廣東新豐江水庫區(qū)地震活動b值時空分布特征研究

鄧遠(yuǎn)立，何萍

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中山大學(xué)，廣州510275）

廣東新豐江水庫區(qū)地震活動b值時空分布特征研究

鄧遠(yuǎn)立1，2，何萍1

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中山大學(xué)，廣州510275）

廣東省新豐江水庫是中國發(fā)生過最大水庫誘發(fā)地震的地方，近幾年地震活動頻度和強(qiáng)度再次增強(qiáng)，引起了廣泛的關(guān)注。本研究系統(tǒng)分析了水庫區(qū)2010—2015年地震活動b值時空間分布特征，結(jié)果表明：新豐江水庫區(qū)b值隨深度增加而降低；庫尾區(qū)和大壩區(qū)b值較低，壩下區(qū)和庫中區(qū)b值較高；中等以上地震活動與b值變化關(guān)系密切，2010年以來庫區(qū)所有ML4.0級以上以及廣東其它地區(qū)的絕大多數(shù)ML4.0級以上地震都是發(fā)生在新豐江水庫區(qū)b值處于相對低值的時段，說明新豐江水庫區(qū)2012年以來的地震活動增強(qiáng)是區(qū)域構(gòu)造活動強(qiáng)化的表現(xiàn)。

地震；b值；新豐江水庫

0 引言

廣東省新豐江水庫從1959年水庫蓄水開始，在水庫及附近地區(qū)地震活動強(qiáng)度和頻度不斷增加，于1962年3月19日發(fā)生了一次6.4級地震，震中強(qiáng)烈度達(dá)到8度，是我國至今發(fā)生的最大水庫誘發(fā)地震，也是全球已知4次6級以上水庫誘發(fā)地震之一。此后，中小地震活動頻繁，目前仍是廣東地區(qū)地震活動水平最高的地區(qū)之一。2008年之后，新豐江水庫區(qū)地震活動水平一度明顯降低，但從2012年開始，地震活動頻度和強(qiáng)度再次增強(qiáng)，到目前為止，已經(jīng)發(fā)生ML4.0級以上地震7次，平均每年超過1次，引起了廣泛的關(guān)注，加強(qiáng)對其地震活動規(guī)律的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

古登堡和里克特（C.F.Rich-ter）在1944年首先提出了使用震級-頻度的經(jīng)驗(yàn)公式來描述世界各地區(qū)地震活動性的差異：

lgN（M）=ɑ-bM（1）式（1）中M為地震震級；N（M）是指在一定時間內(nèi)發(fā)生的M-ΔM

古登堡等對全球地震統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：在環(huán)太平洋島弧地帶，ɑ和b值都較高；而在大陸內(nèi)部，ɑ、b值則較低。Gupta等[3]對全世界典型震例的地震序列特征進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水庫誘發(fā)的前震b值大于余震b值，并且二者都大于當(dāng)?shù)靥烊坏卣餬值。Kishor等[4]的研究也得到相似結(jié)論：與區(qū)域地震活動相比，水庫誘發(fā)地震的b值明顯偏高。我國地震工作者對新豐江水庫b值研究也得到很多有參考價值的結(jié)果。羅振暖等[5]研究發(fā)現(xiàn)，b值變化在不同部位存在差異，在1962年新豐江水庫6.1級地震前2個月，以震源為中心的長方體（14×14×8 km）內(nèi)b值穩(wěn)定，但在14×14 km范圍之外，b值變化顯著。萬永芳等[6]通過分析新豐江水庫區(qū)1961—2009年的地震活動資料，發(fā)現(xiàn)低b值時段與大區(qū)域地震活動的增強(qiáng)存在一定的相關(guān)性，余震活動在一定程度上具有華南地區(qū)地震活動“窗口”的作用。

