2019-12-26湖北应城MS4.9地震序列及发震构造讨论

吴海波 陈俊华 王 杰

1 中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验实，武汉市洪山侧路40号，430071

据中国地震台网测定，2019-12-26 18:35湖北省应城市发生MS4.9地震，震中位置113.40°E、30.87°N(图1)。本次地震地处江汉平原北缘，震感较为强烈，影响范围较大，为湖北中部地区继2006年随州MS4.2地震后又一次中等强度地震，也为湖北省内除水库地震外近几十年来非常显著的地震事件之一，引起社会各界广泛关注。本次地震与随州MS4.2地震均处于襄樊(襄阳)-广济(武穴)断裂带中段附近，而在襄樊-广济断裂带南段2005年和2011年还分别发生九江MS5.7与阳新-瑞昌MS4.6地震。对于传统意义上的中国中东部少震弱震区域，这些地震的发生是否表明区域构造应力场的改变，需对这些中等强度地震序列及发震构造进行深入探讨。为此，本文将从地震学与地质学的角度对应城MS4.9地震的序列活动、震源机制解与发震构造进行分析，该研究对认识大别造山带南缘江汉盆地现今构造应力场及预测评判未来地震灾害具有重要意义。

DBB：大别造山带；YZP：扬子准地台；JDB：江汉-洞庭盆地；YYS：应云凹陷；XBS：小板凹陷；QJS：潜江凹陷图1 研究区构造背景Fig.1 Tectonic setting of the study area

1 地质构造背景

本次地震震中位于应城、京山、天门交界地区，属于江汉-洞庭断陷盆地(JDB)东北缘，构造上处于淮阳山字型西翼与新华夏系构造复合地区，东北侧以襄樊-广济断裂为界与大别造山带(DBB)相邻，构造活动主要受这两大构造单元控制与影响。江汉-洞庭盆地基底主要为震旦-白垩纪地层，自早白垩纪开始，受到华北地块与扬子准地台碰撞造山作用演化影响，经历前陆、断陷与坳陷等多期构造活动，形成现今一系列复杂的凹陷-凸起小构造单元格局；新近纪以来，江汉盆地整体呈坳陷状态，应力环境以拉张为主[1]。刘锁旺等[2]认为，第四纪以来，盆地非对称扩张主要为控制着该区及周缘的北西、北东向断裂走滑拉分或走滑挤压构造活动引起的。徐杰等[3]认为，区内中强地震主要与第四纪垂直差异活动有关。本次地震处于江汉盆地北缘应云凹陷(YYS)西侧，地形上位于大洪山与江汉盆地过渡地带，北侧在新生代强烈上升，南侧凹陷大幅沉降，新构造活动垂直差异明显。

应云凹陷及周缘地区主要分布有NWW向和NNW向断裂，其东北缘的NW向襄樊-广济断裂为区域性深大断裂，主断裂切割元古界、震旦系和寒武系，基本沿秦岭-大别造山带南缘与中扬子准地台2个构造单元边界线展布，其中段隐伏于第四系沉积物之下，斜切于震中区附近，为应云凹陷北侧边界。西侧被NNW向皂市断裂切割，该断裂北起京山，南至皂市东，转向近NS向后隐伏于白垩系-第四系之下。皂市断裂倾角上陡下缓，在上地壳底部斜切入襄樊-广济构造带内，为秦岭大别逆冲推覆体系所控制。应云凹陷南侧为龙赛湖弱凸起，该凸起北侧发育多组相互平行的NWW向次级断裂，包括长江埠断裂与三合断裂等，统称长江埠断裂，控制着应云凹陷南侧边界，在地形地貌上表现为明显的左行特征。研究表明[1,4]，长江埠断裂同样受秦岭大别逆冲推覆体系控制，为襄樊-广济断裂系次级小断裂。在江汉盆地现今NWW-SEE向主压应力控制下，这些NW向断裂构造活动以左旋走滑为主[2]。另外，本区另一条重要断裂——NEE向潜北断裂，西起钟祥滚挡西，经老泗港止于渔薪河以东，横穿江汉盆地中部。断层倾向SE，贯穿白垩系-第三系，并切割基底，为潜江凹陷(QJS)北部边界。该断裂第四纪以来仍有活动，表现为正断拉张特征(图2)。

