2023年2月5日三水ML4.0級礦山地震震相特征與發震構造

楊 選，馬曉靜

（廣東省地震局，廣州 510070）

0 引言

2023 年2 月5 日，廣東省佛山市三水區樂平鎮附近發生了ML4.0 級地震，中國地震臺網中心（CENC）正式目錄的發震時間是11∶38∶15.27，震源位置是經度112.953°E，緯度23.279°N，深度11 km。佛山、廣州、深圳等地區有感，有感范圍廣泛，且震中位于自l988年3月開始注水采鹽的隔坑鹽礦礦區[1]，引起了廣大群眾及政府部門的高度關注。這次地震部分臺站記錄波形中出現規則正弦形面波，震中周邊20 km 范圍內，震前5 年僅發生過3 次地震，分別是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。震后一個月內沒有記錄到余震活動，地震波形及地震活動類型均較為獨特。利用現有觀測資料深入剖析此次地震的特征和發震構造背景，對于認識本區域特殊類型地震、地震活動性以及淺源地震災害風險防治等具有一定意義。

1 地震記錄資料及特征

為研究這次地震的特征，本文收集了震中800 km 范圍內廣東（包括廣州和佛山等地方臺網以及新建成尚未驗收的40 個加密臺）、廣西、湖南、福建、江西和海南等臺網[2]的2000 多個臺站的記錄，從中挑選出質量較高的342 個測震記錄和410 個強震記錄，共計752個（見圖1）。經過人工仔細分析，識別出了967個震相（見圖2），包括Sg震相280個、Pg 震 相264 個、Pn 震 相199 個、Sn 震 相123 個、PmP震相23個、SmS震相34個和Pb震相24個。

圖2 震相走時曲線Fig.2 Travel time curve of seismic phase

震中距30 km 內的8 個臺均有多組反射波，Sn與Sg 走時曲線交點對應的震中距在150 km 左右，相對較大（據華南走時表中的數據推測：震源深度為0、5、10、15和20 km時，此交點對應的震中距分別為164.5、151.7、136.4、119.2 和100.0 km），是典型的上地殼事件。

所有臺站記錄都在Sg 波之前有豐富的高頻成份，有75 個臺站記錄中在Sg 波之后出現了周期變化（周期在1.1～1.5s 之間）、毛刺少、振動規則的短周期面波，其持續時間大致在5 至20 s 之間；面波振幅振幅整體隨震中距增大而減小，但部份臺存在突然增大數倍的現象（見附圖2），最大峰值的視速度約為2.85 km/s，在垂直向比較明顯，符合Rg 面波的特征[3]。Rg波是短周期的地殼瑞利波，因為天然地震有一定的深度，所以極少出現Rg 波。正是因為出現Rg 波，同時又有較多的高頻成份，所以三水地震的類型爭議較大，圖3給出了DOG臺記錄到的本次地震與2016 年10 月28 日廣東連平M3.0塌陷的波形，兩者差異較為明顯，塌陷滑坡高頻成份不發育，爆破通常具有各向同性，S 波不發育的特征，據此可排除此次事件為塌陷、滑坡或爆破的可能。

圖3 DOG臺記錄到的本次地震與一次塌陷波形Fig.3 Waveforms of this earthquake and a collapse recorded by the DOG station

圖4 視出射角與真出射角示意圖Fig.4 Schematic diagram of apparent and true dip angles

從能觀測到Rg 波的臺站空間分布看：多數臺站分布在江河流域或出?？?，這些區域沉積層相對較厚，由此推斷Rg 波的發育程度似乎還與沉積層厚度有一定關聯。

2 地震深度及精確確定位

在沒有較精細地殼模型的情況下，即使有較多的近臺記錄，深度搜索仍然還是不穩定，特別是JOPENS-MSDP 提供的幾種定位算法沒有對近臺資料特別增加權重設置，使得精確測量震源深度更困難。但是，在有較近的臺站（震中距小于兩倍震源深度）記錄時，通過增加測量視出射角，進行單臺射線追蹤，能對深度起到一定的約束作用，可改善對震源深度的分辨效果[4]。

