南海北部沿海地区地震活动与发震构造

夏少红, 林江南, 曹敬贺

南海北部沿海地区地震活动与发震构造

夏少红1, 2, 3, 林江南1, 4, 曹敬贺1, 2

(1.中国科学院 边缘海与大洋地质重点实验室; 中国科学院 南海海洋研究所, 广东 广州 510301; 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458; 3.三亚中科海洋研究院, 海南 三亚 572100; 4.中国科学院大学, 北京 100049)

南海北部沿海地区位于华南陆块与南海的交接地带, 经历了复杂的地质演化过程, 形成了典型的板内地震活动带。本文通过收集研究区固定地震台网记录的地震数据, 开展了双差走时地震重定位计算, 获得了更为精确的地震震源参数。从地震活动的时空特征可知, 南海北部沿海地区地震活动较为活跃, 空间上主要形成了几个典型的集群型震群, 如南澳岛外海地震群、阳江地震群、新丰江水库地震群以及海南岛岩浆活动地震群等。时间上, 研究区每年地震活动的数量与分布模式基本稳定, 主要集中在典型的震群区, 其他地区零星分布较少的地震。典型震群区地震的分布主要集中在中上地壳(<20 km), 下地壳也偶有地震发生。但不同震群区地震的分布形态存在一定差异, 南澳岛外海地震分布呈“L”型, 以NE向地震活动为主, 也存在NW走向的地震分布趋势。阳江地区地震活动主要呈现南、北两个震群, 其中南部震群主要呈近E-W向展布, 地震活动比北部震群更强烈; 北部震群覆盖面积较小, 大体以S-N走向展布。新丰江水库地震活动主要分布在贮水盆地的西北部和东南部两个峡谷区, 其中约78%的地震集中在水库大坝附近的峡谷区, 总体呈NW-SE走向; 西北部上游峡谷的震群在2010年以前很少被观测到, 而2012年以后却呈明显增加趋势。海南岛地区地震活动主要呈现4个集群, 所有集群的震源深度都具有近垂直状的通道分布特征, 表明海南地区地震活动与岩浆流体活动存在紧密关联。同时, 通过对比分析典型震群区地壳结构和发震构造, 我们发现不同震群区发震构造差异性明显, 南澳岛外海与珠江口地区的地震主要受NE向和NW向交错断裂以及地壳内部薄弱层和下地壳高速侵入体的控制和影响; 新丰江水库地震主要受断裂带内部流体活动和水库静水压力的影响; 海南地震活动可能与地幔柱造成的浅表岩浆流体活动有紧密关联。这些结果说明南海北部沿海地区发震构造与地壳结构的强烈非均质性有关, 不能用统一模式给予解释, 各震群主要受当地局部构造和流体作用的影响。

南海北部; 地震活动; 地震群; 发震构造; 重定位

0 引 言

地震及其诱发的海啸等自然灾害作为人类目前最大的公敌之一, 具有突发性强、破坏性大、防御性难、次生灾害频发以及社会影响深远等特征, 是全球各国极为关注的重要科学问题和灾害性难题(Wang et al., 2011; Parker et al., 2011; Zhang and Engdahl, 2013)。根据板块构造学和地震发生的位置, 全球地震可以分为板缘地震和板内地震。板缘地震是指发生在板块边界上的地震, 如板块俯冲边界上的苏门答腊、智利和日本等大地震(Hayes et al., 2014; Bassett et al., 2016); 而板内地震是指由板块运动引发的板块内部的地震, 如我国大陆地区发生的汶川、玉树等大地震(Wang et al., 2011; Parker et al., 2011)。板缘地震由于发生的位置集中、活动性强烈、大震频繁, 在过去几十年的研究中积累了大量的数据, 对其发震构造和机制取得了较好的理解和认识(Nishikawa and Ide, 2014; Herrendörfer et al., 2015)。然而, 板内地震往往发生的位置比较分散、活动性相对较弱、构造环境差异性较大, 尤其是大震的频度较低、震源机制复杂, 导致其研究程度相对较弱, 对其发震构造和机制的认识和理解还很粗浅, 因此目前很难预测到底会在什么地方发生多大震级的地震(Zoback, 2010)。由于板内地震大都发生在人口密集的大陆板块内部, 一旦发生大震, 所造成的损失和危害性极其严重。

