福建仙游地区高精度地震震源定位及深部断裂特征
关露凝, 江国明,
(资料图片)
中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院,北京 100083
摘 要
福建仙游位于福建省东南沿海中部,其周边地区历史地震活动较平静,属于弱震区。但自从该地区的金钟水库于2010 年 5 月下闸蓄水后,库区附近的地震活动性随之增强。为深入了解该地区的地震活动性、地震分布特征以及寻找隐伏断层,利用中国地震局提供的地震初至震相数据,使用双差定位方法对仙游地区近10年发生的地震进行重定位,获得了更为精确的震源位置,并根据重定位结果模拟深部断裂,寻找隐伏断层。结果显示:(1)重定位后的震源位置更加集中,按照发震时间可分为4个活动区,主要沿沙县—南日岛的次级断裂石苍断裂两侧北西向线性分布。(2)重定位后仙游震群的震源深度主要为8~11 km。石苍断裂左侧地震条带震源深度为6~12 km;右侧地震条带呈现明显的分层现象,上层西北侧地震较为分散,东南侧地震分布较紧凑,震源深度同左侧一样为6~12 km,而下层地震较少,震源深度为14~23 km。(3)根据重定位后的震源位置,利用奇异值分解法拟合得到三个深部断层面,其倾向均为南西向,走向为北西向,与石苍断裂和潼关断裂的倾向和走向一致。结合前人研究成果和本研究结果,推测石苍断裂并不是主发震断层,而是其两侧存在的深部断裂(高倾角隐伏断层)由于受到水库蓄水间接影响,从而触发构造地震。
关键词
福建仙游; 双差地震定位; 水库诱发地震; 模拟深部断裂; 隐伏断层
0 引 言
福建地处我国东南沿海地区,位于欧亚板块的东南缘,与地震活动频繁的台湾地区相邻[1]。由于受到印度洋板块对喜马拉雅地区碰撞挤压和西太平洋俯冲带菲律宾海板块与台湾岛弧碰撞产生的两个不同方向应力共同作用[2],该地区地震活动比较活跃,导致区域内沿海部分地震频度和强度均高于内陆部分[1]。福建地区地震活动空间分布总趋势是东强西弱、南强北弱,尤其是闽江断裂带以南地区的地震活动最为突出;而且其震源深度总体上呈现东南深、西北浅的特征[1]。福建地区具有较明显的地震序列类型分区特征:东部沿海地区以孤立型或主余震型地震活动为主,而西部内陆地区多发生震群型地震[2]。
仙游地区位于福建省东南沿海中部,历史地震活动较平静,属于少震弱震区。该区域有一个金钟水库,位于仙游县北部石苍乡境内的粗溪中游,为大Ⅱ型水库,库容约为1.06亿 m3,坝高为 97.5 m。仙游震群活动区分布在金钟水库周边,1971—2012年3月期间其周边 50 km 范围内无4.0级以上地震发生。仙游金钟水库于2010年5月下闸蓄水,2010年8月开始在库区附近的地震序列明显增强[3]。迄今为止,仙游地区发生的最大地震是2013年9月4日MS4.8(ML5.0)级地震[4]。蔡杏辉等利用sPn震相测定该地震深度为11.1 km[5]。秦双龙等在统计仙游震群震源深度特征时发现,震源深度主要分布于7~17 km,集中于 9~11 km[3]。
秦双龙等[3,7]、胡淑芳等[9]对仙游地震序列做过双差定位,重定位后的震源相对震前有所聚集,且具有明显的分区性、条带性分布特征,具有3个时空分段特征,整体呈现北西向线性分布。序列活动在时间上存在明显的丛集-平静特征[10]。仙游地震发震时间受金钟水库水位变化的调制作用较明显[9],震群活动具有一定的水库地震性质[3]。因此,普遍认为仙游震群是由金钟水库蓄水引发的水库诱发地震[6]。
