2023年廣東河源4.3級和東源4.5級地震余震分布及震源機制解特征

姜喜姣，林慶西，陳修吾，朱 騰，梁 明

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監測與減災技術重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省地震預警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070）

0 引言

據中國地震臺網中心測定：北京時間2023年2月11 日10 時41 分，廣東河源市源城區（23.76°N，114.64°E）發生4.3 級地震，震源深度11 km。同年3 月8 日5 時15 分，廣東河源市東源縣（23.83°N，114.52°E）發生4.5 級地震，震源深度10 km。兩次地震僅相隔25 天，是新豐江庫區自2014 年7 月11日4.0 級地震以來發生的又一顯著地震事件，打破了新豐江庫區長達9年的4級地震平靜期。

新豐江水庫自1959 年截流蓄水后，大小地震頻繁發生，至今已記錄地震10 萬余次，其中最大的是1962 年3 月19 日在新豐江庫首峽谷及大壩附近發生的6.1 級地震，這也是世界上為數不多的水庫誘發6級以上地震的震例之一。多年來，眾多研究人員對新豐江庫區的震源機制進行了大量的研究，并取得一系列重要成果[1-5]。本文研究的4.3級和4.5 級地震均發生在新豐江庫區，準確認識震中附近區域構造環境和發震機制對深入研究新豐江水庫誘發地震的機理和水庫區地震動力學變化特征具有重要意義。

為了更好地開展新豐江庫區地震動力學機制的研究，本文采用gCAP 和FOCMEC 反演方法，計算了新豐江庫區兩次主震的震源機制解，同時根據余震分布，初步分析了兩次地震序列的震源特性，地震活動與構造特征的關系等，以期獲得新豐江庫區現今的孕震環境。

1 發震區域構造背景

新豐江水庫主體位于燕山期東西向延展的巨大花崗巖巖體上，區內地質構造以NNE、NNW 和NEE 向斷裂構成的網格狀格局為主要特征[6]（圖1）。NE-NNE向斷裂在地表發育明顯，代表性的有河源斷裂、人字石斷裂和大坪—巖前斷裂[7]，以逆斷層或逆掩斷層為主要特征；NNW 向斷裂分布于水庫東側以及峽谷區，由一系列陡傾角的小型平推斷層組成；NEE 向斷裂地表不出露，只能見到斷續分布的擠壓帶或剪切帶，據航空磁測和重力異常資料顯示該斷裂存在于深部區域，并在水庫峽谷區兩側發育[8]。

圖1 新豐江庫區構造及主震分布Fig.1 Structure and main earthquake distribution in the Xinfengjiang reservoir area

河源4.3 級地震發震于新豐江峽谷區，位于南山—坳頭斷裂和石角—新港—白田斷裂的交匯處。石角—新港—白田是庫區內最主要的NNW 向斷裂，其南段新活動性表現最為強烈，新豐江水庫誘發地震活動與此斷裂有關[1]，而南山—坳頭斷裂存在于地殼深部，未出露地表。東源4.5 級地震發震于庫盆區西側側翼位置，東距蘭屋—太和洞斷裂約2.5 km，該斷裂南北長約17 km，東西寬約6～10 km；南距大坪—巖前斷裂約5 km。

2 數據選取和方法

本次研究選取的地震目錄來源于廣東省地震臺網，數據時間范圍為發震時刻至4 月15 日0 時，包含河源4.3級地震余震序列中的432個地震事件，以及東源4.5級地震余震序列中的188個地震事件。由于新豐江庫區臺站分布密集，且距離震中很近，有利于震源位置的精確測定，劉特培通過對比絕對定位和雙差定位，發現絕對定位的精度和可靠性均高于雙差定位[9]。因此本文研究余震分布采用hyposat絕對定位結果。

gCAP 是一種基于波形的震源機制反演方法，主要是將近震波形分為體波部分（Pnl）和面波部分（Surf），分別計算擬合波形和實際波形的誤差函數，搜索出最佳震源深度和震源機制解[10-11]。該方法具有計算臺站較少，對速度模型和地殼橫向變化依賴性較小的特點，在我國一些重要構造區得到了普遍的應用，計算結果可靠穩定[12-13]。

本文擬采用gCAP 方法反演兩個主震的震源機制解。為了確保震源機制反演結果的可靠性，選取主震震中距80～200 km、信噪比較高、方位覆蓋均勻的臺站波形數據。Wei等的研究認為參與反演的臺站數在5～10之間能得到理想的求解結果，因此將臺站數量限制在10 以內[14]。反演前，對觀測波形進行了去除儀器響應、旋轉三分量、重采樣處理。Pnl波濾波頻段為0.05～0.2 Hz，面波部分濾波頻段為0.05～0.1 Hz。利用F-K 方法計算格林函數，采用的速度模型為新豐江庫區人工地震探測剖面結果，并參考華南一維速度模型和Crust2.0 模型對速度結構進行了部分修正[13]。

