高紅亮，姚運(yùn)生，張麗芬，3

(1.中國(guó)地震局地震研究所(地震與大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，湖北武漢 430071;2.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，湖北武漢 430071;3.三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地震監(jiān)測(cè)重點(diǎn)站，湖北武漢 430071)

0 引言

2013年12月16日 13時(shí) 14分，在湖北省巴東縣發(fā)生Ms5.1 級(jí)地震(湖北省地震局臺(tái)網(wǎng)定位結(jié)果:31.09°N，110.42°E)，這是三峽水庫蓄水以來發(fā)生在庫區(qū)的最大地震。此次地震造成4 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失總額約為7531萬元人民幣，引起了廣泛社會(huì)關(guān)注。這次地震的成因機(jī)理以及是否和水庫蓄水有關(guān)，是我們關(guān)注的問題。本文主要從地質(zhì)學(xué)及地震學(xué)的角度來綜合分析，探討此次地震的成因機(jī)制，這對(duì)于三峽庫區(qū)未來地震活動(dòng)趨勢(shì)研究有重要意義。

1 地震地質(zhì)背景

巴東Ms5.1 地震發(fā)生在秭歸盆地的西北緣，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造主要以NE、EW 向斷裂為主，如NE向高橋斷裂、周家山—?？跀嗔训?，EW 向秭歸向斜、馬鹿池?cái)嗔训?圖1)。

高橋斷裂為秭歸盆地西北緣的邊界構(gòu)造，長(zhǎng)約 40km，傾向南東，傾角 50°～65°，切割上古生界－三疊系地層。高橋斷裂帶經(jīng)歷了多期構(gòu)造變動(dòng)，燕山早期以正斷為主，晚期強(qiáng)烈擠壓，發(fā)育碳化構(gòu)造片巖及碳化糜棱巖;喜山期伴隨著三峽地區(qū)整體抬升而發(fā)生張性正斷活動(dòng)。鄧嘉農(nóng)等［1］由方解石的自由位錯(cuò)密度推導(dǎo)出高橋斷裂的活動(dòng)性在喜山期以來逐漸減弱。高橋斷裂主要沿山間埡口、溝谷、以及陡崖展布，在遙感影像上能夠看到清晰的線性圖像。野外調(diào)查結(jié)果表明高橋斷裂為逆沖性質(zhì)，并具有右旋走滑特點(diǎn)。

周家山—?？跀嗔芽傮w走向北北東，傾向北西，傾角60°～80°，主要發(fā)育在秭歸盆地侏羅系中統(tǒng)的砂、泥巖中。該斷裂在衛(wèi)星影像上的線性構(gòu)造特征并不清楚，野外沿?cái)嗔炎粉櫿{(diào)查表明，周家山—?？跀嗔殉趥€(gè)別地點(diǎn)表現(xiàn)為規(guī)模不大的斷層之外，大多數(shù)地段皆為節(jié)理帶。

馬鹿池?cái)嗔讶L(zhǎng)約22 km，發(fā)育于三疊系灰?guī)r中。斷裂總體走向近東西，傾向北，傾角75°～85°，野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)馬鹿池?cái)嗔褳楦呓嵌鹊恼龜嘈再|(zhì)。據(jù)李細(xì)光等［2］的研究成果，馬鹿池?cái)嗔炎钌俳?jīng)歷過兩次不同性質(zhì)的構(gòu)造活動(dòng)。早期在近南北向的主壓應(yīng)力作用下，斷裂帶發(fā)生了較為強(qiáng)烈的逆沖活動(dòng);而在晚期則馬鹿池?cái)嗔驯憩F(xiàn)為走滑正斷性質(zhì)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.1 Sketch map of geological settings

2 地震序列震中精定位

2.1 地震精定位方法

地震定位的精度不僅與臺(tái)站分布、人工讀取震相的誤差等因素有關(guān)，而且十分依賴于初始速度模型。將震源位置和速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合反演的方法，可以削弱速度模型引起的誤差，得到良好的定位效果。

