*通讯作者: 赵翠萍, 女, 1967年生, 主要从事数字地震学研究, 电话: 010-88015540, E-mail: zhaocp@cea-ies.ac.cn。
〔作者简介〕 段梦乔, 女, 1992年生, 2014年于防灾科技学院获地球物理专业学士学位, 现为固体地球物理学专业在读博士研究生, 主要从事地震学方面的研究, E-mail: duanmengqiao16@mails.ucas.edu.cn。
文中选取金沙江下游水库区溪洛渡—乌东德段为研究区, 采用CAP和GPAT方法获得区域内2016—2017年2.0级以上地震的震源机制解, 分析各分区震源机制解的空间分布特征, 探究地震活动与区域构造的关系。 研究结果表明: 1)溪洛渡大坝及邻区的地震震源机制解以逆冲型为主, 其次为走滑型, 主要分布在峨边-金阳断裂带中段附近。 节面走向在NNW—NE范围内的地震与区域断裂带的分布特征相符, 且一些较大地震的发生受区域构造控制。 2)尚未蓄水的白鹤滩、 乌东德大坝及邻区的地震震源机制解的空间分布较为一致, 其中左旋走滑型地震与小江断裂带和普渡河-西山断裂的活动性质相符。 区域内存在多组断裂的交会部位, 震源机制解的节面走向离散分布, 孕震环境较为复杂。 3)鲁甸地震余震区的震源机制解以逆冲型和走滑型为主, 呈“L”形分布, 其中长轴近EW向, 短轴近NNW向。 大量余震震源机制解结果显示, 可能存在近EW向的隐伏构造, 不同类型的断层共同控制该地区的地震活动, 发震构造十分复杂。 4)各分区的地震矩心深度集中在5~15km范围内, 推断研究区孕震层在深度为5~15km的中上地壳内。
We select the Xiluodu-Wudongde reservoir area in the downstream of Jinsha River as the research area, and use the CAP and GPAT method to obtain focal mechanisms of ML≥2.0 earthquakes from 2016 to 2017 in this region. Then, we analyze the spatial distribution characteristics of focal mechanism solutions in each local region and investigate the relationship between seismicity and regional structures. According to 414 focal mechanism solutions we get following conclusions: 1)The Xiluodu dam began to impound water on May 4, 2013, and seismicity increased significantly after impoundment. We get 49 focal mechanisms in the Xiluodu dam and its adjacent area which are dominated by thrust faulting and next by strike-slip faulting, which are mainly distributed near the middle section of the Ebian-Jinyang fault zone. The distribution of nodal planes striking in NNW to NE direction is consistent with that of regional faults, and some large earthquakes are controlled by regional structures. 2)There are 39 and 24 focal mechanisms obtained in the unimpounded Baihetan and Wudongde dams and adjacent areas, and the spatial distribution of focal mechanism solutions are relatively consistent, dominated by strike-slip faulting with a small amount of thrust and normal faulting. The sinistral strike-slip earthquakes are consistent with the activity of Xiaojiang fault zone and Puduhe-Xishan Fault. The strikes of the nodal planes are distributed discretely, and many groups of faults intersect with each other in the area, suggesting that the seismogenic environment is relatively complex. 3)The seismicity in Ludian continues to be active after the Ludian M6.5 earthquake. By the end of 2017, we got 260 focal mechanism solutions in the aftershock area of the Ludian MS6.5 earthquake of Aug 3rd, 2014, which show an “L-shape”in distribution and are dominated by thrust and strike-slip faulting. The long axis is distributed in EW direction, and the short axis is distributed in near NNW direction. The strikes of nodal planes are mainly near EW and near NE, and the nodal planes in the NW direction are less. According to characteristics of a large number of focal mechanism solutions, we deduce that there may exist a buried structure in the EW direction, the seismicity is controlled by different types of faults and the seismogenic structure is very complex. 4)The centroid depth in each region is concentrated in the range of 5~15km, indicating that the seismogenic layer in the study area is 5~15km deep in the middle and upper crust.
