广西主要断裂带中小地震应力降特征分析

龙政强，谢夜玉，韦　东，韦旭鸿

(1.广西壮族自治区地震局，广西　南宁　530022；2.中国地质大学，湖北　武汉　430074)

·地震活动性·

广西主要断裂带中小地震应力降特征分析

龙政强1，2，谢夜玉1，韦东1，2，韦旭鸿1

(1.广西壮族自治区地震局，广西南宁530022；2.中国地质大学，湖北武汉430074)

摘要：选取广西数字地震台网记录到的2007年至2013年广西主要断裂带ML≥2.5地震事件，采用Atkinson方法反演得到介质品质因子Q值，采用Moya方法得到各台站场地响应，在此基础上计算得到90个位于主要断裂带及附近的中小地震应力降，并对其应力降空间分布特征进行分析。研究结果表明，应力降值主要分布在1～10 MPa之间，占58%，主要分布在百色—合浦断裂中段以及与桂林—南宁断裂交汇区域；小于1.0 MPa(低应力降)的地震占37%，主要分布在桂西北地区；10 MPa及其以上的(高应力降)地震主要分布在桂东南，且历史上曾经发生过5级以上地震的原震区及附近，反映了原震区及其附近仍具有高应力背景。

关键词：断裂带；中小地震；震源谱；应力降

0引言

应力降表征地震发生瞬间错动时位错面上的应力变化，通过研究应力降可了解地震过程中的构造应力释放水平，从而间接认识地震发生地区构造背景应力降。Allmann等[1]的研究发现，在美国加州2004年12月Ms 6.0地震前，震源区的应力降显著高于断层上的其他地区，而在Ms 6.0地震发生后，应力降出现显著的下降变化；Hardebeck等[2]研究讨论高应力降分布与断层的闭锁段及岩石强度的关系，指出断层上的高应力降分布区域代表着这里的介质更强或者承受更高的外加剪应力等，即高应力降集中分布的区域也许是中强以上地震的潜在震源成核区；华卫等[3]对三峡库区地震参数的研究表明，与同震级的构造地震相比，水库地震的应力降值明显偏低，约比前者小一个量级；赵翠萍等[4]通过系统研究获得中国大陆主要地震活动区中小地震震源参数间的定标关系，以及应力降时空分布特征。可见，对中小地震应力降的研究，对了解研究区的应力场时空变化特征，开展地震趋势预测和地震危险性评估等都具有重要的参考意义。

选取广西地区 2007—2013年发生的ML≥2.5地震的数字波形资料，采用三段几何衰减模型[5-6]计算得到广西地区介质品质因子Q值，采用多台站多地震联合反演的Moya方法[7]计算得到台站场地响应。在此基础上，挑选发生在主要断裂带上具有明确地震构造背景的中小地震，根据Brune模型[8]逐个计算其应力降，以期获得本地区主要断裂带中小地震应力降背景及空间分布特征。

1研究区概况

1.1　地震地质背景

广西活动性断裂以北东向和北西向两组断裂为主，其构成了广西活动性断裂的“X”型格架。北东向断裂主要分布在桂东南地区，主要断裂有南宁—柳州—桂林断裂带、防城—灵山断裂带、合浦—北流断裂带。北西向断裂主要分布在桂西北地区，主要断裂带有巴马—博白断裂带、百色—合浦断裂带、靖西—崇左断裂带、那坡断裂带[9]。广西地处东南沿海地震带西段，是中强地震相对活跃的地区，具有小震级、高烈度、震源浅的特点。历史上曾发生过多次6级以上强地震，如，1875年乐业—罗甸间6级、1890年广西陆川6级、1936年广西灵山6级，这些地震均发生在广西主要断裂带上。郭培兰等[10]对广西及邻区地震活动特征的研究结果表明，1970年广西有仪器记录以来，ML3.0以上地震仍然沿主要断裂呈条带状展布。从2007年以来，广西主要断裂带仍是中小地震活动的主体地区(见第2页图1)。

图1　2007年至2013年广西地区中小地震分布图Fig.1　Medium and small earthquakes in Guangxi from 2007 to 2013

1.2　地震台站

广西数字地震台网从2007年1月开始运行，由22个台站组成，台站均位于基岩上，均安装三分量大动态、宽频带数字地震仪。其中，桂林、河池、凭祥地震台为20 Hz~120 s甚宽带地震计，灵山地震台为20 Hz~360 s超宽带地震计，其余均为50 Hz~60 s宽带地震计。地震信号以100 SPS采样率通过SDH或VPDN等通讯方式实时传输到广西地震台网中心。接入广东、海南、云南、贵州及湖南等省相邻台站观测数据，共享南宁市、柳州市2个地方数字地震台网以及百色水库枢纽、龙滩水库、岩滩水库和南丹大厂矿区等企业地震台网，全区可监测震级下限达到ML2.4，其中，桂东南、桂西北及桂中地区的地震监测能力达到ML2.0，已占陆地面积60%[11]。