许多学者还研究了仙游地区震源机制。秦双龙等研究了2013年12月31日前8次地震(ML≥3.5)的震源机制解,其中6次为走滑型地震[7]。李强等反演仙游震群序列5次事件(ML≥4.0)的震源机制解,震源破裂类型为右旋走滑型[6]。许振栋等计算仙游153次小震的震源机制与5次 ML4.0 级以上地震震源机制解,结果显示走滑性质明显[8]。袁丽文等对2015年12月31日前仙游地震序列24次ML ≥3.0级以上地震震源机制解求解,结果显示仙游地震序列多为高角度走滑型地震,带有一定的正断分量[10]。邱毅等反演2012年4月15日ML 4.1、2012年11月25日ML 3.8地震震源机制解均为走滑断层,反演ML >3.5的6次地震震源机制解也均为走滑型地震[11]。以上研究均表明仙游地震多为高角度走滑型地震。
蔡杏辉等研究了仙游2013年9月4日ML5.0地震前后小地震视应力变化,发现地震前后小震视应力平均值为0.16 MPa,而主震视应力为9.86 MPa,远高于其前后地震的视应力水平[12],这符合中强地震发震视应力的变化历程,即前期积累→震前突跳→主震异常高值→震后恢复[13]。
综上,前人对仙游地区震群序列特征、震源机制解等做了大量的研究,但是缺少对深部断裂特征的研究。大多数地震的发生与断层存在着密切的联系。地震震源的空间分布特征从侧面反映了其所在区域的地下构造环境和受力状态。地表出露的断层可以通过野外勘查得到,但一些深断层或盲断层在地表无出露,则可利用地震学的方法进行确定或描述。因此,通过高精度地震定位得到的震源位置模拟地震断层面(即深部断裂)对寻找隐伏断层有着一定的参考价值。
本文采用双差定位方法对仙游地区进行地震震源重定位,探究仙游震群分布特征、迁移过程,并根据地震重定位结果模拟地震断层面寻找隐伏断层,为进一步探究福建地区地震活动性和隐伏断层深部伸展特征等提供参考。
1 数据与方法
围绕仙游地区,本文选取118.66°—118.78°E、25.6°—25.68°N为研究区域(图1)。
图1 福建地震台站分布
f1.滨海断裂带;f2.长乐—诏安断裂带;f3.政和—海丰断裂带;f4.邵武—河源断裂带;f5.闽江断裂带;f6.沙县—南日岛断裂带;f7.永安—晋江断裂带;f8.九龙江断裂带;f9.上杭—云霄断裂带;f10.南平—宁化断裂带
数据来源于中国地震局第二监测中心,共收集了自2010年8月至2020年11月期间被福建130个固定台站记录到的发生在仙游地区的4301个地震到时数据。
本文采用hypoDD双差定位方法(Waldhauser and Ellsworth,2000)[14]对仙游地区的地震进行重定位。该方法是目前国内外公认的一种较好的地震重定位方法,可分为两步。第一步是分析走时数据(ph2dt模块),得到地震对的走时差;第二步是利用得到的走时差反演震源位置(hypoDD模块)。由于福建地区地震较多,台站分布较密集,这为高精度定位提供了保障。本文设置P波走时权重为1.0,S波走时权重为0.5;在ph2dt参数文件中设置事件与台站的最大距离为200 km,“地震对”距离为3 km,以每个事件的最大邻居数以及邻居所需要的最小震相对数目均为8组建“地震对”群。最终用于反演的地震事件为2464个,P、S波的绝对走时数据分别为83881条和99058条,速度结构模型采用张路2008年提出的福建地区速度结构模型[15]。最终,2422个地震震源进行了双差重定位,获得了较为精确的地震震源位置。
2 仙游地区地震震源定位结果
