珊溪水库ML4.6震群精确定位与发震构造研究*

钟羽云，张 帆，赵 冬

(浙江省地震局，杭州310013)

珊溪水库ML4.6震群精确定位与发震构造研究*

钟羽云，张 帆，赵 冬

(浙江省地震局，杭州310013)

利用浙江、福建区域地震台网和珊溪水库台网给出的P波走时资料，通过震源位置和速度结构联合反演方法，重新确定了珊溪水库地震的震源参数。并通过假设发震断层可以用一个平面进行拟合的思路，利用重新确定的震源参数拟合得到了发震断层面参数。收集了2 267条P波到时数据，求解了ML4.0以上地震震源机制解，结合水库区的断层活动性特征和宏观调查资料，讨论了珊溪水库地震序列的发震构造。

发震构造;珊溪水库;地震定位

0 引言

珊溪水库位于浙江省温州市飞云江干流上游河段，坝址位于文成县珊溪镇上游1 km的峡谷地段，距离文成县城35 km，距离温州市115 km。水库绝对坝高156.8 m，坝长308 m，设计最高库容18.24×108m3，最大水位154.75 m。大坝为钢筋混泥土面板堆面坝，工程于1996年动工，2001年12月竣工。水库于2000年5月12日开始下闸蓄水，水位为49.1 m(为海拔高程，下同)，到6月20日水位快速上升到99.5 m，平均每天上涨约1.3 m。2000年6月21日至2001年3月14日，水位在100 m上下波动，2001年3月15日起水位先小幅下降 (快速下降一周左右)后又快速上升。至2002年5月17日水位达到这一时期的最高值133.8 m，7月28日库区首次记录到3.5级 (为ML震级，下同)地震，之后每年都有地震活动。截至2009年12月31日，库区记录到ML≥2.0地震共300次，其中2.0～2.9级241次，3.0～3.9级46次，4.0级以上13次，最大为2006年2月9日的4.6级地震 (图1)。

珊溪水库在构造上位于华南褶皱系浙东南褶皱温州—临海坳陷带的南部，即泰顺—温州断坳。库区在太古代的结晶基底上，沉积了巨厚的中生代火山碎屑及河湖相沉积，库区岩性主要为侏罗系上统火山碎屑岩，白垩系下统河湖相沉积岩夹火山岩。库区构造以北东向压扭性、北西向张扭性断裂构造为主，其次为东西向和南北向，断层规模都很小，宽度多在10 m以内，长度均小于25 km，深达5 km以上，切穿基底变质岩。库区范围内有14条断裂，多为盖层断裂，发育在上侏罗统火山岩及下白垩统火山沉积岩地层中。北东向断裂带内挤压构造透镜体、劈理发育，形成于前中生代，破碎带剥蚀较浅，往往被北西向断裂切割。北西向断裂带内挤压构造透镜体、断层泥及片理发育，断裂形成于燕山晚期。

根据浙江省数字地震台网测定，地震全部发生在大坝上游的文成县珊溪镇与泰顺县包垟乡交界处的水库库区，集中分布在一个由北西向F11和F9、北东向F7和近南北向F3多组断裂围限的梯形块体内，块体内有近东西向断裂F14穿过 (图1)。对珊溪水库地震进行重新定位和发震构造研究，将对孕震背景、发震机理的认识以及对地震序列的跟踪分析和预测均具有重要意义。

确定震源位置的精度主要受到地震台网的布局、可用定位的震相、地震波到时读数的精度以及所取的地壳速度结构模型等因素的影响 (蔡明军等，2004)。在现有的地震定位方法和地震监测条件下，采用高精度地壳速度结构模型对地震定位精度的提高将是至关重要的。随着地震层析成像技术的发展，大量三维地壳速度结构模型的建立将为地震定位提供极好的研究基础。

本文采用震源位置和速度结构联合反演方法对珊溪水库震群的震源位置进行重新定位。通过分析震中位置与震源深度分布的时空变化特征，结合地质构造环境、小震震源机制解和宏观调查结果，探讨珊溪水库地震的发震构造和孕震环境。

图1 珊溪水库库区震中与断裂分布图Fig.1 Epicenter and fault distribution in Shanxi reservoir area(triangle:station，circle:epicenter)

