南海北部沿海地區地震活動與發震構造

夏少紅, 林江南, 曹敬賀

南海北部沿海地區地震活動與發震構造

夏少紅1, 2, 3, 林江南1, 4, 曹敬賀1, 2

(1.中國科學院 邊緣海與大洋地質重點實驗室; 中國科學院 南海海洋研究所, 廣東 廣州 510301; 2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州), 廣東 廣州 511458; 3.三亞中科海洋研究院, 海南 三亞 572100; 4.中國科學院大學, 北京 100049)

南海北部沿海地區位于華南陸塊與南海的交接地帶, 經歷了復雜的地質演化過程, 形成了典型的板內地震活動帶。本文通過收集研究區固定地震臺網記錄的地震數據, 開展了雙差走時地震重定位計算, 獲得了更為精確的地震震源參數。從地震活動的時空特征可知, 南海北部沿海地區地震活動較為活躍, 空間上主要形成了幾個典型的集群型震群, 如南澳島外海地震群、陽江地震群、新豐江水庫地震群以及海南島巖漿活動地震群等。時間上, 研究區每年地震活動的數量與分布模式基本穩定, 主要集中在典型的震群區, 其他地區零星分布較少的地震。典型震群區地震的分布主要集中在中上地殼(<20 km), 下地殼也偶有地震發生。但不同震群區地震的分布形態存在一定差異, 南澳島外海地震分布呈“L”型, 以NE向地震活動為主, 也存在NW走向的地震分布趨勢。陽江地區地震活動主要呈現南、北兩個震群, 其中南部震群主要呈近E-W向展布, 地震活動比北部震群更強烈; 北部震群覆蓋面積較小, 大體以S-N走向展布。新豐江水庫地震活動主要分布在貯水盆地的西北部和東南部兩個峽谷區, 其中約78%的地震集中在水庫大壩附近的峽谷區, 總體呈NW-SE走向; 西北部上游峽谷的震群在2010年以前很少被觀測到, 而2012年以后卻呈明顯增加趨勢。海南島地區地震活動主要呈現4個集群, 所有集群的震源深度都具有近垂直狀的通道分布特征, 表明海南地區地震活動與巖漿流體活動存在緊密關聯。同時, 通過對比分析典型震群區地殼結構和發震構造, 我們發現不同震群區發震構造差異性明顯, 南澳島外海與珠江口地區的地震主要受NE向和NW向交錯斷裂以及地殼內部薄弱層和下地殼高速侵入體的控制和影響; 新豐江水庫地震主要受斷裂帶內部流體活動和水庫靜水壓力的影響; 海南地震活動可能與地幔柱造成的淺表巖漿流體活動有緊密關聯。這些結果說明南海北部沿海地區發震構造與地殼結構的強烈非均質性有關, 不能用統一模式給予解釋, 各震群主要受當地局部構造和流體作用的影響。

南海北部; 地震活動; 地震群; 發震構造; 重定位

0 引 言

地震及其誘發的海嘯等自然災害作為人類目前最大的公敵之一, 具有突發性強、破壞性大、防御性難、次生災害頻發以及社會影響深遠等特征, 是全球各國極為關注的重要科學問題和災害性難題(Wang et al., 2011; Parker et al., 2011; Zhang and Engdahl, 2013)。根據板塊構造學和地震發生的位置, 全球地震可以分為板緣地震和板內地震。板緣地震是指發生在板塊邊界上的地震, 如板塊俯沖邊界上的蘇門答臘、智利和日本等大地震(Hayes et al., 2014; Bassett et al., 2016); 而板內地震是指由板塊運動引發的板塊內部的地震, 如我國大陸地區發生的汶川、玉樹等大地震(Wang et al., 2011; Parker et al., 2011)。板緣地震由于發生的位置集中、活動性強烈、大震頻繁, 在過去幾十年的研究中積累了大量的數據, 對其發震構造和機制取得了較好的理解和認識(Nishikawa and Ide, 2014; Herrend?rfer et al., 2015)。然而, 板內地震往往發生的位置比較分散、活動性相對較弱、構造環境差異性較大, 尤其是大震的頻度較低、震源機制復雜, 導致其研究程度相對較弱, 對其發震構造和機制的認識和理解還很粗淺, 因此目前很難預測到底會在什么地方發生多大震級的地震(Zoback, 2010)。由于板內地震大都發生在人口密集的大陸板塊內部, 一旦發生大震, 所造成的損失和危害性極其嚴重。

