2023年广东河源4.3级和东源4.5级地震余震分布及震源机制解特征

姜喜姣，林庆西，陈修吾，朱 腾，梁 明

（1.广东省地震局，广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广州 510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室，广州 510070）

0 引言

据中国地震台网中心测定：北京时间2023年2月11 日10 时41 分，广东河源市源城区（23.76°N，114.64°E）发生4.3 级地震，震源深度11 km。同年3 月8 日5 时15 分，广东河源市东源县（23.83°N，114.52°E）发生4.5 级地震，震源深度10 km。两次地震仅相隔25 天，是新丰江库区自2014 年7 月11日4.0 级地震以来发生的又一显著地震事件，打破了新丰江库区长达9年的4级地震平静期。

新丰江水库自1959 年截流蓄水后，大小地震频繁发生，至今已记录地震10 万余次，其中最大的是1962 年3 月19 日在新丰江库首峡谷及大坝附近发生的6.1 级地震，这也是世界上为数不多的水库诱发6级以上地震的震例之一。多年来，众多研究人员对新丰江库区的震源机制进行了大量的研究，并取得一系列重要成果[1-5]。本文研究的4.3级和4.5 级地震均发生在新丰江库区，准确认识震中附近区域构造环境和发震机制对深入研究新丰江水库诱发地震的机理和水库区地震动力学变化特征具有重要意义。

为了更好地开展新丰江库区地震动力学机制的研究，本文采用gCAP 和FOCMEC 反演方法，计算了新丰江库区两次主震的震源机制解，同时根据余震分布，初步分析了两次地震序列的震源特性，地震活动与构造特征的关系等，以期获得新丰江库区现今的孕震环境。

1 发震区域构造背景

新丰江水库主体位于燕山期东西向延展的巨大花岗岩岩体上，区内地质构造以NNE、NNW 和NEE 向断裂构成的网格状格局为主要特征[6]（图1）。NE-NNE向断裂在地表发育明显，代表性的有河源断裂、人字石断裂和大坪—岩前断裂[7]，以逆断层或逆掩断层为主要特征；NNW 向断裂分布于水库东侧以及峡谷区，由一系列陡倾角的小型平推断层组成；NEE 向断裂地表不出露，只能见到断续分布的挤压带或剪切带，据航空磁测和重力异常资料显示该断裂存在于深部区域，并在水库峡谷区两侧发育[8]。

图1 新丰江库区构造及主震分布Fig.1 Structure and main earthquake distribution in the Xinfengjiang reservoir area

河源4.3 级地震发震于新丰江峡谷区，位于南山—坳头断裂和石角—新港—白田断裂的交汇处。石角—新港—白田是库区内最主要的NNW 向断裂，其南段新活动性表现最为强烈，新丰江水库诱发地震活动与此断裂有关[1]，而南山—坳头断裂存在于地壳深部，未出露地表。东源4.5 级地震发震于库盆区西侧侧翼位置，东距兰屋—太和洞断裂约2.5 km，该断裂南北长约17 km，东西宽约6～10 km；南距大坪—岩前断裂约5 km。

2 数据选取和方法

本次研究选取的地震目录来源于广东省地震台网，数据时间范围为发震时刻至4 月15 日0 时，包含河源4.3级地震余震序列中的432个地震事件，以及东源4.5级地震余震序列中的188个地震事件。由于新丰江库区台站分布密集，且距离震中很近，有利于震源位置的精确测定，刘特培通过对比绝对定位和双差定位，发现绝对定位的精度和可靠性均高于双差定位[9]。因此本文研究余震分布采用hyposat绝对定位结果。

gCAP 是一种基于波形的震源机制反演方法，主要是将近震波形分为体波部分（Pnl）和面波部分（Surf），分别计算拟合波形和实际波形的误差函数，搜索出最佳震源深度和震源机制解[10-11]。该方法具有计算台站较少，对速度模型和地壳横向变化依赖性较小的特点，在我国一些重要构造区得到了普遍的应用，计算结果可靠稳定[12-13]。

