2014秭归4.5、4.7级地震前小震活动特征研究

吴海波 申学林 杜承宸 陈俊华 王 杰

1 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430071

2 湖北省地震局，武汉市洪山侧路40号，430071

2014－03－27、30湖北省秭归县分别发生M4.5和M4.7地震。依据三峡水库诱发地震监测台网测定，2013－12－01～2014－03－26 震 中 区20km 内共记录到小震87次。初步分析显示，这些地震分布较分散，主要集中在震前1个半月内。本文对这两次地震前震中区附近的87次地震重新精定位，对ML1.0以上地震的震源机制解进行一致性分析，并对近台波形特征进行分析，结合区域地质构造情况，研究这些小震与两次主震之间的关系。

1 区域地质背景

长江三峡库区位于扬子准地台中段北缘，构造上同时受渝东－八面山弧形构造带与大巴山－大洪山弧形构造带的控制与影响。这两次地震及余震序列分布在秭归向斜与黄陵背斜交汇处南端，处于仙女山微地块内，仙女山断裂和九畹溪断裂分别为其东西两侧分界线。仙女山断裂总体走向NNW，倾向SW，倾角60°～80°，燕山运动时期该断裂切割古生界和白垩系地层，沿断裂形成断陷槽地，堆积千余m 厚的白垩系红层，喜马拉雅期古生代地层逆冲于红层之上，靠近断裂红层变形强烈，并被切断继续下陷形成地堑型构造，新生代末以来差异活动逐渐减弱。地貌上表现为垭口、槽谷和陡崖，早期构造活动以左旋拉张为主，现今以顺扭为主兼压性状态［1－2］。该断裂北端在风吹垭和荒口一带消失在嘉陵江组灰岩中，至于是否北延过长江目前一直存在争论［3－5］。九畹溪断裂南起和尚崖东坡周家湾，向北于新滩下游路口子处横过长江至巴东一带消失，构成仙女山地堑东侧边界，总体走向近SN，倾向NWW 或E，倾角65°～80°，切割寒武系至志留系，经历多期活动，早期走滑为主，晚期兼张性。地貌上该断裂沿线多呈负向沟谷或狭窄的河谷，两侧具有50～200 m 的反差幅度，测年结果为早中更新世。

震区东部的黄陵背斜发育太古代花岗岩（γ）和闪长岩（δ）侵入体，西部秭归向斜区广泛分布侏罗系（J）碎屑岩，两区交汇地带分布一系列近南北走向地层，从寒武系至三叠系均有发育，倾向近西，倾角20°～30°，自西向东依次为侏罗系（J）砂岩、泥岩兼炭质页岩，三叠系（T）不同厚度和性质的灰岩区，二叠系（P）深色灰岩和黄色砂岩，志留系（S）砂岩、砂页岩和页岩，奥陶系（O）页岩与灰岩，寒武系（∈）白云岩与白云质灰岩等，白垩系下统（K1）仅分布在仙女山断裂中北段，以紫红色砂砾岩为主。震中区位于三叠系中上统（T2－3）、二叠系上下统（P2、P1）和志留系上中统（S3、S2）灰岩、砂岩和页岩发育区（图1）。

图1 秭归震区地质构造简图Fig.1 Seismotectonic map of Zigui area

2 前震震中分布与波形特征

2.1 前震震中分布

2013－12－01～2014－04－27，三峡水库诱发地震监测台网（以下简称三峡台网）共记录到秭归4.5、4.7级地震震中附近小震活动600余次，其中主震之前微小地震87次，震后余震500余次。本次地震序列活动发生在三峡台网重点监视区，震源区附近分布了许多测震台站，地震监测能力达到ML0.5。采用双差定位法对ML0.5以上地震进行重新精定位，计算中使用了三峡台网15个子台观测数据，较均匀地分布在震中四周，震中距范围5～80km，地壳速度结构主要采用陈学波、李强等反演的三峡地区地壳速度模型［6－7］，并结合近年其他一些研究成果，采用7 层结构模型（表1，图2），最后得到586次高精度定位结果，其中包含03－27秭归4.5级主震前震72次（图3），整体上水平误差45～150m，垂直误差70～200m。

