湖北巴東Ms5.1地震構(gòu)造背景分析*

雷東寧 陳俊華 張麗芬 張楚晨

1)中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)湖北省地震局，武漢 430071

3)防災(zāi)科技學(xué)院，三河 065201

湖北巴東Ms5.1地震構(gòu)造背景分析*

雷東寧1)陳俊華2)張麗芬1)張楚晨3)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)湖北省地震局，武漢 430071

3)防災(zāi)科技學(xué)院，三河 065201

基于區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境、地震烈度分布、震源機(jī)制解，以及主震及余震的波形特征、頻譜特征，分析了巴東5.1級(jí)地震的孕震構(gòu)造背景。研究表明，該地震為在水誘發(fā)作用下產(chǎn)生的構(gòu)造型地震。

巴東5.1級(jí)地震;水庫誘發(fā)地震;地震構(gòu)造;斷裂活動(dòng)性;地震烈度

巴東5.1級(jí)地震發(fā)生在三峽水庫的中游地區(qū)，距大壩約65 km，是三峽水庫蓄水以來庫區(qū)發(fā)生的最大地震。根據(jù)前人研究［1－4］，三峽水庫蓄水以來，該區(qū)中小地震活動(dòng)多與庫水下滲、庫水壓力變化有直接聯(lián)系，其地震類型主要為坍塌型礦震和水下滲誘發(fā)的構(gòu)造型水庫地震。詳觀水庫誘發(fā)地震史，世界范圍內(nèi)水誘發(fā)5級(jí)以上地震的震例很少［5］，而在巴東5.1級(jí)地震震中約20 km的北東曾于1979年發(fā)生過5.1級(jí)地震，說明該地震區(qū)具有發(fā)生5級(jí)以上構(gòu)造地震的背景，第三代地震烈度區(qū)劃圖也將該區(qū)列為5級(jí)以上潛在地震危險(xiǎn)區(qū)［6］。巴東5.1級(jí)地震是一次構(gòu)造地震，還是水誘發(fā)作用下的構(gòu)造地震，或是在水作用下由于坍塌沖擊作用誘發(fā)的構(gòu)造地震，正是本文探討的問題。

1 地震構(gòu)造環(huán)境

1.1 區(qū)域地震構(gòu)造

地震區(qū)區(qū)域構(gòu)造主要以NE、NW方向?yàn)橹鳎巛^大規(guī)模的NNE向新華-水田壩斷裂、仙女山斷裂、周家山斷裂。周家山斷裂為1979年秭歸龍會(huì)觀5.1級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造①;NW走向的斷裂有仙女山斷裂、天陽坪斷裂等。研究表明［7］，這些斷裂活動(dòng)時(shí)代多在第四紀(jì)早、中更新世，第四紀(jì)以來活動(dòng)不明顯。

本區(qū)屬于低中山區(qū)，峽谷深切，地形坡降較大，落差高達(dá)1 000 m，表明本區(qū)現(xiàn)今仍處于隆升較為強(qiáng)烈的時(shí)期［8］。地震活動(dòng)在空間上與構(gòu)造有一定的相關(guān)性，表現(xiàn)出低頻次、高強(qiáng)度的特征［7］。

1.2 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

巴東5.1級(jí)地震震中位于秭歸向斜西南側(cè)，即黃陵背斜之西翼馬蹄形盆地的西南邊緣，其區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)方向?yàn)镹W-SE向［9］。1979年秭歸龍會(huì)觀5.1級(jí)地震震源機(jī)制解結(jié)果為P軸349°、仰角8°，T軸253°、仰角 35°，主壓應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?NWSE［10－11］，與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向一致。

