廣西主要斷裂帶中小地震應(yīng)力降特征分析

龍政強(qiáng)，謝夜玉，韋　東，韋旭鴻

(1.廣西壯族自治區(qū)地震局，廣西　南寧　530022；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，湖北　武漢　430074)

·地震活動(dòng)性·

廣西主要斷裂帶中小地震應(yīng)力降特征分析

龍政強(qiáng)1，2，謝夜玉1，韋東1，2，韋旭鴻1

(1.廣西壯族自治區(qū)地震局，廣西南寧530022；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，湖北武漢430074)

摘要：選取廣西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的2007年至2013年廣西主要斷裂帶ML≥2.5地震事件，采用Atkinson方法反演得到介質(zhì)品質(zhì)因子Q值，采用Moya方法得到各臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到90個(gè)位于主要斷裂帶及附近的中小地震應(yīng)力降，并對(duì)其應(yīng)力降空間分布特征進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，應(yīng)力降值主要分布在1～10 MPa之間，占58%，主要分布在百色—合浦?jǐn)嗔阎卸我约芭c桂林—南寧斷裂交匯區(qū)域；小于1.0 MPa(低應(yīng)力降)的地震占37%，主要分布在桂西北地區(qū)；10 MPa及其以上的(高應(yīng)力降)地震主要分布在桂東南，且歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)5級(jí)以上地震的原震區(qū)及附近，反映了原震區(qū)及其附近仍具有高應(yīng)力背景。

關(guān)鍵詞：斷裂帶；中小地震；震源譜；應(yīng)力降

0引言

應(yīng)力降表征地震發(fā)生瞬間錯(cuò)動(dòng)時(shí)位錯(cuò)面上的應(yīng)力變化，通過(guò)研究應(yīng)力降可了解地震過(guò)程中的構(gòu)造應(yīng)力釋放水平，從而間接認(rèn)識(shí)地震發(fā)生地區(qū)構(gòu)造背景應(yīng)力降。Allmann等[1]的研究發(fā)現(xiàn)，在美國(guó)加州2004年12月Ms 6.0地震前，震源區(qū)的應(yīng)力降顯著高于斷層上的其他地區(qū)，而在Ms 6.0地震發(fā)生后，應(yīng)力降出現(xiàn)顯著的下降變化；Hardebeck等[2]研究討論高應(yīng)力降分布與斷層的閉鎖段及巖石強(qiáng)度的關(guān)系，指出斷層上的高應(yīng)力降分布區(qū)域代表著這里的介質(zhì)更強(qiáng)或者承受更高的外加剪應(yīng)力等，即高應(yīng)力降集中分布的區(qū)域也許是中強(qiáng)以上地震的潛在震源成核區(qū)；華衛(wèi)等[3]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)地震參數(shù)的研究表明，與同震級(jí)的構(gòu)造地震相比，水庫(kù)地震的應(yīng)力降值明顯偏低，約比前者小一個(gè)量級(jí)；趙翠萍等[4]通過(guò)系統(tǒng)研究獲得中國(guó)大陸主要地震活動(dòng)區(qū)中小地震震源參數(shù)間的定標(biāo)關(guān)系，以及應(yīng)力降時(shí)空分布特征。可見(jiàn)，對(duì)中小地震應(yīng)力降的研究，對(duì)了解研究區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空變化特征，開(kāi)展地震趨勢(shì)預(yù)測(cè)和地震危險(xiǎn)性評(píng)估等都具有重要的參考意義。

選取廣西地區(qū) 2007—2013年發(fā)生的ML≥2.5地震的數(shù)字波形資料，采用三段幾何衰減模型[5-6]計(jì)算得到廣西地區(qū)介質(zhì)品質(zhì)因子Q值，采用多臺(tái)站多地震聯(lián)合反演的Moya方法[7]計(jì)算得到臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，挑選發(fā)生在主要斷裂帶上具有明確地震構(gòu)造背景的中小地震，根據(jù)Brune模型[8]逐個(gè)計(jì)算其應(yīng)力降，以期獲得本地區(qū)主要斷裂帶中小地震應(yīng)力降背景及空間分布特征。

