金寨震群震源深度確定及成因初步分析

汪小厲 李玲利 楊源源

1）安徽省地震局，合肥市長江西路558號 230031

2）蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，安徽蒙城 233500

0 引言

自2014年8月22日起，在安徽金寨地區(qū)發(fā)生了一個震群。該震群位于安徽省六安市金寨縣關(guān)廟鄉(xiāng)，區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造復(fù)雜（姚大全等，2006），分布有NW向的磨子潭-曉天斷裂、NE向的土地嶺-落兒嶺斷裂和團(tuán)鳳-溫泉斷裂、WNW方向的梅山-龍河口斷裂（圖1），其中磨子潭-曉天斷裂距離震群最近，約2km（倪紅玉等，2015）。此次震群自2014年8月22日開始活躍，2015年8月15日結(jié)束，期間共發(fā)生ML≥0.0地震625次，其中ML≥3.0級地震15次，最大為ML3.9級地震。從金寨震群震中分布圖（圖1）和M-T圖（圖2）可以看出，該震群在空間分布上較為叢集，時間上較為緊密。而從該地區(qū)1970年以來的ML≥3.0地震活動（圖3）來看，震群周邊（100km范圍內(nèi)）的地震活動相對較弱，在震群周圍50km范圍內(nèi)僅在1991、1981、1994、2005年發(fā)生4次ML≥3.0地震，最大為1971年2月5日ML3.5地震。值得注意的是，據(jù)震區(qū)群眾反映，對ML≥1.0地震均有感，并伴隨有地聲現(xiàn)象，可能與震源深度較淺有關(guān)。而震源深度是一較難準(zhǔn)確測定的參數(shù)，臺網(wǎng)給出的結(jié)果可能存在一定的誤差，因此對震群震源深度的準(zhǔn)確測定具有必要性。同時，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)金寨震群周邊存在多個水庫，包括響洪甸、梅山、磨子潭和佛子嶺4個大型水庫與黃谷灘和關(guān)廟2個小型民用水電站，其中2座小型水電站距震群僅3km。而根據(jù)前人的研究表明（楊曉源，1999；廖武林等，2009；楊志高等，2010；周斌等，2014），與水庫蓄水有關(guān)的地震通常震源深度較淺，發(fā)震時間緊密，空間叢集，金寨震群具有這些特征，且震區(qū)歷史地震活動相對較弱，震區(qū)周邊存在多個水庫，因此有必要對該震群是否由水庫誘發(fā)進(jìn)行研究。

圖1 金寨震群震中、斷裂及臺站分布

圖2 金寨震群M-t圖

自1931年希臘馬拉松（Marathon）水庫首次發(fā)生地震以來，對水庫誘發(fā)地震的研究已有80多年的歷史（王博等，2012）。Talwani等（1984）利用水壓力擴(kuò)散原理，分析了水庫誘發(fā)地震的成因；Simposon等（1988）基于水庫地震與蓄水時間的響應(yīng)關(guān)系對水庫誘發(fā)地震進(jìn)行了分類；丁原章（1989）對我國13座水庫誘發(fā)地震的分布、地質(zhì)構(gòu)造背景和誘發(fā)地震類型進(jìn)行了分析討論；Talwani等（2007）基于我國水庫誘發(fā)地震的震例給出了對應(yīng)區(qū)域地殼介質(zhì)的孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)；陳翰林等（2012）對新豐江和龍灘水庫誘發(fā)地震進(jìn)行了重定位，并結(jié)合水庫蓄水資料對其地震活動性進(jìn)行了討論；蔣海昆等（2012）基于ETAS模型討論了不同時期水庫誘發(fā)地震的影響因素。前人對水庫誘發(fā)地震的研究較為豐富，但多數(shù)研究是在地震已被確定為水庫誘發(fā)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。那么當(dāng)有地震發(fā)生于水庫附近時，如何判斷地震是否為水庫誘發(fā)是關(guān)鍵。馬文濤等（2013）基于水庫誘發(fā)地震的空間、時間、強度、震源環(huán)境等方面的特征及與庫水位變化的關(guān)系，認(rèn)識水庫誘發(fā)地震的基本特點，并給出水庫誘發(fā)地震與天然地震的主要區(qū)別。一般來說，水庫誘發(fā)地震震中離庫岸距離多在5～10km，與天然構(gòu)造地震相比，其震源深度較淺（楊曉源，1999；廖武林等，2009；楊志高等，2010）；水庫誘發(fā)地震活動的頻次和震級與庫水水位變化有關(guān)（馬文濤等，2013）；水庫誘發(fā)地震序列一般多為“前震—主震—余震”或“前震—震群—余震”型（袁曲等，2005），以1～3級微震居多，中強地震較少（馬文濤等，2013）；水庫誘發(fā)地震具有較高的震中烈度（馬文濤等，2013）；相比于同一震級的構(gòu)造地震（Ross et al，1999），水庫誘發(fā)地震具有較大的非力偶分量和明顯較小的應(yīng)力降值（Fehleretal，1991；Abercrombieetal，1993；華衛(wèi)等，2012）。當(dāng)我們確定某震群具有這些特征時，則可初步判定該震群為水庫誘發(fā)。對于地震活動的頻次、震中烈度、應(yīng)力降等參數(shù)，可以通過地震M-t圖、現(xiàn)場調(diào)查、地震波形等方法計算得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但震源深度是一個較難準(zhǔn)確測定的參數(shù)，在測震臺網(wǎng)稀疏地區(qū)，其結(jié)果誤差一直較大。因此，在水庫誘發(fā)地震的研究中，震源深度的準(zhǔn)確測定較為重要。