南海北部沿海地區位于華南地塊與南海的交接地帶, 經歷了極為復雜的地質演化過程, 不同走向斷裂系統非常發育(圖1)。自有歷史記載以來, 南海北部沿海共發生7級以上地震4次, 6級以上地震18次, 導致了嚴重的人員傷亡和財產損失(魏柏林等, 2001)。從地震臺網監測數據可知, 該地區現今的地震活動性仍然很強烈(圖1), 屬于典型的板內淺源地震, 具有較強的破壞性。廣東省防震減災“十二五”規劃指出, 60%沿海陸地面積位于地震基本烈度Ⅵ度區內, 25%位于地震基本烈度Ⅶ度區(主要分布在珠江三角洲及其近海地區); 珠江口外的擔桿列島及其附近海域、粵東潮汕地區、雷州半島南部地區位于地震基本烈度Ⅷ區, 這些高烈度區域是未來發生破壞性地震的潛在危險區(魏柏林等, 2000)。隨著《粵港澳大灣區發展規劃綱要》和《中國(廣東)自由貿易試驗區》的實施, 沿海海洋與海岸工程(如核電站、跨海大橋、郵輪碼頭等)、海島開發、海洋旅游規劃、涉海產業工程等建設項目日益增多, 開展南海北部沿海尤其是海域地震活動性特征、斷裂位置和空間形態特征、深部發震構造和強震觸發機制等科學問題的研究, 對于未來沿海城市規劃、重要海洋工程建設、抗震設防要求的確定等具有重要指導作用。

圖1 南海北部沿海區域地質構造及地震活動分布(據Steinshouer et al., 1999修改)

本文通過收集南海北部沿海地區固定臺站近7年的地震數據, 首先開展了地震的雙差走時重定位計算, 提高了地震定位的精度; 然后分析不同震源區地震活動的時空特征, 結合已有地殼結構探測結果和斷裂發育特征, 揭示該地區板內地震的發震結構與構造特征, 對比研究不同震源區發震構造差異性和流體在地震觸發中的作用。

1 區域地質概況

南海北部陸緣與南海海盆的擴張形成具有相同的區域應力場, 是南海張裂演化過程和構造特征保存最為完整的大陸邊緣, 也是晚中生代俯沖作用過渡到新生代南海海盆破裂、擴張這一重大構造事件的銜接點。晚白堊世?新生代, 南海北部陸緣經歷了多次張裂運動(Zhou et al., 1995), 巖石圈發生拉伸、減薄和斷陷, 形成了大陸架、大陸坡、大陸隆到深海海盆的海底地貌, 地殼厚度從南海北部沿海的30 km左右減薄到陸架區的20～27 km, 向海盆急劇減薄至6～8 km, 地殼類型從正常型陸殼、減薄型陸殼、過渡型地殼轉換為洋殼(Xia et al., 2010)。

南海北部沿海地區分布著一系列沉積盆地, 如南雄盆地、三水盆地、河源盆地、東莞盆地、茂名盆地及合浦盆地等新生代內陸斷陷盆地, 這些盆地往往繼承了燕山晚期特征, 并加以改造, 多沿NE向大斷層呈串珠狀排列, 盆地沉積類型復雜, 沉積環境多變, 主要為晚白堊世?古近紀陸相沉積(閆義等, 2005)。在南海北部的陸架和陸坡區, 自東向西發育了臺西南盆地、珠江口盆地、瓊東南盆地、北部灣盆地和鶯歌海盆地, 其中除了鶯歌海盆地與紅河斷裂帶的走滑運動有關, 其余均為張裂過程中的伸展斷陷型盆地(Zhou et al., 1995), 盆地構造以半地塹群及相間的隆起帶為特征(龔再升, 1997)。南海北部陸架和陸坡前新生代基底西段屬加里東褶皺帶, 主要由古生代海相沉積層組成, 受加里東運動影響發生褶皺和變質; 中?東段屬燕山褶皺帶, 主要由白堊紀花崗巖組成(周蒂等, 2006)。

受中、新生代區域構造轉換過程的影響和控制, 南海北部沿海斷裂構造十分發育(圖1), 主要分布有NE向、NEE向和NW向三組斷裂構造體系(劉以宣, 1981; 魏柏林等, 2000)。其中NE向斷裂主要形成于中生代, 燕山期斷裂活動強烈(劉以宣, 1981), 為古太平洋板塊對東亞殼體俯沖碰撞在陸緣形成的斷裂構造線, 沿斷裂發育大量中生代花崗巖和中酸性火山巖; 該組斷裂在中、新生代經歷壓剪性和張剪性的變化, 越靠近沿海其活動程度越高, 控制了許多大型山脈和水系的分布。NEE向斷裂主要形成于前中生代, 新生代由于南海海盆擴張, 該組斷裂復活, 強烈活動于新生代晚漸新世?上新世, 以張性正斷層為主, 兼有右行走滑特征(魏柏林等, 2000); 沿斷裂帶出現地塹、地壘、裂谷、斷陷盆地以及基性巖漿侵入體, 其主要控制了南海北部海岸線和新生代盆地的總體走向和分布, 有自海域向陸緣活動性減弱的趨勢。NW向斷裂形成時代較晚, 主要形成于燕山晚期或喜山期, 發育于中國東南沿海地區, 稱東南沿海斷裂系(劉以宣, 1981); 在新構造運動時期表現出較強的活動性, 多為蓋層至地殼斷裂, 往往錯斷NE向和NEE向斷裂, 新構造期以張剪性為主, 控制了第四紀斷陷盆地和沿海水系、港灣的發育。以上三組斷裂體系相互疊加和交織, 形成了南海北部陸緣獨特的斷裂構造格架。

