江汉盆地东北缘现今地壳构造应力场及其发震构造

2022-11-03廖梵汐董彦君申学林

大地测量与地球动力学 2022年11期

关键词：应力场余震盆地

廖梵汐路辉董彦君申学林

1 中国地质大学(武汉)紧缺战略矿产资源协同创新中心，武汉市鲁磨路388号，430074

2 中水淮河规划设计研究有限公司，合肥市云谷路2588号，230601

3 地震预警湖北省重点实验室，武汉市洪山侧路40号，430071

4 中南勘察设计院集团有限公司，武汉市珞喻路1077号，430074

区域构造应力持续作用使得地壳内部不断累积应变能，当应变能达到一定程度时会引发地震，地震波会携带震源机制、震源应力场及构造运动等重要信息。利用大量的震源机制结果获取区域构造应力场，是目前研究岩石圈应力场以及区域构造运动特征的重要手段之一。

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

江汉盆地位于扬子克拉通北缘，夹持于北部秦岭-大别造山带和南部江南-雪峰山造山带之间，西靠黄陵隆起和湘鄂西褶皱冲断带，东邻鄂东褶皱冲断带。近年来，围绕江汉盆地周缘发生多起破坏性地震，而此类地震的发震构造目前尚未达成共识。杨攀新等[1]结合物探资料认为，该盆地周缘地震活动与古近纪以来的断裂性质有关；刘锁旺等[2]发现，NW、NE向控盆断裂走滑拉分或走滑挤压导致江汉盆地发生非对称扩张，进而引发地震；徐杰等[3]认为，地震活动主要与该区域内第四纪垂直差异活动明显的构造有关。此外，2019-12-26湖北应城4.9级地震是该地区有地震记录以来的最大地震，并伴有后续余震，而此前该区域内地震活动较为平静，因此应城M4.9地震及其余震的发生是否表明该地区的构造应力场发生变化，需要进一步研究。本文将进一步结合震源机制解对湖北应城M4.9地震序列数据进行构造应力场分析，为江汉盆地东北缘应力场研究、区域地震活动特征评价以及进一步认识区域构造活动提供新依据。

1 地质构造背景

江汉盆地由震旦纪-早白垩纪的变质基底和中白垩纪以来的沉积盖层组成，其演化历史主要分为以下3个阶段：1)扬子克拉通和华北克拉通在中三叠世发生俯冲碰撞造山，进而挤压前锋带形成陆前盆地，伴随形成一系列NW和NE向断裂带；2)晚侏罗-早白垩世盆地发生顺时针旋转，NE方向由主压应力变为主拉应力，且盆地周缘断裂因为盆地旋转而不再垂直或平行于盆地，并表现出右旋走滑特征；3)晚第三纪-第四纪构造活动明显减弱，盆地开始由断陷转变为凹陷，并具有幕式特征(图1)[1,4]。

江汉盆地东北缘断层分布以襄樊-广济断裂带、皂市断裂带以及长江埠断裂带为主，其中襄樊-广济断裂带为区域性深大断裂带，其深部下切至震旦系变质基底，在研究区内隐伏于第四纪地层之下，走向NW，倾向NE，控制应云凹陷的东北界；皂市断裂北起京山天王寨，南至皂市东，往SSE方向延伸并隐伏于第四纪地层下，具有左旋走滑特征，控制应云凹陷的西界。皂市断裂与长江埠断裂倾角均呈上陡下缓走向，并一同斜切延伸至襄樊-广济断裂带内，属于襄樊-广济断裂带中段的次级断裂[5]。

2 研究方法

2.1 震源深度

震源深度的准确测定是探讨发震构造、分析地震活动性以及区域地震危险性评估的重要参考依据，在地震学研究中具有重要意义。由于本文用到11个地震序列，无法利用双差定位法对深度进行准确计算，但主震震中位置距离最近台站(钟祥台)为73 km，属于近震深度震相sPL的优势震中范围。由于sPL-P到时差与震源深度呈线性正相关，受震中距影响可忽略不计，因此可用于约束主震震源深度[6]。近震深度震相sPL确定震源深度的方法是运用频率-波速(F-K)方法模拟不同深度下的理论地震图，并将其与实际波形进行拟合对比，获得地震深度分布[6]。

