2019-12-26湖北應(yīng)城MS4.9地震序列及發(fā)震構(gòu)造討論

吳海波 陳俊華 王 杰

1 中國地震局地震研究所地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測定，2019-12-26 18:35湖北省應(yīng)城市發(fā)生MS4.9地震，震中位置113.40°E、30.87°N(圖1)。本次地震地處江漢平原北緣，震感較為強(qiáng)烈，影響范圍較大，為湖北中部地區(qū)繼2006年隨州MS4.2地震后又一次中等強(qiáng)度地震，也為湖北省內(nèi)除水庫地震外近幾十年來非常顯著的地震事件之一，引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注。本次地震與隨州MS4.2地震均處于襄樊(襄陽)-廣濟(jì)(武穴)斷裂帶中段附近，而在襄樊-廣濟(jì)斷裂帶南段2005年和2011年還分別發(fā)生九江MS5.7與陽新-瑞昌MS4.6地震。對(duì)于傳統(tǒng)意義上的中國中東部少震弱震區(qū)域，這些地震的發(fā)生是否表明區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的改變，需對(duì)這些中等強(qiáng)度地震序列及發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行深入探討。為此，本文將從地震學(xué)與地質(zhì)學(xué)的角度對(duì)應(yīng)城MS4.9地震的序列活動(dòng)、震源機(jī)制解與發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行分析，該研究對(duì)認(rèn)識(shí)大別造山帶南緣江漢盆地現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場及預(yù)測評(píng)判未來地震災(zāi)害具有重要意義。

DBB：大別造山帶；YZP：揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)；JDB：江漢-洞庭盆地；YYS：應(yīng)云凹陷；XBS：小板凹陷；QJS：潛江凹陷圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景Fig.1 Tectonic setting of the study area

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

本次地震震中位于應(yīng)城、京山、天門交界地區(qū)，屬于江漢-洞庭斷陷盆地(JDB)東北緣，構(gòu)造上處于淮陽山字型西翼與新華夏系構(gòu)造復(fù)合地區(qū)，東北側(cè)以襄樊-廣濟(jì)斷裂為界與大別造山帶(DBB)相鄰，構(gòu)造活動(dòng)主要受這兩大構(gòu)造單元控制與影響。江漢-洞庭盆地基底主要為震旦-白堊紀(jì)地層，自早白堊紀(jì)開始，受到華北地塊與揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)碰撞造山作用演化影響，經(jīng)歷前陸、斷陷與坳陷等多期構(gòu)造活動(dòng)，形成現(xiàn)今一系列復(fù)雜的凹陷-凸起小構(gòu)造單元格局；新近紀(jì)以來，江漢盆地整體呈坳陷狀態(tài)，應(yīng)力環(huán)境以拉張為主[1]。劉鎖旺等[2]認(rèn)為，第四紀(jì)以來，盆地非對(duì)稱擴(kuò)張主要為控制著該區(qū)及周緣的北西、北東向斷裂走滑拉分或走滑擠壓構(gòu)造活動(dòng)引起的。徐杰等[3]認(rèn)為，區(qū)內(nèi)中強(qiáng)地震主要與第四紀(jì)垂直差異活動(dòng)有關(guān)。本次地震處于江漢盆地北緣應(yīng)云凹陷(YYS)西側(cè)，地形上位于大洪山與江漢盆地過渡地帶，北側(cè)在新生代強(qiáng)烈上升，南側(cè)凹陷大幅沉降，新構(gòu)造活動(dòng)垂直差異明顯。

應(yīng)云凹陷及周緣地區(qū)主要分布有NWW向和NNW向斷裂，其東北緣的NW向襄樊-廣濟(jì)斷裂為區(qū)域性深大斷裂，主斷裂切割元古界、震旦系和寒武系，基本沿秦嶺-大別造山帶南緣與中揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)2個(gè)構(gòu)造單元邊界線展布，其中段隱伏于第四系沉積物之下，斜切于震中區(qū)附近，為應(yīng)云凹陷北側(cè)邊界。西側(cè)被NNW向皂市斷裂切割，該斷裂北起京山，南至皂市東，轉(zhuǎn)向近NS向后隱伏于白堊系-第四系之下。皂市斷裂傾角上陡下緩，在上地殼底部斜切入襄樊-廣濟(jì)構(gòu)造帶內(nèi)，為秦嶺大別逆沖推覆體系所控制。應(yīng)云凹陷南側(cè)為龍賽湖弱凸起，該凸起北側(cè)發(fā)育多組相互平行的NWW向次級(jí)斷裂，包括長江埠斷裂與三合斷裂等，統(tǒng)稱長江埠斷裂，控制著應(yīng)云凹陷南側(cè)邊界，在地形地貌上表現(xiàn)為明顯的左行特征。研究表明[1,4]，長江埠斷裂同樣受秦嶺大別逆沖推覆體系控制，為襄樊-廣濟(jì)斷裂系次級(jí)小斷裂。在江漢盆地現(xiàn)今NWW-SEE向主壓應(yīng)力控制下，這些NW向斷裂構(gòu)造活動(dòng)以左旋走滑為主[2]。另外，本區(qū)另一條重要斷裂——NEE向潛北斷裂，西起鐘祥滾擋西，經(jīng)老泗港止于漁薪河以東，橫穿江漢盆地中部。斷層傾向SE，貫穿白堊系-第三系，并切割基底，為潛江凹陷(QJS)北部邊界。該斷裂第四紀(jì)以來仍有活動(dòng)，表現(xiàn)為正斷拉張?zhí)卣?圖2)。

