〔作者简介〕 李翠平, 女, 1989年生, 2015年于中国地震局地质研究所获构造地貌学专业硕士学位, 助理工程师, 主要从事地震活动性与地震危险性研究, 电话: 023-67086630, E-mail: wulicuiping@126.com。
武隆 MS5.0地震是发生在七曜山-金佛山及彭水2条基底断裂所夹持的武隆凹陷束中的一次中强震, 震源区位于芙蓉江断层、 文复断层和马武断层的交会部位。文中采用CAP波形反演方法, 计算了武隆 MS5.0地震的震源机制解与震源矩心深度, 同时利用双差定位方法对武隆地震及其余震序列进行重定位, 分析了本次地震的发震断层。结果显示, 武隆 MS5.0地震震源机制解节面Ⅰ的走向为24°、 倾角为16°、 滑动角为-108°, 节面Ⅱ的走向为223°、 倾角为75°、 滑动角为-85°; 重定位后的余震序列主要分布在主震的SW向, 深度集中于5~8km。分析表明, 余震分布特征与震源机制解节面Ⅱ一致, 且符合文复断层走向SW、 倾向NW、 倾角60°~73°的产状特征。由此推测此次武隆 MS5.0地震的发震构造为文复断层, 并初步探讨了其可能的发震模式。
The Wulong MS5.0 earthquake on 23 November 2017, located in the Wolong sap between Wenfu, Furong and Mawu faults, is the biggest instrumentally recorded earthquake in the southeastern Chongqing. It occurred unexpectedly in a weak earthquake background with no knowledge of dramatically active faults. The complete earthquake sequences offered a significant source information example for focal mechanism solution, seismotectonics and seismogenic mechanism, which is helpful for the estimation of potential seismic sources and level of the future seismic risk in the region. In this study, we firstly calculated the focal mechanism solutions of the main shock using CAP waveform inversion method and then relocated the main shock and aftershocks by the method of double-difference algorithm. Secondly, we determined the seismogenic fault responsible for the MS5.0 Wulong earthquake based on these calculated results. Finally, we explored the seismogenic mechanism of the Wulong earthquake and future potential seismic risk level of the region.
The results show the parameters of the focal mechanism solution, which are: strike24°, dip 16°, and rake -108° for the nodal plane Ⅰ, and strike223°, dip 75°, and rake -85° for the nodal plane Ⅱ. The calculations are supported by the results of different agencies and other methods. Additionally, the relocated results show that the Wulong MS5.0 earthquake sequence is within a rectangular strip with 4.7km in length and 2.4km in width, which is approximately consistent with the scales by empirical relationship of
We also propose two preliminary genetic mechanisms of “local stress adjustment” and “fluid activation effect”. The “local stress adjustment” model is that several strong earthquakes in Sichuan, such as M8.0 Wenchuan earthquake, M7.0 Luzhou earthquake and M7.0 Jiuzhaigou earthquake, have changed the stress regime of the eastern margin of the Sichuan Basin by stress transference. Within the changed stress regime, a minor local stress adjustment has the possibility of making a notable earthquake event. In contract, the “fluid activation effect” model is mainly supported by the three evidences as follows: 1)the maximum principle stress axial azimuth is against the regional stress field, which reflects NWW-SEE direction thrusting type; 2)the Wujiang River crosscuts the pre-existing Wenfu normal fault and offers the fluid source; and 3)fractures along the Wenfu Fault formed by karst dissolution offer the important fluid flow channels.
