基于震源机制解对四川盆地荣县—威远—资中地区发震构造几何结构与构造变形特征的认识.docx

基于震源机制解对四川盆地荣县—威远—资中地区发震构造几何结构与构造变形特征的认识引言近3年来,四川盆地南缘地震极为活跃,宜宾长宁、兴文、珙县、筠连区域相继发生一系列MS≥4.7破坏性地震(Leietal.,2019a,b;Mengetal.,2019),2019年6月17日长宁MS6.0地震更是突破了四川盆地最高震级历史记录(图1a;易桂喜等,2019;Leietal,2019b;Longetal.,2020).与此同时,四川盆地中西部历史弱震区自贡荣县、内江威远和资中地区地震活动也不断增强(图1b、图2),2019年以来,以威远为中心、半径20km范围内,先后发生了2019年2月24日荣县MS4.7和25日荣县MS4.9、9月8日威远MS5.4、12月18日资中MS5.2及多次Ms4.0～4.4地震(图1),震级也突破了震中区历史记录.尽管2月24～25日发生的荣县震群震级不高,但极震区烈度高达Ⅵ度(四川省地震局,2019),而且灾害叠加,导致两人死亡、12人受伤,直接经济损失超过8000万,呈现出小震大灾的特征.根据历史地震资料记载,2018年之前,自贡北部的荣县—威远—资中地区地震活动频度低、强度弱,5次MS4.7以上历史地震均发生在该区域南侧的自贡附近(图1b),分别为:1896年2月14日富顺53/4、1905年11月8日自贡5.0、1927年5月22日自贡43/4、1947年10月18日自贡南43/4及1954年10月24日自贡5.0级地震(国家地震局震害防御司,1995;汪素云,1999).然而,自2015年开始,研究区域(范围:29.40°—29.65°N,104.45°—104.85°E,见图1b蓝色虚线矩形区域)小震活动显著增多,ML≥2.0地震年频次由2015年之前的低于10次突升至2015年的352次,2019年年频次已达到1027次(图2c),其中2019年12月单月频次高达207次(图2b);区内地震事件的震级也逐渐增大(图2a),从2015年的偶有ML≥3.0地震发生至2016年之后ML≥3.0地震频发,仅2019年就发生MS≥4.7地震4次.荣县—威远—资中地区地震活动呈现明显的时、空丛集特征(图1b、图2).根据中国地震台网中心(CENC)和美国地质调查局(USGS)给出的荣县—威远—资中地区2019年4次MS≥4.7地震的震源参数(见表1),这4次地震均发生在上地壳,但CENC给出的位于研究区西部的两次荣县地震(表1中第1、2号)与东部的威远、资中地震(表1中第3、4号)震源深度具有较大差异,这种差异性是否真实存在?此外,从图1b可以看出,多数4级地震震中附近并无已知断层出露.这些地震的发震构造又是哪些?荣县—威远—资中地区作为历史少震区,其区域构造应力场特征如何?近些年该区域频繁发生的中小地震为初步回答上述问题提供了机会.图1荣县—威远—资中地区构造、4.7级以上历史地震及2018年以来MS≥4.0地震分布.图中构造改编自遂宁幅、自贡幅、内江幅、宜宾幅和泸州幅区域地质报告(四川省地质局,1980).右上角索引图指示本文研究区域和2019年长宁MS6.0地震震中位置.图1b中的蓝色虚线矩形区域为图2地震统计区域图22000年以来荣县—威远—资中地区ML≥2.0地震M-T、月频次和年频次图(统计区域:29.40°N—29.65°N,104.45°E—104.85°E).(a)M-t图;(b)月频次图;(c)年频次图表1CENC与USGS给定的荣县—威远—资中地区4次MS≥4.7地震的震源参数地震震源机制解和相对准确的震源深度是确定发震构造几何结构特征、运动学特征、构造变形特征、震源区应力场特征及深入分析孕震环境的最基础性资料(郑勇等,2009;吕坚等,2013;Xieetal.,2013,2018;易桂喜等,2016,2017,2019;Longetal.,2019).