巴東Ms5.1地震成因研究*

陳俊華 陳正松 蔣玲霞 吳海波 喬岳強(qiáng) 賈治革

1)中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)湖北省地震局，武漢 430071

巴東Ms5.1地震成因研究*

陳俊華1，2)陳正松1，2)蔣玲霞1，2)吳海波1，2)喬岳強(qiáng)1，2)賈治革1，2)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)湖北省地震局，武漢 430071

2013年12月16日巴東縣發(fā)生Ms5.1級(jí)地震，震中區(qū)記錄到大量余震，余震的頻次、強(qiáng)度隨時(shí)間呈起伏衰減。地震在空間上近NEE向分布，集中于高橋斷裂南端及大坪斷裂附近，ML2級(jí)以上地震的震源深度分布在5～7 km之間。綜合震中區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景及時(shí)序分析、地震精定位、地震頻譜分析及震源機(jī)制解等研究結(jié)果判定巴東Ms5.1地震為層間滑脫型水庫地震。

地震序列;精定位;震源體;頻譜;震源機(jī)制

巴東Ms5.1地震是三峽水庫區(qū)湖北庫段連續(xù)第4年成功蓄水到175 m水位后記錄到的最大一次地震，蓄水至175 m之前該庫段記錄到的最大水庫地震僅為2005年 ML3.5［1］。地震發(fā)生后，震中附近記錄到大量余震，本文通過對(duì)Ms5.1地震序列進(jìn)行時(shí)序分析、地震精定位、震源參數(shù)分析，結(jié)合該地區(qū)的地震地質(zhì)背景，對(duì)地震成因進(jìn)行了初步分析。

1 巴東Ms5.1地震序列時(shí)序特征

巴東5.1級(jí)地震的余震震級(jí)在 ML0.2～ML3.6范圍內(nèi)，以 ML0.5～ML2.5次數(shù)最多，最大余震ML3.6發(fā)生在主震后第35 d。高水位運(yùn)行期間，地震序列的強(qiáng)度頻次較高，地震序列余震發(fā)育，地震日頻次和地震強(qiáng)度呈起伏狀衰減(圖1)。

根據(jù)震級(jí)-頻度關(guān)系［2－3］，本次地震序列擬合的a值為3.302 1，表現(xiàn)出地震序列的活動(dòng)水平以微震、極微震為主;b值為0.835 8，大于一般構(gòu)造地震，表現(xiàn)為水庫地震特征。

圖1 三峽壩前庫水位與地震參數(shù)圖Fig.1 Map of the Three Gorges reservoir water level and earthquake parameters

2 震源體及ML2.0以上地震遷移過程

根據(jù)三峽數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)茅山嶺、淹水塘、梅花山、百佛寺及鄭家坪等5個(gè)臺(tái)站的震相數(shù)據(jù)，采用單純形法對(duì)Ms5.1地震序列的ML2.0以上地震進(jìn)行精確定位，精度為Ⅰ類，地震震中在平面上的展布方向?yàn)镹EE向，長(zhǎng)度約13 km，寬度約3 km，主要位于大坪斷裂的上盤及高橋斷裂的下盤，主震距大坪斷裂不到2 km，距高橋斷裂約8 km，震中區(qū)出露地層主要為巴東組T2b和侏羅系J1。ML2.0以上地震的深度分布在5 km至7 km之間，平均震源深度約5.8 km(圖2)。

地震序列的能量主要于主震發(fā)生的當(dāng)天在近EW 向、長(zhǎng)度約9.9 km、寬度約1.4 km、深度在5～7 km的范圍內(nèi)釋放，隨后的1個(gè)月地震還是在這個(gè)范圍活動(dòng)，之后5 d略向東北方向遷移，最后又回到原震源體范圍內(nèi)釋放后續(xù)的區(qū)域應(yīng)力調(diào)整的能量。

圖2 地震深度分布圖Fig.2 Map of focal depth

3 主震類型分析

根據(jù)三峽庫區(qū)構(gòu)造型和塌陷型地震波形統(tǒng)計(jì)特征，庫區(qū)構(gòu)造型地震的P波垂直向初動(dòng)有向上也有向下，塌陷型地震在所有的方位上P波垂直向初動(dòng)基本向下;構(gòu)造型地震事件的P波和 S波拐角頻率絕大多數(shù)在5.0 Hz以上，塌陷型地震 P波、S波拐角頻率主要在3.0 ～5.0 Hz之間，巴東地區(qū)地震的拐角頻率更低［4－5］。

三峽遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)和湖北省數(shù)字臺(tái)網(wǎng)對(duì)主震Ms5.1有44個(gè)P波初動(dòng)的清晰記錄，其中初動(dòng)向上的有25次，初動(dòng)向下的有19次，近臺(tái)以初動(dòng)向下居多，遠(yuǎn)臺(tái)以初動(dòng)向上居多。

