2019年6月17日四川長(zhǎng)寧MS6.0地震震源區(qū)三維速度結(jié)構(gòu)

孫權(quán)， 裴順平,3*， 蘇金蓉， 劉雁冰， 薛曉添， 李佳蔚， 李磊， 左洪

1 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所， 大陸碰撞與高原隆升重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心， 北京 100101 4 四川省地震局， 成都 610041

0 引言

近年來(lái)，四川盆地因地震頻發(fā)而廣受地震學(xué)界的關(guān)注.四川盆地原是在揚(yáng)子克拉通臺(tái)地的基礎(chǔ)上形成并發(fā)展起來(lái)的，與周邊造山帶構(gòu)成明顯的復(fù)合盆山體系(沈傳波等, 2007)，歷史地震活動(dòng)較弱.位于其南部的川南地區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上則處于西部活躍的青藏高原與東南部穩(wěn)定的揚(yáng)子塊體之間的交界處(圖1a)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)主要以展布細(xì)長(zhǎng)的背斜、寬緩的向斜及與之相關(guān)的小尺度斷層活動(dòng)為主(圖1b).這些褶皺和斷層走向錯(cuò)綜復(fù)雜，主要包括NE向、NW向、EW向等.這種構(gòu)造背景的復(fù)雜性可能與揚(yáng)子塊體周邊的構(gòu)造帶多向擠壓作用(張?jiān)罉虻? 2011)及多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的復(fù)合作用(何登發(fā)等, 2011; 覃作鵬等, 2013)有著密切聯(lián)系.同時(shí)，作為國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣資源最豐富的區(qū)塊(馬新華和謝軍, 2018)，川南地區(qū)主要有三個(gè)頁(yè)巖氣開(kāi)采場(chǎng)，分別位于商洛、昭通和長(zhǎng)寧.此外，該區(qū)為了處理廢水和開(kāi)采井鹽而進(jìn)行的長(zhǎng)期注水也已經(jīng)持續(xù)了多年(Lei et al., 2008; 張致偉等, 2012).

長(zhǎng)寧地區(qū)近十多年的地震活動(dòng)愈發(fā)活躍(阮祥等, 2008; 朱航和何暢, 2014).有研究表明，該區(qū)大多數(shù)地震活動(dòng)可能與頁(yè)巖氣水力壓裂或深井采鹽注水有關(guān)(阮祥等, 2008; Lei et al., 2013，2019b; Meng et al., 2019; Tan et al., 2020).長(zhǎng)時(shí)間注射的高壓水在進(jìn)入已有的斷層或微裂縫之后，造成其孔隙壓力增大，并改變斷層面的摩擦屬性，最終誘發(fā)斷層的滑動(dòng)和地震的發(fā)生(朱航和何暢, 2014; Sun et al., 2017).并且，通過(guò)不斷注射和抽取流體而進(jìn)行的礦產(chǎn)開(kāi)采能夠造成地下孔隙壓力的時(shí)空變化(Yang et al., 2017).該區(qū)自2014年年底開(kāi)始應(yīng)用水力壓裂技術(shù)開(kāi)采頁(yè)巖氣以來(lái)，地震活動(dòng)性明顯增強(qiáng).特別是2015年以來(lái)，該區(qū)地震活動(dòng)性展現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)(Hu et al., 2018; Lei et al., 2019a; Tan et al., 2020).同時(shí)，該區(qū)相繼發(fā)生了一系列5級(jí)及以上的中強(qiáng)震，包括2018年12月16日興文MS5.7地震和2019年1月3日珙縣MS5.3地震.Lei等(2019a)對(duì)這兩個(gè)地震的特征、該區(qū)2018年 6月之后的地震活動(dòng)性以及區(qū)域應(yīng)力等開(kāi)展了研究工作，并認(rèn)為該區(qū)存在隱伏的發(fā)震斷層，因此不能排除6級(jí)及以上誘發(fā)大震的發(fā)生.果不其然，在2019年6月17日，四川盆地南緣發(fā)生了極具破壞力的長(zhǎng)寧MS6.0地震.震后，在長(zhǎng)寧和珙縣地區(qū)相繼發(fā)生了一系列5級(jí)及以上的中強(qiáng)震，給當(dāng)?shù)氐纳拓?cái)產(chǎn)造成了極大破壞.此次長(zhǎng)寧地震也被認(rèn)為可能與水力壓裂誘發(fā)地震密切相關(guān)(Atkinson et al., 2020).

圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景圖 (a) 區(qū)域構(gòu)造背景圖，品紅色五角星代表2019年長(zhǎng)寧MS6.0地震的震源位置，黑色線段代表地表斷層的位置(鄧起東等, 2003)； (b) 長(zhǎng)寧地震震源區(qū)附近的地質(zhì)構(gòu)造背景圖，其位置如圖(a)藍(lán)色方框所示，修改自該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖(易桂喜等, 2019).Fig.1 Tectonic background of the study region (a) shows the regional tectonic settings. The blue rectangle outlines the location of the region shown in Fig.1b, and the magenta star denotes the location of 2019 Changning MS6.0 earthquake. The black lines represent the surface location of active faults (Deng et al., 2003). (b) displays the detailed geological background of the areas surrounding the Changning earthquake which is modified from regional geological settings (Yi et al., 2019).