本研究是在前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合新豐江水庫近期地震活動狀況，選取水庫周邊臺站記錄到的2010年以來數(shù)字地震資料，研究水庫區(qū)不同深度、不同區(qū)域b值空間分布以及時間過程，分析b值變化與中等以上地震活動的關(guān)系，并與廣東其它地區(qū)b值動態(tài)進(jìn)行比較分析，為水庫區(qū)地震活動規(guī)律研究和廣東地區(qū)當(dāng)前地震活動狀態(tài)分析提供素材。

1 資料和方法

廣東省地震觀測臺網(wǎng)從1970年開始布設(shè)，“十五”期間建成的廣東數(shù)字地震臺網(wǎng)的臺站數(shù)增加到了44個，新豐江水庫周邊的測震臺站已達(dá)14個。數(shù)字地震臺網(wǎng)對廣東全省陸區(qū)和近岸可以比較完整地觀測到ML2.0級以上地震，對新豐江水庫區(qū)的地震監(jiān)控能力可達(dá)到ML1.0級（圖1）。

自2010年至2015年，新豐江水庫周邊14個臺站共記錄到庫區(qū)ML≥0.0級地震14 692次地震。其中，ML≥4.0級7次（2次為余震），4.0>ML≥3.0級21次，3.0>ML≥2.0級271次，2.0>ML≥1.0級2 043次，ML<1.0級12 350次。圖2是ML≥1.0級地震震級-頻度關(guān)系LgN-M圖，總體上表現(xiàn)出比較好的線性關(guān)系，說明新豐江水庫區(qū)ML1.0級的監(jiān)測能力是充分的。

本研究的b值是采用最大擬然法進(jìn)行分析計算：

式（2）中，M為平均震級，M0為起始震級。

為了避免統(tǒng)計結(jié)果受到資料選取的影響，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，綜合考慮上述監(jiān)測能力和震級-頻度LgN-M關(guān)系，本研究選定起始震級為ML1.0級，滿足震級ML≥M0條件的數(shù)據(jù)共2 342次地震。

2 庫區(qū)地震b值隨深度變化特征

選取新豐江水庫區(qū)震級ML≥1.0級的地震事件，共2 342次，進(jìn)行分析計算，最終得到新豐江水庫區(qū)的平均b值為0.785 6。為了更詳細(xì)分析b值隨深度的變化規(guī)律，作者將b值在深度上變化的計算結(jié)果展示如下（表1、圖3）。從圖中可以看出，b值隨震源深度增加而逐漸減小，在近地表2 km深度b值取得最大值1.976 7，在有資料的最深13 km處b值取得最小值0.505 3；在地殼8 km以內(nèi)b值較大，都大于1.0；在8~13 km范圍內(nèi)b值都小于0.9，且隨深度增加逐漸減小。這一結(jié)果與前人研究得到的天然地震b值隨深度增加而減小的結(jié)果一致[2，7-8]。

圖1 廣東省數(shù)字地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力分布圖①廣東省工程防震研究院.人民日報中山傳媒大廈工程場地地震安全性評價報告，2015.Fig.1 Map of monitoring ability of digital seismic network in Guangdong province

圖2 新豐江水庫區(qū)震級-頻度關(guān)系lgN-M圖（2010~2015年）Fig.2 The lgN-M（frequency-magnitude）map in Xinfengjiang reservoir area（2010-2015）

表1 新豐江水庫區(qū)地震b值隨深度變化表Table 1 The variation of b value with the depth in Xinfengjiang reservoir area

許多研究認(rèn)為，引起b值變化的主要因素包括物質(zhì)復(fù)雜程度、溫度和有效應(yīng)力等[2，7]。在地殼淺部，溫度較低，有效應(yīng)力較小，巖石破碎強(qiáng)烈，物質(zhì)復(fù)雜度程度較大，b值也較大；在地殼深處，溫度較高，有效應(yīng)力增加，介質(zhì)的復(fù)雜程度減小，b值降低。因此，對地震數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果表現(xiàn)出b值隨深度增加而減小的現(xiàn)象。

