引用本文
王志伟, 王小龙, 马胜利, 雷兴林, 刘培洵. 重庆荣昌地区注水诱发地震的时空分布特征[J]. 地震地质, 2018,40(3): 523-538.
WANG Zhi-wei, WANG Xiao-long, MA Sheng-li, LEI Xing-lin, LIU Pei-xun. DETAILED TEMPORAL-SPATIAL DISTRIBUTION OF INDUCED EARTHQUAKES BY WATER INJECTION IN RONGCHANG, CHONGQING[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(3): 523-538.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.03.002
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重庆荣昌地区注水诱发地震的时空分布特征
王志伟1, 王小龙2, 马胜利1, 雷兴林3,1, 刘培洵1
1中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2重庆市地震局, 重庆 401147
3日本产业技术综合研究所, 筑波305-8567

〔作者简介〕 王志伟, 男, 1990年出生, 2017年于中国地震局地质研究所获固体地球物理专业硕士学位, 从事构造物理学研究, E-mail: wangzw90th@163.com。

收稿日期: 2017-06-29
基金项目: 地震科技近期重点突破方向专项(JH-16-50)资助
摘要

基于区域固定地震台站和6套流动加密台站的观测资料, 对重庆荣昌地区2008年10月—2011年7月期间的地震活动性进行了分析。在双差定位的基础上, 采用匹配定位方法(M&L)对微小地震进行检测与定位; 采用CAP(Cut and Paste)方法, 反演获得了 ML≥3.5地震的震源机制解。在此基础上, 分析地震活动的时空分布特征、 震源特征及其与地质构造的关系, 并讨论了2010年9月10日 ML5.1地震前后的小震活动特征。通过匹配定位方法共检测到3354次微地震事件, 约为中国地震台网中心地震目录的5倍, 震级集中于 ML-1.0~1.0之间, 震源深度大部分处于2~4km范围内; 震级-频次统计分析表明, 地震目录更加完整, 震级下限从 ML1.0降低到 ML0.3。地震活动主要集中在几条隐伏断层附近, 并具有从注水井向外扩展的特征; 9次 ML≥3.5地震震源机制解均为逆断层型, 与该区区域应力场协调, 并与已有断层性质一致, 表明地震活动与注水活动导致已有断层的再活动有关。而发震断层方向、 倾角及滑动角散布范围较大表明流体孔隙压力增加对局部应力场有较大影响, 使不同产状的断层活化。 ML5.1地震发生之前, 地震活动首先表现为时间上丛集, 空间上分布于大部分发震断层段上, 随后出现了约3月的平静期, 这与基于实验结果提出的 “蠕滑-均匀化”机制一致, 可能是断层亚失稳的一种表现形式, 但这种解释需要进一步的工作论证。

关键词: 地震定位; 微地震检测; 震源机制; 诱发地震; 荣昌
中图分类号:P315.72+8 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)03-523-16
DETAILED TEMPORAL-SPATIAL DISTRIBUTION OF INDUCED EARTHQUAKES BY WATER INJECTION IN RONGCHANG, CHONGQING
WANG Zhi-wei1, WANG Xiao-long2, MA Sheng-li1, LEI Xing-lin3,1, LIU Pei-xun1
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)Chongqing Earthquake Administration, Chongqing 401147, China
3)Geological Survey of Japan, AIST, Tsukuba, 305-8567, Japan
Abstract

