巴东Ms5.1地震成因研究*

陈俊华 陈正松 蒋玲霞 吴海波 乔岳强 贾治革

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)湖北省地震局，武汉 430071

巴东Ms5.1地震成因研究*

陈俊华1，2)陈正松1，2)蒋玲霞1，2)吴海波1，2)乔岳强1，2)贾治革1，2)

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)湖北省地震局，武汉 430071

2013年12月16日巴东县发生Ms5.1级地震，震中区记录到大量余震，余震的频次、强度随时间呈起伏衰减。地震在空间上近NEE向分布，集中于高桥断裂南端及大坪断裂附近，ML2级以上地震的震源深度分布在5～7 km之间。综合震中区的地质构造背景及时序分析、地震精定位、地震频谱分析及震源机制解等研究结果判定巴东Ms5.1地震为层间滑脱型水库地震。

地震序列;精定位;震源体;频谱;震源机制

巴东Ms5.1地震是三峡水库区湖北库段连续第4年成功蓄水到175 m水位后记录到的最大一次地震，蓄水至175 m之前该库段记录到的最大水库地震仅为2005年 ML3.5［1］。地震发生后，震中附近记录到大量余震，本文通过对Ms5.1地震序列进行时序分析、地震精定位、震源参数分析，结合该地区的地震地质背景，对地震成因进行了初步分析。

1 巴东Ms5.1地震序列时序特征

巴东5.1级地震的余震震级在 ML0.2～ML3.6范围内，以 ML0.5～ML2.5次数最多，最大余震ML3.6发生在主震后第35 d。高水位运行期间，地震序列的强度频次较高，地震序列余震发育，地震日频次和地震强度呈起伏状衰减(图1)。

根据震级-频度关系［2－3］，本次地震序列拟合的a值为3.302 1，表现出地震序列的活动水平以微震、极微震为主;b值为0.835 8，大于一般构造地震，表现为水库地震特征。

图1 三峡坝前库水位与地震参数图Fig.1 Map of the Three Gorges reservoir water level and earthquake parameters

2 震源体及ML2.0以上地震迁移过程

根据三峡数字遥测地震台网茅山岭、淹水塘、梅花山、百佛寺及郑家坪等5个台站的震相数据，采用单纯形法对Ms5.1地震序列的ML2.0以上地震进行精确定位，精度为Ⅰ类，地震震中在平面上的展布方向为NEE向，长度约13 km，宽度约3 km，主要位于大坪断裂的上盘及高桥断裂的下盘，主震距大坪断裂不到2 km，距高桥断裂约8 km，震中区出露地层主要为巴东组T2b和侏罗系J1。ML2.0以上地震的深度分布在5 km至7 km之间，平均震源深度约5.8 km(图2)。

地震序列的能量主要于主震发生的当天在近EW 向、长度约9.9 km、宽度约1.4 km、深度在5～7 km的范围内释放，随后的1个月地震还是在这个范围活动，之后5 d略向东北方向迁移，最后又回到原震源体范围内释放后续的区域应力调整的能量。

图2 地震深度分布图Fig.2 Map of focal depth

3 主震类型分析

根据三峡库区构造型和塌陷型地震波形统计特征，库区构造型地震的P波垂直向初动有向上也有向下，塌陷型地震在所有的方位上P波垂直向初动基本向下;构造型地震事件的P波和 S波拐角频率绝大多数在5.0 Hz以上，塌陷型地震 P波、S波拐角频率主要在3.0 ～5.0 Hz之间，巴东地区地震的拐角频率更低［4－5］。

三峡遥测地震台网和湖北省数字台网对主震Ms5.1有44个P波初动的清晰记录，其中初动向上的有25次，初动向下的有19次，近台以初动向下居多，远台以初动向上居多。

选用湖北省遥测地震台网的兴山台记录的Ms5.1地震波形进行频谱分析，兴山台位于Ms5.1的NE方向，震中距49 km。其记录波形的水平向和垂直向优势频率分别为1.9和0.4 Hz，两方向的频率在0.1～10 Hz之间，高频成分不发育，衰减较快，峰值频率分别为0.4和0.6 Hz，拐角频率分别为1.4和1.2 Hz(图 3)。