圖2 地質(zhì)剖面解釋(據(jù)文獻(xiàn)[1, 4]改編)Fig.2 Interpretation of geological profile

2 震源機(jī)制解

2.1 方法與數(shù)據(jù)

震源機(jī)制解是討論發(fā)震構(gòu)造的重要手段之一，其求解方法主要有P波初動(dòng)符號(hào)法、P波與S波振幅比法、體波或面波波形擬合法等。前2種方法受到臺(tái)站分布、數(shù)量、震中距、輻射花樣及節(jié)面判定等因素影響，而體波或面波波形擬合法受到的影響相對(duì)較少，被廣泛應(yīng)用于中等以上地震震源機(jī)制解求解[5-7]。本文采用kiwi波形擬合法，先反演主震的矩張量解，再求其震源機(jī)制解。地震矩張量及kiwi方法的基本原理可參考文獻(xiàn)[8-9]。該方法將整個(gè)震源過程簡化為包含13個(gè)獨(dú)立參數(shù)的“程函”模型，從頻率域和時(shí)間域進(jìn)行求解。由于在頻率域反演中振幅譜對(duì)近場地殼速度結(jié)構(gòu)的不均勻性不敏感，在更高頻率仍可得到穩(wěn)定解，因此可充分利用地方臺(tái)波形數(shù)據(jù)來求解更低震級(jí)地震的震源機(jī)制。

本文反演資料來自湖北省測震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶波形數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)臺(tái)站地震計(jì)頻帶寬度為40 Hz～60 s，速度輸出平坦。由于震中周邊臺(tái)站較多，按以下原則選取臺(tái)站：1)臺(tái)站間隙角較均勻，震中距小于200 km；2)波形數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，各信道在濾波頻率范圍內(nèi)信噪比大于100。最終選取10個(gè)臺(tái)站參與反演(圖3)。反演前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去儀器響應(yīng)、帶通濾波等預(yù)處理，降低波形中各類噪聲對(duì)結(jié)果的影響。

圖3 震中周邊臺(tái)站分布Fig.3 Distribution of stations around the epicenter

2.2 區(qū)域速度結(jié)構(gòu)模型

區(qū)域地殼速度結(jié)構(gòu)模型對(duì)矩張量反演結(jié)果具有一定影響。從反演臺(tái)站的分布范圍來看，主要覆蓋江漢盆地及周緣地區(qū)，地殼地層結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，淺表沉積層較厚。該地區(qū)地殼平均厚度約33 km，主要結(jié)構(gòu)分為上、中、下3個(gè)主層與3個(gè)亞層[10-11],見圖4。該區(qū)地殼的明顯特征是在其中部約14～21 km處存在低速層，這一結(jié)果在不同人工地震測深剖面或研究成果中均有體現(xiàn)[2, 10-11]。

2.3 矩張量解結(jié)果

經(jīng)頻率域與時(shí)間域反演后，得到應(yīng)城MS4.9地震的震源機(jī)制解(表1)。從表中可以看出，節(jié)面Ⅰ走向50°，傾角84°，滑動(dòng)角150°；節(jié)面Ⅱ走向144°，傾角60°，滑動(dòng)角6°；破裂性質(zhì)為走滑兼少量逆沖成分，殘差為0.449，矩震級(jí)MW4.6。圖5為矩心深度、節(jié)面走向、傾角與滑動(dòng)角殘差擬合曲線。從圖中可以看出，曲線變化較為穩(wěn)定，觀測波形與理論擬合波形一致性好，反映出反演結(jié)果可靠性高。另外，采用震中周邊42個(gè)臺(tái)站P波初動(dòng)符號(hào)求解震源機(jī)制解(表1)，矛盾符號(hào)比為0。2種方法求解的節(jié)面產(chǎn)狀與破裂方式一致性較好，從另一個(gè)方面也證明了反演結(jié)果的可靠性較好。

圖4 震中區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)Fig.4 Crustal velocity structure