Based on the seismic data collected from regional permanent stations and 6 temporal stations, we analyzed the seismic activity from October 2008 to July 2011 in Rongchang area. On the basis of HypoDD relocated results, we used Match&Locate method to detect and located the micro-earthquakes. We obtained the focal mechanism solutions of some earthquakes with ML≥3.5 by using CAP method. Then we analyzed the temporal-spatial distribution of earthquakes and discussed the characteristics of micro-seismicity before the ML5.1 earthquake occurring on September 10, 2010. We totally detected3354 micro-earthquake events, which are nearly 5 times of the earthquakes in the seismic catalog issued by China Earthquake Networks Center. The magnitude of the detected events is mostly from ML-1 to 1, and the focal depth is from 2 to 4km. The magnitude-frequency analysis shows that the catalog completeness is obviously improved after adding the detected earthquakes, with the lowest magnitude decreasing from ML1.0 to 0.3. The earthquakes hypocenters are mainly clustered along faults or buried faults and in a dominant depth range consistent with the depth of injection wells, and also show a tendency of lateral extension from injection wells. The focal mechanism solutions of 9 earthquakes of ML≥3.5 presented reverse faulting, as the same as the preexisting faults, indicating that earthquakes were surely related to reactivation of the faults. The strike, dip and rate of the causative faults separated in wide ranges, which indicates not only obvious changes in structure and strike of preexisting faults but also the effect of increasing pore pressure on the local stress field. Before the ML5.1 earthquake on September 10 of 2010, seismicity firstly showed clustering in time and covered the most part of the seismogenic fault in space. Then an obvious seismic quiescence occurred and lasted about 3 months. The phenomenon is consistent with the mechanism of creep sliding and resistance-uniformization along the fault zone, suggested on the basis of laboratory experiments, and it may be one of patterns of sub-instability along fault zone. However, such explanation needs to be further confirmed.

Keyword: earthquake relocation; microearthquake detection; focal mechanism; induced earthquake; Rongchang
0 引言

人类活动诱发的地震活动早已被人们所认知。近年来, 随着经济社会的发展, 水库蓄水、 地表或地下采矿、 地下开采石油和天然气等人类活动诱发的地震活动越来越受到关注(Rubinstein et al., 2015)。在一些地震活动性原本很弱的地区, 人类活动不仅会诱发小震活动, 甚至会触发断层活动而引起破坏性地震。研究这样具有代表性的诱发地震活动, 不仅对分析区域诱发地震的分布特征和控制机理具有实际意义, 并且对研究一般构造地震的机理和预测问题也具有理论意义。四川盆地隆昌— 荣昌地区及其附近天然气田的地震活动就是注水诱发地震的典型实例(Lei et al., 2008, 2013; 王小龙等, 2011, 2012)。

荣昌天然气田地处四川盆地东南缘的四川、 重庆两地接壤处(图1), 境内主要断裂为华蓥山基底断裂, 该断裂带北起达州北, 向南经荣昌至宜宾西南, 总体走向 N40° ~45° E, 倾向SE, 倾角30° ~70° , 长约600km, 分布于四川盆地东缘, 以逆冲断层为主并兼具右旋走滑性质(丁仁杰等, 2004)。四川盆地内部的沉积盖层褶皱变形, 在华蓥山断裂带东西两侧形成不同的构造特征; 西北侧盆地内部表现为一系列平缓褶皱, 背斜宽缓低平, 断层发育不明显; 而东南侧则表现为一系列狭长不对称的呈NNE向展布的强烈褶皱, 向斜宽而背斜窄, 断层发育较强(秦万成等, 1980)。重庆荣昌地区地震活动性原本很弱, 但自20世纪80年代末期开始, 随着工业部门将天然气开采过程产生的污水通过几口深度为2~3km的注水井回灌, 该地区地震活动明显增强, 多名学者先后通过分析研究指出这些地震活动与注水密切相关(丁仁杰等, 2004; 黄世源等, 2007; 朱丽霞等, 2007)。Lei等(2008)采用包括ETAS模型的统计分析方法, 研究了荣昌地区2006年以前近30a地震活动的特征, 认为存在与注水密切相关的阶段性, 即与注水率较低的注水初期对应的自触发地震主导的地震活动增强阶段, 与高注水率时段对应的流体驱动的外部触发地震显著的地震活动活跃阶段, 以及与注水率降低时段对应的外部触发地震主导的地震活动减弱阶段。鉴于荣昌地区仅有1个固定地震台站, 地震动力学国家重点实验室会同日本地质调查所和重庆市地震局, 于2008年7月在该区布设了6套流动观测台网, 显著提高了该区地震监测能力(王小龙等, 2011)。王小龙等(2012)基于台网观测资料分析了该区的地震活动, 揭示了地震空间分布与注水井的关系以及2010年9月10日ML5.1地震序列的特征。

图 1 四川盆地及周围地区地质与地震活动性(活动断层分布据邓起东, 2007; 地震数据源于地震数据 共享中心)(a)与重庆荣昌地区断层分布、 台站及注水井位置(活动断层分布据王小龙等, 2012)(b)
①华蓥山基底断裂; ②燕子岩断层; ③螺观山北翼隐伏断层; ④螺观山南翼隐伏断层; ⑤双河断层; ⑥月琴坝断层; ⑦天堂沟断层; ⑧鱼口坳断层; ⑨广顺横断层Fig. 1 a Map view showing geological and seismological features of the Sichuan Basin and surrounding areas(Active fault data are from DENG Qi-dong, 2007; and seismic data are from China Earthquake Data Center). b Map view showing faults, location of seismic stations and injection wells in Rongchang, Chongqing.

