皎口水库地震精定位、震源机制及发震机理探讨＊

张蓓蕾 彭 骁

（宁波市地震监测预报中心，浙江宁波 315000）

引言

皎口水库位于宁波市海曙区章水镇，距离宁波市区37 km。该水库于1975年1月建成并正式蓄水，总库容1.198 亿m3，最高坝高67.4 m。自有史记载以来至1993年2月，水库周边25 km 范围内仅发生过1 次3.5 级历史地震及3 次2.5 级以下仪器记录地震，区域整体地震活动频度低、震级小。至1993年2月库区及外围出现了最大震级为ML3.9 的震群活动之后，一直断断续续发生地震。截止到2021年，已发生大大小小的地震500 多次，其中，ML≥3.0 地震16 次。最大地震为1994年9月7 日的ML4.7 地震。

皎口水库地震虽然总体震级较小，但小震致灾、小震大灾特征明显[1]，政府及社会各界较为关注，深入研究其发震机理具有重要的现实意义。1993年ML3.9、1994年ML4.7 地震发生后，许多学者基于两次地震的震源机制、烈度分布及整个地震序列的深度分布、时间分布特征，结合区域地质构造背景及水库诱发地震的相关特征，推断该地震序列属于构造地震，并非由水库蓄水诱发，区域性断裂长兴—奉化可能为发震构造[2-4]。但由于早期台站稀疏，大量微小地震未被记录，且尚处于模拟观测记录时期，初动等相关参数读取及地震定位的可靠性较差，相关研究成果及结论因所依赖的基础数据偏少、偏粗具有较大的不确定性。1998年后区域地震台网全部实现数字化，2005年及2019年后，区域地震监测能力分别达到ML1.0 和ML0.0，相应地，同时期皎口水库小震活动记录的可靠性、完整性也得到了大幅度提高，为我们更加深入、全面研究该震群构造背景等提供了更加丰富、完整的基础资料。

同时，目前成熟应用的一些地震观测数据处理方法，也为我们通过对原始数据去伪存真、降噪保真，从而更客观地反映地震动力机制提供了可能。比如，双差定位法因消除了对精确速度模型的依赖，可以将事件之间的相对位置定得非常精确，大大降低了事件之间的相对误差。因而，在研究断裂带周边地震活动分布时，常常用其对通过台网常规定位的地震序列进行重新定位，以便更加精确地反映地震事件之间的相对关系[5]。HASH 方法是基于P 波初动极性和S、P 波位移振幅比，以及一组在合理跨度范围内的速度模型计算震源机制解，不仅能在较大程度上提高对解的约束，还能在一定程度上克服地震定位及地壳结构的不确定性对结果的影响[6-7]。本研究收集了2009—2021年皎口水库周边发生的地震资料，首先通过双差定位方法进行精确定位；并采用HASH 方法计算较大地震的震源机制解。同时，基于精确定位后的地震震源位置分布、深度分布以及总体震源机制解特征，结合区域地质构造背景、库区地质条件以及水库水位变化，对发震构造及孕震机理进行探讨，以期进一步推进对该震群发震机理的认识。

1 地质构造及地震活动概况

1.1 区域地质构造背景

皎口水库地震震中区大地构造上位于华南褶皱带宁波—丽水—闽西北隆起北部；在新构造分区上属于下扬子断块隆陷区的水下三角洲凹陷区西南部。地震构造上处于北东向奉化—丽水弱震带西部边缘附近，两条区域性断裂即北西向长兴—奉化断裂与北东向余姚—丽水断裂在此交汇[8]。长兴—奉化断裂走向310°—320°，倾向北东，倾角75°，正断性质，为中更新世活动断裂，由多条断层段斜列、平行或断续出现构成断层主体。余姚—丽水断裂总体走向约30°，倾向南东，倾角较陡，逆断性质，为中更新世晚期活动断层，地表为一系列北东、北北东向大致平行或斜列的断层段组成宽达15—40 km 的断裂带。区内前基底岩石为中元古界陈蔡群变质岩，盖层主要为厚约2 000—5 000 m 的上侏罗系块状晶屑熔结凝灰岩，还伴有厚500 m 以上的白垩系凝灰质砂砾岩[2]。区域地层及地质构造详见图1。