1.3 震中區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

震中區(qū)出露的地層主要為上三疊統(tǒng)九里崗組(T3j)地層與下侏羅統(tǒng)(J1t)砂巖地層。在巴東組地層中，含有膏鹽層。歷史上為采煤區(qū)，礦洞發(fā)育。從空間上看，震中區(qū)主要受NNE周家山斷層、馬鹿池?cái)嗔鸭案邩驍嗔阉鶉?，距離高橋斷裂最近，約7 km。主震及余震分布顯示，地震活動(dòng)受高橋斷裂控制(圖1)。另外，從數(shù)字高程模型圖像上看，震中區(qū)可能存在近東西向線性構(gòu)造，但震中區(qū)不明顯。震后在震中區(qū)進(jìn)行了野外地震地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在EW向斷裂構(gòu)造，規(guī)模有限。

圖1 區(qū)域地震構(gòu)造圖Fig.1 Regional seismotectonic map

2 巴東地震特征

2.1 巴東地震震源機(jī)制解

巴東5.1級(jí)地震震源機(jī)制解結(jié)果如表1所示②。從表中可見，用不同方法解算的結(jié)果雖有差異(節(jié)面Ⅰ走向 73°～117°，節(jié)面Ⅱ走向 168°～347°)，但作為分析本區(qū)的應(yīng)力作用方向和可能的斷層錯(cuò)動(dòng)類型還是有幫助的。從震源機(jī)制解結(jié)果可知，雖然有一定差異，但基本上反映了本區(qū)地震構(gòu)造環(huán)境，巴東5.1級(jí)地震的斷層錯(cuò)動(dòng)類型為正斷傾滑型，這與本區(qū)的地震構(gòu)造環(huán)境基本一致。

表1 不同機(jī)構(gòu)給出的震源機(jī)制解Tab.1 The focal mechanism solution from different institutes

2.2 本次地震烈度與龍會(huì)觀5.1級(jí)地震烈度的對(duì)比

1979年秭歸龍會(huì)觀5.1級(jí)地震烈度圖顯示，極震區(qū)(Ⅶ度區(qū))烈度線長軸方向呈北東向展布，與區(qū)域構(gòu)造線方向基本一致。等烈度線近似橢圓狀，Ⅴ度區(qū)長軸約40 km，短軸長約30 km(圖2(a))。巴東地震震中烈度Ⅶ度區(qū)長軸呈NWW向，Ⅵ度區(qū)呈梨狀，近東西向展布，而預(yù)測(cè)圖給出的等烈度線整體長軸呈NE向。調(diào)查顯示，Ⅶ度區(qū)長軸約3.9 km，短軸長約2.4 km，面積約7.7 km2;Ⅵ度區(qū)長軸走向近東西向，長約 21.4 km，短軸近南北向，長約 13.6 km，面積251 km2。與龍會(huì)觀地震等烈度線相比，巴東地震Ⅶ度區(qū)面積較小，表明衰減較快，而且震害較輕(震源深度僅5 km，而秭歸龍會(huì)觀地震為16 km，是其3倍多)(圖2(b))。另外，等烈度線的長軸展布顯示可能存在近東西向的發(fā)震斷面，而在短軸方向的衰減快慢代表著發(fā)震斷面傾向。從巴東地震Ⅵ度線形態(tài)來看，大致可判定斷面傾向N-NNW。

圖2 巴東地震與秭歸龍會(huì)觀地震烈度圖Fig.2 Comparison of intensity distribution of Badong Earthquake with Longhuiguan Earthquake

2.3 巴東地震的特點(diǎn)

巴東地震具備一般水庫誘發(fā)地震的特點(diǎn)，如烈度衰減快、震源深度淺、地震動(dòng)頻率高;但又有不同于一般水庫誘發(fā)地震的特性，如震級(jí)達(dá)5.1級(jí)、震中震害輕、等烈度線長軸與已有構(gòu)造線走向吻合度差等［5］。

2.4 地震學(xué)特征分析

依據(jù)震中距相近、震級(jí)相近的原則，分別選取了兩次典型構(gòu)造地震(2011-09-10瑞昌陽新Ms4.6地震、2008-03-24竹山Ms4.6地震)、一次構(gòu)造型水庫地震(2008-11-22秭歸Ms4.1地震)、兩次塌陷地震(2005-09-13宜昌霧都河ML2.6塌陷、2008-11-07鐘祥ML3.3礦塌)，與此次巴東Ms5.1地震的波形、主震頻譜、余震頻譜特征進(jìn)行對(duì)比。