黑線：理論波形；紅線：觀測波形圖5 深度與節(jié)面產(chǎn)狀殘差曲線以及觀測與擬合波形比較Fig.5 Residual curves of depth and plane parameters and comparison of observed and theoretical waveform

表1 應(yīng)城MS4.9地震震源機(jī)制解

3 發(fā)震構(gòu)造討論

3.1 余震序列重新定位與震中烈度

應(yīng)城MS4.9地震序列余震很少，截至2020-01-25僅記錄到10次，無法使用雙差定位法進(jìn)行重新精定位。另外，由于最近臺(tái)站的震中距達(dá)70 km，沒有與震源深度相當(dāng)?shù)呐_(tái)站對(duì)深度進(jìn)行約束，震源深度定位精度較差。為了得到穩(wěn)定可靠的結(jié)果，本文統(tǒng)一使用上述地殼速度模型，選用最近的9個(gè)包圍較好的臺(tái)站(圖3)與相同分析方法的震相，采用HYPO2000方法對(duì)地震序列進(jìn)行重新定位。從表3和圖6可以看出，本次地震序列集中分布在皂市斷裂南段與長江埠斷裂之間，東南止于龍賽湖弱凸起西北側(cè)，主震處于余震序列西側(cè)，余震數(shù)量少，但重新定位結(jié)果仍具有NW向展布趨勢(shì)，與兩斷裂走向大體一致。根據(jù)湖北省地震局現(xiàn)場工作隊(duì)的調(diào)查結(jié)果，本次地震主震的宏觀震中位于應(yīng)城市楊嶺鎮(zhèn)明光村一帶，與重新定位后的儀器震中位置基本一致，震中烈度為Ⅵ度，等震線總體呈橢圓狀，長軸走向?yàn)镹W向，即沿長軸方向烈度衰減較慢，其與皂市斷裂和長江埠斷裂走向均不完全一致，而是介于兩者之間。主震烈度等震線與余震展布方向均表明，本次地震序列可能同時(shí)受到這2條斷裂的控制與影響。

圖6 重新定位地震序列分布圖與震中烈度Fig.6 Distribution of relocated earthquake sequenceand intensity of epicenter

表2 應(yīng)城MS4.9地震序列目錄(ML≥1.5)

3.2 震源機(jī)制解分析

震源機(jī)制解反演結(jié)果表明，節(jié)面Ⅰ走向NE，傾向SE，傾角較陡、近直立，表現(xiàn)為右旋走滑性質(zhì)；節(jié)面Ⅱ走向NNW，傾向SW，為左旋走滑性質(zhì)。地震主壓應(yīng)力P軸為NWW向，傾角近水平；主張應(yīng)力T軸近NS向，傾角也較小。節(jié)面Ⅰ走向與余震分布和烈度等震線長軸方向不一致，盡管與潛北斷裂走向和傾向相近，但與其正斷性質(zhì)的受力方式存在差異，因此可排除該節(jié)面為發(fā)震斷面的可能性。節(jié)面Ⅱ?yàn)镹NW向，與烈度等震線長軸方向和重新定位余震分布走向均基本一致，也與皂市斷裂和長江埠斷裂走向相近，但不完全一致，同時(shí)節(jié)面Ⅱ傾向也與上述斷裂存在差異。

由于受到秦嶺大別逆沖推覆體系的影響，震區(qū)附近斷裂活動(dòng)整體表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)，序列東側(cè)長江埠斷裂具有左旋滑動(dòng)特征，與主震節(jié)面Ⅱ滑動(dòng)方式一致，西側(cè)皂市斷裂也具有左旋滑動(dòng)特征。由于長江埠斷裂和皂市斷裂走向不同，兩者之間產(chǎn)生逆時(shí)針錯(cuò)轉(zhuǎn)，使得主震滑動(dòng)面走向與2條斷裂走向均不完全一致，大體位于2條斷裂走向夾角中間方向。在這一受力方式作用下，發(fā)震斷面傾向也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，與實(shí)際斷層傾向存在差異，余震主要分布在主震右側(cè)(長江埠斷裂一側(cè))，反映出地震序列受長江埠斷裂作用較明顯。另外，從圖2可知，這些斷裂均上陡下緩，約在5 km深度處發(fā)生轉(zhuǎn)折，而反演的主震矩心深度正處于該位置，即主震處于深部斷層面轉(zhuǎn)變較為劇烈的區(qū)域，在特殊受力方式下容易產(chǎn)生地震斷面與實(shí)際斷層斷面不一致的現(xiàn)象。2019-06-17長寧6.0級(jí)地震同樣也為處于山地與盆地結(jié)合地帶的淺層地震，波形擬合矩心深度僅3 km，也存在節(jié)面傾向與實(shí)際斷層傾向不一致的情況。易桂喜等[12]研究認(rèn)為，這種差異與斷層面復(fù)雜的幾何形態(tài)有關(guān)，特別是在構(gòu)造變形轉(zhuǎn)換區(qū)的地殼淺層，當(dāng)受到橫向各向異性作用力時(shí)更復(fù)雜。從上述分析可推測，本次地震序列為皂市斷裂和長江埠斷裂構(gòu)造活動(dòng)共同引起，上述2條斷裂為本次地震序列的發(fā)震構(gòu)造。