据中国地震台网中心正式测定, 北京时间2017年11月23日17时43分, 重庆武隆区发生MS5.0地震, 震中位于29.39° N, 107.99° E, 震源深度为10km。据现场调查, 本次地震最高烈度为Ⅵ 度, 等震线长轴走向NNE, 长轴长20.9km, 短轴长11.8km①(① http://www.cqdzj.gov.cn/content.php?id=6343& page=11。)。根据当地政府的灾害调查结果, 地震共造成武隆、 彭水两地10人受伤, 直接经济损失约4 079万元。此次地震是有仪器记录以来发生在重庆渝东南地区的最大地震, 历史上该地区仅发生过2次5级以上地震, 最强和最近的地震应追溯到距此次地震震中90km外的1856年黔江咸丰 6$\frac{1}{4}$级地震。在构造背景上, 该区域除了存在3条年代较老的深大基底断裂外, 还发育一系列中等规模断续分布的断层, 长度多为几十km, 年代学研究表明这些断层大多为早— 中更新世断层(丁仁杰等, 2004)。此次地震没有形成地表破裂带, 且震源区位于基岩山区, 从地质方面去研究发震构造存在一定的困难。另外, 现今GNSS数据、 中小震综合机制解反演、 现代地壳形变与地应力测量资料表明该区域处于以NWW-SEE向水平主压应力为主的现代构造应力场环境中(唐荣昌等, 1993; 刘玉亮, 2009; 陈涛等, 2018)。而本次MS5.0地震发生后, 不同机构给出的震源机制均显示该地震为一次NE走向的正断型张性破裂事件(表1), 这与区域压性应力场环境(丁仁杰等, 2004; 李峰等, 2013)不吻合。
武隆MS5.0地震在弱地震活动以及与其震源机制不一致的应力场背景下突然发生, 给该地区地震风险认识带来了新的挑战, 其发震构造及成因机制成为众研究者共同关注的问题。尽管此次地震震级不大, 造成的破坏也不严重, 但完整的地震序列为确定该地震的发震构造提供了重要的震源参数等信息, 为进一步研究该地区的发震断层、 地震成因机制以及渝东南地区未来地震形势的研判提供了参考信息。本文基于区域地震台网记录的武隆地震序列地震波形资料和震相到时数据, 采用CAP(Cut and Paste)方法反演了武隆MS5.0地震的震源机制和震源矩心深度; 同时, 利用双差定位方法对主震及其余震序列重新进行精确定位, 获得该序列较为准确的震源参数和余震活动的时空展布特征; 最后结合武隆MS5.0地震的区域构造环境和烈度分布等, 探讨了该地震序列可能的发震断层和成因机制。
武隆MS5.0地震发生在七曜山-金佛山和彭水2条基底断裂所夹持的武隆凹陷束中, 位于芙蓉江逆断层与文复、 马武正断层交会的部位(图1)。该区域发育有一系列形成于燕山期的NE向、 NNE向高陡背斜带及断裂带(谭淋耘等, 2015; 方志雄等, 2016)(表2), 全新世区域构造活动较弱, 但继承性的局部褶皱、 断裂活动仍在继续, 局部表现为垂直或掀斜振荡, 这些活动的褶皱、 断裂也成为该地区孕震和发震的主要构造(丁仁杰等, 2004)。
本次地震震中西侧主要以压性或压扭性断裂为主, 多表现为发育于背斜两翼的逆冲推覆断裂, 如老场断裂(王赞军等, 2016)。而七曜山-金佛山基底断裂表现为高倾角、 NW倾向的正断层, 该断裂带自晚更新世以来没有明显活动, 仅在与长寿-遵义基底断裂交会处曾发生1854年南川 5$\frac{1}{2}$级地震。震区东侧断裂主要以发育在背斜轴部的正断层为主, 且断面倾向均为NW, 包括彭水基底断裂在地表显示的郁山正断层以及文复断层①(四川省地质局107地质队, 1975, 黔江幅1:20万区域地质调查报告。)。彭水基底断裂性质相对复杂, 其顶部倾向SE, 下部倾向NW, 是一条总体倾向NW、 具有特殊地表(顶部)正断、 实质为逆冲性质特征的弧形断裂。该断裂的形成时代仍不清楚, 仅郁山正断层与NNW向横断层交切部位曾发生1855年彭水 4$\frac{3}{4}$级地震。郁山、 文复断层以及震中距10km范围内一系列倾向NW的次级正断层, 都是在燕山期晚期受NW-SE向挤压应力的逆时针方向张扭性应力作用而形成的(谢忱等, 2013)。除此之外, 震中北侧马武断层为倾向SE的正断性质, 但该断裂活动较弱, 仅在邻近地区发生了2013年7月18日石柱MS4.3地震。震中南侧发育一系列由NNE走向的三会冲、 芙蓉江及火石垭等逆断层组成的叠瓦式构造, 在第四纪可能有过活动, 这些老断层在外界环境影响下可能活化并重新活动, 如2003年武隆江口ML3.5地震与震中附近水库蓄水导致的芙蓉江断层活化有着重要关联(丁仁杰等, 2004; 齐文浩等, 2006)。