川滇地区位于青藏高原东南缘, 是中国大陆地震活动最强烈的地区之一, 区域内深大断裂发育, 地质构造背景十分复杂。 特殊的地理位置和强烈的构造运动使得川滇地区备受地学工作者关注。 众学者已经在活动块体的划分、 断裂带性质及震源动力学参数等方面开展了大量研究。
地震震源机制解可以使我们了解地震发生时的力学机制和发震构造, 同时也是反演构造应力场的重要资料。 前人已在川滇地区中强地震的震源机制解和区域构造应力场特征研究方面取得了相关进展。 阚荣举等(1977)最早基于P波初动反演的震源机制解结果讨论了中国西南地区现代构造应力场的分区及现代构造活动特征, 认为川滇菱形块体东侧是大范围的NWW向压应力场。 许忠淮等(1987)利用小震的P波初动方向数据以及格点尝试法推断川滇地区的平均主应力轴方向为NNW-SSE或近SN向。 徐纪人等(1995)利用强震震源机制结果对南北地震带南段的区域应力场特征进行分析, 结果表明东部地区的P轴和T轴分别位于NW-SE和NE-SW方向。 程万正等(2003)通过计算川滇及邻区的442次中强地震的震源机制解, 认为安宁河断裂、 则木河断裂呈现左旋运动特征。 崔效锋等(2006)利用基于震源机制解确定应力分区的逐次收敛法, 结合水压致裂原地应力测量结果和断层滑动反演资料, 将川滇地区分成3个应力区, 并认为川滇应力区东边界最大主压应力方向为NWW向。 罗钧等(2014)利用CAP方法获取了川滇块体及周边区域中等地震的震源机制解, 认为川滇地区主压应力轴呈顺时针旋转, 从四川盆地经过川滇东边界、 菱形块体内部, 再至保山次级块体, 最后至缅甸Bhamo盆地, 应力轴方位角从NW-SE向旋转至近SN向, 再旋转至NNE-SSW向, 最后转为NE-SW向, 表现出与GPS地表观测相似的结果。 综上, 前人对川滇地块东部主要断裂带和区域应力场的研究具有良好的一致性。
近年来, 随着诱发地震实例的增多, 水库诱发地震引起了社会的高度关注, 但诱发机理尚未明确。 已有研究(卢显等, 2010; 华卫等, 2012; Yao et al., 2017; He et al., 2018)表明, 一些水库蓄水后, 库区的地震活动与水库水位的变化具有良好的对应关系, 地震及其应力轴的空间分布以及震源参数也有着各自的特点。 金沙江下游水库区位于川滇地块东部, 库区内夹杂着多条逆冲型、 走滑型活动断裂带, 历史上曾发生过多次中强地震。 沿金沙江下游河段, 自上而下依次坐落着乌东德、 白鹤滩、 溪洛渡和向家坝4座世界级的梯级水库大坝(图 1), 且溪洛渡和向家坝水库蓄水后, 大坝附近区域的地震活动明显增加。 因此, 需要对水库及邻区蓄水前后所发生的地震, 尤其是微小地震活动进行长期监测, 以便更深入地研究水库及邻区地震发生的力学机制, 为今后探究蓄水前后水库区地震的动力学变化特征和水库诱发地震的机理奠定基础。 本文选取金沙江下游水库区溪洛渡— 乌东德段(26° ~29° N, 102° ~104.5° E)为研究区, 通过反演区内2016— 2017年2级以上地震的震源机制解, 获得更精细的震源机制解的空间分布图像, 据此讨论区内的地震活动与构造特征的关系, 揭示水库区现今的孕震环境。
为获得研究区更为精确的震源机制解, 本文分别对不同震级的地震采用合适的反演方法。 首先采用CAP方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996)反演ML3.5以上地震的震源机制, 其原理是将区域三分量全波形分成Pnl波和S波(或面波)2个部分, 计算观测波形和理论波形的拟合误差, 并利用网格搜索法得到矩张量解、 矩震级以及最佳震源深度; 但该方法对3.5级以下的小地震不适用。 对于区域及地方小震, 高频信号随震中距衰减的速度快, 单纯使用P波初动资料需要足够多清晰的观测数据, 单纯的振幅比反演方法无法给出标量地震矩。 综合上述原因, 本文选用严川等(2014)提出的广义极性振幅技术— — GPAT方法反演研究区ML3.5以下小震的震源机制。 GPAT方法的原理是对观测波场和合成波场的P波初动极性和最大振幅极性建立行矢量, 从而将观测波场和合成波场的相关系数作为目标函数。GPAT提供遗传算法和网格搜索2种计算方法用于求解目标函数, 若控制参数选择不当, 遗传算法将陷入局部最优解, 因此本文选用网格搜索法进行计算。 GPAT采用2步搜索方法: 第一步为全空间搜索, 步长为5° ; 第二步的搜索范围是以第一步解为中心的10° 空间内, 步长为1° , 由此大大提高了解的精度。 此外, GPAT不但考虑了P波初动极性, 同时也考虑了最大振幅极性, 具有不限震级大小和震相类型的优点。 严川等(2014)通过一系列数值实验测试了台站分布、 台站数目、 定位误差、 速度模型误差及以上综合因素对反演结果的影响, 认为速度模型误差是影响反演结果的主要原因。