3.3 區(qū)域構(gòu)造及應(yīng)力場分析

應(yīng)城MS4.9地震震中位于江漢盆地北緣應(yīng)云凹陷內(nèi)，為山盆構(gòu)造變形轉(zhuǎn)換地區(qū)，同時(shí)該區(qū)存在隱伏斷裂，使區(qū)域構(gòu)造更為復(fù)雜。除襄樊-廣濟(jì)斷裂、皂市斷裂與長江埠斷裂外，周邊還發(fā)育潛北斷裂、天門河斷裂、漢水?dāng)嗔选⑼ê？跀嗔训龋@些斷裂在應(yīng)云凹陷的形成與演化過程中均具有相應(yīng)作用，控制著該區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)與中強(qiáng)地震的孕育與發(fā)生。2006年隨州MS4.2地震發(fā)生于皂市斷裂西北端與襄樊-廣濟(jì)斷裂交界地帶北側(cè)，李峰等[7]研究認(rèn)為，該地震是在NE向主壓應(yīng)力作用下，襄樊-廣濟(jì)斷裂帶及其次級(jí)構(gòu)造破裂所引起的；地震破裂表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)，為隨應(yīng)推覆體的逆沖構(gòu)造活動(dòng)。本次地震發(fā)生在皂市斷裂東南端與長江埠斷裂之間，但斷面產(chǎn)狀和主應(yīng)力方向與隨州地震明顯不同(表2)，破裂方式以走滑為主，主壓應(yīng)力方向存在明顯差異，前者為NWW向，后者為NE向，反映出該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的復(fù)雜性。

從區(qū)域構(gòu)造來看，皂市斷裂與長江埠斷裂均斜切入襄樊-廣濟(jì)斷裂帶內(nèi)部，本質(zhì)上仍屬于襄樊-廣濟(jì)斷裂帶推覆體系的次級(jí)分支，因此本次地震仍為襄樊-廣濟(jì)斷裂帶中段的構(gòu)造活動(dòng)。主震主壓應(yīng)力P軸NWW向及主張應(yīng)力T軸NNE向與江漢盆地現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場方向一致[2]，反映出本次地震實(shí)質(zhì)上仍是在江漢盆地及其周緣現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場控制下的正常構(gòu)造活動(dòng)。另外，震源機(jī)制解中，主壓應(yīng)力P軸傾角較低，這種動(dòng)力方式與2000年以來湖北地區(qū)多次中等或中強(qiáng)地震的發(fā)震模式相近，包括竹山斷裂與青峰斷裂附近的2008年竹山MS4.1地震[13]與2014年房縣MS4.0地震，襄樊-廣濟(jì)斷裂帶附近的2005年江西九江MS5.7地震[5]、2011年陽新-瑞昌MS4.6地震[6]，以及三峽庫區(qū)2013年巴東MS5.1地震、2014年秭歸MS4.5、MS4.7地震、2017年秭歸MS4.3地震等，同時(shí)也與區(qū)域現(xiàn)今GPS水平速度場方向一致[14]，反映出湖北地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場的主體特征。

4 結(jié) 語

通過綜合分析主震震源機(jī)制解、余震分布、烈度等震線、震源深度以及區(qū)域構(gòu)造和應(yīng)力場特征，推斷襄樊-廣濟(jì)斷裂帶中段的次級(jí)斷裂——皂市斷裂與長江埠斷裂構(gòu)造活動(dòng)共同引發(fā)此次應(yīng)城地震序列活動(dòng)，為本次地震發(fā)震構(gòu)造。2008年汶川8.0級(jí)地震前后，襄樊-廣濟(jì)斷裂帶中南段曾相繼發(fā)生2005年九江MS5.7地震、2006年隨州MS4.2地震、2011年陽新MS4.6地震等一系列中強(qiáng)地震，應(yīng)城MS4.9地震的發(fā)生表明，大別造山帶南側(cè)現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)仍較明顯，未來需繼續(xù)關(guān)注襄樊-廣濟(jì)斷裂帶主斷裂及其與次級(jí)斷裂的交匯轉(zhuǎn)折部位。

致謝：德國Hamburg大學(xué)地球物理研究所Cesca博士提供kiwi程序包，甘家思研究員與審稿專家提出意見與建議，在此一并表示感謝。