廣西主要斷裂帶中小地震應力降特征分析

龍政強，謝夜玉，韋　東，韋旭鴻

(1.廣西壯族自治區地震局，廣西　南寧　530022；2.中國地質大學，湖北　武漢　430074)

·地震活動性·

廣西主要斷裂帶中小地震應力降特征分析

龍政強1，2，謝夜玉1，韋東1，2，韋旭鴻1

(1.廣西壯族自治區地震局，廣西南寧530022；2.中國地質大學，湖北武漢430074)

摘要：選取廣西數字地震臺網記錄到的2007年至2013年廣西主要斷裂帶ML≥2.5地震事件，采用Atkinson方法反演得到介質品質因子Q值，采用Moya方法得到各臺站場地響應，在此基礎上計算得到90個位于主要斷裂帶及附近的中小地震應力降，并對其應力降空間分布特征進行分析。研究結果表明，應力降值主要分布在1～10 MPa之間，占58%，主要分布在百色—合浦斷裂中段以及與桂林—南寧斷裂交匯區域；小于1.0 MPa(低應力降)的地震占37%，主要分布在桂西北地區；10 MPa及其以上的(高應力降)地震主要分布在桂東南，且歷史上曾經發生過5級以上地震的原震區及附近，反映了原震區及其附近仍具有高應力背景。

關鍵詞：斷裂帶；中小地震；震源譜；應力降

0引言

應力降表征地震發生瞬間錯動時位錯面上的應力變化，通過研究應力降可了解地震過程中的構造應力釋放水平，從而間接認識地震發生地區構造背景應力降。Allmann等[1]的研究發現，在美國加州2004年12月Ms 6.0地震前，震源區的應力降顯著高于斷層上的其他地區，而在Ms 6.0地震發生后，應力降出現顯著的下降變化；Hardebeck等[2]研究討論高應力降分布與斷層的閉鎖段及巖石強度的關系，指出斷層上的高應力降分布區域代表著這里的介質更強或者承受更高的外加剪應力等，即高應力降集中分布的區域也許是中強以上地震的潛在震源成核區；華衛等[3]對三峽庫區地震參數的研究表明，與同震級的構造地震相比，水庫地震的應力降值明顯偏低，約比前者小一個量級；趙翠萍等[4]通過系統研究獲得中國大陸主要地震活動區中小地震震源參數間的定標關系，以及應力降時空分布特征。可見，對中小地震應力降的研究，對了解研究區的應力場時空變化特征，開展地震趨勢預測和地震危險性評估等都具有重要的參考意義。

選取廣西地區 2007—2013年發生的ML≥2.5地震的數字波形資料，采用三段幾何衰減模型[5-6]計算得到廣西地區介質品質因子Q值，采用多臺站多地震聯合反演的Moya方法[7]計算得到臺站場地響應。在此基礎上，挑選發生在主要斷裂帶上具有明確地震構造背景的中小地震，根據Brune模型[8]逐個計算其應力降，以期獲得本地區主要斷裂帶中小地震應力降背景及空間分布特征。

1研究區概況

1.1　地震地質背景

廣西活動性斷裂以北東向和北西向兩組斷裂為主，其構成了廣西活動性斷裂的“X”型格架。北東向斷裂主要分布在桂東南地區，主要斷裂有南寧—柳州—桂林斷裂帶、防城—靈山斷裂帶、合浦—北流斷裂帶。北西向斷裂主要分布在桂西北地區，主要斷裂帶有巴馬—博白斷裂帶、百色—合浦斷裂帶、靖西—崇左斷裂帶、那坡斷裂帶[9]。廣西地處東南沿海地震帶西段，是中強地震相對活躍的地區，具有小震級、高烈度、震源淺的特點。歷史上曾發生過多次6級以上強地震，如，1875年樂業—羅甸間6級、1890年廣西陸川6級、1936年廣西靈山6級，這些地震均發生在廣西主要斷裂帶上。郭培蘭等[10]對廣西及鄰區地震活動特征的研究結果表明，1970年廣西有儀器記錄以來，ML3.0以上地震仍然沿主要斷裂呈條帶狀展布。從2007年以來，廣西主要斷裂帶仍是中小地震活動的主體地區(見第2頁圖1)。

圖1　2007年至2013年廣西地區中小地震分布圖Fig.1　Medium and small earthquakes in Guangxi from 2007 to 2013

1.2　地震臺站

廣西數字地震臺網從2007年1月開始運行，由22個臺站組成，臺站均位于基巖上，均安裝三分量大動態、寬頻帶數字地震儀。其中，桂林、河池、憑祥地震臺為20 Hz~120 s甚寬帶地震計，靈山地震臺為20 Hz~360 s超寬帶地震計，其余均為50 Hz~60 s寬帶地震計。地震信號以100 SPS采樣率通過SDH或VPDN等通訊方式實時傳輸到廣西地震臺網中心。接入廣東、海南、云南、貴州及湖南等省相鄰臺站觀測數據，共享南寧市、柳州市2個地方數字地震臺網以及百色水庫樞紐、龍灘水庫、巖灘水庫和南丹大廠礦區等企業地震臺網，全區可監測震級下限達到ML2.4，其中，桂東南、桂西北及桂中地區的地震監測能力達到ML2.0，已占陸地面積60%[11]。