FOCMEC 方法是通過P 波、SV 波和SH 波的初動方向和振幅比聯合測定地震震源機制解[15-16]。由于計算采用的參數較多，該方法可以有效約束震源機制的反演結果，獲得較高的反演精度[17]。本文同樣使用FOCMEC 方法計算兩個主震的震源機制解。為保證反演精度，在求解震源機制時規定每個地震事件至少有20 個P 波初動記錄，至少有5個S 波初動和振幅比被量取。在反演時，P 波初動矛盾數控制在2 以內，振幅比矛盾數控制在3以內。

利用gCAP 和FOCMEC 兩種方法獲得的P軸或T軸進行矢量合成，計算得到兩個結果的平均解，作為震源機制最終結果[18-19]。

3 余震序列分布特征

河源4.3 級地震余震分布和沿不同剖面的震源深度分布如圖2所示?？梢钥吹?，余震基本集中于主震附近，呈橢圓狀分布；NWW—SEE 為橢圓的長軸方向，長約2 km，NNE—SSW 為橢圓的短軸方向，長約1.5 km；主震略靠近橢圓質心的北部，其NNW、NEE 和SE 方位有稀疏的余震分布。為進一步分析余震序列和斷裂構造的關系，沿南山—坳頭斷裂和石角—新港—白田斷裂的走向選取兩條震源深度剖面，剖面寬度在5 km 內。AA’剖面顯示（圖2b），序列西側的地震深度明顯大于東側的地震，深差約2 km，可能受南山—坳頭斷裂切割深度的影響，也可能受石角—新港—白田斷裂傾向特征的影響；BB’剖面顯示（圖2c），余震集中分布在斷層面附近，斷層傾角較陡，近乎直立，傾向特征不明顯。

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

東源4.5 級地震余震分布和沿不同剖面的震源深度分布如圖3 所示?？梢悦黠@看到，余震沿NW向線性展布，長約4 km；主震位于序列的西南側，遠離余震分布區；序列西北段余震分布較為零散，而靠近余震的東南段分布較為密集。選取3條寬度為3 km 內的震源深度剖面，可以看到，絕大多數地震淺于主震。沿AA’的震源深度集中于7～11 km 范圍內，且多發震于SE 側。垂直于長軸的兩個深度剖面BB’和CC’可以反映沿斷層傾向的震源深度分布特征。BB’剖面顯示，斷層傾向SW，傾角陡立，近乎直立。東南段的CC’剖面顯示，震源深度分布更為集中，斷層傾向仍為SW，較西北段傾角變緩，但變化不大?？傮w上看，東源4.5 級地震余震分布線性展布特征明顯，走向為NW 向，傾向為SW 向，傾角較陡，西北段和東南段斷層差異不明顯。

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

4 震源機制解特征

首先利用FOCMEC 方法和gCAP 方法反演河源4.3 級地震的震源機制。在使用FOCMEC 方法時，量取了39 個P 波初動和7 個S 波初動及振幅比，P波、SH 波和SV 波的初動矛盾數分別為1、2、2，振幅比矛盾數為1，符合約束條件，結果可信（圖4a、5a）。使用gCAP 方法時，對參與臺站多次校驗，最終選取了9個方位角分布和擬合較好的臺站（圖4a）。圖5b 為河源4.3 級地震的波形擬合誤差（RMS）和震源機制解隨深度變化情況，結果顯示深度為9 km 時RMS值最小。圖5c為深度9 km 時對應的波形擬合圖，可以看到，方差縮減量（variance reduction）達到85.3，且絕大多數波形擬合度均達到85%以上，擬合結果較好，反演結果可信。

圖4 河源4.3級地震（a）和東源4.5級地震（b）反演震源機制時使用的臺站分布Fig.4 Distribution of stations used in the inversion of focal mechanism of Heyuan MS4.3（a）and Dongyuan MS4.5（b）earthquakes

圖5 利用FOCMEC方法和gCAP方法反演河源4.3級地震的震源機制解結果Fig.5 The focal mechanism solution of Heyuan MS4.3 earthquake inverted by FOCMEC and gCAP method

兩種方法反演得到的震源機制解結果如表1 所示，利用Kagan 三維旋轉方法計算兩個震源機制解的距離，兩者相差36o，有一定的差異[19-20]。根據Zoback類型劃分標準[21]，FOCMEC方法計算得到的震源機制為走滑型（SS），而gCAP 方法計算得到的震源機制為正斷型（NF）。造成這一結果的原因是利用FOCMEC 計算時，LVY 和XIG 兩個臺站初動方向約束了反演結果，但計算時可明顯看到兩個臺站記錄初動具有一定的矛盾性，可能是儀器類型更改導致的初動方向錯誤，也可能是波形記錄信噪比問題導致方向的不確定性，需要在以后的計算過程中予以確認。但總體上看，兩個結果相差不大，仍在可接受范圍內。

表1 河源4.3級地震和東源4.5級地震震源機制解結果Table 1 The focal mechanism solutions of Heyuan MS4.3 and Dongyuan MS4.5 earthquakes