1.2 库区断层分布、岩性及水文地质概况

库区及其周边至今没有开展过精细的地质调查，据早期的水库施工地质报告及前人的研究，长兴—奉化断裂（区内为密岩岭—大皎段）从水库大坝西面密岩岭处通过[4]，对大坝没有直接影响[9]。大坝基坑开挖揭露，坝底有7条陡倾角的小断层，其中3 条NW 向的贯穿坝基上下游，具体产状及性质见表1[9]，笔者推断可能为上述区域性断裂的影响带或分支断裂。坝肩及基坑开挖出露的主要为上侏罗系块状流纹英安质晶屑熔结凝灰岩及侵入的辉绿岩、花岗斑岩及花岗闪长玢岩岩脉，另有第三纪末第四纪初喷发的玄武岩及侵入的辉绿岩岩脉，河谷中充填着7—16 m 的第四系冲洪积砂砾石层[9]。坝址区基岩节理裂隙普遍发育，主要为构造裂隙，少量为卸荷裂隙及风化裂隙。地下水为基岩裂隙水，排泄条件较差，水库蓄水前一般无水力联系，靠大气降水补给，两岸山坡断层通过处经常渗水[9]。

图1 区域地层及地质构造图Fig.1 Regional strata and geological structure map

表1 皎口水库大坝基坑开挖发现的断层（贯穿坝基上下游）Table 1 Faults founded in the foundation pit excavation of Jiaokou reservoir dam（running through the upstream and downstream of the dam foundation）

1.3 地震活动概况

1993年2月，库区及外围出现了最大震级为ML3.9的震群活动，1994年9月又出现了最大震级为ML4.7的主震-余震型地震，之后，一直小震不断，但没有ML3.0 以上地震发生。直至2009年9月，库区及外围又出现了震级为ML3.3 的震群型地震，之后逐渐趋于平静。2013—2017年间没有地震发生，2018年有零星小震发生，直至2019年5月又出现了最大震级为ML3.6 的震群型地震，之后持续小震不断状态。从震中分布图（图2）上看，各个时期发生的地震震中分布不尽相同：2009—2012年发生的地震集中分布在库区外围西北部；2018年以后发生的地震集中分布在库区西南及其外围；而2009年之前发生的地震分布较广，库区北面、西面、南面都有（可能原因之一是早期定位精度不够高）。为方便叙述，本文将2009年之后两个阶段发生且震中位置不同的两个震群用2009—2012年地震序列和2018—2021年地震序列表示。

图2 皎口水库地震序列震中分布图Fig.2 Epicenter distribution map of Jiaokou reservoir earthquake sequence

图3 重新定位所用台站分布图Fig.3 Distribution map of stations used for relocation

2 精定位

2.1 方法与数据

双差定位法是目前应用较广的相对事件定位方法。当两个地震的震源距远小于它们到台站之间的距离和速度结构不均匀体的尺度时，可以近似地认为该两次地震的地震波传播到共同台站的路径相似。在这种情况下，它们到同一台站的走时残差（观测走时与理论走时之差）的差与它们之间的相对震源参数变化线性相关。双差定位法依据这个原理，利用同一台站记录到的两个地震事件的相关参数建立方程，同时将所有台站的所有事件联立起来组成方程组，并约束重新定位时所有地震震源参数的平均偏移为0，用奇异值分解法或共轭梯度法求解出方程的最佳解。即得到与方程拟合最好的震源参数[5]。

