2019年8月海南岛三亚地震的控震断裂及未来地震危险性分析

孙 伟， 杜建军， 韩 帅， 韩建恩， 胡道功

(中国地质科学院地质力学研究所， 北京 100081)

0 引言

海南岛在大地构造上位于欧亚板块、太平洋板块和印度-澳大利亚板块的衔接部位，复杂的构造位置会导致海南岛地区的地震活动频繁。在地震区划上，海南岛及其邻区属于东南沿海地震带的西南端，受区域构造的影响，具有发生强震的构造背景。例如公元1605年，在琼北地区曾发生7.5级琼州大地震。依据历史地震和近现代地震的研究，把海南岛划为华南弱强震区[1]，并进一步将其划分为雷琼地震活动区、琼南地震活动区和北部湾地震活动区的3个地震活动区[2]。海南岛的地震活动具有北强南弱的特征，琼南地震活动区除1969年在陵水县东南海中发生5.1级和5.2级两次破坏性地震外，还分别在1982年三亚市崖州区和1992年东方县发生过两次4.0级以上地震。虽然琼南地区破坏性地震较少，但是沿九所-陵水断裂有密集的小震分布，温泉亦沿断裂展布，显示九所-陵水断裂对琼南地区的地震和温泉活动有一定的相关性。

2019年8月20日10时48分在海南三亚市天涯区(18.51°N， 109.41°E)发生3.2级地震，震源深度9km。当日19时17分又在同一地点发生4.2级地震，震源深度12km。此后，在不到半天的时间里，几乎在同一位置又发生了5次微地震。虽然连续小震没有给当地居民带来直接的经济损失，但还是在三亚地区甚至海南引起一定的社会恐慌。考虑到三亚市是重要的旅游城市，人口稠密，震中周边存在多处村庄，历史小震分布密集，且在1982年发生过4.5级地震，给人民正常生活带来很大的隐患。因此对区域内地震活动和控震断裂的研究具有较强的现实意义。

本文依据已有的深部地球物理资料、地震应力降及地应力测量资料，结合野外对震中区附近断裂构造的分析，探讨九所-陵水断裂、乐东-田独断裂等与地震活动的关系，以期为三亚地区地震活动特征研究提供基础研究地质资料，进而推动三亚以及整个琼南地区的防震减灾和稳定性评价工作。

1 区域地质背景和地震活动特征

海南岛及其邻区受欧亚板块、菲律宾板块、印度板块运动和南海海盆扩张的联合作用，区域内构造运动、火山作用和地震活动强烈，其中海盆扩张对本区的影响最大。南海属扩张后的弧后盆地，扩张轴呈近东西向展布，南海扩张使海区形成一系列走向EW-NEE向的隆起、坳陷及其右旋扭动断裂，并逐渐波及北侧的大陆，在雷琼地区形成一系列近EW向的线性深大断裂带[3-4]。

海南岛内主要活动断裂有EW、NE和NW向三组，其中4条纬向断裂控制着海南岛的断陷、隆起以及火山岩分布，由北至南依次为王五-文教断裂、昌江-琼海断裂、尖峰-吊罗断裂和九所-陵水断裂。海南岛新构造运动强度不均一，具有北强南弱的鲜明特点。王五-文教断裂是琼雷断陷带和琼中南隆起区的分界线，断裂活动、火山喷发和地震活动主要分布在该构造带以北的琼北断陷区，新构造运动强烈且持久，具有多期次性。九所-陵水断裂是琼中地体和三亚地体的分界线，分割海南岛中部山区和南部的丘陵、平原，控制海南岛南部地形地貌的发育。琼南及临海地区的断裂活动主要表现为老断裂的继承性活动，火山活动性弱，地震活动较为平静，多以浅源小型地震为主。岛内小型地震多呈线性分布于九所-陵水断裂带周边，断裂带中部和东部地区发育密集[5]。

海南省最早的地震记录始于公元1466年琼山3级地震，破坏性地震记录始于1524年琼海5级地震。震级最大地震是1605年7月13日发生在雷琼地震活动区的琼山7.5级大地震，伴随此次地震发生过多次震级大于5级的前兆地震和余震[6]； 20世纪90年代，在北部湾发生过6.1级和6.2级两次地震。历史上5.0级以上的破坏性地震大部分发生在海南岛北部的雷琼地震活动区和北部湾地震活动区。与之相比，琼南地震活动区破坏性地震较少，仅1969年在陵水县东南海域中发生过5.1和5.2级两次地震(表 1)。

