三峽水庫蓄水后小微震事件的震源機制及成因分析

宋　琛　王　墩

1　中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室),武漢市洪山側路40號,430071 2　武漢地震工程研究院，武漢市洪山側路40號，430071

三峽水庫蓄水后小微震事件的震源機制及成因分析

宋琛1，2王墩1

1中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室),武漢市洪山側路40號,430071 2武漢地震工程研究院，武漢市洪山側路40號，430071

摘要：利用三峽工程地震監測臺網記錄的2003～2014年地震振幅比和P波初動數據，對三峽水庫重點監視區蓄水后地震的震源機制進行解析。結果表明，這些地震震源的基本特征是大仰角的主壓應力軸和近于正斷的震源錯動。在庫水的循環加卸載及其水巖的理化作用下，淺表巖層軟弱結構面(體)失穩，是蓄水后小微地震活動的主要誘因。 值得注意的是，2010年以后，逆沖走滑類型地震的比例顯著增多，顯示了區域構造應力場的控制作用。

關鍵詞：三峽水庫重點監視區；震源機制；巖體自重；誘發地震；應力場

三峽水庫蓄水后發生的大量小微地震表明，水庫誘發地震成因機制異常復雜[1-2]。三峽水庫重點監視區內廣泛發育的巖溶、廢棄的煤礦采坑及軟弱地質結構面(體)在庫水浸泡及加卸載作用下，引發一系列成因復雜的小微震群(如秭歸泄灘、巴東火峰、巴東馬鬃山等微震群活動)。有些震群活動在空間上與斷層分布存在重疊，因此，對該區震群活動成因機制的正確認識是準確判斷地震趨勢的基礎。

1研究區域地質構造背景

中國區域應力場的展布和三峽工程區的應力測試都支持三峽地區應力場的水平最大主壓應力為近東西向。本區受西部印度板塊擠壓和青藏高原隆升、東部太平洋板塊擠壓共同作用，西部北西向擠壓應力場和東部北東向擠壓應力場在此區交匯，構成該區水平構造應力場的分布規律。在重慶以北，水平最大主壓應力方向多為北西向；至重慶地區水平最大主壓應力為北西西；潛江、江漢-洞庭盆地一帶，水平最大主壓應力明顯轉為東西-北東東向

三峽庫區各主要斷裂帶第四紀以來曾有過活動，其活動時間多在早更新世和中更新世，以中更新世最盛，至晚更新世則大為減弱，沒有發現全新世活動斷層[3]。三峽庫區地下水動態監測井網的鉆探發現，九畹溪斷層內的水多為原生水，反映其長期處在封閉環境，與外界沒有流體的交換，表明該斷裂近期活動特征并不明顯。

從區域構造格局上來看，三峽水庫重點監視區內存在一定的地震活動背景，但活動強度不高。即使是許多沿斷裂分布的小震，也被懷疑為煤礦地震，與斷層活動性無關[4]。蓄水后的微小地震成因機制一直是重點關注的問題。大地震可以通過震源破裂反演獲得較為清晰的震源過程圖像，對于小微地震，該方法則不太適用。通過野外地震地質科考、震源參數確定、震源機制解析等手段，研究人員對水庫誘發地震的成因機制進行研究，獲得了較好的結果[5-6]。比如薛軍蓉等[5]采用P波初動資料，對蓄水初期的9個地震的震源機制進行解析，顯示蓄水后的地震構造主應力以垂直為主,這也與王墩等[7]的結果一致。此兩項工作的研究對象均為蓄水前后3 a內的地震。針對近年來三峽地區的地震震源機制進行系統性解析工作，有助于加深認識三峽地震機制及其可能的變化趨勢。

2數據及方法

本文主要通過解析三峽水庫重點監視區有一定影響的地震的震源機制解，結合地質構造特征和地震地質考察，對水庫誘發地震成因機制進行探討。與文獻[7]不同，本文利用三峽臺網記錄的振幅比(SV/P,SH/P和SV/SH)和P波初動數據，解算三峽水庫重點監視區內所有ML≥2.2級地震(2004～2014)的震源機制解。由于部分臺站信號信噪比不高、波形數據不全等因素，本文最終得到40個地震的震源機制解結果。