選用湖北省遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)的興山臺(tái)記錄的Ms5.1地震波形進(jìn)行頻譜分析，興山臺(tái)位于Ms5.1的NE方向，震中距49 km。其記錄波形的水平向和垂直向優(yōu)勢(shì)頻率分別為1.9和0.4 Hz，兩方向的頻率在0.1～10 Hz之間，高頻成分不發(fā)育，衰減較快，峰值頻率分別為0.4和0.6 Hz，拐角頻率分別為1.4和1.2 Hz(圖 3)。

波形和頻譜特征分析表明巴東Ms5.1主震的近臺(tái)記錄以P波初動(dòng)向下居多，優(yōu)勢(shì)頻率偏低，頻率較單一，高頻成分不發(fā)育，拐角頻率低于1.5 Hz，與塌陷型水庫地震接近。

4 主震震源機(jī)制解分析

依據(jù)三峽遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)及湖北省地震臺(tái)網(wǎng)近臺(tái)P波初動(dòng)求解震源機(jī)制解如圖4。巴東Ms5.1地震的斷層節(jié)面1走向117°，傾角28°，滑動(dòng)角 －136°;斷層節(jié)面2走向347°，傾角71°，滑動(dòng)角 －68°。在NNE向的主張應(yīng)力和NNW向的主壓應(yīng)力作用下，具有正斷傾滑性質(zhì)，2條節(jié)理面與震中區(qū)域最近的NE向高橋斷裂及近EW向大坪斷裂的斷層走向不一致，推斷其與塌陷誘發(fā)地震常有的拉張型正斷錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)相似。

圖3 興山臺(tái)記錄的Ms5.1地震頻譜Fig.3 The spectrum of Ms5.1 earthquake recorded by Xingshan station

圖4 巴東Ms5.1地震震源機(jī)制解結(jié)果Fig.4 Focal mechanism solution of Badong Ms5.1 earthquake

三峽水庫蓄水之前，根據(jù)文獻(xiàn)［6－7］的研究，巴東地區(qū)的現(xiàn)代地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主要受黃陵背斜的影響，在黃陵背斜以西地區(qū)，主壓應(yīng)力為NNWSSE方向，主張應(yīng)力為NE-SW方向;NNW和NNE走向的兩組斷裂分別顯示為右旋走滑和左旋走滑活動(dòng)。震源錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)為:NNW向的節(jié)面以右旋走滑為主;NE向的節(jié)面則以左旋走滑為主。巴東Ms5.1地震震源機(jī)制解的主張應(yīng)力走向及主壓應(yīng)力走向與蓄水之前巴東區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景有近似性。

5 成因討論

巴東Ms5.1地震等震線長(zhǎng)軸呈近EW-NWW向展布，長(zhǎng)軸約 3.9 km，短軸約 2.4 km，面積約 7.7 km2［8］。地震位于長(zhǎng)江左岸，距長(zhǎng)江干流約4.3 km，距三峽大壩約66 km。主震之后，截至2014-02-10，共記錄到ML0以上余震481次，其中，ML0～1.9地震436次，ML2～2.9地震41次，ML3～3.9地震4次，最大余震為2014-01-20巴東東瀼口 ML3.6地震，位于Ms5.1主震的NW向2.4 km處，另外3次ML3以上余震均發(fā)生在主震西部。

震中區(qū)的地震主要呈NEE向帶狀分布穿越神農(nóng)溪和東瀼河，絕大部分地震位于長(zhǎng)江左岸(圖5)。震中區(qū)及其周邊區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要分布以NE向的高橋斷裂及NEE向的周家山-牛口斷裂為主，其次為近EW向的大坪斷裂及馬鹿池?cái)嗔选?/p>

高橋斷裂全長(zhǎng)40 km，斷裂總體走向NE 45°～60°，傾向 SE，傾角 50°～65°;斷裂破碎帶一般寬 50～100 m，局部可達(dá)650 m，由主斷面和多條分支斷面組成，破碎帶內(nèi)部主要為次級(jí)褶皺帶、碎裂巖帶、斷層角礫巖帶及斷層泥;斷裂帶已深切至結(jié)晶基底，兩盤斷差1 500 m，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，各類構(gòu)造巖均較發(fā)育;斷裂活動(dòng)兼有左旋走滑和逆沖運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)［7］。