從波形特征可見，陽新 Ms4.6地震和竹山Ms4.6地震波形緊湊，周期短，高頻成分豐富，S波振幅明顯大于P波振幅，具有構(gòu)造地震的特征。而宜昌霧都河ML2.6塌陷和鐘祥ML3.3礦塌型地震的波形疏松，短周期面波相當(dāng)發(fā)育，面波周期比地震周期長，高頻成分不發(fā)育。相同震中距、相似震級(jí)條件下，塌陷地震比構(gòu)造地震衰減得快。秭歸Ms4.1構(gòu)造型水庫地震的波形具有構(gòu)造地震的特征，但又有差別。此次巴東Ms5.1地震的波形與典型構(gòu)造地震存在差異，波形相對(duì)疏松、周期較大，與塌陷型地震及水庫地震波形有相似性。

此次巴東Ms5.1地震的優(yōu)勢(shì)頻率偏低，頻率較單一，高頻成分不發(fā)育，拐角頻率約為2.0 Hz;陽新Ms4.6地震高頻成分豐富，拐角頻率約為6.0 Hz;秭歸Ms4.1地震高頻成分相對(duì)發(fā)育，拐角頻率約為3.5 Hz;鐘祥ML3.3地震頻率單一，高頻成分不發(fā)育，拐角頻率約為1.5 Hz。通過對(duì)比分析，陽新Ms4.6地震為典型構(gòu)造型地震，頻率成分非常豐富，拐角頻率最高;秭歸Ms4.1地震為構(gòu)造型水庫地震，其高頻成分及拐角頻率次之;鐘祥ML3.3地震為塌陷型地震，頻率成分單一，拐角頻率最低;巴東Ms5.1地震的頻率分布及拐角頻率與塌陷型地震、水庫地震更為接近。另外，對(duì)本次地震的較大余震進(jìn)行了波形及頻譜特征的對(duì)比分析，余震波形比較緊湊，頻率成分豐富，拐角頻率較高，與構(gòu)造地震特征接近。

3 地震與構(gòu)造活動(dòng)分析

在中國東部，一些在第四紀(jì)早、中更新世活動(dòng)的斷裂仍然具有發(fā)生中強(qiáng)地震的能力［12］。通過對(duì)本次地震發(fā)震構(gòu)造環(huán)境、地震烈度與斷裂關(guān)系的分析認(rèn)為，本次地震具有如下構(gòu)造成因特征:

1)本次地震P軸方向與區(qū)域主壓應(yīng)力軸方向基本一致，為NW-SE方向。

2)由高橋斷裂、馬鹿池?cái)嗔鸭爸芗疑綌嗔褔薜男ㄐ挝K體構(gòu)成發(fā)震單元，其蓋層深度在10 km以內(nèi)，多數(shù)褶皺變形，發(fā)育不同尺度及深度的斷裂。在我國云南一些地段經(jīng)常發(fā)生中強(qiáng)地震，在地表找不到相應(yīng)的發(fā)震構(gòu)造，僅存在一些小規(guī)模斷層，但通過研究發(fā)現(xiàn)其深部存在對(duì)應(yīng)的發(fā)震構(gòu)造，這表明發(fā)震構(gòu)造存在構(gòu)造層次上的差異，即淺表構(gòu)造和深部構(gòu)造的非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在中國東部，存在現(xiàn)今判定為第四紀(jì)早、中更新世斷裂為發(fā)震構(gòu)造［12－13］。