南海北部沿海地区位于华南地块与南海的交接地带, 经历了极为复杂的地质演化过程, 不同走向断裂系统非常发育(图1)。自有历史记载以来, 南海北部沿海共发生7级以上地震4次, 6级以上地震18次, 导致了严重的人员伤亡和财产损失(魏柏林等, 2001)。从地震台网监测数据可知, 该地区现今的地震活动性仍然很强烈(图1), 属于典型的板内浅源地震, 具有较强的破坏性。广东省防震减灾“十二五”规划指出, 60%沿海陆地面积位于地震基本烈度Ⅵ度区内, 25%位于地震基本烈度Ⅶ度区(主要分布在珠江三角洲及其近海地区); 珠江口外的担杆列岛及其附近海域、粤东潮汕地区、雷州半岛南部地区位于地震基本烈度Ⅷ区, 这些高烈度区域是未来发生破坏性地震的潜在危险区(魏柏林等, 2000)。随着《粤港澳大湾区发展规划纲要》和《中国(广东)自由贸易试验区》的实施, 沿海海洋与海岸工程(如核电站、跨海大桥、邮轮码头等)、海岛开发、海洋旅游规划、涉海产业工程等建设项目日益增多, 开展南海北部沿海尤其是海域地震活动性特征、断裂位置和空间形态特征、深部发震构造和强震触发机制等科学问题的研究, 对于未来沿海城市规划、重要海洋工程建设、抗震设防要求的确定等具有重要指导作用。

图1 南海北部沿海区域地质构造及地震活动分布(据Steinshouer et al., 1999修改)

本文通过收集南海北部沿海地区固定台站近7年的地震数据, 首先开展了地震的双差走时重定位计算, 提高了地震定位的精度; 然后分析不同震源区地震活动的时空特征, 结合已有地壳结构探测结果和断裂发育特征, 揭示该地区板内地震的发震结构与构造特征, 对比研究不同震源区发震构造差异性和流体在地震触发中的作用。

1 区域地质概况

南海北部陆缘与南海海盆的扩张形成具有相同的区域应力场, 是南海张裂演化过程和构造特征保存最为完整的大陆边缘, 也是晚中生代俯冲作用过渡到新生代南海海盆破裂、扩张这一重大构造事件的衔接点。晚白垩世‒新生代, 南海北部陆缘经历了多次张裂运动(Zhou et al., 1995), 岩石圈发生拉伸、减薄和断陷, 形成了大陆架、大陆坡、大陆隆到深海海盆的海底地貌, 地壳厚度从南海北部沿海的30 km左右减薄到陆架区的20～27 km, 向海盆急剧减薄至6～8 km, 地壳类型从正常型陆壳、减薄型陆壳、过渡型地壳转换为洋壳(Xia et al., 2010)。

南海北部沿海地区分布着一系列沉积盆地, 如南雄盆地、三水盆地、河源盆地、东莞盆地、茂名盆地及合浦盆地等新生代内陆断陷盆地, 这些盆地往往继承了燕山晚期特征, 并加以改造, 多沿NE向大断层呈串珠状排列, 盆地沉积类型复杂, 沉积环境多变, 主要为晚白垩世‒古近纪陆相沉积(闫义等, 2005)。在南海北部的陆架和陆坡区, 自东向西发育了台西南盆地、珠江口盆地、琼东南盆地、北部湾盆地和莺歌海盆地, 其中除了莺歌海盆地与红河断裂带的走滑运动有关, 其余均为张裂过程中的伸展断陷型盆地(Zhou et al., 1995), 盆地构造以半地堑群及相间的隆起带为特征(龚再升, 1997)。南海北部陆架和陆坡前新生代基底西段属加里东褶皱带, 主要由古生代海相沉积层组成, 受加里东运动影响发生褶皱和变质; 中‒东段属燕山褶皱带, 主要由白垩纪花岗岩组成(周蒂等, 2006)。

受中、新生代区域构造转换过程的影响和控制, 南海北部沿海断裂构造十分发育(图1), 主要分布有NE向、NEE向和NW向三组断裂构造体系(刘以宣, 1981; 魏柏林等, 2000)。其中NE向断裂主要形成于中生代, 燕山期断裂活动强烈(刘以宣, 1981), 为古太平洋板块对东亚壳体俯冲碰撞在陆缘形成的断裂构造线, 沿断裂发育大量中生代花岗岩和中酸性火山岩; 该组断裂在中、新生代经历压剪性和张剪性的变化, 越靠近沿海其活动程度越高, 控制了许多大型山脉和水系的分布。NEE向断裂主要形成于前中生代, 新生代由于南海海盆扩张, 该组断裂复活, 强烈活动于新生代晚渐新世‒上新世, 以张性正断层为主, 兼有右行走滑特征(魏柏林等, 2000); 沿断裂带出现地堑、地垒、裂谷、断陷盆地以及基性岩浆侵入体, 其主要控制了南海北部海岸线和新生代盆地的总体走向和分布, 有自海域向陆缘活动性减弱的趋势。NW向断裂形成时代较晚, 主要形成于燕山晚期或喜山期, 发育于中国东南沿海地区, 称东南沿海断裂系(刘以宣, 1981); 在新构造运动时期表现出较强的活动性, 多为盖层至地壳断裂, 往往错断NE向和NEE向断裂, 新构造期以张剪性为主, 控制了第四纪断陷盆地和沿海水系、港湾的发育。以上三组断裂体系相互叠加和交织, 形成了南海北部陆缘独特的断裂构造格架。