本文拟采用目前使用最广泛的CutandPaste(简称CAP)波形反演方法(ZhaoandHelmberger,1994;ZhuandHelmberger,1996)计算2016年以来荣县—威远—资中地区MS≥3.0地震的震源机制解、震源矩心深度和矩震级;在此基础上,利用Amelung和King(1997)的应变花方法以及Vallage等(2014)提出的面应变As值,定量分析该区域发震构造几何结构特征和运动学特征及震源区构造变形特征;基于震源机制解反演的应力场,分析研究区域的构造应力场特征.此外,对该区域中小地震不同震级标度之间的关系进行了初步统计分析.研究结果可为进一步研究四川盆地中西部地区发震机理及建立区域地球动力学模型提供依据.1、区域构造背景与历史地震活动概况荣县—威远—资中地区位于青藏高原东缘、四川盆地中西部(图1a红色方框标示区域).四川盆地结构相对稳定(Zhengetal.,2013),盆地内的地表构造形迹主要受周边大型构造带活动的影响,形成多期多组构造叠合的复杂构造格局,以华蓥山断裂带和龙泉山断裂带为界,华蓥山断裂带以东为川东南斜坡构造区,龙泉山断裂带以西为川西坳陷构造区,介于两者之间的区域为川中低缓隆起区(谷志东等,2012;邓宾,2013).其中,川中低缓隆起区以舒缓褶皱构造为主,伴有逆冲断裂体系,与盆地东部强烈褶皱区和盆地西部NE走向的造山带内强烈褶皱-断裂带形成了显著差异(谷志东等,2012).荣县—威远—资中地区位于四川盆地川中低缓隆起区,威远背斜、白马镇向斜和自流井背斜构成区内主要构造格架(四川省地质局,1980)(图1b).其中,威远背斜为川中褶皱带规模最大、隆起最高的背斜构造,长约100km,轴向NE-NEE,北西翼较缓,地层倾角1°～5°,南东翼略陡,地层倾角8°～12°(刘树根等,2008;许海龙,2012;李英强,2018).白马镇向斜总体轴向N60°E,位于威远背斜与自流井背斜之间,两翼宽缓,近对称展布.自流井背斜位于区域南部,长约42km,东段轴向N60°E,西段由近EW转向NW,两翼呈不对称箱状结构,北翼倾角1°～12°,南翼倾角15°～40°.处于威远背斜与白马镇向斜之间的李家场褶皱由6条弧形鼻状、箕状的褶曲组成,褶曲两翼倾角2°～4°,总体呈向NE收敛、向SW撒开的扫帚状形态(四川省地质局,1980).区内与褶皱伴生系列规模不等、产状不同的断层,出露地表的NE向、NNE向和NW向断层大多为沉积盖层断层,以压性逆断层或压扭性断层为主(四川省地质局,1980)(图1b,表2).从图1b可以看出,2018年之前,历史记载的5次4.7级以上地震全部发生在白马镇向斜以南的自流井背斜两翼(图1b),白马镇向斜以北无4.7级以上历史地震;而2018年以来发生的4次MS4.7以上地震均发生在白马镇向斜以北的威远背斜南翼,其中2019年9月8日威远MS5.4与12月18日资中MS5.2地震发生在李家场褶皱向北延伸区域.表2荣县—威远—资中地区与褶皱伴生的主要断层概况(据四川省地质局,1980)2、资料与计算方法2.1资料本文收集了2016年以来区内所有MS≥3.0地震的固定台站宽频带地震波形记录.波形资料均来源于四川区域地震台网,所用台站包括四川及邻区的云南、贵州、重庆区域地震台网部分台站,台站分布见图3.2.2震源机制解与震源矩心深度计算地震震源机制解和震源矩心深度计算采用CAP波形反演方法(ZhaoandHelmberger,1994;ZhuandHelmberger,1996).CAP方法具有对速度模型和台站分布依赖性较小、计算结果相对稳定等特点(Tanetal.,2006;郑勇等,2009;易桂喜等,2017,2019;祁玉萍等,2018);同时,由于在波形反演过程中采用了体波与面波的相对强度进行深度约束,利用该方法可获得较准确的震源矩心深度(罗艳等,2015).