图2(a)展示了仙游地区重定位前、后地震序列空间展布情况。定位后的震源分布具有明显的集中现象,条带性和分区性更加突出,并且震中有向内收敛的趋势。石苍断裂右侧地震活动长轴方向长约11 km,基本上与石苍断裂和潼关断裂走向一致,且距离两侧的石苍断裂和潼关断裂均约2.5 km。石苍断裂左侧地震分布长轴方向长约2 km,北部紧挨着石苍断裂。沿着石苍断裂左右两个地震条带震源集中的方向分别设计两条剖线BB"和CC",两侧宽度各取2 km,将两条地震条带分别投影至剖面,如图2(b)和(c)所示。从剖面图中更能较清晰地看出地震条带侧向展布形态及震源深度变化。图2(b)中左侧地震条带剖面中震源深度达到6~12 km,越往东南浅部的地震越来越少。图2(c)右侧地震条带剖面中震源深度呈现明显的分层现象,上层同左侧地震条带一样为6~12 km,且上层西北侧地震较为分散,东南侧地震分布较紧凑,集中在8~12 km的深度范围。而下层在14~23 km深度范围,下层地震较少,西北较东南的地震更深。
图2 仙游地区地震定位前后对比(a)及地震条带剖面(b)(c)
((a)中蓝色实心圆代表重定位前的震源位置,红色实心圆代表重定位后的震源位置,黄色五角星代表重定位后仙游2013年9月4日5.0级地震震中位置)
图3是利用重定位后的地震数据展示不同时期仙游地震序列震群位置。地震序列活动在时间上存在明显的丛集-平静特征[10]。从图3中可以看出,仙游震群主要围绕金钟水库蓄水区周缘分布,具有明显的时空分布特征。图3蓝色圆圈表示金钟水库首次蓄水时地震发生的地方,恰好位于水库下方,地震活动相对分散。2011年12月至2012年8月,地震活动集中在水库北部(即石苍断裂右侧),主要沿北西向线性展布(图3中紫色圆圈部分);2012年11月至2013年7月向东南方向偏移(图3中橙色圆圈部分);2013年 8月至 2015年11月为地震活跃期,地震活动继续向东南部蔓延,且沿北西向线性展布,位于水库的东北部(图3中红色圆圈部分)。该区域曾发生过仙游地区迄今为止震级最大的地震(ML5.0)。随着时间推移到2017年10月,地震活动主体呈现东北向西南的迁移特征,直到水库西北部(即石苍断裂左侧),呈现北北西向线性展布(图3中深绿色部分)。
图3 仙游震群分布图 (2010-08—2020-11)
蓝色五角星代表重定位后仙游2013年9月4日ML 5.0级地震震中位置。蓝色实心圆代表2010年8月至2011年4月震源位置,紫色实心圆代表2011年12月至2012年8月震源位置,橙色实心圆代表2012年11月至2013年7月震源位置,红色实心圆代表2013年8月至2015年11月震源位置,荧光绿实心圆代表2016年5月至2017年8月震源位置,深绿色实心圆代表2017年10月至2020年11月震源位置
仙游地区地震定位后一些深部地震向浅部集中,震源深度主要为8~11 km,集中于9~10 km,约占总数的82%,如图4(a)。值得指出的是:仙游2013年9月4日ML5.0级地震重定位后震源深度为8.628 km,而重定位前为10 km,这说明重定位后震源深度变浅。此外,该地震震源位置的东西向、南北向和垂直向误差分别是0.001 km、0.0022 km、0.0026 km,接近米级,说明定位精度高。从图4(b)中还可以看出,仙游地区的震级较小,主要发生在2级以下, 约占总数的94%。
图4 仙游地区震源深度(a)和震级(b)柱状图 (2010-08—2020-11)
3 隐伏断层面
3.1 断层面拟合方法
自从仙游水库2010年5月开始蓄水,2010年8月—2011年4月在水库下方发生地震,该时段的震源深度有些是5~8 km。由于水库诱发地震的震源深度较浅,所以推测震源较深的地震可能是由于水库蓄水或者放水增加地层的荷载和孔隙压力而改变下浮断层或裂隙的应力状态,最终触发地震。根据石苍断裂两侧的北西向线性地震条带分布,可推测石苍断裂并不是仙游震群的主发震断层,而是该处可能存在未出露地表的隐伏断层。由于地震通常发生在断裂带上,所以通过地震震源模拟断层面,实现寻找隐伏断层的目的。
