引用本文
阎春恒, 周斌, 李莎, 向巍, 郭培兰. 利用小震分布和区域应力场确定龙滩库区地震断层面参数[J]. 地震地质, 2020,42(3): 562-580.
YAN Chun-heng, ZHOU Bin, LI Sha, XIANG Wei, GUO Pei-lan. DETERMINATION OF FAULT PLANE PARAMETERS IN THE LONGTAN RESERVOIR BY USING PRECISELY LOCATED SMALL EARTHQUAKE DATA AND REGIONAL STRESS FIELD[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(3): 562-580.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.03.002
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利用小震分布和区域应力场确定龙滩库区地震断层面参数
阎春恒, 周斌, 李莎, 向巍, 郭培兰
广西壮族自治区地震局, 南宁 530022

作者简介：阎春恒, 男, 1983年生, 2009年于云南大学获得固体地球物理专业硕士学位, 高级工程师, 主要从事地震预测研究和地球深部结构反演工作, 电话: 18172383768, E-mail: 148423179@qq.com。

收稿日期: 2019-08-19
基金项目: 中国地震局监测、 预报、 科研三结合项目(CEA-JC/3JH-172101X)、 广西壮族自治区重点研发计划项目(桂科AB1850042)和广西壮族自治区科技攻关计划项目(14124004-4-8, 1377002)共同资助
摘要

文中基于2006-2016年龙滩水库数字地震台网记录的地震波形和震相资料, 采用结合波形互相关技术的双差定位方法对4 017次地震进行重新定位, 求解得到库区126个中小地震的震源机制解, 并反演各地震丛所在区域的应力场。 将库区地震划分为11个地震密集带, 依据成丛小地震发生在活动断裂面及其附近的原则, 结合模拟退火算法和高斯-牛顿算法反演了11个地震密集带相应的断层及断层面参数, 包括断层面的走向、 倾向、 倾角、 长度、 深度和地理位置, 并依据局部区域应力场参数计算了各断层面的滑动角。 结果显示: 11条断层的走向、 倾向、 倾角及运动性质与地质调查给出的穿过各地震丛所在区域的主要断裂信息基本一致, 研究成果可作为龙滩库区主要断裂带资料的重要补充。 龙滩库区最大主应力优势方向为NW-SE或NWW-SEE, 最大和最小主应力轴倾角近水平, 中间主应力轴倾角很陡, 蓄水前、 后区域应力场主压应力方向未发生明显变化, 与华南块体的构造应力场方向基本一致。 蓄水后库区的 R值逐渐增大, 且不同地震丛所在区域的 R值变化存在差异。 八茂、 拉浪和布柳河地震丛所在区域 R值增幅显著, 表明中间应力轴压应力状态减弱并逐渐转为张应力状态。 精定位和断层面参数计算结果显示, 地震丛集活动与穿过地震丛的主要断裂带密切相关。 这些断裂的倾角普遍很陡, 均与库区主要河流交会, 利于流体向断层深部渗透。 推测库区蓄水主要影响库区应力场主应力的相对大小, 对主应力方向的影响有限。 水对库区介质的润滑作用及附加应力场与原地应力的叠加可能是导致库区主应力相对大小发生变化的主要因素。 龙滩库区蓄水后的张剪性应力环境有利于库区断层失稳滑动, 可较好地解释蓄水后库区地震密集活跃现象。 量化的断裂信息可为龙滩库区地震危险性分析、 地震成因的数值模拟、 地震预测等方面的深入研究提供支持。

关键词: 断层面解; 小震丛集; 震源机制解; 应力场; 龙滩水库
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)03-0562-19
DETERMINATION OF FAULT PLANE PARAMETERS IN THE LONGTAN RESERVOIR BY USING PRECISELY LOCATED SMALL EARTHQUAKE DATA AND REGIONAL STRESS FIELD
YAN Chun-heng, ZHOU Bin, LI Sha, XIANG Wei, GUO Pei-lan
Earthquake Agency of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530022, China
Abstract

