2014年秭归MS4.5和MS4.9地震震源与发震构造特征

吴海波 姚运生 申学林 赵凌云

1)中国地震局地震研究所，地震与大地测量重点实验室，武汉 430071

2)湖北省地震局，武汉 430071

0 引言

2014年3月27和3月30日在湖北省秭归县分别发生了MS4.5和MS4.9地震，中国地震台网中心的定位结果分别为30.92°N，110.80°E和30.91°N，110.82°E;本研究分别称为秭归地震1和秭归地震2。这2次地震均位于长江三峡水库南岸相距不足3km处，是三峡水库蓄水后发生在秭归地区的最大地震，也是继2008年秭归4.1级地震后该区又发生的2次中等强度地震。2次地震均有较强震感，但未造成人员伤亡和严重的破坏。地震发生在三峡库区，因而引起了社会各界的极大关注。

三峡水库蓄水以来，震区附近已发生了5次ML3.5以上地震，这2次地震的孕震背景如何?以及震后构造应力场如何变化及对区域未来地震的影响如何呢?对此，需要对该区域引发中等强度地震的活动断裂以及2次地震的震源特征深入讨论。目前，对这2次地震发震构造及震源讨论的有关文献并不多，湖北省地震局《秭归地震现场考察报告》中2次地震烈度等震线呈长轴SN向分布，并指出与仙女山断裂活动有关，但余震分布并未完全按仙女山断裂的走向分布，那么这2次地震的震源是如何分布的，发震构造又是什么呢?本文将从地震学方面并结合区域地质构造进行综合分析，通过震源体分布规律和震源机制探讨2次地震的发震构造及特征，对于三峡库区水库诱发地震研究和未来地震灾害趋势评估具有重要意义。

1 地震构造背景

长江三峡库区位于扬子准地台中段北缘的渝东－鄂西台褶带，构造上受到南部渝东－八面山弧形构造带与北部大巴山－大洪山弧形构造带相向逆冲推覆，在两者相碰交接地带形成奉节－巴东褶皱带和秭归向斜构造盆地，因此，该区域构造应力场同时受控于这两大构造单元。

图1 震中地质构造简图(据1︰20万地质图改编)Fig.1 Geotectonic sketch of the epicenter area(adapted from the 1∶200000 geological map).

本次地震序列活动位于三峡库区中东段，在黄陵背斜与秭归坳陷盆地交会处(图1)，微构造上在仙女山微地块内，由仙女山断裂和九畹溪断裂分别控制其东西边界。这2条断裂均形成于燕山运动期，经燕山期和喜马拉雅期强烈构造变形，向下切割古生界和白垩系，沿断裂拉张形成断陷槽地，构成了黄陵地块西南侧分界线的一部分。对断层活动年代测试结果表明，两者最后1次强烈活动时代均为早、中更新世，最新活动年龄为15万年左右。仙女山断裂走向NNW，倾向SW，自北向南由仙女山断裂、都镇湾断裂和桥沟断裂组成，本次地震序列活动发生在北段，对于该段断裂北端是否延伸穿越长江一直存在争议，一般观点认为该段尖灭于长江南岸荒口一带，并未穿过长江(谭成轩，1991;王瑞江等，1995;毕珉峰等，2012)，但也有学者通过断裂形变特征、力学性质与交接关系认为该断裂北延过了长江(杨淑贤等，1993)。九畹溪断裂由2条平行近SN走向的断裂组成，倾向E或W，西支中部在路子口横穿过长江，构成仙女山微地块的东侧边界。

2 震源机制解

2.1 理论方法

震源机制目前有多种求解与反演方法，传统上采用初动符号法或P，S波振幅比法(Snoke et al.，1984)。初动符号法对台站的分布位置和数量要求高，并且有些台站的初动振幅较弱不易清晰分辨，P，S波振幅比方法比初动符号法精度高些，但它对辐射花样敏感，易受地下介质各向异性的影响，两者的另一缺陷为求解结果的多解性问题不能很好地解决，因此，基于体波和面波的波形拟合反演矩张量解方法发展起来并被广泛应用，Global CMT、USGS、ERI等研究机构均已提出各自的矩张量反演方法并发布结果，但大多数采用远震体波或面波数据求解全球性大震(MW＞5.5)的震源机制(Dziewonski et al.，1983;Sipkin，1982，1986;Kawakatsu，1995);对于使用近台甚至地方台体波波形资料反演区域中小地震矩张量解的研究较少，近几年在国内较流行的CAP方法在对区域中小地震矩张量反演时，要求台站的震中距＞100km，震级＞MS4.0。