波形和频谱特征分析表明巴东Ms5.1主震的近台记录以P波初动向下居多，优势频率偏低，频率较单一，高频成分不发育，拐角频率低于1.5 Hz，与塌陷型水库地震接近。

4 主震震源机制解分析

依据三峡遥测地震台网及湖北省地震台网近台P波初动求解震源机制解如图4。巴东Ms5.1地震的断层节面1走向117°，倾角28°，滑动角 －136°;断层节面2走向347°，倾角71°，滑动角 －68°。在NNE向的主张应力和NNW向的主压应力作用下，具有正断倾滑性质，2条节理面与震中区域最近的NE向高桥断裂及近EW向大坪断裂的断层走向不一致，推断其与塌陷诱发地震常有的拉张型正断错动性质相似。

图3 兴山台记录的Ms5.1地震频谱Fig.3 The spectrum of Ms5.1 earthquake recorded by Xingshan station

图4 巴东Ms5.1地震震源机制解结果Fig.4 Focal mechanism solution of Badong Ms5.1 earthquake

三峡水库蓄水之前，根据文献［6－7］的研究，巴东地区的现代地壳构造应力场主要受黄陵背斜的影响，在黄陵背斜以西地区，主压应力为NNWSSE方向，主张应力为NE-SW方向;NNW和NNE走向的两组断裂分别显示为右旋走滑和左旋走滑活动。震源错动性质为:NNW向的节面以右旋走滑为主;NE向的节面则以左旋走滑为主。巴东Ms5.1地震震源机制解的主张应力走向及主压应力走向与蓄水之前巴东区域的构造应力场背景有近似性。

5 成因讨论

巴东Ms5.1地震等震线长轴呈近EW-NWW向展布，长轴约 3.9 km，短轴约 2.4 km，面积约 7.7 km2［8］。地震位于长江左岸，距长江干流约4.3 km，距三峡大坝约66 km。主震之后，截至2014-02-10，共记录到ML0以上余震481次，其中，ML0～1.9地震436次，ML2～2.9地震41次，ML3～3.9地震4次，最大余震为2014-01-20巴东东瀼口 ML3.6地震，位于Ms5.1主震的NW向2.4 km处，另外3次ML3以上余震均发生在主震西部。

震中区的地震主要呈NEE向带状分布穿越神农溪和东瀼河，绝大部分地震位于长江左岸(图5)。震中区及其周边区域地质构造复杂，主要分布以NE向的高桥断裂及NEE向的周家山-牛口断裂为主，其次为近EW向的大坪断裂及马鹿池断裂。

高桥断裂全长40 km，断裂总体走向NE 45°～60°，倾向 SE，倾角 50°～65°;断裂破碎带一般宽 50～100 m，局部可达650 m，由主断面和多条分支断面组成，破碎带内部主要为次级褶皱带、碎裂岩带、断层角砾岩带及断层泥;断裂带已深切至结晶基底，两盘断差1 500 m，构造变形强烈，各类构造岩均较发育;断裂活动兼有左旋走滑和逆冲运动的性质［7］。

大坪断裂长约7 km，走向东西，倾向南，倾角60°～70°，地表切割三叠系巴东组地层，东段和西段相对落差约700 m。该断裂具有清晰的线性影像，但断层两侧(上下盘)山原期地貌面没有明显差异，因此判定断裂线性影像属构造岩和破裂带被侵蚀、溶蚀所致，属前第四纪断裂［8］。