圖3 金寨震群周邊1970年以來M L≥3.0歷史地震分布

一般來說，地震學(xué)中主要是基于走時和波形、大地測量等數(shù)據(jù)研究震源深度（汪小厲，2015）。基于走時測定震源深度的方法是利用P、S波的到時及到時差數(shù)據(jù)來計算震源深度，如Hypo2000、hypoDD程序（Klein，2007）等。但基于走時數(shù)據(jù)計算得到的震源深度的精度對臺站的密集程度具有較高的依賴性，而地震波形中則含有對深度敏感的信息，如不同震相的振幅、頻譜等信息，可以利用這些信息確定震源深度。一般來說，深度震相方法、面波與體波振幅比方法等較為常用。利用深度震相方法確定地震的震源深度可以彌補實際臺站分布稀疏的不足，減小三維速度結(jié)構(gòu)的影響，且利用到時差的形式避免了發(fā)震時刻引起的誤差，具有較高精度（羅艷，2013）。目前常用的深度震相有sPL、sPg、sPn、sPmP等，在國內(nèi)外也有了較好地應(yīng)用（Bock et al，1996；Saikia，2000；Langston，1987；Bent et al，2002；高立新等，2007；崇加軍等，2010），其中sPL震相為近震深度震相，一般在30～50km附近發(fā)育較好（崇加軍等，2010），可以用來確定中小地震的震源深度。金寨震群以中小地震為主，且周邊100km范圍內(nèi)臺站較多，如JZA臺、SC臺。因此，本文主要使用近震sPL深度震相進(jìn)行震源深度的研究。

本文主要基于近震深度震相sPL計算震群ML≥2.5地震的震源深度，最終得到16個地震的震源深度，均在5km以內(nèi)，相比周邊的霍山MS4.3地震、桐城MS3.6地震的震源深度淺。同時，本研究還利用hypoDD方法對該震群進(jìn)行重定位，計算得到震群的擴(kuò)展系數(shù)。震群擴(kuò)展系數(shù)的計算結(jié)果顯示，其擴(kuò)展系數(shù)D為0.27m2／s，與劉耀偉等（2011）計算的龍灘水庫、劉遠(yuǎn)征（2014）計算的小浪底水庫的結(jié)果接近，與劉遠(yuǎn)征等（2015）計算得到天然地震的擴(kuò)展系數(shù)相差較大?？紤]到該震群具有發(fā)震時間緊密，空間叢集等特征，初步判定該震群可能由水庫誘發(fā)。

1 方法和數(shù)據(jù)

1.1 方法

考慮到金寨震群以為中小地震為主，周邊100km范圍內(nèi)臺站較多，而近震深度震相sPL在震中距為30～50km附近發(fā)育較好，因此可以用近震深度震相sPL來確定震群的震源深度。sPL震相是由震源出發(fā)上行的SV波在地表發(fā)生全反射轉(zhuǎn)換成P波后沿地表傳播所形成的震相。一般來說，sPL震相在徑向分量上能量較強，垂向分量能量較弱，而切向分量能量則很弱，且含有較多的低頻成分，波形一般沒有P波尖銳（崇家軍等，2010；包豐等，2013）。

包豐等（2013）基于sPL震相的形成原理，得到均勻半空間模型下sPL與直達(dá)P波的到時差Δt與震源深度H、P波速度Vp、波速比α及震中距D的關(guān)系