1 地震定位

1.1 资料

2002年7月28日发生3.5级地震时，震中50 km范围内没有地震台，100 km范围只有温州台和庆元台，地震定位精度不高，有近一半地震的定位精度为Ⅱ类，即震中误差为5～15 km。2003年库区新建了珊溪、黄坛两个数字地震遥测台，台站于2003年4月开始运行。2006年2月4日珊溪水库3.5级地震后，震中区先后架设了新浦、联云、包垟、云湖4个流动台，加上珊溪、黄坦台和泰顺台，震中30 km范围内共有7个台，组成了一个小型的水库地震台网，监测能力和定位精度有了较大提高。2007年对流动台进行了改造，部分台站位置发生了变化。笔者利用浙江、福建区域台网资料，以及珊溪水库流动台改造搬迁前的P波到时资料，对2002年7月～2007年6月之间的地震进行震源位置与速度结构联合反演，重新确定地震位置。

为了确保三维速度结构反演中有足够多射线覆盖，选取在3个以上台站有清晰记录的地震。笔者挑选出313次地震共2 267条P波到时数据，并对走时残差大于1.0 s的记录重新进行震相识别。所有参与反演的走时随震中距分布如图2所示。

图2 用于反演的P波走时Fig.2 P wave's travel time for inversion

1.2 定位方法

Aki和Lee(1976)提出了用区域地震的走时资料确定台网下方地壳三维速度结构的方法，刘福田等 (1989)将速度图象重建的层析成像法归结为求解一个矩阵方程组:

式中，δt是走时残差向量，δv是模型网格节点速度扰动向量，δx是震源参数扰动向量，A是走时对速度的偏导数矩阵，B是走时对震源参数的偏导数矩阵。

在震源位置和速度结构的联合反演过程中，走时残差是由于震源参数的扰动和速度的扰动引起的。根据联合反演的基本公式 (1)，速度参数和震源参数是相互耦合的。要在同一个方程中同时反演两种不同量纲的参数，除了会增加算法的数值不稳定性外，还需要占用大量的计算机内存和机时，因此必须进行参数分离。刘福田等(1989)提出的正交投影算子，将速度参数和震源参数解耦，即将式 (1)分解为分别求解速度参数和震源参数的两个方程

式中，PB为与震源参数有关的从Rm到B的像空间R(B)上的正交投影算子。速度参数和震源参数解耦后的分析表明，速度扰动量的确定与震源位置扰动量无直接关系，仅与它的初值有关，而震源位置扰动量则与速度扰动量明显有关。地震定位精度除了受地震台网的布局、可用定位的震相和地震波到时读数的精度的影响外，还受到速度结构的影响。根据式 (2)和式 (3)，联合反演过程中先确定研究区的速度结构参数，再确定震源参数，从而消除了速度结构的不确定性对定位精度的影响。因此，通过震源位置和速度的联合反演可以有效提高地震定位质量。

1.3 初始速度模型

在大地构造单元上珊溪水库位于华南褶皱系的东南沿海褶皱带，华南褶皱系地壳结构以政和—海丰断裂为界，断裂以西 (武夷隆起)与下扬子凹陷相似，为2层结构，断裂以东 (东南沿海褶皱带)地壳由3层介质组成，厚度约为29.5 km(王椿镛等，1995，1998)。孔祥儒等 (1995)根据重力资料推测温州附近地壳厚度变化较平缓，一般在32～33 km之间，笔者取珊溪水库地区的地壳厚度为30 km。

1991年在国家基金委和中国科学院重大基础研究项目的支持下，中国科学院地质与地球物理研究所在皖南屯溪到浙江温州一带开展了综合地球物理深部研究工作，其中的人工地震宽角反射剖面取得了非常完整的资料。珊溪水库震区位于屯溪—温州剖面西南约50 km处，笔者使用屯溪—温州剖面获得的地壳结构与地震波速度在温州附近的结果 (熊绍柏，刘宏兵，2000;熊绍柏等，2002)作为反演的初始速度模型 (表1)。温州附近地区P波速度变化特征表现为:地表至6 km左右深度处，P波速度等值线密度大，速度随深度增加较快，速度梯度大;18 km左右深度至莫霍面P波速度梯度次之;6～18 km左右深度处P波速度梯度最小。由于反演使用的P波走时均为近台的Pg资料，因此，初始速度模型只是给出了莫霍面以上的地壳速度。

表1 珊溪水库地区地壳初始P波速度值Tab.1 P-wave's initial velocity in Shanxi reservoir area

本研究采用周龙泉等 (2006)的方法，反演计算中选取研究区为矩形区域，其范围为27.0°～28.0°N，118.8°～120.8°E，由于地震和台站分布的原因，在划分网格时，靠近研究区边界的地方地震较少，网格间距划分得比较大，靠近研究区中心位置，地震比较密集，网格间距划分得比较小，在平面方向上将研究区域划分成5×4共20个网格 (图3a)。