本文采用目前广泛应用的CAP波形反演方法(Zhao et al., 1994)获取武隆MS5.0主震的震源机制解。该方法将地震波形分为体波(Pnl)和面波2部分, 分别对截取的体波、 面波进行带通滤波, 计算理论波形与观测波形之间的误差函数, 然后利用网格搜索获取给定参数空间中误差函数值最小的最佳解, 解决了由于地震波速度模型不准确导致的不同震相到时差异产生的拟合偏差, 其不仅能有效减少对速度模型的依赖性(Tan et al., 2006; 龙锋等, 2010; Wang et al., 2016; 易桂喜等, 2016, 2017a, b), 还能降低对台站数量和方位角分布的要求, 提高反演的信噪比和精度。
本文采用王小龙等(2013)基于地震背景噪声层析成像技术反演得到的武隆地区精细地壳速度模型(波速比为1.79)(表3), 并基于台站方位角均匀分布的原则, 选择位于震中距250km范围内的重庆市、 湖北省和贵州省区域地震台网的9个台站(见图 1中蓝色三角形)高信噪比宽频带波形资料, 反演MS5.0主震的震源机制。计算中, 首先对挑选的三分量地震波形进行去均值和去除仪器响应处理, 旋转到大圆路径得到径向、 切向和垂向的速度记录, 再分成体波和面波, 并分别用0.05~0.2Hz和0.08~0.1Hz的频率范围进行带通滤波; 最后计算各台站的格林函数, 以5° 为网格步长搜索不同震源深度的最佳双力偶解。图 2显示了MS5.0主震的反演方差和震源机制解随深度的变化, 可见误差最小的最佳拟合震源深度为10km。图 3给出了此次地震在最佳拟合深度10km处的观测波形和理论波形拟合图, 绝大部分分量的观测波形和理论波形相关系数 > 80% , 二者具有较好的拟合关系。
最终反演得到的主震震源机制解结果为: 节面Ⅰ 走向24° 、 倾角16° 、 滑动角-108° , 节面Ⅱ 走向223° 、 倾角75° 、 滑动角-85° , P轴方位140° 、 仰角60° , T轴方位309° 、 仰角30° 。结果显示此次地震主要是因NW-SE向的拉张作用而发生的。
此外, 我们还利用传统的P波初动方法, 选取震中距250km范围内具有清晰P波初动且方位角分布较均匀的23个台站求解主震震源机制。 计算结果显示, 节面Ⅰ 走向37° 、 倾角20° 、 滑动角-93° , 节面Ⅱ 走向220° 、 倾角70° 、 滑动角-89° , 与CAP波形反演结果基本一致。上述基于不同方法及不同机构给出的主震震源机制解(表1)均显示本次MS5.0地震为正断型。
据重庆地震台网资料统计, 震后1个月余震分布在NE向长轴约16km、 短轴约7km的区域内, 其深度优势分布范围非常模糊(图4)。本文选取了观测报告中地震序列震级在ML0.5以上, 至少有4个台站记录的201个地震事件, 采用双差定位方法(Waldhauser et al., 2000)进行重新定位。该方法采用震相走时差作为输入数据, 能够减小地壳速度模型的不确定性带来的部分误差, 适用于小台网地震观测中的大地震及其余震序列的重定位(杨智娴等, 2003; Waldhauser et al., 2008; 王小龙等, 2012; 张广伟等, 2014; 王清东等, 2015)。武隆地震发生在重庆地区地震监测能力相对较高的区域, 震中距100km范围内包含近20个测震台(图1), 密集分布的台站很好地包围了震源区, 使得该地区监测能力可达ML0.5, 同时近台资料也能提高地震的定位精度(张天中等, 2007; 黄媛等, 2008)。