利用从中国地震台网中心下载的正式地震观测报告，选择皎口水库周边2009—2021年发生的至少有4 个及以上台站记录的地震，总共207 次。所用台站具体见图3，包括浙江、上海及江苏地震台网的54 个台站。通过观测数据，计算出每个地震从震中到台站的绝对走时。因附近地区缺乏有针对性的研究，P 波速度通过综合参考浙江省地质矿产局[10]发布的浙江省地壳分层结构、平均速度以及于海英等[11]通过双差层析成像方法得到长三角地区的地壳P 波速度结构得到，具体见表2；波速比参考杨晓瑜等[12]的研究，设定为1.73。设置事件对使用的震相对在8—60 之间，相对距离在10 km 以内，与台站的距离在500 km 以内，配对形成事件对13 575 对；设置P 波权重为1.0，S 波权重为0.75，使用共轭梯度法（LSQR），以标准差的8 倍、6 倍数为截断值，从地震目录初始值开始，进行迭代计算，每次迭代都用上一次迭代的结果更新震源位置、残差和偏导数矩阵，直到得到稳定的解。

表2 速度模型Table 2 Velocity model

2.2 结果分析

重新定位后，2 次地震因超过事件组对阈值而被舍弃，得到了205 次地震的基本参数。走时均方根残差的平均值由168 ms 降为18 ms，震源位置的两倍标准差，EW、SN 和UD 方向分别为42 m、63 m 和83 m。同时，考虑到共轭梯度法给出的定位精度可能不太准确，这是因为解方程时对协方差矩阵的对角元素只做了近似计算，而且它给出的误差估计严重依赖于迭代时的收敛情况[5]。尤其当台站分布不好或张角较大时，得到的定位误差可能比实际偏小。在这种情况下，通常可以使用奇异值分解法（SVD）对部分数据进行重定位和误差分析[5，13]。笔者分6 次，随机抽取30 次地震，通过奇异值分解法进行求解。结果震源位置的两倍标准差的平均值，EW、SN 和UD 方向分别为34 m、52 m 和96 m，与共轭梯度法所得相近。说明上述共轭梯度法的定位精度可信。图4 为原始震中分布图和重新定位后的震中分布图。可以看出，重新定位后震中分布更加集中，呈NW—SE 向条带分布，展布方向与北西向长兴—奉化断裂的延伸方向基本一致。

图4 2009—2021年皎口水库地震序列原始（a） 及重新定位后（b） 震中分布图Fig.4 Epicenter distribution map of the original（a）and relocated（b） of Jiaokou reservoir earthquake sequence from 2009 to 2021

2.2.1 深度分布特征

图5 是将重新定位后的地震投影到拟合曲线AA′（图4）所在剖面上的震源深度分布图。从图中可以看出，2009—2012年地震序列深度总体略浅于2018—2021年的地震序列，两者分别集中在3—5 km 和4—6 km，平均深度分别为4.7 km 和5.8 km。总体而言，震级较大地震的深度较震级较小地震的深度深，3 级以上地震深度都在4.5 km 以上；平均深度大幅小于华南地震区震源深度的平均值10 km[14]，且深度随着时间推进略微加大。这些都从一个侧面说明，该地震序列的孕震机理不同于构造地震，库水的逐渐往深部下渗进一步诱发了更深处的地震。

图5 2009—2021年皎口水库地震震源深度分布图（投影到剖面AA′）Fig.5 Focal depth distribution of Jiaokou reservoir earthquake sequence from 2009 to 2021（projected to sectionAA′）

2.2.2 发震断层面拟合

小震震源位置的空间分布可以较精确地勾画出断层面的形状和位置。万永革等[15]假定地震发震断层为一个平面，并给出了通过模拟退火全局搜索和高斯牛顿局部搜索相结合确定发震断层面走向、倾角及位置的方法，即寻求一个平面，使所有小震震源位置到这个平面距离的平方和最小。利用精定位后的震源位置分布，通过上述方法分别拟合了两个阶段的发震断层，结果如下：2009—2012年地震序列发震断层的走向为107°、倾角为81°；2018—2021年地震序列发震断层的走向为105°、倾角为74°，两者非常接近。可以说明，这两阶段的地震序列由同一条断层破裂所致。图6 为2018—2021年地震序列分布在水平面、断层面、垂直于断层面的横断面的投影和小震距断层面距离的分布。2009—2012年地震序列图形与之相似，不再列出。再将该两阶段的地震序列的地震合成一个丛集反演，得到发震断层的走向为110°、倾角为71°，结果与上述两阶段分开拟合的大体一致。据此可以推断，皎口水库地震序列的发震断层为NW—SE 走向的陡倾角断层。