2.1 視出射角法

地震波入射到地面時，總位移矢量和地面之間的夾角稱為視出射角，常用ē表示；而入射波與地表的夾角稱為真出射角，常用e表示。由于地震波在地面上形成了反射波，所以視出射角不等于入射波的真出射角。若將地球表面視為自由表面，則視出射角和真出射角的關系與地殼介質的泊松比有關[5]。在有三分向記錄到清晰初動的近臺記錄時，可根據記錄到的地面位移的垂直分量AUD和兩個水平分量AEW與ANS按（1）式先確定視出射角，再根據真出射角和視出射角的關系（2）式計算真出射角，測量出直達P 和S 波的到時tS和tP即可按（3）式，估計出震源深度[5-6]，式中tS-tP是直達S與直達P波的到時差，U為虛波速度，e為真出射角。

在收集到的記錄中，Pg 較早達到HWG（tP=11∶38∶16.590）和SSSE（tP=11∶38∶17.160）兩臺，Sg波的到時使用質點運動軌跡分析，較精確地找出質點運動軌跡明顯改變的起跳點（圖5），分別是GZ/HWG（tS=11∶38∶17.290）和FS/SSSE（tS=11∶38∶17.970），仿真成位移記錄測量三分向初動，據范玉蘭等人的研究，華南地區直達P 波速度VPg=6.01 km/s，直達S 波速度VSg=3.55 km/s，虛波速度U=8.673 km/s，可估算出本次地震的震源深度在4.3 km左右，見表1。

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

圖5 HWG臺（左）和SSSE臺（右）的質點運動軌跡圖（Pg波到達時刻為時間零點，軌跡突變起點對應時刻為Sg到時）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）.

由于地殼巖石各層介質密度不同，波速亦會不同。波在不同介質的分界面上按折射定理產生折射，使地震波射線向上彎曲，呈曲線狀[7]。因此，視出射角法估計出的震源深度多數會偏深，特別是隨著震中距增大，估計的誤差也會越大。

2.2 深度震相

對于地殼結構相對簡單的區域，近震深度震相sPg、sPmP 和sPn，以及它們的參考震相Pg，PmP 和Pn 在近震記錄上通?？梢郧宄赜^測到。在近震地震圖上識別出這些深度震相及其參考震相后，可以利用測量它們之間的到時差或通過波形對比的方法相對精確地確定震源深度[8]。1956年蘇聯學者A.A.維琴斯卡雅，提出在近震中可觀測sPn 震相。之后，H.B.康道爾斯卡婭給出雙層地殼中近震的sPn-P 的走時方程[9]。Saikia 在實際數據和理論波形中都發現在確定的震源深度下sPn相對Pn的到時差很穩定的特征，因此可以用來約束震源深度[10]。國內自上世紀70 年代初開始張誠、房明山、任克新、王登偉等人先后研究了sPn震相，認為采用sPn 和Pn 波的走時差來測定地震深度的方法簡便準確[11－16]。

sPn 波是指發生在地殼內的地震產生的S 波入射到地表經地面反射時，其中SV 成分會轉換為P波，之后轉換P波入射到莫霍面，當入射角為臨界角時，在地幔頂部沿著Moho 界面向前滑行，形成Pn 波。拾取sPn 的方法基本上是在同一時間窗內，將不同震中距的Pn 震相對齊，則sPn 震相也大致對齊了，再根據其動力學特征，即周期和振幅都比Pn大的特征，可拾取sPn。洪星，蔡杏輝，吳國瑞等人給出了華南地區的sPn 震相動力學的初步特征，深度與sPn-Pn 的關系滿足（4）式[15-18]。依據這些特征我們識別出12 個臺的sPn（見表2 及圖6a），sPn 和Pn 的到時差最大1.55 s，最小1.17 s，平均1.36 s，對應的深度為3.75 km，標準偏差是0.39 km（見表2）。