本文定位采用的速度模型见表3。在进行双差定位时, 选取震相对的数目≥ 8、 震源间距< 5km的地震走时进行配对组合, 采用LSQR反演算法进行5轮迭代, 共迭代25次, 其间不断调整迭代参数, 使得表征双差方程条件数的CND在40~60之间(一般为40~80比较合理)。迭代结束时双差数据的标准差(RMS)从最初的181ms减小为51ms, 平均震源改变量(DX, DY, DZ, DT)分别从530m、 662m、 9 274m和126ms减小为9m、 9m、 42m和1ms, 在接受误差范围之内。被定位到空气中的个数(AQ)也从4个减少到结束时的0个, 说明迭代过程趋于稳定及合理。
本文最终获得了武隆地震序列163个地震的重新定位结果, 重定位率达到84%。EW、 SN方向及深度上的平均定位误差分别为0.16km、 0.16km和0.26km。重定位结果显示, 武隆MS5.0主震震中位置为29.416° N, 107.983° E, 震源深度10.5km, 震中位置与中国地震台网正式目录的结果(29.39° N, 107.99° E)较为接近; 主震震源深度与CAP方法反演得到的主震矩心深度(10km)一致。另外, 序列中ML3.1最大余震的重定位震中位置为29.389° N, 107.957° E, 震源深度5km, 与中国地震台网正式目录的结果(29.386° N, 107.964° E, 震源深度为5km)几乎完全相同。
图 5展示了重新定位后的武隆地震序列空间分布特征。重定位后大部分余震分布在主震的SW侧, 震源深度分布范围较为集中, 优势深度为5~8km(图6), 且82%的余震位于主震的上部, 显示出武隆地震破裂向上扩展的过程。震源深度剖面表现为NW倾向、 宽约3km的余震条带, 通过最小二乘拟合得到的倾角约63° , 与主震震源机制解的节面Ⅱ 基本一致, 推测该余震条带对应发震断层, 大致勾勒出断层的产状(图5c)。余震主要分布在断层面的上盘, 即NW盘, 下盘余震较少, 这也符合正断型地震余震分布的特点。
为避免由于余震分布随时间的扩展或触发型余震对确定主震破裂尺度的干扰, 通常采用主震后前3d的早期余震分布估计破裂的尺度(龙锋等, 2006)。震后3d内的余震主要为SW向单侧破裂模式, 震源深度分布较离散, 余震多集中在主震附近, 余震密集区长约4.7km、 宽约2.4km, 平行于附近断裂的走向(图7)。根据正断层的矩震级与破裂长度和宽度的经验公式(Wells et al., 1994), 可以得出武隆MS5.0地震的理论破裂长2.3km、 宽2.6km, 与重定位后早期余震空间展布范围接近。震后4~6d余震呈SE向扩展模式, 且震源多集中于浅部, 主震深度以下几乎没有余震分布。
除一些特殊条件外, 中小地震一般很难形成地表破裂(唐茂云等, 2015)。尽管传统的槽探和钻探方法较为可靠, 但需要合适的地质条件和大量的经费支持, 因此存在一定的局限性。此外, 重庆武隆地区为基岩山区, 二叠纪、 三叠纪灰岩大量出露, 断层露头往往弥散性隐匿于山体裂缝与解理面中, 断续出露或不出露, 同时缺乏可靠的年代限制, 调查其长期活动性难度较大。利用地震序列的空间分布特征、 震源机制解以及烈度分布等推断发震断层(易桂喜等, 2015, 2017a, b)是目前较为有效的一种方法。
本文的重定位结果显示, 武隆MS5.0主震震中位于文复断层地表露头西侧约5km处, 震源深度10.5km。震后3d内余震震群主要分布于主震的SW侧, 表明在水平方向上地震序列向SW呈单侧破裂, 并成1条平行且靠近文复断层的密集条带, 趋势性较为明显。在深度剖面图中, 余震序列表现为倾向NW、 倾角为63° 的条带, 优势深度为5~8km, 与主震震源机制解节面Ⅱ 相吻合, 由此推测本次MS5.0地震的发震断层为一条走向223° 、 倾向NW且倾角为63° ~75° 的正断层, 且地震序列应主要位于地表可见断层的NW盘。烈度Ⅶ 度区长轴呈NNE向展布, 约$\frac{3}{4}$的主体面积位于主震的NW侧, 与正断层的烈度在断层倾向方向衰减较慢的认识一致(闻学泽, 2014), 指示发震断层倾向NW, 以正断活动为主。据地表露头考察获知, 文复断层是一条走向NE, 倾向NW, 倾角为60° ~73° 的正断层①(四川省地质局107地质队, 1975, 黔江幅1:20万区域地质调查报告。) (丁仁杰等, 2004), 且武隆地震序列均位于其NW侧。综合上述因素, 推测文复断层为本次武隆MS5.0地震序列的发震构造(图8)。