The Longtan reservoir is located in Tian'e County, Guangxi Zhuang Autonomous Region, southwestern China on the upper reaches of Hongshui River, the main stream of the Pearl River. The dam of the reservoir is 200m high, and the maximum water depth can be up to 194m as the water level reaches 400m. The reservoir storage capacity is 27.3 billion cubic meters, so it is a typical high-dam reservoir with large storage capacity. Terrain of the reservoir is high in the west and low in the east. The reservoir is located at the confluence of the Hongshui River, Buliu River, Nanpan River, Beipan River, Mengjiang River and Caodu River. The construction of Longtan hydropower station officially started in July 2001, and the reservoir impoundment was on September 30, 2006. The power station is equipped with 9 sets of 700 000kW water turbine generator units, with a total installed capacity of 6.3 million kW and an average annual generating capacity of 18.7 billion kW·h. So its storage and hydropower capacity rank third only to the world-famous Three Gorges hydropower project and the ultra-large hydropower project in Xiluodu of Jinsha River in China. Seismicity enhanced rapidly in the reservoir area after the impoundment. More the 5 000 earthquakes have been recorded so far, with the maximum magnitude of ML4.8, which occurred on September 18, 2010. The earthquakes are mainly concentrated in the deep water area where fault zones run through. Assuming the seismogenic fault can be simulated by a plane and most small earthquakes occur nearby the fault plane, the information of seismogenic fault can be obtained by the hypocenter location parameters of small earthquakes.

Keyword:fault plane solution; small earthquake clustering; focal mechanism; stress field; Longtan reservoir
0 引言

广西龙滩水库位于珠江干流红水河上游的广西天峨县境内, 地处云贵高原南缘向桂西北山区与丘陵过渡的斜坡地带, 坝高220m, 正常蓄水位400m, 总库容273亿m3, 属高山峡谷型高坝大库容水库。 库区地势西高东低, 水库主要由红水河、 布柳河、 南盘江、 北盘江、 蒙江及曹渡河汇聚而成。 2006年9月30日龙滩水库下闸蓄水后, 伴随库水位的快速抬升, 库区开始发生密集的中小地震活动。 截至2016年12月31日, 共记录到4i017次地震, 最大为2010年9月18日贵州罗甸4.8级地震(ML震级标度, 下同)。 地震活动对库区群众的生产生活造成较大影响, 引起社会各界广泛关注。 地震研究者对龙滩水库的地震活动进行了深入研究, 取得以下重要认识: 1)龙滩水库具备诱发地震的地质构造条件(陈益明, 1989; 潘建雄, 1989; 徐宗学等, 1989; 郭培兰等, 2006; 向宏发等, 2006), 蓄水后库区发生的地震主要丛集分布在5个深水区, 属诱发地震(陈翰林等, 2009a; 史水平等, 2009, 2010; 华卫等, 2012; 阎春恒等, 2016); 2)龙滩库区不同地震丛所在区域的最大主应力方向为NWW-SEE或NW-SE向, 倾角近水平, 中等和最小主应力方向不一致, 地震震源机制类型具有多样性, 以逆断为主, 正断和走滑也占一定比例(陈翰林等, 2009b; 蒋海昆等, 2014; 阎春恒等, 2015); 3)库区的诱发地震主要与库体重力荷载、 孔隙压力扩散和库水浸润弱化3种作用有关, 且不同地震丛诱发的力学机制有所不同(史海霞等, 2010; 王立凤等, 2010; 刘耀炜等, 2011; 詹艳等, 2012a, b; 周斌等, 2014; 叶庆东等, 2018)。 由于缺乏库区精细的深部物性结构和量化的断层资料, 很难构建更为合理的三维地质构造模型, 关于库区地震成因的数值模拟研究仍有待深入。