前述流动观测台网获得了丰富的观测资料, 为深入研究荣昌地区的地震活动特征及其机理奠定了坚实的基础。尽管王小龙等(2011, 2012)已利用该台网资料获得了一些有意义的结果, 但对观测资料尚未进行充分利用; 例如, 仅对2010年9月10日ML5.1地震序列进行了较详细的分析, 且对震级较小的地震没有进行定位, 也没有系统研究地震的震源特征等。本文将在王小龙等(2011, 2012)所做工作的基础上, 对流动台网获得的2008年10月— 2011年7月的地震观测资料进行进一步分析, 采用匹配定位方法对微小地震进行精确检测与定位, 同时采用CAP(Cut And Paste)(Zhao et al., 1994)方法对所有3.5级以上地震进行矩张量反演。在此基础上, 分析地震活动的时空分布特征及其与地质构造的关系, 并重点讨论2010年9月10日MS5.1地震前后的小震活动特征及其前兆意义。

1 研究方法
1.1 微地震定位与检测

本文首先采用双差定位方法(Waldhauser et al., 2000)对荣昌地区2008年10月— 2011年7月间ML≥ 0.5地震事件进行重新定位, 速度结构采用王小龙等(2012)的接收函数反演结果, 由于区域台网台间距大, 获得的微地震震相较弱, 并且难以记录到ML≤ 1.0事件的震相数据, 对精定位结果存在不利的影响, 所以选用区域台网与当地6套流动加密观测台网共同记录的震相数据进行精定位, 既可以提高到时量取的精度, 也可以获得ML≤ 1.0微地震的震相数据, 从而提高地震精定位结果的精度和可靠性。 本次参与定位的地震事件有667个, 最后得到634个重定位结果。

在双差定位的基础上, 采用匹配定位(Match& Locate)方法(Zhang et al., 2015)对微地震事件进行检测和精确定位。该方法的原理是, 首先对模板事件周围的三维空间进行网格式搜索, 计算模板事件与微震事件每个可能位置之间的走时差, 然后按照走时差对互相关波形进行走时校正和叠加, 再对多个台站分量记录到的模板波形与连续波形进行互相关叠加来检测地震。本文基于6套流动观测台的观测资料, 首先从连续波形中选取模板波形, 根据观测报告以直达S波到时为中心, 截取其前5s至后15s波形, 挑选信噪比平均值> 3且至少被4个台站同时记录到的事件, 从634个精定位结果中总共挑选出满足条件的模板地震413个, 其被自检测出来的相关系数为1.0; 其次对连续波形和模板波形分别重采样, 采样频率由200Hz变为50Hz; 接着选取模板波形长度为扫描窗口, 扫描间隔为0.05s; 然后以模板地震为中心, 在其周围水平经度和纬度方向0.05° × 0.05° 区域范围内搜索, 搜索间隔为0.001° , 由于注水诱发地震震源深度较浅, 在检测过程中不能很好地约束地震深度, 所以固定震源深度进行检测; 接着在每个台站分量上, 对模板事件的参考震相与连续波形进行滑动互相关计算, 求解每个台站三分向分量的相关系数; 最后计算叠加后互相关波形的平均相关系数(CC)和信噪比(SNR)。根据Zhang等(2015)的研究结果, 取9倍背景平均相关系数作为判别微震事件的阈值, 当平均相关系数和信噪比超过设定的阈值时, 即认为检测到微地震事件, 并将其确定在拥有最大相关系数的格点位置。Zhang等(2015)的结果表明, 震级为0.2和-0.4的误差分别是其最大相关系数的88%和77%, 即地震定位误差为半长轴半径145m和200m。

图2为1次微地震检测结果, 其平均相关系数为0.541i4, 震级为0.76, 大于设定的平均相关系数检测阈值(0.3), 通过对比模板波形和检测到的微地震波形, 发现两者有很大的相似性, 所以微地震检测结果是可靠的。

图 2 匹配定位方法(Match& Locate)检测结果举例
红色: 模板波形; 灰色: 连续波形; 红色箭头代表发震时刻; 地震波形左边为台站记录信息; 地震波形右边为相关系数(CC); 波形图的上方为确定的震级、 发震时刻、 平均相关系数和左右信噪比Fig. 2 Comparison of the template seismograms(red traces)with portions of the signals detected for slave earthquake in the continuous waveforms(grey traces).

