2014秭歸4.5、4.7級地震前小震活動特征研究

吳海波 申學林 杜承宸 陳俊華 王 杰

1 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢市洪山側路40號，430071

2 湖北省地震局，武漢市洪山側路40號，430071

2014－03－27、30湖北省秭歸縣分別發生M4.5和M4.7地震。依據三峽水庫誘發地震監測臺網測定，2013－12－01～2014－03－26 震 中 區20km 內共記錄到小震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個半月內。本文對這兩次地震前震中區附近的87次地震重新精定位，對ML1.0以上地震的震源機制解進行一致性分析，并對近臺波形特征進行分析，結合區域地質構造情況，研究這些小震與兩次主震之間的關系。

1 區域地質背景

長江三峽庫區位于揚子準地臺中段北緣，構造上同時受渝東－八面山弧形構造帶與大巴山－大洪山弧形構造帶的控制與影響。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，仙女山斷裂和九畹溪斷裂分別為其東西兩側分界線。仙女山斷裂總體走向NNW，傾向SW，傾角60°～80°，燕山運動時期該斷裂切割古生界和白堊系地層，沿斷裂形成斷陷槽地，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烈，并被切斷繼續下陷形成地塹型構造，新生代末以來差異活動逐漸減弱。地貌上表現為埡口、槽谷和陡崖，早期構造活動以左旋拉張為主，現今以順扭為主兼壓性狀態［1－2］。該斷裂北端在風吹埡和荒口一帶消失在嘉陵江組灰巖中，至于是否北延過長江目前一直存在爭論［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江至巴東一帶消失，構成仙女山地塹東側邊界，總體走向近SN，傾向NWW 或E，傾角65°～80°，切割寒武系至志留系，經歷多期活動，早期走滑為主，晚期兼張性。地貌上該斷裂沿線多呈負向溝谷或狹窄的河谷，兩側具有50～200 m 的反差幅度，測年結果為早中更新世。

震區東部的黃陵背斜發育太古代花崗巖（γ）和閃長巖（δ）侵入體，西部秭歸向斜區廣泛分布侏羅系（J）碎屑巖，兩區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、泥巖兼炭質頁巖，三疊系（T）不同厚度和性質的灰巖區，二疊系（P）深色灰巖和黃色砂巖，志留系（S）砂巖、砂頁巖和頁巖，奧陶系（O）頁巖與灰巖，寒武系（∈）白云巖與白云質灰巖等，白堊系下統（K1）僅分布在仙女山斷裂中北段，以紫紅色砂礫巖為主。震中區位于三疊系中上統（T2－3）、二疊系上下統（P2、P1）和志留系上中統（S3、S2）灰巖、砂巖和頁巖發育區（圖1）。

圖1 秭歸震區地質構造簡圖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誘發地震監測臺網（以下簡稱三峽臺網）共記錄到秭歸4.5、4.7級地震震中附近小震活動600余次，其中主震之前微小地震87次，震后余震500余次。本次地震序列活動發生在三峽臺網重點監視區，震源區附近分布了許多測震臺站，地震監測能力達到ML0.5。采用雙差定位法對ML0.5以上地震進行重新精定位，計算中使用了三峽臺網15個子臺觀測數據，較均勻地分布在震中四周，震中距范圍5～80km，地殼速度結構主要采用陳學波、李強等反演的三峽地區地殼速度模型［6－7］，并結合近年其他一些研究成果，采用7 層結構模型（表1，圖2），最后得到586次高精度定位結果，其中包含03－27秭歸4.5級主震前震72次（圖3），整體上水平誤差45～150m，垂直誤差70～200m。

表1 三峽地區地殼速度結構模型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 級主震之前，震中區附近小震活動明顯增強，特別是02－20～03－26之間小震頻次明顯增多（圖4）。雙差精定位結果顯示，前震活動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次級小斷裂附近（區域一）和該斷裂北端（區域二），震源深度主要集中在3.0～9.0km。區域一的前震主要發生在02－20之前，深度較淺，總體上在3.0～5.0km 左右；區域二的前震主要發生在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，區域一和區域二的前震在發生時間和深度上存在明顯差異，區域二的前震更接近其后的主震地震序列。