2方法及数据处理

2.1　方法介绍

地震波在传播过程中存在几何扩散，从震源到接收点的传播过程中，受介质吸收和散射以及接收点场地的影响。目前，一般采用三段几何衰减模型来计算传播路径的影响，采用多台站多地震联合反演法得到介质品质因子Q值，然后用Moya方法计算得到台站的场地响应[5-8]。文中，地震震源参数的计算，首先采用Atkinson方法[6]得到观测位谱，从观测谱中扣除传播路径效应和场地响应等因素的影响，得到地震位移谱；再利用遗传算法对震源位移谱进行拟合，得到震源谱参数Ω0和fc；最后，根据Brune震源模型[8]求得地震矩M0、应力降Δσ、震源半径r等震源参数。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ为介质密度；β为S波的速度；Rθφ为辐射因子。文中ρ为2.9 g/cm3，β为3.5 km/s。辐射因子Rθφ，由于没有每次地震的断层面解，所以对SH波取全震源球上的平均值，即Rθφ为0.41。

2.2　数据资料选取

广西数字地震台网从2007年1月开始记录，结合广西地区地震监测能力，在介质品质因子Q值和台站场地响应计算中，选取2007年以来记录到广西及邻区ML≥2.5的156个地震。为确保资料质量，根据地震和台站的空间分布要尽可能均匀、信噪比大于2倍地脉动噪声、震级MS≤5.0、每个台站须记录3个以上地震及每个地震须被3个台站记录到的原则进行地震波形挑选。经挑选，除处于海岛的涠洲岛台记录地震波形因地震信噪比达不到要求外，其余21个台站均符合要求。共有100个地震665条记录可用于分析研究，地震分布如第3页图2所示。这些地震的震级范围为ML2.5~4.9，其中，2.5~2.9级59次，3.0~3.9级34次，4.0~4.9级7次，震中距为10~400 km。

图2　广西地区地震射线分布图Fig.2　Distribution of seismic rays in Guangxi area

3计算结果与分析

3.1　介质品质因子和场地响应

经计算，得到广西地区介质品质因子Q值和台站场地响应。其中，Q值与频率的关系式为：

Q(f)=366.3f0.47。

从拟合曲线可以看出，Q值与频率存在较好的线性关系(见图3)。台站场地响应计算结果显示，大多数台站的场地响应在1附近，且随频率变化波动小。百色台(BSS)、桂林台(GUL)、梧州台(WZS)场地响应随着高频增加而缓慢降低；钦州台(QZS)低频部分较为平坦，而高频部分有较为明显的放大效应；河池台(HCS)低频部分较为平坦，而在7 Hz以上呈现快速下降；南宁台(NNS)场地响应有明显的放大效应(见第4页图4)。

3.2　应力降Δσ空间分布特征

在取得广西地区介质品质因子Q值和台站场地响应的基础上，选取2007年至2013年发生在广西主要断裂带及附近ML2.0以上地震事件，进行应力降计算，共得到90个地震的应力降。这些地震发震时间随机，没有前震或余震，震级范围为ML2.0～4.9，其中，2.0～2.9级63次，3.0～3.9级26次，4.0～4.9级1次，最大为2013年2月20日广西平果、田东交界的ML4.9地震。

图3　广西地区品质因子Q值拟合曲线Fig.3　Fitted curve of quality factor(Q) in Guangxi

广西主要断裂带中小地震的应力降值分布在0.032～15.44 MPa 之间，平均值为2.91 MPa。通常认为，应力降Δσ<1.0 MPa为低应力降，应力降Δσ≥10 MPa为高应力降[12]。据此进行统计，应力降Δσ<1.0 MPa的地震为33个，占37%；1.0 MPa≤Δσ<10 MPa的地震为52个，占58%；应力降Δσ≥10 MPa的地震为5个，占6%。可见，广西中小地震应力降的主要分布范围在1～10 MPa之间。

在地震活动上，广西属于东南沿海地震带西段，其中，桂东南和桂西北地区是广西主要的地震活动区。对桂西北与桂东南地区的地震应力降，按震级分档取平均值进行比较，结果显示：在ML2.0～2.9，桂东南、桂西北分别为3.31 MPa、1.48 MPa；在ML3.0～3.9，桂东南、桂西北分别为9.58 MPa、4.14 MPa。可见，在相同震级档情况下，桂东南地震的应力降约为桂西北地区的2倍。

图4　广西数字测震台网21个台站场地响应Fig.4　Site responses of 21 stations of Guangxi Digital Seismic Network