表 1 海南岛及邻区MS≥4.7级地震目录 (据参考文献[7]修改)Tab.1 Catalog with MS≥4.7 earthquakes in Hainan Island and its surrounding areas

琼南地震活动区，地震活动整体较为平静，多发生浅源小型地震，地震震级大都小于3级，且岛内大多数地震分布在九所-陵水断裂带中部和东部周边，沿断裂亦有多个温泉展布(图 1)。陵水东部海域和东方近海，在20世纪以来，小震活动较为频繁，表现出小震群活跃特征[7]。

图 1 琼南及周边地区活动断裂、地震和温泉分布图Fig.1 Distribution map of active faults， earthquakes and hot springs in Northern Hainan Island and its surrounding areas

表 2 2019年8月三亚地区地震目录Tab.2 Earthquake catalogue of Sanya area on Aug.，2019

2019年8月20日至21日，在海南三亚市天涯区扎卡村附近(18.51°N， 109.41°E)先后共检测到地震7次，其中，ML>3.0级的2次有感地震时间间隔8.5h，空间位置重叠。其余5次为微地震，震源深度5～12km(表 2)。

2 震中周边主要断裂构造特征

本次地震中，两次有感地震的震中重合，均位于三亚市天涯区扎卡村北(18.51°N， 109.41°E)，区域内有走向NE、NW、SN和近EW方向的4组断裂相交于震中西南方向，且不同方向断裂存在切割关系。近EW向九所-陵水断裂和NW向乐东-田独断裂为区域内的两条大型断裂带，规模较大、延伸长度较长。NE向和SN向的断裂规模较小，为次级断裂(图 2)。

2.1 九所-陵水断裂带构造特征

九所-陵水断裂带西起九所附近，向东经崖城北部、育才镇、新政镇、加茂镇、隆广镇、文罗镇，到达陵水东北部地区，在岛上延伸100km有余。该断裂带是20世纪80年代通过地球物理勘探发现的一条近东西走向布格重力异常和航磁异常带，断裂两侧的莫霍面深度亦有明显差异(图 3)。

九所-陵水断裂作为一条深大构造带，亦被当作是琼中地体和三亚地体的分界线。以九所-陵水断裂带为界，两侧地体在沉积岩性、岩相、岩浆岩、变质岩、古地磁、古生物、岩石地球化学、地球物理场等多方面均存在差异[9]。依据最新的调查资料，沿九所-陵水断裂带发现多处存在韧性剪切带[10-12]，这些证据佐证了这条深大断裂带的存在。

图 2 研究区主要断裂及本次地震震中分布Fig.2 Distribution of main faults and epicenters of earthquake on Aug.，2019 in the study area

图 3 海南岛布格重力异常图和莫霍界面等深度图(据参考文献[8]修改)Fig.3 Bouguer gravity anomaly map and Moho interface depth map of Hainan Island(based on reference[8])

九所-陵水断裂带不仅在深部构造上有明显的特征，在浅地表的地形地貌上，也起着明显的控制作用，分割海南岛中部山区和南部的丘陵、平原[5]。如图 1所示，在断裂带东西两端，沿断裂形成明显的地貌陡坎，断层北部为隆起的山体，南部为相对平缓的地势较低的平地； 在断裂带穿越的中部山区，地貌线性特征明显，显示了在新生代有过强烈的活动，并对断裂带两侧地貌有明显的控制作用。

断裂带所经之处，植被覆盖严重，仅在三亚市天涯区高峰乡岭曲宁远河南岸(18°32′10.90″N， 109°27′29.40″E)见到九所-陵水断裂露头(图 4)。断裂发育于侏罗系下统的岭壳村群的一套火山岩中，走向近EW，产状为13°∠51°，依据断层面上的擦痕推断为自北向南的逆冲(图 4a和图 4b)。断层破碎带厚度在1m左右，由粒径2～5cm尖棱状角砾岩构成(图 4c和4d)。断层角砾岩已经固化，推测活动时代为早-中更新世。沿断裂带未发现晚更新世以来的活动证据，指示晚更新世以来活动微弱。在如图 1所示，琼南地区地震活动主要集中于九所-陵水断裂带的中部至东部，地震等级较小，断裂带西部地区历史上基本无地震发生； 断裂带东部地区较西部更为活跃，但形变范围较小，且表现出一定程度的逆断活动特征[13]。此外，也可见多个温泉沿断裂带分布(图 1)。