大坪斷裂長(zhǎng)約7 km，走向東西，傾向南，傾角60°～70°，地表切割三疊系巴東組地層，東段和西段相對(duì)落差約700 m。該斷裂具有清晰的線性影像，但斷層兩側(cè)(上下盤)山原期地貌面沒有明顯差異，因此判定斷裂線性影像屬構(gòu)造巖和破裂帶被侵蝕、溶蝕所致，屬前第四紀(jì)斷裂［8］。

以上斷裂構(gòu)造總地來說產(chǎn)狀較陡，破碎帶較寬并切割不同時(shí)代的地層和構(gòu)造單元。

巴東庫段及其周邊區(qū)域地表出露巖層主要為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組、中統(tǒng)巴東組，為弱透水和不透水地層，但地層破碎、裂隙發(fā)育，地層厚度一般有幾km，整個(gè)沉積蓋層厚 5 ～7 km［1，8－9］。Ms5.1 級(jí)主震位于三疊系中統(tǒng)(T2)巴東組與侏羅系下統(tǒng)(J1)地層交界處，主要巖性為紫紅色泥巖、砂巖、微晶灰?guī)r、頁巖夾煤線;余震主要分布在三疊系中統(tǒng)巴東組紫紅色砂巖、泥巖以及上統(tǒng)嘉陵江組的灰?guī)r區(qū)內(nèi)。依據(jù)奉節(jié)-秭歸復(fù)向斜兩翼古生界至新元古界地層調(diào)查資料，震中區(qū)地層自上而下為:中三疊統(tǒng)-石炭系(T2-C)，厚約3.25 km，碳酸鹽建造為主;泥盆系-志留系(D-S)，厚約1.5 km，泥砂質(zhì)建造為主;奧陶系-震旦系(O-Z)，厚約1.5 km，碳酸鹽建造為主;再其下則為川中式結(jié)晶基底。神農(nóng)溪和東瀼河兩岸近EW向和NE向褶曲構(gòu)成走向近EW向的背斜、向斜相間構(gòu)造。區(qū)域多見各種巖溶地貌，沿著背斜軸部發(fā)育有近EW向和NEE向的地下暗河。牛口以上往西至東瀼口一帶地層層面與長(zhǎng)江谷坡一致向南傾，利于庫水沿巖溶裂隙、斷層層面向縱深滲透并積蓄應(yīng)力［8，10－11］。

圖5 巴東Ms5.1地震序列震中分布圖Fig.5 Distribution map of Badong Ms5.1 earthquake sequence

震中區(qū)位于地層較為破碎的巖溶發(fā)育地區(qū)，地下暗河發(fā)育。大坪斷裂在研究區(qū)中的產(chǎn)狀較陡，破碎帶較寬并切割不同時(shí)代地層和構(gòu)造單元，地下水通過斷裂帶附近或巖溶區(qū)已有的巖石裂隙流動(dòng)或滲入，并直接與巖石發(fā)生作用。地下巖體內(nèi)的裂隙水對(duì)石膏層、軟弱巖層、巖溶帶進(jìn)行溶蝕(軟化)或腐蝕，使其強(qiáng)度降低，裂隙層面失穩(wěn)或滑脫，形成臨空面。在重力荷載作用下，斷裂上盤下端應(yīng)力集中，向下滑垮(塌)而地震。

6 結(jié)論

1)巴東Ms5.1級(jí)地震及其余震主要分布在巴東組灰?guī)r區(qū)內(nèi)。主震是在175 m高水位運(yùn)行期發(fā)生的，距離長(zhǎng)江干流4.3 km，與水庫蓄水相關(guān)。震中區(qū)斷裂構(gòu)造多為張性，為庫水向縱深滲透提供了條件。

2)巴東Ms5.1地震余震頻繁，頻度和強(qiáng)度呈起伏狀衰減;b值約為0.835 8，具有水庫誘發(fā)地震的特征;ML2.0以上地震的震源深度多數(shù)在5～7 km的結(jié)晶基底附近。

3)從波形和頻譜特征上，巴東Ms5.1主震的近臺(tái)記錄以P波初動(dòng)向下居多，優(yōu)勢(shì)頻率偏低，頻率較單一，高頻成分不發(fā)育，拐角頻率低于1.5 Hz，與塌陷型水庫地震接近。

4)巴東Ms5.1地震的震源機(jī)制解顯示本次地震主張應(yīng)力方向?yàn)?NNE方向，主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NW，近臺(tái)P波初動(dòng)震源機(jī)制解結(jié)果為正斷傾滑型，與塌陷誘發(fā)地震常有的拉張型正斷錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)相似。

5)通過地震學(xué)參數(shù)結(jié)合震中區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件綜合分析認(rèn)為，巴東Ms5.1級(jí)地震是層間滑脫型水庫地震。