以上断裂构造总地来说产状较陡，破碎带较宽并切割不同时代的地层和构造单元。

巴东库段及其周边区域地表出露岩层主要为三叠系下统嘉陵江组、中统巴东组，为弱透水和不透水地层，但地层破碎、裂隙发育，地层厚度一般有几km，整个沉积盖层厚 5 ～7 km［1，8－9］。Ms5.1 级主震位于三叠系中统(T2)巴东组与侏罗系下统(J1)地层交界处，主要岩性为紫红色泥岩、砂岩、微晶灰岩、页岩夹煤线;余震主要分布在三叠系中统巴东组紫红色砂岩、泥岩以及上统嘉陵江组的灰岩区内。依据奉节-秭归复向斜两翼古生界至新元古界地层调查资料，震中区地层自上而下为:中三叠统-石炭系(T2-C)，厚约3.25 km，碳酸盐建造为主;泥盆系-志留系(D-S)，厚约1.5 km，泥砂质建造为主;奥陶系-震旦系(O-Z)，厚约1.5 km，碳酸盐建造为主;再其下则为川中式结晶基底。神农溪和东瀼河两岸近EW向和NE向褶曲构成走向近EW向的背斜、向斜相间构造。区域多见各种岩溶地貌，沿着背斜轴部发育有近EW向和NEE向的地下暗河。牛口以上往西至东瀼口一带地层层面与长江谷坡一致向南倾，利于库水沿岩溶裂隙、断层层面向纵深渗透并积蓄应力［8，10－11］。

图5 巴东Ms5.1地震序列震中分布图Fig.5 Distribution map of Badong Ms5.1 earthquake sequence

震中区位于地层较为破碎的岩溶发育地区，地下暗河发育。大坪断裂在研究区中的产状较陡，破碎带较宽并切割不同时代地层和构造单元，地下水通过断裂带附近或岩溶区已有的岩石裂隙流动或渗入，并直接与岩石发生作用。地下岩体内的裂隙水对石膏层、软弱岩层、岩溶带进行溶蚀(软化)或腐蚀，使其强度降低，裂隙层面失稳或滑脱，形成临空面。在重力荷载作用下，断裂上盘下端应力集中，向下滑垮(塌)而地震。

6 结论

1)巴东Ms5.1级地震及其余震主要分布在巴东组灰岩区内。主震是在175 m高水位运行期发生的，距离长江干流4.3 km，与水库蓄水相关。震中区断裂构造多为张性，为库水向纵深渗透提供了条件。

2)巴东Ms5.1地震余震频繁，频度和强度呈起伏状衰减;b值约为0.835 8，具有水库诱发地震的特征;ML2.0以上地震的震源深度多数在5～7 km的结晶基底附近。

3)从波形和频谱特征上，巴东Ms5.1主震的近台记录以P波初动向下居多，优势频率偏低，频率较单一，高频成分不发育，拐角频率低于1.5 Hz，与塌陷型水库地震接近。

4)巴东Ms5.1地震的震源机制解显示本次地震主张应力方向为 NNE方向，主压应力方向为NNW，近台P波初动震源机制解结果为正断倾滑型，与塌陷诱发地震常有的拉张型正断错动性质相似。

5)通过地震学参数结合震中区的地质构造条件综合分析认为，巴东Ms5.1级地震是层间滑脱型水库地震。

1 陈俊华，等.湖北巴东东瀼口地区地震活动特征研究［J］.大地测量与地球动力学，2006(3):97－104.(Chen Junhua，et al.Seismic activity characteristics in Dongrangkou area，Badong country of Hubei Province［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006(3):97 － 104)

2 焦远碧.地震序列类型、地震序列b值与地震大形势关系初探［J］.地震，1998，18(1):33 －40.(Jiao Yuanbi.Study on types of earthquake sequences and relation between b-value of earthquake sequences and long-term tendency of strong earthquakes［J］.Earthquake，1998，18(1):33 －40)