1994年，Kissling 等［3］在結(jié)合其他地震定位研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化形成了“最小一維速度模型”的方法。大量震源位置和初始速度模型的聯(lián)合反演可以得到“最小一維速度模型”和相應(yīng)的臺(tái)站校正值，并且使得地震事件的均方根殘差值RMS 達(dá)到最小，進(jìn)而提高地震定位的精度。因其具有高效、精確等優(yōu)點(diǎn)，最小一維速度模型方法在地震定位研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用。Musumeci et al.，Midzi et al.，Mohamed，H.et al.［4－6］先后應(yīng)用此方法分別建立了南非、西西里島以及紅海北部地區(qū)的一維速度模型，并提高了地震定位的精度。于湘?zhèn)サ龋?－8］先后使用此方法反演了京津唐地區(qū)中上地殼的一維速度結(jié)構(gòu)和三維速度結(jié)構(gòu);王偉君等［9］、李志偉等［10］也采用VELEST 方法在云南大姚和環(huán)渤海地區(qū)進(jìn)行速度結(jié)構(gòu)研究，均取得了較好的效果。因此，本研究采用 Kissling 等［11］編寫的 VELEST 程序來進(jìn)行巴東Ms5.1 地震序列的重新定位研究。

VELEST 是用 FORTRAN 編寫的程序，用來推導(dǎo)地震定位用的一維速度模型，求解結(jié)果中包含震源位置、速度模型以及臺(tái)站修正值，得到的計(jì)算結(jié)果可以通過比較理論走時(shí)和實(shí)際走時(shí)進(jìn)行評(píng)估。

2.2 數(shù)據(jù)收集與地殼速度結(jié)構(gòu)模型選取

自2013年12月16日巴東Ms5.1 地震發(fā)生，截至2014年1月12日，共記錄到余震305次，最大余震震級(jí)為M3.0。我們選取了包括湖北省數(shù)字臺(tái)網(wǎng)和三峽遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)在內(nèi)的45個(gè)地震臺(tái)站的數(shù)字波形記錄，并拾取了地震事件到時(shí)數(shù)據(jù)，共拾取了305個(gè)地震事件的2685個(gè)P 波震相和2568個(gè)S 波震相，平均每個(gè)地震記錄數(shù)為17 條，完成了地震震相和事件數(shù)據(jù)的組合。

在三峽地區(qū)，相關(guān)的速度模型有3 種:一是陳學(xué)波等［12］通過人工地震測(cè)深得到的三峽庫區(qū)地殼上地幔速度模型;二是廖武林等［13］給出的三峽庫區(qū)速度結(jié)構(gòu);三是趙旭等［14］得到的三峽庫區(qū)最小一維速度模型。為了獲取最優(yōu)初始模型，我們分別計(jì)算3 種不同速度模型在地震序列重新定位之后得到的走時(shí)殘差均方根值，分別是0.1599，0.1146，0.1862。這 3個(gè)結(jié)果進(jìn)行比較，雖然不同結(jié)果相差不大，但仍選取廖武林等給出的速度結(jié)構(gòu)作為初始速度模型(表1)。

2.3 精定位結(jié)果

重新定位結(jié)果顯示，巴東Ms5.1 地震序列主要沿NEE 向分布(圖2)。從重新定位的地震序列震中分布圖來看，地震更加集中。定位前地震序列的平均深度為4.82km，其中發(fā)生在0～6km深度范圍內(nèi)的地震占總數(shù)的84.3%;重新定位以后，地震序列的平均深度為4.88km，有89.9%的地震分布在0～6km 范圍之內(nèi)，地震在深度上也趨于集中，這說明重新定位后的地震不僅在經(jīng)度、緯度上，而且在深度上的精度都有了較大提高(圖3)。

3 利用小震資料反演斷層面

假定余震序列中的大多數(shù)小震發(fā)生在發(fā)震構(gòu)造面附近，則可以通過小震震源位置參數(shù)求解發(fā)震構(gòu)造面的參數(shù)。王鳴等［15］采用這種原則，運(yùn)用小孔徑觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)得到的小震數(shù)據(jù)求得了1989年大同—陽高地震的斷層面參數(shù)。萬永革等［16］建立了利用小震空間叢集性求解發(fā)震斷層參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，給出了求解模型的模擬退火和高斯牛頓算法相結(jié)合的有效算法。并在得到地震斷層面參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用局部應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)還可以估計(jì)斷層面上的滑動(dòng)角及其誤差。楊超群等和趙曉燕等［17－18］分別利用萬永革等［16］給出的方法求解2003年伽師6.8 級(jí)地震斷層面參數(shù)，結(jié)果表明利用小震資料在確定斷層幾何形態(tài)上具有重要意義。