2 数据与方法

通过南海北部沿海地区123个固定地震台站资料(图1), 我们获取了2008～2014年共11391个本地地震走时数据, 这些地震事件至少被10个以上台站记录到。广东省地震局首先采用Hyposat方法对这些地震开展了初始定位研究, 其结果显示地震定位精度达到水平2 km以内、深度4 km以内的误差范围。

为了进一步提高地震定位的精度, 本次研究采用成熟的双差走时定位方法(HypoDD; Waldhauser and Ellsworth, 2000), 对这些地震进行了重定位。HypoDD方法基于一个重要的前提, 即如果两次地震之间的震源间隔相对于地震台站距离和速度不均匀性的尺度较小, 那么这两次地震到相同台站的射线路径都是相似的(Got et al., 1994; Waldhauser and Ellsworth, 2000)。在这种情况下, 在同一个台站观测到的两个事件走时的差异可以归因于震源之间高精度的空间偏移。因此, HypoDD重定位可以有效的减少地壳结构不精确所带来的误差, 因此在地震活动密集区开展地震重定位具极佳的效果。

在HypoDD重定位过程中, 需要预先整理出地震事件对和到时差数据, 根据123个台站中记录的11391个地震, 我们整理出了1550659个震相对的到时差数据, 其中有675596个是P波震相对, 875063个S波震相对。考虑到震相拾取过程中, P波到时往往比S波到时更为清晰, 拾取精度一般也高于S波; 所以在重定位过程中, P波权重被设置为1.0, S波权重则为0.75。定位过程中, 经过8次迭代之后, 震源位置和起始时间的变化趋于稳定, 水平方向变化小于30 m, 深度方向变化小于60 m, 起始时间变化小于5 ms。经过10次迭代后, 有11150个地震被成功重定位(图2), 占初始地震数目约98%。双差重定位后, 地震定位的精度得到较大改善, 所有地震定位水平方向的平均误差为793 m, 垂向平均误差为1143 m; 超过94.6%的地震走时均方根残差小于0.4 s (图3c)。

3 地震活动时空特征

南海北部沿海地区地震活动主要集中在20 km以浅的地壳中, 下地壳底部仅有零星地震发生, 绝大部分地震震源深度集中在3～15 km之间, 震级主要为−1.0～1.2(图3), 属于板内微小地震活跃带。从HypoDD重定位的结果来看(图2), 空间上南海北部沿海全域都有明显的地震活动, 主要表现为部分地区地震密集且剧烈, 其他地区地震零星分布的特征。其中地震活动比较集中的地区有南澳岛外海、阳江地区、河源新丰江水库地区以及海南岛地区, 这四个地区的地震活动占地震总数90%以上。整体的地震活动分布显示, 不论是在震级上还是数量上研究区东、西两侧地区的地震活动明显强于中部的珠江口及周边地区。

图2 双差重定位后的地震分布图

(a) 重定位地震的深度分布情况; (b) 重定位后地震震级的分布特征; (c) 重定位后地震的走时均方根残差分布。

通过统计2008～2014年的地震活动, 我们发现南海北部沿海地区每年的地震活动空间分布总体特征比较一致, 每年地震基本上集中在南澳岛外海、阳江地区和河源新丰江水库地区等, 其他地区以零星散落分布为主。这说明南海北部沿海地区每年地震的活动态势随时间变化趋于稳定, 且不存在空间上明显迁移的趋势。

3.1 南澳岛外海地震活动特征

南澳岛外海地区位于南海北部东侧, 距欧亚板块和菲律宾海板块俯冲碰撞交汇处较近(约300 km)。南澳岛外海是受地震学家和社会极为关注的地震活跃区, 历史上曾发生两次7级以上地震, 分别是1600年7.0级地震和1918年7.5级地震(徐辉龙等, 2006), 这两次大地震被认为均与南澳岛外海发育的大型断裂带——滨海断裂带有关(徐辉龙等, 2006; Xia et al., 2020)。其中1918年7.5级地震还引发了海啸, 造成了二次伤害(Lau et al., 2010)。1918年之后, 未有破坏性地震的记录, 但中小地震每年均非常活跃。

南澳岛外海地震的重定位结果显示, 震源深度从2～25 km均有分布(图4), 最集中震源深度为6～ 15 km,即震源深度集中在中地壳, 但下地壳也有零星分布。地震走向主要为NE向, 重定位后一部分地震具有NW向分布趋势, 使得该地区地震活动表现出“L”型群集特征(图4), 这种分布特征说明南澳岛外海地震活动主要受NE向滨海断裂带控制, 部分受NW向断裂控制。该地区群集性地震的震级主要集中在−0.6～1.8之间, 其中0～1震级的地震最多。

