2023年2月5日三水ML4.0级矿山地震震相特征与发震构造

杨 选，马晓静

（广东省地震局，广州 510070）

0 引言

2023 年2 月5 日，广东省佛山市三水区乐平镇附近发生了ML4.0 级地震，中国地震台网中心（CENC）正式目录的发震时间是11∶38∶15.27，震源位置是经度112.953°E，纬度23.279°N，深度11 km。佛山、广州、深圳等地区有感，有感范围广泛，且震中位于自l988年3月开始注水采盐的隔坑盐矿矿区[1]，引起了广大群众及政府部门的高度关注。这次地震部分台站记录波形中出现规则正弦形面波，震中周边20 km 范围内，震前5 年仅发生过3 次地震，分别是2020 年1 月20 日ML1.0、2022 年5 月13 日ML1.6 和2023 年1 月23 日ML0.9 地 震。震后一个月内没有记录到余震活动，地震波形及地震活动类型均较为独特。利用现有观测资料深入剖析此次地震的特征和发震构造背景，对于认识本区域特殊类型地震、地震活动性以及浅源地震灾害风险防治等具有一定意义。

1 地震记录资料及特征

为研究这次地震的特征，本文收集了震中800 km 范围内广东（包括广州和佛山等地方台网以及新建成尚未验收的40 个加密台）、广西、湖南、福建、江西和海南等台网[2]的2000 多个台站的记录，从中挑选出质量较高的342 个测震记录和410 个强震记录，共计752个（见图1）。经过人工仔细分析，识别出了967个震相（见图2），包括Sg震相280个、Pg 震 相264 个、Pn 震 相199 个、Sn 震 相123 个、PmP震相23个、SmS震相34个和Pb震相24个。

图2 震相走时曲线Fig.2 Travel time curve of seismic phase

震中距30 km 内的8 个台均有多组反射波，Sn与Sg 走时曲线交点对应的震中距在150 km 左右，相对较大（据华南走时表中的数据推测：震源深度为0、5、10、15和20 km时，此交点对应的震中距分别为164.5、151.7、136.4、119.2 和100.0 km），是典型的上地壳事件。

所有台站记录都在Sg 波之前有丰富的高频成份，有75 个台站记录中在Sg 波之后出现了周期变化（周期在1.1～1.5s 之间）、毛刺少、振动规则的短周期面波，其持续时间大致在5 至20 s 之间；面波振幅振幅整体随震中距增大而减小，但部份台存在突然增大数倍的现象（见附图2），最大峰值的视速度约为2.85 km/s，在垂直向比较明显，符合Rg 面波的特征[3]。Rg波是短周期的地壳瑞利波，因为天然地震有一定的深度，所以极少出现Rg 波。正是因为出现Rg 波，同时又有较多的高频成份，所以三水地震的类型争议较大，图3给出了DOG台记录到的本次地震与2016 年10 月28 日广东连平M3.0塌陷的波形，两者差异较为明显，塌陷滑坡高频成份不发育，爆破通常具有各向同性，S 波不发育的特征，据此可排除此次事件为塌陷、滑坡或爆破的可能。

图3 DOG台记录到的本次地震与一次塌陷波形Fig.3 Waveforms of this earthquake and a collapse recorded by the DOG station

图4 视出射角与真出射角示意图Fig.4 Schematic diagram of apparent and true dip angles

从能观测到Rg 波的台站空间分布看：多数台站分布在江河流域或出海口，这些区域沉积层相对较厚，由此推断Rg 波的发育程度似乎还与沉积层厚度有一定关联。

2 地震深度及精确确定位

在没有较精细地壳模型的情况下，即使有较多的近台记录，深度搜索仍然还是不稳定，特别是JOPENS-MSDP 提供的几种定位算法没有对近台资料特别增加权重设置，使得精确测量震源深度更困难。但是，在有较近的台站（震中距小于两倍震源深度）记录时，通过增加测量视出射角，进行单台射线追踪，能对深度起到一定的约束作用，可改善对震源深度的分辨效果[4]。