1 陳俊華，等.湖北巴東東瀼口地區(qū)地震活動(dòng)特征研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2006(3):97－104.(Chen Junhua，et al.Seismic activity characteristics in Dongrangkou area，Badong country of Hubei Province［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006(3):97 － 104)

2 焦遠(yuǎn)碧.地震序列類型、地震序列b值與地震大形勢(shì)關(guān)系初探［J］.地震，1998，18(1):33 －40.(Jiao Yuanbi.Study on types of earthquake sequences and relation between b-value of earthquake sequences and long-term tendency of strong earthquakes［J］.Earthquake，1998，18(1):33 －40)

3 國家地震局震害防御司.地震工作手冊(cè)［Z］.北京:地震出版社，1992.(State Seismological Bureau of Earthquake Defense Department.Seismic work manual［Z］.Beijing:Seismological Press，1992)

4 張麗芬，等.三峽庫區(qū)構(gòu)造和塌陷地震的拐角頻率特征［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2013(2):27 －30.(Zhang Lifen，et al.Corner frequency characteristic of tectonic earthquakes and collapsed ones in Three Gorges region［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2013(2):27 －30)

5 姚立珣，等.巖體裂隙充水后對(duì)拐角頻率的影響［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2004，26(4):315 －321.(Yao Lixun，et al.Influence of impregnated rock mass on the corner frequency［J］.Northwestern Seismological Journal，2004，26(4):315 －321)

6 劉鎖旺，甘家思，薛宏交.長(zhǎng)江三峽地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與地震活動(dòng)［J］.地震地質(zhì)，1983，5(1):29 －41.(Liu Suowang，Gan Jiasi，Xue Hongjiao.Tectonic stress field and seismicity in the Three Gorge region on the Changjiang river［J］.Seismology and Geology，1983，5(1):29 －41)

7 夏金梧，等.三峽工程庫首區(qū)高橋斷裂特征與地震活動(dòng)性研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008(2):8－15.(Xia Jinwu，et al.Study on characteristics and seismic activity of Gaoqiao fault in head area of Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008(2):8 －15)

8 湖北省地震局.巴東 Ms5.1地震現(xiàn)場(chǎng)考察報(bào)告［R］.2014.(Earthquake Administration of Hubei Province.The field investigation report of the Ms5.1 Earthquake in Badong area［R］.2014)

9 陳俊華，等.水庫斷層巖溶帶地震波波速比研究［J］.人民長(zhǎng)江，2011，42(3):23 －26.(Chen Junhua，et al..Study on wave velocity ratio of fault Karst zone of reservoir［J］.Yangtze River.2011，42(3):23 －26)

10 許崇寶，錢進(jìn)，孫立新.巖溶裂隙發(fā)育帶地震解釋方法研究［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2008，5(2):148 －151.(Xu Chongbao，Qian Jin，Sun Lixin.Research on seismic interpretation method of Karst-fractured zone［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2008，5(2):148 －151)

11 程萬正.高烈度區(qū)的水庫地震問題［J］.國際地震動(dòng)態(tài)，2013，412(4):10 － 18.(Cheng Wanzheng.The reservoir induced earthquake problem in the high intensity area［J］.Recent Developments in World Seismology，2013，412(4):10－18)

致謝 感謝姚運(yùn)生研究員和甘家思研究員提出的寶貴意見和建議!

ON CAUSES OF BADONG Ms5.1 EARTHQUAKE

Chen Junhua1，2)，Chen Zhengsong1，2)，Jiang Lingxia1，2)，Wu Haibo1，2)，Qiao Yueqiang1，2)and Jia Zhige1，2)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan430071

The Ms5.1 earthquake occurred on December 16，2013，Badong Country.The epicentral area has recorded a large number of aftershocks.The frequency and magnitude of the aftershocks were attenuated ups and downs.The Ms5.1 earthquake event located in NEE direction near the southern tip of Gaoqiao fault and Daping fault.The depth of earthquake that greater than or equal to ML2 were mainly distributed in 5 to 7 km.According to the geological structure background of the event and the results of earthquake time series analysis，precise positioning，the spectrum analysis and focal mechanism solutions，the Ms5.1 earthquake is interlayer slip type reservoir earthquake.

earthquake sequence;precise positioning;source body;spectrum;focal mechanism solution

P315.3

A

1671-5942(2014)03-0010-05

2014-03-17

中國長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司專項(xiàng)(SXSN/3354);中國地震局地震研究所所長(zhǎng)基金項(xiàng)目(IS201226108，IS201246114)。

陳俊華，女，1973年，高級(jí)工程師，主要從事地震活動(dòng)性研究及水庫地震研究。E－mail:cjhmails@163.com。

陳正松，男，1983年，助理研究員，主要從事地震大地測(cè)量研究。E－mail:chenzs@qq.com。