图6 皎口水库2018—2021年地震序列精确定位后的地震分布在水平面（a）、断层面（b）、垂直于断层面的横断面上（c）的投影、以及地震距断层面距离的分布（d）。圆圈表示精确定位后的地震，粗线表示确定的断层面边界，AA′为断层上边界端点Fig.6 The earthquakes accurately located in the 2018—2021 Jiaokou reservoir earthquake sequence are distributed on the projection of the horizontal plane（a），the projection of the fault plane（b），the projection of the cross-section perpendicular to the fault plane（c），and the distribution of the distance between the earthquakes and the fault plane（d）.The circles indicate the accurately located earthquakes.The thick line indicates the determined boundary of the fault plane.AA′is the endpoint of the upper boundary of the fault

3 震源机制解

3.1 方法与数据

HASH 是目前应用较广的震源机制反演方法。该方法基于各个台站的P 波初动（也可联合P、S 波位移振幅比），以及一组在合理跨度范围内的速度模型，通过多次试验计算，网格搜索满足小于设定错误数的最佳震源机制解。与FPFIT、FOCMEC 等类似原理的前期方法相比，它的主要特点是通过合理范围内的多组值代表不确定性，能在一定程度上克服地震定位及地壳结构的不确定性对结果的影响。实现原理是基于考虑了不确定性的多组值计算产生多组可接受的解。如果这些解是成丛的，那么真解也一定落在这个范围内。假定由这些可接受的解共同决定真解，那么这些可接受的解的平均值即可认为是最接近真解的最佳解[6-7]。该方法还基于可接受解的聚拢率、解的均方差等关键指标值将结果分成6 档，一般第4档（D级）以上被认为是可靠的[16-17]。

选择研究区2009—2012年的ML≥2.5 地震，2018—2021年的ML≥1.0 且有8 个以上清楚初动资料的地震32 次。通过观测报告读取初动，事件波形去除仪器响应后，旋转至Z-R-T坐标系，速度性记录积分到位移记录，经过2—4 Hz 的带通滤波后，分别读取P 波、S 波振幅及到时前的平均噪声。同时，为考虑不确定性，在前述速度模型（表2）相应深度的速度值以上及以下浮动相应的值，再形成两个速度模型，一共3 个速度模型参与计算。设置震中距最大180 km，最少初动数8 个，P、S 波振幅比分辨率30 倍，初动矛盾数10%，振幅比矛盾数25%，按照5°间隔进行网络搜索。其中，P、S 波振幅达不到噪声分辨要求的，仅用初动计算。

3.2 结果分析

通过以上计算，共得到2009—2021年25 次地震的震源机制解的结果评级为D级以上（表3 和图7）（标注初动、振幅的，是通过初动与振幅联合反演得到；其他为通过初动反演得到，图7 震源机制解图中序号对应表3 中的序号），其中ML3.0—3.9 地震9 次，ML2.0—2.9 地震9 次，ML1.0—1.9 地震7 次。表3 还列出了前人计算的该地区1993、1994年期间的3 次地震的震源机制解，其结果部分特征与本次一致[8]，说明本次计算结果是可信的。本次计算的震源机制解虽然相对数量较少，但也能在一定程度上反映该地区震群的震源特征。同时，2009、2010年地震（属于2009—2012年地震序列）和2019—2021年地震序列的地震虽然在震中分布上有明显差异，但在震源机制解方面没有显示出明显的不同特征，故一并作分析研究。

表3 皎口水库地震序列较大地震震源机制解Table 3 Focal mechanism solutions of the larger earthquakes in Jiaokou reservoir earthquake sequence

