江漢盆地東北緣現(xiàn)今地殼構(gòu)造應(yīng)力場及其發(fā)震構(gòu)造

廖梵汐 路 輝 董彥君 申學(xué)林

1 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)緊缺戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢市魯磨路388號，430074

2 中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，合肥市云谷路2588號，230601

3 地震預(yù)警湖北省重點實驗室，武漢市洪山側(cè)路40號，430071

4 中南勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢市珞喻路1077號，430074

區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力持續(xù)作用使得地殼內(nèi)部不斷累積應(yīng)變能，當(dāng)應(yīng)變能達(dá)到一定程度時會引發(fā)地震，地震波會攜帶震源機(jī)制、震源應(yīng)力場及構(gòu)造運動等重要信息。利用大量的震源機(jī)制結(jié)果獲取區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場，是目前研究巖石圈應(yīng)力場以及區(qū)域構(gòu)造運動特征的重要手段之一。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨立．

江漢盆地位于揚(yáng)子克拉通北緣，夾持于北部秦嶺-大別造山帶和南部江南-雪峰山造山帶之間，西靠黃陵隆起和湘鄂西褶皺沖斷帶，東鄰鄂東褶皺沖斷帶。近年來，圍繞江漢盆地周緣發(fā)生多起破壞性地震，而此類地震的發(fā)震構(gòu)造目前尚未達(dá)成共識。楊攀新等[1]結(jié)合物探資料認(rèn)為，該盆地周緣地震活動與古近紀(jì)以來的斷裂性質(zhì)有關(guān)；劉鎖旺等[2]發(fā)現(xiàn)，NW、NE向控盆斷裂走滑拉分或走滑擠壓導(dǎo)致江漢盆地發(fā)生非對稱擴(kuò)張，進(jìn)而引發(fā)地震；徐杰等[3]認(rèn)為，地震活動主要與該區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)垂直差異活動明顯的構(gòu)造有關(guān)。此外，2019-12-26湖北應(yīng)城4.9級地震是該地區(qū)有地震記錄以來的最大地震，并伴有后續(xù)余震，而此前該區(qū)域內(nèi)地震活動較為平靜，因此應(yīng)城M4.9地震及其余震的發(fā)生是否表明該地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生變化，需要進(jìn)一步研究。本文將進(jìn)一步結(jié)合震源機(jī)制解對湖北應(yīng)城M4.9地震序列數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場分析，為江漢盆地東北緣應(yīng)力場研究、區(qū)域地震活動特征評價以及進(jìn)一步認(rèn)識區(qū)域構(gòu)造活動提供新依據(jù)。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

江漢盆地由震旦紀(jì)-早白堊紀(jì)的變質(zhì)基底和中白堊紀(jì)以來的沉積蓋層組成，其演化歷史主要分為以下3個階段：1)揚(yáng)子克拉通和華北克拉通在中三疊世發(fā)生俯沖碰撞造山，進(jìn)而擠壓前鋒帶形成陸前盆地，伴隨形成一系列NW和NE向斷裂帶；2)晚侏羅-早白堊世盆地發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，NE方向由主壓應(yīng)力變?yōu)橹骼瓚?yīng)力，且盆地周緣斷裂因為盆地旋轉(zhuǎn)而不再垂直或平行于盆地，并表現(xiàn)出右旋走滑特征；3)晚第三紀(jì)-第四紀(jì)構(gòu)造活動明顯減弱，盆地開始由斷陷轉(zhuǎn)變?yōu)榘枷?，并具有幕式特?圖1)[1,4]。

江漢盆地東北緣斷層分布以襄樊-廣濟(jì)斷裂帶、皂市斷裂帶以及長江埠斷裂帶為主，其中襄樊-廣濟(jì)斷裂帶為區(qū)域性深大斷裂帶，其深部下切至震旦系變質(zhì)基底，在研究區(qū)內(nèi)隱伏于第四紀(jì)地層之下，走向NW，傾向NE，控制應(yīng)云凹陷的東北界；皂市斷裂北起京山天王寨，南至皂市東，往SSE方向延伸并隱伏于第四紀(jì)地層下，具有左旋走滑特征，控制應(yīng)云凹陷的西界。皂市斷裂與長江埠斷裂傾角均呈上陡下緩走向，并一同斜切延伸至襄樊-廣濟(jì)斷裂帶內(nèi)，屬于襄樊-廣濟(jì)斷裂帶中段的次級斷裂[5]。

