安徽霍山地区丛集地震事件揭示的三条地震断面及其滑动性质研究

许鑫, 万永革,2*, 冯淦, 李枭, 刘泽民, 何金

1 防灾科技学院， 河北三河 065201 2 河北省地震动力学重点实验室， 河北三河 065201 3 安徽省地震局， 合肥 230031 4 河北省地震局易县地震台， 河北保定 074211

0 引言

自有“地震活动穴位”之称的“霍山震情窗”提出以来(夏瑞良，1984)，一直备受关注.由于霍山地区不仅是著名的华东震情“窗口”，还是华北南部地区的应力场“窗口”，所以研究霍山地区构造应力场特征、丛集地震事件精定位以及发震断面等，对分析与其毗邻的三个二级应力区间的相互作用、霍山区域内活动地震断面的发现及中小震不断的孕震机制等均具有一定的参考意义.

现今，采用双差定位研究丛集性较高的地震事件活动在空间上的展布特征是地震活动研究的热点问题(房立华等，2013；谢石文等，2016；黄显良等，2016；Long et al. ，2019).其中也有一些学者利用该方法对该区丛集地震事件进行过研究(黄显良等，2016；朱厚林等，2020)，发现重定位后的地震事件分布更为集中，呈带状活动明显.但前人一直未对该区域的地震断面形状及其活动特征进行更为深入而定量的分析.为此本研究搜集到更多的该区域内地震资料进行双差精定位，并结合地震重定位结果基于小震拟合地震断层面的方法(万永革等，2008)给出地震断面的具体几何参数(走向，倾角)及误差.但是为深入研究引发地震断层的相互作用，仅仅求得断层面的走向和倾角是不够的，无疑还需基于断层几何形状，按照局部应力场作用在断层上的剪应力方向一致的假定计算出断层面的滑动角，从而给出断层的具体滑动性质.

为确定地震断面的滑动性质，还需计算出霍山地区构造应力场特征.由于该区域的应力场特征对华北、华南和华东的应力场具有一定的指示意义，所以很多学者研究过该区域应力场.比如，张光华和权义衍(1992)、郑兆苾和张军(1999)通过发震频次变化研究区域应力场并分析华东地区中强震的对应关系.虽然可以通过“地震窗”的地震活动性了解区域构造应力场，但是仅仅通过地震频次变化研究应力场不能给出应力场的方向信息.相比之下，震源机制解却能够很好地反映震源断层的力学特征，推算出地震等效释放应力场，是研究区域应力场及其动态变化的基础资料(Zoback，1992).故而近年学者们加强了对该区域应力场特征以及动力学背景的相关研究(陈宇卫等，2007；倪红玉等，2012；缪鹏等，2014；刘泽民等，2015)，如陈宇卫等(2007)对安徽及邻区数字化地震资料分析去更全面的研究“霍山窗”小震序列的构造背景应力以及视应力变化特征；缪鹏等(2014)曾通过研究区域应力场的最大应变能随时间变化规律发现青藏高原块体内强震对“霍山窗”的开窗异常影响明显；倪红玉等(2012)和刘泽民等(2015)分别采用FOCMEC方法和CAP方法求解震源机制解(Snoke et al.，1984)分析霍山地区应力场特征.然而由于该地区均是小于MS4.5的地震，能准确确定震源机制的地震数目较少，无法满足求解精确区域应力场的要求，本研究省去求解单个震源机制解的中间步骤，直接用P波初动综合震源机制解法(万永革等，2011)求解应力场，这样不仅可以避免求解震源机制解引起的误差，还可以充分考虑该区小丛集地震事件活动对大震的孕震环境的指示意义(陈宇卫等，1999).

本文基于安徽地震台网给出的2008年1月—2020年12月霍山地区小震资料，首先采用双差精定位方法对研究区的地震进行精确定位，并利用地震精定位结果计算了区域内三条地震断面(BB′, CC′, DD′)的几何参数(空间位置、走向和倾角).其次利用区域丰富的小震P波初动资料，采用综合震源机制解法反演区域应力场，并结合断层的几何形状确定滑动性质.最后结合地质构造背景和应力场背景对研究区域内丛集地震事件的发震断面进行分析.

