吳海波 申學(xué)林 杜承宸 陳俊華 王 杰

1 中國(guó)地震局地震研究所（地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

2 湖北省地震局，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

2014－03－27、30湖北省秭歸縣分別發(fā)生M4.5和M4.7地震。依據(jù)三峽水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2013－12－01～2014－03－26 震 中 區(qū)20km 內(nèi)共記錄到小震87次。初步分析顯示，這些地震分布較分散，主要集中在震前1個(gè)半月內(nèi)。本文對(duì)這兩次地震前震中區(qū)附近的87次地震重新精定位，對(duì)ML1.0以上地震的震源機(jī)制解進(jìn)行一致性分析，并對(duì)近臺(tái)波形特征進(jìn)行分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況，研究這些小震與兩次主震之間的關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)中段北緣，構(gòu)造上同時(shí)受渝東－八面山弧形構(gòu)造帶與大巴山－大洪山弧形構(gòu)造帶的控制與影響。這兩次地震及余震序列分布在秭歸向斜與黃陵背斜交匯處南端，處于仙女山微地塊內(nèi)，仙女山斷裂和九畹溪斷裂分別為其東西兩側(cè)分界線。仙女山斷裂總體走向NNW，傾向SW，傾角60°～80°，燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期該斷裂切割古生界和白堊系地層，沿?cái)嗔研纬蓴嘞莶鄣?，堆積千余m 厚的白堊系紅層，喜馬拉雅期古生代地層逆沖于紅層之上，靠近斷裂紅層變形強(qiáng)烈，并被切斷繼續(xù)下陷形成地塹型構(gòu)造，新生代末以來差異活動(dòng)逐漸減弱。地貌上表現(xiàn)為埡口、槽谷和陡崖，早期構(gòu)造活動(dòng)以左旋拉張為主，現(xiàn)今以順扭為主兼壓性狀態(tài)［1－2］。該斷裂北端在風(fēng)吹埡和荒口一帶消失在嘉陵江組灰?guī)r中，至于是否北延過長(zhǎng)江目前一直存在爭(zhēng)論［3－5］。九畹溪斷裂南起和尚崖東坡周家灣，向北于新灘下游路口子處橫過長(zhǎng)江至巴東一帶消失，構(gòu)成仙女山地塹東側(cè)邊界，總體走向近SN，傾向NWW 或E，傾角65°～80°，切割寒武系至志留系，經(jīng)歷多期活動(dòng)，早期走滑為主，晚期兼張性。地貌上該斷裂沿線多呈負(fù)向溝谷或狹窄的河谷，兩側(cè)具有50～200 m 的反差幅度，測(cè)年結(jié)果為早中更新世。

震區(qū)東部的黃陵背斜發(fā)育太古代花崗巖（γ）和閃長(zhǎng)巖（δ）侵入體，西部秭歸向斜區(qū)廣泛分布侏羅系（J）碎屑巖，兩區(qū)交匯地帶分布一系列近南北走向地層，從寒武系至三疊系均有發(fā)育，傾向近西，傾角20°～30°，自西向東依次為侏羅系（J）砂巖、泥巖兼炭質(zhì)頁(yè)巖，三疊系（T）不同厚度和性質(zhì)的灰?guī)r區(qū)，二疊系（P）深色灰?guī)r和黃色砂巖，志留系（S）砂巖、砂頁(yè)巖和頁(yè)巖，奧陶系（O）頁(yè)巖與灰?guī)r，寒武系（∈）白云巖與白云質(zhì)灰?guī)r等，白堊系下統(tǒng)（K1）僅分布在仙女山斷裂中北段，以紫紅色砂礫巖為主。震中區(qū)位于三疊系中上統(tǒng)（T2－3）、二疊系上下統(tǒng)（P2、P1）和志留系上中統(tǒng)（S3、S2）灰?guī)r、砂巖和頁(yè)巖發(fā)育區(qū)（圖1）。

圖1 秭歸震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Seismotectonic map of Zigui area

