江汉盆地东北缘现今地壳构造应力场及其发震构造

廖梵汐 路 辉 董彦君 申学林

1 中国地质大学(武汉)紧缺战略矿产资源协同创新中心，武汉市鲁磨路388号，430074

2 中水淮河规划设计研究有限公司，合肥市云谷路2588号，230601

3 地震预警湖北省重点实验室，武汉市洪山侧路40号，430071

4 中南勘察设计院集团有限公司，武汉市珞喻路1077号，430074

区域构造应力持续作用使得地壳内部不断累积应变能，当应变能达到一定程度时会引发地震，地震波会携带震源机制、震源应力场及构造运动等重要信息。利用大量的震源机制结果获取区域构造应力场，是目前研究岩石圈应力场以及区域构造运动特征的重要手段之一。

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

江汉盆地位于扬子克拉通北缘，夹持于北部秦岭-大别造山带和南部江南-雪峰山造山带之间，西靠黄陵隆起和湘鄂西褶皱冲断带，东邻鄂东褶皱冲断带。近年来，围绕江汉盆地周缘发生多起破坏性地震，而此类地震的发震构造目前尚未达成共识。杨攀新等[1]结合物探资料认为，该盆地周缘地震活动与古近纪以来的断裂性质有关；刘锁旺等[2]发现，NW、NE向控盆断裂走滑拉分或走滑挤压导致江汉盆地发生非对称扩张，进而引发地震；徐杰等[3]认为，地震活动主要与该区域内第四纪垂直差异活动明显的构造有关。此外，2019-12-26湖北应城4.9级地震是该地区有地震记录以来的最大地震，并伴有后续余震，而此前该区域内地震活动较为平静，因此应城M4.9地震及其余震的发生是否表明该地区的构造应力场发生变化，需要进一步研究。本文将进一步结合震源机制解对湖北应城M4.9地震序列数据进行构造应力场分析，为江汉盆地东北缘应力场研究、区域地震活动特征评价以及进一步认识区域构造活动提供新依据。

1 地质构造背景

江汉盆地由震旦纪-早白垩纪的变质基底和中白垩纪以来的沉积盖层组成，其演化历史主要分为以下3个阶段：1)扬子克拉通和华北克拉通在中三叠世发生俯冲碰撞造山，进而挤压前锋带形成陆前盆地，伴随形成一系列NW和NE向断裂带；2)晚侏罗-早白垩世盆地发生顺时针旋转，NE方向由主压应力变为主拉应力，且盆地周缘断裂因为盆地旋转而不再垂直或平行于盆地，并表现出右旋走滑特征；3)晚第三纪-第四纪构造活动明显减弱，盆地开始由断陷转变为凹陷，并具有幕式特征(图1)[1,4]。

江汉盆地东北缘断层分布以襄樊-广济断裂带、皂市断裂带以及长江埠断裂带为主，其中襄樊-广济断裂带为区域性深大断裂带，其深部下切至震旦系变质基底，在研究区内隐伏于第四纪地层之下，走向NW，倾向NE，控制应云凹陷的东北界；皂市断裂北起京山天王寨，南至皂市东，往SSE方向延伸并隐伏于第四纪地层下，具有左旋走滑特征，控制应云凹陷的西界。皂市断裂与长江埠断裂倾角均呈上陡下缓走向，并一同斜切延伸至襄樊-广济断裂带内，属于襄樊-广济断裂带中段的次级断裂[5]。

2 研究方法

2.1 震源深度

震源深度的准确测定是探讨发震构造、分析地震活动性以及区域地震危险性评估的重要参考依据，在地震学研究中具有重要意义。由于本文用到11个地震序列，无法利用双差定位法对深度进行准确计算，但主震震中位置距离最近台站(钟祥台)为73 km，属于近震深度震相sPL的优势震中范围。由于sPL-P到时差与震源深度呈线性正相关，受震中距影响可忽略不计，因此可用于约束主震震源深度[6]。近震深度震相sPL确定震源深度的方法是运用频率-波速(F-K)方法模拟不同深度下的理论地震图，并将其与实际波形进行拟合对比，获得地震深度分布[6]。

由于余震的能量小、衰减快且地震波传播距离接近sPL深度震相可识别的极限范围，因此无法识别出清晰的sPL震相。但湖北省地震监测台网的台站分布对余震震中的包围性较好，且均有事件波形记录，因此采用单纯形法确定余震震源深度。该方法是Nelder等[7]提出的一种寻优方法，首先在n维空间中用n+1个顶点构成一个多面体，依据单纯形运算规则，计算各顶点函数值并进行比较，确定顶点优劣；然后计算新顶点，用好的顶点代替坏的顶点，不断改变顶点，使单纯形运算朝着目标函数最小方向移动，最终获得准确解。该方法可用于地方震、近震和远震。