GNSS数据显示重庆地区地壳整体向SE运动, 周边震源机制和小震综合面解显示主压应力场P轴的优势方位为NWW-SEE向, 倾角一般< 20° , 近水平(李峰等, 2013), 说明该地区整体应力状态仍以挤压为主。而本文的主震震源机制解结果显示该地震是以NW-SE向拉张作用下形成的正断层作用为主, 究其原因可能有2种解释:
(1)受外部应力扰动作用
区域强震不仅可以改变周边构造应力场的方向(张致伟等, 2015), 同时还可能通过应力传递的形式触发或延迟周围地震(Parsons et al., 2008; 万永革等, 2015; Han et al., 2017), 如2010年四川遂宁与重庆潼南交界的M5.0地震就可能为2008年汶川地震之后川东南应力调整的产物(张永久等, 2011)。武隆地区处于四川盆地东边界的渝东南地区, 属于弱地震背景, 表明该地区长期处于应变积累状态。 2008年汶川M8.0、 2013年芦山M7.0和2017年九寨沟M7.0地震不仅使得四川盆地周缘活动断裂上的应力发生变化(汪建军等, 2017; 徐晶等, 2017), 也可能对四川盆地东边界的渝东南地区的应力场产生扰动。Hill(2012)指出正断层在远程应力扰动作用下比其它断层类型更容易受到触发作用, 武隆地震则可能是在区域内多次强震扰动下, 因局部应力调整而发生的一次显著性事件。
(2)外部流体作用
流体作用对断层的影响与区域应力场的张性区或挤压区无关(马文涛等, 2013), 其对断层的影响主要通过2种方式, 一是流体的荷载作用, 二是孔隙压力改变。武隆地震震中位置与乌江水系最近的距离仅为2km(图3), 位于上游彭水电站与下游银盘电站水位段之间(共13级电站)。据现场调查, 银盘电站最大坝高78.5m, 库容3.2× 108m3, 电站正常蓄水位215m, 起蓄水位203m; 蓄水段自2011年开始蓄水, 历年水位变化不大, 一直在210~215m小幅波动, 经计算可知, 与地质体内原有应力状态相比, 该段蓄水荷载的影响很小。因此, 流体直接的荷载作用似乎不能解释此次地震的发震成因。对于孔隙压力的改变, Pandey等(2003)研究指出, 在流体扩散过程中, 约2~3bar的孔隙压力改变就足以诱发地震, 其中良好的渗透通道和局部构造条件是其最主要的2大条件。本次地震震中附近普遍发育二叠纪和三叠纪石灰岩地层, 沿文复、 芙蓉江等断层形成了一系列近乎垂直的 “ 天坑” 、 溶洞和地下暗河(夏凯生等, 2010)。而溶洞、 地下暗河等岩溶地貌是水体渗透扩散的有利通道(易立新等, 2000)。文复断层为张性断裂, 流体沿着这些通道向深部渗透, 在结构面上产生孔隙压力变化, 使得有效正压力减小, 岩石抗剪强度降低, 从而活化文复断层, 继承性地诱发此次地震。
(1)基于2017年11月23日重庆市武隆MS5.0地震的区域构造环境、 主震震源机制、 余震重定位结果和烈度分布特征等, 推测此次武隆地震的发震构造为文复断层。
(2)此次武隆MS5.0地震的震源机制解与区域构造应力场方向不一致, 经初步研究有2种成因解释: 一是区域内多次强震应力扰动导致局部区域应力场发生了偏转或调整; 二是震中区域岩溶地貌发育, 遍布溶洞和地下暗河, 加之震源附近乌江水系发达, 流体的深部渗透作用可能导致局部断层的活化。
致谢 Waldhauser为本研究提供了双差定位程序; 重庆地震台网中心提供了观测报告; 审稿人为本文提供了宝贵的意见和建议。在此一并表示感谢!
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