1.2 CAP(Cut and Paste)方法反演震源机制解

震源机制解是一种用地震学方法判断断层错动方式的方法, 不仅可以了解发震断层的几何特征, 也可以揭示震源处断层的运动方式。使用CAP(Cut and Paste)全矩张量反演方法综合利用近震数据中的体波和面波信息(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996, 2013; 郑勇等, 2009; 李圣强等, 2013; 王小龙等, 2015; Lei et al., 2017)可以很好地求解其震源机制解。其原理是根据理论或实测震相到时, 将台网接收到的地震波信号分成Pn1(P波及其后续震相)、 S波和面波震相, 并分别赋予不同权重; 然后通过理论和观测波形的拟合来反演确定地震的全矩张量。在波形拟合时, 对各自的震相按照最大的相关性系数进行比较, 减少地壳速度模型不确定性的影响, 也减小对台站数量和方位角分布的要求, 使得震源深度和反演精度有所提高。

本文采用CAP方法对荣昌地区ML≥ 3.5的地震事件进行震源机制解反演。计算格林函数的速度结构, 采用王小龙等(2012)的接受函数反演结果。通过网格搜索, 计算并搜索理论地震波形与真实地震波形之间拟合误差函数最小的震源机制解, 并且获得最佳拟合震源深度。据Lei等(2017)的研究成果可知, 附近地区ML≥ 3.5注水诱发地震的非双力偶成分均可忽略, 所以本文在纯双力偶假设下进行反演以减少反演参数并压制反演结果的不确定性。

2 研究结果
2.1 微地震检测前后对比及地震目录完整性分析

根据中国地震台网的地震目录, 2008年10月2日— 2011年7月30日期间荣昌地区共发生667次ML1.0以上地震, 利用匹配定位方法(Match& Locate)(Zhang et al., 2015)共检测到微地震事件3i354个, 约为台网地震目录的5倍。图3为模板事件与微地震检测结果对比图, 可以看出检测到的微地震震级主要集中在ML-1.0~1.0之间, 其中最大震级为ML1.67。图4为检测微地震前后的震级-频度对比图, 可以看出增加了检测到的微地震后, 震级-频度呈现更好的线性, 震级下限从ML1.0变为ML0.3, 表明ML0.3~1.0之间的地震目录也完善了。

图 3 模板地震与微地震的震级-时间分布
红点为模板事件, 绿点为检测到的微地震事件, 蓝线表示地震频度Fig. 3 Magnitude versus time for template events and detected micro-earthquakes.

图 4 补充微地震前后地震频度-震级关系图(2008年10月— 2011年7月)
a 地震台网中心地震目录b值; b 补充微地震后的地震目录b值
红线为最小二乘法bls拟合结果; 绿线为最大似然法bml拟合结果; 补充微地震事件前后, 震级下限MC分别为1.0和0.3Fig. 4 Plot of magnitude-frequency distribution before and after adding micro-earthquakes during October 2008 to July 2011.

2.2 地震活动的时空分布特征

图5为荣昌地区2008年10月2日— 2011年7月30日地震活动M-T图及主要地震统计参数的时间变化, 其中包含了本文检测到的微地震事件。由图5a可见, 在此时段荣昌地区地震活动频度较高但震级主要集中于ML0.3~2.0之间, 地震活动在时间上具有丛集分布特征, 特别是ML2.0地震丛集分布更为明显, 其中2010年9月10日ML5.1地震伴随有频度高、 持续时间长的地震序列。地震活动频度、 能量释放率(图5b)和b值(图5c)等统计参数在图5红色虚线前后存在明显的变化。在红色虚线之前, 地震活动具有频度低、 能量释放率平稳、 b值较低的特征; 而在红色虚线之后, 即以2010年9月10日ML5.1地震发生为标志, 地震活动频度增大, 能量释放率降低, b值则明显增大, 且3个参数起伏变化均较明显, 表现出显著的主-余震序列特征。