3.2.1 统计特征

万永革[18]提出的以震源机制水平应变花理论中的面应变为指标的分类方法，不仅物理意义明确，表达清晰，还消除了不确定类型，便于总结分析。按照上述方法，对本次计算的25 个皎口水库地震的震源机制进行分类（表3），其中，走滑型（SS）地震有15 个，占60%，正断层型（N）地震有5 个，占20%，正走滑型（NS）地震有5 个，占20%，没有逆走滑型和逆断型地震，这与水库诱发地震的统计结果一致。

节面Ⅰ走向的优势角度是90°—120°，共14 个，占56%，其次是270°—300°，共4 个，占16%，两者共占72%；倾角的优势角度是60°—90°，共18 个，占72%，其中70°—90°有13 个，占52%，较陡；滑动角没有明显的优势分布。P轴方位角的优势角度是300°—360°，共14 个，占56%；倾角的优势角度是0°—40°，共16 个，占64%，其中0°—30°的共11 个，占44%。T轴方位角的优势角度是30°—90°，共11 个，占44%；倾角全部在0°—40°，其中0°—30°的共有20 个，占80%。

图7 皎口水库地震序列较大地震震源机制解Fig.7 Focal mechanism solutions of the larger earthquakes in Jiaokou reservoir earthquake sequence

3.2.2 总体震源机制

本研究按照万永革[18]提出的将地震序列的整体矩释放对应的震源机制解视为该序列的总体震源机制解的方法，估计总体特征，结果如下：节面Ⅰ走向112°、倾角71°、滑动角—163°；节面Ⅱ走向16°、倾角74°、滑动角20°；P轴走向333°，倾角25°；T轴走向64°，倾角2°；B轴走向158°，倾角65°，总体类型为走滑型（图8）。估计的总体特征与上述统计结果基本一致。

震源机制解特征表明，该震群的主要发震断层走向为NW—SE，且倾角较陡，近乎于直立断层。断层运动方式以走滑为主，正断为辅，或者两者兼而有之。主压应力轴（P轴）方位为北西偏北方向，主张应力轴（T轴）方位为北东偏东方向，两者倾角都较小，接近水平。而前人研究的苏南—浙闽北部地区现代构造应力场总体特征，都是主压应力轴方向为SEE—SE，主张应力轴方向为NNE—NE[19-21]。宋新初等[8]通过区域小震平均震源机制解与单个较大地震的震源机制解相结合的方法，得出的宁波及邻区的现代构造应力场特征也与区域整体一致。这说明皎口水库地震序列的孕育不受区域背景应力场控制。

图8 2009—2021年皎口水库地震总体震源机制解Fig.8 Overall focal mechanism solution of Jiaokou reservoir earthquake sequence from 2009 to 2021

4 发震机理探讨

通过对2009年后宁波皎口水库地震资料的重新定位及震源机制解研究发现，2009—2012年和2018—2021年两个阶段的地震序列虽然在震中位置上有明显的不同，发震时间有早、晚且相隔6年，但在震中分布形态、发震断层产状、震源机制方面显示出相似的特征，推断两者孕震机理相似。精定位后两个阶段的地震序列震中沿NW—ES 向条带分布，通过震源位置拟合也较好地刻画出了NW—ES 走向的陡倾角断层，与通过该区附近的北西向断裂长兴—奉化断裂的产状一致；同时，水库蓄水前后该区域地震活动频度相差显著，且地震震源深度、震源机制解特征与水库诱发地震相似，较大地震震源机制解反映的局部应力场与区域现代构造应力场也有明显差异。综合以上分析，笔者认为，长兴—奉化断裂仍为2009年后皎口水库地震序列的发震构造，但其孕育过程在较大程度上受水库蓄水影响和控制。

杨作恒等[4]指出，皎口水库1993年地震发生时，时值枯水季节，库容仅0.3 亿m3。2009年以后皎口水库地震序列发生时间与水库水位也存在着相似的关系。图9 为皎口水库逐日水位（a）及其变化量（b）与地震活动对比图。从图中可以看出，各阶段的震群均发生在水库水位相对低点。同时，地震发生持续时间较长，从相对高水位运行后的缓慢下降期开始，延伸至相对水位最低点，直止缓慢上升期，但水位变化量与地震频次及震级之间没有明显的相关关系。可以推断，地震发生在一定程度上受水库水位变化造成的卸荷或加荷应力场影响。