本文拟采用gCAP 方法反演两个主震的震源机制解。为了确保震源机制反演结果的可靠性，选取主震震中距80～200 km、信噪比较高、方位覆盖均匀的台站波形数据。Wei等的研究认为参与反演的台站数在5～10之间能得到理想的求解结果，因此将台站数量限制在10 以内[14]。反演前，对观测波形进行了去除仪器响应、旋转三分量、重采样处理。Pnl波滤波频段为0.05～0.2 Hz，面波部分滤波频段为0.05～0.1 Hz。利用F-K 方法计算格林函数，采用的速度模型为新丰江库区人工地震探测剖面结果，并参考华南一维速度模型和Crust2.0 模型对速度结构进行了部分修正[13]。

FOCMEC 方法是通过P 波、SV 波和SH 波的初动方向和振幅比联合测定地震震源机制解[15-16]。由于计算采用的参数较多，该方法可以有效约束震源机制的反演结果，获得较高的反演精度[17]。本文同样使用FOCMEC 方法计算两个主震的震源机制解。为保证反演精度，在求解震源机制时规定每个地震事件至少有20 个P 波初动记录，至少有5个S 波初动和振幅比被量取。在反演时，P 波初动矛盾数控制在2 以内，振幅比矛盾数控制在3以内。

利用gCAP 和FOCMEC 两种方法获得的P轴或T轴进行矢量合成，计算得到两个结果的平均解，作为震源机制最终结果[18-19]。

3 余震序列分布特征

河源4.3 级地震余震分布和沿不同剖面的震源深度分布如图2所示。可以看到，余震基本集中于主震附近，呈椭圆状分布；NWW—SEE 为椭圆的长轴方向，长约2 km，NNE—SSW 为椭圆的短轴方向，长约1.5 km；主震略靠近椭圆质心的北部，其NNW、NEE 和SE 方位有稀疏的余震分布。为进一步分析余震序列和断裂构造的关系，沿南山—坳头断裂和石角—新港—白田断裂的走向选取两条震源深度剖面，剖面宽度在5 km 内。AA’剖面显示（图2b），序列西侧的地震深度明显大于东侧的地震，深差约2 km，可能受南山—坳头断裂切割深度的影响，也可能受石角—新港—白田断裂倾向特征的影响；BB’剖面显示（图2c），余震集中分布在断层面附近，断层倾角较陡，近乎直立，倾向特征不明显。

图2 河源4.3级地震余震序列分布和沿不同剖面的震源深度分布图Fig.2 The aftershocks sequence distribution and the focal depth distribution along different cross sections of Heyuan MS4.3 earthquake

东源4.5 级地震余震分布和沿不同剖面的震源深度分布如图3 所示。可以明显看到，余震沿NW向线性展布，长约4 km；主震位于序列的西南侧，远离余震分布区；序列西北段余震分布较为零散，而靠近余震的东南段分布较为密集。选取3条宽度为3 km 内的震源深度剖面，可以看到，绝大多数地震浅于主震。沿AA’的震源深度集中于7～11 km 范围内，且多发震于SE 侧。垂直于长轴的两个深度剖面BB’和CC’可以反映沿断层倾向的震源深度分布特征。BB’剖面显示，断层倾向SW，倾角陡立，近乎直立。东南段的CC’剖面显示，震源深度分布更为集中，断层倾向仍为SW，较西北段倾角变缓，但变化不大。总体上看，东源4.5 级地震余震分布线性展布特征明显，走向为NW 向，倾向为SW 向，倾角较陡，西北段和东南段断层差异不明显。

图3 东源4.5级地震余震序列分布和沿不同剖面的震源深度分布图Fig.3 The aftershocks sequence distribution and the focal depth distributions along different cross sections of Dongyuan MS4.5 earthquake