假定地震的发震断层可用一个平面模拟, 且假设大多数小地震发生在此断层面附近, 则可以通过小地震的震源位置参数求解发震断层的走向、 倾角及位置(王鸣等, 1992; 万永革等, 2008; 王福昌等, 2013)。 基于成丛小地震发生在大地震断层面及其附近的原则, 王鸣等(1992)提出利用小地震震源位置参数求解发震断层面的方法, 并求解了1989年大同阳高地震的地震断层面参数。 万永革等(2000, 2008)将模拟退火算法和高斯-牛顿算法结合, 给出了利用小地震密集程度求解主震断层面走向、 倾角、 位置及其误差的稳健估计方法, 在此基础上考虑区域构造应力参数, 给出了计算断层面滑动角的方法, 并在唐山地震序列研究中取得很好的应用效果。 近年来, 随着数字化地震观测台网的不断建设, 高精度定位的小地震资料日趋丰富, 利用小地震资料反演发震断层参数等的研究和应用越来越普遍(刘白云等, 2012; 王福昌等, 2013; 盛书中等, 2014; 万永革, 2015; 刘特培等, 2017; 齐玉妍等, 2017; 韩晓明等, 2018; 黄浩等, 2019)。

李祖武(1981)分析了全球已发生过地震的70余个水库, 发现水库地震与地质构造有十分密切的关系。 于品清等(1983)研究认为, 在新构造运动较强的水库区, 水库地震以断层面为主要活动面。 龙滩库区断裂带分布广泛, 岩溶发育, 构造上存在强烈的破碎现象(潘建雄, 1989; 徐宗学等, 1989)。 断层面裂隙通道为水的渗透提供了便利条件, 而水的孔隙压力及其对介质的弱化作用是诱发水库地震活动的重要因素(周斌等, 2014)。 精定位结果显示, 龙滩水库蓄水后的地震分布呈现出很好的丛集特征, 且地震丛的位置大多位于库区主要断裂带附近(阎春恒等, 2015, 2016)。 龙滩水库的地震活动与库区断裂密切相关, 使得利用密集小地震分布资料获取相关断裂的断层面参数信息成为可能。 本文基于龙滩库区地震精定位、 应力场等资料, 采用万永革等(2008)的模拟退火算法和高斯-牛顿算法相结合的反演方法, 精确地确定与龙滩水库蓄水后地震丛集活动相关的地震断层面参数信息, 为龙滩水库地震的发震机理、 地震预测等方面的深入研究提供支撑。

1 龙滩库区基础资料

龙滩库区位于滨太平洋与特提斯-喜马拉雅两大构造域的构造复合部位, 华南褶皱系的二级构造单元--右江褶皱带内。 印支-燕山运动奠定了该区的基本构造格架, 新构造期不同方向的断裂构造亦呈现不同程度的差异活动(李伟琦, 1989)。 野外地质地貌和地震地质调查显示, 研究区范围内发育了NW、 NNW、 NE和近SN向4组断裂, 它们多属于与印支期褶皱相伴生的断裂构造, 局限在褶皱的两翼或核部, 倾角陡立, 延伸不远, 规模较小。 其中, 规模较大的断裂有9条, 自北向南依次为罗甸-望谟断裂(F1)、 高圩-八茂断裂(F2)、 风亭-下老断裂(F3)、 马耳-拉浪断裂(F4)、 达恒-达良断裂(F5)、 党明-桂花断裂(F6)、 望谟-逻西断裂(F7)、 长里-八南断裂(F8)和龙凤-八腊断裂(F9)(图 1)。

图 1 龙滩水库地质构造及地震震中分布图
①红水河; ②濛江; ③油拉河; ④曹渡河; ⑤牛河; ⑥布柳河。 F1罗甸-望谟断裂; F2 高圩-八茂断裂; F3风亭-下老断裂; F4马耳-拉浪断裂; F5达恒-达良断裂; F6党明-桂花断裂; F7望谟-逻西断裂; F8长里-八南断裂; F9龙凤-八腊断裂Fig. 1 Structural outline and earthquake epicenter distribution map of the Longtan reservoir and its adjacent areas.

根据构造地貌、 地质剖面揭露的断裂活动性以及所获得的年代学证据, 除F1、 F5、 F7断裂为前第四纪活动断裂外, 其余断裂在早-中更新世均有过不同程度的活动, 断裂破碎带发育, 裂隙和岩溶裂隙泉沿断裂带呈线状分布(郭培兰等, 2006; 向宏发等, 2006)。 库区主要出露泥盆系、 石炭系、 二叠系、 三叠系、 古近系和第四系沉积, 根据各地层主要岩性的性质分析, 泥盆系-二叠系绝大部分为碳酸盐岩建造, 岩溶、 裂隙发育程度较高, 渗透性较好; 三叠系及以上地层主要为类复理石和陆相碎屑岩建造, 渗透性相对较差(广西壮族自治区地质局, 1968, 1972)。