图5为仙游地区沿剖线BB"和CC"两条地震条带的不同观测角度的断层面拟合图。图5(a)和(b)分别是两个东南方向不同角度的断层拟合图,图5(c)是俯视图。其中BB"地震条带拟合的是断层面B,CC"地震条带拟合的断层面分为C1、C2两个断面。利用奇异值分解(SVD)原理[16],得到仙游BB"地震条带断层面B的拟合函数为
其中,x、y、z分别代表震源的经度、纬度和深度。
图5 仙游地区深部断裂(隐伏断层)拟合图
(a)(b)从仙游地区东南视角观察到的三个断面B、C1、C2的拟合图;(c)俯视图;(d)地震条带BB"的拟合面B;(e)地震条带CC"的拟合面C1;(f)地震条带CC"的拟合面C2
图5(d)显示了断层面B的拟合结果,该断层上地震条带震源深度的范围为8~12 km,断层走向NW297°,倾向SW,倾角62°。该断层面的地震以0≤ML
仙游CC"地震条带断层面C1的拟合函数为
断层面C1的拟合结果如图5(e)所示,断层走向NW303°,倾向SW,倾角较陡,近乎垂直,为87°。该断层面上的地震比断层面C2较少。在深度6~12 km处1≤ML
仙游CC"地震条带断层面C2的拟合函数为
断层面C2的拟合结果如图5(f)所示,断层走向NW307°,倾向SW,倾角较陡,为88°。该区域为仙游地震活跃区,地震最多,在深度6~12 km处0≤ML
3.2 隐伏断层面结果
根据秦双龙等[7]的研究结果可知,石苍断裂长约20 km,总体走向NW310°,倾向SW,倾角较陡,达80°以上;潼关断裂长约22 km,总体走向NW330°,倾向SW,倾角70°~80°。本文拟合的断层面B、C1、C2倾向与这两条断裂倾向一致,且C1、C2与两条断裂倾向、倾角均一致,说明C1、C2为两个SW倾向的高倾角隐伏断层。另外,秦双龙等[7]在研究仙游震群ML≥3.5地震震源机制解时得到断层节面的走向均值为138°,倾角均值为82°;李强等[6]在研究仙游震群ML≥4.0地震震源机制解时得到断层节面的走向均值为137°,倾角均值为85°;邱毅等[11]在研究2012年4月15日仙游ML4.1地震和2012年11月25日仙游ML3.8地震得到的断层节面的走向、倾角分别为132°、81°和142°、85°。对比可见,本文拟合的断层面走向和倾角与已有的研究结果基本一致。
左侧地震条带离石苍断裂较近,隐伏断层B可能是石苍断裂分支出来的次级断裂,而右侧C1、C2地震条带稍远,可能是地壳中没有出露地表的未知深部断裂。
图5中展示断层面C1、C2近乎垂直,根据前人对仙游地区震源机制解的研究[6-8,10-11],发现仙游震群为走滑型地震,故推测该隐伏断层为走滑断层。此外,走滑断层为水平移动,需要的应力较垂直错动小,所以导致能量释放较少,符合该区域普遍震级较小的特征。
表1 仙游地区深部断裂B、C1、C2中不同震级的地震个数
4 讨论
从仙游地区地震地质构造环境和地震活动性可以看出,仙游震群活动区域位于武夷—戴云隆升区。该区以继承性的断裂活动和区域性的断块差异活动为特征,除局部断陷盆地和拗陷盆地外,大部分地区以间歇性上升为总趋势[17]。图3中,仙游震群所在的区域附近有北西向沙县—南日岛断裂带的两条次级断裂,即石苍断裂和潼关断裂,并且石苍断裂刚好穿过金钟水库底部。仙游震群除了首次蓄水的地震发生在水库下方外,地震活动主体都在水库及石苍断裂的两侧分布,说明石苍断裂两侧存在隐伏断层。由于水库迅速蓄水和放水,导致库水的荷载作用和孔隙水压效能作用加强以降低有效应力,而显著改变下伏断层或裂缝的应力状态,使得原先已处在平衡状态的断层块体产生新的断块滑移,释放断块位能而产生地震,即水库诱发地震。但是诱发地震的震源深度较浅,震级较小,所以推测围绕在水库周围较浅的地震是由于水库蓄水或者放水形成的水库诱发地震,而震源深度较深的地震可能是间接引起断层滑动的构造地震。此外,金钟水库附近存在粗溪温泉,构成了地下水良好的渗透通道,有利于诱发水库地震[9]。