3 国家地震局震害防御司.地震工作手册［Z］.北京:地震出版社，1992.(State Seismological Bureau of Earthquake Defense Department.Seismic work manual［Z］.Beijing:Seismological Press，1992)

4 张丽芬，等.三峡库区构造和塌陷地震的拐角频率特征［J］.大地测量与地球动力学，2013(2):27 －30.(Zhang Lifen，et al.Corner frequency characteristic of tectonic earthquakes and collapsed ones in Three Gorges region［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2013(2):27 －30)

5 姚立珣，等.岩体裂隙充水后对拐角频率的影响［J］.西北地震学报，2004，26(4):315 －321.(Yao Lixun，et al.Influence of impregnated rock mass on the corner frequency［J］.Northwestern Seismological Journal，2004，26(4):315 －321)

6 刘锁旺，甘家思，薛宏交.长江三峡地区的构造应力场与地震活动［J］.地震地质，1983，5(1):29 －41.(Liu Suowang，Gan Jiasi，Xue Hongjiao.Tectonic stress field and seismicity in the Three Gorge region on the Changjiang river［J］.Seismology and Geology，1983，5(1):29 －41)

7 夏金梧，等.三峡工程库首区高桥断裂特征与地震活动性研究［J］.大地测量与地球动力学，2008(2):8－15.(Xia Jinwu，et al.Study on characteristics and seismic activity of Gaoqiao fault in head area of Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008(2):8 －15)

8 湖北省地震局.巴东 Ms5.1地震现场考察报告［R］.2014.(Earthquake Administration of Hubei Province.The field investigation report of the Ms5.1 Earthquake in Badong area［R］.2014)

9 陈俊华，等.水库断层岩溶带地震波波速比研究［J］.人民长江，2011，42(3):23 －26.(Chen Junhua，et al..Study on wave velocity ratio of fault Karst zone of reservoir［J］.Yangtze River.2011，42(3):23 －26)

10 许崇宝，钱进，孙立新.岩溶裂隙发育带地震解释方法研究［J］.工程地球物理学报，2008，5(2):148 －151.(Xu Chongbao，Qian Jin，Sun Lixin.Research on seismic interpretation method of Karst-fractured zone［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2008，5(2):148 －151)

11 程万正.高烈度区的水库地震问题［J］.国际地震动态，2013，412(4):10 － 18.(Cheng Wanzheng.The reservoir induced earthquake problem in the high intensity area［J］.Recent Developments in World Seismology，2013，412(4):10－18)

致谢 感谢姚运生研究员和甘家思研究员提出的宝贵意见和建议!

ON CAUSES OF BADONG Ms5.1 EARTHQUAKE

Chen Junhua1，2)，Chen Zhengsong1，2)，Jiang Lingxia1，2)，Wu Haibo1，2)，Qiao Yueqiang1，2)and Jia Zhige1，2)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan430071

The Ms5.1 earthquake occurred on December 16，2013，Badong Country.The epicentral area has recorded a large number of aftershocks.The frequency and magnitude of the aftershocks were attenuated ups and downs.The Ms5.1 earthquake event located in NEE direction near the southern tip of Gaoqiao fault and Daping fault.The depth of earthquake that greater than or equal to ML2 were mainly distributed in 5 to 7 km.According to the geological structure background of the event and the results of earthquake time series analysis，precise positioning，the spectrum analysis and focal mechanism solutions，the Ms5.1 earthquake is interlayer slip type reservoir earthquake.

earthquake sequence;precise positioning;source body;spectrum;focal mechanism solution

P315.3

A

1671-5942(2014)03-0010-05

2014-03-17

中国长江三峡工程开发总公司专项(SXSN/3354);中国地震局地震研究所所长基金项目(IS201226108，IS201246114)。

陈俊华，女，1973年，高级工程师，主要从事地震活动性研究及水库地震研究。E－mail:cjhmails@163.com。

陈正松，男，1983年，助理研究员，主要从事地震大地测量研究。E－mail:chenzs@qq.com。