对于区域中小地震矩张量的反演，希望尽量能反演更小的地震，并尽量使用更近台站波形数据以提高信噪比，增强反演结果的准确性。对此，德国地质与自然资源研究所(BGR)提出了一种新的地震矩张量求解方法——Kiwi法(Cesca et al.，2010，2011)。该方法基于新提出的“程函源(Eikonal source)”震源模型，对不同震级地震使用不同频率段滤波，适用于全球性大地震和区域中小地震，其理论波形采用全波拟合理论，分别使用频率域理论振幅谱和时间域P或S体波波形反演矩张量，可采用震中距＞20km的近台记录波形，对震级＞ML4地震均有效，本文将采用该方法反演2次地震的矩张量解。

通常，理论地震图可通过地震矩张量与格林函数微分的乘积来计算，在断面∑上，矩张量密度mpq、震源产生的位移un可表示为

式(1)中Gnp，q为格林函数。在Kiwi方法中，格林函数已预先计算并建立格林函数库，反演时只需引用该格林函数库即可，本研究中使用Qseis软件预先解算了三峡地区20～600km格林函数(Wang，1999)。矩张量密度mpq一般有6个独立分量，对于“程函源”模型，把震源的点源模式和运动源模式统一为13个参数，分别为:中心点时空位置(x，y，z，t)、标量地震矩M0、断面产状(走向φ，倾角δ，滑动角λ)、上升时间τ、边界半径R、核中心相对位置(ns，nd)和相对破裂速率vr/vs，前8个为点源模式参数，后5个为运动源模式参数，反演过程分为3步，只需要前2步就可求得矩张量解，本研究采用的滤波频带范围为0.025～0.5Hz、0.1～0.35Hz。

本方法采用非拟合误差数评价理论拟合波形与观测波形的拟合程度，亦反映了求解结果的可靠性。如果有N条波形，整体误差数M可表示为

图2 震中及台站分布图Fig.2 The distribution of the epicenters and stations.

2.2 观测数据及速度模型

本文使用了湖北省测震台网12个台站和重庆测震台网2个台站的近台观测数据(图2)，前述2次地震的震中距最小的台站为兴山台，震中距38km;最大为万州台，223km。所有台站均为宽频带速度型数据，仪器频带范围在50～0.017Hz，满足矩张量反演的频带要求，由于Kiwi方法主要采用振幅谱拟合反演，该方法的一个特点是对数据的高频和震相转换细节不敏感，因此在反演过程中直接使用了包含更多高频成分的速度型波形数据而没有转换成位移型数据。

合适的区域地壳速度结构模型对于矩张量反演和地震精定位至关重要。前人对三峡及邻区地壳速度构造研究较多，早在20世纪80年代末通过对以奉节—观音档为主剖面的DSS研究，已初步给出了该区域地壳结构速度模型(陈学波等，1994)。三峡水库蓄水后利用分布在库区及周边的大量微小地震，采用近震层析成像技术，一些学者对三峡库区地壳速度结构进行了精细分析(廖武林等，2007;李强等，2009;王小龙等，2013)，也有人采用人工源方式研究三峡及邻区近EW向深部剖面结构(Zhang et al.，2009)。不同的研究结果尽管在一些局部细节上存在差别，但总体层次速度结构差异并不明显，比如，李强等采用8次初始速度结构对库区周边的反演结果显示，局部速度不均匀性相对于初始模型＜15%(李强等，2009)，在某些明显的地质体上，速度结构比较一致，比如黄陵背斜高速异常区和秭归盆地低速区，由于反演中台站的分布范围较大，也参考了CRUST2.0模型和人工测深与重力剖面研究的结果(Zhang et al.，2009;张毅等，2012)，依据这些研究该区域莫霍面自西向东变浅，平均约36km，速度约7.95km/s，对此，我们给出了6层地壳内速度结构模型(表1，图3)。

2.3 矩张量反演结果

采用Kiwi技术，经过两个步骤反演，分别得到2次地震的矩张量解(表2)，第1步中使用全波振幅谱技术在频率域反演(图4)，其中断面产状和震源深度均采用格点法搜索最佳解，图4给出了秭归地震1矩张量反演结果，以及最近4个台站观测谱和波形与理论谱和波形之间的拟合关系，可以看出，最近4个台站的理论与观测曲线拟合得比较好，全部台站的整体拟合差为0.35，震源深度的最佳拟合点在7.7km，第2步使用P波数据在时间域波形反演，整体波形拟合差为0.56，并且大部分台站观测与理论波形曲线差异很小(图4)，图5为秭归地震2的反演结果，观测与理论曲线也拟合得比较好，说明2次地震的矩张量反演结果是稳定可靠的。

表1 地壳速度结构模型Table1 The crustal velocity structure model

表2 2次地震的震源机制解Table2 Focal mechanisms of two earthquakes

图3 地壳速度结构模型Fig.3 The crustal velocity structure model.