1研究區(qū)概況

1.1　地震地質(zhì)背景

廣西活動(dòng)性斷裂以北東向和北西向兩組斷裂為主，其構(gòu)成了廣西活動(dòng)性斷裂的“X”型格架。北東向斷裂主要分布在桂東南地區(qū)，主要斷裂有南寧—柳州—桂林?jǐn)嗔褞?、防城—靈山斷裂帶、合浦—北流斷裂帶。北西向斷裂主要分布在桂西北地區(qū)，主要斷裂帶有巴馬—博白斷裂帶、百色—合浦?jǐn)嗔褞?、靖西—崇左斷裂帶、那坡斷裂帶[9]。廣西地處東南沿海地震帶西段，是中強(qiáng)地震相對(duì)活躍的地區(qū)，具有小震級(jí)、高烈度、震源淺的特點(diǎn)。歷史上曾發(fā)生過(guò)多次6級(jí)以上強(qiáng)地震，如，1875年樂(lè)業(yè)—羅甸間6級(jí)、1890年廣西陸川6級(jí)、1936年廣西靈山6級(jí)，這些地震均發(fā)生在廣西主要斷裂帶上。郭培蘭等[10]對(duì)廣西及鄰區(qū)地震活動(dòng)特征的研究結(jié)果表明，1970年廣西有儀器記錄以來(lái)，ML3.0以上地震仍然沿主要斷裂呈條帶狀展布。從2007年以來(lái)，廣西主要斷裂帶仍是中小地震活動(dòng)的主體地區(qū)(見(jiàn)第2頁(yè)圖1)。

圖1　2007年至2013年廣西地區(qū)中小地震分布圖Fig.1　Medium and small earthquakes in Guangxi from 2007 to 2013

1.2　地震臺(tái)站

廣西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)從2007年1月開(kāi)始運(yùn)行，由22個(gè)臺(tái)站組成，臺(tái)站均位于基巖上，均安裝三分量大動(dòng)態(tài)、寬頻帶數(shù)字地震儀。其中，桂林、河池、憑祥地震臺(tái)為20 Hz~120 s甚寬帶地震計(jì)，靈山地震臺(tái)為20 Hz~360 s超寬帶地震計(jì)，其余均為50 Hz~60 s寬帶地震計(jì)。地震信號(hào)以100 SPS采樣率通過(guò)SDH或VPDN等通訊方式實(shí)時(shí)傳輸?shù)綇V西地震臺(tái)網(wǎng)中心。接入廣東、海南、云南、貴州及湖南等省相鄰臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，共享南寧市、柳州市2個(gè)地方數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)以及百色水庫(kù)樞紐、龍灘水庫(kù)、巖灘水庫(kù)和南丹大廠礦區(qū)等企業(yè)地震臺(tái)網(wǎng)，全區(qū)可監(jiān)測(cè)震級(jí)下限達(dá)到ML2.4，其中，桂東南、桂西北及桂中地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML2.0，已占陸地面積60%[11]。

2方法及數(shù)據(jù)處理

2.1　方法介紹

地震波在傳播過(guò)程中存在幾何擴(kuò)散，從震源到接收點(diǎn)的傳播過(guò)程中，受介質(zhì)吸收和散射以及接收點(diǎn)場(chǎng)地的影響。目前，一般采用三段幾何衰減模型來(lái)計(jì)算傳播路徑的影響，采用多臺(tái)站多地震聯(lián)合反演法得到介質(zhì)品質(zhì)因子Q值，然后用Moya方法計(jì)算得到臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)[5-8]。文中，地震震源參數(shù)的計(jì)算，首先采用Atkinson方法[6]得到觀測(cè)位譜，從觀測(cè)譜中扣除傳播路徑效應(yīng)和場(chǎng)地響應(yīng)等因素的影響，得到地震位移譜；再利用遺傳算法對(duì)震源位移譜進(jìn)行擬合，得到震源譜參數(shù)Ω0和fc；最后，根據(jù)Brune震源模型[8]求得地震矩M0、應(yīng)力降Δσ、震源半徑r等震源參數(shù)。公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為介質(zhì)密度；β為S波的速度；Rθφ為輻射因子。文中ρ為2.9 g/cm3，β為3.5 km/s。輻射因子Rθφ，由于沒(méi)有每次地震的斷層面解，所以對(duì)SH波取全震源球上的平均值，即Rθφ為0.41。

2.2　數(shù)據(jù)資料選取

廣西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)從2007年1月開(kāi)始記錄，結(jié)合廣西地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力，在介質(zhì)品質(zhì)因子Q值和臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)計(jì)算中，選取2007年以來(lái)記錄到廣西及鄰區(qū)ML≥2.5的156個(gè)地震。為確保資料質(zhì)量，根據(jù)地震和臺(tái)站的空間分布要盡可能均勻、信噪比大于2倍地脈動(dòng)噪聲、震級(jí)MS≤5.0、每個(gè)臺(tái)站須記錄3個(gè)以上地震及每個(gè)地震須被3個(gè)臺(tái)站記錄到的原則進(jìn)行地震波形挑選。經(jīng)挑選，除處于海島的潿洲島臺(tái)記錄地震波形因地震信噪比達(dá)不到要求外，其余21個(gè)臺(tái)站均符合要求。共有100個(gè)地震665條記錄可用于分析研究，地震分布如第3頁(yè)圖2所示。這些地震的震級(jí)范圍為ML2.5~4.9，其中，2.5~2.9級(jí)59次，3.0~3.9級(jí)34次，4.0~4.9級(jí)7次，震中距為10~400 km。