本文使用研究区2016— 2017年水库加密观测台网记录到的ML2.0以上地震事件作为观测数据, 挑选信噪比高、 台站均匀分布的事件反演震源机制。 其中, 水库加密台网由中国地震局地震预测研究所架设的水库加密流动台阵、 区域台网以及中国地震局地球物理研究所布设的巧家台阵组成(图 2)。 该加密台网提高了研究区内的地震监测能力, 平均台站间距约30km, 监测的震级下限达ML0.3。 台网所用仪器均为数字化宽频带地震仪, 采样频率均为100Hz。 研究中, 首先对波形数据进行去仪器响应、 坐标旋转等数据处理。 为保证高频下格林函数的计算更加精确, 采用CRUST1.0以27.8° N为界分区选取一维水平分层速度模型, 划分依据是该地区的地质构造背景。 上半区为川西南高原与四川盆地的过渡带, 地势起伏差异较大, 而下半区整体位于滇中次级块体东部, 地势起伏差异较小。
采用CAP方法反演震源机制时, 使用F-K方法计算格林函数, 重采样间隔降为0.08s。 选取震中距< 300km的台站, 分别对Pnl波和S波(或面波)部分进行0.05~0.2Hz和0.05~0.1Hz的带通滤波。 反演中, 将Pnl波和S波的截取窗长分别设置为35s和75s。 采用GPAT方法反演震源机制时, 选取震中距< 150km的台站, 反演中将滤波范围设置为1~4Hz, 重采样率设为滤波频率上限的5倍。 计算格林函数时使用反射-折射率方法(Wang, 1999)。 2种方法的最佳震源深度搜索间隔均设置为1km。
研究区水库加密监测台网在2016— 2017年间共记录到1i002次2级以上地震, 其中有27次3.5级以上地震, 8次4.0级以上地震, 1次5.3级地震。 区域内地震主要分布在马边断裂带、 昭通-鲁甸断裂带、 包谷垴-小河断裂带以及小江断裂带北段。 由于反演过程中需保证每个地震被5个以上均匀分布的台站所记录到, 因此要预先去除6个以下台站定位的地震事件, 最终得到414个可靠的震源机制解(段梦乔, 2019)。 其中, 通过CAP方法反演得到14个3.5级以上地震的震源机制解, 通过GPAT方法共获得400个2.0~3.5级小震的震源机制解。 下面给出分别利用CAP方法(图 3)和GPAT方法(图 4)得到的2个地震的反演结果。 通过对比可以发现, 2种方法得到的断层性质几乎一致, 但倾向和矩心深度有所差异, 这可能与2种方法计算格林函数的算法不同或台站选取不同等因素有关。
我们还挑选出2个3级以下小震的GPAT方法反演结果(图 5), 从图中可以看出P波初动极性拟合得很好, 个别台站最大振幅极性和大小拟合效果相对较差, 这可能是由小震高频成分显著使得格林函数计算不精确所导致的。 综合上述分析, 我们认为对于地方地震记录使用GPAT方法可以得到较为可靠的震源机制解结果。
参照Zoback(1992)提出的震源类型分类原则, 绘制出本研究获得的全部震源机制解的空间分布图(图 6), 其中逆冲型和逆冲兼走滑型占41.6%, 正断型和正断走滑型占10.2%, 走滑型占32.7%, 不确定型占15.5%。 由此可知, 研究区震源机制解的类型以逆冲型和走滑型为主。 挤压作用显著的地区主要集中在溪洛渡水库区和鲁甸地震余震序列区。 根据震中分布、 水库区位置及活动断裂的分布, 将研究区分为溪洛渡大坝及邻区(A区)、 白鹤滩大坝及邻区(B区)、 鲁甸地震余震区(C区)和乌东德大坝及邻区(D区)。 下文将结合前人在研究区得到的结果, 分区讨论震源机制解的分布特征。
3.1.1 溪洛渡大坝及邻区
