宋　琛　王　墩

1　中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),武汉市洪山侧路40号,430071 2　武汉地震工程研究院，武汉市洪山侧路40号，430071

三峡水库蓄水后小微震事件的震源机制及成因分析

宋琛1，2王墩1

1中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),武汉市洪山侧路40号,430071 2武汉地震工程研究院，武汉市洪山侧路40号，430071

摘要：利用三峡工程地震监测台网记录的2003～2014年地震振幅比和P波初动数据，对三峡水库重点监视区蓄水后地震的震源机制进行解析。结果表明，这些地震震源的基本特征是大仰角的主压应力轴和近于正断的震源错动。在库水的循环加卸载及其水岩的理化作用下，浅表岩层软弱结构面(体)失稳，是蓄水后小微地震活动的主要诱因。 值得注意的是，2010年以后，逆冲走滑类型地震的比例显著增多，显示了区域构造应力场的控制作用。

关键词：三峡水库重点监视区；震源机制；岩体自重；诱发地震；应力场

三峡水库蓄水后发生的大量小微地震表明，水库诱发地震成因机制异常复杂[1-2]。三峡水库重点监视区内广泛发育的岩溶、废弃的煤矿采坑及软弱地质结构面(体)在库水浸泡及加卸载作用下，引发一系列成因复杂的小微震群(如秭归泄滩、巴东火峰、巴东马鬃山等微震群活动)。有些震群活动在空间上与断层分布存在重叠，因此，对该区震群活动成因机制的正确认识是准确判断地震趋势的基础。

1研究区域地质构造背景

中国区域应力场的展布和三峡工程区的应力测试都支持三峡地区应力场的水平最大主压应力为近东西向。本区受西部印度板块挤压和青藏高原隆升、东部太平洋板块挤压共同作用，西部北西向挤压应力场和东部北东向挤压应力场在此区交汇，构成该区水平构造应力场的分布规律。在重庆以北，水平最大主压应力方向多为北西向；至重庆地区水平最大主压应力为北西西；潜江、江汉-洞庭盆地一带，水平最大主压应力明显转为东西-北东东向

三峡库区各主要断裂带第四纪以来曾有过活动，其活动时间多在早更新世和中更新世，以中更新世最盛，至晚更新世则大为减弱，没有发现全新世活动断层[3]。三峡库区地下水动态监测井网的钻探发现，九畹溪断层内的水多为原生水，反映其长期处在封闭环境，与外界没有流体的交换，表明该断裂近期活动特征并不明显。

从区域构造格局上来看，三峡水库重点监视区内存在一定的地震活动背景，但活动强度不高。即使是许多沿断裂分布的小震，也被怀疑为煤矿地震，与断层活动性无关[4]。蓄水后的微小地震成因机制一直是重点关注的问题。大地震可以通过震源破裂反演获得较为清晰的震源过程图像，对于小微地震，该方法则不太适用。通过野外地震地质科考、震源参数确定、震源机制解析等手段，研究人员对水库诱发地震的成因机制进行研究，获得了较好的结果[5-6]。比如薛军蓉等[5]采用P波初动资料，对蓄水初期的9个地震的震源机制进行解析，显示蓄水后的地震构造主应力以垂直为主,这也与王墩等[7]的结果一致。此两项工作的研究对象均为蓄水前后3 a内的地震。针对近年来三峡地区的地震震源机制进行系统性解析工作，有助于加深认识三峡地震机制及其可能的变化趋势。

2数据及方法

本文主要通过解析三峡水库重点监视区有一定影响的地震的震源机制解，结合地质构造特征和地震地质考察，对水库诱发地震成因机制进行探讨。与文献[7]不同，本文利用三峡台网记录的振幅比(SV/P,SH/P和SV/SH)和P波初动数据，解算三峡水库重点监视区内所有ML≥2.2级地震(2004～2014)的震源机制解。由于部分台站信号信噪比不高、波形数据不全等因素，本文最终得到40个地震的震源机制解结果。

使用三峡地震遥测台网记录波形数据，读取可用P波初动和P波、SH波及SV波振幅比。通过实际观测P波、SV波、SH波振幅比，采用网格搜索方法，比较理论计算与实际观测得到的振幅比矛盾最小方式，求取震源机制的最佳解[8]。在量取P、SH波及SV波振幅前，先将三分向原始数据旋转成RTH坐标。根据文献[9]，读取P、SH及SV波初动到达后1～2 s内振幅的最大值，校正放大系数。这里，P波初动和振幅、SV波振幅由垂直方向得到，SH波振幅由切向得到。

针对震级2.2级及以上地震，采用P波初动和振幅比法联合求解其震源机制解。针对2003～2006年发生在巴东库段的微震(M1～2.1)，计算其小震综合节面解。

3震源机制解析

3.1M≥2.2级地震的震源机制解

本研究获得的40次M≥2.2 地震的震源机制解见表1，其空间分布见图1。为便于比较分析，一些在该区内发生的、可能与库水作用关系不大的地震也包括在图内。从图1可以看出，这些地震主要分布在巴东县东穰口、官渡口及秭归县罗圈荒、新滩附近、郭家坝，其中，尤以巴东东穰口镇溪丘湾及官渡口镇火峰最为密集。这些地震多发生在库岸区或岩溶广泛发育的灰岩地区，显示了其与库水作用的密切关系。

表1　三峡水库重点监视区内40个地震(M≥2.2)震源机制解(2003-06～2014-03)