圖2　廣西地區(qū)地震射線分布圖Fig.2　Distribution of seismic rays in Guangxi area

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1　介質(zhì)品質(zhì)因子和場(chǎng)地響應(yīng)

經(jīng)計(jì)算，得到廣西地區(qū)介質(zhì)品質(zhì)因子Q值和臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)。其中，Q值與頻率的關(guān)系式為：

Q(f)=366.3f0.47。

從擬合曲線可以看出，Q值與頻率存在較好的線性關(guān)系(見(jiàn)圖3)。臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)計(jì)算結(jié)果顯示，大多數(shù)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)在1附近，且隨頻率變化波動(dòng)小。百色臺(tái)(BSS)、桂林臺(tái)(GUL)、梧州臺(tái)(WZS)場(chǎng)地響應(yīng)隨著高頻增加而緩慢降低；欽州臺(tái)(QZS)低頻部分較為平坦，而高頻部分有較為明顯的放大效應(yīng)；河池臺(tái)(HCS)低頻部分較為平坦，而在7 Hz以上呈現(xiàn)快速下降；南寧臺(tái)(NNS)場(chǎng)地響應(yīng)有明顯的放大效應(yīng)(見(jiàn)第4頁(yè)圖4)。

3.2　應(yīng)力降Δσ空間分布特征

在取得廣西地區(qū)介質(zhì)品質(zhì)因子Q值和臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)的基礎(chǔ)上，選取2007年至2013年發(fā)生在廣西主要斷裂帶及附近ML2.0以上地震事件，進(jìn)行應(yīng)力降計(jì)算，共得到90個(gè)地震的應(yīng)力降。這些地震發(fā)震時(shí)間隨機(jī)，沒(méi)有前震或余震，震級(jí)范圍為ML2.0～4.9，其中，2.0～2.9級(jí)63次，3.0～3.9級(jí)26次，4.0～4.9級(jí)1次，最大為2013年2月20日廣西平果、田東交界的ML4.9地震。

圖3　廣西地區(qū)品質(zhì)因子Q值擬合曲線Fig.3　Fitted curve of quality factor(Q) in Guangxi

廣西主要斷裂帶中小地震的應(yīng)力降值分布在0.032～15.44 MPa 之間，平均值為2.91 MPa。通常認(rèn)為，應(yīng)力降Δσ<1.0 MPa為低應(yīng)力降，應(yīng)力降Δσ≥10 MPa為高應(yīng)力降[12]。據(jù)此進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，應(yīng)力降Δσ<1.0 MPa的地震為33個(gè)，占37%；1.0 MPa≤Δσ<10 MPa的地震為52個(gè)，占58%；應(yīng)力降Δσ≥10 MPa的地震為5個(gè)，占6%?？梢?jiàn)，廣西中小地震應(yīng)力降的主要分布范圍在1～10 MPa之間。

在地震活動(dòng)上，廣西屬于東南沿海地震帶西段，其中，桂東南和桂西北地區(qū)是廣西主要的地震活動(dòng)區(qū)。對(duì)桂西北與桂東南地區(qū)的地震應(yīng)力降，按震級(jí)分檔取平均值進(jìn)行比較，結(jié)果顯示：在ML2.0～2.9，桂東南、桂西北分別為3.31 MPa、1.48 MPa；在ML3.0～3.9，桂東南、桂西北分別為9.58 MPa、4.14 MPa?？梢?jiàn)，在相同震級(jí)檔情況下，桂東南地震的應(yīng)力降約為桂西北地區(qū)的2倍。

圖4　廣西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)21個(gè)臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)Fig.4　Site responses of 21 stations of Guangxi Digital Seismic Network