由于余震的能量小、衰减快且地震波传播距离接近sPL深度震相可识别的极限范围，因此无法识别出清晰的sPL震相。但湖北省地震监测台网的台站分布对余震震中的包围性较好，且均有事件波形记录，因此采用单纯形法确定余震震源深度。该方法是Nelder等[7]提出的一种寻优方法，首先在n维空间中用n+1个顶点构成一个多面体，依据单纯形运算规则，计算各顶点函数值并进行比较，确定顶点优劣；然后计算新顶点，用好的顶点代替坏的顶点，不断改变顶点，使单纯形运算朝着目标函数最小方向移动，最终获得准确解。该方法可用于地方震、近震和远震。

2.2 应力场反演

本文采用网格搜索法对江汉盆地东北缘的应力场进行分析，利用大量小震与中强震的震源机制解数据，按照震级差异对震源机制解赋予不同权重，计算过程中采用全局搜索得到应力场最优解，最后获得应力场方向以及置信范围。

对应城M4.9地震及其余震分别进行震源机制解计算，并根据震级大小采用适当的计算方法，M≥3.0时采用Seis-CAP方法，M<3.0时采用P波初动方法。由于每个地震震级大小不同，对所计算的区域应力场方向提供的约束也有差异，因此需要根据地震震级大小赋予震源机制解不同的权重。每个地震震源机制解的权重W参照Shen等[8]大地测量数据计算应变的方式求取：

(1)

式中，W为地震震源机制解权重，大小为1～10；D为震级衰减常数；r为震级相对大小，即

r=M-Mmin

(2)

设定应力场旋转轴3个旋转角的搜索区间均为1°，应力比值的搜索间隔为0.1，置信水平为90%，获得应力场各参数的置信区间，应力形因子R的表达式为：

(3)

式中，S1、S2、S3分别为最大、中间、最小主压应力。

3 数据处理及结果

3.1 震源深度确定

sPL震相的优势震中范围为20～80 km[6]，湖北省测震台网中仅钟祥台(ZHX)符合要求。钟祥台有CTS-1型地震计和EDAS-24GN数据采集器，属于基岩台。对钟祥台记录到的应城M4.9地震波形数据进行去倾斜、去均值和扣除仪器响应处理，旋转NS-EW-UD分量至R-T-Z分量，滤除波形中1 Hz以上的高频成分，即可在径向(R)分量上观察到较为清晰的sPL震相。依据廖武林等[9]提供的速度结构模型，构建湖北地区的一维地壳模型(表1)，采用F-K方法模拟钟祥台在不同深度下径向、切向和垂向的理论地震图。将径向分量下Pg和sPL相对到时吻合后，对比理论震相和实际波形，进而得到震源深度。

表1 一维地壳模型

图2为应城M4.9地震的钟祥台位移记录。由图2(a)(示意图)可见，钟祥台可以观测到清晰的sPL震相，并表现出径向分量能量最大、垂向分量次之以及切向分量最小的特征。波形拟合结果如图2(b)所示，应城M4.9地震震源深度为6 km时，钟祥台径向分量上Pg和sPL震相与理论震相拟合度最高，且实际波形(红色曲线)与理论波形吻合度较好，表明利用sPL近震深度震相测定应城M4.9地震的震源深度为6 km。

余震震源深度采用单纯形法计算(表2)。由表可见，应城M4.9地震及其余震震源深度主要分布在4～6 km之间。

表2 sPL深度震相及单纯形法深度测定结果

3.2 震源机制解计算

利用震中距350 km以内的15个台站观测数据进行分析，并从中选取方位角分布较好、信噪比较高且P波初动清晰的宽频带波形，进行去仪器响应、分量旋转等处理。采用与sPL深度震相同一的地壳速度模型计算格林函数并获取理论地震图，分别对波形数据中Pnl和面波进行0.05～0.15 Hz 和0.05～0.1 Hz的4阶Butterworth带通滤波，并与理论地震波形进行相互拟合分析，拟合残差最小时对应的断层面解即为本次地震的最佳震源机制解。不同深度最佳震源机制解和波形拟合差如图3所示，由图可见，矩心深度为6 km，与sPL深度震相拟合得到的结果一致，对应的地震矩震级为4.8。

图4为矩心深度为6 km时部分台站的拟合情况，由图可见，15个台站共计75个波段，其中相关系数(曲线下第二行数字，单位%)大于80的波段有62个，占83%，拟合效果较好，结果可信度较高。