图9 2009—2021年皎口水库逐日水位（a）、水位日变化量（b）与地震活动对比图Fig.9 Comparison diagram of daily water level（a）、daily variation of water level（b）and seismic activities of Jiaokou reservoir from 2009 to 2021

大坝开挖揭露的3 条横贯坝基上下游的NW 向张、扭性小断层[9]，虽然在大坝建设期间，对在坝基部位的破碎带进行了混凝土回填，但在大坝以外仍然有分布；且在库区其他未深入开挖的区域，笔者推断也有可能存在断层破碎带，这些仅有少量断层泥发育的张扭性断层破碎带被认为具有良好的导水性[22]。同时，库床除了破碎带以外的区域，虽然基岩内普遍发育有节理裂隙，但因为相互之间未联通[9]，导水性能较差。以上两种结构之间的分界面即为导水性能的突变面，被认为是水库诱发地震的易发地带[23]。一方面，当库水沿着导水性能较强的断层破碎带渗流至边界时，扩散作用受阻，孔隙压力增大，形成孔隙压增大的集中区域，有效应力降低，容易产生由应力弱化作用引起的滑动[24]。另一方面，库水的长时间渗入、浸泡会使软弱结构面产生泥化、软化、润滑和腐蚀作用，从而降低了结构面的强度和摩擦系数，使该结构面及其周边成为不稳定区域[24]。在两者的长时间作用下，分界面深部的某些薄弱部位先后变为不稳定区域。当水库水位变化较大时，加卸荷应力场造成相对最不稳定区域应力失衡从而破裂并诱发地震。地震发生后，应力得到释放，该部位重新保持平衡。直至下一次水库水位的变化造成的卸荷或加荷应力场足够导致另一不稳定区域应力失衡，从而再次发生地震。皎口水库地震在蓄水18年后首发，地震发生时间与水库水位有一定的相关性；分3 个阶段发生，中间有平静期；除第1 阶段因地震精度不高、无法分析外，第2 和第3 阶段地震均沿断层分布；这些特征都充分佐证了以上推断。

虽然这些地震的震中基本沿断层分布，但其发震构造是受水库蓄水造成的孔隙压扩散及库水对岩体的软化弱化共同作用下形成的局部薄弱带，它的产状可能与原生断裂不一致，因此，较大地震震源机制解体现的断层面虽有优势分布，但相互之间仍有较大差异。

5 结论与展望

通过对2009—2021年宁波皎口水库地震资料的重新定位及震源机制解研究，结合区域地质构造背景、库区岩性、水文地质条件以及水库水位变化，可以得出以下结论：皎口水库2009—2012年地震序列与2018—2021年地震序列发震机理相似，区域性断裂长兴—奉化可能为发震断层；该断裂的分支断层经过库区，库床内断层破碎带与其围岩区域的分界面是导水性能突变面；水库蓄水后，在孔隙水压力扩散及库水对岩石的软化弱化的双重、长时间作用下，使得分界面附近的某些薄弱地带稳定性降低；最后因库水压力变化，导致应力失衡从而触发地震。

基于上述机理，皎口水库周边下一阶段仍然存在着发生小震、弱震的可能，发震部位最大可能沿断层带分布。建议对该区域及其周边开展精细化的地质地貌调查及地球物理勘探，以查明长兴—奉化等断裂在该水库附近的三维结构及具体展布，为进一步认识皎口水库的发震机理提供依据；同时要密切关注台风、降雨、干旱等可能引起水库水位变化的气候条件，作为该区域地震趋势研判的因素之一。

致谢

衷心感谢万永革研究员为本研究提供的断层面拟合及震源机制解分类、分析程序，浙江省地震局汪贞杰工程师、张帆高级工程师为本研究提出的建议。