表1 三峽庫區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)［13］Tab.1 Crustal velocity structure in the study area

圖2 精確定位后的地震震中分布圖Fig.2 Distribution of seismic epicenter after precise relocation

參與反演的數(shù)據(jù)是在巴東Ms5.1 地震發(fā)生之后，2013年12月16日至 2014年1月12日經(jīng)過重新定位的305個(gè)余震數(shù)據(jù)。采用前述萬永革等給出的數(shù)學(xué)模型，求得斷層的走向、傾角、距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離以及斷層的4個(gè)定點(diǎn)位置。利用三峽遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，王墩等［19］對(duì)三峽水庫蓄水前后的震源機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為蓄水前該區(qū)域震源機(jī)制與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)一致，主壓應(yīng)力軸方向?yàn)镹W75°，主張應(yīng)力軸方向?yàn)镹E15°。據(jù)此我們可以估計(jì)斷層面的滑動(dòng)角及其誤差(表2)。

圖3 巴東Ms5.1地震序列震源深度分布Fig.3 Depth distribution of epicenter of the Badong Ms5.1 earthquake sequence

圖4給出了NEE 向重新定位的余震分布在水平面、斷層面、垂直于斷層面的橫斷面上的投影以及震源與斷層面距離的分布。小震距反演斷層面距離的分布表明大部分小震分布在所求斷層面的附近，并且基本以斷層為中心向兩邊呈對(duì)稱分布。

4 成因機(jī)制討論

巴東Ms5.1 地震發(fā)生后，從不同臺(tái)站記錄到的P 波初動(dòng)極性來看，能夠找到NEE 向和NNW向的兩個(gè)節(jié)面將其分為四個(gè)部分。據(jù)此，我們可以使用P 波初動(dòng)等方法來求解巴東Ms5.1 地震的震源機(jī)制(表3)，震源機(jī)制解給出了2個(gè)斷層節(jié)面均為正斷性質(zhì)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，研究區(qū)內(nèi)并不存在NNW 向的斷裂構(gòu)造，節(jié)面I 則為可能的發(fā)震斷層面(圖5)。

表2 利用巴東Ms5.1地震序列精定位資料求得的地震斷層面產(chǎn)狀和位置Tab.2 The strike，dip and position of fault plane determined by small earthquakes with precise location of the Badong Ms 5.1 earthquake sequence

圖4 重新定位的余震分布在水平面(a)、斷層面(b)和垂直于斷層面的橫斷面(c)上的投影;小震距斷層面距離的分布(d)Fig.4 Projection of the distribution of small earthquakes with precise location near the fault on the horizontal plane(a)，the cross-section along the fault plane(b)，the cross-section perpendicular to the fault plane(c)，and the distribution of distance between small earthquakes and fault plane(d)

表3 巴東Ms5.1地震震源機(jī)制解Tab.3 Focal mechanism of the Badong Ms5.1 earthquake

利用重新定位后的地震序列資料，最終反演得到的巴東Ms5.1 地震斷層面的走向?yàn)?65.5°，傾角為85°，滑動(dòng)角為－120.7°，表明為近東西向的正斷性質(zhì)，這與湖北省地震局給出的震源機(jī)制結(jié)果基本一致。

另外根據(jù)地震序列重新定位結(jié)果和余震序列展布情況，余震序列方向亦為NEE 向，這與地震烈度等震線長(zhǎng)軸走向一致。區(qū)域內(nèi)存在兩條近EW 向的斷裂—大坪斷裂和馬鹿池?cái)嗔?，由于地震序列集中在大坪斷裂南?cè)，而根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，大坪斷裂的傾向?yàn)镹NW，因此排除了該斷裂為發(fā)震構(gòu)造的可能性。如果馬鹿池?cái)嗔褳榇舜蔚卣鸬陌l(fā)震構(gòu)造，根據(jù)其地表產(chǎn)狀(走向近EW，傾向 N，傾角75°～85°)，余震序列應(yīng)該分布在長(zhǎng)江右岸，這與事實(shí)不符，因此排除馬鹿池段斷裂為發(fā)震構(gòu)造的可能。

為了解地震序列震源的空間分布特征，我們選取了垂直于NEE 向節(jié)面的AB 剖面，并將地震序列的震源相對(duì)選取的剖面進(jìn)行投影，進(jìn)行震源深度的分析(圖6)。從A到B(S到N)，震源深度并沒有明顯變化，地震主要分布在4～6km 深度范圍內(nèi)，這與反演得到的斷層面傾角基本一致，說明斷層傾角較陡。