2方法及數據處理

2.1　方法介紹

地震波在傳播過程中存在幾何擴散，從震源到接收點的傳播過程中，受介質吸收和散射以及接收點場地的影響。目前，一般采用三段幾何衰減模型來計算傳播路徑的影響，采用多臺站多地震聯合反演法得到介質品質因子Q值，然后用Moya方法計算得到臺站的場地響應[5-8]。文中，地震震源參數的計算，首先采用Atkinson方法[6]得到觀測位譜，從觀測譜中扣除傳播路徑效應和場地響應等因素的影響，得到地震位移譜；再利用遺傳算法對震源位移譜進行擬合，得到震源譜參數Ω0和fc；最后，根據Brune震源模型[8]求得地震矩M0、應力降Δσ、震源半徑r等震源參數。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為介質密度；β為S波的速度；Rθφ為輻射因子。文中ρ為2.9 g/cm3，β為3.5 km/s。輻射因子Rθφ，由于沒有每次地震的斷層面解，所以對SH波取全震源球上的平均值，即Rθφ為0.41。

2.2　數據資料選取

廣西數字地震臺網從2007年1月開始記錄，結合廣西地區地震監測能力，在介質品質因子Q值和臺站場地響應計算中，選取2007年以來記錄到廣西及鄰區ML≥2.5的156個地震。為確保資料質量，根據地震和臺站的空間分布要盡可能均勻、信噪比大于2倍地脈動噪聲、震級MS≤5.0、每個臺站須記錄3個以上地震及每個地震須被3個臺站記錄到的原則進行地震波形挑選。經挑選，除處于海島的潿洲島臺記錄地震波形因地震信噪比達不到要求外，其余21個臺站均符合要求。共有100個地震665條記錄可用于分析研究，地震分布如第3頁圖2所示。這些地震的震級范圍為ML2.5~4.9，其中，2.5~2.9級59次，3.0~3.9級34次，4.0~4.9級7次，震中距為10~400 km。

圖2　廣西地區地震射線分布圖Fig.2　Distribution of seismic rays in Guangxi area

3計算結果與分析

3.1　介質品質因子和場地響應

經計算，得到廣西地區介質品質因子Q值和臺站場地響應。其中，Q值與頻率的關系式為：

Q(f)=366.3f0.47。

從擬合曲線可以看出，Q值與頻率存在較好的線性關系(見圖3)。臺站場地響應計算結果顯示，大多數臺站的場地響應在1附近，且隨頻率變化波動小。百色臺(BSS)、桂林臺(GUL)、梧州臺(WZS)場地響應隨著高頻增加而緩慢降低；欽州臺(QZS)低頻部分較為平坦，而高頻部分有較為明顯的放大效應；河池臺(HCS)低頻部分較為平坦，而在7 Hz以上呈現快速下降；南寧臺(NNS)場地響應有明顯的放大效應(見第4頁圖4)。

3.2　應力降Δσ空間分布特征

在取得廣西地區介質品質因子Q值和臺站場地響應的基礎上，選取2007年至2013年發生在廣西主要斷裂帶及附近ML2.0以上地震事件，進行應力降計算，共得到90個地震的應力降。這些地震發震時間隨機，沒有前震或余震，震級范圍為ML2.0～4.9，其中，2.0～2.9級63次，3.0～3.9級26次，4.0～4.9級1次，最大為2013年2月20日廣西平果、田東交界的ML4.9地震。

圖3　廣西地區品質因子Q值擬合曲線Fig.3　Fitted curve of quality factor(Q) in Guangxi

廣西主要斷裂帶中小地震的應力降值分布在0.032～15.44 MPa 之間，平均值為2.91 MPa。通常認為，應力降Δσ<1.0 MPa為低應力降，應力降Δσ≥10 MPa為高應力降[12]。據此進行統計，應力降Δσ<1.0 MPa的地震為33個，占37%；1.0 MPa≤Δσ<10 MPa的地震為52個，占58%；應力降Δσ≥10 MPa的地震為5個，占6%。可見，廣西中小地震應力降的主要分布范圍在1～10 MPa之間。

在地震活動上，廣西屬于東南沿海地震帶西段，其中，桂東南和桂西北地區是廣西主要的地震活動區。對桂西北與桂東南地區的地震應力降，按震級分檔取平均值進行比較，結果顯示：在ML2.0～2.9，桂東南、桂西北分別為3.31 MPa、1.48 MPa；在ML3.0～3.9，桂東南、桂西北分別為9.58 MPa、4.14 MPa。可見，在相同震級檔情況下，桂東南地震的應力降約為桂西北地區的2倍。