由式（2）可知，當(dāng)震中距滿足一定條件時，sPL震相與P波的到時差與震源深度呈線性關(guān)系，與震中距的相關(guān)性不大，因此可以利用sPL震相與P波的到時差來確定震源深度。包豐等（2013）給出sPL與P波理論到時差隨震中距及震源深度的變化曲線，結(jié)果顯示當(dāng)震中距大于3倍震源深度時，sPL震相與P波的到時差與震源深度呈線性關(guān)系，且不隨震中距變

當(dāng)H遠(yuǎn)小于D時，則H2＋D2的值趨于D2，則上式可以近似為化而變化，此時可以利用到時差進(jìn)行震源深度的測定。

1.2 數(shù)據(jù)

本文波形數(shù)據(jù)來自于安徽地震臺網(wǎng)中心。在數(shù)據(jù)處理前，首先根據(jù)地震目錄挑選ML≥2.5、震中距≤100km的波形數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。挑選出地震波形數(shù)據(jù)后，將原始波形解壓并去除儀器響應(yīng)，進(jìn)行大圓弧路徑旋轉(zhuǎn)得到Z-R-T三個分量，再進(jìn)行濾波，最終進(jìn)行sPL震相的挑選。

在數(shù)據(jù)挑選過程中，發(fā)現(xiàn)多數(shù)地震事件在安徽金寨臺（JZA，震中距42km）和河南商城臺（SC，震中距33km）波形中能看到清晰的sPL震相，再根據(jù)識別到的sPL震相讀取其與P波到時差。在計算過程中，VP選取研究區(qū)的地表速度，本研究中的地表P波波速為金寨地震臺表層巖石實驗室測試結(jié)果的平均值，為4.98km／s（劉澤民等，2015）。

2 結(jié)果和分析

2.1 震源深度結(jié)果及可靠性

在本研究中，共識別出16個事件的sPL震相。圖4給出了處理后（帶通濾波范圍0.01～2Hz）的金寨臺（JZA）和商城臺（SC）記錄的2014年10月26日ML3.7、2014年11月11日ML3.7兩個地震位移波形圖。從圖4可以看出，這2臺站記錄到的sPL震相較為清晰，sPL與P波到時差均為1.0s。根據(jù)公式（2）可以計算得到這兩次地震事件的震源深度為3.5km。圖5給出可識別sPL震相的16個地震事件在商城臺（SC）和金寨臺（JZA）的sPL震相與P波到時差的統(tǒng)計結(jié)果。由圖5可知，這16個地震事件的sPL震相與P波的到時差為0.9～1.4s，且其中13個地震均能在金寨臺（JZA）和商城臺（SC）識別出sPL震相，2個臺站的到時差之差小于0.1s，說明我們識別到的sPL震相是較為可靠的。根據(jù)式（2）可計算得到這16個地震事件的震源深度主要分布在3.2～4.9km范圍內(nèi)。而根據(jù)對金寨地區(qū)的走訪了解，人們普遍反映地震發(fā)生時，地聲明顯，小地震震感強烈，可能是震源深度較淺的原因，這也與本文的結(jié)果較為一致。

上述震源深度結(jié)果是基于均勻半空間模型下的經(jīng)驗公式計算得到的，可能存在一定的誤差。為了驗證這一結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們利用黃顯良等（2015）的速度結(jié)構(gòu)（表1）計算了理論格林函數(shù)，并基于理論波形讀取P與sPL的理論到時，再得到其理論到時差，從而驗證計算得到的震源深度的可靠性。前文中提到，該震群距離商城臺（SC）和金寨臺（JZA）分別為33km和42km，且16個地震事件的sPL震相多數(shù)能在這2個臺站記錄到，因此圖6給出震中距分別為33km、42km的sPL與直達(dá)P波理論到時差與震源深度關(guān)系模板。由這一關(guān)系可知，sPL與P波到時差幾乎與震源深度呈線性變化，到時差為0.9～1.4s對應(yīng)的震源深度為3.0～4.7km。這一結(jié)果與倪紅玉等（2015a、2016b）利用PTD方法計算結(jié)果一致，與黃顯良等（2015）的結(jié)果一致，說明本研究中的計算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

2.2 對比分析

前文中提到，金寨震群距離磨子潭-曉天斷裂較近，約2km。在2014年4月20日，在該斷裂上金寨震群西側(cè)約60km處發(fā)生霍山MS4.3地震。同樣，在安徽其它地區(qū)也發(fā)生過多次中等地震，如2011年6月7日桐城MS3.6，此次地震距離金寨震群約160km。對于霍山MS4.3地震事件，我們在JZA臺識別出清晰的sPL震相，其與P波到時差為2s（圖7（a））。同樣，對于桐城MS3.6地震，我們也在ANQ臺識別出清晰的sPL震相，其與P波的到時差為2.1s（圖7（b））。考慮到這2次地震事件距離金寨震群較近，在利用式（2）計算深度時取與前文計算金寨震群震源深度相同的P波速度，可得到這兩次地震的震源深度分別為7.0km、7.3km，這比金寨震群的震源深度要深。