2 研究方法

2.1 震源深度

震源深度的準(zhǔn)確測定是探討發(fā)震構(gòu)造、分析地震活動性以及區(qū)域地震危險性評估的重要參考依據(jù)，在地震學(xué)研究中具有重要意義。由于本文用到11個地震序列，無法利用雙差定位法對深度進(jìn)行準(zhǔn)確計算，但主震震中位置距離最近臺站(鐘祥臺)為73 km，屬于近震深度震相sPL的優(yōu)勢震中范圍。由于sPL-P到時差與震源深度呈線性正相關(guān)，受震中距影響可忽略不計，因此可用于約束主震震源深度[6]。近震深度震相sPL確定震源深度的方法是運用頻率-波速(F-K)方法模擬不同深度下的理論地震圖，并將其與實際波形進(jìn)行擬合對比，獲得地震深度分布[6]。

由于余震的能量小、衰減快且地震波傳播距離接近sPL深度震相可識別的極限范圍，因此無法識別出清晰的sPL震相。但湖北省地震監(jiān)測臺網(wǎng)的臺站分布對余震震中的包圍性較好，且均有事件波形記錄，因此采用單純形法確定余震震源深度。該方法是Nelder等[7]提出的一種尋優(yōu)方法，首先在n維空間中用n+1個頂點構(gòu)成一個多面體，依據(jù)單純形運算規(guī)則，計算各頂點函數(shù)值并進(jìn)行比較，確定頂點優(yōu)劣；然后計算新頂點，用好的頂點代替壞的頂點，不斷改變頂點，使單純形運算朝著目標(biāo)函數(shù)最小方向移動，最終獲得準(zhǔn)確解。該方法可用于地方震、近震和遠(yuǎn)震。

2.2 應(yīng)力場反演

本文采用網(wǎng)格搜索法對江漢盆地東北緣的應(yīng)力場進(jìn)行分析，利用大量小震與中強(qiáng)震的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，按照震級差異對震源機(jī)制解賦予不同權(quán)重，計算過程中采用全局搜索得到應(yīng)力場最優(yōu)解，最后獲得應(yīng)力場方向以及置信范圍。

對應(yīng)城M4.9地震及其余震分別進(jìn)行震源機(jī)制解計算，并根據(jù)震級大小采用適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒?，M≥3.0時采用Seis-CAP方法，M<3.0時采用P波初動方法。由于每個地震震級大小不同，對所計算的區(qū)域應(yīng)力場方向提供的約束也有差異，因此需要根據(jù)地震震級大小賦予震源機(jī)制解不同的權(quán)重。每個地震震源機(jī)制解的權(quán)重W參照Shen等[8]大地測量數(shù)據(jù)計算應(yīng)變的方式求?。?/p>

(1)

式中，W為地震震源機(jī)制解權(quán)重，大小為1～10；D為震級衰減常數(shù)；r為震級相對大小，即

r=M-Mmin

(2)

設(shè)定應(yīng)力場旋轉(zhuǎn)軸3個旋轉(zhuǎn)角的搜索區(qū)間均為1°，應(yīng)力比值的搜索間隔為0.1，置信水平為90%，獲得應(yīng)力場各參數(shù)的置信區(qū)間，應(yīng)力形因子R的表達(dá)式為：

(3)

式中，S1、S2、S3分別為最大、中間、最小主壓應(yīng)力。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

3.1 震源深度確定

sPL震相的優(yōu)勢震中范圍為20～80 km[6]，湖北省測震臺網(wǎng)中僅鐘祥臺(ZHX)符合要求。鐘祥臺有CTS-1型地震計和EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器，屬于基巖臺。對鐘祥臺記錄到的應(yīng)城M4.9地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾斜、去均值和扣除儀器響應(yīng)處理，旋轉(zhuǎn)NS-EW-UD分量至R-T-Z分量，濾除波形中1 Hz以上的高頻成分，即可在徑向(R)分量上觀察到較為清晰的sPL震相。依據(jù)廖武林等[9]提供的速度結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建湖北地區(qū)的一維地殼模型(表1)，采用F-K方法模擬鐘祥臺在不同深度下徑向、切向和垂向的理論地震圖。將徑向分量下Pg和sPL相對到時吻合后，對比理論震相和實際波形，進(jìn)而得到震源深度。