从近7年的地震活动来看, 南澳岛外海地区每年地震活动在空间分布上趋于稳定, 地震活动主要集中在南澳岛东南海域30～50 km之间, 均以NE向条带状为主要群集特征, 表明该地区受区域性应力场影响, NE走向的滨海断裂带在该段一直处于较为活跃的状态。南澳岛外海地区总体上每年监测到的地震数量相对稳定, 未出现爆发性增长和断崖式下跌的情况, 平均每年可监测到200个以上地震事件。

3.2 阳江地区地震活动特征

阳江地区地震活动主要位于南海北部西侧沿海地区。有历史记载以来, 阳江地区最大地震为1969年7月26日发生6.2地震, 且中小地震十分活跃, 时常发生具有明显震感的3级以上地震。重定位后的地震分布图显示(图5), 阳江地区地震活动主要表现为南、北两个地震集群, 其中北部集群覆盖范围较小, 平面上地震活动有S-N向展布趋势; 南部集群位于滨海海湾地区, 规模明显比北部大, 地震活动呈显著的E-W向条带状分布特征, 1969年6.2地震位于南部震群的西端。阳江地区两个震群震级主要分布在0.6～1.2级之间, 两个集群的震源全部集中在中地壳(深度5～15 km)。与南、北两个集群的中地壳震源分布特征明显不同, 南部集群向北方向的海岸线附近发生有少量地震, 这些地震部分震源深度分布在20～22 km的下地壳。另外, 阳江地区在15～20 km深度极少有地震发生, 似乎形成了地震的深度空白区。

根据2008～2014年阳江地区每年地震活动的空间分布可知, 该地区每年地震活动均呈现为南、北部两个震群分布特征, 且南部震群地震活动性强于北部震群。较为特殊的是, 2011年阳江北部震群区几乎没发生过地震。从每年监测到的地震数量上看, 阳江地区每年地震发生数量相对稳定, 并无明显增长或下降的趋势。

3.3 新丰江水库地区地震活动特征

河源新丰江水库位于广东省中东部, 水库上建有高105 m的混泥土大坝, 水库容量为115×108m3。1959年10月新丰江水库开始蓄水, 1个月后便开始发生地震, 其中1962年3月19日在大坝东北1 km处发生6.1级地震(图6), 坝区地震烈度为Ⅷ度, 毁坏房屋数千间, 新丰江沿岸发生地裂、滑坡、塌方等地质灾害, 对河源地区造成严重的伤害和破坏(左兆荣等, 1995)。作为世界上为数不多的诱发过6级以上地震的水库之一, 新丰江水库是广东省地震活动最为频繁的区域。现有地震观测网数据显示, 2008年1月到2012年8月近7年时间里, 河源新丰江水库至少发生7269次地震, 这一地震数量是阳江地震密集区6倍以上, 也是南澳岛外海地震数量约5.5倍。

图4 南澳岛外海地震活动分布

图5 阳江地区地震活动分布

虽然地震数量多, 但>6.0地震在1962年之后没有再发生过。大部分地震震级较小, 主要分布在−1.0～0.6之间, 时常也会爆发>4.0地震(图6), 震源深度主要分布在3～12 km之间。根据重定位后的地震数据来看, 新丰江水库地区震中主要分布在贮水盆地的上游(西北部)和下游(东南部)两个峡谷区(图6)。上游峡谷震群规模明显比下游峡谷震群小, 统计结果显示约78%地震集中在下游峡谷周边(即东南部大坝附近的峡谷区)。新丰江水库地震活动分布图显示, 上游峡谷震群更为集中, 形成了一个较集中的地震群; 下游峡谷集群的地震分布总体呈NW-SE走向, 主要表现为次一级的震群模式, 这些小震群深度分布也相对独立, 彼此具有一些深部分布上的差异性, 深度从4～14 km发育大小不一的震群(图6)。1969年6.1地震发生在大坝附近峡谷区的小震群边缘。

根据收集到的地震观测数据显示, 新丰江水库上游峡谷地震活动与大坝附近峡谷区存在差异。大坝附近峡谷区较大规模的震群从2008～2014年一直较为活跃, 且从2012年后开始出现指数型增长; 但是西北部上游峡谷的震群在2012年以前活动规模很小, 甚至在2010年都几乎没有观测到地震, 2012年以后开始与大坝附近震群同步出现爆发性的数量增长。从历年地震数量统计可知, 2012年以前新丰江水库地区地震数目相对稳定, 约在300～400次之间; 2012年后却出现爆发性指数增长。2014年前8个月地震数量已经是2013年约2.3倍, 是2008年约11倍; 且该地区爆发性地震增加也直接导致了整个南海北部地区2012～2014年地震数量指数型增长。