自2006年9月水库下闸蓄水-2016年12月31日, 在龙滩库区共记录到4i017次0级以上地震, 其中1.0~1.9级1i001次, 2.0~2.9级156次, 3.0~3.9级9次, 4.0~4.9级3次, 这3次4.0级以上地震分别为2007年3月7日罗妥4.0级地震、 2007年7月17日天峨4.5级地震和2010年9月18日罗妥4.8级地震。 基于龙滩水库数字遥测地震台网记录的波形数据及震相报告资料, 采用结合波形互相关技术的双差定位法(Waldhauser et al., 2000; Hauksson et al., 2005; 阎春恒等, 2016)对该时段龙滩库区发生的地震进行了重新定位, 共获得3i260个精定位结果。 地震空间分布显示(图 1), 龙滩水库蓄水后发生的地震主要位于罗妥(A丛)、 八茂(B丛)、 拉浪(C丛)、 坝首(D丛)和布柳河(E丛)5个深水区。 此外, 库区下游的天峨地区存在2级以下微地震丛集活动(F丛)。

2 研究方法
2.1 应力张量反演方法

中小地震的发生具有很强的随机性, 但大量离散分布的震源机制资料可以很好地约束应力张量的方向(Hardebeck et al., 2006)。 本文采用万永革(2015) 、 Wan等(2016)提出的应力张量反演方法, 反演龙滩库区不同地震丛所在区域3个主应力σ 1、 σ 2、 σ 3的方向以及反映3个主应力相对大小的应力形因子R:

R=(σ 2-σ 1)/(σ 3-σ 1)(1)

2.2 断层面参数求解方法

利用小地震的分布和区域应力场应力主轴参数确定大地震断层面参数的数学模型, 其基本考虑是寻求一个平面, 使所有已经定位的小地震的震源位置到这个平面距离的平方和最小。 以这个平面确定断层的走向、 倾角以及上、 下界, 然后由局部区域应力场参数计算断层面的滑动角。 断层面的数学模型、 模型求解、 断层边界的确定以及断层面上滑动角确定的相关理论详见万永革等(2000, 2008)。

3 结果分析
3.1 应力张量反演结果

可靠的中小地震震源机制解是反演应力张量的基础。 利用近台P波和S波的初动资料以及P波和SH波的振幅比联合求解法(Snoke, 1989; 刘杰等, 2004)反演龙滩水库蓄水后ML≥ 2.0地震震源机制解, 共获得126个震源机制解结果。 其中, 震源机制求解方法、 参数设置及2013年5月26日之前的120个地震震源机制解结果见阎春恒等(2015), 2013年5月26日之后反演得到6个地震震源机制解结果详见表1。

表1 震源机制解结果 Table1 The results of focal mechanism solution

采用应力张量法分别反演5个地震丛所在区域的应力场。 龙滩库区震源机制反演结果显示, 地震的震级越大、 记录波形数量越多、 波形信噪比越高, 则反演结果残差越小, 即信度相对越高。 因此, 应力场反演过程中, 将4级以上地震的权重设为1, 3.0~3.9级地震的权重设为0.9, 2.0~2.9级地震的权重设为0.8, 使信度高的震源机制结果在应力张量反演过程中发挥更重要的作用。 由于无法判断真实的发震断层面, 将震源机制解的2个节面同等看待, 通过节面与假定应力张量的拟合函数关系选取其中拟合误差较小的节面作为地震断层面, 基于网格搜索法求解应力张量, 得到最优的应力模型(万永革等, 2011; 万永革, 2016), 并采用F检验给出反演结果的置信区间。

