2013年湖北巴东Ms5.1地震成因机制探讨

2015-04-17高红亮姚运生张丽芬

防灾科技学院学报 2015年3期

高红亮，姚运生，张丽芬，3

(1.中国地震局地震研究所(地震与大地测量重点实验室)，湖北武汉 430071;2.中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，湖北武汉 430071;3.三峡工程生态与环境监测系统地震监测重点站，湖北武汉 430071)

0 引言

2013年12月16日 13时 14分，在湖北省巴东县发生Ms5.1 级地震(湖北省地震局台网定位结果:31.09°N，110.42°E)，这是三峡水库蓄水以来发生在库区的最大地震。此次地震造成4 人受伤，直接经济损失总额约为7531万元人民币，引起了广泛社会关注。这次地震的成因机理以及是否和水库蓄水有关，是我们关注的问题。本文主要从地质学及地震学的角度来综合分析，探讨此次地震的成因机制，这对于三峡库区未来地震活动趋势研究有重要意义。

1 地震地质背景

巴东Ms5.1 地震发生在秭归盆地的西北缘，区域内构造主要以NE、EW 向断裂为主，如NE向高桥断裂、周家山—牛口断裂等，EW 向秭归向斜、马鹿池断裂等(图1)。

高桥断裂为秭归盆地西北缘的边界构造，长约 40km，倾向南东，倾角 50°～65°，切割上古生界－三叠系地层。高桥断裂带经历了多期构造变动，燕山早期以正断为主，晚期强烈挤压，发育碳化构造片岩及碳化糜棱岩;喜山期伴随着三峡地区整体抬升而发生张性正断活动。邓嘉农等［1］由方解石的自由位错密度推导出高桥断裂的活动性在喜山期以来逐渐减弱。高桥断裂主要沿山间垭口、沟谷、以及陡崖展布，在遥感影像上能够看到清晰的线性图像。野外调查结果表明高桥断裂为逆冲性质，并具有右旋走滑特点。

周家山—牛口断裂总体走向北北东，倾向北西，倾角60°～80°，主要发育在秭归盆地侏罗系中统的砂、泥岩中。该断裂在卫星影像上的线性构造特征并不清楚，野外沿断裂追踪调查表明，周家山—牛口断裂除在个别地点表现为规模不大的断层之外，大多数地段皆为节理带。

马鹿池断裂全长约22 km，发育于三叠系灰岩中。断裂总体走向近东西，倾向北，倾角75°～85°，野外地质调查发现马鹿池断裂为高角度的正断性质。据李细光等［2］的研究成果，马鹿池断裂最少经历过两次不同性质的构造活动。早期在近南北向的主压应力作用下，断裂带发生了较为强烈的逆冲活动;而在晚期则马鹿池断裂表现为走滑正断性质。

图1 区域地质构造略图Fig.1 Sketch map of geological settings

2 地震序列震中精定位

2.1 地震精定位方法

地震定位的精度不仅与台站分布、人工读取震相的误差等因素有关，而且十分依赖于初始速度模型。将震源位置和速度结构进行联合反演的方法，可以削弱速度模型引起的误差，得到良好的定位效果。

1994年，Kissling 等［3］在结合其他地震定位研究的基础上，优化形成了“最小一维速度模型”的方法。大量震源位置和初始速度模型的联合反演可以得到“最小一维速度模型”和相应的台站校正值，并且使得地震事件的均方根残差值RMS 达到最小，进而提高地震定位的精度。因其具有高效、精确等优点，最小一维速度模型方法在地震定位研究等方面得到了广泛的应用。Musumeci et al.，Midzi et al.，Mohamed，H.et al.［4－6］先后应用此方法分别建立了南非、西西里岛以及红海北部地区的一维速度模型，并提高了地震定位的精度。于湘伟等［7－8］先后使用此方法反演了京津唐地区中上地壳的一维速度结构和三维速度结构;王伟君等［9］、李志伟等［10］也采用VELEST 方法在云南大姚和环渤海地区进行速度结构研究，均取得了较好的效果。因此，本研究采用 Kissling 等［11］编写的 VELEST 程序来进行巴东Ms5.1 地震序列的重新定位研究。

VELEST 是用 FORTRAN 编写的程序，用来推导地震定位用的一维速度模型，求解结果中包含震源位置、速度模型以及台站修正值，得到的计算结果可以通过比较理论走时和实际走时进行评估。