2 前震震中分布與波形特征

2.1 前震震中分布

2013－12－01～2014－04－27，三峽水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱三峽臺(tái)網(wǎng)）共記錄到秭歸4.5、4.7級(jí)地震震中附近小震活動(dòng)600余次，其中主震之前微小地震87次，震后余震500余次。本次地震序列活動(dòng)發(fā)生在三峽臺(tái)網(wǎng)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)，震源區(qū)附近分布了許多測(cè)震臺(tái)站，地震監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML0.5。采用雙差定位法對(duì)ML0.5以上地震進(jìn)行重新精定位，計(jì)算中使用了三峽臺(tái)網(wǎng)15個(gè)子臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)，較均勻地分布在震中四周，震中距范圍5～80km，地殼速度結(jié)構(gòu)主要采用陳學(xué)波、李強(qiáng)等反演的三峽地區(qū)地殼速度模型［6－7］，并結(jié)合近年其他一些研究成果，采用7 層結(jié)構(gòu)模型（表1，圖2），最后得到586次高精度定位結(jié)果，其中包含03－27秭歸4.5級(jí)主震前震72次（圖3），整體上水平誤差45～150m，垂直誤差70～200m。

表1 三峽地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)模型Tab.1 Crustal velocity structure model of Three Gorges area

地震序列M－T圖顯示，2013－12－01～2014－03－27秭歸4.5 級(jí)主震之前，震中區(qū)附近小震活動(dòng)明顯增強(qiáng)，特別是02－20～03－26之間小震頻次明顯增多（圖4）。雙差精定位結(jié)果顯示，前震活動(dòng)主要位于主震和余震序列的西部或西北部，明顯集中在仙女山斷裂西部一個(gè)次級(jí)小斷裂附近（區(qū)域一）和該斷裂北端（區(qū)域二），震源深度主要集中在3.0～9.0km。區(qū)域一的前震主要發(fā)生在02－20之前，深度較淺，總體上在3.0～5.0km 左右；區(qū)域二的前震主要發(fā)生在02－20之后，深度集中在8.0km 左右，與其后主余震序列的深度總體一致。顯然，區(qū)域一和區(qū)域二的前震在發(fā)生時(shí)間和深度上存在明顯差異，區(qū)域二的前震更接近其后的主震地震序列。

圖2 三峽地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)模型及震中附近臺(tái)站分布圖Fig.2 Crustal velocity structure model and stations distribution of Three Gorges area

圖3 秭歸地震序列精定位分布圖Fig.3 Epicenter distribution of Zigui earthquake sequence relocationed

圖4 秭歸地震序列M－T圖和深度圖Fig.4 M－T and depth map of Zigui earthquake sequence

2.2 前震波形及頻譜特征分析

分別對(duì)區(qū)域一和區(qū)域二近臺(tái)記錄地震波形進(jìn)行對(duì)比分析，其中區(qū)域一ML1.0以上小震7次，區(qū)域二21次。圖5分別給出了兩個(gè)區(qū)域兩次比較典型小震事件的LJS臺(tái)記錄，分別為2014－01－10 ML1.7地震（事件一）和2014－03－22 ML1.7地震（事件二），它們到LJS臺(tái)的震中距相同，約18 km，震級(jí)也相同。圖5顯示，區(qū)域二的記錄波形（圖5左）總體上表現(xiàn)為高頻成分豐富、頻域?qū)?，多個(gè)近臺(tái)記錄垂直向初動(dòng)極性正負(fù)均有分布，震源機(jī)制具有明顯四象限分布。同一臺(tái)站記錄的不同地震波形具有很強(qiáng)的相似性，這些特征表明區(qū)域二的小震具有較明顯的構(gòu)造地震特性；區(qū)域一的小震近臺(tái)記錄波形（圖5 右）表現(xiàn)為富含低頻成分，頻率單一，缺乏高頻成分，垂直向初動(dòng)多向下分布，同一臺(tái)站記錄的不同地震波形較雜亂，均為淺表塌陷地震事件特征。

對(duì)上述兩次地震事件LJS 臺(tái)記錄的波形進(jìn)行Fourier譜和位移譜分析（圖6），僅使用S波窗7.68s數(shù)據(jù)，在位移譜計(jì)算中去除地動(dòng)噪聲和儀器響應(yīng)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行平滑濾波，分別得到兩次事件水平向和垂直向Fourier譜和位移譜。事件一水平和垂直向優(yōu)勢(shì)頻率范圍狹小，約在0.5～5.0 Hz之間；事件二的優(yōu)勢(shì)頻率頻域?qū)挘?.0～15.0 Hz之間的高頻成分豐富。在位移譜中事件二的拐角頻率大于事件一，根據(jù)文獻(xiàn)［8－9］，事件一具有典型的淺表塌陷地震事件特征，事件二為明顯的構(gòu)造地震特征。