4 震源机制解特征

首先利用FOCMEC 方法和gCAP 方法反演河源4.3 级地震的震源机制。在使用FOCMEC 方法时，量取了39 个P 波初动和7 个S 波初动及振幅比，P波、SH 波和SV 波的初动矛盾数分别为1、2、2，振幅比矛盾数为1，符合约束条件，结果可信（图4a、5a）。使用gCAP 方法时，对参与台站多次校验，最终选取了9个方位角分布和拟合较好的台站（图4a）。图5b 为河源4.3 级地震的波形拟合误差（RMS）和震源机制解随深度变化情况，结果显示深度为9 km 时RMS值最小。图5c为深度9 km 时对应的波形拟合图，可以看到，方差缩减量（variance reduction）达到85.3，且绝大多数波形拟合度均达到85%以上，拟合结果较好，反演结果可信。

图4 河源4.3级地震（a）和东源4.5级地震（b）反演震源机制时使用的台站分布Fig.4 Distribution of stations used in the inversion of focal mechanism of Heyuan MS4.3（a）and Dongyuan MS4.5（b）earthquakes

图5 利用FOCMEC方法和gCAP方法反演河源4.3级地震的震源机制解结果Fig.5 The focal mechanism solution of Heyuan MS4.3 earthquake inverted by FOCMEC and gCAP method

两种方法反演得到的震源机制解结果如表1 所示，利用Kagan 三维旋转方法计算两个震源机制解的距离，两者相差36º，有一定的差异[19-20]。根据Zoback类型划分标准[21]，FOCMEC方法计算得到的震源机制为走滑型（SS），而gCAP 方法计算得到的震源机制为正断型（NF）。造成这一结果的原因是利用FOCMEC 计算时，LVY 和XIG 两个台站初动方向约束了反演结果，但计算时可明显看到两个台站记录初动具有一定的矛盾性，可能是仪器类型更改导致的初动方向错误，也可能是波形记录信噪比问题导致方向的不确定性，需要在以后的计算过程中予以确认。但总体上看，两个结果相差不大，仍在可接受范围内。

表1 河源4.3级地震和东源4.5级地震震源机制解结果Table 1 The focal mechanism solutions of Heyuan MS4.3 and Dongyuan MS4.5 earthquakes

采用同样的计算方式反演东源4.5 级地震的震源机制。FOCMEC 方法使用了60 个P 波初动和7 个S 波初动及振幅比结果，P 波、SH 波和SV 波的初动矛盾数分别为0、3、1，振幅比矛盾数为2，符合约束条件（图4b 和图6a）。gCAP 方法使用了9 个台站波形（图4b），波形拟合误差和震源机制解随深度变化情况如图6b 所示，结果显示最佳反演深度为9 km；其波形拟合图如图6c 所示，方差缩减量为92.8，拟合结果较好。表1 给出了两种方法反演得到的震源机制解。两种方法反演得到的震源机制类型均为走滑性（SS），旋转距离仅相差6°，两个结果基本一致。

图6 利用FOCMEC方法和gCAP方法反演东源4.5级地震的震源机制解结果Fig.6 The focal mechanism solution of Dongyuan MS4.5 earthquake inverted by FOCMEC and gCAP method

对于两种方法得到的震源机制解结果，可以通过矢量合成P、T轴，获取平均解结果，如表1和图7 所示。结果显示，河源4.3 级地震平均解的P轴方位为302º，倾伏角为44º，T轴的方位为34º，倾伏角为2º，震源机制类型为正走滑型（NS）。P轴较陡，T轴较为水平，显示该地震不仅受到水平方向的拉张应力作用，还受到水库重力的挤压应力影响，与峡谷及大坝区应力场特征基本一致[22]。两个节面走向均和断裂走向保持一致，而余震分布又呈椭圆分布，因此无法判断哪个节面为发震断层面。东源4.5 级地震平均解的P轴方位为288º，倾伏角为5º，T轴方位为19º，倾伏角为9º，震源机制类型为走滑型（SS）。P轴和T轴接近水平，显示该地震主要受水平构造运动影响，基本不受水体重力影响，这与新丰江库区的锡场西侧区域应力特征较为一致[22]。根据余震分布情况，基本可以判断SSE向为东源4.5级地震发震断层面的走向。