3.4 海南岛地区地震活动特征

海南岛及其周边地区地震特征独具特色(徐晓枫等, 2014), 主要表现在以下几个方面: ①该区地震活动较强烈, 却很少地震发生在该地区最大断裂——红河断裂带的海上延伸段; ②“震群型”和“双震型”地震频繁发生(谢振福, 2006); ③东方震群和北部湾的震源机制解中含有非双力偶组分(周荣茂等, 1999a, 1999b); ④琼北火山地震带上存在岩浆侵入触发地震的现象(Ji et al., 2015)。为了厘清海南及邻区地震活动的独特性及其受控机制, 本次研究收集了徐晓枫等(2014)利用HypoDD重定位的2000～2012年海南岛及邻区的地震数据, 并进行相关分析。整体上, 海南岛及其周边820个地震震级分布在0.3～4.3之间, 其中93%震级在3级以下; 震源深度从30 km到浅部0～1 km均有分布。最为独特是海南岛及其周边震中分布表现为一簇簇大小不一的地震群特征, 我们对最为明显的4个地震群进行了细致分析。

图6 新丰江水库地震活动分布

从海南岛及周边地震活动分布图(图7)可知, 震群1位于北部湾, 该区域广泛被全新世OIB型火山岩层(<0.1 Ma)覆盖(Li et al., 2013), 震中呈S-N向展布, 震源从深度22 km似通道状连续分布到了近地表。震群2位于琼北火山区, 震中沿S-N方向分布, 震源从深度约28 km一直连续到约1 km, 且在15 km深度形成了两个分支。此外, InSAR数据也观测到岩浆侵入导致地表变形, 并伴随地震活动的现象(Ji et al., 2015)。在震群3地区, 震中呈NW-SE向展布, 震源深度从24 km起一直连续到近地表, 主要集中在10～15 km。张前等(2015)通过综合地球物理和地质调查, 也识别出了软流圈以上的侵入和隆升以及垂直的岩浆通道。震群4位于海南岛东南滨海地区, 震中也呈NW-SE向展布, 纵向上呈似通道状连续分布。总体上, 各个震群震源都存在从深到浅近似通道状分布特征, 深度可从30 km连续到浅部0～1 km。似通道状的震群活动特点表征了海南地区的岩浆流体活动通道, 暗示了地震活动受深部岩浆流体活动的影响(Lin et al., 2022)。

图7 海南岛及周边地震活动分布

3.5 珠江口地区地震活动特征

珠江口地区积聚了粤港澳大湾区最重要的城市群, 该地区地震活动与地震灾害一直是备受关注的重点地区。从重定位的地震活动分布看, 珠江口地区未发生长期性的集群地震活动, 仅有零星地震分布在珠江口海域及两侧地区。已有数据和研究显示(图8), 该地区在1874年曾发生过一次5级以上地震, 2006年也发生过一次4级地震, 这两次地震均位于珠江口的担杆岛海域, 被认为与滨海断裂带在该段的活动性有关(Xia et al., 2018)。另外, 2020年1月5日在珠江口发生了一次L4.0级的有感地震, 这次地震与已探测的滨海断裂带存在一定的距离, 推测应该不是由滨海断裂带触发, 而与该地区其他NE或NW向断裂存在关联(Chen et al., 2021)。因此, 珠江口地区虽然目前地震活动性不是很强, 没有形成集群性地震特征, 但从已有地震活动的研究来看, 该地区NE向和NW向断裂均具备触发地震的可能性。

4 地壳结构与发震构造

地震探测揭示南海北部沿海地区的地壳结构非均质性强烈, 地壳厚度在28～34 km左右(Xia et al., 2015), 中地壳10～15 km深度广泛发育有厚3～5 km左右的低速层, 其速度为5.5～6.0 km/s(廖其林等, 1988; 尹周勋等, 1999; Zhou et al., 2020), 低速层向海方向逐渐尖灭。南海北部沿海西侧地壳结构相对复杂, 雷琼坳陷区地壳厚约25～26 km, 大陆区没有发现中地壳低速层, 反而在中地壳局部发育高速异常区, 而在下地壳却有低速异常结构的存在(嘉世旭等, 2006)。针对南海北部沿海大陆地壳中广泛发育的壳内低速层, 许多学者进行了深入研究, 认为岩石各向异性和流体作用可能是引起低速的主要原因(杨晓松和金振民, 1998; 周永胜和何昌荣, 2002; 赵明辉等, 2007; Zhou et al., 2020)。

图8 珠江口及邻近地区地震活动分布

物理模拟实验结果表明, 壳内低速软弱层的存在, 使层间相互作用更为复杂, 在块体运动过程中有时会出现层间解耦, 一方面使块体内深浅部断层性质和活动方式不同, 另一方面为块体局部运动以及应力集中、调整和释放提供了条件, 对地震孕育起到了重要作用(李建国和周永胜, 1997), 这与本研究区约90%以上地震普遍发育在5～15 km深度现象相对应(图2)。南海北部沿海陆域普遍发育的壳内低速层为脆性上地壳的软弱夹层, 该软弱夹层的存在使得地壳上部脆性层整体性降低, 在外力作用下软弱夹层易于流动, 促使脆性层发生破裂引发地震(黎刚, 2006)。这从整体上能够宏观解释本研究区的地震活动与地壳内部薄弱构造层的关联性。