2 數據與方法

通過南海北部沿海地區123個固定地震臺站資料(圖1), 我們獲取了2008～2014年共11391個本地地震走時數據, 這些地震事件至少被10個以上臺站記錄到。廣東省地震局首先采用Hyposat方法對這些地震開展了初始定位研究, 其結果顯示地震定位精度達到水平2 km以內、深度4 km以內的誤差范圍。

為了進一步提高地震定位的精度, 本次研究采用成熟的雙差走時定位方法(HypoDD; Waldhauser and Ellsworth, 2000), 對這些地震進行了重定位。HypoDD方法基于一個重要的前提, 即如果兩次地震之間的震源間隔相對于地震臺站距離和速度不均勻性的尺度較小, 那么這兩次地震到相同臺站的射線路徑都是相似的(Got et al., 1994; Waldhauser and Ellsworth, 2000)。在這種情況下, 在同一個臺站觀測到的兩個事件走時的差異可以歸因于震源之間高精度的空間偏移。因此, HypoDD重定位可以有效的減少地殼結構不精確所帶來的誤差, 因此在地震活動密集區開展地震重定位具極佳的效果。

在HypoDD重定位過程中, 需要預先整理出地震事件對和到時差數據, 根據123個臺站中記錄的11391個地震, 我們整理出了1550659個震相對的到時差數據, 其中有675596個是P波震相對, 875063個S波震相對。考慮到震相拾取過程中, P波到時往往比S波到時更為清晰, 拾取精度一般也高于S波; 所以在重定位過程中, P波權重被設置為1.0, S波權重則為0.75。定位過程中, 經過8次迭代之后, 震源位置和起始時間的變化趨于穩定, 水平方向變化小于30 m, 深度方向變化小于60 m, 起始時間變化小于5 ms。經過10次迭代后, 有11150個地震被成功重定位(圖2), 占初始地震數目約98%。雙差重定位后, 地震定位的精度得到較大改善, 所有地震定位水平方向的平均誤差為793 m, 垂向平均誤差為1143 m; 超過94.6%的地震走時均方根殘差小于0.4 s (圖3c)。

3 地震活動時空特征

南海北部沿海地區地震活動主要集中在20 km以淺的地殼中, 下地殼底部僅有零星地震發生, 絕大部分地震震源深度集中在3～15 km之間, 震級主要為?1.0～1.2(圖3), 屬于板內微小地震活躍帶。從HypoDD重定位的結果來看(圖2), 空間上南海北部沿海全域都有明顯的地震活動, 主要表現為部分地區地震密集且劇烈, 其他地區地震零星分布的特征。其中地震活動比較集中的地區有南澳島外海、陽江地區、河源新豐江水庫地區以及海南島地區, 這四個地區的地震活動占地震總數90%以上。整體的地震活動分布顯示, 不論是在震級上還是數量上研究區東、西兩側地區的地震活動明顯強于中部的珠江口及周邊地區。

圖2 雙差重定位后的地震分布圖

(a) 重定位地震的深度分布情況; (b) 重定位后地震震級的分布特征; (c) 重定位后地震的走時均方根殘差分布。

通過統計2008～2014年的地震活動, 我們發現南海北部沿海地區每年的地震活動空間分布總體特征比較一致, 每年地震基本上集中在南澳島外海、陽江地區和河源新豐江水庫地區等, 其他地區以零星散落分布為主。這說明南海北部沿海地區每年地震的活動態勢隨時間變化趨于穩定, 且不存在空間上明顯遷移的趨勢。

3.1 南澳島外海地震活動特征

南澳島外海地區位于南海北部東側, 距歐亞板塊和菲律賓海板塊俯沖碰撞交匯處較近(約300 km)。南澳島外海是受地震學家和社會極為關注的地震活躍區, 歷史上曾發生兩次7級以上地震, 分別是1600年7.0級地震和1918年7.5級地震(徐輝龍等, 2006), 這兩次大地震被認為均與南澳島外海發育的大型斷裂帶——濱海斷裂帶有關(徐輝龍等, 2006; Xia et al., 2020)。其中1918年7.5級地震還引發了海嘯, 造成了二次傷害(Lau et al., 2010)。1918年之后, 未有破壞性地震的記錄, 但中小地震每年均非常活躍。

南澳島外海地震的重定位結果顯示, 震源深度從2～25 km均有分布(圖4), 最集中震源深度為6～ 15 km,即震源深度集中在中地殼, 但下地殼也有零星分布。地震走向主要為NE向, 重定位后一部分地震具有NW向分布趨勢, 使得該地區地震活動表現出“L”型群集特征(圖4), 這種分布特征說明南澳島外海地震活動主要受NE向濱海斷裂帶控制, 部分受NW向斷裂控制。該地區群集性地震的震級主要集中在?0.6～1.8之間, 其中0～1震級的地震最多。