表1 三峡地区地壳速度结构模型Tab.1 Crustal velocity structure model of Three Gorges area

地震序列M－T图显示，2013－12－01～2014－03－27秭归4.5 级主震之前，震中区附近小震活动明显增强，特别是02－20～03－26之间小震频次明显增多（图4）。双差精定位结果显示，前震活动主要位于主震和余震序列的西部或西北部，明显集中在仙女山断裂西部一个次级小断裂附近（区域一）和该断裂北端（区域二），震源深度主要集中在3.0～9.0km。区域一的前震主要发生在02－20之前，深度较浅，总体上在3.0～5.0km 左右；区域二的前震主要发生在02－20之后，深度集中在8.0km 左右，与其后主余震序列的深度总体一致。显然，区域一和区域二的前震在发生时间和深度上存在明显差异，区域二的前震更接近其后的主震地震序列。

图2 三峡地区地壳速度结构模型及震中附近台站分布图Fig.2 Crustal velocity structure model and stations distribution of Three Gorges area

图3 秭归地震序列精定位分布图Fig.3 Epicenter distribution of Zigui earthquake sequence relocationed

图4 秭归地震序列M－T图和深度图Fig.4 M－T and depth map of Zigui earthquake sequence

2.2 前震波形及频谱特征分析

分别对区域一和区域二近台记录地震波形进行对比分析，其中区域一ML1.0以上小震7次，区域二21次。图5分别给出了两个区域两次比较典型小震事件的LJS台记录，分别为2014－01－10 ML1.7地震（事件一）和2014－03－22 ML1.7地震（事件二），它们到LJS台的震中距相同，约18 km，震级也相同。图5显示，区域二的记录波形（图5左）总体上表现为高频成分丰富、频域宽，多个近台记录垂直向初动极性正负均有分布，震源机制具有明显四象限分布。同一台站记录的不同地震波形具有很强的相似性，这些特征表明区域二的小震具有较明显的构造地震特性；区域一的小震近台记录波形（图5 右）表现为富含低频成分，频率单一，缺乏高频成分，垂直向初动多向下分布，同一台站记录的不同地震波形较杂乱，均为浅表塌陷地震事件特征。

对上述两次地震事件LJS 台记录的波形进行Fourier谱和位移谱分析（图6），仅使用S波窗7.68s数据，在位移谱计算中去除地动噪声和仪器响应，并对结果进行平滑滤波，分别得到两次事件水平向和垂直向Fourier谱和位移谱。事件一水平和垂直向优势频率范围狭小，约在0.5～5.0 Hz之间；事件二的优势频率频域宽，5.0～15.0 Hz之间的高频成分丰富。在位移谱中事件二的拐角频率大于事件一，根据文献［8－9］，事件一具有典型的浅表塌陷地震事件特征，事件二为明显的构造地震特征。

图5 区域一与区域二地震波形比较（左图为2014－01－10 ML1.7级地震LJS台记录（区域一），右图为2014－03－22 ML1.7级地震LJS台记录（区域二））Fig.5 Comparison of seismic waveform between region one and region two

图6 Fourier谱与位移谱比较（左图为Fourier谱，右图为位移谱）Fig.6 Comparison between Fourier spectrum and displacement spectrum

两个区域均处于三叠系中统和下统（J2－3）灰岩、砂岩、页岩夹煤层地带，又同处水库沿岸区，经水库载荷和多年库水渗透，很容易发生溶岩塌陷或矿洞陷落等微小地震事件。另外，三峡水库蓄水前，仙女山断裂北端很少有微小震活动。因此，尽管区域二更靠近三峡水库，但波形特征显示区域二的地震事件多与构造活动相关，可能与该区域构造受库水活化作用有关，而区域一的事件明显与岩溶或矿洞陷落等非构造活动有关。