圖2 三峽地區地殼速度結構模型及震中附近臺站分布圖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

分別對區域一和區域二近臺記錄地震波形進行對比分析，其中區域一ML1.0以上小震7次，區域二21次。圖5分別給出了兩個區域兩次比較典型小震事件的LJS臺記錄，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臺的震中距相同，約18 km，震級也相同。圖5顯示，區域二的記錄波形（圖5左）總體上表現為高頻成分豐富、頻域寬，多個近臺記錄垂直向初動極性正負均有分布，震源機制具有明顯四象限分布。同一臺站記錄的不同地震波形具有很強的相似性，這些特征表明區域二的小震具有較明顯的構造地震特性；區域一的小震近臺記錄波形（圖5 右）表現為富含低頻成分，頻率單一，缺乏高頻成分，垂直向初動多向下分布，同一臺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。

對上述兩次地震事件LJS 臺記錄的波形進行Fourier譜和位移譜分析（圖6），僅使用S波窗7.68s數據，在位移譜計算中去除地動噪聲和儀器響應，并對結果進行平滑濾波，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勢頻率范圍狹小，約在0.5～5.0 Hz之間；事件二的優勢頻率頻域寬，5.0～15.0 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，根據文獻［8－9］，事件一具有典型的淺表塌陷地震事件特征，事件二為明顯的構造地震特征。

圖5 區域一與區域二地震波形比較（左圖為2014－01－10 ML1.7級地震LJS臺記錄（區域一），右圖為2014－03－22 ML1.7級地震LJS臺記錄（區域二））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

兩個區域均處于三疊系中統和下統（J2－3）灰巖、砂巖、頁巖夾煤層地帶，又同處水庫沿岸區，經水庫載荷和多年庫水滲透，很容易發生溶巖塌陷或礦洞陷落等微小地震事件。另外，三峽水庫蓄水前，仙女山斷裂北端很少有微小震活動。因此，盡管區域二更靠近三峽水庫，但波形特征顯示區域二的地震事件多與構造活動相關，可能與該區域構造受庫水活化作用有關，而區域一的事件明顯與巖溶或礦洞陷落等非構造活動有關。

3 震源機制解及應力場特征

3.1 速度模型及求解方法

求解震源機制使用的區域速度模型與雙差定位法一致，即7層模型。對不同震級地震的震源機制采用不同求解方法。對于研究區內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，分別在頻率域計算理論振幅譜和在時間域反演理論P 或S體波，并與實際觀測波形比較反演矩張量解。它的優點是可以使用震中距大于20km 的近臺波形數據，對ML4甚至更低震級的地震有效，反演結果可以得到最佳擬合深度。對于小震震源機制采用FOCMEC程序［11］，該程序基于雙力偶位錯源模型，通過利用區域地震臺網P、SV 和SH 波的初動極性，并聯合直達波理論地震圖最大振幅比求解小震震源參數。有學者認為，小震具有隨機性不便于單一具體分析［12］，因此，本文對求解的多個小震震源機制進行統計分析，以便更準確地反映區域應力場總體特征。

3.2 3次4級地震震源機制分析

選取湖北和重慶區域地震臺網震中距20～180km 范圍內13個寬頻帶臺站數據，采用Kiwi法求解3次秭歸ML4.0以上地震的震源機制（表2）。圖7給出了3次地震深度擬合誤差分布圖，結果顯示，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。震源機制反演結果均比較穩定，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制均呈現較好的一致性變化。本次地震序列3 次4 級地震均表現為走滑兼逆沖錯動，節面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傾向為NW 向，與事件3正好相反，節面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，三峽庫區區域最大主壓應力方向近EW 向［13－15］，顯然，3次地震震源機制解與區域應力場方向一致，受控于區域構造應力場。

表2 小震震源機制解Tab.2 Focal mechanisms of small earthquakes

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

3.3 區域二小震震源機制及應力場分析

利用2013－12～2014－06 三峽臺網記錄的地震波形資料，采用FOCMEC 振幅比法計算區域一和區域二的小震震源機制。由于三峽臺網監測能力下限可達ML0.5，選取的震級下限為ML1.2，要求每個地震至少有12個臺站清晰可靠的記錄波形，并較好地包圍地震。最終得到16次小震震源機制（圖8）。由于區域一小震記錄波形初動極性單一，多數為塌陷事件，只得到了1次小震結果（事件10）為正斷錯動，因此，分析主要針對區域二的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 區域二前震震源機制解分布圖Fig.8 Focal mechanism distribution of foreshocks in region two