由表2、 图 2 可见, A、 B、 C、 D丛地震所在区域应力场反演结果的95%置信度范围大部分< 10° , C丛和D丛参数的置信度范围基本< 5° 。 由于E丛地震只有7个震源机制解资料, 因此反演得到应力张量参数的95%置信范围较大。 近年多名学者采用不同时段的资料和方法给出了龙滩库区的应力场结果(表2), 经对比发现, 本文的结果与不同学者反演得到3个地震丛所在区域应力场的应力主轴参数一致性较好(陈翰林等, 2009b; 蒋海昆等, 2014; 阎春恒等, 2015), 验证了本文研究结果的可靠性。 反演得到5个地震丛所在区域的最大主应力优势方向为NW-SE或NWW-SEE向, 倾角接近水平, 与区域应力场的方向一致(游象照, 1982, 1988; 刘锡大等, 1987; 张培震等, 2002, 2004; 张有天, 2005)。 中等主应力和最小主应力方向较凌乱, 中等主应力倾角普遍较陡。

图 2 不同地震丛反演的最优应力模型
SN表示南北, EW表示东西, UD表示上下; 红色表示压应力的大小和方向, 蓝色表示张应力的大小和方向Fig. 2 Optimal inverted stress tensors of different seismic clusters.

龙滩库区应力形因子R值为0.4~0.9, 置信区间范围很小(表2), 表明反演结果的可靠性较高。 R值与3个主应力相关, 龙滩库区蓄水后, 库体重力荷载、 孔隙压力扩散和库水浸润弱化3种作用产生的附加应力场与区域构造应力场叠加, 因此水库蓄水会影响R值。 陈翰林等(2009b)基于2006-2008年的震源机制结果反演得到B和C地震丛所在区域的R值为0.3, 本文基于2006-2016年震源机制结果反演得到B和C地震丛所在区域的R值分别为0.8和0.9, 不同时段的R值变化较大, 推测R值对库水作用较敏感。

表2 龙滩库区不同地震丛所在区域应力场反演结果 Table2 The inverted stress field parameters of different seismic clusters in the Longtan reservoir area
3.2 断层面参数求解结果

依据地质调查得到的库区主要断裂分布及库区地震丛集特征, 选取11条地震密集带进行断层面参数反演。 其中, 对A地震丛选取2条地震密集带, 编号为A1、 A2; 对B地震丛选取3条地震密集带, 编号为B1、 B2、 B3; 对C地震丛选取2条地震密集带, 编号为C1、 C2; 对F地震丛选取2条地震密集带, 编号为F1'、 F2'; 对D地震丛和E地震丛各选取1条地震密集带, 编号为D、 E。 各地震丛的地震密集带选取范围详见图 1。 地震丛集性的强弱会影响断层数学模型反演结果的精度(杨超群等, 2013; 李峰等, 2017)。 万永革等(2008)认为浅部小地震系深部破裂引发的沉积层的破裂, 在确定发震断层面时不予考虑。 为避免离散型地震对反演结果的影响, 根据库区地震深度分布特征及岩溶发育特点, 删除震源深度< 3km和> 12km的地震。 反演断层滑动角时, 将应力方位标准差设为5° , R值标准差设为0.1。 F地震丛所在区域不具备反演应力张量的条件, 反演断层滑动角时采用距离最近的D地震丛所在区域的应力张量信息。 各地震丛集区断层面参数反演结果见图 3-8、 表3和表4。

图 3 罗妥地震丛精定位的小地震分布在水平面(a, c)、 断层面(b, d) 和垂直于断层面的横断面(e, g)上的投影以及小地震与断层面之间的距离分布(f, h)
圆圈表示精定位的小地震, 粗实线表示确定的断层面边界, AA'为断层上边界Fig. 3 Distribution of precisely located small earthquakes in Luotuo seismic cluster. The map view(a, c), vertical cross-section along the fault plane(b, d), vertical cross-section perpendicular to the fault plane(e, g)and histogram of small earthquakes sorted by their distances to the fault plane(f, h).

图 4 八茂地震丛精定位的小地震分布在水平面(a, c, i)、 断层面(b, d, j)和垂直于断层面的横断面(e, g, k)上的投影以及小地震与断层面之间的距离分布(f, h, l)
圆圈表示精定位的小地震, 粗实线表示确定的断层面边界, AA'为断层上边界Fig. 4 Distribution of precisely located small earthquakes in Bamao seismic cluster. The map view(a, c, i), vertical cross-section along the fault plane (b, d, j), vertical cross-section perpendicular to the fault plane (e, g, k) and histogram of small earthquakes sorted by their distances to the fault plane(f, h, l).