圖5 區(qū)域一與區(qū)域二地震波形比較（左圖為2014－01－10 ML1.7級(jí)地震LJS臺(tái)記錄（區(qū)域一），右圖為2014－03－22 ML1.7級(jí)地震LJS臺(tái)記錄（區(qū)域二））Fig.5 Comparison of seismic waveform between region one and region two

圖6 Fourier譜與位移譜比較（左圖為Fourier譜，右圖為位移譜）Fig.6 Comparison between Fourier spectrum and displacement spectrum

兩個(gè)區(qū)域均處于三疊系中統(tǒng)和下統(tǒng)（J2－3）灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖夾煤層地帶，又同處水庫(kù)沿岸區(qū)，經(jīng)水庫(kù)載荷和多年庫(kù)水滲透，很容易發(fā)生溶巖塌陷或礦洞陷落等微小地震事件。另外，三峽水庫(kù)蓄水前，仙女山斷裂北端很少有微小震活動(dòng)。因此，盡管區(qū)域二更靠近三峽水庫(kù)，但波形特征顯示區(qū)域二的地震事件多與構(gòu)造活動(dòng)相關(guān)，可能與該區(qū)域構(gòu)造受庫(kù)水活化作用有關(guān)，而區(qū)域一的事件明顯與巖溶或礦洞陷落等非構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。

3 震源機(jī)制解及應(yīng)力場(chǎng)特征

3.1 速度模型及求解方法

求解震源機(jī)制使用的區(qū)域速度模型與雙差定位法一致，即7層模型。對(duì)不同震級(jí)地震的震源機(jī)制采用不同求解方法。對(duì)于研究區(qū)內(nèi)3次中等地震，采用了Kiwi法［10］，該方法基于“程函源（eikonal source）”震源模型，分別在頻率域計(jì)算理論振幅譜和在時(shí)間域反演理論P(yáng) 或S體波，并與實(shí)際觀測(cè)波形比較反演矩張量解。它的優(yōu)點(diǎn)是可以使用震中距大于20km 的近臺(tái)波形數(shù)據(jù)，對(duì)ML4甚至更低震級(jí)的地震有效，反演結(jié)果可以得到最佳擬合深度。對(duì)于小震震源機(jī)制采用FOCMEC程序［11］，該程序基于雙力偶位錯(cuò)源模型，通過利用區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)P、SV 和SH 波的初動(dòng)極性，并聯(lián)合直達(dá)波理論地震圖最大振幅比求解小震震源參數(shù)。有學(xué)者認(rèn)為，小震具有隨機(jī)性不便于單一具體分析［12］，因此，本文對(duì)求解的多個(gè)小震震源機(jī)制進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便更準(zhǔn)確地反映區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)總體特征。

3.2 3次4級(jí)地震震源機(jī)制分析

選取湖北和重慶區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)震中距20～180km 范圍內(nèi)13個(gè)寬頻帶臺(tái)站數(shù)據(jù)，采用Kiwi法求解3次秭歸ML4.0以上地震的震源機(jī)制（表2）。圖7給出了3次地震深度擬合誤差分布圖，結(jié)果顯示，這3 次地震的最佳深度分別為7.8 km、9.0km 和7.3km，深度差異不明顯。震源機(jī)制反演結(jié)果均比較穩(wěn)定，其中事件1和2比較相似，稍有別于事件3，隨著深度的增加，3次地震事件的震源機(jī)制均呈現(xiàn)較好的一致性變化。本次地震序列3 次4 級(jí)地震均表現(xiàn)為走滑兼逆沖錯(cuò)動(dòng)，節(jié)面1均為NE走向，與余震序列分布走向基本一致（圖3），但事件1和2傾向?yàn)镹W 向，與事件3正好相反，節(jié)面2的NW 走向與附近仙女山斷裂NNW 走向較接近，3 次事件水平最大主壓應(yīng)力均為低傾角近EW 向擠壓，傾角近乎水平。已有的研究表明，三峽庫(kù)區(qū)區(qū)域最大主壓應(yīng)力方向近EW 向［13－15］，顯然，3次地震震源機(jī)制解與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向一致，受控于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