2.1 视出射角法

地震波入射到地面时，总位移矢量和地面之间的夹角称为视出射角，常用ē表示；而入射波与地表的夹角称为真出射角，常用e表示。由于地震波在地面上形成了反射波，所以视出射角不等于入射波的真出射角。若将地球表面视为自由表面，则视出射角和真出射角的关系与地壳介质的泊松比有关[5]。在有三分向记录到清晰初动的近台记录时，可根据记录到的地面位移的垂直分量AUD和两个水平分量AEW与ANS按（1）式先确定视出射角，再根据真出射角和视出射角的关系（2）式计算真出射角，测量出直达P 和S 波的到时tS和tP即可按（3）式，估计出震源深度[5-6]，式中tS-tP是直达S与直达P波的到时差，U为虚波速度，e为真出射角。

在收集到的记录中，Pg 较早达到HWG（tP=11∶38∶16.590）和SSSE（tP=11∶38∶17.160）两台，Sg波的到时使用质点运动轨迹分析，较精确地找出质点运动轨迹明显改变的起跳点（图5），分别是GZ/HWG（tS=11∶38∶17.290）和FS/SSSE（tS=11∶38∶17.970），仿真成位移记录测量三分向初动，据范玉兰等人的研究，华南地区直达P 波速度VPg=6.01 km/s，直达S 波速度VSg=3.55 km/s，虚波速度U=8.673 km/s，可估算出本次地震的震源深度在4.3 km左右，见表1。

表1 视出射角法估算本次地震震源深度结果Table 1 The focal depth results of this earthquake estimated by the apparent dip angle method

图5 HWG台（左）和SSSE台（右）的质点运动轨迹图（Pg波到达时刻为时间零点，轨迹突变起点对应时刻为Sg到时）Fig.5 Trajectory plots of particle motion for HWG station（left）and SSSE station（right）（time zero corresponds to the arrival time of Pg wave，and the starting point of the abrupt change in trajectory corresponds to the arrival time of Sg wave）.

由于地壳岩石各层介质密度不同，波速亦会不同。波在不同介质的分界面上按折射定理产生折射，使地震波射线向上弯曲，呈曲线状[7]。因此，视出射角法估计出的震源深度多数会偏深，特别是随着震中距增大，估计的误差也会越大。

2.2 深度震相

对于地壳结构相对简单的区域，近震深度震相sPg、sPmP 和sPn，以及它们的参考震相Pg，PmP 和Pn 在近震记录上通常可以清楚地观测到。在近震地震图上识别出这些深度震相及其参考震相后，可以利用测量它们之间的到时差或通过波形对比的方法相对精确地确定震源深度[8]。1956年苏联学者A.A.维琴斯卡雅，提出在近震中可观测sPn 震相。之后，H.B.康道尔斯卡娅给出双层地壳中近震的sPn-P 的走时方程[9]。Saikia 在实际数据和理论波形中都发现在确定的震源深度下sPn相对Pn的到时差很稳定的特征，因此可以用来约束震源深度[10]。国内自上世纪70 年代初开始张诚、房明山、任克新、王登伟等人先后研究了sPn震相，认为采用sPn 和Pn 波的走时差来测定地震深度的方法简便准确[11－16]。

sPn 波是指发生在地壳内的地震产生的S 波入射到地表经地面反射时，其中SV 成分会转换为P波，之后转换P波入射到莫霍面，当入射角为临界角时，在地幔顶部沿着Moho 界面向前滑行，形成Pn 波。拾取sPn 的方法基本上是在同一时间窗内，将不同震中距的Pn 震相对齐，则sPn 震相也大致对齐了，再根据其动力学特征，即周期和振幅都比Pn大的特征，可拾取sPn。洪星，蔡杏辉，吴国瑞等人给出了华南地区的sPn 震相动力学的初步特征，深度与sPn-Pn 的关系满足（4）式[15-18]。依据这些特征我们识别出12 个台的sPn（见表2 及图6a），sPn 和Pn 的到时差最大1.55 s，最小1.17 s，平均1.36 s，对应的深度为3.75 km，标准偏差是0.39 km（见表2）。