從近7年的地震活動來看, 南澳島外海地區每年地震活動在空間分布上趨于穩定, 地震活動主要集中在南澳島東南海域30～50 km之間, 均以NE向條帶狀為主要群集特征, 表明該地區受區域性應力場影響, NE走向的濱海斷裂帶在該段一直處于較為活躍的狀態。南澳島外海地區總體上每年監測到的地震數量相對穩定, 未出現爆發性增長和斷崖式下跌的情況, 平均每年可監測到200個以上地震事件。

3.2 陽江地區地震活動特征

陽江地區地震活動主要位于南海北部西側沿海地區。有歷史記載以來, 陽江地區最大地震為1969年7月26日發生6.2地震, 且中小地震十分活躍, 時常發生具有明顯震感的3級以上地震。重定位后的地震分布圖顯示(圖5), 陽江地區地震活動主要表現為南、北兩個地震集群, 其中北部集群覆蓋范圍較小, 平面上地震活動有S-N向展布趨勢; 南部集群位于濱海海灣地區, 規模明顯比北部大, 地震活動呈顯著的E-W向條帶狀分布特征, 1969年6.2地震位于南部震群的西端。陽江地區兩個震群震級主要分布在0.6～1.2級之間, 兩個集群的震源全部集中在中地殼(深度5～15 km)。與南、北兩個集群的中地殼震源分布特征明顯不同, 南部集群向北方向的海岸線附近發生有少量地震, 這些地震部分震源深度分布在20～22 km的下地殼。另外, 陽江地區在15～20 km深度極少有地震發生, 似乎形成了地震的深度空白區。

根據2008～2014年陽江地區每年地震活動的空間分布可知, 該地區每年地震活動均呈現為南、北部兩個震群分布特征, 且南部震群地震活動性強于北部震群。較為特殊的是, 2011年陽江北部震群區幾乎沒發生過地震。從每年監測到的地震數量上看, 陽江地區每年地震發生數量相對穩定, 并無明顯增長或下降的趨勢。

3.3 新豐江水庫地區地震活動特征

河源新豐江水庫位于廣東省中東部, 水庫上建有高105 m的混泥土大壩, 水庫容量為115×108m3。1959年10月新豐江水庫開始蓄水, 1個月后便開始發生地震, 其中1962年3月19日在大壩東北1 km處發生6.1級地震(圖6), 壩區地震烈度為Ⅷ度, 毀壞房屋數千間, 新豐江沿岸發生地裂、滑坡、塌方等地質災害, 對河源地區造成嚴重的傷害和破壞(左兆榮等, 1995)。作為世界上為數不多的誘發過6級以上地震的水庫之一, 新豐江水庫是廣東省地震活動最為頻繁的區域。現有地震觀測網數據顯示, 2008年1月到2012年8月近7年時間里, 河源新豐江水庫至少發生7269次地震, 這一地震數量是陽江地震密集區6倍以上, 也是南澳島外海地震數量約5.5倍。

圖4 南澳島外海地震活動分布

圖5 陽江地區地震活動分布

雖然地震數量多, 但>6.0地震在1962年之后沒有再發生過。大部分地震震級較小, 主要分布在?1.0～0.6之間, 時常也會爆發>4.0地震(圖6), 震源深度主要分布在3～12 km之間。根據重定位后的地震數據來看, 新豐江水庫地區震中主要分布在貯水盆地的上游(西北部)和下游(東南部)兩個峽谷區(圖6)。上游峽谷震群規模明顯比下游峽谷震群小, 統計結果顯示約78%地震集中在下游峽谷周邊(即東南部大壩附近的峽谷區)。新豐江水庫地震活動分布圖顯示, 上游峽谷震群更為集中, 形成了一個較集中的地震群; 下游峽谷集群的地震分布總體呈NW-SE走向, 主要表現為次一級的震群模式, 這些小震群深度分布也相對獨立, 彼此具有一些深部分布上的差異性, 深度從4～14 km發育大小不一的震群(圖6)。1969年6.1地震發生在大壩附近峽谷區的小震群邊緣。

根據收集到的地震觀測數據顯示, 新豐江水庫上游峽谷地震活動與大壩附近峽谷區存在差異。大壩附近峽谷區較大規模的震群從2008～2014年一直較為活躍, 且從2012年后開始出現指數型增長; 但是西北部上游峽谷的震群在2012年以前活動規模很小, 甚至在2010年都幾乎沒有觀測到地震, 2012年以后開始與大壩附近震群同步出現爆發性的數量增長。從歷年地震數量統計可知, 2012年以前新豐江水庫地區地震數目相對穩定, 約在300～400次之間; 2012年后卻出現爆發性指數增長。2014年前8個月地震數量已經是2013年約2.3倍, 是2008年約11倍; 且該地區爆發性地震增加也直接導致了整個南海北部地區2012～2014年地震數量指數型增長。