圖4 2014年10月26日M L 3.7（a）和2014年11月11日M L 3.7（b）事件在金寨臺（JZA）和商城臺（SC）的三分量位移記錄

表1 金寨地區(qū)分層地殼模型

2.3 成因的初步分析

前人基于水庫誘發(fā)地震與蓄水時間的響應(yīng)關(guān)系將水庫誘發(fā)地震分為2類，一種是由水庫載荷直接誘發(fā)，但在某些地區(qū)，地震并非由水庫荷載直接誘發(fā)，主要是由于地下流體滲透引起的（Simposon et al，1988）。對于水庫載荷直接誘發(fā)的地震，震群活動可能與蓄水時間明顯相關(guān)，而對于地下流體滲透引起的地震，其地震活動與蓄水相關(guān)性相對較弱。對于金寨震群，周邊存在4個大型水庫和2座小型水電站，其中4座大型水庫均建于上世紀(jì)，其蓄水時間與此次震群活動時間相差較遠(yuǎn)，且這4座水庫與震中存在一定距離，震群活動前水位變化幅度與往年基本相同（黃顯良等，2015），因此認(rèn)為此次震群活動可能與這4個水庫相關(guān)性較小。據(jù)震區(qū)政府介紹，震群活動前后兩座小型水電站處于正常發(fā)電水平，水位變化幅度相對較小，但考慮到這2處小型水電站距離震群僅3km，其中關(guān)廟水電站于2012年建成蓄水，蓄水活動與震群活動相關(guān)性不顯著，且?guī)烊葺^小，因此金寨震群活動是否由關(guān)廟水電站庫水下滲誘發(fā)？如何確定該震群是否由庫水下滲引起是本研究的關(guān)鍵問題，前文中提到，水庫誘發(fā)地震具有區(qū)別于天然地震的特征，可以根據(jù)這些特征因素來進(jìn)行判定，主要包括震源深度淺、發(fā)震時間緊密、空間叢集、震區(qū)距離庫區(qū)較近等。

圖5 可識別sPL震相的16個地震事件的sPL與P波理論到時差

圖6 金寨臺（a）和商城臺（b）tsPL-tP與震源深度關(guān)系

一般來說，流體在斷裂帶中主要以裂隙滲流和孔隙滲流的方式運移，當(dāng)其通過裂隙進(jìn)入斷層時產(chǎn)生孔隙壓（Turcotte et al，1982）。在某一斷裂發(fā)育區(qū)域，若存在注水活動或水庫的庫水下滲時，可能會導(dǎo)致孔隙壓增大，從而使斷層面上積累的剪切力增大，當(dāng)增大至剪切力大于斷層面抗剪切強度時，斷層兩盤快速剪切錯動引發(fā)地震（繆淼等，2012）。劉遠(yuǎn)征等（2014）等基于注水誘發(fā)地震模型研究，認(rèn)為誘發(fā)地震首先發(fā)生在注水點附近，即注水點與首發(fā)地震位置是一致的。而水庫誘發(fā)地震與注水誘發(fā)地震均為流體誘發(fā)地震，其機理相似，則可以假設(shè)水庫誘發(fā)地震第一個發(fā)震位置為可能的虛擬“注水點”。劉遠(yuǎn)征等（2014）基于此種假設(shè)，對三峽水庫、小浪底水庫誘發(fā)地震進(jìn)行了分析研究。劉耀煒等（2011）基于Shapiro提出的注水觸發(fā)地震評價孔隙壓力擴(kuò)散系數(shù)的方法計算了龍灘水庫誘發(fā)地震的擴(kuò)散系數(shù)。劉遠(yuǎn)征（2014）基于Shapiro點源注水觸發(fā)地震活動的方法，描述了中強地震余震的分布過程，并計算出與注水、水庫誘發(fā)地震擴(kuò)散系數(shù)類似的參數(shù)，稱為擴(kuò)展系數(shù)。劉遠(yuǎn)征（2014）計算了意大利Umbria-Marche地區(qū)MW6.0、L'AquilaM6.3、青海德令哈MS6.6、青海海西MS6.8、九江MS6.7等地震序列的擴(kuò)展系數(shù)，從擴(kuò)展系數(shù)與三峽、小浪底水庫誘發(fā)地震擴(kuò)散系數(shù)的差異中可以發(fā)現(xiàn)地震的不同成因，這個結(jié)果有助于分析地震類型。一般來說，注水地震和水庫地震擴(kuò)散系數(shù)很小，中強地震余震擴(kuò)展系數(shù)較小，而強天然地震的擴(kuò)展系數(shù)大（劉遠(yuǎn)征等，2015）。