然而, 从地震分布特征可知, 研究区地震活动并不是均匀分布, 而是形成了一些集群性的震群分布态势。不同震群区地震的发震构造是否相似或存在明显差异, 这需要我们开展对比分析, 重点对各典型震源区开展地壳结构与发震构造的详细研究。通过对南澳岛外海开展反射和广角地震探测(Xia et al., 2020), 我们厘定了NEE走向滨海断裂带和NW走向黄冈水断裂在海底的发育位置和属性特征, 确定了滨海断裂带作为海陆交互带重要的边界断裂带, 并造成了沉积基底大规模的垂直错断。三维地壳结构显示南澳岛海域地壳非均质性强烈(Xia et al., 2020), 尤其是上地壳包含诸多高、低速异常体, 反映了复杂的断裂交叉构造所导致的上地壳破碎特性。该地区震群型微震活动主要发生在中地壳低速体(LVZ)或其附近的高‒低速过渡区, 反映出该低速体作为壳内构造薄弱带, 为海域震群的发生提供了适宜的构造条件。成像结果表明, 研究区中地壳低速体、滨海断裂带与黄冈水断裂的交汇构造以及沿断裂带的高速侵入体交汇融合并形成了局部应力集结带, 其为该地区主要的发震构造耦合体, 强烈影响并控制了该海域板内地震活动的发生。

同样, 我们在珠江口海域也开展了反射和广角地震探测, 反射地震剖面展示了滨海断裂带在该段发育清晰, 该断裂带造成了两侧基底的明显错断(曹敬贺等, 2014; Xia et al., 2018)。2006年担杆岛4.0级地震发生在NE向和NW向断层的交叉点附近。在担杆岛南部发现了上地壳中发育低速异常体, 而下地壳底部具有高速异常的侵入体结构, 1874年和2006年两次担杆岛地震均发生在该低速异常体的边缘。这些结果表明, 不同走向交叉的断裂可能作为局部应力集中区, 并在其附近引起异常应力积聚。担杆岛南部下地壳侵入高速体反映了一个强而脆的凸起体, 它可进一步影响断层的动力学, 改变断层带的应力, 导致地震破裂。此外, 流体可通过裂缝断裂带, 从而影响断裂带的长期结构和成分演化(Zhao et al., 2004)。这些影响将增强发震区的应力集中, 导致强凹凸体的机械破坏(Zhao et al., 2004), 从而可能导致大地震的成核。Cochran et al. (2009)推断断层损伤带岩体强度很可能比围岩弱, 有助于区域应变的局部化。断层的应变局部化更能响应相对较小的应力变化(Cochran et al., 2009), 从而提高交叉断层带中易发生地震的可能性。因此, 我们推断担杆岛海域交叉断裂带与下伏高速体之间的接触带是珠江口地区最有可能发生地震的地区, 这与目前的地震活动分布也是一致的。

阳江地区的地震活动主要发生在平冈断裂和程村断裂的交汇地带, 表明其受交叉断裂的控制和影响, 但也有例外。前人研究显示, 1969年阳江6.2地震由NE向平冈断裂的右旋走滑破裂引起(林群等, 2018)。相应的库伦应力变化研究表明(Zhu et al., 2020), 1969年的阳江6.2地震以及1987年和2004年的两次地震的库伦应力变化呈现复杂的特征, 库伦应力增加不仅发生在断裂的尖端, 也发生在断层的外侧。大部分的余震发生在应力增加区, 且主要发生在浅部上地壳, 表明地震活动应该与深部地壳物性的异质性相关。通过Zhang and Wang (2007)的P波速度结构, 我们发现阳江地区的上、下地壳存在解耦, 形成了约3 km厚的低速层。由此, 我们认为该低速层的存在使得应力变化很难向深部传播, 导致大部分地震发生在浅层上地壳, 仅有极少部分地震分布在下地壳(图5)。综上分析, 阳江地区平冈断裂与程村断裂的相交点或端点是应力易集中、且是最可能发生强震的部位, 低速层起到隔绝应力传播的作用, 导致地震主要集中在上地壳。