溪洛渡水库及邻区位于峨边-金阳断裂带、 马边-盐津断裂带及莲峰断裂带所包围的块体内部, 区域内存在多组断裂的交会部位。 块体内部以NE向、 NNW向和近SN向构造为主, 构造较为复杂。 在该区域内共获得49个地震的震源机制解, 以逆冲型为主, 其次为走滑型, 仅有4个地震为正断型(图 6)。 大坝于2013年5月4日开始蓄水, 蓄水后地震活动明显增强, 2014年4月5日在永善县发生5.3级地震, 同年8月17日在距永善县地震震中10km范围内又发生1次5.0级地震。 图7a中红色沙滩球为GCMT给出的2014年2次5级地震的震源机制解, 蓝色沙滩球为本文得到的该区域3级以上地震的震源机制解。 其中, 2号地震与5.0级地震的震源机制解较为一致, 4号地震与5.3级地震的震源机制解较为一致, 其中1个节面走向以NNW至近SN向为主, 与峨边-金阳断裂带的走向较为一致, 表明一些较大地震的发生受区域构造背景所控制。 震源机制解主要集中在峨边-金阳断裂带中段附近, 节面走向大致可分为2个范围, 一部分集中于NNW— NE向, 另一部分集中于SW— EW向, 且前者与区域内断裂的分布特征相符(图7b)。
3.1.2 白鹤滩大坝及邻区
白鹤滩大坝紧邻小江断裂带、 则木河断裂带、 大凉山断裂带及莲峰断裂带的交会处, 地质构造特征十分复杂。 在该区域内共获得39次地震的震源机制解, 主要为走滑型, 兼有少量正断型和逆冲型地震, 其中以NW向节面为主的左旋走滑型地震与小江断裂带的运动特征相符。 已获得震源机制解的地震主要分布在距大坝20km以外的区域, 大部分集中在则木河断裂带和小江断裂带相交的巧家附近, 还有一部分集中在则木河断裂带、 莲峰断裂带和普渡河断裂带的交会处, 节面走向分布较为离散(图7c, d)。 现有研究(魏文薪, 2012)表明, 小江断裂带各分段均呈现左旋走滑兼拉张的运动特征。 则木河、 大凉山和小江断裂的左旋走滑速率依次增加(王阎昭等, 2008), 因此各断裂带的相互交错及滑动速率的差异可能是出现多种震源机制解和节面离散分布的主要原因, 同时也体现了该区域复杂的应力环境。
3.1.3 乌东德大坝及邻区
乌东德水库大坝位于四川会东县和云南禄劝县的交界处, 库区内包含普渡河-西山断裂(普渡河断裂北段)和小江断裂带北段。 普渡河断裂带的长期左旋位移速率为0.9~2mm/a, 为地表弱活动带, 具有发生6~7级强震的能力(陈立春等, 2013)。 该区域地震活动相对较弱, 在其内共获得24个地震的震源机制解, 多数为以NE-SW向节面为主的左旋走滑型地震, 且主要集中在大坝的NE部, 靠近普渡河-西山断裂附近(图7e)。 因此, 分析认为该区域现今的地震活动主要受控于NNE向的普渡河-西山断裂, 且该断裂的活动强度不高。 震源机制解节面走向的离散分布(图7f)表明断裂带的东侧区域可能存在未知的次级断裂。
3.1.4 鲁甸地震余震区
自2014年8月3日鲁甸6.5级地震发生后, 2017年2月8日鲁甸又发生了ML5.3地震, 随后又发生2次4级以上地震。 区域内主要的活动断裂为NE向的昭通-鲁甸断裂和NW向的包谷垴-小河断裂。 该地区现今地震活动活跃, 其发震构造和孕震环境值得深入研究。 闻学泽等(2013)认为昭通-鲁甸断裂带现今的运动带有显著逆冲分量的右旋走滑性质, 且昭通断裂带存在发生强震的中长期危险背景。 常祖峰等(2014)认为昭通-鲁甸断裂带属于晚第四纪活动断裂, 其运动性质以挤压逆冲运动为主, 兼具右旋走滑分量; 包谷垴-小河断裂是与NE向的昭通-鲁甸断裂带相配套的次级断裂, 除具有逆冲性质外, 兼有左旋走滑分量。 王未来等(2014)采用双差定位方法对鲁甸6.5级地震震后16d的地震序列进行了重定位研究, 发现地震序列呈“ L” 形优势分布, 可分为SSE向和EW向2支, 且鲁甸地震为走滑型, 而昭通-鲁甸断裂带为逆冲型断裂, 因此排除了其作为发震断层的可能; SSE向破裂分支与包谷垴断裂的走向一致, 近EW向破裂分支与小河断裂带南端的走向一致, 因此认为鲁甸地震可能已在深部将包谷垴断裂和小河断裂贯通。 魏强等(2016)使用相同的速度模型, 利用逆时成像技术和双差定位方法, 分别对鲁甸地震发生后7个月内的地震事件进行绝对和相对定位, 认为主震的发震断层为NW向的包谷垴-小河断裂。