2 定位结果及其分析

选定的313次地震中，珊溪水库库区有306次，经反演后得到了库区303次地震的新的震源参数。速度结构和震源参数联合迭代反演中，初始走时RMS残差为0.54 s，经过迭代后，走时RMS残差减少为0.37 s。重新定位后纬度方向上的定位偏差为0.127～0.961 km(其中有237次地震的偏差小于0.5 km，占总数的78%)，平均为0.37 km。经度方向上的定位偏差为0.129～0.822 km(其中85%的地震偏差小于0.5 km)，平均为0.34 km。垂直方向上的定位偏差为0.123～1.126 km(其中只有1次地震深度偏差大于1.0 km，小于0.5 km的占74%)，平均为0.39 km。

图3b是重新定位后地震的震中分布，与图3a相比，重新定位后震中分布变得更加集中，总体呈现NW向优势分布，震中分布长轴约为11 km，短轴约为3 km。对于2005年以前的地震，重新定位前后震中位置变化较大，定位前后震中位置变化的平均值为1.4 km，2006年2月以后，特别是2月8日震中区开始架设流动台以后，定位前后震中位置变化的距离明显减小，平均值为0.7 km。说明定位精度与台站分布有密切的关系。

2.1 深度分布特征

重新定位后的303次地震震源深度全部小于10 km，最大震源深度为9.5 km，平均为5.4 km。其中有12次震源深度小于3 km，占总数的4%，250次震源深度为3.0～6.9 km，占总数的83%。张国民等 (2002)曾研究中国大陆地区和各分区震源深度分布图像，结果表明，华南地震区震源深度平均为10 km，大于珊溪水库地震震源深度，这可能是由于珊溪水库地震属于水库诱发地震，其发震机理上不同于构造地震。特别是小于3 km的地震大部分都是发生在水库诱发地震之初的2002年，并且最初几年震源深度有一个逐渐变大的过程，可能这是由于水逐渐往深部下渗进一步诱发了更深处的地震。

图3 珊溪水库地震重新定位前后震中分布(a)重新定位前震中分布及网格划分;(b)重新定位后震中分布 (淡绿:2002～2003年，绿:2004～2005年，紫:2006年2月，红:2006年3月后)Fig.3 Earthquake epicenters before(a)and after(b)relocation in Shanxi reservoir

图4为沿图2b中的AB剖面和CD剖面的震源深度分布，其中AB与双溪—焦溪垟断裂走向平行，CD大体与双溪—焦溪垟断裂走向垂直。结果显示:沿AB剖面地震呈现一个不对称的“V”字形分布，位于水库北岸的A端 (NW端)地震较少，震源深度均小于5 km;进入水库库区处，地震变得非常密集，震源深度也迅速变大，其中震源最深处位于双溪—焦溪垟断裂与近南北向断裂的交汇部位及其附近段落，该处也是2002年水库最初发生地震的地方。再往东南，震源深度又逐渐变小，在位于水库南岸的B端附近震源深度均小于5 km。为了分析地震在垂直于双溪—焦溪垟断裂面上的地震分布，在靠近A端处作CD剖面，并且只是把分别位于CD剖面两侧约2 km内的地震投影到剖面上，图3表明，西南端 (C端)地震较深，东北端 (D端)地震较浅，根据震源的分布行迹推测，发震断层面倾向为WS。

图4 沿图3b所示剖面AB(a)和CD(b)的地震分布Fig.4 Earthquake distribution along the section AB(a)and section CD(b)of Figure 3b

2.2 利用震源分布确定发震断层面

重新定位后震中分布的优势方向与穿过水库区的NW向双溪—焦溪垟断裂走向一致，且地震全部分布在该断裂的西南一侧。万永革等 (2008)假定地震发震断层可以用一个平面来模拟，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的方法确定发震断层面的走向、倾角及位置。其基本思路是寻求一个平面，使所有已经定位的余震震源位置到这个平面距离的平方和最小。

设在地理坐标系中，(xi，yi，zi)表示第i个余震震源位置，则断层面法向量在地理坐标系中表示为 (sinφsinδ， － cosφsinδ，cosδ)。于是断层面在地理坐标系中的方程为