表2 小震震源機(jī)制解Tab.2 Focal mechanisms of small earthquakes

圖7 3次秭歸ML4.0以上地震震源機(jī)制解及深度－誤差分布圖Fig.7 Focal mechanisms and depth－error distribution of the three Zigui earthquakes

3.3 區(qū)域二小震震源機(jī)制及應(yīng)力場(chǎng)分析

利用2013－12～2014－06 三峽臺(tái)網(wǎng)記錄的地震波形資料，采用FOCMEC 振幅比法計(jì)算區(qū)域一和區(qū)域二的小震震源機(jī)制。由于三峽臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力下限可達(dá)ML0.5，選取的震級(jí)下限為ML1.2，要求每個(gè)地震至少有12個(gè)臺(tái)站清晰可靠的記錄波形，并較好地包圍地震。最終得到16次小震震源機(jī)制（圖8）。由于區(qū)域一小震記錄波形初動(dòng)極性單一，多數(shù)為塌陷事件，只得到了1次小震結(jié)果（事件10）為正斷錯(cuò)動(dòng)，因此，分析主要針對(duì)區(qū)域二的15次事件，包括2014－02－20～03－23的11次事件和05－20～21的4次事件。

圖8 區(qū)域二前震震源機(jī)制解分布圖Fig.8 Focal mechanism distribution of foreshocks in region two

采用統(tǒng)計(jì)方式對(duì)小震震源機(jī)制進(jìn)行分析，按10°間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并計(jì)算每個(gè)區(qū)間頻次數(shù)。計(jì)算給出了區(qū)域二的小震震源機(jī)制解節(jié)面和力軸參數(shù)玫瑰圖（圖9），節(jié)面1、2沒有假定或確認(rèn)斷層面或輔助面，因此在統(tǒng)計(jì)中統(tǒng)一分析處理。

圖9 區(qū)域二小震震源機(jī)制解節(jié)面和力軸參數(shù)玫瑰圖Fig.9 Rose diagrams of nodal plane and stress axis parameters of small earthquakes focal mechanisms in region two

區(qū)域二小震震源機(jī)制解參數(shù)統(tǒng)計(jì)顯示（圖9），小震節(jié)面走向主要集中在NWW 和SE 兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向，其次為SSW 向，節(jié)面傾角近直立，分布在60°～90°，其中80°～90°占絕大多數(shù)。依據(jù)滑動(dòng)角分析小震動(dòng)力學(xué)作用方式，絕大多數(shù)表現(xiàn)為左旋走滑兼小分量正斷或逆斷滑動(dòng)。P軸主壓應(yīng)力方向一致性較好，幾乎近EW 向，SWW 和NEE是其兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向。P軸傾角近水平，集中在0～15°以內(nèi)。T軸優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻麼S向，傾角近水平，絕大多數(shù)小于10°。

區(qū)域二震源機(jī)制參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與3次主震參數(shù)對(duì)比顯示，兩者節(jié)面走向一致，均為NWW 和NE向。力軸方向和傾角也基本一致，P軸為近EW 向，T軸為近NS向，傾角近水平。但兩者破裂方式有一定差異，3次主震均為高傾角走滑兼逆斷滑動(dòng)，而區(qū)域二小震總體上為高傾角走滑兼正斷滑動(dòng)，這種差異可能與區(qū)域地質(zhì)巖性和庫(kù)水載荷作用有關(guān)。與前人對(duì)三峽地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究結(jié)果比較［1，13－14］，區(qū)域二小震與3次主震的結(jié)果均顯示，震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)作用方式與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)總體狀態(tài)基本一致，反映了前震和主震均明顯受控于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。盡管局部小震活動(dòng)對(duì)整體形變貢獻(xiàn)很小，但其在時(shí)間和空間上對(duì)應(yīng)力變化較敏感，03－27 的M4.5地震 和05－26 的ML4.0地震前發(fā)生在區(qū)域二的小震活動(dòng)正是區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變形前局部調(diào)整的反映。

