三峽水庫(kù)蓄水后小微震事件的震源機(jī)制及成因分析

宋　琛　王　墩

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　武漢地震工程研究院，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

三峽水庫(kù)蓄水后小微震事件的震源機(jī)制及成因分析

宋琛1，2王墩1

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武漢地震工程研究院，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

摘要：利用三峽工程地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)記錄的2003～2014年地震振幅比和P波初動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)三峽水庫(kù)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)蓄水后地震的震源機(jī)制進(jìn)行解析。結(jié)果表明，這些地震震源的基本特征是大仰角的主壓應(yīng)力軸和近于正斷的震源錯(cuò)動(dòng)。在庫(kù)水的循環(huán)加卸載及其水巖的理化作用下，淺表巖層軟弱結(jié)構(gòu)面(體)失穩(wěn)，是蓄水后小微地震活動(dòng)的主要誘因。 值得注意的是，2010年以后，逆沖走滑類型地震的比例顯著增多，顯示了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制作用。

關(guān)鍵詞：三峽水庫(kù)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)；震源機(jī)制；巖體自重；誘發(fā)地震；應(yīng)力場(chǎng)

三峽水庫(kù)蓄水后發(fā)生的大量小微地震表明，水庫(kù)誘發(fā)地震成因機(jī)制異常復(fù)雜[1-2]。三峽水庫(kù)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的巖溶、廢棄的煤礦采坑及軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)面(體)在庫(kù)水浸泡及加卸載作用下，引發(fā)一系列成因復(fù)雜的小微震群(如秭歸泄灘、巴東火峰、巴東馬鬃山等微震群活動(dòng))。有些震群活動(dòng)在空間上與斷層分布存在重疊，因此，對(duì)該區(qū)震群活動(dòng)成因機(jī)制的正確認(rèn)識(shí)是準(zhǔn)確判斷地震趨勢(shì)的基礎(chǔ)。

1研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

中國(guó)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的展布和三峽工程區(qū)的應(yīng)力測(cè)試都支持三峽地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的水平最大主壓應(yīng)力為近東西向。本區(qū)受西部印度板塊擠壓和青藏高原隆升、東部太平洋板塊擠壓共同作用，西部北西向擠壓應(yīng)力場(chǎng)和東部北東向擠壓應(yīng)力場(chǎng)在此區(qū)交匯，構(gòu)成該區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。在重慶以北，水平最大主壓應(yīng)力方向多為北西向；至重慶地區(qū)水平最大主壓應(yīng)力為北西西；潛江、江漢-洞庭盆地一帶，水平最大主壓應(yīng)力明顯轉(zhuǎn)為東西-北東東向

三峽庫(kù)區(qū)各主要斷裂帶第四紀(jì)以來(lái)曾有過(guò)活動(dòng)，其活動(dòng)時(shí)間多在早更新世和中更新世，以中更新世最盛，至晚更新世則大為減弱，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)全新世活動(dòng)斷層[3]。三峽庫(kù)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井網(wǎng)的鉆探發(fā)現(xiàn)，九畹溪斷層內(nèi)的水多為原生水，反映其長(zhǎng)期處在封閉環(huán)境，與外界沒(méi)有流體的交換，表明該斷裂近期活動(dòng)特征并不明顯。

從區(qū)域構(gòu)造格局上來(lái)看，三峽水庫(kù)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)內(nèi)存在一定的地震活動(dòng)背景，但活動(dòng)強(qiáng)度不高。即使是許多沿?cái)嗔逊植嫉男≌?，也被懷疑為煤礦地震，與斷層活動(dòng)性無(wú)關(guān)[4]。蓄水后的微小地震成因機(jī)制一直是重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。大地震可以通過(guò)震源破裂反演獲得較為清晰的震源過(guò)程圖像，對(duì)于小微地震，該方法則不太適用。通過(guò)野外地震地質(zhì)科考、震源參數(shù)確定、震源機(jī)制解析等手段，研究人員對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震的成因機(jī)制進(jìn)行研究，獲得了較好的結(jié)果[5-6]。比如薛軍蓉等[5]采用P波初動(dòng)資料，對(duì)蓄水初期的9個(gè)地震的震源機(jī)制進(jìn)行解析，顯示蓄水后的地震構(gòu)造主應(yīng)力以垂直為主,這也與王墩等[7]的結(jié)果一致。此兩項(xiàng)工作的研究對(duì)象均為蓄水前后3 a內(nèi)的地震。針對(duì)近年來(lái)三峽地區(qū)的地震震源機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)性解析工作，有助于加深認(rèn)識(shí)三峽地震機(jī)制及其可能的變化趨勢(shì)。