圖3 新豐江水庫區(qū)地震b值隨深度變化圖Fig.3 The variation of b value with the depth in Xinfengjiang reservoir area

圖4 新豐江水庫地震活動分區(qū)Fig.4 Division of seismic activity in Xinfengjiang reservoir

強(qiáng)震主要發(fā)生在地殼介質(zhì)相對均勻、巖石靜壓力較高的深處[2，7-8]。這與新豐江水庫區(qū)的觀測結(jié)果是一致的，2010年以來新豐江水庫區(qū)發(fā)生的ML≥4.0級地震，其震源深度都大于9 km。對于水庫區(qū)來說，水庫誘發(fā)作用對b值影響很大，在淺部水庫誘發(fā)作用較強(qiáng)，b值較高，在深部水庫誘發(fā)作用減弱，b值降低，這與分析結(jié)果也是一致的。

3 庫區(qū)地震b值分區(qū)特征

根據(jù)新豐江水庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地震活動分布特點(diǎn)，可將研究區(qū)進(jìn)一步劃分為4個小區(qū)（圖4）：分別為壩下區(qū)A（包含河源-邵武斷裂F1及其以東地區(qū)）、大壩區(qū)B（包含人字石斷裂F2和發(fā)生1962年6.1級地震的石角-新港-白田斷裂F5等）、庫中區(qū)C（包含燈塔-客家水?dāng)嗔袴3）和庫尾區(qū)D（2012年以來的地震活動主體區(qū)域）。

本研究首先把庫區(qū)震級ML≥1.0級的2 342次地震事件，按4個分區(qū)分別篩選出來，然后再分兩種情況計算各分區(qū)b值：一種情況是包含所有ML≥1.0級地震，另一種情況是去除發(fā)生ML≥4.0級地震當(dāng)天主震和余震數(shù)據(jù)（避免主震和余震對結(jié)果產(chǎn)生太大的影響）。b值計算采用最大似然法，計算結(jié)果見表2。從表中結(jié)果可見，壩尾區(qū)b值最小，大壩區(qū)次之，壩下區(qū)b值最高。在壩下區(qū)和庫中區(qū)兩種情況計算的b值相同或相近，在大壩區(qū)和壩尾區(qū)第一種情況計算的b值小于第二情況計算的結(jié)果，這是因?yàn)榻鼛啄闙L≥4.0級地震都發(fā)生在這兩個區(qū)域。壩下區(qū)和壩中區(qū)在兩種情況計算的b值都大于1.0，說明對水庫誘發(fā)作用的響應(yīng)可能較強(qiáng)；壩尾區(qū)在兩種情況計算的b值都小于0.9，說明對構(gòu)造應(yīng)力作用影響可能較強(qiáng)；大壩區(qū)在第一種情況計算的b值小于0.9，在第二種情況計算的b值大于1.0，但都介于壩尾區(qū)最小b值和壩下區(qū)最大b值之間，說明該區(qū)在1962年6.1級地震后對水庫誘發(fā)作用的響應(yīng)可能在減弱。

表2 新豐江水庫各分區(qū)b值計算結(jié)果Table 2 Calculation results of b Value in each division of Xinfengjiang reservoir

圖5 新豐江水庫區(qū)b值時間過程曲線（2010-2015）Fig.5 Temporal curve of b Value in Xinfengjiang reservoir area（2010-2015）

表3 廣東地區(qū)ML4.0級以上地震前新豐江水庫區(qū)b值Table 3 The b Value of Xinfengjiang reservoir area before the earthquakes with ML≥4.0 in Guangdong province