由图4可见，节面Ⅰ的走向143°、倾角72°、滑动角13°；节面Ⅱ的走向49°、倾角78°、滑动角162°，表明断层面以走滑为主，兼有逆断性质。最大主压应力P轴方向为近EW向，与区域构造应力场方向一致。

采用P波初动法确定的余震震源机制结果见图5和表3。由图、表可知，本次震群活动的断层破裂性质为走滑兼少量逆冲成分，主震及余震的震源机制解一致性较好，主震震源机制解与吴海波等[5]、李恒等[10]研究结果基本一致(表4)，计算结果可靠性较高。

表3 Seis-CAP法和P波初动法确定震源机制结果

表4 应城M4.9主震震源机制解

3.3 构造应力场计算

按照11个不同大小的地震震级对每个地震的震源机制解赋予不同的权重，以研究区作为单元网格进行搜索，获得90%置信度下的应力场作用方式，反演结果如图6所示。

图6(a)中红色小箭头和蓝色小箭头方向一致，表明断层理论滑动方向与观测滑动方向相同，应力场反演结果可靠性较高。研究区内S1轴方向为280°～282°、倾角为1°～2°，S2轴方向为186°～188°、倾角为68°～70°，S3轴方向为11°～13°、倾角为20°～22°。R值为0.4，表明断层活动具有逆冲特征。

已有研究者对研究区内不同区域的构造应力场特征进行过研究。李蓉川等[11]根据1972～1983年鄂、豫、皖地区26个中小地震震源机制解资料认为，鄂西地区主压应力方向为NW-SE，鄂东为近EW；Dong等[12]根据2010-01-01～2017-12-31期间的数字观测数据计算获得研究区内应力场方向为近EW向；邓起东等[13]利用MS4.6以上的震源机制解结果反演得到中国大陆地壳现今应力场特征，与本文计算结果一致，表明研究区现今构造应力场在第四纪以来处于稳定状态[14]。

4 讨论

襄樊-广济断裂带不仅是华北地块和扬子地块的碰撞接触带，同时也是横贯湖北省的重要深大断裂带。该断裂带两侧广泛发育各类次级断裂，比如研究区内的皂市断裂、长江埠断裂等。中三叠世华北地块和扬子地块碰撞造山作用形成江汉盆地，晚侏罗以后盆地沿NE-SW向伸展，随着岩浆活动减弱，地壳活动逐渐恢复平静发生凹陷沉积，进而在研究区内形成应云凹陷、龙赛湖弱凸起和小板凹陷等地形地貌。

根据震源机制解获取的构造应力场主压应力方向为NWW-SEE，与GPS数据得到的地壳应变率场结果一致[12]，表明研究区受到自NWW向SEE方向的挤压作用，该力源可能来自于印度板块和欧亚板块的碰撞。主震及其余震震源机制解都存在NNW方向的节面，倾角为68°～85°，断层面以左旋走滑为主，兼有少量逆冲特性。而皂市断裂及长江埠断裂走向为NNW-SSE，倾角上陡下缓，具有左旋走滑性质，其构造形态与主余震震源机制解相吻合。因此，皂市断裂及长江埠断裂可能是湖北应城M4.9地震的主要发震构造，断层面为节面Ⅰ(走向143°，倾角72°，滑动角13°)，主压应力轴走向为NW-SE(280°～282°)，倾角为1°～2°；主张应力轴方向为NE-SW(11°～13°)，倾角为20°～22°。表明力源作用推挤地壳向SEE近水平方向运动过程中使得皂市断裂及长江埠断裂发生构造活动，导致断层表现出左滑兼少量逆冲特性。

本文通过单纯形法确定应城M4.9地震及其余震均分布在应云凹陷内，利用近震深度震相sPL和单纯形法确定其深度分布范围为4～6 km，将震源位置投影至地质剖面上(图7)，表明该震群处于皂市断裂及长江埠断裂底部缓倾区域，震源深度范围所在地层位于白垩纪以下，为古近纪地层。此外，王德良等[4]结合江汉盆地内2 000 多口钻井资料和地震资料获取盆地不同时期的沉降速率，认为本研究区在晚渐新世荆河镇组沉积时期(32～26 Ma)凹陷作用明显减弱，沉降速率几乎为0，盆地底部地幔底辟作用消退。因此，本次震群活动可能由皂市断裂及长江埠断裂构造活动引起，且与古近纪以来的断层活动有关。