長(zhǎng)寧MS6.0地震發(fā)生后不久，易桂喜等(2019)就利用四川地區(qū)的地震臺(tái)網(wǎng)資料，第一時(shí)間對(duì)此次地震序列開(kāi)展了研究.他們的工作主要包括地震定位、震源機(jī)制解和震源矩心深度等，這為認(rèn)識(shí)此次地震序列打下了重要基礎(chǔ).與其他大震級(jí)地震相比，此次長(zhǎng)寧地震具有許多特別之處.例如，一般大震具有一個(gè)主震和一系列小震級(jí)余震，而此次長(zhǎng)寧MS6.0地震主震發(fā)生后卻有一系列5級(jí)及以上中強(qiáng)震相繼發(fā)生，主震之后的5天時(shí)間里就先后發(fā)生了珙縣MS5.1地震、長(zhǎng)寧MS5.3地震和珙縣MS5.4地震.并且，本次長(zhǎng)寧MS6.0地震具有明顯的非雙力偶和低頻震源模型特點(diǎn)(Liu and Zahradník, 2020).震源機(jī)制解研究表明，此次長(zhǎng)寧地震的發(fā)震結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為逆沖和斜逆沖破裂(易桂喜等, 2019).而后，地震矩張量研究(Liu and Zahradník, 2020)則發(fā)現(xiàn)本次長(zhǎng)寧地震具有淺層雙震特征，即一次逆沖地震事件之后又在不遠(yuǎn)處緊接著發(fā)生了一個(gè)走滑地震事件，且在已知的背斜附近存在一條隱伏的左旋走滑斷層.這些結(jié)果充分體現(xiàn)出本次地震序列的復(fù)雜性，而要進(jìn)一步理解其發(fā)震機(jī)制，則需要開(kāi)展更精細(xì)的背景結(jié)構(gòu)研究.

盡管工業(yè)開(kāi)采誘發(fā)地震的成因和機(jī)理目前尚有爭(zhēng)議(來(lái)貴娟等, 2019)，但已有研究表明誘發(fā)地震與構(gòu)造背景結(jié)構(gòu)特征有著密切關(guān)聯(lián)(Van Der Baan and Calixto, 2017; Pei et al., 2018).在四川盆地，目前開(kāi)展的結(jié)構(gòu)研究以大尺度工作居多，而長(zhǎng)寧地震區(qū)或川南地區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)研究卻很少.趙珠和張潤(rùn)生(1987)對(duì)整個(gè)四川地區(qū)的地殼和上地幔速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究；宋曉東等(2015)結(jié)合地震和噪聲互相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)四川盆地巖石圈的S波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；王小龍等(2020)利用遠(yuǎn)震資料獲得了四川盆地的瑞利面波相速度結(jié)構(gòu).以上地震成像研究的尺度較大，不能很好揭示長(zhǎng)寧地震區(qū)的精細(xì)速度結(jié)構(gòu).Tan等(2020)利用局部地區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)資料和雙差地震成像方法(Zhang and Thurber, 2003)獲得了小尺度區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)，但給出的成像結(jié)果在深度上不超過(guò)3.5 km.Long等(2020)也采用了雙差地震成像方法，并利用更多的地震走時(shí)數(shù)據(jù)，但還是沒(méi)有充分利用該區(qū)的大量地震數(shù)據(jù)，且他們的研究區(qū)范圍較小，在邊界區(qū)域并沒(méi)有獲得可靠的成像結(jié)果.因此，本文擴(kuò)大了成像區(qū)域范圍，收集了研究區(qū)內(nèi)豐富的地震走時(shí)資料，通過(guò)雙差地震成像方法對(duì)長(zhǎng)寧MS6.0地震序列進(jìn)行了重定位，并獲得了震源區(qū)及鄰區(qū)的高分辨率三維體波速度結(jié)構(gòu).基于獲得的高分辨率P波和S波速度結(jié)果，本文進(jìn)一步獲得了研究區(qū)內(nèi)的波速比信息，希望能夠?yàn)檎J(rèn)識(shí)此次長(zhǎng)寧地震序列的發(fā)震結(jié)構(gòu)及今后在該區(qū)開(kāi)展地震危險(xiǎn)性評(píng)估工作提供更好的約束.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

豐富的高質(zhì)量地震走時(shí)資料是獲得高分辨率成像結(jié)果的重要基礎(chǔ).因此，本文收集了研究區(qū)內(nèi)2008年1月—2019年9月的豐富地震目錄走時(shí)數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(http:∥data.earthquake.cn)(Zheng et al., 2010)和四川省地震局.為了保障數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量，本文對(duì)收集到的地震走時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，主要依照以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：(1)所有的地震事件和臺(tái)站都位于27.6°N—29.1°N、104°E—105.5°E的范圍內(nèi)；(2)走時(shí)殘差≤0.3 s；(3)選用的地震事件高質(zhì)量P波和S波走時(shí)記錄均不低于6個(gè).選取的地震資料包括34個(gè)固定臺(tái)站和臨時(shí)臺(tái)站記錄到的46,339個(gè)地震事件(圖2)，震級(jí)范圍為M0～6.0.最終，本文選用了共計(jì)229,898個(gè)Pg波和228,944個(gè)Sg波絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)，兩組震相的走時(shí)與震源距均呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系(圖3).

1.2 雙差地震成像方法

基于雙差地震定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)發(fā)展而來(lái)的雙差地震成像方法(Zhang and Thurber, 2003)，能夠同時(shí)獲得震源位置和三維體波速度結(jié)構(gòu).相較于雙差地震定位方法，該方法不僅利用了到時(shí)差數(shù)據(jù)，而且加入了絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)φ鹪唇^對(duì)位置提供更好的約束.而相較于標(biāo)準(zhǔn)的地震成像方法，該方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：(1)能夠?qū)φ鹪次恢眠M(jìn)行重定位；(2)考慮到震源位置與速度結(jié)構(gòu)間的耦合效應(yīng)，對(duì)震源位置和速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合反演；(3)在絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)之外，加入更為準(zhǔn)確的相對(duì)到時(shí)差數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)φ鹪磪^(qū)的速度結(jié)構(gòu)提供進(jìn)一步優(yōu)化.為了更好地發(fā)揮絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)和相對(duì)走時(shí)差數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，該方法對(duì)兩類(lèi)數(shù)據(jù)采用了分階段加權(quán)的策略，即：先給絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)更大的權(quán)重，以獲得大尺度的速度結(jié)果；再給走時(shí)差數(shù)據(jù)更大的權(quán)重，優(yōu)化震源區(qū)的速度結(jié)構(gòu).該方法自提出以來(lái)不斷改進(jìn)和發(fā)展(Zhang and Thurber, 2006)，并獲得了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可(Pei et al., 2010; 于湘?zhèn)サ? 2010; 肖卓和高原, 2017; 李佳蔚等, 2018; 李敏娟等, 2018; 劉白云等, 2018; Zhang et al., 2019).