图 5 荣昌地区地震活动M-T图和地震统计参数随时间的变化
a M-T及地震累积频度图; b 地震活动频度和能量释放率随时间的变化, 地震活动频度为单位时间的地震数量, 能量释放率Ei∝ 1 0CMi, 其中C=1.5对应传统的能量(M0); c b值随时间的变化, b˙= log10N¯+a x̅。b、 c中的统计参数 为固定事件数(100)扫描, 扫描步长为20事件数Fig. 5 Plots of M-T and statistical parameters versus time for earthquake in Rongchang area.

图6为微地震检测前后地震震中分布对比图。中国地震台网中心地震目录的震中分布较离散, 与当地断层的关系不是很明确(图6a), 但是对区域台网和6套流动加密观测台网共同记录的震相数据进行双差精定位后, 地震沿断层丛集分布特征显著, 其中沿燕子岩断层和螺观山北翼隐伏断层走向丛集分布明显, 在螺观山南翼隐伏断层两端地震分布也有丛集现象(图6b)。对微地震检测与定位之后, 发现了更多震级较小的地震沿断层分布, 在1号和2号注水井位置微小地震反而较为稀疏(图6c)。这种特征, 与附近黄家场枯竭天然气田的注水地震分布情况十分类似, 地震主要沿枯竭气田边缘的已有断层分布(Lei et al., 2013)。

图 6 荣昌地区补充微地震前后震中分布对比图
a 地震台网中心地震目录震中分布图; b 双差精定位后的震中分布图; c 以精定位后的地震目录为模板, 添加微地震后的震中分布图; ③和④为断层编号(详细断层名见图1)Fig. 6 Epicenter distribution of earthquakes in Rongchang.

将图6c中的地震分别投影到AA'和BB'剖面上以揭示其深度分布(图7), 其中AA'剖面沿燕子岩断层和螺观山北翼隐伏断层走向, BB'剖面与之垂直。由图7可见, 地震震源深度大部分集中于2~4km范围内, 与荣昌地区天然气主要储藏层及注水井深度(1i450~3i148m)相近(王小龙等, 2012)。

图 7 沿AA'(a)与BB'(b)剖面的震源深度分布Fig. 7 Depth distribution of earthquakes along sections AA'(a) and BB'(b).

2.3 ML≥ 3.5地震震源机制解特征

基于中国地震局地球物理研究所 “ 国家数字测震台网数据备份中心” 提供的震源机制反演地震波形数据(郑秀芬等, 2009), 根据前人经验(易桂喜等, 2012; 吕坚等, 2013; 王小龙等, 2015), 选用震中距250km范围内15个台站记录的宽频带数字地震波形进行震源机制反演, 分别对体波Pn1部分及面波部分用通带为0.02~0.15Hz和0.02~0.1Hz的带通滤波器进行滤波, 对深度1~10km范围进行扫描以获得波形拟合残差最小的最佳震源机制解和震源深度。

作为一例, 2010年9月10日重庆荣昌ML5.1主震震源机制反演结果如图8所示, 得到的MW震级为4.37; 节面Ⅰ 方位角193° , 倾角45° , 滑动角82° ; 节面Ⅱ 方位角24° , 倾角46° , 滑动角98° ; 其中节面I方位角、 倾角与震中附近的隐伏逆断层基本一致(王小龙等, 2015), 推测为此次地震的断层面。震源机制解的最佳深度为2.93km, 与双差精定位深度4.13km相差1.2km, 该差异由各方法反映的震源深度概念不同和各自的误差共同导致(张广伟等, 2014)。震源机制P轴方位近NWW, 与荣昌所在的川东南地区区域应力场方位NW向协调(张致伟等, 2012)。

图 8 2010年9月10日ML5.1主震震源机制解
a 2010年9月10日ML5.1主震震源机制解; b 台网分布图; c 理论波形(红色)和实际波形(黑色)对比图, 波形下方数字表示理论相对于实际波形的移动时间(s), 上方数字表示两者的互相关系数, 波形左侧大写字母表示台站名, 台站名上方表示 方位角(° ), 台站名下方表示震中距(km)和相对偏移时间(s); d 不同深度震源机制解及其反演方差Fig. 8 Focal mechanism solution of the ML5.1 main shock occurring on September 10, 2010.