表2 本次地震識別出的sPn震相Table 2 sPn seismic phases identified in this earthquake

圖6 原始記錄圖中識別出的sPn（a）及臺站（震中距200～300 km）垂向Pn的疊加圖（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響，單臺挑選的可靠性不高。為了提高sPn-Pn測定的準確性，采用滑動時窗相關法讀取sPn 震相?；瑒訒r窗相關法常用來估計信號之間相關性大小隨時間變化的程度。移動時窗相關法的具體方法如下：對于一個地震事件的兩條波形記錄，從某一起始時間，計算一定時窗范圍內其相關性的大小。然后時窗向前推移（重疊），計算新時窗內對應波形的相關值。對于一個地震的N條波形記錄，每兩個波形記錄進行互相關計算，然后再進行總體疊加?；ハ嚓P系數的大小反映了波形的相似度。把Pn 波初至對齊后，可利用互相關峰值的時移值來確定sPn 和Pn的到時差[19]。

本次地震短周期面波比較發育，初步判斷不可能太深，結合實際的波形看：震中距在200～300 km的臺站，信噪比較高，且這個范圍內Pb和Pg等續至震相與初至震相Pn 的到時差已超過3 s，結合視出射角法估計的結果初步推測，此范圍的資料可用于搜索本次地震的sPn 震相。對符合條件的臺站資料進行0.1 至1.5 Hz 帶通濾波，以其中Pn 到時最小的臺站記錄為基準，此到時為零時，取0.2 秒為窗長的數據為參考波形，其余的每個臺站記錄以相同窗長按1 個采樣點滑移與參考波形做互相關，使Pn 對齊之后疊加即獲得高信噪比的波形記錄；同時滑移相關系數也對齊疊加，疊加互相關系數在零時刻附近兩個峰值的時差就是所要提取的sPn和Pn 的到時差。最終搜索到sPn 和Pn 的到時差為1.53 s，對應深度是4.2 km，詳細結果見圖6（b）。

利用人工分析識別出的sPn 和Pn 到時差確定的本次地震震源深度為：3.8±0.39 km，通過移動時窗相關方法搜索獲取的sPn與Pn的到時差，估算出震源深度是4.2 km，兩種方法基本一致，因此可確定這次地震的震源深度為3.8 km，相對誤差約10%。

2.3 微觀震中位置的精確測定

在震源深度由深度震相確定的情況，采用固定深度，只反演發震時刻和震中經緯度，減少反演參數提高定位的穩定性和精度。將震源深度固定為3.8 km，使用華南走時表，利用單純型、hyposat 和LocSAT 進行重新定位，3 種方法的定位結果間兩兩相距約0.7 km，與國家臺網中心CENC正式目錄發震時刻分別提前0.50 s、0.43 s 和0.36 s，水平位置沿東南向分別偏移1.1 km、0.8 km 和1.1 km，都在麥家村與隔坑村連線上，更靠近隔坑村一側。為減小誤差和不確定性，提高結果的可靠性取3種定位方法的定位結果的平均值作為最終結果。即：此次地震的發震時刻11∶38∶14.84，經度112.958 3°N，緯度23.271 6°E，深度3.8 km，震級ML4.0，詳見表3 和圖7。從圖7 可以看出本次地震發生在隔坑礦區北東邊緣處的F7斷層上。

表3 2023年2月5日ML4.0三水地震重新修定的發震時刻和微觀震中Table 3 Revised origin time and micro-epicenter of the Sanshui ML4.0 earthquake on February 5th，2023

圖7 2023年2月5日ML4.0三水地震新修定震中與F7斷層位置Fig.7 Location of the revised epicenter of the Sanshui ML4.0 earthquake and F7 fault