利用区域台网波形资料反演得到的矩心深度当搜索步长为1km时误差不超过2km(郑勇等,2009).可靠的震源深度有利于发震构造判识和孕震环境分析(Longetal.,2019,2020).在计算震源机制解之前,先利用多阶段定位方法(Longetal.,2015)对荣县—威远—资中地区的地震进行重新定位(定位结果将另文介绍),并产出荣县—威远—资中地区一维速度模型(表3).基于该速度模型,选取震中距300km范围内的固定台站(图3)高信噪比宽频带完整波形记录,反演2016年以来发生在该区域的MS≥3.0地震事件的震源机制解、震源矩心深度和矩震级.计算中,MS≥5.0地震的震源函数持续时间设为2s,其他事件为1s,体波与面波截取波形窗长分别为30s和60s,相应的滤波频带分别为0.05～0.2Hz和0.05～0.1Hz;断层面参数走向、倾角、滑动角搜索步长5°,深度步长0.5km.此外,为保证计算结果的可靠性,在计算参数设置完全相同的情况下,每个地震还利用与表3模型差异明显的龙门山一维速度模型(郑勇等,2009)进行了计算,只有当这两个不同速度模型获得的震源机制解节面参数基本一致且震源深度差异≤2km时,该地震的结果才被认为是可靠的.图3荣县—威远—资中地区26个MS≥3.0地震震源机制解计算所用台站分布.黑色虚线圆代表以威远为中心、300km半径范围表3荣县—威远—资中地区一维速度模型2.3基于震源机制解的应变花与面应变(As)计算特定条件下,局部构造变形与更大范围的构造变形仅仅存在幅度上的差异,其应变张量形态是一致的,由此,Amelung和King(1997)提出了利用震源机制解获取局部构造变形模式和区域构造变形模式的应变花方法(strainrosette).应变花代表应变张量的方位和形状,应变花的白瓣长轴代表挤压方向,黑瓣长轴代表拉张方向,直观体现了构造应变模式(AmelungandKing,1997),是进行区域构造应变模式定量分析与比较的最有力工具,目前被广泛地应用到Denali断层、龙门山构造带及四川盆地南缘等地区(Vallageetal.,2014;易桂喜等,2016,2017,2019).Vallage等(2014)在应变花方法基础上,提出了面应变(Arealstrain)As值,用于定量评估发震构造运动学特征与构造变形特征:As=A1-A2,其中,A1为应变花挤压瓣(白瓣)长度,A2为应变花拉张瓣(黑瓣)长度.对于同一个地震,应变花唯一,因此,即使不能确定震源机制解中哪个节面是发震断层面,仍可利用As值进行发震构造变形模式的比较(Vallageetal.,2014).对于单个地震,As值在-1与1之间,根据面应变As值,将震源机制与构造变形模式分成以下5类:(1)0.7≤As≤1,逆冲型;(2)0.3≤As<0.7,逆冲兼走滑型;(3)-0.3≤As<0.3,走滑型;(4)-0.7≤As<-0.3,正断兼走滑型;(5)-1≤As<-0.7,正断型;特别地,As=1,纯挤压逆冲;As=0,纯走滑;As=-1,纯拉张(Vallageetal.,2014;易桂喜等,2016).3、结果及分析3.1荣县—威远—资中地区发震构造几何结构特征与运动学特征图4展示了基于荣县—威远—资中地区一维速度模型获得的2019年9月8日威远MS5.4和12月18日资中MS5.2地震的CAP波形反演误差随深度的变化图,具有最小误差的最佳拟合深度分别为4.5km、4.0km.图5和图6则分别给出了这两个地震在最佳拟合深度处各台站的理论波形与实际波形拟合图,可以看出,超过四分之三的分量拟合相关系数高于80%,表明理论波形与实际波形具有较好的拟合关系.利用CAP波形反演方法,本文共获得了2016年以来荣县—威远—资中地区26个MS≥3.0地震的可靠震源机制解、震源矩心深度和矩震级,计算结果见表4和图7.基于震源机制解,分别计算了每个地震以及26个地震整体的应变花和面应变As值,。