图7 河源4.3级地震（a）和东源4.5级地震（b）震源机制平均解结果Fig.7 The average solutions of focal mechanism of Heyuan MS4.3（a）and Dongyuan MS4.5（b）earthquakes

5 结果分析

5.1 河源4.3级地震结果分析

河源4.3 级地震发震于峡谷及大坝区，该区域是新丰江库区的传统老震区，自1959年蓄水至今，地震活动不断。早期该区域地震破裂以走滑型为主，主压应力轴P轴为NNW 向，之后受水库水体重力作用的显著影响，并经过长时间的应力调整，倾滑正断层错动为主要运动特征的地震占据优势，压应力轴P轴转为NW 向，且更加直立，张应力轴T轴近乎水平[23]。这与本次河源4.3 级地震的应力轴特征基本一致。

作者通过分析峡谷及大坝区震源机制解特征，发现该区域主要发育走滑型和正断型地震[22]。其中，正断型震源机制显示的走向为NW—SE向，且具有一定的左旋倾滑分量，和附近的石角—新港—白田断裂带的运动特征相符，也符合本次地震的震源机制特征。石角—新港—白田断裂带目前新活动性较为强烈，因此推测本次河源4.3 级地震主要是受该断裂作用的影响。分析余震序列的椭圆形分布特征，发现除NW—SE 向分布外，W—E 向的展布特征也很明显，因此判断本次地震可能还受南山—坳头断裂影响。两条断裂的同时作用使得本次地震余震分布呈椭圆形态。

另外，作者研究发现峡谷及大坝区长期受水体重力影响，最大主应力轴倾角大于西北端锡场等区域，印证了水扩散对应力状态的影响，即水扩散引起的孔隙压力变化改变了该区域局部构造应力[22，24]。本次地震P轴倾伏角为44º，T轴近乎水平，和上述研究基本一致。因此分析本次地震不仅受该区域构造应力场控制，同时受到水体长期重力作用的影响，且该作用模式在近几年未发生显著变化。

5.2 东源4.5级地震结果分析

东源4.5 级地震发震于库盆区西侧侧翼位置，该区域在2019 年之前地震活动性较小，未发生显著性地震。2019 年4 月21 日，该区域首次发生3.0级以上地震，之后，该地区地震活动性显著增强，在2021 年和2022 年连续发生2 次ML4.0 以上地震（图8）。东源4.5 级地震是该区域目前发生的最大地震，未来应重点关注该区域的地震活动情况。

图8 库盆西侧区域地震震级—时间图Fig.8 The M-T diagram for earthquakes in the western region of the reservoir basin

现阶段库盆区西侧区域的断裂构造研究较少，现有资料也缺乏相应的记载。距离最近的兰屋—太和洞断裂其走向特征和本次反演的震源机制解节面走向不符。而本次地震是典型的走滑型地震，P轴和T轴倾伏角都较小，近乎水平，说明该地震基本不受水体重力作用的影响，可能受控于某条隐伏断裂。通过节面解和余震分布可以判断SSE向为该地震发震断层面的走向，因此判断可能存在的隐伏断裂走向为SSE 向，并沿库盆区河道位置延展。

作为2019 年以来的新震区，库盆西侧区域地震震源机制特征和北侧锡场区具有一定的相似性。锡场区自2012 年以来地震活动显著频发，位于锡场西侧区域发育大量走滑型地震，最大主应力呈NWW 向，倾角近水平，这和库盆西侧区域P轴特征相似。库盆西侧区域和锡场西侧区域在空间上是相近的，震源机制解特征相似，可能受控于同一条隐伏的“北45º西向的顺河断裂”，而顺河向的断层或裂隙带有利于库水进入深部，这种库水渗透活动向南延伸，从而诱发库盆西侧区域的地震活动[25]。