3 震源機制及發震構造

3.1 震源機制

從收集到的波形資料中識別出P 波初動79 個，這些初動呈典型的四象限分布，加入16 個震幅比資料和16個Sg波初動，使用focmec方法搜索到了該地震的震源機制解，見圖8。該地震的震源機制解為：節面Ⅰ走向334.90°，傾角54.04°，滑動角-18.84°；節面Ⅱ走向74.84°，傾角76.23°，滑動角-142.53°；P 軸方位301.68°，仰角36.88°；T 軸方位201.45°，仰角13.32°；B軸方位95.06°，仰角50.00°。顯然這是一次典型的走滑型構造活動，可能的最大水平壓力方向為290°，這與康英等人給出的該區域的主壓力σ1較一致[20]，表明區域應力場在本次地震孕育過程中起主導作用。

圖8 三水ML4.0級地震的震源機制解Fig.8 Focal mechanism solution of the Sanshui ML4.0 earthquake

3.2 地質構造環境及發震構造確定

這次地震發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體盆地，走向北北西，呈菱形，面積約3300 平方公里?；子稍沤?、下古生界變質巖、上古生界砂頁巖和碳酸鹽巖、中生界砂頁巖和零星出露的燕山期花崗巖組成。上覆沉積厚約3600 m 的白堊系地層和厚約3200 余米的老第三紀地層。據物探調查，三水盆地老第三紀早期曾是殼下活動和下地幔隆起最活躍的地方[21]。在晚第三紀時的三水盆地仍有張性構造活動，其活動性亦明顯減弱。早第三紀的噴出巖比較廣泛地見于三水獅山、南海市王借崗等地，其地表露頭或地質鉆探常顯示屬于基性的玄武巖被酸性或中性的粗面巖、安山巖所披覆，說明受上地幔上沖影響的火山巖活動已明顯地隨時間推移而減弱[22]。

震中區主要控制斷層處于北西向西江斷裂和白坭—沙灣斷裂之間，被東西的廣三斷裂切割，見圖9（a）。

圖9 三水ML4級地震震中附近的主要斷裂分布Fig.9 Distribution of main faults near the epicenter of the Sanshui ML4 earthquake

西江斷裂基本沿西江下游的北西向河道發育，南東段由磨刀門入南海，北西段可能沿綏江斷續延伸至廣寧、懷集一帶，全長近200 km。斷裂以九江為界，北西段基本沿西江右岸（西岸）發育，南東段則沿左岸（東岸）發育，總體產狀是走向NW30°～50°，傾向NE，傾角大于70°[23]?；跍\層地震探測，西江斷裂未發現切穿第四系地層，該區已有第四系底部沉積物年齡40 000 a左右，可見，該斷裂晚更新世中期以來（40 000.BP）未發生明顯活動[23]。

白坭—沙灣斷裂部分地控制了三水盆地及珠江三角洲第四紀沉積的北東邊界。斷裂北起花縣白坭向南東經南?？h官窯、松崗至番禺沙灣沿蕉門出伶仃洋斷裂走向NW30°～40°，傾向SW，傾角大于50°，是一條第四紀以來活動的斷裂[24-25]。

廣州—三水隱伏斷裂東段稱羅浮山斷裂（含瘦狗嶺斷裂）[26]。該斷裂部分地控制了晚更新世以來珠江三角洲的北界，沿斷層巖石硅化、糜棱巖化、擠壓破碎等。在廣州以西至三水附近該斷裂帶雖然被第四紀沉積隱伏，但在MSS6 波段的衛星像片上，該斷裂以明顯的東西向深色線性條帶清晰地顯示出來，并與三水以西的東西向斷裂相連，說明了該斷裂全新世以來的活動[25-26]。

這次地震發生在三水市以北約20 km 處的南邊鎮麥家村與隔坑村之間，靠近隔坑村一側，從圖7和圖8 看震中位于隔坑鹽礦礦區北東邊緣與F7 斷層交匯處。據廣東省地質工程公司的技術報告，F7 斷層與白坭—沙灣斷裂相距不足2 km，是一條正斷層，其切割深度超過2 km，走向為NNW345°，傾向SW，傾角約50°～60°[27]。與震源機制解的節面Ⅰ吻合較好，據此推斷本次地震應該是F7 斷層錯動引起的，結合反演出滑動角認為其錯動類型為：左旋走滑為主，兼少量正斷。