表2 本次地震识别出的sPn震相Table 2 sPn seismic phases identified in this earthquake

图6 原始记录图中识别出的sPn（a）及台站（震中距200～300 km）垂向Pn的叠加图（b）Fig.6 sPn identified in the original record（a）and the overlay map of vertical Pn of stations（epicentral distance between 200 and 300 km km）（b）

由于sPn 震相易受噪音和尾波的影响，单台挑选的可靠性不高。为了提高sPn-Pn测定的准确性，采用滑动时窗相关法读取sPn 震相。滑动时窗相关法常用来估计信号之间相关性大小随时间变化的程度。移动时窗相关法的具体方法如下：对于一个地震事件的两条波形记录，从某一起始时间，计算一定时窗范围内其相关性的大小。然后时窗向前推移（重叠），计算新时窗内对应波形的相关值。对于一个地震的N条波形记录，每两个波形记录进行互相关计算，然后再进行总体叠加。互相关系数的大小反映了波形的相似度。把Pn 波初至对齐后，可利用互相关峰值的时移值来确定sPn 和Pn的到时差[19]。

本次地震短周期面波比较发育，初步判断不可能太深，结合实际的波形看：震中距在200～300 km的台站，信噪比较高，且这个范围内Pb和Pg等续至震相与初至震相Pn 的到时差已超过3 s，结合视出射角法估计的结果初步推测，此范围的资料可用于搜索本次地震的sPn 震相。对符合条件的台站资料进行0.1 至1.5 Hz 带通滤波，以其中Pn 到时最小的台站记录为基准，此到时为零时，取0.2 秒为窗长的数据为参考波形，其余的每个台站记录以相同窗长按1 个采样点滑移与参考波形做互相关，使Pn 对齐之后叠加即获得高信噪比的波形记录；同时滑移相关系数也对齐叠加，叠加互相关系数在零时刻附近两个峰值的时差就是所要提取的sPn和Pn 的到时差。最终搜索到sPn 和Pn 的到时差为1.53 s，对应深度是4.2 km，详细结果见图6（b）。

利用人工分析识别出的sPn 和Pn 到时差确定的本次地震震源深度为：3.8±0.39 km，通过移动时窗相关方法搜索获取的sPn与Pn的到时差，估算出震源深度是4.2 km，两种方法基本一致，因此可确定这次地震的震源深度为3.8 km，相对误差约10%。

2.3 微观震中位置的精确测定

在震源深度由深度震相确定的情况，采用固定深度，只反演发震时刻和震中经纬度，减少反演参数提高定位的稳定性和精度。将震源深度固定为3.8 km，使用华南走时表，利用单纯型、hyposat 和LocSAT 进行重新定位，3 种方法的定位结果间两两相距约0.7 km，与国家台网中心CENC正式目录发震时刻分别提前0.50 s、0.43 s 和0.36 s，水平位置沿东南向分别偏移1.1 km、0.8 km 和1.1 km，都在麦家村与隔坑村连线上，更靠近隔坑村一侧。为减小误差和不确定性，提高结果的可靠性取3种定位方法的定位结果的平均值作为最终结果。即：此次地震的发震时刻11∶38∶14.84，经度112.958 3°N，纬度23.271 6°E，深度3.8 km，震级ML4.0，详见表3 和图7。从图7 可以看出本次地震发生在隔坑矿区北东边缘处的F7断层上。

表3 2023年2月5日ML4.0三水地震重新修定的发震时刻和微观震中Table 3 Revised origin time and micro-epicenter of the Sanshui ML4.0 earthquake on February 5th，2023

图7 2023年2月5日ML4.0三水地震新修定震中与F7断层位置Fig.7 Location of the revised epicenter of the Sanshui ML4.0 earthquake and F7 fault