图 5 拉浪地震丛精定位的小地震分布在水平面(a, c)、 断层面(b, d)和垂直于断层面的横断面(e, g)上的投影以及小地震与断层面之间的距离分布(f, h)
圆圈表示精定位的小地震, 粗实线表示确定的断层面边界, AA'为断层上边界Fig. 5 Distribution of precisely located small earthquakes in Lalang seismic cluster. The map view(a, c), vertical cross-section along the fault plane(b, d), vertical cross-section perpendicular to the fault plane(e, g)and histogram of small earthquakes sorted by their distances to the fault plane(f, h).

'>图 6 坝首地震丛精定位的小地震分布在水平面(a)、 断层面(b)和垂直于断层面的横断面(c)上的投影以及小地震与断层面之间的距离分布(d) plane(d).
圆圈表示精定位的小地震, 粗实线表示确定的断层面边界, AA'为断层上边界

Fig. 6 Distribution of precisely located small earthquakes in Bashou seismic cluster. The map view(a), vertical cross-section along the fault plane(b), vertical cross-section perpendicular to the fault plane(c)and histogram of small earthquakes sorted by their distances to the fault图 7 布柳河地震丛精定位的小地震分布在在水平面(a)、 断层面(b)和垂直于断层面的横断面(c)上的投影以及小地震与断层面之间的距离分布(d)
圆圈表示精定位的小地震, 粗实线表示确定的断层面边界, AA'为断层上边界
Fig. 7 Distribution of precisely located small earthquakes in Buliuhe seismic cluster. The map view(a), vertical cross-section along the fault plane(b), vertical cross-section perpendicular to the fault plane(c)and histogram of small earthquakes sorted by their distances to the fault plane(d).

图 8 天峨地震丛精定位的小地震分布在水平面(a, c)、 断层面(b, d)和垂直于断层面的横断面(e, g)上的投影以及小地震与断层面之间的距离分布(f, h)
圆圈表示精定位的小地震, 粗实线表示确定的断层面边界, AA'为断层上边界Fig. 8 Distribution of precisely located small earthquakes in Tian'e seismic cluster. The map view(a, c), vertical cross-section along the fault plane(b, d), vertical cross-section perpendicular to the fault plane(e, g)and histogram of small earthquakes sorted by their distances to the fault plane(f, h).

表3 利用龙滩水库蓄水后库区的精定位小地震资料求得的地震断层面走向、 倾角和位置 Table3 Fault plane parameters determined using precisely located earthquakes data in the Longtan reservoir
表4 利用龙滩库区不同地震丛局部应力场参数和地震断层面走向、 倾角、 及其标准差得到的滑动角及误差 Table4 The estimated rake angles and theirs errors of faults in the Longtan reservoir

穿过罗妥地震丛(A)的主要断裂为凤亭-下老断裂(F3), 其走向近NE, 倾角近直立, 属右旋走滑性质。 反演得到A1断层面的走向为NNE, A2断层面的走向近NE, 倾角均较陡, 倾向NW, 为带正断分量的右旋斜滑性质, 与地质调查结果基本吻合。

穿过八茂地震丛(B)的高圩-八茂断裂(F2)呈NE或近NE走向, 倾角较陡, 以右旋走滑运动为主。反演得到B1、 B2、 B3断层面的走向均近NE, 倾角很陡。B1断层面倾向NW, 为带逆断分量的右旋斜滑性质。B2断层面倾向SE, B3断层面倾向NW, 均为带逆断分量的左旋斜滑性质。反演结果与高圩-八茂断裂的走向和倾角相近, 但断层性质存在一定差异。推测B2的地震活动可能与高圩-八茂断裂有关, B1和B3的地震活动与附近NE走向、 NW倾向的断裂活动有关。小地震震源机制统计结果也显示(阎春恒等, 2015), 该地震丛正断、 逆断和走滑性质地震所占比例大体相当, 地震活动较复杂。