4 結論及討論

（1）1997年9月23日和26日隔坑村附近曾分別發生了ML3.3 和ML4.4 的地震，李純清等人分析認為其震相特征與一般構造地震不同[28]，廖華康認為這兩次三水地震，不可能是天然地震，極有可能是一場塌陷地震[29]。之后該區域的地震類型一直存在爭議。直至本次地震發生后，利用近年來新建的密集觀測站網收集到了豐富的波形資料，綜合分析判斷排除此次事件為塌陷、滑坡或爆破的可能。比較兩次ML4 以上地震在XNH、ZHQ 和HUD 三臺的記錄，發現相似度較高，相關系數分別是0.90、0.89和0.73，它們應該是同類型地震。

（2）依據Sn與Sg走時曲線交點對應的震中距較大、近臺視出射角以及較遠臺記錄的sPn與Pn的走時差變化等震相特征，修訂了2023 年2 月5 日廣東三水ML4.0 級地震的發震時刻和震源位置為：11∶38∶14.84，經度112.958°N，緯度23.270°E，深度3.8 km，震級ML4.0。震中位于隔坑鹽礦礦區北東邊緣與F7 斷層交匯處，由深度震相確定的深度比采鹽井深1 km左右，距最近的隔4號開采井水平距離約500 m。從空間范圍上可以確定地震發在開采區，這是典型的與采礦活動密切相關的礦山地震[27]。

（3）結合震源機制和已探明的小區域地質構造資料，推斷這次地震的發震構造走向為334.90°，傾角為54.04°，滑動角為-18.84°，可能是F7 斷層沿斷層面發生左旋走滑正斷錯動而引發的。長期的抽取鹵水采鹽，采空區應力變化引起礦體的應力分布會發生調整，沿F7 斷層的應力超過了其承載能力，就使上盤發生破裂和滑動，從而引發地震。魏柏林等人研究1997 年9 月2 次三水地震認為地震的最大主壓應力軸近于直立，與重力方向一致，產生的是塌陷地震[30]。我們研究結果似乎不全支持其結論，雖然都是沿F7 斷層滑動，但最大主壓應力軸并非與重力方向一致，而是與該區域的主壓力σ1較一致，即是區域應力主控制下的礦體應力調整。重力主導下礦區應力調整產生的礦震應該多數是孤立的，與周邊的中強震時空關系不明顯，但區域應力場控制下的調整則會與周邊的中強震存在某種看似巧合的時空關系。

（4）深度為3.8 km 是一次罕見的淺源地震。據廣州市地震活斷層探測與地震危險性評價時深反射地震勘探專題報告給出白坭—沙灣斷裂附近的剖面淺部（4 km 以上）成層性較好，層位較多，地層結構簡單，總體趨勢為西高東低的單斜形態，巖性可能是沉積巖層。震源在沉積層產生的P波與SV 波大于臨界角入射，由P 波與SV 波耦合在自由地表形成的波動即為短周期的瑞利面波Rg，從觀測點的空間分布看Rg 波的發育程度似乎還與震中距和臺站附近的沉積層厚度相關。本文初步分析廣東地區Rg 波的最大峰值的視速度（周期在1.1～1.5 s 間近似的群速度）約為2.85 km/s，峰值振幅隨震中距的衰減關系為：log（Vmax）=-1.8004*log（Δ）+5.0812。從三水地區的震例研究認為極淺源地震激發的Rg 波是造成震級小、震中烈度高、破壞性大和選擇性破壞明顯為其特征[21]的主要因素，在采礦區附近或有定沉積層建設場地的抗震設防工作中應該給予足夠的重視。

附2023 年2 月5 日三水ML4.0 級地震獲取廣東地區Rg波初步特征

附圖1 廣東三水地震的Rg波峰值速度對應走時隨震中距變化Fig.1 Variation of travel time corresponding to peak velocity of Rg wave with epicentral distance of Sanshui earthquake，Guangdong