新丰江水库发震构造与前三者不同, He et al. (2018)利用三维走时成像的方法揭示该地区地壳复杂的p(横波速度)和s(纵波速度)结构。三维速度结构显示NE向河源断裂、人字石断裂和大坪‒岩前断裂的延伸深度不超过5 km, 且水库下7～10 km的低速体可能反映了NW向沿水库峡谷的深断裂。结合前人的成像结果, 发现大部分地震分布在低波速或者高p/s值的边缘地带, 而不是在结构的中心区域, 表明地震应该是从断裂带外围发生。根据前人在饱和干燥岩石p/s值的研究(Dixit et al., 2014; Gritto and Jarpe, 2014), 围岩的p/s值对水极其敏感, 水的渗透可以显著增加p/s值。从水库蓄水前后地震大量增加以及地震主要分布在高p/s值的区域来看, 我们推断水在触发地震过程中起着重要作用。水库蓄水后, 水开始渗进裂缝中, 增加孔隙压力, 促进了地震的发生。地震后, 水可以更轻易地向开放的裂缝中渗透, 并将裂缝延伸到深部, 同时地震也逐步往深部延伸和迁移, 这也是很好地解释了为何三组NE向断裂延伸深度不足5 km, 而震群活动却可以延伸到16 km。此外, 由于水的参与改变了围岩的应力状态, 也改变地震类型(He et al., 2018)。根据蓄水一个月后便发生大量地震和两年多后(1962年)爆发6.1破坏性地震的客观事实, 我们认为水的载荷和扩散效应在触发6.1的地震中发挥了重要作用, 并导致小震的频繁发生。

近年来, 大量的研究表明海南岛存在地幔柱活动, 在层析成像中表现出起源于下地幔的低速异常(Huang, 2014; Xia et al., 2016), 在海南岛和北部湾新生代晚期玄武岩的研究中, 表现为符合地幔柱起源的同位素地球化学特征(贾大成等, 2003; Zou and Fan, 2010)。众多学者在海南地区的地壳结构研究也显示, 该地区从深到浅广泛存在低速通道, 如琼北火山区(Lei et al., 2009)和海南东南滨海地区(Lin et al., 2022)。1605年海南琼州7.5地震震源区地壳结构的研究表明, 其下方的低速异常体也是低阻、高导体, 且与现今地震活动存在较强的空间相关性(Hu et al., 2007; Huang, 2014; Ji et al., 2015)。在海南岛外海1969年双震震源区的地壳发震结构研究中, 我们发现1969年的两个>5.0地震和现今的微震活动发生在低速异常体的边缘, 且与深部的岩浆流体活动具有很好的对应关系(Lin et al., 2022)。此外, 海南及其周边地区地震群活动在深度上都呈现明显的近垂直状的通道分布特征(图7)。通过对每个震群周边的地质、地球物理和地球化学资料的调查, 我们发现每个震群活跃区都存在明显的岩浆活动痕迹。因此, 我们认为海南岛及邻区地震活动主要受海南地幔柱岩浆和流体活动的影响。岩浆或热液流体可以通过溶解和改变各种矿物来削弱裂缝的壁, 导致断层泥的孔隙率增加, 断层减弱, 当断层强度降低到临界值, 则会触发地震活动。断裂在破裂过程中又会被压实, 断裂强度恢复(Hirakawa and Ma, 2016; Vavryčuk and Hrubcová, 2017), 因此地震周期性发生形成了海南地区的各个地震群。

5 结 论

通过收集南海北部沿海地区固定台站记录的天然地震数据, 我们利用双差走时重定位方法开展了地震震源定位研究。结果显示, 南海北部沿海地区地震活动主要以集群模式分布在南澳岛外海、阳江、新丰江水库以及海南岛等不同区域, 其他地区仅零星分布, 地震活动的数量和空间分布模式随时间没有明显变化。

(1) 南澳岛外海震群呈“L”型分布特征, 以NE走向为主, NW走向为辅, 震源深度从2～25 km均有分布, 主要集中在6～15 km深度。该震源区的中地壳低速体、滨海断裂带与黄冈水断裂的交汇构造以及沿断裂带的高速侵入体交汇融合形成了局部应力集结带, 该集结带是主要的发震构造耦合体, 强烈影响并控制了区域地震的发生。

(2) 阳江地区地震活动主要表现为南、北两个集群, 其中北部集群覆盖范围较小, 平面上地震活动有S-N向展布趋势; 南部集群规模明显比北部大, 地震活动呈显著的E-W向条带状分布; 两个集群的震源深度全部集中在5～15 km。该震源区平冈断裂与程村断裂的相交点或端点是应力易集中且最可能发生强震的部位, 壳内低速层起到阻隔应力向下传播的作用, 导致地震更多地集中在上地壳。

(3) 新丰江水库地区地震活动主要分布在水库西北部和东南部的两个峡谷区。上游峡谷的震群规模明显比下游峡谷的震群小, 约78%的地震集中在东南部水库大坝附近的峡谷区。下游峡谷集群的地震分布总体呈NW-SE走向。该水库震源区水的载荷和扩散效应在触发6.1地震中发挥了重要作用, 并导致持续不断的小震发生。