3 震源与发震构造特征讨论

3.1 震源分布与深度特征

截至2014年4月27日，三峡水库诱发地震监测台网共记录到513次余震，采用双差定位法对ML0.4以上地震进行重新定位，计算中使用了三峡台网15个子台的观测数据，震中距5～90km，地壳速度结构模型采用前述的6层结构，最后得到了501次高精度定位结果，其水平误差总体在30～80m，垂直误差为50～180m。通过波形拟合反演和双差定位法得到2次主震震源深度:地震1为7.7km和7.99km，地震2为9.1km和9.01km，两者差异很小，均在误差范围内，表明了2种方法求解结果是可靠的。

图4 秭归地震1矩张量反演结果Fig.4 The inversion results of the moment tensor of earthquake 1.

图5 秭归地震2矩张量反演结果Fig.5 The inversion results of the moment tensor of earthquake 2.

图6 秭归2次地震震中分布图Fig.6 The epicentral distribution of two Zigui earthquakes.

把本次地震序列精定位结果分开显示，27日至29日为地震1的余震序列(图6a)，30日至4月27日为地震2的余震序列(图6b)，图6 c为整个序列的分布。震中分布图显示，地震1的余震比较集中地沿NE向呈条带状展布，主震在地震簇中间部分;地震2序列沿NNW和NE向均有分布，但沿NNW向较多，主震偏在震群的东南，整个序列绝大多数地震分布在仙女山断裂(F1)北端，未穿过长江。依据湖北省地震局地震现场工作组的野外调查结果，2次地震的宏观震中均位于秭归县屈原镇西陵峡村，震中烈度均为Ⅴ度，其中地震2存在1个2km2左右的Ⅵ度异常区，两者的等震线也均呈椭圆状，长轴均为NNW向，烈度沿长轴方向衰减较慢，反映了2次地震可能受控于NNW向断裂。与余震分布比较，地震1的余震分布长轴方向与烈度等震线长轴方向不一致;地震2的余震在NE和NNW向均有分布，不过在NNW向端部的余震与震群簇有点偏离(图6b，c)，这些事实似乎表明，2次地震序列既受到NNW向断裂控制，也与NE向构造活动有关。

根据2次地震的地表分布特征，按发震时间把序列分成6个时段:3月27日、28日、29日、30日、31日，4月1日至26日，并分别沿AA'、BB'、CC'和DD'做深度剖面(图7)，其中AA'、BB'、CC'为同一方向。结果显示，地震1序列的深度分布在4.5～9.0km(AA'剖面)，地震2序列的深度主要在5.5～10.0km(BB'剖面)，2次主震均在地震簇的底部，地震2序列总体上比地震1深，地震2序列更靠近仙女山断裂。对于整体地震序列，在CC'剖面上，从C到C'地震深度逐渐变浅，呈现1条较明显的断面层aa'，倾向SW，倾角50°左右;DD'剖面上，从D到D'地震分布呈三角形状，形成2条明显的断面线，顶点正好位于CC'和DD'线的交会处，从D至顶点深度逐渐变浅(虚线b);地震2在该断面线的底部，从顶点至D'深度逐渐变深(虚线c)，地震1在该面底部，b和c的倾角均较小，在60°～80°之间，从CC'和DD'这种分布特征来看，如果2次地震沿DD'方向错动，将与该剖面上余震分布形态相矛盾，因此从震中分布及震源深度剖面特征分析，我们认为2次地震沿CC'向破裂滑动更合理。

3.2 矩张量解特征分析

矩张量反演结果显示2次地震均以走滑为主兼少量逆冲成分，且2个断层节面的走向比较接近(表2)，均为NE和NNW向，与地震序列精定位分布结果相符合，但2次地震主压应力P轴方位相差180°，节面倾向相反，对于节面A，地震1倾向NW，倾角达79°，表现为左旋走滑特征，地震2倾向SE，倾角为68°，表现为右旋走滑特征，与震源深度DD'剖面比较，2次地震节面A与该剖面上2条断面线b和c倾向一致，倾角也基本一致，从震中分布、震源深度剖面和矩张量解的分析认为，NE向节面A为2次地震的发震断面，而非NNW向的节面B。

图7 震源深度剖面图Fig.7 The profile of focal depth.