库盆区和锡场区西侧主要受构造背景活动影响，受库水重力作用较小，和峡谷大坝区早期地震活动基本一致。而峡谷大坝区是经过长时间的水体侧压作用，使该区域应力场发生偏转，最大主应力愈发垂直[22，26]。种种相似性表明，峡谷及大坝区，锡场区，以及本文研究的库盆西侧在早期孕震过程中，主要受构造活动作用，以走滑型地震发育为主。之后随着水体重力作用加剧，峡谷及大坝区应力场发生一定偏转，主压应力轴趋向垂直，正断型地震开始大量发育。目前，库盆西侧和锡场区仍处于早期孕震阶段，未来该区域的应力场变化及强震活动仍是需要关注的重点。

6 结论

（1）河源4.3级地震余震序列在空间上呈椭圆分布，长轴优势方向为NWW—SEE向，短轴为NNE—SSW，序列西侧的震源深度大于东侧的地震，深差约2 km。东源4.5 级地震的余震序列空间线性展布特征明显，总体方位为NNW—SSE 向，倾向为SW向，倾角较陡，由NNW 端至SSE 端倾角变化不明显。

（2）震源机制反演结果表明，河源4.3级地震矩震级为4.09，矩心深度为9 km，平均解的节面I 走向为339º，倾角为62º，滑动角为-15º，为正走滑型地震事件。东源4.5 级地震矩震级为4.25，矩心深度为9 km，平均解的节面I 走向为153º，倾角为87º，滑动角为9º，为左旋走滑型地震事件，根据节面走向和余震线性展布特征，推断SSE走向的节面I为东源4.5级地震的发震断层面。

（3）河源4.3 级地震P轴为NW 向，较为直立，T轴接近水平，和峡谷及大坝区当前的应力场特征基本一致，表明目前峡谷及大坝区的应力场没有发生明显变化，本次地震属于正常的应力释放过程。分析节面走向、附近断裂走向以及余震分布，发现本次地震可能受石角—新港—白田断裂和南山—坳头断裂的共同影响；另外，P轴倾伏角较陡，表明本次地震还受到水体重力作用的影响。受构造和水重力的共同作用是峡谷及大坝区主要的地震发生方式，且该模式在近几年未发生显著变化。

（4）库盆西侧侧翼区域是目前新丰江库区的新震区，自2019 年以来，该区域地震活动性显著增强，而东源4.5 级地震是该区域发生的最大地震。震源机制结果显示，P轴和T轴倾伏角都较小，近乎水平，表明该地震主要受水平挤压应力场的控制，基本不受水体重力影响，而其走滑型的特征和锡场区西侧的震源机制特征基本一致。两个区域均为新震区，虽然发震时间相隔7 年，但由于两个区域空间相近，震源机制特征又相似，可以合理推断存在一条“北45º西向的顺河断裂”贯穿两个区域。该隐伏的断裂有利于库水进入深部并自北向南延伸，从而诱发库盆西侧区域的地震活动。

（5）库盆西侧区域和锡场区均处于早期孕震阶段，主要受控于构造活动背景影响，受库水重力作用较小，和峡谷及大坝区早期地震活动一致。而峡谷及大坝区经过长时间的水体侧压作用，应力场已发生一定的偏转，最大主应力已趋于垂直。因此，两个新震区应力场的变化特征以及强震活动是未来需要关注的重点。

致谢：本文F-K 理论地震图和gCAP 波形反演计算程序来源于美国圣路易斯大学的朱露培教授，Focmec_GUI 反演程序来源于广东省地震局的杨选高工，图形绘制采用了GMT 绘图软件，在此表示感谢。