表1 一維地殼模型

圖2為應(yīng)城M4.9地震的鐘祥臺位移記錄。由圖2(a)(示意圖)可見，鐘祥臺可以觀測到清晰的sPL震相，并表現(xiàn)出徑向分量能量最大、垂向分量次之以及切向分量最小的特征。波形擬合結(jié)果如圖2(b)所示，應(yīng)城M4.9地震震源深度為6 km時，鐘祥臺徑向分量上Pg和sPL震相與理論震相擬合度最高，且實際波形(紅色曲線)與理論波形吻合度較好，表明利用sPL近震深度震相測定應(yīng)城M4.9地震的震源深度為6 km。

余震震源深度采用單純形法計算(表2)。由表可見，應(yīng)城M4.9地震及其余震震源深度主要分布在4～6 km之間。

表2 sPL深度震相及單純形法深度測定結(jié)果

3.2 震源機(jī)制解計算

利用震中距350 km以內(nèi)的15個臺站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并從中選取方位角分布較好、信噪比較高且P波初動清晰的寬頻帶波形，進(jìn)行去儀器響應(yīng)、分量旋轉(zhuǎn)等處理。采用與sPL深度震相同一的地殼速度模型計算格林函數(shù)并獲取理論地震圖，分別對波形數(shù)據(jù)中Pnl和面波進(jìn)行0.05～0.15 Hz 和0.05～0.1 Hz的4階Butterworth帶通濾波，并與理論地震波形進(jìn)行相互擬合分析，擬合殘差最小時對應(yīng)的斷層面解即為本次地震的最佳震源機(jī)制解。不同深度最佳震源機(jī)制解和波形擬合差如圖3所示，由圖可見，矩心深度為6 km，與sPL深度震相擬合得到的結(jié)果一致，對應(yīng)的地震矩震級為4.8。

圖4為矩心深度為6 km時部分臺站的擬合情況，由圖可見，15個臺站共計75個波段，其中相關(guān)系數(shù)(曲線下第二行數(shù)字，單位%)大于80的波段有62個，占83%，擬合效果較好，結(jié)果可信度較高。

由圖4可見，節(jié)面Ⅰ的走向143°、傾角72°、滑動角13°；節(jié)面Ⅱ的走向49°、傾角78°、滑動角162°，表明斷層面以走滑為主，兼有逆斷性質(zhì)。最大主壓應(yīng)力P軸方向為近EW向，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向一致。

采用P波初動法確定的余震震源機(jī)制結(jié)果見圖5和表3。由圖、表可知，本次震群活動的斷層破裂性質(zhì)為走滑兼少量逆沖成分，主震及余震的震源機(jī)制解一致性較好，主震震源機(jī)制解與吳海波等[5]、李恒等[10]研究結(jié)果基本一致(表4)，計算結(jié)果可靠性較高。

表3 Seis-CAP法和P波初動法確定震源機(jī)制結(jié)果

表4 應(yīng)城M4.9主震震源機(jī)制解

3.3 構(gòu)造應(yīng)力場計算

按照11個不同大小的地震震級對每個地震的震源機(jī)制解賦予不同的權(quán)重，以研究區(qū)作為單元網(wǎng)格進(jìn)行搜索，獲得90%置信度下的應(yīng)力場作用方式，反演結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)中紅色小箭頭和藍(lán)色小箭頭方向一致，表明斷層理論滑動方向與觀測滑動方向相同，應(yīng)力場反演結(jié)果可靠性較高。研究區(qū)內(nèi)S1軸方向為280°～282°、傾角為1°～2°，S2軸方向為186°～188°、傾角為68°～70°，S3軸方向為11°～13°、傾角為20°～22°。R值為0.4，表明斷層活動具有逆沖特征。

已有研究者對研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場特征進(jìn)行過研究。李蓉川等[11]根據(jù)1972～1983年鄂、豫、皖地區(qū)26個中小地震震源機(jī)制解資料認(rèn)為，鄂西地區(qū)主壓應(yīng)力方向為NW-SE，鄂東為近EW；Dong等[12]根據(jù)2010-01-01～2017-12-31期間的數(shù)字觀測數(shù)據(jù)計算獲得研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力場方向為近EW向；鄧起東等[13]利用MS4.6以上的震源機(jī)制解結(jié)果反演得到中國大陸地殼現(xiàn)今應(yīng)力場特征，與本文計算結(jié)果一致，表明研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場在第四紀(jì)以來處于穩(wěn)定狀態(tài)[14]。