圖5 巴東Ms5.1地震的震源機(jī)制Fig.5 Focal mechanism of the Badong Ms5.1 earthquake

為了了解地震震源與地質(zhì)構(gòu)造之間的空間相對(duì)關(guān)系，按照重新定位后的地震震中位置，我們圖切過震中的地質(zhì)剖面進(jìn)行分析(圖7)，地層信息根據(jù)野外實(shí)測(cè)以及巴東幅1∶20萬地質(zhì)調(diào)查報(bào)告得到。結(jié)合區(qū)域地層產(chǎn)狀信息，從切取的地質(zhì)剖面圖上可以看到，巴東Ms5.1 地震處于寒武系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r中。

圖6 沿AB剖面的震源深度圖Fig.6 Profiles of focal depth along AB cross-sections

圖7 巴東Ms5.1地震震源位置示意圖Fig.7 Hypocentral location of the Badong Ms5.1 earthquake

震中位于地層較為破碎的巖溶發(fā)育區(qū)。東瀼河兩岸多見NEE-EW 向巖溶地貌，這與該區(qū)近EW 走向的背斜構(gòu)造跡線一致。三峽周期性蓄水的長(zhǎng)期荷載和滲透作用，使得庫水沿?cái)嗔褞Ш突規(guī)r中的節(jié)理裂隙向深部運(yùn)移，由庫水荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力和孔隙壓力增大，使得先存應(yīng)力集中部位的有效應(yīng)力減小，當(dāng)達(dá)到臨界應(yīng)力時(shí)發(fā)震。另外，根據(jù)地質(zhì)剖面分析，上覆志留系頁巖隔水層與奧陶系－寒武系灰?guī)r透水層形成儲(chǔ)水帶，使得大量地下水富集于碳酸鹽地層與碎屑巖地層的接觸帶。庫水的潤(rùn)滑、軟化等化學(xué)作用，降低了地層接觸面的抗剪強(qiáng)度，也為地震的發(fā)生起到了促進(jìn)作用。

根據(jù)湖北省地震局給出的湖北巴東Ms5.1地震分析報(bào)告，從測(cè)震學(xué)參數(shù)看，巴東Ms5.1 地震的優(yōu)勢(shì)頻率和拐角頻率均偏低，具有塌陷地震的特征［20－21］。陳蜀俊等［22］使用三維有限元方法，模擬了在175m 水位下三峽庫首區(qū)上地殼的等效應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明:蓄水位達(dá)到175m之后，高橋斷裂帶的等效應(yīng)力降低;巴東Ms5.1地震發(fā)生在巴東和?？趦蓚€(gè)等效應(yīng)力高值區(qū)的梯度帶上，說明地震與蓄水有關(guān)。

震中區(qū)位于地層較破碎的巖溶發(fā)育區(qū)，震源所在的白云質(zhì)灰?guī)r區(qū)利于庫水運(yùn)移和巖溶發(fā)育，在NE-SW 向區(qū)域拉張構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，庫水沿?cái)嗔哑扑閹А⒐?jié)理裂隙滲流，庫水滲流產(chǎn)生的孔隙水壓力能夠有效降低斷層面的抗剪強(qiáng)度;受近EW 向斷裂的控制，在先存的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，斷裂上盤巖體沿?cái)嗔衙嫦蛳禄?，形成局部?yīng)力集中而發(fā)震。

余震序列的震源深度集中在4～6km 的范圍內(nèi)，該深度區(qū)間對(duì)應(yīng)的地層巖性為奧陶系－寒武系的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，垂直巖溶和水平巖溶發(fā)育。主震發(fā)生之后，局部應(yīng)力降低，沿?cái)鄬用姘l(fā)震。從平面上看，形成了NEE 向的余震序列。

綜合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、震源機(jī)制解、地震序列空間分布等分析，我們認(rèn)為巴東Ms5.1 地震是在近EW 向張性斷裂控制下發(fā)生的一個(gè)構(gòu)造型水庫地震。我們反演得到的NEE 向斷裂的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，還需要今后繼續(xù)深入研究。

致謝:本研究所用根據(jù)小震位置確定斷層走向、傾角和位置的程序，由防災(zāi)科技學(xué)院萬永革老師提供，在此表示衷心的感謝!

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