图2 地质剖面解释(据文献[1, 4]改编)Fig.2 Interpretation of geological profile

2 震源机制解

2.1 方法与数据

震源机制解是讨论发震构造的重要手段之一，其求解方法主要有P波初动符号法、P波与S波振幅比法、体波或面波波形拟合法等。前2种方法受到台站分布、数量、震中距、辐射花样及节面判定等因素影响，而体波或面波波形拟合法受到的影响相对较少，被广泛应用于中等以上地震震源机制解求解[5-7]。本文采用kiwi波形拟合法，先反演主震的矩张量解，再求其震源机制解。地震矩张量及kiwi方法的基本原理可参考文献[8-9]。该方法将整个震源过程简化为包含13个独立参数的“程函”模型，从频率域和时间域进行求解。由于在频率域反演中振幅谱对近场地壳速度结构的不均匀性不敏感，在更高频率仍可得到稳定解，因此可充分利用地方台波形数据来求解更低震级地震的震源机制。

本文反演资料来自湖北省测震台网宽频带波形数据，绝大多数台站地震计频带宽度为40 Hz～60 s，速度输出平坦。由于震中周边台站较多，按以下原则选取台站：1)台站间隙角较均匀，震中距小于200 km；2)波形数据质量可靠，各信道在滤波频率范围内信噪比大于100。最终选取10个台站参与反演(图3)。反演前先对数据进行去仪器响应、带通滤波等预处理，降低波形中各类噪声对结果的影响。

图3 震中周边台站分布Fig.3 Distribution of stations around the epicenter

2.2 区域速度结构模型

区域地壳速度结构模型对矩张量反演结果具有一定影响。从反演台站的分布范围来看，主要覆盖江汉盆地及周缘地区，地壳地层结构较稳定，浅表沉积层较厚。该地区地壳平均厚度约33 km，主要结构分为上、中、下3个主层与3个亚层[10-11],见图4。该区地壳的明显特征是在其中部约14～21 km处存在低速层，这一结果在不同人工地震测深剖面或研究成果中均有体现[2, 10-11]。

2.3 矩张量解结果

经频率域与时间域反演后，得到应城MS4.9地震的震源机制解(表1)。从表中可以看出，节面Ⅰ走向50°，倾角84°，滑动角150°；节面Ⅱ走向144°，倾角60°，滑动角6°；破裂性质为走滑兼少量逆冲成分，残差为0.449，矩震级MW4.6。图5为矩心深度、节面走向、倾角与滑动角残差拟合曲线。从图中可以看出，曲线变化较为稳定，观测波形与理论拟合波形一致性好，反映出反演结果可靠性高。另外，采用震中周边42个台站P波初动符号求解震源机制解(表1)，矛盾符号比为0。2种方法求解的节面产状与破裂方式一致性较好，从另一个方面也证明了反演结果的可靠性较好。

图4 震中区地壳速度结构Fig.4 Crustal velocity structure

黑线：理论波形；红线：观测波形图5 深度与节面产状残差曲线以及观测与拟合波形比较Fig.5 Residual curves of depth and plane parameters and comparison of observed and theoretical waveform

表1 应城MS4.9地震震源机制解

3 发震构造讨论

3.1 余震序列重新定位与震中烈度

应城MS4.9地震序列余震很少，截至2020-01-25仅记录到10次，无法使用双差定位法进行重新精定位。另外，由于最近台站的震中距达70 km，没有与震源深度相当的台站对深度进行约束，震源深度定位精度较差。为了得到稳定可靠的结果，本文统一使用上述地壳速度模型，选用最近的9个包围较好的台站(图3)与相同分析方法的震相，采用HYPO2000方法对地震序列进行重新定位。从表3和图6可以看出，本次地震序列集中分布在皂市断裂南段与长江埠断裂之间，东南止于龙赛湖弱凸起西北侧，主震处于余震序列西侧，余震数量少，但重新定位结果仍具有NW向展布趋势，与两断裂走向大体一致。根据湖北省地震局现场工作队的调查结果，本次地震主震的宏观震中位于应城市杨岭镇明光村一带，与重新定位后的仪器震中位置基本一致，震中烈度为Ⅵ度，等震线总体呈椭圆状，长轴走向为NW向，即沿长轴方向烈度衰减较慢，其与皂市断裂和长江埠断裂走向均不完全一致，而是介于两者之间。主震烈度等震线与余震展布方向均表明，本次地震序列可能同时受到这2条断裂的控制与影响。

图6 重新定位地震序列分布图与震中烈度Fig.6 Distribution of relocated earthquake sequenceand intensity of epicenter

表2 应城MS4.9地震序列目录(ML≥1.5)

3.2 震源机制解分析

震源机制解反演结果表明，节面Ⅰ走向NE，倾向SE，倾角较陡、近直立，表现为右旋走滑性质；节面Ⅱ走向NNW，倾向SW，为左旋走滑性质。地震主压应力P轴为NWW向，倾角近水平；主张应力T轴近NS向，倾角也较小。节面Ⅰ走向与余震分布和烈度等震线长轴方向不一致，尽管与潜北断裂走向和倾向相近，但与其正断性质的受力方式存在差异，因此可排除该节面为发震断面的可能性。节面Ⅱ为NNW向，与烈度等震线长轴方向和重新定位余震分布走向均基本一致，也与皂市断裂和长江埠断裂走向相近，但不完全一致，同时节面Ⅱ倾向也与上述断裂存在差异。