張?zhí)熘械群颓丶握日J(rèn)為，地震前的震源應(yīng)力背景越高，地震的應(yīng)力降越大[13-14]；Jones和Helmberger研究認(rèn)為，高應(yīng)力降地震可能與斷層存在剪應(yīng)力背景有關(guān)[15-16]。從廣西中小地震應(yīng)力降分布圖(見(jiàn)第5頁(yè)圖5)可見(jiàn)，應(yīng)力降Δσ<1.0 MPa的地震主要分布在百色—合浦?jǐn)嗔押桶婉R—博白斷裂的西北段，以及靖西—崇左斷裂、南丹—巴馬斷裂；應(yīng)力降為1～10 MPa的地震主要分布在百色—合浦?jǐn)嗔阎卸我约芭c桂林—南寧斷裂交匯區(qū)域；5個(gè)高應(yīng)力降地震(見(jiàn)第5頁(yè)表1)，主要分布在合浦—北流、防城—靈山斷裂帶上，除2013年平果ML4.9地震位于桂西1977年平果5級(jí)震區(qū)附近外，其余均位于桂東南且歷史上曾發(fā)生過(guò)5級(jí)以上地震的原震區(qū)或其附近地區(qū)。如，2010年4月24日陸川ML3.0地震，其應(yīng)力降達(dá)到14.78 MPa，距離1890年8月29日陸川南6級(jí)震中區(qū)約40 km；2010年8月17日靈山ML3.6地震，其應(yīng)力降為11.54 MPa，其位于1936年4月1日靈山6級(jí)和1958年9月25日靈山5級(jí)地震震中附近；2012年5月20日平南ML3.0地震，其應(yīng)力降為14.91 MPa，震中位于1318年平南5級(jí)與1759年象州5級(jí)震中之間。以上表明，桂東南地區(qū)曾發(fā)生過(guò)中強(qiáng)以上地震的原震區(qū)及其附近仍具有高應(yīng)力背景，與該區(qū)域的主要斷裂背景有關(guān)。

4結(jié)論

(1) 廣西主要斷裂帶中小地震應(yīng)力降優(yōu)勢(shì)分布在1～10 MPa之間，這些地震主要分布在百色—合浦?jǐn)嗔阎卸我约芭c桂林—南寧斷裂交匯區(qū)域。應(yīng)力降Δσ<1.0 MPa的地震主要分布在百色—合浦?jǐn)嗔押桶婉R—博白斷裂的西北段，以及靖西—崇左斷裂、南丹—巴馬斷裂。

(2) 桂西北地區(qū)的中小地震應(yīng)力降較低，桂東南地區(qū)的中小地震應(yīng)力降較高。Δσ≥10 MPa的高應(yīng)力降地震主要分布在桂東南，且歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)中強(qiáng)以上地震的原震區(qū)及其附近地區(qū)，說(shuō)明歷史上曾發(fā)生過(guò)中強(qiáng)以上地震的原震區(qū)及其附近仍具有高應(yīng)力背景。

圖5　2007年至2013年廣西中小地震應(yīng)力降空間分布圖(ML≥2.0)Fig.5　Spatial distribution of stress drop of medium and small earthquakes in Guangxi

序號(hào)發(fā)震時(shí)間年-月-日震中位置北緯(°)東經(jīng)(°)震級(jí)(ML)參考地名應(yīng)力降MPa與歷史地震震中的距離km歷史地震12010-04-2422.25110.233.0陸川14.78401890-08-29陸川南M622010-06-1421.76109.012.7合浦12.49701988-11-10北部灣M5.032010-08-1722.60109.313.6靈山11.54141936-04-01靈山M6201958-09-25靈山M542012-05-2023.83110.213.0平南14.91471318-06-18平南M5321759-10-25象州M552013-02-2023.83107.404.9平果15.44481977-10-19平果M5.0

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Feature of Stress Drop of Medium and Small Earthquakes in the Main Fault Zone in Guangxi

LONG Zheng-qiang1,2, XIE Ye-yu1, WEI Dong1,2, WEI Xu-hong1

(1.Seismological Bureau of Guangxi autonomous Region, Nanning, Guangxi 530022, China;2.China University of Geosciences, Wuhan, Hubei, 430074, China)

Abstract:Based on data of earthquakes with ML≥2.5 occurred in the main fault zone in Guangxi, recorded by Guangxi Digital Seismic Network from 2007 to 2013, the medium quality factor(Q) is figured out by inversion using Atkinson method. Then site response of each station is gotten by using Moya method. On these bases, stress drop of 90 medium small earthquakes around in the main fault zone are calculated. Spatial distribution characteristics of the stress drop are analyzed. The results show that 58% stress drops(Δσ) are within 1~10 MPa, mainly distributed in middle section of Baise-Hepu Fault and in juncture region of Guilin-Nanning Fault, Δσ less than 1.0 MPa(Low stress drop) are mainly in Northwestern Guilin and Δσ larger than 10.0 MPa(High stress drop) are mainly in Southeastern Guilin where earthquake with M≥ 5.0 occurred in history , which reflects that the original earthquake region and nearby still has a high stress background.

Key words:Fault zone; Medium and small earthquake; Source spectrum; Stress drop

作者簡(jiǎn)介：第一龍政強(qiáng)(1974—)，男，廣西壯族自治區(qū)北流人。1995年畢業(yè)于防災(zāi)技術(shù)高等?？茖W(xué)校，工程師。

基金項(xiàng)目：測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(xiàng)(20140318)和廣西地震局三結(jié)合項(xiàng)目(GXJ2011002)共同資助。

收稿日期：2015-01-07

中圖分類號(hào)：P315.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6265(2015)02-0001-05