圖7 2014年4月20日霍山M S4.3（a）、2011年6月7日桐城M S3.6（b）的三分量位移記錄

在本研究中，可以通過計算金寨震群的擴(kuò)展系數(shù)作為其是否為水庫誘發(fā)地震的判斷標(biāo)準(zhǔn)。我們利用hypoDD方法對震群進(jìn)行重定位，在此基礎(chǔ)上計算該震群的擴(kuò)展系數(shù)。前文中提到，我們利用sPL深度震相對金寨震群部分地震的震源深度進(jìn)行了計算，得到這16個地震的震源深度主要分布在3.0～4.7km范圍內(nèi)?？紤]到利用深度震相sPL測定震源深度具有較高的精度，在利用hypoDD對震群重定位時，將利用深度震相sPL測定的結(jié)果作為這一系列事件的初始震源深度。在具體計算過程中，我們假設(shè)第一個地震發(fā)生的位置為虛擬注水點。同時，根據(jù)時間連續(xù)原則和空間集中原則來劃分誘發(fā)地震活動區(qū)域（Shapiro et al，1999；劉耀煒等，2011）。時間連續(xù)原則即要求所有的地震事件均發(fā)生在相對連續(xù)的時間窗內(nèi)，空間連續(xù)原則即所有的地震事件發(fā)生在相對集中的某個區(qū)域?；谏鲜黾僭O(shè)和要求，進(jìn)行擴(kuò)散系數(shù)的計算，計算得到擴(kuò)展系數(shù)D為0.27m2／s（圖8），這與劉耀煒等（2011）對龍灘水庫地震計算得到的擴(kuò)散系數(shù)（0.04～0.65m2／s）、劉遠(yuǎn)征等（2014）計算的三峽水庫地震擴(kuò)散系數(shù)（0.32m2／s）接近，均小于天然地震強余震的擴(kuò)展系數(shù)。由此說明，金寨震群可能為水庫誘發(fā)。從hypoDD得到的震源深度結(jié)果來看，多數(shù)事件的震源深度在5km左右，與我們利用深度震相sPL得到的結(jié)果較為接近。但相比于hypoDD計算得到的震源深度結(jié)果，深度震相sPL具有更高的精度，在本研究中震源深度主要采用深度震相sPL測定得到的結(jié)果。

圖8 金寨震群的擴(kuò)展系數(shù)

3 討論與結(jié)論

通過對金寨地區(qū)16個地震震源深度的計算，得到這一系列地震較為準(zhǔn)確的震源深度分布在3.0～4.7km范圍內(nèi)，比周邊的霍山MS4.3地震、桐城MS3.6地震的震源深度淺。從震中周邊50km范圍內(nèi)的地震活動來看，僅發(fā)生4次ML≥3.0地震，而此次震群活動在短時間內(nèi)就發(fā)生15次ML≥3.0地震，且震群發(fā)展在時間上密集、空間上叢集，同時在震群周邊還存在多處小型水庫。綜合上述特征，推測震群可能由周邊水庫誘發(fā)。然而，由圖5可知，震群的震源深度并未隨時間出現(xiàn)向下遷移的現(xiàn)象，且該震群周圍水庫容量較小，推測該震群受水庫庫容載荷誘發(fā)可能性較小，可能是與庫水下滲有關(guān)。因此，在前人的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)hypoDD定位結(jié)果計算震群的擴(kuò)展系數(shù)，擴(kuò)展系數(shù)的計算結(jié)果與劉耀煒等（2011）對龍灘水庫地震計算得到的擴(kuò)散系數(shù)（0.04～0.65m2／s）、劉遠(yuǎn)征等（2014）計算出的三峽水庫地震擴(kuò)散系數(shù)（0.32m2／s）接近，小于天然地震強余震的擴(kuò)展系數(shù)。

綜合震源深度較淺、發(fā)震時間緊密、空間叢集、歷史地震活動性較弱及擴(kuò)展系數(shù)來看，該震群可能與當(dāng)?shù)厮娬編焖聺B有關(guān)。然而，在本研究中，由于黃谷灘電站和關(guān)廟電站為小型民用水電站，無水位記錄，故尚無法給出震群活動時間與水電站蓄水間的聯(lián)系。