2數(shù)據(jù)及方法

本文主要通過(guò)解析三峽水庫(kù)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)有一定影響的地震的震源機(jī)制解，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造特征和地震地質(zhì)考察，對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震成因機(jī)制進(jìn)行探討。與文獻(xiàn)[7]不同，本文利用三峽臺(tái)網(wǎng)記錄的振幅比(SV/P,SH/P和SV/SH)和P波初動(dòng)數(shù)據(jù)，解算三峽水庫(kù)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)內(nèi)所有ML≥2.2級(jí)地震(2004～2014)的震源機(jī)制解。由于部分臺(tái)站信號(hào)信噪比不高、波形數(shù)據(jù)不全等因素，本文最終得到40個(gè)地震的震源機(jī)制解結(jié)果。

使用三峽地震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)記錄波形數(shù)據(jù)，讀取可用P波初動(dòng)和P波、SH波及SV波振幅比。通過(guò)實(shí)際觀測(cè)P波、SV波、SH波振幅比，采用網(wǎng)格搜索方法，比較理論計(jì)算與實(shí)際觀測(cè)得到的振幅比矛盾最小方式，求取震源機(jī)制的最佳解[8]。在量取P、SH波及SV波振幅前，先將三分向原始數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)成RTH坐標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，讀取P、SH及SV波初動(dòng)到達(dá)后1～2 s內(nèi)振幅的最大值，校正放大系數(shù)。這里，P波初動(dòng)和振幅、SV波振幅由垂直方向得到，SH波振幅由切向得到。

針對(duì)震級(jí)2.2級(jí)及以上地震，采用P波初動(dòng)和振幅比法聯(lián)合求解其震源機(jī)制解。針對(duì)2003～2006年發(fā)生在巴東庫(kù)段的微震(M1～2.1)，計(jì)算其小震綜合節(jié)面解。

3震源機(jī)制解析

3.1M≥2.2級(jí)地震的震源機(jī)制解

本研究獲得的40次M≥2.2 地震的震源機(jī)制解見(jiàn)表1，其空間分布見(jiàn)圖1。為便于比較分析，一些在該區(qū)內(nèi)發(fā)生的、可能與庫(kù)水作用關(guān)系不大的地震也包括在圖內(nèi)。從圖1可以看出，這些地震主要分布在巴東縣東穰口、官渡口及秭歸縣羅圈荒、新灘附近、郭家壩，其中，尤以巴東東穰口鎮(zhèn)溪丘灣及官渡口鎮(zhèn)火峰最為密集。這些地震多發(fā)生在庫(kù)岸區(qū)或巖溶廣泛發(fā)育的灰?guī)r地區(qū)，顯示了其與庫(kù)水作用的密切關(guān)系。

表1　三峽水庫(kù)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)內(nèi)40個(gè)地震(M≥2.2)震源機(jī)制解(2003-06～2014-03)

發(fā)生于巴東地區(qū)的地震震源機(jī)制大多數(shù)為正斷性質(zhì)，滑動(dòng)角大多超過(guò)-70°，顯示了正傾滑機(jī)制的主導(dǎo)地位(圖1、圖2)。在秭歸郭家壩地區(qū)，存在一定數(shù)量的逆斷和走滑機(jī)制的震源，暗示在蓄水后三峽庫(kù)區(qū)小震頻度劇增的背景下，該區(qū)構(gòu)造地震活動(dòng)與局部應(yīng)力場(chǎng)可能存在一定關(guān)系。