(4) 海南岛及其邻区地震活动主要表现为大小不一的地震群特征, 最明显的有4个震群。各震群的震源深度均存在从深到浅的近垂直状通道模式分布特征, 从30 km深度连续到浅部0～1 km, 这种特征暗示了该地区地震活动主要受海南地幔柱岩浆和流体活动的影响。岩浆或热液流体可以通过溶解和改变各种矿物来削弱裂缝的壁, 导致断层泥的孔隙率增加, 断层减弱, 从而由深到浅触发地震活动。

(5) 珠江口地区未发生长期性的集群地震活动, 仅有零星地震分布在珠江口海域及两侧地区。历史记载该地区在1874年曾发生过5级以上地震, 2006年发生过一次4级地震。该地区不同走向交叉断裂可能作为局部应力集中区, 同时下地壳侵入体作为一个强而脆的凸起体, 可能改变了断层的动力学特征, 从而引发地震破裂。

致谢:本文的地震数据来自于广东省地震局; 感谢中山大学王岳军教授和张玉芝老师对本文的指导; 感谢中国科学院广州地球化学研究所郭锋研究员以及两位匿名审稿专家提出了建设性修改建议。

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Seismicity and Seismogenic Structure in the Northern Coastal Area of the South China Sea

XIA Shaohong1, 2, 3, LIN Jiangnan1, 4, CAO Jinghe1, 2

(1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301,Guangdong, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou511458, Guangdong, China; 3. Sanya Institute of Oceanology, SCSIO, Sanya 572100, Hainan, China; 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The coastal area of South China belongs to the intersection of the South China Block and South China Sea (SCS), which has undergone a complex geological evolution and formed a typical intraplate seismic activity zone. In this work, the seismic data recorded by the permanent seismic network in the study area are collected and the HypoDD relocation is carried out to get the more accurate seismic source parameters. From the temporal and spatial features of seismic activity, it can be seen that earthquakes in the northern coast of the South China Sea are relatively intense, forming several typical earthquake clusters, such as the Nan’ao Island Offshore earthquake swarms, Yangjiang earthquake swarms, Xinfengjiang Reservoir earthquake swarms, and Hainan Island magma-induced earthquake swarms. The yearly number and distribution pattern of earthquake in the study area are stable, mainly concentrated in the several typical earthquake swarm areas with sporadic earthquake in the other regions. Typical earthquake swarms are primarily distributed in the middle and upper crust depths (<20 km), and fewer occur in the lower crust. However, there are certain different distribution patterns in various earthquake swarm areas. Many seismic events offshore the Nan’ao Island are L-shaped, and most of the earthquakes are gathered to form a NE-trending seismic zone with some distributed in NW trend. The seismic distribution in the Yangjiang area can be divided into the south cluster and the north cluster. The south cluster is ruptured along the near-EW direction, which is obviously more intense than the north cluster that covers a smaller area and generally scatters in the NS direction. In the Xinfengjiang Reservoir area, two canyon areas in the northwest and southeast of the water storage basin are the primary sites of seismic event. About 78% of earthquakes are located in the southeastern canyon area near the dam of the reservoir, showing an overall NW-SE trend; the quake swarm in the upstream canyon of the northwest was rarely observed before 2010, but significantly increased after 2012. Four distinct swarms are generated in and around the Hainan Island with nearly vertical channel distribution characteristics in focal depths, indicating that seismic activity in the Hainan Island is closely related to the magmatic fluid activity. Furthermore, by comparative analysis of the crustal structure and seismogenic structure in the different typical earthquake swarm areas, we discovered that the seismogenic structure varies in different earthquake swarm areas. The earthquakes that occurred off the Nan’ao Island coast and the Pearl River Mouth area are controlled and influenced by several factors including the NE and NW-trending intersecting faults, the weak layer in the crust, and high-velocity intrusions in the lower crust. The fluid activity inside the fault zone and the hydrostatic pressure of the reservoir are the main causes of seismicity in the Xinfengjiang Reservoir area. The Hainan Island seismic activity may be closely linked to the shallow magmatic fluid activity caused by a mantle plume. These results suggest that the seismogenic structure in the northern coast of ​​the South China Sea is attributed to the strong heterogeneity of the crustal structure, which cannot be interpreted by a unified model, and each earthquake swarm area is principally controlled by the local structures and fluids.

north of the South China Sea; seismic activity; earthquake swarms; seismogenic structure; HypoDD relocation

2021-12-10;

2022-02-14

国家自然科学基金项目(U1701641、42076071)、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0204)和海南省重点研发项目(ZDYF2020198)联合资助。

夏少红(1981–), 男, 研究员, 从事海洋地球物理方向研究。E-mail: shxia@scsio.ac.cn

P65; P511.2

A

1001-1552(2022)03-0455-016

10.16539/j.ddgzyckx.2022.03.004