如图9所示, 基于双差精定位结果和CAP方法反演得到9次ML≥ 3.5地震震源机制解(表1), 可以看出这些地震均以浅源逆冲型断裂为主, 地震发育于背斜轴部附近的③号螺观山北翼隐伏断层和④号螺观山南翼隐伏断层, 以及背斜中间转折处附近的⑨号广顺横断层。由于螺观山背斜两翼相向挤压变形强烈, 外加当地注水井流体压力扩散的影响, 使得断层再活化角度范围变大, 导致一些连续性较差、 走向变化较大的逆断层再活化。从震源机制解可以清晰地看出, 4, 5, 7号地震发生于③号螺观山北翼隐伏断层, 发震断层倾角在35° ~45° 之间, 滑动角在66° ~86° 之间, 4号和7号方位角沿SW方向, 5号方位角沿SE方向, 可能与螺观山背斜北翼挤压运动和注水井流体压力扩散有关; 2号和3号地震发生于⑨号广顺横断层, 处于螺观山背斜中间转折处, 倾角和滑动角相近, 但是发震断层方位角相反, 可能与南北两翼相向挤压有关; 1, 6, 8, 9号地震发生于④号螺观山南翼隐伏断层, 发震断层倾角在31° ~55° 之间, 滑动角在80° ~90° 之间, 6号、 8号和9号方位角沿SW方向, 1号方位角沿NE 方向, 可能与螺观山背斜南翼挤压运动和注水井流体压力扩散相关。

图 9 地震震中分布及ML≥ 3.5地震震源机制解
1— 9为ML≥ 3.5地震编号; ①— ⑨为断层编号(详细断层名见图1)Fig. 9 Map view of the epicenter distribution of earthquakes and the focal mechanism solutions of earthquakes with ML≥ 3.5.

表1 ML≥ 3.5地震震源机制解 Table1 Focal mechanism solutions of ML≥ 3.5 earthquakes
3 讨论
3.1 荣昌地震活动特征及控制因素

荣昌地区注水导致地震活动性显著增强已被许多学者的研究所证实。Lei等(2008)的研究揭示了地震活动与注水密切相关的阶段性。王小龙等(2011, 2012)基于流动地震台网观测资料的研究揭示了地震空间分布与注水井和区内断层的关系。本文基于流动地震台网观测资料, 对该区2008年10月— 2011年7月期间的地震活动进行了深入研究, 揭示了地震活动特征及其控制因素: 通过微地震检测发现了大量微震事件, 进一步揭示了注水诱发地震事件震级小、 频度大的特点; 地震事件主要沿先存断层丛集分布, 地震震源深度丛集于注水井深度范围(2~4km), 地震时空分布演化进一步揭示了流体压力扩散和断层活化对地震活动的控制作用; ML≥ 3.5地震的震源机制解均为与当地断层性质相同的逆冲型破裂, 确证了注水诱发了已有断层(重新)活动; 而发震断层方向、 倾角及滑动角散布在较大范围内固然与先存断层本身的结构和走向变化有关, 同时也可能与注水井流体扩散使得孔隙压力增大、 导致断层面有效正应力降低(Lei et al., 2009)和断层应力场发生扰动(雷兴林等, 2014)有关。