另外，反演结果给出了矩张量解3个分量的百分比:双力偶部分(DC)、各向同性分量部分(ISO)和补偿线性偶极子部分(CLVD)，通过比较，地震1的双力偶分量多于地震2，2次地震各向同性成分均比较强，且地震2的各向同性分量更多，Thomsen(1986)和蔡晓刚等(2011)的研究结果指出，上地壳岩石和部分材料的ISO分量绝大部分低于10%，2次地震较强的各向同性分量可能与震区上地壳岩层长期受库水渗透与侵蚀有关，由于2次地震在同区域，介质的差异相对较小，两者DC和CLVD分量的差异可能与断裂错动中的张裂成分有关(蔡晓刚等，2011)。

3.3 区域地质构造特征分析

地质上，本次地震序列震中分布在仙女山地堑北端，东西两侧为九畹溪断裂与仙女山断裂切割(图8)，该地堑经燕山和喜马拉雅两期运动，逆冲切割古生界和白垩系并下陷而形成，岩层表现为地堑为下志留统页岩(S1)，东西两侧为寒武统白云质灰岩(∈3)，在CC'剖面上，aa'发震层处在页岩层内，该层与仙女山断裂的倾角与倾向均一致，由于仙女山断裂倾向SW，显然本次地震序列并未正好发生在仙女山断裂的断层面上，而是在其偏东方向。

图8 周坪东南九畹溪河谷两侧地质地貌剖面示意图(修改自袁登维等，1996)Fig.8 A geomorphic profile across Jiuwanxi Valley at the southeast of Zhouping(modified from YUAN Deng-wei et al.，1996).

在区域构造应力场方面，三峡水库蓄水前，库区构造应力场水平最大主压应力方向为NEE或近EW向(高士钧，1992;杨淑贤等，2005;王墩等，2007)，本次序列2次主震的震源机制解的最大主压应力方向与之基本一致，反映了这2次地震主要受控于区域构造应力场，但本次地震序列距三峡水库很近，库水对地震活动的影响不可忽视，依据震中区地壳分层结构，秭归地震1深度上处于区域沉积盖层底部，地震2已处在基底结晶花岗或变质岩层内，余震深度主要在5～10km，区域深部岩层主要为页岩和灰岩，这种岩性有利于库水向深部岩层渗透与溶蚀，对局部地下介质的物理性质将产生影响，在前述矩张量解中，CD、ISO和CLVD分量百分比成分的差异可能是这一结果的反映，库水经过10多年的不断渗透侵蚀，饱和了岩层中的孔隙，目前已穿透沉积盖层到达基底结晶基岩上部，从而导致地下介质ISO分量增加，CD成分减少。

本次地震活动在DD'剖面上形成了明显的NE向断面，但从现有文献中并未找到相应较明显的地表地质构造证据，在1︰20万地质构造图中并未显示该构造线，不过，在CC'剖面上发震层的形态与仙女山断裂面相一致，在DD'向剖面上2个断面的倾角也与仙女山断裂和九畹溪断裂的倾角一致，在深度上，2个断裂切穿上地壳到达中地壳，显然本次地震序列活动同时受到了2个断裂的控制与影响，2个断裂沿NW向构造活动，遇到仙女山北端障碍体影响，该部位由于受到库水的长期作用影响局部脆弱，因此在这里产生NE向阶列错动。本次地震活动序列也进一步暗示着仙女山断裂北端可能并未向北穿过长江。

4 结论

依据本次地震序列精定位后的震中分布、震源深度剖面以及2次主震矩张量解特征，结合野外现场宏观调查结果和震中区地质构造等特点，综合分析得到以下结论:

(1)经综合分析推断仙女山断裂北端NE向的破裂面为2次主震的发震断面，而并非是NNW向。

(2)余震序列的NE和NNW向分布、剖面上发震层的形态和深度特征表明，本次地震活动受到了仙女山断裂和九畹溪断裂活动的控制与影响。

(3)2次主震矩张量解中CD成分偏少，ISO成分较多可能是库水对震源区地下介质物性影响的反映。

鉴于三峡水库蓄水后震中区域已多次发生中小震群活动，存在地震活动增强的趋势，本次地震序列主震发震断面可能为新出现的断面或隐伏构造，今后应更加关注该发震断面区的地震活动。

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