综合地貌、温泉、地震和深部构造，推断九所-陵水断裂是一条深大断裂带。新构造运动以来，在早第四纪有过强烈的活动，晚更新世以来活动微弱，但对区域上现代的地震活动具有明显的控制作用。

图 6 乐东-田独断裂楔状断层泥剖面Fig.6 Wedge-shaped fault gouge of Ledong-Tiandu fault

2.2 乐东-田独断裂构造特征

乐东-田独断裂是琼南地区主要的NW向断裂之一，规模较大，西北起自乐东黎族自治县的东南部，向东南平直延伸至三亚田独附近，直至亚龙湾附近消失。断裂在陆地上的延伸长度约80km左右，海域延伸情况不明。

在三亚市育才镇那受村附近切割NE、EW和SN向的其他三组断裂，显示NW走向的断裂相比其他方向的断裂具有最新的活动(图 1)。在那受村以南的东南段，地貌线性特征明显，过那受村向西北方向，地貌特征越来越不清楚，在乐东附近消失。地貌上的差异，指示断裂东南段的活动性强于西北段。

在吉阳区安罗村附近新修一隧道，隧道东南和西北两出口处均见有断裂迹象，东南口(18°15′12.81″N， 109°35′21.69″E)见其断层破碎带(图 5)，破碎带宽约30～35m，两侧花岗岩基岩结构完整，中间基岩破碎，与周边形成截然过度，破碎带内发育多条小型断层，走向均为NW向，其产状分别为25°∠72°、240°∠68°、45°∠82°和245°∠80°。隧道西北口施工工地旁(18°15′32.03″N， 109°35′7.12″E)见一剖面(图 6)，剖面底部观察到有两处楔状断层泥，断层泥颜色为黑色，内含石英颗粒，下部开阔，向上逐渐收窄尖灭，未延伸入顶部坡积物中。推测下部断层挤压活动，导致断层泥上涌，形成上窄下宽的楔状形态，产状240∠20°、210∠70°。两个剖面顶部的全被晚更新世-全新世坡积物覆盖，坡积物保持完整，未发现变形或错断。指示乐东-田独断裂在晚更新世以来未发生明显的活动。

2.3 NE向断裂构造特征

震中周边存在两条NE向次级断裂，二者基本平行，规模较小，其一为宁远河断裂，沿NE走向的宁远河河谷展布，长约25km。在遥感解译图上(图 1)，可见清晰的线性地貌迹象。另一断裂为红卫断裂，长约25km，延伸靠近地震震中位置，在天涯区育才镇那受村附近和SN向豪刁断裂一同被乐东-田独断裂所切割错动。说明其最新活动时代晚于NW向乐东-田独断裂，晚更新世以来活动性差。

在三亚市天涯区育才镇保月村附近(18°28′8.86″N， 109°19′43.40″E)发现NE向断裂的露头剖面(图 7)，剖面高度约4m，走向50°。顶部约0.2m为土壤层，其下覆盖厚度约0.5m坡积物，坡积物下的花岗岩原岩风化破碎，剖面上可见多条颜色为红褐色的垂向条带，判断为基性岩脉风化形成。剖面中逆断层走向NNE，产状330°∠53°，错动红褐色岩脉风化物，断距约60cm。断层面上多可见灰色断层泥，厚度1～2cm，向上未错动顶部坡积物。

3 讨论与分析

3.1 深大断裂对地震活动的控制作用

重力异常突变指重力异常等值线沿某个方向发生较大变化，重力异常带往往同时也是深大断裂或活动构造带[14]。大地震发生的地区有其特殊的深部构造，重力异常可以作为其特殊深部构造的一种体现[15]。九所-陵水断裂作为琼南地区一条主要的深大断裂，对琼南地区的地震必然有一定的控制作用。