使用三峽地震遙測臺網記錄波形數據，讀取可用P波初動和P波、SH波及SV波振幅比。通過實際觀測P波、SV波、SH波振幅比，采用網格搜索方法，比較理論計算與實際觀測得到的振幅比矛盾最小方式，求取震源機制的最佳解[8]。在量取P、SH波及SV波振幅前，先將三分向原始數據旋轉成RTH坐標。根據文獻[9]，讀取P、SH及SV波初動到達后1～2 s內振幅的最大值，校正放大系數。這里，P波初動和振幅、SV波振幅由垂直方向得到，SH波振幅由切向得到。

針對震級2.2級及以上地震，采用P波初動和振幅比法聯合求解其震源機制解。針對2003～2006年發生在巴東庫段的微震(M1～2.1)，計算其小震綜合節面解。

3震源機制解析

3.1M≥2.2級地震的震源機制解

本研究獲得的40次M≥2.2 地震的震源機制解見表1，其空間分布見圖1。為便于比較分析，一些在該區內發生的、可能與庫水作用關系不大的地震也包括在圖內。從圖1可以看出，這些地震主要分布在巴東縣東穰口、官渡口及秭歸縣羅圈荒、新灘附近、郭家壩，其中，尤以巴東東穰口鎮溪丘灣及官渡口鎮火峰最為密集。這些地震多發生在庫岸區或巖溶廣泛發育的灰巖地區，顯示了其與庫水作用的密切關系。

表1　三峽水庫重點監視區內40個地震(M≥2.2)震源機制解(2003-06～2014-03)

發生于巴東地區的地震震源機制大多數為正斷性質，滑動角大多超過-70°，顯示了正傾滑機制的主導地位(圖1、圖2)。在秭歸郭家壩地區，存在一定數量的逆斷和走滑機制的震源，暗示在蓄水后三峽庫區小震頻度劇增的背景下，該區構造地震活動與局部應力場可能存在一定關系。

圖1　三峽水庫重點監視區內蓄水后40個地震的震源機制解Fig.1　Focal mechanisms of the 40 induced/triggered earthquakes

圖2　蓄水后40個地震的滑動角方位分布Fig.2　Distribution of rake angles for the earthquakes that occurred after the first impoundment

震源機制的P軸和T軸的走向和傾角常被用來研究區域構造應力場和震源應力場。通常認為，構造地震的發震應力場受區域應力場的控制，故大量約束較好的震源機制數據可以反演區域構造應力場。中國區域應力場的基本特征為主壓應力和主張應力近于水平，東部地區呈現為近東西向為主，西部地區則以近南北向為主[10]。三峽地區位于東、西部應力轉換地帶，該區復雜的應力狀態，表層與深層的應力場不一致，造成了其構造應力場方向北北東、北北東-北東、北北東和北西向以及“不定方向”等各種不同看法[11]。本文利用三峽地震監測臺網數據，求得蓄水前三峽水庫重點監視區內的主壓應力和主張應力方向分別為近東西向和近南北向，且仰角都近于水平[5]。蓄水后震源機制的P軸為陡傾角，P、T軸均無明顯方向性，明顯有別于蓄水前該區地震(圖3)，表明蓄水后的震源機制絕大多數不受區域構造應力場控制。

圖3　蓄水前4個地震(2001-01～2003-05)和蓄水后19個地震(2004-07～2008-02)的P軸及T軸的等面積下半球投影Fig.3　P and T axes of the focal mechanisms of the earthquakes before and after the first impoundment

考慮到因地殼不均勻性和地下結構面反射導致的振幅比數據變化和P波初動反向等因素導致的震源機制解誤差，很難用震源機制數據單獨確定獨立地震的成因機制及其與區域構造應力場的關系。但是，基于大量較大微小地震的震源力學分析，有助于獲得地震活動的趨勢信息，界定其成因機制。