圖1　三峽水庫(kù)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)內(nèi)蓄水后40個(gè)地震的震源機(jī)制解Fig.1　Focal mechanisms of the 40 induced/triggered earthquakes

圖2　蓄水后40個(gè)地震的滑動(dòng)角方位分布Fig.2　Distribution of rake angles for the earthquakes that occurred after the first impoundment

震源機(jī)制的P軸和T軸的走向和傾角常被用來(lái)研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和震源應(yīng)力場(chǎng)。通常認(rèn)為，構(gòu)造地震的發(fā)震應(yīng)力場(chǎng)受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的控制，故大量約束較好的震源機(jī)制數(shù)據(jù)可以反演區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。中國(guó)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的基本特征為主壓應(yīng)力和主張應(yīng)力近于水平，東部地區(qū)呈現(xiàn)為近東西向?yàn)橹?，西部地區(qū)則以近南北向?yàn)橹鱗10]。三峽地區(qū)位于東、西部應(yīng)力轉(zhuǎn)換地帶，該區(qū)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，表層與深層的應(yīng)力場(chǎng)不一致，造成了其構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向北北東、北北東-北東、北北東和北西向以及“不定方向”等各種不同看法[11]。本文利用三峽地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)，求得蓄水前三峽水庫(kù)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)內(nèi)的主壓應(yīng)力和主張應(yīng)力方向分別為近東西向和近南北向，且仰角都近于水平[5]。蓄水后震源機(jī)制的P軸為陡傾角，P、T軸均無(wú)明顯方向性，明顯有別于蓄水前該區(qū)地震(圖3)，表明蓄水后的震源機(jī)制絕大多數(shù)不受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制。

圖3　蓄水前4個(gè)地震(2001-01～2003-05)和蓄水后19個(gè)地震(2004-07～2008-02)的P軸及T軸的等面積下半球投影Fig.3　P and T axes of the focal mechanisms of the earthquakes before and after the first impoundment

考慮到因地殼不均勻性和地下結(jié)構(gòu)面反射導(dǎo)致的振幅比數(shù)據(jù)變化和P波初動(dòng)反向等因素導(dǎo)致的震源機(jī)制解誤差，很難用震源機(jī)制數(shù)據(jù)單獨(dú)確定獨(dú)立地震的成因機(jī)制及其與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系。但是，基于大量較大微小地震的震源力學(xué)分析，有助于獲得地震活動(dòng)的趨勢(shì)信息，界定其成因機(jī)制。

3.2巴東庫(kù)段微震小震綜合節(jié)面解

采用小震綜合節(jié)面解方法，求取2003～2006年發(fā)生在巴東馬家村、馬鬃山、官渡口、東穰口以及巴東老城區(qū)等5處微震群的小震綜合節(jié)面解[7]。結(jié)果顯示，微震的震源應(yīng)力場(chǎng)有4處主要表現(xiàn)為P軸仰角較高、近于垂直，而T軸則仰角較小、 與長(zhǎng)江庫(kù)岸垂直，與庫(kù)水荷載引起的地殼淺表層形變場(chǎng)是一致的。在庫(kù)水的重力荷載作用下，庫(kù)岸再造過(guò)程中形成了一個(gè)從江心到兩岸逐漸衰減的張應(yīng)力形變場(chǎng)，這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為張應(yīng)力方向與庫(kù)岸垂直，仰角較小(近水平)。

4結(jié)語(yǔ)

