層被隔離開,但流體壓力和巖石中彈性應(yīng)力耦合的孔隙彈性效應(yīng)會改變斷層上的應(yīng)力載荷,促使斷層滑動(Segall and Lu,2015;Bao and Eaton,2016;Deng et al.,2016;Goebel and Brodsky,2018;Jiang et al.,2020,2021).最后一種是,現(xiàn)有斷層處于一種臨界狀態(tài),孔隙壓擴散前沿速度要慢于孔隙壓力引起的無震滑移前沿,當無震滑移在斷層內(nèi)傳播后,引發(fā)地震活動(Eyre et al.,2019a,b).本文重點對2019年威遠東兩次MS>5.0地震序列的發(fā)震構(gòu)造及機理進行詳細的分析和討論.

圖5b和圖5g顯示兩次MS>5.0地震后10天的余震序列均呈現(xiàn)出NNE向條帶狀分布.為進一步探討兩次地震的發(fā)震構(gòu)造,我們分別給出了兩次地震序列沿著BB′剖面分布的結(jié)果,并與Lei等(2020)推測的MS5.4地震發(fā)震斷層結(jié)果進行對比分析(圖7).結(jié)果顯示,兩次地震序列均呈緩傾角東南傾展布,擬合出的斷層面與Lei等(2020)結(jié)果一致.針對于Sheng等(2020)西北傾的高傾角斷層面的解釋,圖7還給出了高傾角共扼斷層面,但是根據(jù)本文獲得的高精度余震分布結(jié)果,沒有支持高傾角共軛斷層面為真正發(fā)震斷層面的證據(jù).綜合已有的各種資料,結(jié)合本文獲得的MS5.4和MS5.2地震震后10天余震的分布,本文推測兩次地震的發(fā)震斷層均為走向NNE、傾向SE傾角為40°左右的盲沖斷層.此外,本文得到MS5.4和MS5.2地震的震源深度分別為6.47 km和5.25 km,從圖7剖面所揭示的余震分布以及以此推斷的發(fā)震斷層來看,實際震源深度可能要淺,但與Lei等(2020)利用雙差定位方法獲得的震源深度結(jié)果(表1)基本一致,同時相比杜廣寶等(2021)利用同樣的反演方法獲得的兩次地震深度均在7 km左右的結(jié)果,本文的結(jié)果在深度上得到更好的約束.

圖7 沿BB′ (BB′位置見圖6)的VP、VS和VP/VS剖面與簡易地質(zhì)剖面及MS5.4和MS5.2余震序列分布圖

圖8 兩次MS>5.0地震震源區(qū)地震活動時空遷移特征

MS5.2地震發(fā)生時,附近的W204-H42壓裂井平臺正在壓裂(2019年10月10日開始,并于2020年1月中旬停止)(Lei et al.,2020),并且H42有的水平井抵近MS5.2地震的發(fā)震斷層(圖7).在此期間H42井附近的中小地震震源深度集中在3～4 km范圍,這些事件的深度既符合水力壓裂引發(fā)的中等規(guī)模地震的質(zhì)心深度,也符合附近頁巖氣儲層的埋藏深度(Sheng et al.,2020;Yang et al.,2020).綜合以上分析,結(jié)合附近壓裂井與地震序列的時空分布,我們認為水力壓裂引起的流體擴散(流體注入目標地層以后,孔隙壓力發(fā)生擴散)是2019年11月7日—2020年1月15日中小地震活動呈現(xiàn)平方根式遷移特征以及震源區(qū)存在流體活動的主要原因.流體擴散改變了現(xiàn)有斷層上的孔隙壓力,導(dǎo)致MS5.2地震發(fā)震斷層活化,進而引發(fā)地震活動,其中重新激活的發(fā)震斷層也充當了流體通道作用.9月8日的MS5.4地震或許對MS5.2地震有微弱的推動作用(Sheng et al.,2020),但不應(yīng)該是主要因素.