3.4 海南島地區地震活動特征

海南島及其周邊地區地震特征獨具特色(徐曉楓等, 2014), 主要表現在以下幾個方面: ①該區地震活動較強烈, 卻很少地震發生在該地區最大斷裂——紅河斷裂帶的海上延伸段; ②“震群型”和“雙震型”地震頻繁發生(謝振福, 2006); ③東方震群和北部灣的震源機制解中含有非雙力偶組分(周榮茂等, 1999a, 1999b); ④瓊北火山地震帶上存在巖漿侵入觸發地震的現象(Ji et al., 2015)。為了厘清海南及鄰區地震活動的獨特性及其受控機制, 本次研究收集了徐曉楓等(2014)利用HypoDD重定位的2000～2012年海南島及鄰區的地震數據, 并進行相關分析。整體上, 海南島及其周邊820個地震震級分布在0.3～4.3之間, 其中93%震級在3級以下; 震源深度從30 km到淺部0～1 km均有分布。最為獨特是海南島及其周邊震中分布表現為一簇簇大小不一的地震群特征, 我們對最為明顯的4個地震群進行了細致分析。

圖6 新豐江水庫地震活動分布

從海南島及周邊地震活動分布圖(圖7)可知, 震群1位于北部灣, 該區域廣泛被全新世OIB型火山巖層(<0.1 Ma)覆蓋(Li et al., 2013), 震中呈S-N向展布, 震源從深度22 km似通道狀連續分布到了近地表。震群2位于瓊北火山區, 震中沿S-N方向分布, 震源從深度約28 km一直連續到約1 km, 且在15 km深度形成了兩個分支。此外, InSAR數據也觀測到巖漿侵入導致地表變形, 并伴隨地震活動的現象(Ji et al., 2015)。在震群3地區, 震中呈NW-SE向展布, 震源深度從24 km起一直連續到近地表, 主要集中在10～15 km。張前等(2015)通過綜合地球物理和地質調查, 也識別出了軟流圈以上的侵入和隆升以及垂直的巖漿通道。震群4位于海南島東南濱海地區, 震中也呈NW-SE向展布, 縱向上呈似通道狀連續分布。總體上, 各個震群震源都存在從深到淺近似通道狀分布特征, 深度可從30 km連續到淺部0～1 km。似通道狀的震群活動特點表征了海南地區的巖漿流體活動通道, 暗示了地震活動受深部巖漿流體活動的影響(Lin et al., 2022)。

圖7 海南島及周邊地震活動分布

3.5 珠江口地區地震活動特征

珠江口地區積聚了粵港澳大灣區最重要的城市群, 該地區地震活動與地震災害一直是備受關注的重點地區。從重定位的地震活動分布看, 珠江口地區未發生長期性的集群地震活動, 僅有零星地震分布在珠江口海域及兩側地區。已有數據和研究顯示(圖8), 該地區在1874年曾發生過一次5級以上地震, 2006年也發生過一次4級地震, 這兩次地震均位于珠江口的擔桿島海域, 被認為與濱海斷裂帶在該段的活動性有關(Xia et al., 2018)。另外, 2020年1月5日在珠江口發生了一次L4.0級的有感地震, 這次地震與已探測的濱海斷裂帶存在一定的距離, 推測應該不是由濱海斷裂帶觸發, 而與該地區其他NE或NW向斷裂存在關聯(Chen et al., 2021)。因此, 珠江口地區雖然目前地震活動性不是很強, 沒有形成集群性地震特征, 但從已有地震活動的研究來看, 該地區NE向和NW向斷裂均具備觸發地震的可能性。

4 地殼結構與發震構造

地震探測揭示南海北部沿海地區的地殼結構非均質性強烈, 地殼厚度在28～34 km左右(Xia et al., 2015), 中地殼10～15 km深度廣泛發育有厚3～5 km左右的低速層, 其速度為5.5～6.0 km/s(廖其林等, 1988; 尹周勛等, 1999; Zhou et al., 2020), 低速層向海方向逐漸尖滅。南海北部沿海西側地殼結構相對復雜, 雷瓊坳陷區地殼厚約25～26 km, 大陸區沒有發現中地殼低速層, 反而在中地殼局部發育高速異常區, 而在下地殼卻有低速異常結構的存在(嘉世旭等, 2006)。針對南海北部沿海大陸地殼中廣泛發育的殼內低速層, 許多學者進行了深入研究, 認為巖石各向異性和流體作用可能是引起低速的主要原因(楊曉松和金振民, 1998; 周永勝和何昌榮, 2002; 趙明輝等, 2007; Zhou et al., 2020)。

圖8 珠江口及鄰近地區地震活動分布

物理模擬實驗結果表明, 殼內低速軟弱層的存在, 使層間相互作用更為復雜, 在塊體運動過程中有時會出現層間解耦, 一方面使塊體內深淺部斷層性質和活動方式不同, 另一方面為塊體局部運動以及應力集中、調整和釋放提供了條件, 對地震孕育起到了重要作用(李建國和周永勝, 1997), 這與本研究區約90%以上地震普遍發育在5～15 km深度現象相對應(圖2)。南海北部沿海陸域普遍發育的殼內低速層為脆性上地殼的軟弱夾層, 該軟弱夾層的存在使得地殼上部脆性層整體性降低, 在外力作用下軟弱夾層易于流動, 促使脆性層發生破裂引發地震(黎剛, 2006)。這從整體上能夠宏觀解釋本研究區的地震活動與地殼內部薄弱構造層的關聯性。