1 霍山地区的构造背景与地震活动

霍山地区(31.0°N—31.9°N、115.7°E—116.5°E)地质构造背景特殊，位于皖鄂交界的大别山东北部沉降带的南缘，同时也是秦岭—大别造山带与郯庐断裂带的交汇部位.该区域主要呈现南高北低的特殊地形，南部莫氏面深度大于37 km，深部地质构造主要是刚弹性太古界和元古界变质岩系，北部莫氏面深度小于35.5 km，浅部主要是低刚度中新界沉积岩和松散积层(陈宇卫等，2007；Li et al., 2020)，这样特殊的地形地貌，利于康氏面附近和基底内的应力积累，为构造地震提供良好的孕震环境.

霍山邻区自1336年以来共计发生9次大于等于5.0级历史地震，均沿落儿岭—土地岭断裂带附近展布(图1a)(缪鹏等，2014)，中小震主要集中分布在落儿岭—土地岭断裂与磨子潭—晓天断裂交汇处.磨子潭—晓天断裂是早期形成的深断裂带，切割南北端地貌及岩性，南部以变质岩为主，北部以沉积岩为主；落儿岭—土地岭断裂向北横穿北淮阳褶皱带及合肥盆地，造成断裂两侧盆-山发育不均匀(陆镜元和高玉峰，1992).这样的地质构造背景说明该区域为构造的薄弱点，更利于应变能的积累和释放(于书媛等，2016)，同时也说明该区属于大震稀缺、中小震频发区域(张杰等，2006).

2 霍山区域内地震事件的双差定位

本研究从安徽省地震台网2008年1月—2020年12月的监测记录中搜集31.0°N—31.9°N、115.7°E—116.5°E范围内震级为ML0.0～4.5、深度0～13 km的5376个地震事件.使用Waldhauser和Ellsworth(2000)提出针对地震丛集的一种新的相对定位方法.该方法的最优化判据不是使到时残差的均方根达到极小，而是使每个“地震对”的两到时残差之差达到极小，故称之为“双差(double difference)算法”，相比经典的盖格地震定位法(Geiger，1912)，在一定程度上消除了震源至地震台站传播的路径效应，大大提高了定位精度.

按震相数不小于8、最大相距不超过500 km的组对要求遴选了4815个地震事件，P波绝对到时24113个，S波绝对到时25010个.由于地震事件的定位精度对地壳的一维速度模型依赖较强，本研究为降低速度模型对到时残差的影响(谢石文等，2016；盛书中等，2017)，搜集了该地区常用的四个一维地壳速度模型[AH2015(谢石文等，2016)；华南模型；Crust1.0；USTClitho2.0]，见表1.华南速度模型为安徽定位配置的速度模型，较吻合安徽地区的实际地壳结构；AH2015速度模型是谢石文等(2016)基于Hyposat定位法对华南速度模型修正后的结果；Crust1.0是常用的分辨率为1度的全球地壳速度模型；USTClitho2.0是Han等(2021)给出的中国大陆更为精确的速度场结果.

表1 霍山地区四种P波速度结构模型Table 1 Four P-wave velocity models in Huoshan area

图2 重定位后四种速度模型对应的纬度方向误差(a)经度方向误差(b)深度误差(c)以及走时残差(d)分布Fig.2 The errors along latitude(a)，longitude(b), depth (c) and the distribution of the travel time residuals (d) of the four velocity models after relocation

图2显示这四种速度模型在各方向以及走时上的误差统计均服从“偏心”分布，虽然定位后四种速度模型剩余的地震事件数目有细微的差异，但这并不影响通过残差分布评估速度模型的结果.由图2可见，在配置USTClitho2.0速度模型时，定位残差最小，可见该速度模型与实际情况更加吻合.以此模型进行重定位后，剩余3432个地震事件，地震事件呈更为集中的条带状分布(图1a).定位深度主要集中分布在3～9 km(图1c)，与前人(黄显良等，2016；朱厚林等，2020)在重定位深度的结果大体一致.