圖2 地震事件和臺(tái)站分布圖 品紅色五角星代表2019年長(zhǎng)寧MS6.0地震的震源位置；不同顏色的圓圈代表不同震源深度地震事件的震源位置； 黑色三角形代表地震臺(tái)站的位置.Fig.2 The distribution of seismic events and seismic stations used in this study The magenta star denotes the location of 2019 Changning MS6.0 earthquake, the colorful circles represent the earthquakes with different hypocentral depth, and the black triangles represent the seismic stations.

為了更好地反映地下三維速度結(jié)構(gòu)，本文構(gòu)建了三維網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，對(duì)研究區(qū)的速度模型進(jìn)行參數(shù)化.根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況和檢測(cè)板分辨率測(cè)試結(jié)果，最終采用的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在水平方向上以0.05°等間隔劃分.而在深度方向上，反演網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位于0、1.5、3、4.5、6、7.5、9、10.5、12、13.5、15、20、25、30、40及100 km深度.

合理選擇初始速度模型有利于獲得可靠的反演結(jié)果.我們嘗試了不同的初始速度模型，發(fā)現(xiàn)獲得的相對(duì)速度特征體現(xiàn)出非常好的一致性.綜合參照Wang等(2016)通過(guò)加入大量鉆井和石油勘探地震反射資料獲得的上地殼速度模型及易桂喜等(2019)通過(guò)Velest反演獲得的地殼和上地幔速度結(jié)構(gòu)，本文獲得了最終采用的一維初始速度模型(表1)，并據(jù)此構(gòu)建三維初始速度結(jié)構(gòu).

表1 本文采用的一維初始速度模型Table 1 The 1-D initial velocity model adopted in the study

雙差地震成像方法采用阻尼最小二乘(LSQR)算法(Paige and Saunders, 1982)進(jìn)行反演問(wèn)題的求解.LSQR算法是一種常用的反演算法，通過(guò)一系列的線性迭代獲得最后的結(jié)果.為了防止由于不明因素造成局部區(qū)域出現(xiàn)較大的速度擾動(dòng)，需要在反演中加入阻尼和光滑正則化參數(shù).合理地選取這兩個(gè)參數(shù)能夠有效獲得準(zhǔn)確的成像結(jié)果，而目前的選取多是通過(guò)折中曲線實(shí)現(xiàn)的.為了選取適當(dāng)?shù)淖枘嵯禂?shù)，本文采用相同的光滑因子和不同的阻尼系數(shù)進(jìn)行了一系列反演，并獲得了選取阻尼系數(shù)的折中曲線.同樣的道理，采用之前選取的最佳阻尼系數(shù)和一系列不同的光滑因子可以獲得選取光滑因子的折中曲線，并選取最佳光滑因子.為了保證之前阻尼系數(shù)的準(zhǔn)確性，本文又基于剛才獲取的最佳光滑因子重新獲得求取阻尼系數(shù)的折中曲線.基于這兩條折中曲線(圖4)，本文選取的最佳光滑因子為15、最佳阻尼系數(shù)為400.

圖3 本文所用Pg和Sg波走時(shí)資料的時(shí)距曲線圖 綠色和藍(lán)色圓點(diǎn)分別表示了Pg和Sg震相.Fig.3 The distribution of Pg and Sg wave travel times used in the study versus hypocenter distance The two phases Pg and Sg are shown as green and cyan dots, respectively.

1.3 檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果

由于反演問(wèn)題的解存在不唯一性，因此在對(duì)得到的地震層析成像結(jié)果進(jìn)行解釋之前，通常需要對(duì)所得結(jié)果的穩(wěn)定性和質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估.檢測(cè)板測(cè)試就是一種被大家廣泛應(yīng)用和認(rèn)可的評(píng)估方法.為了反映數(shù)據(jù)的分辨能力，本文采用了0.05°的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距進(jìn)行了檢測(cè)板測(cè)試.合成走時(shí)數(shù)據(jù)所用的速度模型是在初始速度模型中加入正負(fù)相間、大小為初始速度值5%的速度擾動(dòng)獲得的.反演用到的地震事件、臺(tái)站及反演方法均與正常反演一致.最終得到的檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示.整體來(lái)看，整個(gè)成像區(qū)域的P波和S波速度結(jié)果在3～9 km深度范圍內(nèi)的分辨效果較好，基本可以達(dá)到0.05°.而長(zhǎng)寧地震震源區(qū)及其南部建武向斜區(qū)的P波和S波速度結(jié)果在12 km以內(nèi)整體都可以達(dá)到0.05°的分辨率.

圖4 選取最佳光滑因子(a)和阻尼系數(shù)(b)的折中曲線圖 紅色圓點(diǎn)代表了用以確定最佳系數(shù)而采用的一系列數(shù)值，最終選取的最佳光滑因子和阻尼系數(shù)分別為15和400，如圖中黑色圓點(diǎn)所示.Fig.4 Trade-off curves for determining optimal smoothing (a) and damping (b) parameters The red dots represent a series of different values used in searching for the optimal values. The finally chosen optimal values are 15 and 400 which are denoted as black circles for smoothing and damping parameters, respectively.