拉浪地震丛(C)所在区域的主要构造有达良背斜及其东、 西2翼呈近SN走向的马耳-拉浪断裂(F4)和达恒-达良断裂(F5), 2条断裂的倾向相反, 均为正断走滑运动性质。 反演得到C1断层面的走向为SN, 倾角近直立, 倾向W, 呈带正断分量的左旋斜滑性质, 与F4性质相符。 C2断层面的走向近NE, 倾角近直立, 倾向SE, 呈带逆断分量的右旋斜滑性质, 与F5的运动性质存在差别。

坝首地震丛(D)位于天峨箱状背斜的NW侧, 主要构造为NNE走向的龙凤-八腊断裂(F9), 为一条高角度向W倾斜的正断层。反演得到D断层面走向近SN, 倾角很陡, 为高角度向SW倾的左旋走滑断层。 反演结果与龙凤-八腊断裂性质大体相符, 并与该地震丛蓄水后发生的最大地震(2007年7月17日天峨4.5级地震)震源机制节面(走向为6° , 倾角为60° , 滑动角为3° )的一致性非常好。

布柳河地震丛(E)所在区域主要发育了长里-八南断裂(F8), 该断裂为NW走向, 倾向SW, 属逆走滑性质。 反演得到E断层面的走向近NW, 倾角很陡, 倾向SW, 呈带正断分量的右旋斜滑性质, 与F8的性质基本一致。

天峨地震丛(F)位于天峨箱状背斜核部、 龙凤-八腊断裂SE侧。该地震丛地处水库出水口附近, 地震活动与其它地震丛存在较大差别: 1)对水库蓄水响应滞后; 2)至今未记录到2.0级以上地震; 3)地震丛集性较其它5个地震丛稍差。反演得到 F'1 和 F'2 断层面为NE走向, 倾角很陡, 倾向均为SE, 正断和走滑运动性质。由于地震较弥散及采用地震丛D所在区域的应力场参数替代, F地震丛的断层面反演结果误差相对较大, F'2的滑动角1.7° , 但标准差达到64.1° 。因此, 根据反演结果无法确定与该地震丛相关断裂的性质, 需结合野外地质调查和更多地震精定位结果进一步深入研究。

4 结论和讨论

精确可靠的断层信息是开展地震发震机理、 地震数值模拟、 地震预测等研究的重要基础。 前人对龙滩库区地质构造开展了大量现场调查和研究工作, 获得了龙滩库区详细的断裂构造信息(潘建雄, 1989; 夏宏良, 2004; 向宏发等, 2006)。 如潘建雄(1989)的研究结果显示, 龙滩水库区域主要断裂带呈NE、 NEE、 NNW、 NWW和SN走向, 断裂性质以剪性或张剪性为主。夏宏良(2004)的调查结果揭露, 坝区共存在断层500余条, 走向以NNW、 NWW、 NE和NEE为主, 倾角很陡, 基本> 60° , 平均发育间距为3.6~50m。 龙滩库区地形陡峭, 水库淹没及构造规模较小等因素为通过地质勘查研究断裂增加了难度, 很难保证调查结果的精度。 此外, 通过地质方法仅能观测断层的地表破裂形迹, 而深部断层与浅部破裂构造形态可能有很大差异(Reasenberg et al., 1985; 万永革等, 2008)。

龙滩水库蓄水后, 库区小地震频发, 这些小地震在空间上丛集于主要断裂带附近。 由于库区断裂带密集发育, 加之无法通过地表调查得到中小地震的破裂信息, 很难确定丛集地震活动与断裂带的关系。 本文利用龙滩库区大量小地震精定位资料和局部应力场参数, 反演得到龙滩库区11条与地震密集活动相关的断裂带信息, 包括断层面的走向、 倾向、 倾角、 长度、 深度和地理位置等量化参数。 断层主要为走滑性质, 大部分兼具正断或逆断分量, 与地质调查给出的穿过各地震丛主要断裂的性质基本一致, 验证了假设小地震沿主要断层面分布的合理性及反演结果的可靠性。 量化的断裂带信息可作为龙滩库区主要断裂带资料的重要补充或认识的重要修正。 八茂地震丛的地震活动除与高圩-八茂断裂有关外, 还与附近NE走向、 NW倾向的断裂活动有关。 2条断裂带的性质分别为带正断分量和带逆断分量的斜滑型, 导致八茂地震丛的小地震震源机制解呈现复杂和多样性。