3.2巴東庫段微震小震綜合節面解

采用小震綜合節面解方法，求取2003～2006年發生在巴東馬家村、馬鬃山、官渡口、東穰口以及巴東老城區等5處微震群的小震綜合節面解[7]。結果顯示，微震的震源應力場有4處主要表現為P軸仰角較高、近于垂直，而T軸則仰角較小、 與長江庫岸垂直，與庫水荷載引起的地殼淺表層形變場是一致的。在庫水的重力荷載作用下，庫岸再造過程中形成了一個從江心到兩岸逐漸衰減的張應力形變場，這個應力場表現為張應力方向與庫岸垂直，仰角較小(近水平)。

4結語

蓄水后的震源機制表明，這些地震絕大多數不是由三峽地區構造應力場控制的構造地震，特別是2010年及以前發生的地震。類似于P軸高仰角的震源機制，在1972年新豐江水庫地震中大量出現。在那次地震活動中，80%地震的主壓應力軸是垂直或接近垂直的，與區域構造應力場不一致。由此看來，在三峽地區目前分布的微震活動主要是受局部應力場控制的，淺表層不良巖土體的自重，或是這些微震的主壓應力的主要來源，震后科考也驗證了這一點。這些微小地震的特點是震級小、震中烈度大，部分震級低于3的微震會在震中區形成地表裂縫、房屋塌角等在Ⅶ度區才會出現的震害；部分極微震震中附近的居民可以很清晰地聽到地震發出的強烈聲響，說明這些地震的震源非常淺。因此認為，淺表層巖土體在庫水荷載及周期性消長作用下，沿不穩定結構面滑動，以適應新的應力應變場，引發了微震活動。淺地表不良地質體可能也參與了微震的孕育及發生過程，比如在巴東火峰地區發現了大量巖溶管道系統(燕子磯等，圖4)。在當地實地調查過程中村民反映，雷雨天氣較為嚴重的時候，經常聽到附近山下傳來類似垮塌的轟鳴聲，說明巖溶管道系統在水文條件驟變的條件下也能產生微震動事件，其中較大者可能被近臺地震儀記錄下來。

圖4　長江三峽水庫巴東火峰巖溶管道系統發育圖Fig.4　Karst conduit system at Huofeng,Badong, Hubei province

在馬鬃山地區，蓄水后也有大量微震動事件發生。因此，探討巖溶地質結構及其在水位變動條件下的響應，將是深入了解水庫蓄水后引發的微震動成因機制的一個重要方向。同時，這也為其他巖溶發育區的巖溶地質災害等研究提供參考。

2010年之后的地震的震源機制解呈現更多的逆沖走滑成分。2010年之前的30個地震中有7個存在逆沖機制，而2010年之后的15個地震中有7個存在逆沖機制，逆沖機制出現的概率是之前的2倍。比如2013-12-16發生在巴東的M5.1地震和2014-03-30發生在秭歸的M4.7地震，其震源都為逆沖走滑機制(巴東M5.1地震也有人認為是正斷走滑)，且應力軸方向與區域應力場基本一致，顯示了區域構造應力場對這些地震的控制作用。

參考文獻

[1]姚運生. “長江三峽水庫誘發地震監測” 項目成果介紹[J]. 國際地震動態，2006(9)：67-69(Yao Yunsheng.Indroduction on the Three Gorges Reservoir Induced Seismicity Monitoring Project Results[J].International Earthquake Dynamic,2006(9):67-69 )

[2]韓曉光，饒揚譽．長江三峽水庫巴東庫段地震成因分析[J]．大地測量與地球動力學,2004，24(2):74-77(Han Xiaoguang,Rao Yangyu.Analysis of Genesis of Reservoir-induced Microquake in Badong Reach of Three Gorges[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2004,24(2):74-77)

[3]《長江三峽重大地質與地震問題研究》編寫組．長江三峽工程重大地質與地震問題研究[M]．北京：地質出版社，1992(Research Group for Key Questions in Geology and Seismology for the Three Gorges in Yangtze River.The Research on the Geological and Seismic Issue of the Yangtze River Three Gorges Project[M].Beijing:Geological Publishing House,1992)