3.2 荣昌ML5.1地震前后小震活动特征

尽管注水引起的孔隙压力增加是诱发地震的重要因素, 但较大地震的发生则与已有断层的活动有关。因此, 分析注水诱发的较大地震发生前的地震活动特征, 不仅对于诱发地震活动规律研究具有重要意义, 对构造地震活动研究也有借鉴意义。因此, 我们对荣昌2010年ML5.1地震前的小震活动特征进行了初步分析。将图9中红色线框内的地震事件投影到AA’ 断层剖面, 展示地震活动的时空迁移(图10)。可见, 在2009年8月— 2010年3月期间发生的ML3.7和ML4.1地震前, 小地震表现出沿断层走向扩展的特点, 特别是这2次地震后, 小地震事件向两侧扩展的趋势明显, 在2010年9月10日ML5.1主震前3月, 地震在空间上贯通了大部分发震断层段, 随后出现了明显的平静现象。在这个阶段地震活动频度和能量释放率以及b值均呈下降趋势(图5), 而5.1级地震就发生在这样的平静之后。类似现象存在于岩石变形声发射实验结果中, 多个非连续断层在临近滑动失稳前, 声发射活动均出现了明显的相对平静现象, 即声发射事件的发生率和应变能释放水平显著降低, 据此提出了强震前地震活动平静现象的 “ 蠕滑-均匀化” 机制(马胜利等, 2004)。根据这一机制, ML5.1地震发生前断层已经接近完全破裂状态, 但由于断层面仍存在很小的凹凸体, 需要通过蠕滑为断层创造 “ 均匀” 的整体滑动条件, 从而导致震前出现平静现象。近来的岩石摩擦实验表明, 在黏滑失稳前存在1个亚失稳阶段, 此阶段的1个显著特征是在断层附近观测到的多种物理量出现协同化现象(马瑾等, 1995, 2012; 任雅琼等, 2013; 卓燕群等, 2013)。前述ML5.1地震前小震和微震活动沿断层扩展实际上可理解为协同化的表现形式之一, 因此可认为具有亚失稳特征。但必须指出, 这种现象也可能是注水量和注水压力变化所致, 由于目前无法获得详细的注水资料, 前述解释有待通过进一步工作确认。

图 10 2010年9月10日ML5.1主震前后AA'剖面整体时空迁移过程
以ML5.1地震为原点, 将图9红色线框内的地震序列投影到AA'剖面; 圆圈表示ML≤ 3.5地震事件, 其圆圈大小表示相应的震级大小Fig. 10 Space-time diagram of all the detected events before and after the 10 September 2010 ML5.1 main shock.

4 结论

本文基于区域固定地震台站和流动加密台站的观测资料, 对重庆荣昌地区2008年10月— 2011年7月期间的地震活动性进行了分析。在双差定位的基础上采用匹配定位方法对注水诱发产生的微小地震进行检测与定位, 采用CAP方法对ML≥ 3.5地震反演其震源机制解, 分析了地震时空迁移特征, 获得的主要结论如下:

(1)微地震检测结果表明, 总共检测到3i354次微地震事件, 约为台网中心地震目录的5倍, 震级主要集中于ML-1.0~1.0之间, 震源深度大部分处于2~4km范围内; 震级-频次统计分析表明, 添加检测到的微地震事件后, 地震目录更加完整, 震级下限从ML1.0降为ML0.3。

(2)荣昌地区地震活动具有震级较小、 频度高的特点, 空间上丛集于几条断层(隐伏断层)附近, 深度上丛集于注水井深度范围, 并具有从注水井向外扩展的特征, 反映了流体压力扩散对地震活动的控制作用。 2008年10月— 2011年7月期间也伴有2次显著的断层活动控制的地震序列, 导致2个地震活动特征不同的阶段。这说明注水引起的流体压力扩散导致孔隙压力增加并触发了先存断层的活动, 是荣昌地区地震活动的机制。

(3)9次ML≥ 3.5地震震源机制解表明发震断层均为逆断层, 与该区背景应力场及已有断层相符, 表明地震活动确与已有断层的触发滑动有关, 而发震断层方向、 倾角及滑动角散布范围较大不仅表明先存断层结构和走向变化较大, 同时也反映了流体孔隙压力增加对局部应力场的影响。

(4)ML5.1地震发生之前约3月, 地震活动时间上丛集, 空间上贯通了大部分发震断层段, 随后出现了明显的微小地震平静现象, b值明显下降。这与基于实验结果提出的 “ 蠕滑-均匀化” 机制相一致, 有可能是断层亚失稳的一种表现形式, 但确证这一点需要进一步研究。

致谢 审稿人提出了建设性的修改意见; 中国科学技术大学张淼博士提供了Match& Locate方法计算程序, 美国圣路易斯大学朱露培教授提供了CAP方法反演程序; 与美国佐治亚理工学院的彭志刚教授和姚东东博士进行了有益的讨论: 在此一并表示感谢。本文图件用GeoTaos软件和GMT绘制。

The authors have declared that no competing interests exist.

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