史海霞等(2010)的剪切波分裂研究结果显示, 龙滩库区台站的快波偏振方向比较一致, 大致呈NW向。 Wan(2010)将中国大陆划分为2° × 2° 的子区, 利用中国及其邻区地壳应力数据库和哈佛大学1976-2005年的矩心矩张量目录资料, 反演出每个子区内的构造应力场主应力方向和相对应力大小, 结果显示龙滩库区所在的桂西北地区的构造应力场最大主应力优势方向为NWW向, 最大和最小主应力的倾角很小, 中等主应力轴倾角很陡, R值为0.2~0.45。 陈翰林等(2009b)基于2006-2009年的震源机制资料反演得到地震丛B和C所在区域的R值均为0.3, 本文基于2006-2016年震源机制资料反演得到R值为0.4~0.9。 对比前人研究成果, 龙滩水库地区蓄水前、 后区域主压应力场的方向未发生明显变化, 优势方向为NW或NWW向, 与华南块体的构造应力场方向基本一致。 在水库蓄水初期, 库区的R值约为0.3, 随蓄水进程的推进库区R值逐渐增大, 且不同地震丛所在区域的R值变化存在差异, 八茂、 拉浪和布柳河地震丛所在区域的R值增幅显著。 精定位和断层面参数计算结果显示, 地震丛集活动与穿过地震丛的主要断裂带密切相关。 这些断裂倾角普遍很陡, 均与库区主要河流交会, 利于流体向断层深部渗透。 推测库区蓄水主要影响库区应力场主应力的相对大小, 对主应力方向的影响有限。 周斌等(2014)给出的数值模拟结果也表明, 水库蓄水后, 库区主要断裂与河流交会处下方的附加库伦应力(Δ CFS)显著增加。 水对库区介质的润滑作用及Δ CFS与原地应力的叠加可能是导致库区主应力相对大小发生变化的主要因素。

尽管目前无法获得龙滩库区绝对应力场信息, 但应力形因子R值在地壳应力分析中也起到非常重要的作用。 R=0.5对应于应力张量的本征值呈等差排列。 随着R的增大, 中间应力本征值逐渐靠近主张应力本征值。 在仅考虑偏应力的情况下, 中间应力轴也表现为张应力的性质, R值越大, 则中间应力轴表现的张应力状态越明显。 在R=1的极端情况下, 中间应力轴和主张应力轴表现的张应力状态是一致的, 即此时将张应力轴和中间应力轴进行交换并不影响应力状态的描述。 同样道理, 随着R值自0.5减少, 中间应力本征值逐渐靠近主压应力本征值, 中间应力轴也表现为压应力的性质。 R值越小, 则中间应力轴表现的压应力状态越明显。 在R=0的极端情况下, 中间应力轴和主压应力轴表现的压应力状态是一致的, 即此时将压应力轴和中间应力轴进行交换并不影响应力状态的描述(万永革等, 2011; 万永革, 2015)。 龙滩库区蓄水前, R< 0.5, 表明中间应力轴表现为较明显的压应力状态。 龙滩水库蓄水后, 受库区蓄水浸润弱化及产生Δ CFS的影响, 各地震丛所在区域的R值普遍增大, 除地震丛D外, 其余4个地震丛所在区域R> 0.5, 表明中间应力轴压应力状态减弱并逐渐转为张应力状态。 龙滩库区应力张量最大和最小主应力轴倾角近水平, 中间主应力轴倾角很陡, 该应力环境有利于库区斜滑型和走滑型断裂滑动(刁桂苓等, 2011; 万永革, 2020)。 反演得到库区11条断裂主要为斜滑和走滑性质, 龙滩库区蓄水后的应力环境有利于此类断层模型失稳滑动, 可较好地解释蓄水后库区地震密集活跃现象。 量化的断裂信息可为龙滩库区地震危险性分析、 地震成因的数值模拟、 地震预测等方面的深入研究提供支持。

致谢 万永革教授提供了应力张量和断层面参数反演相关程序并给予了悉心指导; 审稿专家为本文提出了科学、 细致的修改建议。 在此一并表示感谢!

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