张天中等和秦嘉政等认为，地震前的震源应力背景越高，地震的应力降越大[13-14]；Jones和Helmberger研究认为，高应力降地震可能与断层存在剪应力背景有关[15-16]。从广西中小地震应力降分布图(见第5页图5)可见，应力降Δσ<1.0 MPa的地震主要分布在百色—合浦断裂和巴马—博白断裂的西北段，以及靖西—崇左断裂、南丹—巴马断裂；应力降为1～10 MPa的地震主要分布在百色—合浦断裂中段以及与桂林—南宁断裂交汇区域；5个高应力降地震(见第5页表1)，主要分布在合浦—北流、防城—灵山断裂带上，除2013年平果ML4.9地震位于桂西1977年平果5级震区附近外，其余均位于桂东南且历史上曾发生过5级以上地震的原震区或其附近地区。如，2010年4月24日陆川ML3.0地震，其应力降达到14.78 MPa，距离1890年8月29日陆川南6级震中区约40 km；2010年8月17日灵山ML3.6地震，其应力降为11.54 MPa，其位于1936年4月1日灵山6级和1958年9月25日灵山5级地震震中附近；2012年5月20日平南ML3.0地震，其应力降为14.91 MPa，震中位于1318年平南5级与1759年象州5级震中之间。以上表明，桂东南地区曾发生过中强以上地震的原震区及其附近仍具有高应力背景，与该区域的主要断裂背景有关。

4结论

(1) 广西主要断裂带中小地震应力降优势分布在1～10 MPa之间，这些地震主要分布在百色—合浦断裂中段以及与桂林—南宁断裂交汇区域。应力降Δσ<1.0 MPa的地震主要分布在百色—合浦断裂和巴马—博白断裂的西北段，以及靖西—崇左断裂、南丹—巴马断裂。

(2) 桂西北地区的中小地震应力降较低，桂东南地区的中小地震应力降较高。Δσ≥10 MPa的高应力降地震主要分布在桂东南，且历史上曾经发生过中强以上地震的原震区及其附近地区，说明历史上曾发生过中强以上地震的原震区及其附近仍具有高应力背景。

图5　2007年至2013年广西中小地震应力降空间分布图(ML≥2.0)Fig.5　Spatial distribution of stress drop of medium and small earthquakes in Guangxi

序号发震时间年-月-日震中位置北纬(°)东经(°)震级(ML)参考地名应力降MPa与历史地震震中的距离km历史地震12010-04-2422.25110.233.0陆川14.78401890-08-29陆川南M622010-06-1421.76109.012.7合浦12.49701988-11-10北部湾M5.032010-08-1722.60109.313.6灵山11.54141936-04-01灵山M6201958-09-25灵山M542012-05-2023.83110.213.0平南14.91471318-06-18平南M5321759-10-25象州M552013-02-2023.83107.404.9平果15.44481977-10-19平果M5.0

参考文献：

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Feature of Stress Drop of Medium and Small Earthquakes in the Main Fault Zone in Guangxi

LONG Zheng-qiang1,2, XIE Ye-yu1, WEI Dong1,2, WEI Xu-hong1

(1.Seismological Bureau of Guangxi autonomous Region, Nanning, Guangxi 530022, China;2.China University of Geosciences, Wuhan, Hubei, 430074, China)

Abstract:Based on data of earthquakes with ML≥2.5 occurred in the main fault zone in Guangxi, recorded by Guangxi Digital Seismic Network from 2007 to 2013, the medium quality factor(Q) is figured out by inversion using Atkinson method. Then site response of each station is gotten by using Moya method. On these bases, stress drop of 90 medium small earthquakes around in the main fault zone are calculated. Spatial distribution characteristics of the stress drop are analyzed. The results show that 58% stress drops(Δσ) are within 1~10 MPa, mainly distributed in middle section of Baise-Hepu Fault and in juncture region of Guilin-Nanning Fault, Δσ less than 1.0 MPa(Low stress drop) are mainly in Northwestern Guilin and Δσ larger than 10.0 MPa(High stress drop) are mainly in Southeastern Guilin where earthquake with M≥ 5.0 occurred in history , which reflects that the original earthquake region and nearby still has a high stress background.

Key words:Fault zone; Medium and small earthquake; Source spectrum; Stress drop

作者简介：第一龙政强(1974—)，男，广西壮族自治区北流人。1995年毕业于防灾技术高等专科学校，工程师。

基金项目：测震台网青年骨干培养专项(20140318)和广西地震局三结合项目(GXJ2011002)共同资助。

收稿日期：2015-01-07

中图分类号：P315.5

文献标志码：A

文章编号：1000-6265(2015)02-0001-05