兩次MS>5.0地震的發(fā)震斷層為同一個走向NNE,傾向SE(傾角40°左右)的盲沖斷層,MS5.2地震的主破裂范圍在MS5.4地震主破裂的東北側(cè),二者有部分重疊,斷層的產(chǎn)狀有一定空間變化.由于地震集中分布在二疊系到震旦系地層中,初步判斷發(fā)震斷層往上達到了三疊系底界,向下沒有進入結(jié)晶基底.由于MS5.4地震精定位震中緊鄰壓裂井平臺W204-H37,其南向延伸的水平井勢必穿越上述高角度逆沖斷層.在現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場條件下,與傾角40°左右的斷層相比,高角度逆沖斷層具有低得多的滑動趨勢而不易活化,但可能為超壓流體提供通道.而MS5.4地震發(fā)生前幾個月時間W204-H37平臺一直在進行壓裂(2019年9月初MS5.4地震發(fā)生前后結(jié)束或停止壓裂)(Lei et al.,2020)(圖7).所以我們推測通過高角度共軛斷層的流體擴散是導(dǎo)致MS5.4地震發(fā)震斷層活化的主要原因.Lei等(2020)基于MW>3.5地震震源機制解的斷層活化分析也表明,流體壓力的增加足以誘發(fā)這些地震.但這里的低VP,低VP/VS呈漏斗狀進入了結(jié)晶基底,反映了沉積層里的發(fā)震斷層與基底斷層有一定關(guān)聯(lián).是否存在天然的超壓流體,是個值得深入研究的課題.四川盆地的確有些中強地震,如2010遂寧潼南MS5.1地震(Lei et al.,2017)及2020青白江MS5.1地震(Lei et al.,2021),可能是這種天然流體所驅(qū)動的.因此,除了未知斷層的探測外,天然的超壓流體的探測也是自然地震和誘發(fā)地震研究中非常重要的地震學(xué)問題,具有廣泛的理論和實踐意義(Lei et al., 2021).

4 結(jié)論

本文利用2019年8月至2020年3月期間威遠及其周邊25個流動臺和17個固定臺所記錄的震相報告中直達P波和S波到時資料以及連續(xù)波形數(shù)字信號,采用雙差層析成像方法,獲得了兩次MS>5.0地震序列的震源區(qū)高分辨率三維速度結(jié)構(gòu)和高精度震源位置,主要結(jié)論如下:

(1) 地震震源主要集中分布在3～4 km深度處,震后10天余震序列空間分布揭示兩次地震的發(fā)震斷層可能為NNE走向、傾向SE的盲沖斷層.

(2) 2019年11月7日至2020年1月15日時間段內(nèi)震源區(qū)地震活動擴散前沿呈現(xiàn)出明顯的平方根式遷移特征,在兩次地震發(fā)震斷層走向和傾向上的流體擴散系數(shù)分別為1.5 m2·s-1和0.1 m2·s-1;此外,壓裂活動停止后地震活動空間分布也有明顯的擴散后沿特征,表明孔隙壓力擴散可能控制了該時間段的地震活動.

(3) 兩次地震震源區(qū)VP低速異常變化大于VS異常變化,VP/VS值較背景值普遍降低4%～10%;在深度小于5 km的淺層內(nèi),地震主要分布在低VP、弱高VS以及VP-VS高低速過渡帶內(nèi);在5～7 km深度,地震主要位于VP低速異常區(qū);震源區(qū)可能發(fā)育著富含氣體的孔隙和裂縫且存在流體活動.

上述結(jié)果有助于認識威遠東兩次地震序列的活動特征,理解地震活動的發(fā)生機理和物理過程.

致謝感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張海江教授課題組提供的雙差層析成像程序以及高磊博士在程序使用過程中給予的無私幫助和指導(dǎo);感謝四川地震臺網(wǎng)工作人員付出的辛勤工作和四川省地震局提供四川數(shù)字地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù);感謝匿名審稿專家提出的寶貴修改意見.