根据仙游地区地震序列重定位结果,可知仙游地区重定位后地震序列呈现北西向的线性特征,这一定位结果与秦双龙等、许振栋等、胡淑芳等、袁丽文等的结果一致[7-10]。但本文使用的数据跨度大,为近十年的数据,可以更加完整地展现仙游震群过去十年中的地震序列分布和迁移过程。尤其是2017年之后仙游震群迁移到石苍断裂左侧,即金钟水库的西北部,这是其他文献中均没有涉及的。秦双龙等通过对比金钟水库水位变化与仙游震群序列变化发现ML3.5级以上地震多发生在库水位下降后的转折上升过程中,震群带有一定的水库地震性质,是库水下渗促使断裂滑动引起的,所以判定属于水库诱发地震[7]。李强等在研究5次震源机制解中发现第一个事件的震源深度较浅,仅4 km,其他4次事件震源深度在9~10 km,整个震群序列在空间上呈现丛集分布,活动时间受水库水位变化调制;ML4.0级以上的地震多发生在水库水位下降阶段,而水库水位上升阶段地震频次和震级相对较小,地震活动呈现高频次、低震级的特点,认为仙游震群序列应属于“滞后响应性”水库诱发地震[6]。许振栋等采用阻尼最小二乘法反演该区域应力场,认为金钟水库及其邻区水平最大主压应力方向为近南北向,最大主张应力方向为近东西向,各小区域应力场方向一致[8]。而福建地区应力场主压方向呈现北西向[18],金钟水库及邻区小尺度区域应力场与福建地区大尺度应力场存在显著差异,推测水库地震主要受区域构造应力场的影响[8]。邱毅等反演得到仙游地震震源机制解主压应力轴方向同样为近南北向,与福建区域存在差异,但认为仙游震群震区的金钟水库蓄水引起震区应力调整,并诱发了地震[11]。综合以上研究和本文的高精度定位结果,综合分析认为仙游地区震源较浅的地震应属于水库诱发地震,而较深的地震则属于构造地震。
5 结 论
本文使用双差定位方法对2010年8月—2020年11月福建省仙游地区4301个地震序列进行重定位,获得了较为精确的震中位置和深度。分析了仙游地区的震群分布特征和地震迁移过程,并且根据重定位地震数据模拟深部断裂,寻找隐伏断层。
(1)重定位结果显示仙游震群在北西向沙县—南日岛断裂带的次级断裂石苍断裂两侧分布,附近还有北西向潼关断裂和北东向游洋断裂。仙游震群存在时空分布特征,时间上存在4个密集活动区,空间上沿石苍断裂两侧呈北西向线性分布。
(2)利用奇异值分解(SVD)方法对仙游地区两条地震条带进行拟合得到三个隐伏的深部断裂面。它们的倾向均为南西向(SW),走向均为北西向(NW),与石苍断裂和潼关断裂的倾向和走向一致,且断层面C1、C2倾角近乎垂直,断层面B倾角稍缓,为62°,结合前人分析推测为走滑断层。该断层震源深度越深的地方发生地震的震级较大。
(3)推测仙游震群水库下较浅的地震由水库诱发,而石苍断裂两侧的地震条带是由于受到水库间接影响,石苍断裂并不是主发震断层,而是两侧存在深部断裂(高倾角隐伏断层)破裂发生了构造地震。
致 谢
感谢中国地震局第二监测中心提供的震相数据,感谢两位匿名审稿专家的评审。本文采用的地震定位程序为Waldhauser和Ellsworth编写的hypoDD程序,并使用GMT(Wessel and Smith,1991)绘制文中图件,谨致谢忱。
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