三峽水庫(kù)庫(kù)水對(duì)區(qū)域二小震活動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在庫(kù)水載荷變化對(duì)庫(kù)區(qū)已有斷裂構(gòu)造活動(dòng)或地下介質(zhì)孔隙壓變化的影響，或者庫(kù)水滲透對(duì)水庫(kù)沿岸地下介質(zhì)特性變化而誘發(fā)的小震活動(dòng)。文獻(xiàn)［15］比較了三峽重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)蓄水前后（2003～2006）的小震震源機(jī)制解后認(rèn)為，蓄水前的震源機(jī)制解多表現(xiàn)為逆斷－走滑性質(zhì)，蓄水后大多表現(xiàn)為走滑－正斷性質(zhì)，反映庫(kù)水載荷對(duì)沿岸應(yīng)力場(chǎng)施加的張性影響。本文中區(qū)域二小震震源機(jī)制解統(tǒng)計(jì)的最大主張應(yīng)力軸方向?yàn)榻麼S向，并且在N 向表現(xiàn)更明顯，而N 向正好為三峽水庫(kù)，區(qū)域二小震距水庫(kù)不過1km 左右，這些小震震源機(jī)制解中正斷成分顯然與水庫(kù)載荷的影響密切相關(guān)，反映了庫(kù)水對(duì)區(qū)域二小震活動(dòng)的影響。

4 結(jié) 語

對(duì)2014－03－27秭歸4.5級(jí)地震前4個(gè)月內(nèi)震中區(qū)周邊地震活動(dòng)重新進(jìn)行雙差精定位，結(jié)合近場(chǎng)記錄波形譜分析，指出兩個(gè)區(qū)域小震性質(zhì)的差異性?；诙鄠€(gè)小震震源機(jī)制解，探討了區(qū)域二小震與該地區(qū)3次4級(jí)主震受力特征，得出以下結(jié)論。

1）雙差精定位顯示，03－27秭歸M4.5地震前4個(gè)月內(nèi)震區(qū)附近的小震活動(dòng)主要集中在仙女山斷裂北段西邊次小斷裂附近和北端兩個(gè)區(qū)域。近場(chǎng)記錄波形形態(tài)和S波頻譜特征均表明，區(qū)域一的小震活動(dòng)多數(shù)為淺表塌陷型事件，區(qū)域二的小震具有明顯的構(gòu)造地震特征。從地質(zhì)構(gòu)造分析，兩個(gè)區(qū)域均在三疊系中、下統(tǒng)（T2－3）灰?guī)r、頁(yè)巖夾煤層地帶，又處于水庫(kù)沿岸區(qū)，很容易引起淺表塌陷事件。不過，區(qū)域二處在仙女山斷裂北端，對(duì)于仙女山斷裂北端是否過長(zhǎng)江問題目前仍存在很大爭(zhēng)議。這種脆弱部位對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化很敏感，加之受多年庫(kù)水滲透侵蝕作用和庫(kù)水載荷的影響，仙女山斷裂北端重新活化引起局部構(gòu)造活動(dòng)而產(chǎn)生這些微小地震活動(dòng)。

2）3次4級(jí)地震震源機(jī)制反演結(jié)果均為走滑兼逆斷滑動(dòng)，斷面傾角較大，與震前多次小震震源機(jī)制統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較顯示，兩者的斷面走向均為NWW 和NE向，P軸和T軸的方位也基本一致，分別為近EW 向和近NS向，反映前震與3 次4級(jí)地震都受控于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力活動(dòng)，它們的受力和活動(dòng)方式具有一致性。但大多數(shù)前震滑動(dòng)為走滑兼少量正斷成分，與主震有一定差異，這可能與前震震級(jí)小、很容易受到局部構(gòu)造和庫(kù)水載荷的影響有關(guān)。主震前受到EW 向主壓應(yīng)力的推擠，沿NE向產(chǎn)生左旋走滑錯(cuò)動(dòng)，在仙女山斷裂北端脆弱部位，同時(shí)受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、NNW向仙女山斷裂和北邊三峽水庫(kù)載荷的影響，從而產(chǎn)生一些走滑兼少量正斷張性成分的微小地震活動(dòng)。

致謝：感謝姚運(yùn)生研究員和杜方研究員提出的寶貴意見。

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