3 研究区内丛集地震事件断层面走向和倾角的确定

为确定霍山地区地震断面的形状，本研究基于双差定位的结果，采用万永革等(2008)提出的小震拟合断层面参数的方法确定断层面的几何参数.现今，该方法被广泛应用于断层面参数的确定(Zhou et al. ，2010；盛书中等，2014；Wang et al. ，2014；高彬等，2016).该方法以两个基本假设为前提：a.假设小震均发生在断层面及其邻区；b.地震断面可近似为1个或多个平面.建立求解断层面参数的数学模型，采用模拟退火算法和高斯-牛顿算法相结合的方法计算区域内地震断面的参数，解决了前人(王鸣和王培德，1992)利用小震数据计算地震断层面时对初始模型依赖的同时，该方法还能给出断层走向和倾角的误差和对断层面滑动角的估算.

3.1 BB′丛集拟合结果

重定位后的结果显示该研究区域内(31.0°N—31.9°N、115.7°E—116.5°E)明显包含三个地震丛集(图1).BB′是三个丛集里最小的一个，共包含117次地震事件，占定位后总事件的3.41%.地震分布(图3a)显示地震断层面走向为NEE-SWW，图3c表明该断层面的震源深度范围在4～10 km，从图3d可以看出绝大多数地震集中分布在断层面附近，具体断层面参数见表2.

3.2 CC′丛集拟合结果

CC′丛集是三个丛集中最大的一个，共包含2325次地震事件，占所有地震事件的67.74%.拟合结果如图4.

该断层面走向呈NE-SW(图4a)，断层倾角近直立，震源深度在2～10 km左右(图4c)，地震集中分布在断层面±0.5 km内，具体断层面参数见表2，由于数据量足够，可见拟合结果优于其他结果.由图4a可见，此条拟合断层呈中间小震分布少、两边小震分布多的情形，结合地壳结构背景推测，与该拟合断层相交的磨子潭—晓天断裂为早期形成的深大断裂带，在该断裂下方35 km附近壳幔界面存在错距，错距大约4.5～8 km不等(王椿镛等，1997；张毅等，2013)，断裂南端为大别山超高压变质带，北端为北淮阳构造带，南北端地貌差异明显(南高北低)岩性差异显著(南部以变质岩为主；北部以沉积岩为主),徐树桐等(1992)认为该条断裂带是扬子板块与华北板块间的缝合线.

3.3 DD′丛集拟合结果

DD′丛集共计发生352次地震事件，占所有事件的10.26%.拟合结果如图5.

从拟合结果不难看出该断层面的走向呈NE-SW(图5a)，断层倾角近直立，震源深度在2～10 km左右(图5c)，地震集中分布在断层面±1 km内.具体断层面参数见表2.

表2 根据重定位小震拟合的断层面的走向、倾角和滑动角Table 2 The strike , dip and slip of the fault plane are fitted according to the relocated small earthquakes

图3 BB′丛集的地震分布 (a) 精定位小震在水平面的投影； (b) 小地震在断层面的投影； (c) 垂直于断层面的横截面上的投影； (d) 小震据拟合断层面距离的分布.“AA”为断层的上边界端点，“SD”为走向，“DD”为倾向，“DF”为小震与断层面的距离.(a)—(c)中黑色、红色、蓝色点分别表示0～1、 1～2和2～3级地震事件.Fig.3 The distribution of BB′ earthquake group (a) Distribution of precisely located small earthquakes on map view; (b) Earthquakes projection on fault plane; (c) Vertical profile perpendicular to the fault plane; (d) Histogram of the distance from the small earthquake to the fitted fault plane. ‘AA’ is the upper boundary endpoint of the fault, ‘SD’ is the strike distance, ‘DD’ is the dip direction distance and ‘DF’ is the distance from the small earthquakes to the fault plane. The black, red, and blue points in the (a)—(c) indicate 0～1, 1～2, and 2～3 magnitude seismic events, respectively.