蓄水后的震源機(jī)制表明，這些地震絕大多數(shù)不是由三峽地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制的構(gòu)造地震，特別是2010年及以前發(fā)生的地震。類似于P軸高仰角的震源機(jī)制，在1972年新豐江水庫(kù)地震中大量出現(xiàn)。在那次地震活動(dòng)中，80%地震的主壓應(yīng)力軸是垂直或接近垂直的，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不一致。由此看來(lái)，在三峽地區(qū)目前分布的微震活動(dòng)主要是受局部應(yīng)力場(chǎng)控制的，淺表層不良巖土體的自重，或是這些微震的主壓應(yīng)力的主要來(lái)源，震后科考也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。這些微小地震的特點(diǎn)是震級(jí)小、震中烈度大，部分震級(jí)低于3的微震會(huì)在震中區(qū)形成地表裂縫、房屋塌角等在Ⅶ度區(qū)才會(huì)出現(xiàn)的震害；部分極微震震中附近的居民可以很清晰地聽(tīng)到地震發(fā)出的強(qiáng)烈聲響，說(shuō)明這些地震的震源非常淺。因此認(rèn)為，淺表層巖土體在庫(kù)水荷載及周期性消長(zhǎng)作用下，沿不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，以適應(yīng)新的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，引發(fā)了微震活動(dòng)。淺地表不良地質(zhì)體可能也參與了微震的孕育及發(fā)生過(guò)程，比如在巴東火峰地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量巖溶管道系統(tǒng)(燕子磯等，圖4)。在當(dāng)?shù)貙?shí)地調(diào)查過(guò)程中村民反映，雷雨天氣較為嚴(yán)重的時(shí)候，經(jīng)常聽(tīng)到附近山下傳來(lái)類似垮塌的轟鳴聲，說(shuō)明巖溶管道系統(tǒng)在水文條件驟變的條件下也能產(chǎn)生微震動(dòng)事件，其中較大者可能被近臺(tái)地震儀記錄下來(lái)。

圖4　長(zhǎng)江三峽水庫(kù)巴東火峰巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育圖Fig.4　Karst conduit system at Huofeng,Badong, Hubei province

在馬鬃山地區(qū)，蓄水后也有大量微震動(dòng)事件發(fā)生。因此，探討巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其在水位變動(dòng)條件下的響應(yīng)，將是深入了解水庫(kù)蓄水后引發(fā)的微震動(dòng)成因機(jī)制的一個(gè)重要方向。同時(shí)，這也為其他巖溶發(fā)育區(qū)的巖溶地質(zhì)災(zāi)害等研究提供參考。

2010年之后的地震的震源機(jī)制解呈現(xiàn)更多的逆沖走滑成分。2010年之前的30個(gè)地震中有7個(gè)存在逆沖機(jī)制，而2010年之后的15個(gè)地震中有7個(gè)存在逆沖機(jī)制，逆沖機(jī)制出現(xiàn)的概率是之前的2倍。比如2013-12-16發(fā)生在巴東的M5.1地震和2014-03-30發(fā)生在秭歸的M4.7地震，其震源都為逆沖走滑機(jī)制(巴東M5.1地震也有人認(rèn)為是正斷走滑)，且應(yīng)力軸方向與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)基本一致，顯示了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)這些地震的控制作用。

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Foundation support:National Natural Science Foundation of China, No. 41572354,41474050.

About the first author:SONG Chen, engineer, majors in engineering seismology and engineering geophysics,E-mail: songchen2000@126.com.

Possible Mechanisms of the Earthquakes that Occurred in the Key Monitoring Area of the Three Gorges Reservoir after the First Impoundment

SONGChen1，2WANGDun1

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China 2Institute of Earthquake Engineering of Wuhan, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China

Abstract:Using P/S amplitude ratio and P-wave first motion data obtained by the digital telemetered seismic network of induced earthquake monitoring system in the Three Gorges area, we analyze the focal mechanisms of earthquakes occurring in the key monitoring area of the Three Gorges reservoir. The main features are near vertical P axes and pure normal faulting. Water loading and its fluctuation in the reservoir, together with the chemical effects of water, might cause the unstable planes to lose balance, resulting in small earthquakes. This is supported by the focal mechanisms of the induced earthquakes that show oblique P axes, which are different from the regional stress fields and focal mechanisms of the earthquakes that occurred before the first impoundment.

Key words:the key monitoring area of Three Gorges reservoir；focal mechanism；gravity of rock mass; induced earthquake；stress field

收稿日期：2015-08-04

第一作者簡(jiǎn)介：宋琛，工程師，主要從事工程地震和工程物探研究，E-mail:songchen2000@126.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.07.015

文章編號(hào)：1671-5942(2016)07-0625-05

中圖分類號(hào)：P315

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金(41572354,41474050)。