2.2 数据收集与地壳速度结构模型选取

自2013年12月16日巴东Ms5.1 地震发生，截至2014年1月12日，共记录到余震305次，最大余震震级为M3.0。我们选取了包括湖北省数字台网和三峡遥测地震台网在内的45个地震台站的数字波形记录，并拾取了地震事件到时数据，共拾取了305个地震事件的2685个P 波震相和2568个S 波震相，平均每个地震记录数为17 条，完成了地震震相和事件数据的组合。

在三峡地区，相关的速度模型有3 种:一是陈学波等［12］通过人工地震测深得到的三峡库区地壳上地幔速度模型;二是廖武林等［13］给出的三峡库区速度结构;三是赵旭等［14］得到的三峡库区最小一维速度模型。为了获取最优初始模型，我们分别计算3 种不同速度模型在地震序列重新定位之后得到的走时残差均方根值，分别是0.1599，0.1146，0.1862。这 3个结果进行比较，虽然不同结果相差不大，但仍选取廖武林等给出的速度结构作为初始速度模型(表1)。

2.3 精定位结果

重新定位结果显示，巴东Ms5.1 地震序列主要沿NEE 向分布(图2)。从重新定位的地震序列震中分布图来看，地震更加集中。定位前地震序列的平均深度为4.82km，其中发生在0～6km深度范围内的地震占总数的84.3%;重新定位以后，地震序列的平均深度为4.88km，有89.9%的地震分布在0～6km 范围之内，地震在深度上也趋于集中，这说明重新定位后的地震不仅在经度、纬度上，而且在深度上的精度都有了较大提高(图3)。

3 利用小震资料反演断层面

假定余震序列中的大多数小震发生在发震构造面附近，则可以通过小震震源位置参数求解发震构造面的参数。王鸣等［15］采用这种原则，运用小孔径观测台网得到的小震数据求得了1989年大同—阳高地震的断层面参数。万永革等［16］建立了利用小震空间丛集性求解发震断层参数的数学模型，给出了求解模型的模拟退火和高斯牛顿算法相结合的有效算法。并在得到地震断层面参数的基础上，采用局部应力场参数还可以估计断层面上的滑动角及其误差。杨超群等和赵晓燕等［17－18］分别利用万永革等［16］给出的方法求解2003年伽师6.8 级地震断层面参数，结果表明利用小震资料在确定断层几何形态上具有重要意义。

表1 三峡库区地壳速度结构［13］Tab.1 Crustal velocity structure in the study area

图2 精确定位后的地震震中分布图Fig.2 Distribution of seismic epicenter after precise relocation

参与反演的数据是在巴东Ms5.1 地震发生之后，2013年12月16日至 2014年1月12日经过重新定位的305个余震数据。采用前述万永革等给出的数学模型，求得断层的走向、倾角、距坐标原点的距离以及断层的4个定点位置。利用三峡遥测台网的监测数据，王墩等［19］对三峡水库蓄水前后的震源机制进行了研究，认为蓄水前该区域震源机制与区域应力场一致，主压应力轴方向为NW75°，主张应力轴方向为NE15°。据此我们可以估计断层面的滑动角及其误差(表2)。

图3 巴东Ms5.1地震序列震源深度分布Fig.3 Depth distribution of epicenter of the Badong Ms5.1 earthquake sequence

图4给出了NEE 向重新定位的余震分布在水平面、断层面、垂直于断层面的横断面上的投影以及震源与断层面距离的分布。小震距反演断层面距离的分布表明大部分小震分布在所求断层面的附近，并且基本以断层为中心向两边呈对称分布。

4 成因机制讨论

巴东Ms5.1 地震发生后，从不同台站记录到的P 波初动极性来看，能够找到NEE 向和NNW向的两个节面将其分为四个部分。据此，我们可以使用P 波初动等方法来求解巴东Ms5.1 地震的震源机制(表3)，震源机制解给出了2个断层节面均为正断性质。根据区域地质构造特征，研究区内并不存在NNW 向的断裂构造，节面I 则为可能的发震断层面(图5)。

表2 利用巴东Ms5.1地震序列精定位资料求得的地震断层面产状和位置Tab.2 The strike，dip and position of fault plane determined by small earthquakes with precise location of the Badong Ms 5.1 earthquake sequence

图4 重新定位的余震分布在水平面(a)、断层面(b)和垂直于断层面的横断面(c)上的投影;小震距断层面距离的分布(d)Fig.4 Projection of the distribution of small earthquakes with precise location near the fault on the horizontal plane(a)，the cross-section along the fault plane(b)，the cross-section perpendicular to the fault plane(c)，and the distribution of distance between small earthquakes and fault plane(d)