圖5 P波在不同深度上的檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果Fig.5 The checkerboard testing results for P wave tomography at different depth

圖6 S波在不同深度上的檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果Fig.6 The checkerboard testing results for S wave tomography at different depth

圖7 長(zhǎng)寧MS6.0地震序列重定位前后的空間分布與深度變化圖 (a)和(b)分別為重定位前(原始地震觀測(cè)報(bào)告中的地震位置)和重定位后的地震震中水平分布圖.其中，品紅色五角星和不同顏色的圓圈分別代表了長(zhǎng)寧MS6.0地震及其余震的震中位置.圓圈的大小與震級(jí)成正比關(guān)系，圓圈充填的顏色則代表其距主震發(fā)震時(shí)刻的時(shí)間間隔，黑色圓圈表示的是5級(jí)及以上的地震事件.(c)和(d)分別為重定位前和重定位后的地震震源深度統(tǒng)計(jì)直方圖.Fig.7 Spatial and depth variations of the Changning MS6.0 earthquake sequence before and after relocation (a) and (b) display the horizontal distribution of the Changning earthquake sequence before and after relocation, respectively. The magenta star and colorful circles denote the relocated locations of the main shock and aftershocks, respectively. The diameters of the circles are proportional to the magnitude, and the color denotes the elapsed time with regard to the origin time of the main shock. The black circles represent the earthquakes with magnitude not less than M5.0. (c) and (d) show the histograms of focal depth for the Changning earthquake sequence before and after relocation.

圖8 長(zhǎng)寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)P波水平速度剖面圖 品紅色五角星和灰色圓圈分別代表重定位的長(zhǎng)寧MS6.0地震和區(qū)內(nèi)其他地震事件.圖(a)中的5條品紅色實(shí)線分別代表了 圖11中AA′、BB′、CC′、DD′和EE′ 5條垂直速度剖面的位置.Fig.8 Tomographic VP images around the source region of the 2019 Changning MS6.0 earthquake The magenta star and grey circles represent the location of relocated Changning MS6.0 earthquake and other earthquakes, respectively. The five magenta solid lines in Fig.(a) represent the location of the five vertical tomographic profiles named AA′, BB′, CC′, DD′ and EE′ in Fig.11.

圖9 長(zhǎng)寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)S波水平速度剖面圖Fig.9 Tomographic VS images around the source region of the 2019 Changning MS6.0 earthquake

2 結(jié)果

最后的結(jié)果是經(jīng)過(guò)10次迭代獲得的，走時(shí)均方根殘差由0.44 s降到0.23 s，下降了48%.本節(jié)將重點(diǎn)介紹獲得的重定位、三維P波、S波速度及波速比結(jié)果，并對(duì)其揭示的地球物理意義進(jìn)行簡(jiǎn)要探討.

2.1 長(zhǎng)寧MS6.0地震序列重定位結(jié)果

正如1.2節(jié)所說(shuō)，雙差地震成像方法(Zhang and Thurber, 2003)是在雙差地震定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，能夠?qū)φ鹪次恢眠M(jìn)行可靠的重定位.相較于早前的地震重定位方法，雙差定位的優(yōu)勢(shì)在于除了利用絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)之外，將更為準(zhǔn)確的相對(duì)走時(shí)差數(shù)據(jù)加入反演中，從而能夠?qū)φ鹪吹南鄬?duì)位置提供更好的約束.

相較于重定位前(圖7a)，重定位后的長(zhǎng)寧地震序列排布更為緊密，且成簇展布.最為明顯的是5個(gè)M5.0及以上的中強(qiáng)地震(圖7a和8b中黑色圓圈和品紅色五角星所示)位置發(fā)生了顯著變化.其中，長(zhǎng)寧MS6.0地震重定位前位于長(zhǎng)寧背斜西端、地震簇東端，而重定位之后則處于白象巖—獅子灘和雙河背斜區(qū)東端.其他4個(gè)中強(qiáng)震重定位前比較分散，甚至偏離白象巖—獅子灘背斜核部，而重定位后都位于地震簇所在的白象巖—獅子灘背斜核部.重定位后的震源深度分布也有了很大的變化和改善(圖7c和7d).此外，此次長(zhǎng)寧地震序列震源深度普遍較淺，主要集中在0～6 km深度范圍內(nèi)(圖7d)，但也有部分處于6～12 km深度范圍內(nèi).

本文獲得的重定位結(jié)果(圖7b)顯示，長(zhǎng)寧MS6.0地震余震序列主要沿著NW-SE方向展布，與白象巖—獅子灘背斜軸部對(duì)應(yīng).長(zhǎng)寧MS6.0地震位于余震區(qū)的東南端，其西南邊有一小簇余震沿著雙河背斜展布，整體上體現(xiàn)出明顯的單向破裂特征，與早前易桂喜等(2019)的結(jié)果一致.從余震事件距主震發(fā)震時(shí)刻的時(shí)間間隔來(lái)看，主震發(fā)生后，破裂向兩邊擴(kuò)散，但其東南部似乎被阻擋而不易發(fā)生破裂和錯(cuò)動(dòng)，余震事件也很少.破裂主要向主震的西北方擴(kuò)展，導(dǎo)致該區(qū)余震密集，且展布區(qū)域長(zhǎng)達(dá)20多公里.主震后發(fā)生了一系列5級(jí)及以上的中強(qiáng)地震，包括珙縣MS5.1地震、長(zhǎng)寧MS5.3地震、珙縣MS5.4地震等，也都展布在主震西北部(圖1b).這表明主震西北部相較于其東南部更容易發(fā)生破裂和錯(cuò)動(dòng)，且具備中強(qiáng)地震的孕育條件.