然而, 從地震分布特征可知, 研究區地震活動并不是均勻分布, 而是形成了一些集群性的震群分布態勢。不同震群區地震的發震構造是否相似或存在明顯差異, 這需要我們開展對比分析, 重點對各典型震源區開展地殼結構與發震構造的詳細研究。通過對南澳島外海開展反射和廣角地震探測(Xia et al., 2020), 我們厘定了NEE走向濱海斷裂帶和NW走向黃岡水斷裂在海底的發育位置和屬性特征, 確定了濱海斷裂帶作為海陸交互帶重要的邊界斷裂帶, 并造成了沉積基底大規模的垂直錯斷。三維地殼結構顯示南澳島海域地殼非均質性強烈(Xia et al., 2020), 尤其是上地殼包含諸多高、低速異常體, 反映了復雜的斷裂交叉構造所導致的上地殼破碎特性。該地區震群型微震活動主要發生在中地殼低速體(LVZ)或其附近的高?低速過渡區, 反映出該低速體作為殼內構造薄弱帶, 為海域震群的發生提供了適宜的構造條件。成像結果表明, 研究區中地殼低速體、濱海斷裂帶與黃岡水斷裂的交匯構造以及沿斷裂帶的高速侵入體交匯融合并形成了局部應力集結帶, 其為該地區主要的發震構造耦合體, 強烈影響并控制了該海域板內地震活動的發生。

同樣, 我們在珠江口海域也開展了反射和廣角地震探測, 反射地震剖面展示了濱海斷裂帶在該段發育清晰, 該斷裂帶造成了兩側基底的明顯錯斷(曹敬賀等, 2014; Xia et al., 2018)。2006年擔桿島4.0級地震發生在NE向和NW向斷層的交叉點附近。在擔桿島南部發現了上地殼中發育低速異常體, 而下地殼底部具有高速異常的侵入體結構, 1874年和2006年兩次擔桿島地震均發生在該低速異常體的邊緣。這些結果表明, 不同走向交叉的斷裂可能作為局部應力集中區, 并在其附近引起異常應力積聚。擔桿島南部下地殼侵入高速體反映了一個強而脆的凸起體, 它可進一步影響斷層的動力學, 改變斷層帶的應力, 導致地震破裂。此外, 流體可通過裂縫斷裂帶, 從而影響斷裂帶的長期結構和成分演化(Zhao et al., 2004)。這些影響將增強發震區的應力集中, 導致強凹凸體的機械破壞(Zhao et al., 2004), 從而可能導致大地震的成核。Cochran et al. (2009)推斷斷層損傷帶巖體強度很可能比圍巖弱, 有助于區域應變的局部化。斷層的應變局部化更能響應相對較小的應力變化(Cochran et al., 2009), 從而提高交叉斷層帶中易發生地震的可能性。因此, 我們推斷擔桿島海域交叉斷裂帶與下伏高速體之間的接觸帶是珠江口地區最有可能發生地震的地區, 這與目前的地震活動分布也是一致的。

陽江地區的地震活動主要發生在平岡斷裂和程村斷裂的交匯地帶, 表明其受交叉斷裂的控制和影響, 但也有例外。前人研究顯示, 1969年陽江6.2地震由NE向平岡斷裂的右旋走滑破裂引起(林群等, 2018)。相應的庫倫應力變化研究表明(Zhu et al., 2020), 1969年的陽江6.2地震以及1987年和2004年的兩次地震的庫倫應力變化呈現復雜的特征, 庫倫應力增加不僅發生在斷裂的尖端, 也發生在斷層的外側。大部分的余震發生在應力增加區, 且主要發生在淺部上地殼, 表明地震活動應該與深部地殼物性的異質性相關。通過Zhang and Wang (2007)的P波速度結構, 我們發現陽江地區的上、下地殼存在解耦, 形成了約3 km厚的低速層。由此, 我們認為該低速層的存在使得應力變化很難向深部傳播, 導致大部分地震發生在淺層上地殼, 僅有極少部分地震分布在下地殼(圖5)。綜上分析, 陽江地區平岡斷裂與程村斷裂的相交點或端點是應力易集中、且是最可能發生強震的部位, 低速層起到隔絕應力傳播的作用, 導致地震主要集中在上地殼。