3)從更大區(qū)域構(gòu)造形跡來看，本區(qū)位于南大巴山弧與八面山弧的匯聚部位，形似構(gòu)造結(jié)，容易形成應(yīng)力集中。

4)本區(qū)1979-05-22秭歸龍會(huì)觀地震，周家山斷層為其發(fā)震構(gòu)造，巴東地震與該地震相距約9.5 km。從發(fā)震構(gòu)造位置上講，可能屬于不同的發(fā)震構(gòu)造，但屬于相互關(guān)聯(lián)的發(fā)震構(gòu)造，存在相互作用和影響，可能存在一定的靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)作用。

5)本次地震是在172 m蓄水位，震前十分平靜，可能預(yù)示著斷層處于閉鎖狀態(tài);在震中區(qū)，2003年第一次蓄水就在東瀼口出現(xiàn)微小震群地震活動(dòng);沿著高橋斷裂曾發(fā)生水庫誘發(fā)地震，最大震級(jí)達(dá)3.0級(jí)。本次地震震級(jí)高達(dá)Ms5.1，應(yīng)屬水庫誘發(fā)地震，同時(shí)其主要受地震構(gòu)造控制。

三峽水庫蓄水并加壓后，水向外滲透軟化的面積隨時(shí)間擴(kuò)大。顯然，隨著水位的抬高，斷層面的軟化面積愈來愈大，若發(fā)生地震，其震級(jí)也愈大。所以，最后一期水位抬高后，面臨強(qiáng)震的危險(xiǎn)性更大［14］。文獻(xiàn)［15］根據(jù)P波確定的可能發(fā)震斷面走向近東西向，傾向南，這與中國地震臺(tái)網(wǎng)確定的基本一致，且為正傾滑性質(zhì)。采用5臺(tái)精定位的方法，主震余震分布圖呈東西向展布，表明與東西向構(gòu)造存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié)語

根據(jù)對(duì)區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境、巴東地震與秭歸龍會(huì)觀Ms5.1震害特征、地震烈度對(duì)比分析，在水庫誘發(fā)地震特征討論的基礎(chǔ)上，從現(xiàn)象學(xué)角度初步分析認(rèn)為:

1)震區(qū)具有孕育中等強(qiáng)度地震的構(gòu)造環(huán)境;

2)巴東地震發(fā)生在三峽庫區(qū)，屬于水庫誘發(fā)地震中的構(gòu)造型地震，與1979年秭歸龍會(huì)觀Ms5.1地震具有相同的孕震構(gòu)造環(huán)境;

3)三條斷裂為巴東地震的控震構(gòu)造，蓋層淺部存在潛在易滑動(dòng)面;

4)巴東地震具有正傾滑性質(zhì)，斷面傾向南。

水庫蓄水后，庫水的荷載、巖體中的孔隙水壓力、水對(duì)巖體或軟弱面的潤滑作用的影響應(yīng)該是研究的重要方面。當(dāng)然，水庫誘發(fā)地震是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，需要不斷深入研究，才能更加準(zhǔn)確地判定屬于哪種類型的水庫誘發(fā)地震。

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ANALYSIS OF SEISMOGENIC BACKGROUND OF BADONG Ms5.1 EARTHQUAKE

Lei Dongning1)，Chen Junhua2)，Zhang Lifen1)and Zhang Chuchen3)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Earthquake Administration of Hubei Provinc 430071
3)Institute of Disaster Prevention，Sanhe065201

The seismotectonic background and genesis of Badong Ms5.1 Earthquake was analyzed based on the regional seismotectonic environment and main seismogenic structure.According to the comparison of distribution of intensity，focal mechanism solutions and seismic wave and spectrum of mainshock and aftershocks of the Earthquake with other earthquakes near by，especially Longhuiguan Ms5.1，1979，a conclusion can be drawn that Badong Earthquake is typical reservoir-induced and tectonic-type earthquake.

Badong Ms5.1 earthquake;reservoir-induced earthquake;seismotectonic;fault activity

P315

A

1671-5942(2014)03-0006-04

2014-03-30

中國地震局地震研究所所長基金項(xiàng)目(IS200856069)。

雷東寧，男，1980年生，碩士，工程師，主要從事地震地質(zhì)等方面的研究。E－mail:lei_dongning@163.com。