圖4　廣西數字測震臺網21個臺站場地響應Fig.4　Site responses of 21 stations of Guangxi Digital Seismic Network

張天中等和秦嘉政等認為，地震前的震源應力背景越高，地震的應力降越大[13-14]；Jones和Helmberger研究認為，高應力降地震可能與斷層存在剪應力背景有關[15-16]。從廣西中小地震應力降分布圖(見第5頁圖5)可見，應力降Δσ<1.0 MPa的地震主要分布在百色—合浦斷裂和巴馬—博白斷裂的西北段，以及靖西—崇左斷裂、南丹—巴馬斷裂；應力降為1～10 MPa的地震主要分布在百色—合浦斷裂中段以及與桂林—南寧斷裂交匯區域；5個高應力降地震(見第5頁表1)，主要分布在合浦—北流、防城—靈山斷裂帶上，除2013年平果ML4.9地震位于桂西1977年平果5級震區附近外，其余均位于桂東南且歷史上曾發生過5級以上地震的原震區或其附近地區。如，2010年4月24日陸川ML3.0地震，其應力降達到14.78 MPa，距離1890年8月29日陸川南6級震中區約40 km；2010年8月17日靈山ML3.6地震，其應力降為11.54 MPa，其位于1936年4月1日靈山6級和1958年9月25日靈山5級地震震中附近；2012年5月20日平南ML3.0地震，其應力降為14.91 MPa，震中位于1318年平南5級與1759年象州5級震中之間。以上表明，桂東南地區曾發生過中強以上地震的原震區及其附近仍具有高應力背景，與該區域的主要斷裂背景有關。

4結論

(1) 廣西主要斷裂帶中小地震應力降優勢分布在1～10 MPa之間，這些地震主要分布在百色—合浦斷裂中段以及與桂林—南寧斷裂交匯區域。應力降Δσ<1.0 MPa的地震主要分布在百色—合浦斷裂和巴馬—博白斷裂的西北段，以及靖西—崇左斷裂、南丹—巴馬斷裂。

(2) 桂西北地區的中小地震應力降較低，桂東南地區的中小地震應力降較高。Δσ≥10 MPa的高應力降地震主要分布在桂東南，且歷史上曾經發生過中強以上地震的原震區及其附近地區，說明歷史上曾發生過中強以上地震的原震區及其附近仍具有高應力背景。

圖5　2007年至2013年廣西中小地震應力降空間分布圖(ML≥2.0)Fig.5　Spatial distribution of stress drop of medium and small earthquakes in Guangxi

序號發震時間年-月-日震中位置北緯(°)東經(°)震級(ML)參考地名應力降MPa與歷史地震震中的距離km歷史地震12010-04-2422.25110.233.0陸川14.78401890-08-29陸川南M622010-06-1421.76109.012.7合浦12.49701988-11-10北部灣M5.032010-08-1722.60109.313.6靈山11.54141936-04-01靈山M6201958-09-25靈山M542012-05-2023.83110.213.0平南14.91471318-06-18平南M5321759-10-25象州M552013-02-2023.83107.404.9平果15.44481977-10-19平果M5.0

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Feature of Stress Drop of Medium and Small Earthquakes in the Main Fault Zone in Guangxi

LONG Zheng-qiang1,2, XIE Ye-yu1, WEI Dong1,2, WEI Xu-hong1

(1.Seismological Bureau of Guangxi autonomous Region, Nanning, Guangxi 530022, China;2.China University of Geosciences, Wuhan, Hubei, 430074, China)

Abstract:Based on data of earthquakes with ML≥2.5 occurred in the main fault zone in Guangxi, recorded by Guangxi Digital Seismic Network from 2007 to 2013, the medium quality factor(Q) is figured out by inversion using Atkinson method. Then site response of each station is gotten by using Moya method. On these bases, stress drop of 90 medium small earthquakes around in the main fault zone are calculated. Spatial distribution characteristics of the stress drop are analyzed. The results show that 58% stress drops(Δσ) are within 1~10 MPa, mainly distributed in middle section of Baise-Hepu Fault and in juncture region of Guilin-Nanning Fault, Δσ less than 1.0 MPa(Low stress drop) are mainly in Northwestern Guilin and Δσ larger than 10.0 MPa(High stress drop) are mainly in Southeastern Guilin where earthquake with M≥ 5.0 occurred in history , which reflects that the original earthquake region and nearby still has a high stress background.

Key words:Fault zone; Medium and small earthquake; Source spectrum; Stress drop

作者簡介：第一龍政強(1974—)，男，廣西壯族自治區北流人。1995年畢業于防災技術高等專科學校，工程師。

基金項目：測震臺網青年骨干培養專項(20140318)和廣西地震局三結合項目(GXJ2011002)共同資助。

收稿日期：2015-01-07

中圖分類號：P315.5

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6265(2015)02-0001-05