2.2 应力场反演

本文采用网格搜索法对江汉盆地东北缘的应力场进行分析，利用大量小震与中强震的震源机制解数据，按照震级差异对震源机制解赋予不同权重，计算过程中采用全局搜索得到应力场最优解，最后获得应力场方向以及置信范围。

对应城M4.9地震及其余震分别进行震源机制解计算，并根据震级大小采用适当的计算方法，M≥3.0时采用Seis-CAP方法，M<3.0时采用P波初动方法。由于每个地震震级大小不同，对所计算的区域应力场方向提供的约束也有差异，因此需要根据地震震级大小赋予震源机制解不同的权重。每个地震震源机制解的权重W参照Shen等[8]大地测量数据计算应变的方式求取：

(1)

式中，W为地震震源机制解权重，大小为1～10；D为震级衰减常数；r为震级相对大小，即

r=M-Mmin

(2)

设定应力场旋转轴3个旋转角的搜索区间均为1°，应力比值的搜索间隔为0.1，置信水平为90%，获得应力场各参数的置信区间，应力形因子R的表达式为：

(3)

式中，S1、S2、S3分别为最大、中间、最小主压应力。

3 数据处理及结果

3.1 震源深度确定

sPL震相的优势震中范围为20～80 km[6]，湖北省测震台网中仅钟祥台(ZHX)符合要求。钟祥台有CTS-1型地震计和EDAS-24GN数据采集器，属于基岩台。对钟祥台记录到的应城M4.9地震波形数据进行去倾斜、去均值和扣除仪器响应处理，旋转NS-EW-UD分量至R-T-Z分量，滤除波形中1 Hz以上的高频成分，即可在径向(R)分量上观察到较为清晰的sPL震相。依据廖武林等[9]提供的速度结构模型，构建湖北地区的一维地壳模型(表1)，采用F-K方法模拟钟祥台在不同深度下径向、切向和垂向的理论地震图。将径向分量下Pg和sPL相对到时吻合后，对比理论震相和实际波形，进而得到震源深度。

表1 一维地壳模型

图2为应城M4.9地震的钟祥台位移记录。由图2(a)(示意图)可见，钟祥台可以观测到清晰的sPL震相，并表现出径向分量能量最大、垂向分量次之以及切向分量最小的特征。波形拟合结果如图2(b)所示，应城M4.9地震震源深度为6 km时，钟祥台径向分量上Pg和sPL震相与理论震相拟合度最高，且实际波形(红色曲线)与理论波形吻合度较好，表明利用sPL近震深度震相测定应城M4.9地震的震源深度为6 km。

余震震源深度采用单纯形法计算(表2)。由表可见，应城M4.9地震及其余震震源深度主要分布在4～6 km之间。

表2 sPL深度震相及单纯形法深度测定结果

3.2 震源机制解计算

利用震中距350 km以内的15个台站观测数据进行分析，并从中选取方位角分布较好、信噪比较高且P波初动清晰的宽频带波形，进行去仪器响应、分量旋转等处理。采用与sPL深度震相同一的地壳速度模型计算格林函数并获取理论地震图，分别对波形数据中Pnl和面波进行0.05～0.15 Hz 和0.05～0.1 Hz的4阶Butterworth带通滤波，并与理论地震波形进行相互拟合分析，拟合残差最小时对应的断层面解即为本次地震的最佳震源机制解。不同深度最佳震源机制解和波形拟合差如图3所示，由图可见，矩心深度为6 km，与sPL深度震相拟合得到的结果一致，对应的地震矩震级为4.8。

图4为矩心深度为6 km时部分台站的拟合情况，由图可见，15个台站共计75个波段，其中相关系数(曲线下第二行数字，单位%)大于80的波段有62个，占83%，拟合效果较好，结果可信度较高。

由图4可见，节面Ⅰ的走向143°、倾角72°、滑动角13°；节面Ⅱ的走向49°、倾角78°、滑动角162°，表明断层面以走滑为主，兼有逆断性质。最大主压应力P轴方向为近EW向，与区域构造应力场方向一致。

采用P波初动法确定的余震震源机制结果见图5和表3。由图、表可知，本次震群活动的断层破裂性质为走滑兼少量逆冲成分，主震及余震的震源机制解一致性较好，主震震源机制解与吴海波等[5]、李恒等[10]研究结果基本一致(表4)，计算结果可靠性较高。