2.2 長(zhǎng)寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)水平速度結(jié)構(gòu)

圖8和圖9分別給出了本次長(zhǎng)寧地震震源區(qū)及鄰區(qū)的P波和S波速度結(jié)構(gòu).總體上講，兩者體現(xiàn)出比較好的一致性，但也存在局部異常特征的差異，且速度分布展現(xiàn)出的橫向不均一性隨深度增加逐漸減弱.此外，本文將各深度上下1 km范圍內(nèi)的重定位地震事件投影在各個(gè)水平速度剖面上.

在1.5 km深度(圖8a和9a)上，長(zhǎng)寧地震序列所在的雙河背斜和白象巖—獅子灘背斜區(qū)整體呈現(xiàn)相對(duì)高速特征，特別是P波速度，局部存在P波和S波弱低速結(jié)構(gòu).其東南邊的長(zhǎng)寧背斜區(qū)則整體呈現(xiàn)明顯更高的P波和S波速度特征，且地震活動(dòng)性很弱，幾乎沒(méi)有地震分布.除了4.5 km深度的S波速度結(jié)構(gòu)(圖9c)，長(zhǎng)寧背斜區(qū)相較于白象巖—獅子灘和雙河背斜區(qū)整體上更高的P波和S波速度特征一直持續(xù)到6 km深度附近.高速結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的介質(zhì)孔隙度較低、力學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)，因此不容易發(fā)生破裂，這可能是本次長(zhǎng)寧地震東南一側(cè)沒(méi)有發(fā)生較大破裂的緣由.研究區(qū)東北部的四川盆地內(nèi)部整體展現(xiàn)出明顯的P波和S波低速特征，且一直持續(xù)到6 km深度附近.位于長(zhǎng)寧地震區(qū)南部的建武向斜、羅場(chǎng)向斜及玉和背斜區(qū)整體表現(xiàn)出P波高速和S波低速結(jié)構(gòu).3 km深度速度剖面(圖8b和9b)的主要特征與1.5 km(圖8a和9a)基本一致，但長(zhǎng)寧地震序列所在的雙河背斜和白象巖—獅子灘背斜區(qū)的S波高速特征更為明顯.

4.5 km深度P波速度圖(圖8c)的一個(gè)顯著特征是長(zhǎng)寧地震區(qū)呈現(xiàn)出顯著的低速異常結(jié)構(gòu)，該低速結(jié)構(gòu)穿過(guò)雙河背斜區(qū)向南展布.該區(qū)在S波速度圖9c上的低速異常特征雖然不像P波那么明顯，但長(zhǎng)寧地震區(qū)北部展現(xiàn)出相對(duì)較弱的低速特征.白象巖—獅子灘背斜呈現(xiàn)高速結(jié)構(gòu)，S波尤為明顯，其南部則存在明顯的P波和S波低速結(jié)構(gòu)體.長(zhǎng)寧地震區(qū)南部的羅場(chǎng)向斜及玉和背斜區(qū)整體表現(xiàn)出P波和S波低速結(jié)構(gòu)，建武向斜區(qū)則整體呈現(xiàn)弱高速特征.

在6 km深度(圖8d和9d)上，長(zhǎng)寧地震區(qū)所處的雙河背斜區(qū)呈現(xiàn)出明顯的P波和S波低速異常，S波尤為明顯.雙河背斜東西兩側(cè)的白象巖—獅子灘背斜和長(zhǎng)寧背斜區(qū)依然呈現(xiàn)出P波和S波的高速結(jié)構(gòu).其南邊的玉和背斜及羅場(chǎng)向斜P(pán)波和S波速度結(jié)構(gòu)則整體呈現(xiàn)低速特征，而建武向斜區(qū)在P波和S波速度結(jié)構(gòu)中均表現(xiàn)為相對(duì)高速特征.

7.5 km深度(圖8e和9e)的主要特征與6 km一致，長(zhǎng)寧地震區(qū)西側(cè)仍然存在P波和S波低速異常結(jié)構(gòu)，只是S波的低速特征并沒(méi)有6 km那么明顯.白象巖—獅子灘背斜周邊呈現(xiàn)明顯的P波和S波低速結(jié)構(gòu).

隨著深度的增加，在9、10.5和12 km深度(圖8f，8g，8h，9f，9g和9h)上，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的P波和S波速度結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出比較明顯的差異.白象巖—獅子灘背斜及其西北地區(qū)基本呈現(xiàn)P波高速、S波低速特征；而其東南至建武向斜地區(qū)，包括雙河背斜區(qū)在內(nèi)，整體呈現(xiàn)出P波低速、S波高速的特點(diǎn).

2.3 長(zhǎng)寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)波速比結(jié)構(gòu)

波速比(VP/VS)是表征地殼介質(zhì)組分和力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)的重要參數(shù)(Zandt and Ammon, 1995; Owens and Zandt, 1997).低波速比的介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)，而高波速比則相反，對(duì)應(yīng)的介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)較弱，并指示著可能存在流體.基于本研究的高分辨率P波和S波速度結(jié)果，本文獲得了研究區(qū)內(nèi)的波速比結(jié)構(gòu)(圖10).需要指出的是，由于S波走時(shí)拾取誤差較大，且S波速度的分辨率相對(duì)P波也要低些，因此通常情況下直接通過(guò)P波和S波速度相除獲得的波速比會(huì)存在一定的誤差.但本研究獲得的P波和S波速度分辨率比較高，核心地區(qū)整體可達(dá)0.05°，因此通過(guò)兩者相除獲得的波速比在較大尺度上依然能夠反映真實(shí)波速比的信息.