徐晓枫等[17]依据海南岛及邻区的1.0级以上地震的重新精定位后显示琼南地区微地震震群更加集中密集，并向九所-陵水断裂带趋近，发散分布于上地壳20km内，近似呈正态分布形态，优势分布深度为5～15km，地震呈现垂直条带分布特征。这种地震的沿断裂带呈现在平面上密集分布，在纵向上垂直分带的特点，体现了九所-陵水断裂带新构造活动对其附近地震活动的控制作用。同时，沿断裂带玉井温泉、高峰温泉、红鞋温泉、沸水冷泉等多个泉水沿断裂带的分布也显示断裂对温泉分布具有一定的控制作用，海南岛温泉的成因机制与断裂活动密切相关[18-19]，说明九所-陵水断裂在局部区段存在新活动，深部的地震活动和地热都与其有密切的关系(图 1)。

3.2 构造结合部位是地震的易发部位

震中周边多方向断裂交汇穿插，处于地壳应力长期积累区域，野外露头和地质资料显示NE方向断裂规模最小，且活动时间最早，活动性差。海南岛NW向断裂具有新生性和较强活动性，控制着海南岛最新的火山活动和新生代地层的分布，特别在琼南地区，断裂结合部位NW向活动构造与EW向构造交汇处是地震孕育的主要场所[4， 7]。例如2001年12月陵水县三才镇(18°28′N， 110°03′E)发生ML4.0地震，后续发生4次ML>3.0的余震，震中周边有三组断裂通过，分别为近EW向九所-陵水断裂、NW向白沙-陵水断裂和NE向陵水-万宁断裂。震源机制解结合地质构造背景推断，ML4.0地震主压应力方向为SN向，其后的4次3级以上余震主压应力轴转变为NWW向，并诱发了区内NW向和近EW向断层的走滑运动[6]。

同时在图 1中可以看到，感城-黄流断裂与尖峰-吊罗断裂交汇于东方市南侧，可见东方市西侧海域中地震密集发育； NW向的乐东田独断裂和田岸断裂与九所-陵水断裂的交汇部位也是地震密集分布的部位。乐东-田独断裂切割NE、SN和EW向断裂，显示其相比其他方向断裂有较新的活动性。推断其亦是此次地震的控震断裂之一。

3.3 地震危险性

应力降通常定义为断层面上所释放的应力，一般认为在出现高应力降的地震后，有大概率出现较上一次更高震级的地震，麻福洋等[20]通过对海南岛及周边2011—2018年的86次ML>2地震的研究，利用Brune圆盘模型计算得出其应力降，发现北部湾地区为海南岛周边的较强应力降值地区，但仍处于应力持续累积阶段，发生5级以上地震的可能性不大，而琼南地区基本不存在高应力降值地震事件，发生破坏性地震的可能性更低。

李盛等[16]研究发现三亚 4.2 级地震震中附近地区震前重力变化梯度带的异常范围也小于 100km，其特征尚未达到发生5级地震的异常形态与范围，基本不具有发生5级地震地震的背景。

加之琼中南地区及其邻区的新构造活动普遍弱于琼北地区，活动断裂晚更新世以来的活动性差，虽发生多次有感地震，但总体上地震活动较为平静，震中周边历史地震以ML<3级的微地震为主，发生大规模破坏性地震的可能性较小。

前人在琼南地区利用水压致裂法和套芯应力解除法进行了较为完善的地应力测量，得出最大主应力方向区间为NW—NWW向[21-22]。根据Byerlee准则进行判定，三亚市乐东县周边地应力远小于引发断层活动的下限值，证明周边断裂不具备强烈的活动性[22]。据此推断在乐东县周边没有高地应力积累的地区，发生破坏性强震的概率较小。

4 结论

本文依据已有的深部地球物理资料、地震应力降及地应力测量资料，结合野外对震中区附近断裂构造的研究，综合分析了2019年8月20日三亚市天涯区两次有感地震的控震断裂，研究了琼南地区未来地震活动危险性，得出以下结论：

(1)九所-陵水断裂为一条区域上的深大断裂，为琼南地区主要控震断裂，沿断裂带小型地震频繁而密集发生，并控制温泉的发育。

(2)综合震中周边断裂和历史地震发育情况，推断此次三亚地震受近EW向九所-陵水断裂和NW向乐东-田独断裂联合控制，NE方向断裂对其影响较小。

(3)区域内的活动断裂晚更新世以来活动不明显，并结合区域重力场观测、地震应力降计算和周边地应力测量结果的资料，认为震中周边近期发生破坏性强震的可能性较小。