新豐江水庫發震構造與前三者不同, He et al. (2018)利用三維走時成像的方法揭示該地區地殼復雜的p(橫波速度)和s(縱波速度)結構。三維速度結構顯示NE向河源斷裂、人字石斷裂和大坪?巖前斷裂的延伸深度不超過5 km, 且水庫下7～10 km的低速體可能反映了NW向沿水庫峽谷的深斷裂。結合前人的成像結果, 發現大部分地震分布在低波速或者高p/s值的邊緣地帶, 而不是在結構的中心區域, 表明地震應該是從斷裂帶外圍發生。根據前人在飽和干燥巖石p/s值的研究(Dixit et al., 2014; Gritto and Jarpe, 2014), 圍巖的p/s值對水極其敏感, 水的滲透可以顯著增加p/s值。從水庫蓄水前后地震大量增加以及地震主要分布在高p/s值的區域來看, 我們推斷水在觸發地震過程中起著重要作用。水庫蓄水后, 水開始滲進裂縫中, 增加孔隙壓力, 促進了地震的發生。地震后, 水可以更輕易地向開放的裂縫中滲透, 并將裂縫延伸到深部, 同時地震也逐步往深部延伸和遷移, 這也是很好地解釋了為何三組NE向斷裂延伸深度不足5 km, 而震群活動卻可以延伸到16 km。此外, 由于水的參與改變了圍巖的應力狀態, 也改變地震類型(He et al., 2018)。根據蓄水一個月后便發生大量地震和兩年多后(1962年)爆發6.1破壞性地震的客觀事實, 我們認為水的載荷和擴散效應在觸發6.1的地震中發揮了重要作用, 并導致小震的頻繁發生。

近年來, 大量的研究表明海南島存在地幔柱活動, 在層析成像中表現出起源于下地幔的低速異常(Huang, 2014; Xia et al., 2016), 在海南島和北部灣新生代晚期玄武巖的研究中, 表現為符合地幔柱起源的同位素地球化學特征(賈大成等, 2003; Zou and Fan, 2010)。眾多學者在海南地區的地殼結構研究也顯示, 該地區從深到淺廣泛存在低速通道, 如瓊北火山區(Lei et al., 2009)和海南東南濱海地區(Lin et al., 2022)。1605年海南瓊州7.5地震震源區地殼結構的研究表明, 其下方的低速異常體也是低阻、高導體, 且與現今地震活動存在較強的空間相關性(Hu et al., 2007; Huang, 2014; Ji et al., 2015)。在海南島外海1969年雙震震源區的地殼發震結構研究中, 我們發現1969年的兩個>5.0地震和現今的微震活動發生在低速異常體的邊緣, 且與深部的巖漿流體活動具有很好的對應關系(Lin et al., 2022)。此外, 海南及其周邊地區地震群活動在深度上都呈現明顯的近垂直狀的通道分布特征(圖7)。通過對每個震群周邊的地質、地球物理和地球化學資料的調查, 我們發現每個震群活躍區都存在明顯的巖漿活動痕跡。因此, 我們認為海南島及鄰區地震活動主要受海南地幔柱巖漿和流體活動的影響。巖漿或熱液流體可以通過溶解和改變各種礦物來削弱裂縫的壁, 導致斷層泥的孔隙率增加, 斷層減弱, 當斷層強度降低到臨界值, 則會觸發地震活動。斷裂在破裂過程中又會被壓實, 斷裂強度恢復(Hirakawa and Ma, 2016; Vavry?uk and Hrubcová, 2017), 因此地震周期性發生形成了海南地區的各個地震群。

5 結 論

通過收集南海北部沿海地區固定臺站記錄的天然地震數據, 我們利用雙差走時重定位方法開展了地震震源定位研究。結果顯示, 南海北部沿海地區地震活動主要以集群模式分布在南澳島外海、陽江、新豐江水庫以及海南島等不同區域, 其他地區僅零星分布, 地震活動的數量和空間分布模式隨時間沒有明顯變化。

(1) 南澳島外海震群呈“L”型分布特征, 以NE走向為主, NW走向為輔, 震源深度從2～25 km均有分布, 主要集中在6～15 km深度。該震源區的中地殼低速體、濱海斷裂帶與黃岡水斷裂的交匯構造以及沿斷裂帶的高速侵入體交匯融合形成了局部應力集結帶, 該集結帶是主要的發震構造耦合體, 強烈影響并控制了區域地震的發生。

(2) 陽江地區地震活動主要表現為南、北兩個集群, 其中北部集群覆蓋范圍較小, 平面上地震活動有S-N向展布趨勢; 南部集群規模明顯比北部大, 地震活動呈顯著的E-W向條帶狀分布; 兩個集群的震源深度全部集中在5～15 km。該震源區平岡斷裂與程村斷裂的相交點或端點是應力易集中且最可能發生強震的部位, 殼內低速層起到阻隔應力向下傳播的作用, 導致地震更多地集中在上地殼。

(3) 新豐江水庫地區地震活動主要分布在水庫西北部和東南部的兩個峽谷區。上游峽谷的震群規模明顯比下游峽谷的震群小, 約78%的地震集中在東南部水庫大壩附近的峽谷區。下游峽谷集群的地震分布總體呈NW-SE走向。該水庫震源區水的載荷和擴散效應在觸發6.1地震中發揮了重要作用, 并導致持續不斷的小震發生。