[4]胡毓良, 楊清源, 陳獻程. 長江三峽工程周邊地區的采礦誘發地震[J]. 地震地質, 1998, 20(4):349-360(Hu Yuliang,Yang Qingyuan, Chen Xiancheng, et al.The Mining-Induced Earthquake in the Yangtze River Three Gorges Project Surrounding Area[J].Seismology and Geology,1998,20(4):349-360 )

[5]薛軍蓉，李峰，王育，等. 三峽水庫蓄水初期9次微震震源機制解特征[J]. 大地測量與地球動力學，2004， 24(2)：48-51(Xue Junrong,Li Feng,Wang Yu, et al.Features of Focal Mechanism Solution of 9 Slight Shocks after Impoundment of Three Gorges Reservoir[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2004,24(2):48-51)

[6]林松建, 連玉平, 陳為偉. 水口水庫地區地震震源機制解特征分析[J]. 地震, 2007, 27(1):114-119(Lin Songjian,Lian Yuping,Chen Weiwei, et al.Analysis on Features of Focal Mechanism Solution of Earthquakes in the Shuikou Reservoir Area[J].Earthquake,2007,27(1):114-119)

[7]王墩, 姚運生, 薛軍蓉, 等. 三峽水庫重點監視區蓄水前后震源機制研究[J]. 大地測量與地球動力學, 2007, 27(5): 103-107(Wang Dun,Yao Yunsheng,Xue Junrong,et al. Focal Meachanism of Key Monitoring Area of Three Gorges Reservoir before and after Impoundment [J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2007,27(5):103-107)

[8]Snoke J A. FOCMEC: Focal Mechanism Determinations, International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology[M]. San Diego:Academic Press, 2003

[9]劉杰,鄭斯華，康英，等.利用P波和S波的初動和振幅比計算中小地震的震源機制解[J].地震，2004，24(1)：19-26(Liu Jie, Zheng Sihua,Kang Ying,et al.The Focal Mechanism Determinates of Moderate-Small Earthquakes Using the Motion and Amplitude Ratio of P and S Wave[J].Earthquake,2004,24(1):19-26)

[10]萬天豐．中國大地構造學綱要[M]．北京：地質出版社，2004(Wan Tianfeng.China Geotectonics Outline[M].Beijing:Geological Publishing House,2004)

[11]李安然，王清云,張飛飛,等．長江峽東地區構造應力場與地震活動的討論[J]．地殼形變與地震,1994，14(2): 67-75(Li Anran, Wang Qingyun,Zhang Feifei,et al.Discussion on Tectonic Stress Field and Seismicity in the Eastern Yangtze Gorges [J].Crustal Deformation and Earthquake,1994,14(2):67-75)

Foundation support:National Natural Science Foundation of China, No. 41572354,41474050.

About the first author:SONG Chen, engineer, majors in engineering seismology and engineering geophysics,E-mail: songchen2000@126.com.

Possible Mechanisms of the Earthquakes that Occurred in the Key Monitoring Area of the Three Gorges Reservoir after the First Impoundment

SONGChen1，2WANGDun1

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China 2Institute of Earthquake Engineering of Wuhan, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China

Abstract:Using P/S amplitude ratio and P-wave first motion data obtained by the digital telemetered seismic network of induced earthquake monitoring system in the Three Gorges area, we analyze the focal mechanisms of earthquakes occurring in the key monitoring area of the Three Gorges reservoir. The main features are near vertical P axes and pure normal faulting. Water loading and its fluctuation in the reservoir, together with the chemical effects of water, might cause the unstable planes to lose balance, resulting in small earthquakes. This is supported by the focal mechanisms of the induced earthquakes that show oblique P axes, which are different from the regional stress fields and focal mechanisms of the earthquakes that occurred before the first impoundment.

Key words:the key monitoring area of Three Gorges reservoir；focal mechanism；gravity of rock mass; induced earthquake；stress field

收稿日期：2015-08-04

第一作者簡介：宋琛，工程師，主要從事工程地震和工程物探研究，E-mail:songchen2000@126.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.07.015

文章編號：1671-5942(2016)07-0625-05

中圖分類號：P315

文獻標識碼：A

項目來源：國家自然科學基金(41572354,41474050)。