4 庫區(qū)地震b值時間演化特征

為了追蹤新豐江水庫區(qū)地震b值的時間過程，本研究以1天為步長3個月為窗長逐日計算了b值，得到了b值的時間過程曲線（圖5）。從圖中可見，從2010年至2015年，新豐江水庫區(qū)b值變化介于0.7~1.4之間，平均0.95，2012年至2014年9月和2015年下半年b值較低，其余時間b值較高。進(jìn)一步分析結(jié)果表明，2010年以來新豐江水庫區(qū)所有ML4.0級以上地震（圖中紅色實(shí)線箭頭）都發(fā)生在相對低b值的時段（小于平均值0.95）（圖5，表3），廣東省其它地區(qū)的ML4.0級以上地震（圖中黑色虛線箭頭）大多數(shù)也發(fā)生在新豐江水庫區(qū)相對低b值的時段，僅2014年10月23日肇慶懷集ML4.1級地震為例外（b值1.087，大于平均值）。這些結(jié)果說明，新豐江水庫區(qū)近幾年地震活動增強(qiáng)是區(qū)域構(gòu)造活動強(qiáng)化的結(jié)果。同時也反映了在新豐江水庫區(qū)b值相對大小不僅是該水庫區(qū)地震活動狀態(tài)的指標(biāo)，也是廣東地區(qū)的地震活動分析的重要參量。這一認(rèn)識與國內(nèi)外的研究結(jié)果是一致的[1-2，5-6，9-11]。

在2014年10月23日肇慶懷集ML4.1級地震前，新豐江水庫區(qū)相對高b值可能反映了粵西廉江-信宜斷裂之西地區(qū)的地震活動與我國西南地區(qū)的地震活動關(guān)系更密切，而與新豐江水庫的動力學(xué)關(guān)系較弱。

對廣東省除新豐江水庫區(qū)之外地區(qū)的地震目錄以1天為步長3個月為窗長逐日計算b值，并與新豐江水庫區(qū)b值的時間過程曲線進(jìn)行對比，結(jié)果表明，廣東省除新豐江水庫區(qū)之外地區(qū)的b值平均值為0.83，明顯低于新豐江水庫區(qū)b值平均值0.95；在大多數(shù)時段新豐江水庫區(qū)b值高于廣東省其它地區(qū)b值（圖6）。這一結(jié)果與前人有關(guān)水庫地震的b值通常高于天然地震的研究結(jié)果一致[3-4]。說明新豐江水庫區(qū)可能仍然存在水庫誘發(fā)地震的因素，水在地震孕育和發(fā)生過程中的作用仍然不可忽略。

圖6 新豐江水庫區(qū)與廣東省其它地區(qū)b值時間過程曲線對比（2010-2015）Fig.6 Comparison of b value temporal curves of Xinfengjiang reservoir area and other regions of Guangdong province（2010-2015）

另一方面，從圖中還可以看到，新豐江水庫區(qū)b值與廣東省其它地區(qū)b值在2012年之前差異較大，變化關(guān)系也比較復(fù)雜，有時同向升降，有時反向變化；從2012年開始，水庫區(qū)內(nèi)外b值大小差異減少（2014年10月至2015年上半年除外），并出現(xiàn)了趨勢變化互補(bǔ)（近同步反向變化）的現(xiàn)象。變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（2012年）對應(yīng)了廣東地區(qū)地震活動由弱轉(zhuǎn)強(qiáng)的時間節(jié)點(diǎn)。發(fā)生這種轉(zhuǎn)變的可能原因有：

（1）在2012年之前，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用較弱，各區(qū)域之間構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)系不強(qiáng)，表現(xiàn)出各地區(qū)的差異活動特點(diǎn)，并以微震活動為主。水庫區(qū)水體的滲透和蝕變作用可能大于構(gòu)造應(yīng)力變化的作用，并誘發(fā)微震活動，b值較高。非水庫區(qū)缺少水庫誘發(fā)的因素，地震活動的動力仍以構(gòu)造變形為主，b值變化不大。