(4) 海南島及其鄰區地震活動主要表現為大小不一的地震群特征, 最明顯的有4個震群。各震群的震源深度均存在從深到淺的近垂直狀通道模式分布特征, 從30 km深度連續到淺部0～1 km, 這種特征暗示了該地區地震活動主要受海南地幔柱巖漿和流體活動的影響。巖漿或熱液流體可以通過溶解和改變各種礦物來削弱裂縫的壁, 導致斷層泥的孔隙率增加, 斷層減弱, 從而由深到淺觸發地震活動。

(5) 珠江口地區未發生長期性的集群地震活動, 僅有零星地震分布在珠江口海域及兩側地區。歷史記載該地區在1874年曾發生過5級以上地震, 2006年發生過一次4級地震。該地區不同走向交叉斷裂可能作為局部應力集中區, 同時下地殼侵入體作為一個強而脆的凸起體, 可能改變了斷層的動力學特征, 從而引發地震破裂。

致謝:本文的地震數據來自于廣東省地震局; 感謝中山大學王岳軍教授和張玉芝老師對本文的指導; 感謝中國科學院廣州地球化學研究所郭鋒研究員以及兩位匿名審稿專家提出了建設性修改建議。

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Seismicity and Seismogenic Structure in the Northern Coastal Area of the South China Sea

XIA Shaohong1, 2, 3, LIN Jiangnan1, 4, CAO Jinghe1, 2

(1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301,Guangdong, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou511458, Guangdong, China; 3. Sanya Institute of Oceanology, SCSIO, Sanya 572100, Hainan, China; 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The coastal area of South China belongs to the intersection of the South China Block and South China Sea (SCS), which has undergone a complex geological evolution and formed a typical intraplate seismic activity zone. In this work, the seismic data recorded by the permanent seismic network in the study area are collected and the HypoDD relocation is carried out to get the more accurate seismic source parameters. From the temporal and spatial features of seismic activity, it can be seen that earthquakes in the northern coast of the South China Sea are relatively intense, forming several typical earthquake clusters, such as the Nan’ao Island Offshore earthquake swarms, Yangjiang earthquake swarms, Xinfengjiang Reservoir earthquake swarms, and Hainan Island magma-induced earthquake swarms. The yearly number and distribution pattern of earthquake in the study area are stable, mainly concentrated in the several typical earthquake swarm areas with sporadic earthquake in the other regions. Typical earthquake swarms are primarily distributed in the middle and upper crust depths (<20 km), and fewer occur in the lower crust. However, there are certain different distribution patterns in various earthquake swarm areas. Many seismic events offshore the Nan’ao Island are L-shaped, and most of the earthquakes are gathered to form a NE-trending seismic zone with some distributed in NW trend. The seismic distribution in the Yangjiang area can be divided into the south cluster and the north cluster. The south cluster is ruptured along the near-EW direction, which is obviously more intense than the north cluster that covers a smaller area and generally scatters in the NS direction. In the Xinfengjiang Reservoir area, two canyon areas in the northwest and southeast of the water storage basin are the primary sites of seismic event. About 78% of earthquakes are located in the southeastern canyon area near the dam of the reservoir, showing an overall NW-SE trend; the quake swarm in the upstream canyon of the northwest was rarely observed before 2010, but significantly increased after 2012. Four distinct swarms are generated in and around the Hainan Island with nearly vertical channel distribution characteristics in focal depths, indicating that seismic activity in the Hainan Island is closely related to the magmatic fluid activity. Furthermore, by comparative analysis of the crustal structure and seismogenic structure in the different typical earthquake swarm areas, we discovered that the seismogenic structure varies in different earthquake swarm areas. The earthquakes that occurred off the Nan’ao Island coast and the Pearl River Mouth area are controlled and influenced by several factors including the NE and NW-trending intersecting faults, the weak layer in the crust, and high-velocity intrusions in the lower crust. The fluid activity inside the fault zone and the hydrostatic pressure of the reservoir are the main causes of seismicity in the Xinfengjiang Reservoir area. The Hainan Island seismic activity may be closely linked to the shallow magmatic fluid activity caused by a mantle plume. These results suggest that the seismogenic structure in the northern coast of ??the South China Sea is attributed to the strong heterogeneity of the crustal structure, which cannot be interpreted by a unified model, and each earthquake swarm area is principally controlled by the local structures and fluids.

north of the South China Sea; seismic activity; earthquake swarms; seismogenic structure; HypoDD relocation

2021-12-10;

2022-02-14

國家自然科學基金項目(U1701641、42076071)、南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)人才團隊引進重大專項(GML2019ZD0204)和海南省重點研發項目(ZDYF2020198)聯合資助。

夏少紅(1981–), 男, 研究員, 從事海洋地球物理方向研究。E-mail: shxia@scsio.ac.cn

P65; P511.2

A

1001-1552(2022)03-0455-016

10.16539/j.ddgzyckx.2022.03.004