4 討 論

襄樊-廣濟(jì)斷裂帶不僅是華北地塊和揚(yáng)子地塊的碰撞接觸帶，同時也是橫貫湖北省的重要深大斷裂帶。該斷裂帶兩側(cè)廣泛發(fā)育各類次級斷裂，比如研究區(qū)內(nèi)的皂市斷裂、長江埠斷裂等。中三疊世華北地塊和揚(yáng)子地塊碰撞造山作用形成江漢盆地，晚侏羅以后盆地沿NE-SW向伸展，隨著巖漿活動減弱，地殼活動逐漸恢復(fù)平靜發(fā)生凹陷沉積，進(jìn)而在研究區(qū)內(nèi)形成應(yīng)云凹陷、龍賽湖弱凸起和小板凹陷等地形地貌。

根據(jù)震源機(jī)制解獲取的構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向為NWW-SEE，與GPS數(shù)據(jù)得到的地殼應(yīng)變率場結(jié)果一致[12]，表明研究區(qū)受到自NWW向SEE方向的擠壓作用，該力源可能來自于印度板塊和歐亞板塊的碰撞。主震及其余震震源機(jī)制解都存在NNW方向的節(jié)面，傾角為68°～85°，斷層面以左旋走滑為主，兼有少量逆沖特性。而皂市斷裂及長江埠斷裂走向為NNW-SSE，傾角上陡下緩，具有左旋走滑性質(zhì)，其構(gòu)造形態(tài)與主余震震源機(jī)制解相吻合。因此，皂市斷裂及長江埠斷裂可能是湖北應(yīng)城M4.9地震的主要發(fā)震構(gòu)造，斷層面為節(jié)面Ⅰ(走向143°，傾角72°，滑動角13°)，主壓應(yīng)力軸走向為NW-SE(280°～282°)，傾角為1°～2°；主張應(yīng)力軸方向為NE-SW(11°～13°)，傾角為20°～22°。表明力源作用推擠地殼向SEE近水平方向運動過程中使得皂市斷裂及長江埠斷裂發(fā)生構(gòu)造活動，導(dǎo)致斷層表現(xiàn)出左滑兼少量逆沖特性。

本文通過單純形法確定應(yīng)城M4.9地震及其余震均分布在應(yīng)云凹陷內(nèi)，利用近震深度震相sPL和單純形法確定其深度分布范圍為4～6 km，將震源位置投影至地質(zhì)剖面上(圖7)，表明該震群處于皂市斷裂及長江埠斷裂底部緩傾區(qū)域，震源深度范圍所在地層位于白堊紀(jì)以下，為古近紀(jì)地層。此外，王德良等[4]結(jié)合江漢盆地內(nèi)2 000 多口鉆井資料和地震資料獲取盆地不同時期的沉降速率，認(rèn)為本研究區(qū)在晚漸新世荊河鎮(zhèn)組沉積時期(32～26 Ma)凹陷作用明顯減弱，沉降速率幾乎為0，盆地底部地幔底辟作用消退。因此，本次震群活動可能由皂市斷裂及長江埠斷裂構(gòu)造活動引起，且與古近紀(jì)以來的斷層活動有關(guān)。

5 結(jié) 語

1)來自NWW方向的力源水平推擠研究區(qū)地殼向SEE方向運動，導(dǎo)致襄樊-廣濟(jì)斷裂的次級斷裂皂市斷裂和長江埠斷裂發(fā)生構(gòu)造活動，在4～6 km深度范圍內(nèi)發(fā)生以走滑為主兼少量逆沖的剪切破壞，導(dǎo)致應(yīng)城M4.9地震及其余震的發(fā)生。

2)應(yīng)城M4.9地震序列的震源深度在研究區(qū)內(nèi)均位于白堊紀(jì)地層以下，且自晚漸新世荊河鎮(zhèn)組沉積以來，研究區(qū)凹陷沉降速率幾乎為0，由此判斷，本次震群活動與古近紀(jì)以來的斷層活動有關(guān)。

3)皂市斷裂及長江埠斷裂為應(yīng)城M4.9地震的主要發(fā)震構(gòu)造，斷層面為節(jié)面Ⅰ(走向143°，傾角72°，滑動角13°)，主壓應(yīng)力軸走向為NW-SE(280°～282°)，傾角為1°～2°；主張應(yīng)力軸方向為NE-SW(11°～13°)，傾角為20°～22°。

4)應(yīng)城M4.9地震序列數(shù)據(jù)給出的地殼應(yīng)力場結(jié)果與研究區(qū)內(nèi)前人不同時段及不同精度下地震數(shù)據(jù)獲得的應(yīng)力場結(jié)果一致，表明本次震群活動沒有改變研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力場。