（2）從2012年開始，廣東地區(qū)地震活動水平顯著升高，區(qū)域應(yīng)力作用增強(qiáng)，在水庫區(qū)與非水庫區(qū)都是以構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)，即使在水庫區(qū)的地震活動也以構(gòu)造地震為主，b值較低，震源深度較大（表3）。

在區(qū)域動力作用增強(qiáng)的背景下，各區(qū)域之間應(yīng)力聯(lián)系和構(gòu)造變形也更加緊密，表現(xiàn)為地震活動的整體增強(qiáng)，各區(qū)域之間可能存在協(xié)同作用，地震活動此起彼落，構(gòu)成互補(bǔ)關(guān)系。具體機(jī)理需要將來進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)語

綜上所述，可以得出如下幾點(diǎn)初步認(rèn)識：

（1）新豐江水庫區(qū)b值隨深度增加變小，可能是隨深度增加，靜巖壓力增加，地殼介質(zhì)復(fù)雜程度降低，水庫誘發(fā)作用減弱，構(gòu)造作用增加所致。

（2）新豐江水庫區(qū)不同區(qū)域b值存在差異，壩下區(qū)和壩中區(qū)b值較高，壩尾區(qū)b值最小，大壩區(qū)次之，可能與各區(qū)對構(gòu)造作用和水庫誘發(fā)作用響應(yīng)的強(qiáng)弱有關(guān)。

（3）新豐江水庫區(qū)中等以上地震活動與b值變化關(guān)系密切，2010年以來庫區(qū)所有ML4.0級以上以及廣東其它地區(qū)的絕大多數(shù)ML4.0級以上都是發(fā)生在新豐江水庫區(qū)b值處于相對低值的時段，說明新豐江水庫區(qū)2012年以來的地震活動增強(qiáng)是構(gòu)造活動強(qiáng)化的表現(xiàn)。

由于時間、資料和水平等的限制，有些問題分析不夠充分，例如，地震活動分區(qū)的合理性、水庫區(qū)b值與廣東其它地區(qū)b值關(guān)系協(xié)同變化機(jī)理等問題仍有待將來進(jìn)一步研究。

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Study on the Spatiotemporal Pattern of b Value in Xinfengjiang Reservoir Area in Guangdong Province

DENG Yuanli1，2，HE Ping1
（1.Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China；2.Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China）

Xinfengjiang reservoir in Guangdong province is the area where the largest reservoir induced earthquake occurred in China.In recent years，the frequency and intensity of seismic activity enhanced again, which has attracted widely attention.This study systematically analyzes the spatiotemporal pattern of b Value in Xinfengjiang reservoir area from 2010 to 2015.It is found that the b Value of Xinfengjiang reservoir area decreases with the increase of depth；the b Value in the reservoir tail area and the dam area is lower，and the b value in the reservoir middle area and downstream division is higher；the medium and strong earthquakes are closely related to the change of b value.Since 2010，all earthquakes with ML≥4.0 in reservoir area and the most of earthquakes with ML≥4.0 in other region of Guangdong province occurred during the period with a relativelylower b value in Xinfengjiang reservoir area,which shows that the enhancement of seismic activity in Xinfengjiang reservoir area since 2012 is resulted from the regional tectonic activity.

Earthquake；b Value；Xinfengjiang reservoir

P315.2

A

1001-8662（2016）03-0061-07

10.13512/j.hndz.2016.03.009

2015-10-06

廣東省省級科技計劃項(xiàng)目（2013B020200010）

鄧遠(yuǎn)立（1989-），助理工程師，主要從事地震信息與災(zāi)害研究工作.

E-mail：1989dyl@163.com

鄧遠(yuǎn)立，何萍.廣東新豐江水庫區(qū)地震活動b值時空分布特征研究[J].華南地震，2016，36（3）：61-67.[DENG Yuanli，HE Ping.Study on the Spatiotemporal Pattern of b Value in Xinfengjiang Reservoir Area in Guangdong Province[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：61-67.]