3 震源机制解及应力场特征

3.1 速度模型及求解方法

求解震源机制使用的区域速度模型与双差定位法一致，即7层模型。对不同震级地震的震源机制采用不同求解方法。对于研究区内3次中等地震，采用了Kiwi法［10］，该方法基于“程函源（eikonal source）”震源模型，分别在频率域计算理论振幅谱和在时间域反演理论P 或S体波，并与实际观测波形比较反演矩张量解。它的优点是可以使用震中距大于20km 的近台波形数据，对ML4甚至更低震级的地震有效，反演结果可以得到最佳拟合深度。对于小震震源机制采用FOCMEC程序［11］，该程序基于双力偶位错源模型，通过利用区域地震台网P、SV 和SH 波的初动极性，并联合直达波理论地震图最大振幅比求解小震震源参数。有学者认为，小震具有随机性不便于单一具体分析［12］，因此，本文对求解的多个小震震源机制进行统计分析，以便更准确地反映区域应力场总体特征。

3.2 3次4级地震震源机制分析

选取湖北和重庆区域地震台网震中距20～180km 范围内13个宽频带台站数据，采用Kiwi法求解3次秭归ML4.0以上地震的震源机制（表2）。图7给出了3次地震深度拟合误差分布图，结果显示，这3 次地震的最佳深度分别为7.8 km、9.0km 和7.3km，深度差异不明显。震源机制反演结果均比较稳定，其中事件1和2比较相似，稍有别于事件3，随着深度的增加，3次地震事件的震源机制均呈现较好的一致性变化。本次地震序列3 次4 级地震均表现为走滑兼逆冲错动，节面1均为NE走向，与余震序列分布走向基本一致（图3），但事件1和2倾向为NW 向，与事件3正好相反，节面2的NW 走向与附近仙女山断裂NNW 走向较接近，3 次事件水平最大主压应力均为低倾角近EW 向挤压，倾角近乎水平。已有的研究表明，三峡库区区域最大主压应力方向近EW 向［13－15］，显然，3次地震震源机制解与区域应力场方向一致，受控于区域构造应力场。

表2 小震震源机制解Tab.2 Focal mechanisms of small earthquakes

图7 3次秭归ML4.0以上地震震源机制解及深度－误差分布图Fig.7 Focal mechanisms and depth－error distribution of the three Zigui earthquakes

3.3 区域二小震震源机制及应力场分析

利用2013－12～2014－06 三峡台网记录的地震波形资料，采用FOCMEC 振幅比法计算区域一和区域二的小震震源机制。由于三峡台网监测能力下限可达ML0.5，选取的震级下限为ML1.2，要求每个地震至少有12个台站清晰可靠的记录波形，并较好地包围地震。最终得到16次小震震源机制（图8）。由于区域一小震记录波形初动极性单一，多数为塌陷事件，只得到了1次小震结果（事件10）为正断错动，因此，分析主要针对区域二的15次事件，包括2014－02－20～03－23的11次事件和05－20～21的4次事件。

图8 区域二前震震源机制解分布图Fig.8 Focal mechanism distribution of foreshocks in region two

采用统计方式对小震震源机制进行分析，按10°间隔进行统计并计算每个区间频次数。计算给出了区域二的小震震源机制解节面和力轴参数玫瑰图（图9），节面1、2没有假定或确认断层面或辅助面，因此在统计中统一分析处理。

图9 区域二小震震源机制解节面和力轴参数玫瑰图Fig.9 Rose diagrams of nodal plane and stress axis parameters of small earthquakes focal mechanisms in region two

区域二小震震源机制解参数统计显示（图9），小震节面走向主要集中在NWW 和SE 两个优势方向，其次为SSW 向，节面倾角近直立，分布在60°～90°，其中80°～90°占绝大多数。依据滑动角分析小震动力学作用方式，绝大多数表现为左旋走滑兼小分量正断或逆断滑动。P轴主压应力方向一致性较好，几乎近EW 向，SWW 和NEE是其两个优势方向。P轴倾角近水平，集中在0～15°以内。T轴优势方向为近NS向，倾角近水平，绝大多数小于10°。