在1.5、3和4.5 km深度(圖10a、10b和10c)上，白象巖—獅子灘背斜、雙河背斜及長(zhǎng)寧背斜區(qū)整體展現(xiàn)出低波速比的特點(diǎn)，局部在1.5 km深度存在高波速比結(jié)構(gòu).建武向斜區(qū)整體呈現(xiàn)高波速比結(jié)構(gòu)，位于其西北邊的玉和背斜及羅場(chǎng)向斜區(qū)也整體表現(xiàn)為高波速比特征.整個(gè)區(qū)內(nèi)的絕大多數(shù)地震事件處于低波速比區(qū)內(nèi)，特別是本文重點(diǎn)研究的長(zhǎng)寧地震序列.

圖10 長(zhǎng)寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)波速比分布圖Fig.10 Tomographic VP/VS images around the source region of the 2019 Changning MS6.0 earthquake

圖11 不同垂直剖面的P波和S波速度及重定位的地震事件分布圖 5條剖面的位置如圖8a所示，白色圓圈代表了重定位的地震事件.Fig.11 Vertical P and S wave tomographic images with relocated earthquakes along different profiles The locations of the five profiles are shown in Fig.8a, and the white circles denote the relocated hypocenters.

在6 km深度(圖10d)，長(zhǎng)寧地震區(qū)所在的雙河背斜附近表現(xiàn)為高波速比異常特征，白象巖—獅子灘背斜東端和長(zhǎng)寧背斜西端也存在高波速比異常結(jié)構(gòu)，這可能指示著這些地區(qū)存在流體.而在7.5 km深度(圖10e)，白象巖—獅子灘背斜、雙河背斜和長(zhǎng)寧背斜區(qū)整體表現(xiàn)為低波速比結(jié)構(gòu)，局部存在相對(duì)較高的波速比結(jié)構(gòu).隨著深度的增加，在9、10.5和12 km深度(圖10f、10g和10h)，長(zhǎng)寧地震區(qū)西北部整體為高波速比區(qū)，東南部整體卻為低波速比區(qū).

2.4 長(zhǎng)寧MS6.0地震震源區(qū)及鄰區(qū)垂直剖面結(jié)構(gòu)

為了更好地探究長(zhǎng)寧MS6.0地震震源區(qū)的速度結(jié)構(gòu)及地震事件的垂向展布特征，本文沿著地震破裂方向及與之垂直及斜交的方向做了一系列絕對(duì)速度垂直剖面(圖11).并且，本文將距各剖面5 km范圍內(nèi)的重定位地震事件投影在各個(gè)剖面上.需要指出的是，本研究只利用走時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)地震進(jìn)行重定位，因此得到的震源深度位置更偏向于地震初始破裂的位置.并且由于缺少近臺(tái)的約束，本研究對(duì)震源深度的控制相對(duì)較弱.為了更好地探討長(zhǎng)寧MS6.0地震區(qū)的垂直速度特征，本文中的長(zhǎng)寧地震震源深度采用了易桂喜等(2019)利用波形擬合方法獲得的結(jié)果——3 km，表示能量釋放的中心和破裂最大的位置.總體來(lái)看，S波速度結(jié)構(gòu)與P波速度結(jié)構(gòu)整體上體現(xiàn)出比較好的一致性，但P波速度圖揭示了更多小尺度的結(jié)構(gòu)特征.

沿著長(zhǎng)寧地震破裂方向的AA′剖面顯示，白象巖—獅子灘背斜及雙河背斜整體呈現(xiàn)S波高速特征；而P波速度橫向不均一性比較強(qiáng)，整體表現(xiàn)為相對(duì)高速結(jié)構(gòu)，但局部存在弱低速結(jié)構(gòu).在6 km深度附近，長(zhǎng)寧地震區(qū)存在明顯的P波和S波低速異常結(jié)構(gòu).長(zhǎng)寧主震以東的長(zhǎng)寧大背斜區(qū)P波和S波速度在6 km之上呈現(xiàn)明顯的高速特征.該剖面揭示出沿地震破裂方向的地震事件深度分布呈現(xiàn)出西北深、東南淺的特點(diǎn)，即長(zhǎng)寧MS6.0地震以東地震震源深度基本在5 km以淺，事件數(shù)目也相對(duì)較少；而其以西地震震源深度逐漸加深，甚至超過(guò)10 km，地震數(shù)目也明顯更多，且深處分布了更多大震級(jí)地震.并且，震源的分布與高速結(jié)構(gòu)體的展布表現(xiàn)出較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可能指示了高速結(jié)構(gòu)對(duì)地震孕育的重要作用.

與本次長(zhǎng)寧地震破裂方向垂直的剖面BB′、CC′和DD′顯示，白象巖—獅子灘背斜及雙河背斜區(qū)整體呈現(xiàn)高速特征，S波速度尤為顯著，而P波速度橫向不均一性更強(qiáng).各剖面在6 km深度附近均存在明顯的P波和S波低速異常結(jié)構(gòu).此外，白象巖—獅子灘背斜及雙河背斜區(qū)南北兩側(cè)均存在明顯的低P波和S波速度異常結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)了四川盆地南緣和建武向斜區(qū).地震事件主要集中在白象巖—獅子灘背斜和雙河背斜區(qū)及建武向斜區(qū)內(nèi)，且成簇展布.并且，地震震級(jí)整體呈現(xiàn)出由深到淺逐漸減小的趨勢(shì)，大震級(jí)地震普遍接近地震簇的深部.當(dāng)然正如前文所說(shuō)，本文采用的雙差地震方法對(duì)震源深度的約束相對(duì)較弱，因此該特征有待進(jìn)一步驗(yàn)證.