采用統計方式對小震震源機制進行分析，按10°間隔進行統計并計算每個區間頻次數。計算給出了區域二的小震震源機制解節面和力軸參數玫瑰圖（圖9），節面1、2沒有假定或確認斷層面或輔助面，因此在統計中統一分析處理。

圖9 區域二小震震源機制解節面和力軸參數玫瑰圖Fig.9 Rose diagrams of nodal plane and stress axis parameters of small earthquakes focal mechanisms in region two

區域二小震震源機制解參數統計顯示（圖9），小震節面走向主要集中在NWW 和SE 兩個優勢方向，其次為SSW 向，節面傾角近直立，分布在60°～90°，其中80°～90°占絕大多數。依據滑動角分析小震動力學作用方式，絕大多數表現為左旋走滑兼小分量正斷或逆斷滑動。P軸主壓應力方向一致性較好，幾乎近EW 向，SWW 和NEE是其兩個優勢方向。P軸傾角近水平，集中在0～15°以內。T軸優勢方向為近NS向，傾角近水平，絕大多數小于10°。

區域二震源機制參數統計結果與3次主震參數對比顯示，兩者節面走向一致，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，而區域二小震總體上為高傾角走滑兼正斷滑動，這種差異可能與區域地質巖性和庫水載荷作用有關。與前人對三峽地區構造應力場研究結果比較［1，13－14］，區域二小震與3次主震的結果均顯示，震源區應力場作用方式與區域應力場總體狀態基本一致，反映了前震和主震均明顯受控于區域構造應力場。盡管局部小震活動對整體形變貢獻很小，但其在時間和空間上對應力變化較敏感，03－27 的M4.5地震 和05－26 的ML4.0地震前發生在區域二的小震活動正是區域應力場變形前局部調整的反映。

三峽水庫庫水對區域二小震活動的影響主要表現在庫水載荷變化對庫區已有斷裂構造活動或地下介質孔隙壓變化的影響，或者庫水滲透對水庫沿岸地下介質特性變化而誘發的小震活動。文獻［15］比較了三峽重點監視區蓄水前后（2003～2006）的小震震源機制解后認為，蓄水前的震源機制解多表現為逆斷－走滑性質，蓄水后大多表現為走滑－正斷性質，反映庫水載荷對沿岸應力場施加的張性影響。本文中區域二小震震源機制解統計的最大主張應力軸方向為近NS向，并且在N 向表現更明顯，而N 向正好為三峽水庫，區域二小震距水庫不過1km 左右，這些小震震源機制解中正斷成分顯然與水庫載荷的影響密切相關，反映了庫水對區域二小震活動的影響。

4 結 語

對2014－03－27秭歸4.5級地震前4個月內震中區周邊地震活動重新進行雙差精定位，結合近場記錄波形譜分析，指出兩個區域小震性質的差異性。基于多個小震震源機制解，探討了區域二小震與該地區3次4級主震受力特征，得出以下結論。

1）雙差精定位顯示，03－27秭歸M4.5地震前4個月內震區附近的小震活動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區域。近場記錄波形形態和S波頻譜特征均表明，區域一的小震活動多數為淺表塌陷型事件，區域二的小震具有明顯的構造地震特征。從地質構造分析，兩個區域均在三疊系中、下統（T2－3）灰巖、頁巖夾煤層地帶，又處于水庫沿岸區，很容易引起淺表塌陷事件。不過，區域二處在仙女山斷裂北端，對于仙女山斷裂北端是否過長江問題目前仍存在很大爭議。這種脆弱部位對區域應力場變化很敏感，加之受多年庫水滲透侵蝕作用和庫水載荷的影響，仙女山斷裂北端重新活化引起局部構造活動而產生這些微小地震活動。

2）3次4級地震震源機制反演結果均為走滑兼逆斷滑動，斷面傾角較大，與震前多次小震震源機制統計結果比較顯示，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級地震都受控于區域構造應力活動，它們的受力和活動方式具有一致性。但大多數前震滑動為走滑兼少量正斷成分，與主震有一定差異，這可能與前震震級小、很容易受到局部構造和庫水載荷的影響有關。主震前受到EW 向主壓應力的推擠，沿NE向產生左旋走滑錯動，在仙女山斷裂北端脆弱部位，同時受到區域構造應力場、NNW向仙女山斷裂和北邊三峽水庫載荷的影響，從而產生一些走滑兼少量正斷張性成分的微小地震活動。

致謝：感謝姚運生研究員和杜方研究員提出的寶貴意見。

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