所以震源点 (xi，yi，zi)到平面的垂直残差为

建立目标函数为所有余震到断层面垂直距离与观测误差比值的平方和

式中，E为关于ρ、φ、δ的三元非线性函数，n为参加拟合的余震数目。σi表示为第i个余震的定位误差。理论上，该误差应该是余震位置距断层面距离的误差，但这里的断层面几何参数为未知数，可采用定位总误差给出。如果第i个余震的经度方向、纬度方向和深度方向的误差为 δλi、δφi、δhi，则根据误差传播公式得出震源位置总误差为

我们的目的是使得所有余震到断层面垂直距离与观测误差比值的平方和为最小值，求解参数ρ、φ、δ的值。

使用上述方法对重新确定的珊溪地震序列震源位置进行拟合，最小二乘拟合参数结果为走向角132°，标准差为1.4，倾向角85°标准差为1.9，即断层面为走向132°倾向西南，倾角为85°的断层。

图5 地震分布在水平面 (a)、断层面 (b)和垂直于断层面的横断面 (c)上的投影和小震距断层面距离的分布 (d)(圆圈表示精确定位的小震，粗线表示确定的断层面边界)Fig.5 Earthquake distribution in the horizontal plane(a)，fault plane(b)，cross-section perpendicular to the fault plane on the projection(c)and the distance distribution for small earthquakes from fault plane(d)(circles stand for precise position of small earthquake，thick lines stand for the fault plane boundary)

3 震源机制解和地震主破裂面

一般情况下浙江中南部和福建中北部台站能记录到ML4.0以上地震，大概能收集到20个左右的P波初动，计算了10次地震震源机制解(表2)。结果显示，总体上节面Ⅰ走向为 NE向，节面Ⅱ走向为NW向，主压应力P轴方位为NNW，最大主张应力T轴方位为NEE，具有较好的一致性 (图6)。节面的倾角绝大多数大于70°，P轴仰角大多数小于10°，最大为36°，接近水平。珊溪台、黄坛台和泰顺台记录到该地震序列的全部地震，所有地震的P波初动符号均表现为珊溪台为“+”，黄坛台为“－”，泰顺台为“+”，具有高度的一致性。除新浦台P波初动符号既有“+”又有“－”外，包垟、云湖和联云台的P波初动符号均保持不变。这可能是由于这些地震的发震断层是同一条断层，且新浦台位于与发震断层面垂直的节面附近的原因。

图6 ML≥4.0地震震源机制解Fig.6 Focal mechanism solutions of the ML≥4.0 earthquakes(a)2006－02－04 11:00，ML4.0;(b)2006－02－04 16:00，ML4.1;(c)2006－02－08 01:00，ML4.4;(d)2006－02－09 03:00，ML4.6;(e)2006－02－09 18:00，ML4.2;(f)2006－02－10 07:00，ML4.2;(g)2006－02－10 14:00，ML4.1;(h)2006－02－11 04:00，ML4.2;(i)2006－08－01 13:00，ML4.0;(j)2006－08－01 14:00，ML4.5

表2 ML≥4.0地震震源机制解Tab.2 Focal mechanism solutions of the ML≥4.0 earthquakes

由图3可以看到，绝大部分地震震中位于双溪—焦溪垟断裂F11附近，其优势分布方向与该断裂走向一致。从时间演化过程看，珊溪水库地震序列大致可以分为3个阶段:(1)2002～2003年地震集中发生在北西向双溪—焦溪垟断裂与近南北向断裂交汇的水库淹没区内及附近，震中分布优势方向与NW走向的F11一致，F11为地震的发震断层;(2)2004年起地震开始向南迁移，并且震中比较分散，没有明显的优势分布方向，NE向南浦—焦溪垟断裂 F7、NW向东坑—章坑断裂 F9和NEE向岩上断裂F14上均有地震。这一阶段可能是震中区的调整阶段，NE、NW、NEE向的多条断裂均有小震活动，且这一时段的地震相对较小 (全部小于ML3.0);(3)经过2年多的调整，并随着水库水位上升到最高值，2006年2月开始库区地震活动又重新活跃，地震全部发生在F11断裂西南侧，震中分布优势方向与F11一致，也与2002～2003年的优势方向一致，且全部位于其东南方向，即F11的东南段。2006年3月以后地震仍然沿着F11分布，并且既发生在其东南段，又发生在2002年最初发生地震的西北段。