3 震源机制及发震构造

3.1 震源机制

从收集到的波形资料中识别出P 波初动79 个，这些初动呈典型的四象限分布，加入16 个震幅比资料和16个Sg波初动，使用focmec方法搜索到了该地震的震源机制解，见图8。该地震的震源机制解为：节面Ⅰ走向334.90°，倾角54.04°，滑动角-18.84°；节面Ⅱ走向74.84°，倾角76.23°，滑动角-142.53°；P 轴方位301.68°，仰角36.88°；T 轴方位201.45°，仰角13.32°；B轴方位95.06°，仰角50.00°。显然这是一次典型的走滑型构造活动，可能的最大水平压力方向为290°，这与康英等人给出的该区域的主压力σ1较一致[20]，表明区域应力场在本次地震孕育过程中起主导作用。

图8 三水ML4.0级地震的震源机制解Fig.8 Focal mechanism solution of the Sanshui ML4.0 earthquake

3.2 地质构造环境及发震构造确定

这次地震发生在珠江三角洲西北部的三水盆地北部，三水盆地是珠江三角洲的主体盆地，走向北北西，呈菱形，面积约3300 平方公里。基底由元古界、下古生界变质岩、上古生界砂页岩和碳酸盐岩、中生界砂页岩和零星出露的燕山期花岗岩组成。上覆沉积厚约3600 m 的白垩系地层和厚约3200 余米的老第三纪地层。据物探调查，三水盆地老第三纪早期曾是壳下活动和下地幔隆起最活跃的地方[21]。在晚第三纪时的三水盆地仍有张性构造活动，其活动性亦明显减弱。早第三纪的喷出岩比较广泛地见于三水狮山、南海市王借岗等地，其地表露头或地质钻探常显示属于基性的玄武岩被酸性或中性的粗面岩、安山岩所披覆，说明受上地幔上冲影响的火山岩活动已明显地随时间推移而减弱[22]。

震中区主要控制断层处于北西向西江断裂和白坭—沙湾断裂之间，被东西的广三断裂切割，见图9（a）。

图9 三水ML4级地震震中附近的主要断裂分布Fig.9 Distribution of main faults near the epicenter of the Sanshui ML4 earthquake

西江断裂基本沿西江下游的北西向河道发育，南东段由磨刀门入南海，北西段可能沿绥江断续延伸至广宁、怀集一带，全长近200 km。断裂以九江为界，北西段基本沿西江右岸（西岸）发育，南东段则沿左岸（东岸）发育，总体产状是走向NW30°～50°，倾向NE，倾角大于70°[23]。基于浅层地震探测，西江断裂未发现切穿第四系地层，该区已有第四系底部沉积物年龄40 000 a左右，可见，该断裂晚更新世中期以来（40 000.BP）未发生明显活动[23]。

白坭—沙湾断裂部分地控制了三水盆地及珠江三角洲第四纪沉积的北东边界。断裂北起花县白坭向南东经南海县官窑、松岗至番禺沙湾沿蕉门出伶仃洋断裂走向NW30°～40°，倾向SW，倾角大于50°，是一条第四纪以来活动的断裂[24-25]。

广州—三水隐伏断裂东段称罗浮山断裂（含瘦狗岭断裂）[26]。该断裂部分地控制了晚更新世以来珠江三角洲的北界，沿断层岩石硅化、糜棱岩化、挤压破碎等。在广州以西至三水附近该断裂带虽然被第四纪沉积隐伏，但在MSS6 波段的卫星像片上，该断裂以明显的东西向深色线性条带清晰地显示出来，并与三水以西的东西向断裂相连，说明了该断裂全新世以来的活动[25-26]。

这次地震发生在三水市以北约20 km 处的南边镇麦家村与隔坑村之间，靠近隔坑村一侧，从图7和图8 看震中位于隔坑盐矿矿区北东边缘与F7 断层交汇处。据广东省地质工程公司的技术报告，F7 断层与白坭—沙湾断裂相距不足2 km，是一条正断层，其切割深度超过2 km，走向为NNW345°，倾向SW，倾角约50°～60°[27]。与震源机制解的节面Ⅰ吻合较好，据此推断本次地震应该是F7 断层错动引起的，结合反演出滑动角认为其错动类型为：左旋走滑为主，兼少量正断。