深地震反射剖面因?yàn)槟軌蜉^好刻畫(huà)地下精細(xì)結(jié)構(gòu)而廣受地質(zhì)和地球物理學(xué)界的認(rèn)可，因此我們將本次研究獲得的速度結(jié)果(圖11中的剖面EE′)與早前的地震反射剖面(何登發(fā)等, 2019)進(jìn)行了對(duì)照.因?yàn)楸卷?xiàng)研究的關(guān)注重點(diǎn)主要集中在包括白象巖—獅子灘背斜及雙河背斜在內(nèi)的長(zhǎng)寧大背斜區(qū)附近，所以本文主要與其反射剖面東段進(jìn)行對(duì)照.總體上看，兩者體現(xiàn)出非常好的一致性，這也進(jìn)一步驗(yàn)證本項(xiàng)研究結(jié)果的可靠性.鉆井獲得的地層剖面揭示長(zhǎng)寧大背斜核部為厚達(dá)3 km的寒武紀(jì)和震旦系地層(何登發(fā)等, 2019)，本文的結(jié)果也顯示長(zhǎng)寧大背斜核部展現(xiàn)出3 km左右的高速結(jié)構(gòu)，其下方則為相對(duì)低速結(jié)構(gòu)，P波尤為明顯.地震簇指示的活躍斷層分別位于建武向斜的南翼和長(zhǎng)寧大背斜的核部附近，表明這些部位可能發(fā)育著構(gòu)造裂縫或節(jié)理.長(zhǎng)寧大背斜的兩翼地震事件則較少，可能表明這些區(qū)域現(xiàn)今并不存在活躍的構(gòu)造活動(dòng)帶.

3 討論

本文的重定位結(jié)果顯示，長(zhǎng)寧MS6.0地震序列主要沿著NW-SE方向展布，與白象巖—獅子灘背斜軸部相對(duì)應(yīng)(圖7b).地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)白象巖—獅子灘背斜軸部發(fā)育了一組規(guī)模較大且延伸較遠(yuǎn)的NW向節(jié)理(常祖峰等, 2020)及一系列切穿寒武系地層的逆沖斷層(何登發(fā)等, 2019)，這可能構(gòu)成本次長(zhǎng)寧地震序列的發(fā)震斷層體系.本次長(zhǎng)寧地震呈現(xiàn)出明顯的單向破裂特征，絕大多數(shù)余震事件集中分布于主震西北部，而其東南部余震則極少(圖7b和圖11a).并且，從平行于地震破裂方向的垂直剖面(圖11a)來(lái)看，地震事件的深度分布呈現(xiàn)出明顯的西北深、東南淺特征.從速度和波速比結(jié)構(gòu)(圖8、9、11)來(lái)看，相較于白象巖—獅子灘及雙河背斜區(qū)，長(zhǎng)寧背斜區(qū)在6 km之上展現(xiàn)出更明顯的高度特征，特別是在分辨能力更好的P波速度.高速結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著低孔隙度、高密度、強(qiáng)力學(xué)性質(zhì)(Tenthorey et al., 2003)，因此不容易發(fā)生破裂，而要使其破裂則需要更大的應(yīng)力累積.這可能是此次長(zhǎng)寧地震東南部沒(méi)有發(fā)生較大破裂而呈現(xiàn)明顯單向破裂特征的緣由.

整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)在6 km之上(圖8a—8c、圖9a—9c和圖11)橫向不均一性比較強(qiáng)，速度結(jié)構(gòu)體整體呈NW-NWW向展布；而在7.5～12 km(圖8d—8h、圖9d—9h和圖11)內(nèi)橫向不均一性則較弱，速度結(jié)構(gòu)體整體呈NNE或SN向展布.這種速度結(jié)構(gòu)不均一性及展布方向在深度上的改變可能指示著該區(qū)6 km之上基本為沉積層，而7.5 km之下則基本為結(jié)晶基底，上下可能存在解耦.早前的研究表明該區(qū)的沉積層厚度為3～6 km(熊小松等, 2015; Wang et al., 2017; Liu and Zahradník, 2020)，與本文的結(jié)果基本一致.該區(qū)絕大多數(shù)地震事件震級(jí)較小、震源深度較淺，這表明該區(qū)地震活動(dòng)主要受沉積層結(jié)構(gòu)的控制.而該區(qū)發(fā)育的大量盲斷層(吳奇等, 2015; Lei et al., 2019a)和微裂縫(何登發(fā)等, 2019)可能與沉積層內(nèi)地震密集發(fā)生有著密切聯(lián)系.

深入研究震源區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力情況有助于了解其孕育和發(fā)生的力學(xué)過(guò)程.研究區(qū)處于四川盆地邊緣構(gòu)造轉(zhuǎn)換地帶，因此局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)差異明顯(易桂喜等, 2019).各向異性研究結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)快波偏振方向?yàn)镹E-SW向(石玉濤等, 2013; 吳朋等, 2017; 高原等, 2018, 2020)，對(duì)應(yīng)著近NW-SE向的主壓應(yīng)力場(chǎng).古應(yīng)力研究表明該區(qū)在四川盆地多旋回構(gòu)造作用的影響下，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，先后經(jīng)歷了早白堊世E-W向擠壓作用、晚白堊世近S-N向擠壓作用、早新生代NE-SW向擠壓作用及現(xiàn)今的NW-SE向擠壓作用(覃作鵬等, 2013).多期構(gòu)造應(yīng)力的疊加也與該區(qū)復(fù)雜的速度結(jié)構(gòu)有著密不可分的聯(lián)系.震源機(jī)制解研究有助于了解震源區(qū)在地震發(fā)生時(shí)的力學(xué)過(guò)程.長(zhǎng)寧地震的震源機(jī)制解研究結(jié)果雖有些許差異，但總體認(rèn)為以NE-SW向擠壓為主(易桂喜等, 2019; 胡曉輝等, 2020)，而這與該區(qū)現(xiàn)今NW-SE向的主壓應(yīng)力場(chǎng)并不一致，卻與早新生代的NE-SW向擠壓應(yīng)力場(chǎng)一致，可能指示著本次長(zhǎng)寧地震的發(fā)生與古構(gòu)造應(yīng)力的釋放有著密切聯(lián)系.