图4 CC′丛集的地震分布 (a) 精定位小震在水平面的投影； (b) 小地震在断层面的投影； (c) 垂直于断层面的横截面上的投影； (d) 小震据拟合断层面距离的分布.“AA”为断层的上边界端点，“SD”为走向，“DD”为倾向，“DF”为小震与断层面的距离.(a)—(c)图中黑色、红色、蓝色、绿色和黄色点 分别表示0～1、1～2、2～3、3～4、4～5级地震事件.Fig.4 The distribution of CC′ earthquake group (a) Distribution of precisely located small earthquakes on map view; (b) Earthquakes projection on fault plane; (c) Vertical profile perpendicular to the fault plane; (d) Histogram of the distance from the small earthquake to the fitted fault plane. ‘AA’ is the upper boundary endpoint of the fault, ‘SD’ is the strike distance, ‘DD’ is the dip direction distance and ‘DF’ is the distance from the small earthquakes to the fault plane. The black, red, blue, green, and yellow points in the (a)—(c) indicate 0～1, 1～2, 2～3, 3～4, and 4～5 magnitude seismic events, respectively.

图5 DD′丛集的地震分布 子图和符号表示同图4Fig.5 The distribution of DD′ earthquake group The subfigure and symbol representation is the same asFig.4

4 断层周围应力场研究及滑动角的确定

上述拟合结果给出了断层面的走向和倾角，但是为深入研究地震断面间的相互作用，仅仅求得断层面的走向和倾角是不够的，还需基于断层错动方向与局部应力场作用在断层上剪应力方向一致的假定，计算出断层面的滑动角(万永革等，2008)并确定断层的滑动性质.考虑到逐一求解区域内小震事件的震源机制解再去反演应力场难以实现(Tian et al.，2019)，本研究采用综合震源机制解法(万永革等，2011)求解区域构造应力场，不仅利用了该区丰富的小震资料，还能省略求解单个震源机制解的中间步骤.

4.1 综合震源机制解求解应力场

本研究搜集了霍山地区(31.0°N—31.9°N、115.7°E—116.5°E)2008年1月—2020年12月的5376个地震事件，14970个P波极性资料，将研究区域按照0.2°×0.2°的网格划分，再根据网格点内选取的附近不同台站记录到的地震事件的P波极性资料，逐一计算其应力场.因每个地震事件到各网格点的距离存在差异，为能降低距离差异对应力场结果的影响，可赋予不同距离地震事件不同权重，具体权重公式(Shen et al. ，1996)如下：

w=e-r2/D2,

(1)

式(1)中D表示衰减常数，r为地震事件到各网格点的距离，r的计算公式如下：

(2)

式(2)中x、x0、y、y0、z、z0是地震事件和网格点的经度、纬度和深度位置.可见衰减常数D的取值关乎远近地震事件的权重，从而会直接影响应力场的结果，本文参考前人研究经验(万永革等，2011)计算半径50 km范围内的应力场，并将得到的P、T轴结果表示在图6中.

通过比较图6a和6b发现，P波初动符号数多的区域，矛盾比(与综合震源机制模型计算不匹配的P波初动符号数目与总初动符号数目的比值)也高，这在一定程度上说明了霍山地区的构造应力场具有一定复杂性.

霍山区域的压应力轴呈近EW向，张应力轴呈近NS向，均以低倾伏角挤压或拉张.这与倪红玉等(2012)以及刘泽民等(2015)所得到的该区域应力场结果几近一致，并且研究区域附近水系和断层多以NE-SW向展布(图8)，该特征进一步验证了本研究应力场结果的准确性(艾南山和顾恒岳，1982).此外，该区域应力场与华北南部地区大范围的应力场结果基本相同(许忠淮等，1983；夏瑞良等，1985；Wan, 2010).

图6 霍山及邻区应力场结果 (a) 图中黑色箭头表示应力场压应力轴和张应力轴方向，底色表示矛盾比； (b) 应力场的沙滩球表示形式， 底色为对应网格所用的P波极性数量.Fig.6 Stress field result in Huoshan area and its adjacent areas (a) The black arrow indicates the direction of the compressive stress axis and extensional stress axis, the background color shows the contradictory ratio; (b) Beach ball representation of the stress field, the background color shows the number of P-wave polarities used in the corresponding grid.