由于受到秦岭大别逆冲推覆体系的影响，震区附近断裂活动整体表现为逆冲性质，序列东侧长江埠断裂具有左旋滑动特征，与主震节面Ⅱ滑动方式一致，西侧皂市断裂也具有左旋滑动特征。由于长江埠断裂和皂市断裂走向不同，两者之间产生逆时针错转，使得主震滑动面走向与2条断裂走向均不完全一致，大体位于2条断裂走向夹角中间方向。在这一受力方式作用下，发震断面倾向也会发生转变，与实际断层倾向存在差异，余震主要分布在主震右侧(长江埠断裂一侧)，反映出地震序列受长江埠断裂作用较明显。另外，从图2可知，这些断裂均上陡下缓，约在5 km深度处发生转折，而反演的主震矩心深度正处于该位置，即主震处于深部断层面转变较为剧烈的区域，在特殊受力方式下容易产生地震断面与实际断层断面不一致的现象。2019-06-17长宁6.0级地震同样也为处于山地与盆地结合地带的浅层地震，波形拟合矩心深度仅3 km，也存在节面倾向与实际断层倾向不一致的情况。易桂喜等[12]研究认为，这种差异与断层面复杂的几何形态有关，特别是在构造变形转换区的地壳浅层，当受到横向各向异性作用力时更复杂。从上述分析可推测，本次地震序列为皂市断裂和长江埠断裂构造活动共同引起，上述2条断裂为本次地震序列的发震构造。

3.3 区域构造及应力场分析

应城MS4.9地震震中位于江汉盆地北缘应云凹陷内，为山盆构造变形转换地区，同时该区存在隐伏断裂，使区域构造更为复杂。除襄樊-广济断裂、皂市断裂与长江埠断裂外，周边还发育潜北断裂、天门河断裂、汉水断裂、通海口断裂等，这些断裂在应云凹陷的形成与演化过程中均具有相应作用，控制着该区的构造活动与中强地震的孕育与发生。2006年随州MS4.2地震发生于皂市断裂西北端与襄樊-广济断裂交界地带北侧，李峰等[7]研究认为，该地震是在NE向主压应力作用下，襄樊-广济断裂带及其次级构造破裂所引起的；地震破裂表现为逆冲性质，为随应推覆体的逆冲构造活动。本次地震发生在皂市断裂东南端与长江埠断裂之间，但断面产状和主应力方向与随州地震明显不同(表2)，破裂方式以走滑为主，主压应力方向存在明显差异，前者为NWW向，后者为NE向，反映出该区构造活动的复杂性。

从区域构造来看，皂市断裂与长江埠断裂均斜切入襄樊-广济断裂带内部，本质上仍属于襄樊-广济断裂带推覆体系的次级分支，因此本次地震仍为襄樊-广济断裂带中段的构造活动。主震主压应力P轴NWW向及主张应力T轴NNE向与江汉盆地现今构造应力场方向一致[2]，反映出本次地震实质上仍是在江汉盆地及其周缘现今构造应力场控制下的正常构造活动。另外，震源机制解中，主压应力P轴倾角较低，这种动力方式与2000年以来湖北地区多次中等或中强地震的发震模式相近，包括竹山断裂与青峰断裂附近的2008年竹山MS4.1地震[13]与2014年房县MS4.0地震，襄樊-广济断裂带附近的2005年江西九江MS5.7地震[5]、2011年阳新-瑞昌MS4.6地震[6]，以及三峡库区2013年巴东MS5.1地震、2014年秭归MS4.5、MS4.7地震、2017年秭归MS4.3地震等，同时也与区域现今GPS水平速度场方向一致[14]，反映出湖北地区现今构造应力场的主体特征。

4 结 语

通过综合分析主震震源机制解、余震分布、烈度等震线、震源深度以及区域构造和应力场特征，推断襄樊-广济断裂带中段的次级断裂——皂市断裂与长江埠断裂构造活动共同引发此次应城地震序列活动，为本次地震发震构造。2008年汶川8.0级地震前后，襄樊-广济断裂带中南段曾相继发生2005年九江MS5.7地震、2006年随州MS4.2地震、2011年阳新MS4.6地震等一系列中强地震，应城MS4.9地震的发生表明，大别造山带南侧现今构造活动仍较明显，未来需继续关注襄樊-广济断裂带主断裂及其与次级断裂的交汇转折部位。

致谢：德国Hamburg大学地球物理研究所Cesca博士提供kiwi程序包，甘家思研究员与审稿专家提出意见与建议，在此一并表示感谢。