我們的成像結(jié)果顯示，長(zhǎng)寧地震序列所在的白象巖—獅子灘背斜和雙河背斜區(qū)在6 km之上整體呈高波速、低波速比特征.但長(zhǎng)寧地震主震區(qū)在6 km深度附近表現(xiàn)出明顯的P波和S波低速及高波速比異常結(jié)構(gòu)，指示著可能存在流體.早前有研究認(rèn)為，長(zhǎng)寧地震區(qū)附近的頁(yè)巖氣水力壓裂或深井采鹽注水活動(dòng)可能對(duì)該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力加載水平等方面造成了影響.長(zhǎng)時(shí)間注射的高壓水在進(jìn)入已有的斷層或微裂縫之后，造成孔隙壓力增大，并改變斷層面的摩擦屬性(朱航和何暢, 2014; Sun et al., 2017).總體上看，在構(gòu)造應(yīng)力的主體作用及流體的誘發(fā)作用下，白象巖—獅子灘背斜和雙河背斜區(qū)核部發(fā)育的斷層構(gòu)造發(fā)生破裂、錯(cuò)動(dòng)(常祖峰等, 2020)，從而導(dǎo)致本次長(zhǎng)寧序列地震的發(fā)生.

而對(duì)于大家普遍比較關(guān)心的問(wèn)題，即為什么本次長(zhǎng)寧地震主震發(fā)生后相繼發(fā)生了一系列5級(jí)及以上中強(qiáng)地震，本文也可以給出一個(gè)可能的解釋.背斜在構(gòu)造應(yīng)力作用下，核部不可避免地會(huì)發(fā)育一系列微裂縫或小斷層(圖1b).隨著構(gòu)造應(yīng)力的不斷累積，斷層發(fā)生錯(cuò)斷，導(dǎo)致長(zhǎng)寧地震的發(fā)生.而作為新的斷層體系，一次錯(cuò)斷是不徹底的，因此會(huì)接二連三地發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致數(shù)個(gè)中強(qiáng)地震接連發(fā)生.而在這個(gè)過(guò)程中，背斜核部的發(fā)震斷層會(huì)被進(jìn)一步貫穿，并逐漸達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).

4 結(jié)論

本文通過(guò)收集研究區(qū)內(nèi)的豐富地震走時(shí)資料，利用雙差地震成像方法對(duì)2019年6月17日四川長(zhǎng)寧MS6.0地震序列進(jìn)行了重定位，并獲得了震源區(qū)及鄰區(qū)的三維體波速度結(jié)構(gòu).基于獲得的高分辨率P波和S波速度結(jié)果，本文進(jìn)一步得到了波速比結(jié)構(gòu).根據(jù)本研究的結(jié)果，主要可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)長(zhǎng)寧MS6.0地震序列主要沿著NW-SE方向展布，與白象巖—獅子灘背斜軸部相對(duì)應(yīng)，且該區(qū)在6 km之上整體呈高波速、低波速比特征.但是，長(zhǎng)寧地震主震區(qū)在6 km深度附近呈現(xiàn)出明顯的低速、高波速比異常結(jié)構(gòu)，指示著6 km深度附近可能存在流體.

(2)相較于白象巖—獅子灘和雙河背斜區(qū)，長(zhǎng)寧背斜區(qū)明顯更高的波速特征一直持續(xù)到6 km深度附近.因此，力學(xué)性質(zhì)更強(qiáng)的長(zhǎng)寧背斜可能阻擋了此次長(zhǎng)寧地震的東南向破裂，而使其呈現(xiàn)顯著的單向破裂特點(diǎn).

(3)研究區(qū)內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)在6 km之上橫向不均一性比較強(qiáng)，速度結(jié)構(gòu)整體呈NW-NWW向展布；而在7.5～12 km橫向不均一性則較弱，速度結(jié)構(gòu)整體呈NNE或SN向展布.這種結(jié)構(gòu)特征在深度上的變化可能指示著該區(qū)6 km之上基本為沉積層，而7.5 km之下則基本為結(jié)晶基底，上下可能存在解耦.該區(qū)絕大多數(shù)地震事件震級(jí)較小，且集中發(fā)生在6 km以淺，表明該區(qū)絕大部分地震活動(dòng)主要受沉積層結(jié)構(gòu)的控制.

(4)長(zhǎng)寧地震發(fā)震斷層可能是一條發(fā)育在白象巖—獅子灘和雙河背斜區(qū)核部的新斷層.該斷層接連發(fā)生長(zhǎng)寧MS6.0地震及包含數(shù)個(gè)M5.0以上的中強(qiáng)震在內(nèi)的余震序列.而在整個(gè)過(guò)程中，該新斷層也在不斷貫穿并逐漸趨于穩(wěn)定.

當(dāng)然，該區(qū)地震危險(xiǎn)性依然很高，值得大家持續(xù)關(guān)注和開(kāi)展更細(xì)致的研究工作.

致謝感謝國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心和四川省地震局提供的地震數(shù)據(jù)，感謝中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張海江教授提供的tomoDD-SE程序.感謝三位審稿專(zhuān)家提供的寶貴修改意見(jiàn)及建議.本文的圖件是利用GMT軟件繪制的，在此一并感謝.