图7 本文所反演的应力张量产生的震源机制及其所求的三个断层面上的相对剪应力(a)和正应力(b) 底图颜色表示相对值大小；白色圆形、白色三角形及白色五角星分别表示BB′、CC′、DD′断层； NS 为正走滑型，SS 为走滑型，NF 为正断型，U 为未定型，TS 为逆走滑型，TF 为逆断型.Fig.7 Focal mechanisms and the relative shear stress(a) and normal stress(b) on three fault planes generated by the inverted stress tensor Base color indicates relative stress value；White circle, white triangle and white pentagon represent BB′, CC′, DD′ faults, respectively. NS is positive strike-slip type, SS is strike-slip type, NF is normal-fault type, U is undefined, TS is reverse strike-slip type, TF is reverse thrust type.

4.2 断层面滑动角的确定

结合上文拟合断层面走向、倾角和区域应力场结果(主压应力轴最优方位角为292.04°，倾伏角为19.95°；主张应力轴最优方位角为355.07°，倾伏角为0.36°)，考虑到应力场结果会有偏差，本研究给定应力场结果及其误差并计算出断层面的滑动角及其置信范围，见表2.发现三条地震断面在空间展布上与落儿岭—土地岭断裂参数(刘泽民等，2015；倪红玉等，2015)相似，均为NE-SW走向的右旋走滑断层.

由于大多数浅源地震都是岩石在构造环境剪切力作用下发生大规模破裂的宏观表现(陈培善和Duda，1993)，为此，本文研究了应力张量与发震断面的关系(万永革，2020)，分别计算出BB′ 断层的相对剪应力、正应力分别为0.722、0.521，最大相对剪应力和正应力分别为0.756和0.611；CC′ 断层的相对剪应力、正应力分别为0.882、0.029，最大相对剪应力和正应力分别为0.897和0.036；DD′ 断层的相对剪应力、正应力分别为0.872、-0.150，最大相对剪应力和正应力分别为0.884和0.179.表明三条断层均在区域构造应力场背景下破裂，但未能沿现今应力场最大释放应力方向上破裂(相对剪应力值未达到1)，这可能是受该区域早期存在薄弱区的影响.该薄弱区的形成主要以下两点因素影响：1).极有可能是受大别山造山运动后期拆沉作用诱发的伸展塌陷，致使区域内浅层脆性岩石破碎易滑动(李军辉等，2010)，这也是该地区地震事件多以浅部地震活动为主的原因之一；2).燕山期区域构造应力场方向由早期的NE向挤压变为近EW向挤压，导致区域内构造环境松弛，易存在薄弱区.

4.3 以霍山MS4.3地震为例揭示隐伏断裂带

刘泽民等(2015)曾通过CAP方法给出霍山MS4.3地震的震源机制解，并结合椭圆烈度图的北东向展布特征推测出发震断层面参数(走向230°，倾角60°，滑动角160°).但烈度图受人口分布密集影响较大，以此去判断节面走向不具说服力，所以本研究通过研究应力张量与发震构造的关系进一步确定发震断层面(万永革，2020).

结合该次地震事件的震源机制解和上文获得的该区域的应力状态，分别计算出该地震事件的两个节面所对应的相对正应力和相对剪应力，并模拟震源机制分布(图7).计算出两节面的相对剪应力几乎相同，考虑到相对正应力正值较大的节面在剪应力的作用下更易发生错动，所以判定节面II即为本次地震的发震断层面.由于空间上霍山MS4.3地震是发生在拟合的隐伏断裂带上的，便可根据节面II的走向与本次拟合的断层面的走向几近一致，从而印证本次拟合结果的准确性.

5 讨论

霍山地区处于大别山东北部沉降带的南缘以及北淮阳褶皱逆冲带东南端.自三叠纪以来，大别山造山带分别在印支期、燕山期及喜马拉雅期发生多次隆升沉降运动，地质构造背景复杂，地貌上多表现为断块山、断陷盆地和地堑谷等(冯文科，1976；徐贵忠和郝杰，1988).

如图8所示，拟合的三条断层与落儿岭—土地岭断裂带走向相似.为讨论其发震断面，本研究结合区域构造应力场结果和地质构造背景，给出如下推测.