表3 巴东Ms5.1地震震源机制解Tab.3 Focal mechanism of the Badong Ms5.1 earthquake

利用重新定位后的地震序列资料，最终反演得到的巴东Ms5.1 地震断层面的走向为265.5°，倾角为85°，滑动角为－120.7°，表明为近东西向的正断性质，这与湖北省地震局给出的震源机制结果基本一致。

另外根据地震序列重新定位结果和余震序列展布情况，余震序列方向亦为NEE 向，这与地震烈度等震线长轴走向一致。区域内存在两条近EW 向的断裂—大坪断裂和马鹿池断裂，由于地震序列集中在大坪断裂南侧，而根据野外地质调查结果，大坪断裂的倾向为NNW，因此排除了该断裂为发震构造的可能性。如果马鹿池断裂为此次地震的发震构造，根据其地表产状(走向近EW，倾向 N，倾角75°～85°)，余震序列应该分布在长江右岸，这与事实不符，因此排除马鹿池段断裂为发震构造的可能。

为了解地震序列震源的空间分布特征，我们选取了垂直于NEE 向节面的AB 剖面，并将地震序列的震源相对选取的剖面进行投影，进行震源深度的分析(图6)。从A到B(S到N)，震源深度并没有明显变化，地震主要分布在4～6km 深度范围内，这与反演得到的断层面倾角基本一致，说明断层倾角较陡。

图5 巴东Ms5.1地震的震源机制Fig.5 Focal mechanism of the Badong Ms5.1 earthquake

为了了解地震震源与地质构造之间的空间相对关系，按照重新定位后的地震震中位置，我们图切过震中的地质剖面进行分析(图7)，地层信息根据野外实测以及巴东幅1∶20万地质调查报告得到。结合区域地层产状信息，从切取的地质剖面图上可以看到，巴东Ms5.1 地震处于寒武系上统白云质灰岩中。

图6 沿AB剖面的震源深度图Fig.6 Profiles of focal depth along AB cross-sections

图7 巴东Ms5.1地震震源位置示意图Fig.7 Hypocentral location of the Badong Ms5.1 earthquake

震中位于地层较为破碎的岩溶发育区。东瀼河两岸多见NEE-EW 向岩溶地貌，这与该区近EW 走向的背斜构造迹线一致。三峡周期性蓄水的长期荷载和渗透作用，使得库水沿断裂带和灰岩中的节理裂隙向深部运移，由库水荷载产生的附加应力和孔隙压力增大，使得先存应力集中部位的有效应力减小，当达到临界应力时发震。另外，根据地质剖面分析，上覆志留系页岩隔水层与奥陶系－寒武系灰岩透水层形成储水带，使得大量地下水富集于碳酸盐地层与碎屑岩地层的接触带。库水的润滑、软化等化学作用，降低了地层接触面的抗剪强度，也为地震的发生起到了促进作用。

根据湖北省地震局给出的湖北巴东Ms5.1地震分析报告，从测震学参数看，巴东Ms5.1 地震的优势频率和拐角频率均偏低，具有塌陷地震的特征［20－21］。陈蜀俊等［22］使用三维有限元方法，模拟了在175m 水位下三峡库首区上地壳的等效应力分布情况，结果表明:蓄水位达到175m之后，高桥断裂带的等效应力降低;巴东Ms5.1地震发生在巴东和牛口两个等效应力高值区的梯度带上，说明地震与蓄水有关。

震中区位于地层较破碎的岩溶发育区，震源所在的白云质灰岩区利于库水运移和岩溶发育，在NE-SW 向区域拉张构造应力场作用下，库水沿断裂破碎带、节理裂隙渗流，库水渗流产生的孔隙水压力能够有效降低断层面的抗剪强度;受近EW 向断裂的控制，在先存的区域构造应力场作用下，断裂上盘岩体沿断裂面向下滑塌，形成局部应力集中而发震。

余震序列的震源深度集中在4～6km 的范围内，该深度区间对应的地层岩性为奥陶系－寒武系的灰岩、白云质灰岩，垂直岩溶和水平岩溶发育。主震发生之后，局部应力降低，沿断层面发震。从平面上看，形成了NEE 向的余震序列。

综合区域地质构造、震源机制解、地震序列空间分布等分析，我们认为巴东Ms5.1 地震是在近EW 向张性断裂控制下发生的一个构造型水库地震。我们反演得到的NEE 向断裂的几何学、运动学特征，还需要今后继续深入研究。

致谢:本研究所用根据小震位置确定断层走向、倾角和位置的程序，由防灾科技学院万永革老师提供，在此表示衷心的感谢!

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