发生于巴东地区的地震震源机制大多数为正断性质，滑动角大多超过-70°，显示了正倾滑机制的主导地位(图1、图2)。在秭归郭家坝地区，存在一定数量的逆断和走滑机制的震源，暗示在蓄水后三峡库区小震频度剧增的背景下，该区构造地震活动与局部应力场可能存在一定关系。

图1　三峡水库重点监视区内蓄水后40个地震的震源机制解Fig.1　Focal mechanisms of the 40 induced/triggered earthquakes

图2　蓄水后40个地震的滑动角方位分布Fig.2　Distribution of rake angles for the earthquakes that occurred after the first impoundment

震源机制的P轴和T轴的走向和倾角常被用来研究区域构造应力场和震源应力场。通常认为，构造地震的发震应力场受区域应力场的控制，故大量约束较好的震源机制数据可以反演区域构造应力场。中国区域应力场的基本特征为主压应力和主张应力近于水平，东部地区呈现为近东西向为主，西部地区则以近南北向为主[10]。三峡地区位于东、西部应力转换地带，该区复杂的应力状态，表层与深层的应力场不一致，造成了其构造应力场方向北北东、北北东-北东、北北东和北西向以及“不定方向”等各种不同看法[11]。本文利用三峡地震监测台网数据，求得蓄水前三峡水库重点监视区内的主压应力和主张应力方向分别为近东西向和近南北向，且仰角都近于水平[5]。蓄水后震源机制的P轴为陡倾角，P、T轴均无明显方向性，明显有别于蓄水前该区地震(图3)，表明蓄水后的震源机制绝大多数不受区域构造应力场控制。

图3　蓄水前4个地震(2001-01～2003-05)和蓄水后19个地震(2004-07～2008-02)的P轴及T轴的等面积下半球投影Fig.3　P and T axes of the focal mechanisms of the earthquakes before and after the first impoundment

考虑到因地壳不均匀性和地下结构面反射导致的振幅比数据变化和P波初动反向等因素导致的震源机制解误差，很难用震源机制数据单独确定独立地震的成因机制及其与区域构造应力场的关系。但是，基于大量较大微小地震的震源力学分析，有助于获得地震活动的趋势信息，界定其成因机制。

3.2巴东库段微震小震综合节面解

采用小震综合节面解方法，求取2003～2006年发生在巴东马家村、马鬃山、官渡口、东穰口以及巴东老城区等5处微震群的小震综合节面解[7]。结果显示，微震的震源应力场有4处主要表现为P轴仰角较高、近于垂直，而T轴则仰角较小、 与长江库岸垂直，与库水荷载引起的地壳浅表层形变场是一致的。在库水的重力荷载作用下，库岸再造过程中形成了一个从江心到两岸逐渐衰减的张应力形变场，这个应力场表现为张应力方向与库岸垂直，仰角较小(近水平)。

4结语

蓄水后的震源机制表明，这些地震绝大多数不是由三峡地区构造应力场控制的构造地震，特别是2010年及以前发生的地震。类似于P轴高仰角的震源机制，在1972年新丰江水库地震中大量出现。在那次地震活动中，80%地震的主压应力轴是垂直或接近垂直的，与区域构造应力场不一致。由此看来，在三峡地区目前分布的微震活动主要是受局部应力场控制的，浅表层不良岩土体的自重，或是这些微震的主压应力的主要来源，震后科考也验证了这一点。这些微小地震的特点是震级小、震中烈度大，部分震级低于3的微震会在震中区形成地表裂缝、房屋塌角等在Ⅶ度区才会出现的震害；部分极微震震中附近的居民可以很清晰地听到地震发出的强烈声响，说明这些地震的震源非常浅。因此认为，浅表层岩土体在库水荷载及周期性消长作用下，沿不稳定结构面滑动，以适应新的应力应变场，引发了微震活动。浅地表不良地质体可能也参与了微震的孕育及发生过程，比如在巴东火峰地区发现了大量岩溶管道系统(燕子矶等，图4)。在当地实地调查过程中村民反映，雷雨天气较为严重的时候，经常听到附近山下传来类似垮塌的轰鸣声，说明岩溶管道系统在水文条件骤变的条件下也能产生微震动事件，其中较大者可能被近台地震仪记录下来。

图4　长江三峡水库巴东火峰岩溶管道系统发育图Fig.4　Karst conduit system at Huofeng,Badong, Hubei province

在马鬃山地区，蓄水后也有大量微震动事件发生。因此，探讨岩溶地质结构及其在水位变动条件下的响应，将是深入了解水库蓄水后引发的微震动成因机制的一个重要方向。同时，这也为其他岩溶发育区的岩溶地质灾害等研究提供参考。

2010年之后的地震的震源机制解呈现更多的逆冲走滑成分。2010年之前的30个地震中有7个存在逆冲机制，而2010年之后的15个地震中有7个存在逆冲机制，逆冲机制出现的概率是之前的2倍。比如2013-12-16发生在巴东的M5.1地震和2014-03-30发生在秭归的M4.7地震，其震源都为逆冲走滑机制(巴东M5.1地震也有人认为是正断走滑)，且应力轴方向与区域应力场基本一致，显示了区域构造应力场对这些地震的控制作用。

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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

第一作者简介：宋琛，工程师，主要从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

文章编号：1671-5942(2016)07-0625-05

中图分类号：P315

文献标识码：A

项目来源：国家自然科学基金(41572354,41474050)。