表3 Seis-CAP法和P波初动法确定震源机制结果

表4 应城M4.9主震震源机制解

3.3 构造应力场计算

按照11个不同大小的地震震级对每个地震的震源机制解赋予不同的权重，以研究区作为单元网格进行搜索，获得90%置信度下的应力场作用方式，反演结果如图6所示。

图6(a)中红色小箭头和蓝色小箭头方向一致，表明断层理论滑动方向与观测滑动方向相同，应力场反演结果可靠性较高。研究区内S1轴方向为280°～282°、倾角为1°～2°，S2轴方向为186°～188°、倾角为68°～70°，S3轴方向为11°～13°、倾角为20°～22°。R值为0.4，表明断层活动具有逆冲特征。

已有研究者对研究区内不同区域的构造应力场特征进行过研究。李蓉川等[11]根据1972～1983年鄂、豫、皖地区26个中小地震震源机制解资料认为，鄂西地区主压应力方向为NW-SE，鄂东为近EW；Dong等[12]根据2010-01-01～2017-12-31期间的数字观测数据计算获得研究区内应力场方向为近EW向；邓起东等[13]利用MS4.6以上的震源机制解结果反演得到中国大陆地壳现今应力场特征，与本文计算结果一致，表明研究区现今构造应力场在第四纪以来处于稳定状态[14]。

4 讨 论

襄樊-广济断裂带不仅是华北地块和扬子地块的碰撞接触带，同时也是横贯湖北省的重要深大断裂带。该断裂带两侧广泛发育各类次级断裂，比如研究区内的皂市断裂、长江埠断裂等。中三叠世华北地块和扬子地块碰撞造山作用形成江汉盆地，晚侏罗以后盆地沿NE-SW向伸展，随着岩浆活动减弱，地壳活动逐渐恢复平静发生凹陷沉积，进而在研究区内形成应云凹陷、龙赛湖弱凸起和小板凹陷等地形地貌。

根据震源机制解获取的构造应力场主压应力方向为NWW-SEE，与GPS数据得到的地壳应变率场结果一致[12]，表明研究区受到自NWW向SEE方向的挤压作用，该力源可能来自于印度板块和欧亚板块的碰撞。主震及其余震震源机制解都存在NNW方向的节面，倾角为68°～85°，断层面以左旋走滑为主，兼有少量逆冲特性。而皂市断裂及长江埠断裂走向为NNW-SSE，倾角上陡下缓，具有左旋走滑性质，其构造形态与主余震震源机制解相吻合。因此，皂市断裂及长江埠断裂可能是湖北应城M4.9地震的主要发震构造，断层面为节面Ⅰ(走向143°，倾角72°，滑动角13°)，主压应力轴走向为NW-SE(280°～282°)，倾角为1°～2°；主张应力轴方向为NE-SW(11°～13°)，倾角为20°～22°。表明力源作用推挤地壳向SEE近水平方向运动过程中使得皂市断裂及长江埠断裂发生构造活动，导致断层表现出左滑兼少量逆冲特性。

本文通过单纯形法确定应城M4.9地震及其余震均分布在应云凹陷内，利用近震深度震相sPL和单纯形法确定其深度分布范围为4～6 km，将震源位置投影至地质剖面上(图7)，表明该震群处于皂市断裂及长江埠断裂底部缓倾区域，震源深度范围所在地层位于白垩纪以下，为古近纪地层。此外，王德良等[4]结合江汉盆地内2 000 多口钻井资料和地震资料获取盆地不同时期的沉降速率，认为本研究区在晚渐新世荆河镇组沉积时期(32～26 Ma)凹陷作用明显减弱，沉降速率几乎为0，盆地底部地幔底辟作用消退。因此，本次震群活动可能由皂市断裂及长江埠断裂构造活动引起，且与古近纪以来的断层活动有关。

5 结 语

1)来自NWW方向的力源水平推挤研究区地壳向SEE方向运动，导致襄樊-广济断裂的次级断裂皂市断裂和长江埠断裂发生构造活动，在4～6 km深度范围内发生以走滑为主兼少量逆冲的剪切破坏，导致应城M4.9地震及其余震的发生。

2)应城M4.9地震序列的震源深度在研究区内均位于白垩纪地层以下，且自晚渐新世荆河镇组沉积以来，研究区凹陷沉降速率几乎为0，由此判断，本次震群活动与古近纪以来的断层活动有关。

3)皂市断裂及长江埠断裂为应城M4.9地震的主要发震构造，断层面为节面Ⅰ(走向143°，倾角72°，滑动角13°)，主压应力轴走向为NW-SE(280°～282°)，倾角为1°～2°；主张应力轴方向为NE-SW(11°～13°)，倾角为20°～22°。

4)应城M4.9地震序列数据给出的地壳应力场结果与研究区内前人不同时段及不同精度下地震数据获得的应力场结果一致，表明本次震群活动没有改变研究区内的构造应力场。