研究区域东西侧的郯庐断裂带南段和商城—麻城断裂带均为右旋走滑型断裂带，且在空间展布上均呈NNE-SSW走向，且区内多数地震事件受控于商城—麻城断裂带(张杰等，2003).在海西-印支期，研究区域的构造应力场呈SW-NE向挤压(NW-SE向拉张)；燕山期晚侏罗世时，区域构造应力场旋转为近EW向挤压(NS向拉张)，构造环境较松弛(刘文灿等，1995)，为断层间滑动和薄弱区的形成提供了有利条件.研究区内部分断裂继承了早期的走滑特征，但走滑性质由早期的左行走滑改为现今的右行走滑，使该区域右行右阶拉分作用明显(图8)，在这样右行右阶拉分模式下，两断裂带的叠接部位易发育拉分地质构造(Fossen，2010)，这使得邻近落儿岭—土地岭断裂的薄弱区内次级断裂羽状和雁列式展布特征显著.区域内系列断块山、地垒-地堑构造及断陷盆地等走滑拉分模式下伴生构造和与拉分作用方向较吻合的水系分布特征(图8)均佐证了走滑拉分作用的存在.

区域内除此三条地震断面外，在不远处有两处地震事件较少但也呈带状分布的地震丛集EE′和FF′(图1a粉色线处)，拟合EE′(走向231.1°，倾角88.1°，滑动角169.3°)、FF′(走向45.1°，倾角89.6°，滑动角-167.1°)的断层面参数发现，其与BB′、CC′和DD′的断层面参数相似，推测EE′和FF′地震断面同为此走滑拉分背景下的更小的破裂.

6 结论

本研究基于安徽地区2008年1月—2020年12月的小震资料，结合精定位结果计算出霍山地区几个地震丛集(这里以字母命名各断层)的部分断层面参数(走向、倾角).为充分利用小震资料确定断层的滑动性质及区域应力场特征，本文采用综合震源机制解法求解该区域的应力场.最后结合地质构造背景和应力场背景对区域内丛集性较高地震事件的发震机制进行分析，并获得了以下认知：

(1)本研究采用双差定位对从安徽省地震台网的监测记录中收集来的5376个地震事件进行了重定位，分别配置四种该区的速度模型(AH2015；华南模型；Crust1.0；USTClitho2.0)，比较重定位结果发现USTClitho2.0的残差相对较小，更符合霍山地区的实际情况.

(2)结合精定位资料和区域应力场结果确定三条丛集地震事件的断层面参数：BB′断层走向为245.7°，倾角为85.6°，滑动角为167.3°；CC′ 断层走向为231.4°，倾角为88.5°，滑动角为173.2°；DD′ 断层走向为49.6°，倾角为87.5°，滑动角为-174.7°，三条地震断面与落儿岭—土地岭滑动性质一致，均为右旋走滑.

(3)综合震源机制解法反演应力场结果显示，该地区呈低倾伏角的近EW向挤压及近SN向拉张，呈明显的走滑机制.这与倪红玉等(2012)以及刘泽民等(2015)所得到的霍山地区区域应力场结果几近一致，并且研究区域附近水系和断层多以NE-SW向展布(图8)，该特征进一步验证了本研究应力场结果的准确性(艾南山和顾恒岳，1982).

(4)分别计算区域应力场在BB′ 断层的相对剪应力为0.722，相对正应力为0.521；CC′ 断层的相对剪应力为0.882，相对正应力为0.029；DD′ 断层的相对剪应力为0.872，相对正应力为-0.150.这三条地震断面均基本沿接近现今应力场最大释放应力方向上破裂，即相对剪应力接近1，表明基本是现今构造应力场作用下的应变释放，但由于受到薄弱区的影响，相对剪应力未能达到最大值.

(5)为分析三条空间展布近似平行的地震活动事件的发震断面，结合地质构造背景及NS拉张为主的应力场背景推测：受燕山期各类地质作用及应力场方向改变的影响，在发震区预先存留薄弱区，且部分走滑断层性质发生改变，右行右阶作用明显，在主干右行走滑型的郯庐断裂带南段及商城—麻城断裂带共同作用下，形成走滑拉分模式下的雁列式走滑断层.

致谢山东省地震局崔华伟和中国科学技术大学胡晓辉为本研究提供建议，本研究绘图采用GMT软件(Wessel and Smith,1995)绘制，三位匿名审稿专家为本文提出了建设性修改建议，增加了本文的逻辑性和完整性，特此致谢！