4 结论及讨论

（1）1997年9月23日和26日隔坑村附近曾分别发生了ML3.3 和ML4.4 的地震，李纯清等人分析认为其震相特征与一般构造地震不同[28]，廖华康认为这两次三水地震，不可能是天然地震，极有可能是一场塌陷地震[29]。之后该区域的地震类型一直存在争议。直至本次地震发生后，利用近年来新建的密集观测站网收集到了丰富的波形资料，综合分析判断排除此次事件为塌陷、滑坡或爆破的可能。比较两次ML4 以上地震在XNH、ZHQ 和HUD 三台的记录，发现相似度较高，相关系数分别是0.90、0.89和0.73，它们应该是同类型地震。

（2）依据Sn与Sg走时曲线交点对应的震中距较大、近台视出射角以及较远台记录的sPn与Pn的走时差变化等震相特征，修订了2023 年2 月5 日广东三水ML4.0 级地震的发震时刻和震源位置为：11∶38∶14.84，经度112.958°N，纬度23.270°E，深度3.8 km，震级ML4.0。震中位于隔坑盐矿矿区北东边缘与F7 断层交汇处，由深度震相确定的深度比采盐井深1 km左右，距最近的隔4号开采井水平距离约500 m。从空间范围上可以确定地震发在开采区，这是典型的与采矿活动密切相关的矿山地震[27]。

（3）结合震源机制和已探明的小区域地质构造资料，推断这次地震的发震构造走向为334.90°，倾角为54.04°，滑动角为-18.84°，可能是F7 断层沿断层面发生左旋走滑正断错动而引发的。长期的抽取卤水采盐，采空区应力变化引起矿体的应力分布会发生调整，沿F7 断层的应力超过了其承载能力，就使上盘发生破裂和滑动，从而引发地震。魏柏林等人研究1997 年9 月2 次三水地震认为地震的最大主压应力轴近于直立，与重力方向一致，产生的是塌陷地震[30]。我们研究结果似乎不全支持其结论，虽然都是沿F7 断层滑动，但最大主压应力轴并非与重力方向一致，而是与该区域的主压力σ1较一致，即是区域应力主控制下的矿体应力调整。重力主导下矿区应力调整产生的矿震应该多数是孤立的，与周边的中强震时空关系不明显，但区域应力场控制下的调整则会与周边的中强震存在某种看似巧合的时空关系。

（4）深度为3.8 km 是一次罕见的浅源地震。据广州市地震活断层探测与地震危险性评价时深反射地震勘探专题报告给出白坭—沙湾断裂附近的剖面浅部（4 km 以上）成层性较好，层位较多，地层结构简单，总体趋势为西高东低的单斜形态，岩性可能是沉积岩层。震源在沉积层产生的P波与SV 波大于临界角入射，由P 波与SV 波耦合在自由地表形成的波动即为短周期的瑞利面波Rg，从观测点的空间分布看Rg 波的发育程度似乎还与震中距和台站附近的沉积层厚度相关。本文初步分析广东地区Rg 波的最大峰值的视速度（周期在1.1～1.5 s 间近似的群速度）约为2.85 km/s，峰值振幅随震中距的衰减关系为：log（Vmax）=-1.8004*log（Δ）+5.0812。从三水地区的震例研究认为极浅源地震激发的Rg 波是造成震级小、震中烈度高、破坏性大和选择性破坏明显为其特征[21]的主要因素，在采矿区附近或有定沉积层建设场地的抗震设防工作中应该给予足够的重视。

附2023 年2 月5 日三水ML4.0 级地震获取广东地区Rg波初步特征

附图1 广东三水地震的Rg波峰值速度对应走时随震中距变化Fig.1 Variation of travel time corresponding to peak velocity of Rg wave with epicentral distance of Sanshui earthquake，Guangdong