我们在该区域内共获得260个地震的震源机制解。 将昭通-鲁甸断裂带附近的震源机制解按照不同类型分类并进行统计, 可以看出该地区地震的震源机制解以逆冲型和走滑型为主(图 8), 与2个主要活动断裂的性质较为一致。 但区域内也存在部分NW向节面的右旋走滑型和NE向节面的左旋走滑型地震, 反映了与2条断裂带相反的活动性质, 这可能是此区域局部应力不均匀的一种体现。 5.3级地震和4.9级地震的震源机制解与鲁甸6.5级主震(USGS结果)几乎一致, 为纯走滑型, 2个节面的走向分别为NE向和NNW向。 4.2级地震同样是纯走滑型, 2个节面的走向为NNE向和近EW向(图9a)。 震源机制解中一个节面的走向以NE向和NNE向为主, 另一个节面以近EW向和SWW向为主(图9b)。 NW向节面的震源机制解相对较少。 其中, 近EW向的节面与余震近EW向分布的特征相吻合, 而NE向节面与昭通-鲁甸断裂带的走向较为一致, 这一结果说明小震的震源机制解能更客观地反映区域构造特征的复杂性。 虽然前人的研究表明鲁甸主震的发震构造为NW向的包谷垴-小河断裂, 但大量余震的震源机制解显示鲁甸震源区的发震构造十分复杂, NE向的昭通-鲁甸断裂和NW向的包谷垴-小河断裂共同控制了该区域的地震活动, 同时该区域可能存在近EW向的隐伏构造。
地震的震源深度通常反映了地下深部构造、 地震成核和孕震过程(Zhang et al., 2002)。 本文通过震源机制解反演得到了最佳震源深度, 也可称为矩心深度。 由矩心深度直方图(图 10)可以看出, 溪洛渡水库区地震的矩心深度为2~18km, 分布较为均匀, 集中在3~15km范围内。 白鹤滩水库区地震矩心深度为1~22km, 集中在3~15km范围内。 鲁甸地震余震序列区的地震矩心深度为1~26km, 集中在5~15km范围内。 乌东德水库区的地震矩心深度为1~20km, 集中在3~15km范围内。 前3个区域中地震的矩心深度在8~10km范围内的数目最多, 乌东德水库区的地震矩心深度在6~8km范围内的数目最多, 且在2~4km和16~18km内出现空段, 这可能与该区域的震源机制解数据较少有关。 综上所述, 研究区的地震矩心深度优势分布在5~15km范围内, 因此可以推断研究区地壳的脆性发震断层在5~15km的中上地壳内。
本文以金沙江下游水库区溪洛渡— 乌东德段2016— 2017年ML2.0以上地震事件作为研究资料, 通过反演大量小震的震源机制解, 细致地分析了各分区震源机制解的空间分布特征, 并结合区域地质构造背景, 获得了以下认识:
(1)溪洛渡水库区的地震均发生在水库蓄水之后, 震中主要分布在峨边-金阳断裂带中段附近, 震源机制以逆冲型为主, 其次为走滑型。 节面走向在NNW— NE向范围内的地震与区域断裂带的分布特征相符, 且一些较大地震的发生主要受区域构造背景所控制。
(2)尚未蓄水的白鹤滩、 乌东德大坝及邻区的地震震源机制解的空间分布较为一致, 主要为走滑型地震, 兼有少量逆冲型和正断型地震。 其中左旋走滑型地震与小江断裂带和普渡河-西山断裂的活动性质相符。 区域内存在多组断裂的交会部位, 震源机制解的节面走向离散分布, 孕震环境较为复杂。
(3)截至2017年底, 鲁甸地震震源区的余震分布显示出“ L” 形的分布图像, 其中长轴近EW向展布, 短轴近NNW向分布。 余震区大量小震的震源机制解的节面走向以近EW向和近NE向为主, NW向节面的震源机制解相对较少, 表明该区域的发震构造十分复杂, 可能存在近EW向的隐伏构造。 多条不同类型的断层共同控制该地区的地震活动。
(4)各分区的地震矩心深度均集中在5~15km范围内, 推断研究区的孕震层在5~15km的中上地壳内。
致谢 美国圣路易斯大学的朱露培教授提供了CAP、 F-K程序, Vavryčuk提供了STRESSINVERSE程序; 中国地震局地球物理研究所提供了巧家流动台站数据; 严川博士提供了GPAT1.0程序, 并在反演方法和软件等方面给予了指导; 审稿人对本文提出了宝贵意见; 在此一并表示感谢!
The authors have declared that no competing interests exist.
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