图7 2006年2月9日ML4.6地震等震线分布图Fig.7 Isoseismal map of Feb.9，2006，ML4.6 earthquake

节面Ⅱ走向与2006年2月9日ML4.6地震的等震线Ⅵ度和Ⅴ度线椭圆区长轴方向大体一致(图7)，由此推测，节面Ⅱ为地震的主破裂面，破裂面倾向西南。此外，上文通过假设发震断层为一个平面，使用重新定位后的震源位置进行拟合得到发震断层面参数为走向角132°，倾向角85°，倾向西南，该参数与穿过水库区的双溪—焦溪垟断裂的几何参数大体一致。因此，珊溪水库地震序列是由NW向双溪—焦溪垟断裂F11右旋走滑的主破裂，与NE向南浦—焦溪垟断裂F7、NW向东坑—章坑断裂F9、NEE向岩上断裂F14多个次要破裂共同作用的结果。

4 结论

笔者采用震源位置和速度结构联合反演方法，利用浙江和福建区域地震台网和珊溪水库台网给出的P波走时资料，重新确定了珊溪水库地震的震源参数，并通过假设发震断层可以用一个平面进行拟合的思路，利用重新确定的震源参数拟合得到了发震断层面参数。收集了尽可能多的P波初动，求解了ML4.0以上地震震源机制解，结合水库区的断层活动性特征和宏观调查资料，讨论了珊溪水库地震序列的发震构造，结果表明:

(1)珊溪水库地震震源深度最大为9.5 km，平均为5.4 km，小于华南地震区10 km的平均震源深度。这可能是由于珊溪水库地震属于水库诱发地震，其发震机理上不同于构造地震。

(2)沿着震中优势分布方向北西向的剖面上地震呈现为一个不对称的“V”字形分布，水库北、南两岸的地震较浅，震源深度均小于5 km，水库淹没区地震较深。特别是2002～2003年发生的地震震源深度有一个逐渐变大的过程，即2002年7月发生的一丛地震震源深度较小，大多小于3 km，之后逐渐变大，这可能是由于水逐渐往深部下渗进一步诱发了更大深度处的地震所致。

(3)利用最小二乘法拟合的发震断层面参数为走向角132°，倾向角85°，倾向西南，该参数与穿过水库区的双溪—焦溪垟断裂 (F11)的几何参数大体一致。ML4.0以上地震震源机制解的节面走向与倾角、P轴方位与仰角总体上具有较好的一致性，结合地震震害宏观调查结果分析，珊溪水库地震序列是由NW向双溪—焦溪垟断裂F11右旋走滑的主破裂，与NE向南浦—焦溪垟断裂F7、NW向东坑—章坑断裂F9、NEE向岩上断裂F14多个次要破裂共同作用的结果。

衷心感谢周龙泉博士、万永革博士为本研究提供的部分计算程序。

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Precise Relocation and Seismogenic Structure of the Shanxi Reservoir Earthquake Sequence in Wenzhou，Zhejiang Province

ZHONG Yu-yun，ZHANG Fan，ZHAO Dong
(Earthquake Administration of Zhejiang Province，Hangzhou 310013，Zhejiang，China)

Using P-wave's travel time recorded by Shanxi-Reservoir Seismological Network，Zhejiang Seismological Network，and Fujian Seismological Network，we implemented a simultaneous inversion of the earthquake relocation and velocity structure，and got the new location of the ML4.6 earthquake in Shanxi-Reservoir area.Assuming the seismogenic fault can be fitted with a plane，we fitted the fault parameters with the new source parameters of the shanxi-resevoir earthuqake.We collected P-wave's first-motion data of 313 earthquakes to calculate the focal-mechanism solutions of the ML4.0 earthuqakes.Refering to the characteristics of fault zones crossing the reservoir and the data of the seismic macro-survey of the reservior area，we discussed the seismogenic structure of the Shanxi Reservoir area.We find that:① The focal depth of the earthquake sequence in Shanxi-Reservoir area is at an average of 5.4 km，smaller than the one in South China.②Beside the reservoir the focus is shallower，but deeper in the reservoir inundation area.In the beginning of the reservoir-induced seismicity，the focal depth increased gradually，because the deep infiltration of water gradually induced an earthquake with a greater depth.③ By fitting the epicenters of Shanxi earthquake sequence，we got the earthquake fault plane parameters:fault strike 132°，dip 85°，tend direction southwest.The fault parameters were broadly consistent with the ones of the Shuangxi-Jiaoxiyang fault.The ML≥4.0 focal mechanism solutions of the nodal plane，strike，dip，P-axis azimuth and elevation were generally in good agreement.

Shanxi reservoir;earthquake location;seismogenic structure

P315.3+3

A

1000－0666(2011)02－0158－08

2010－05－27.

国家科技支撑计划项目 (2008BAC38B03－01－05)和地震行业科研专项 (200708020)联合资助.