区域二震源机制参数统计结果与3次主震参数对比显示，两者节面走向一致，均为NWW 和NE向。力轴方向和倾角也基本一致，P轴为近EW 向，T轴为近NS向，倾角近水平。但两者破裂方式有一定差异，3次主震均为高倾角走滑兼逆断滑动，而区域二小震总体上为高倾角走滑兼正断滑动，这种差异可能与区域地质岩性和库水载荷作用有关。与前人对三峡地区构造应力场研究结果比较［1，13－14］，区域二小震与3次主震的结果均显示，震源区应力场作用方式与区域应力场总体状态基本一致，反映了前震和主震均明显受控于区域构造应力场。尽管局部小震活动对整体形变贡献很小，但其在时间和空间上对应力变化较敏感，03－27 的M4.5地震 和05－26 的ML4.0地震前发生在区域二的小震活动正是区域应力场变形前局部调整的反映。

三峡水库库水对区域二小震活动的影响主要表现在库水载荷变化对库区已有断裂构造活动或地下介质孔隙压变化的影响，或者库水渗透对水库沿岸地下介质特性变化而诱发的小震活动。文献［15］比较了三峡重点监视区蓄水前后（2003～2006）的小震震源机制解后认为，蓄水前的震源机制解多表现为逆断－走滑性质，蓄水后大多表现为走滑－正断性质，反映库水载荷对沿岸应力场施加的张性影响。本文中区域二小震震源机制解统计的最大主张应力轴方向为近NS向，并且在N 向表现更明显，而N 向正好为三峡水库，区域二小震距水库不过1km 左右，这些小震震源机制解中正断成分显然与水库载荷的影响密切相关，反映了库水对区域二小震活动的影响。

4 结 语

对2014－03－27秭归4.5级地震前4个月内震中区周边地震活动重新进行双差精定位，结合近场记录波形谱分析，指出两个区域小震性质的差异性。基于多个小震震源机制解，探讨了区域二小震与该地区3次4级主震受力特征，得出以下结论。

1）双差精定位显示，03－27秭归M4.5地震前4个月内震区附近的小震活动主要集中在仙女山断裂北段西边次小断裂附近和北端两个区域。近场记录波形形态和S波频谱特征均表明，区域一的小震活动多数为浅表塌陷型事件，区域二的小震具有明显的构造地震特征。从地质构造分析，两个区域均在三叠系中、下统（T2－3）灰岩、页岩夹煤层地带，又处于水库沿岸区，很容易引起浅表塌陷事件。不过，区域二处在仙女山断裂北端，对于仙女山断裂北端是否过长江问题目前仍存在很大争议。这种脆弱部位对区域应力场变化很敏感，加之受多年库水渗透侵蚀作用和库水载荷的影响，仙女山断裂北端重新活化引起局部构造活动而产生这些微小地震活动。

2）3次4级地震震源机制反演结果均为走滑兼逆断滑动，断面倾角较大，与震前多次小震震源机制统计结果比较显示，两者的断面走向均为NWW 和NE向，P轴和T轴的方位也基本一致，分别为近EW 向和近NS向，反映前震与3 次4级地震都受控于区域构造应力活动，它们的受力和活动方式具有一致性。但大多数前震滑动为走滑兼少量正断成分，与主震有一定差异，这可能与前震震级小、很容易受到局部构造和库水载荷的影响有关。主震前受到EW 向主压应力的推挤，沿NE向产生左旋走滑错动，在仙女山断裂北端脆弱部位，同时受到区域构造应力场、NNW向仙女山断裂和北边三峡水库载荷的影响，从而产生一些走滑兼少量正断张性成分的微小地震活动。

致谢：感谢姚运生研究员和杜方研究员提出的宝贵意见。

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