采用同樣的計算方式反演東源4.5 級地震的震源機制。FOCMEC 方法使用了60 個P 波初動和7 個S 波初動及振幅比結果，P 波、SH 波和SV 波的初動矛盾數分別為0、3、1，振幅比矛盾數為2，符合約束條件（圖4b 和圖6a）。gCAP 方法使用了9 個臺站波形（圖4b），波形擬合誤差和震源機制解隨深度變化情況如圖6b 所示，結果顯示最佳反演深度為9 km；其波形擬合圖如圖6c 所示，方差縮減量為92.8，擬合結果較好。表1 給出了兩種方法反演得到的震源機制解。兩種方法反演得到的震源機制類型均為走滑性（SS），旋轉距離僅相差6°，兩個結果基本一致。

圖6 利用FOCMEC方法和gCAP方法反演東源4.5級地震的震源機制解結果Fig.6 The focal mechanism solution of Dongyuan MS4.5 earthquake inverted by FOCMEC and gCAP method

對于兩種方法得到的震源機制解結果，可以通過矢量合成P、T軸，獲取平均解結果，如表1和圖7 所示。結果顯示，河源4.3 級地震平均解的P軸方位為302o，傾伏角為44o，T軸的方位為34o，傾伏角為2o，震源機制類型為正走滑型（NS）。P軸較陡，T軸較為水平，顯示該地震不僅受到水平方向的拉張應力作用，還受到水庫重力的擠壓應力影響，與峽谷及大壩區應力場特征基本一致[22]。兩個節面走向均和斷裂走向保持一致，而余震分布又呈橢圓分布，因此無法判斷哪個節面為發震斷層面。東源4.5 級地震平均解的P軸方位為288o，傾伏角為5o，T軸方位為19o，傾伏角為9o，震源機制類型為走滑型（SS）。P軸和T軸接近水平，顯示該地震主要受水平構造運動影響，基本不受水體重力影響，這與新豐江庫區的錫場西側區域應力特征較為一致[22]。根據余震分布情況，基本可以判斷SSE向為東源4.5級地震發震斷層面的走向。

圖7 河源4.3級地震（a）和東源4.5級地震（b）震源機制平均解結果Fig.7 The average solutions of focal mechanism of Heyuan MS4.3（a）and Dongyuan MS4.5（b）earthquakes

5 結果分析

5.1 河源4.3級地震結果分析

河源4.3 級地震發震于峽谷及大壩區，該區域是新豐江庫區的傳統老震區，自1959年蓄水至今，地震活動不斷。早期該區域地震破裂以走滑型為主，主壓應力軸P軸為NNW 向，之后受水庫水體重力作用的顯著影響，并經過長時間的應力調整，傾滑正斷層錯動為主要運動特征的地震占據優勢，壓應力軸P軸轉為NW 向，且更加直立，張應力軸T軸近乎水平[23]。這與本次河源4.3 級地震的應力軸特征基本一致。

作者通過分析峽谷及大壩區震源機制解特征，發現該區域主要發育走滑型和正斷型地震[22]。其中，正斷型震源機制顯示的走向為NW—SE向，且具有一定的左旋傾滑分量，和附近的石角—新港—白田斷裂帶的運動特征相符，也符合本次地震的震源機制特征。石角—新港—白田斷裂帶目前新活動性較為強烈，因此推測本次河源4.3 級地震主要是受該斷裂作用的影響。分析余震序列的橢圓形分布特征，發現除NW—SE 向分布外，W—E 向的展布特征也很明顯，因此判斷本次地震可能還受南山—坳頭斷裂影響。兩條斷裂的同時作用使得本次地震余震分布呈橢圓形態。

另外，作者研究發現峽谷及大壩區長期受水體重力影響，最大主應力軸傾角大于西北端錫場等區域，印證了水擴散對應力狀態的影響，即水擴散引起的孔隙壓力變化改變了該區域局部構造應力[22，24]。本次地震P軸傾伏角為44o，T軸近乎水平，和上述研究基本一致。因此分析本次地震不僅受該區域構造應力場控制，同時受到水體長期重力作用的影響，且該作用模式在近幾年未發生顯著變化。

5.2 東源4.5級地震結果分析

東源4.5 級地震發震于庫盆區西側側翼位置，該區域在2019 年之前地震活動性較小，未發生顯著性地震。2019 年4 月21 日，該區域首次發生3.0級以上地震，之后，該地區地震活動性顯著增強，在2021 年和2022 年連續發生2 次ML4.0 以上地震（圖8）。東源4.5 級地震是該區域目前發生的最大地震，未來應重點關注該區域的地震活動情況。

圖8 庫盆西側區域地震震級—時間圖Fig.8 The M-T diagram for earthquakes in the western region of the reservoir basin

現階段庫盆區西側區域的斷裂構造研究較少，現有資料也缺乏相應的記載。距離最近的蘭屋—太和洞斷裂其走向特征和本次反演的震源機制解節面走向不符。而本次地震是典型的走滑型地震，P軸和T軸傾伏角都較小，近乎水平，說明該地震基本不受水體重力作用的影響，可能受控于某條隱伏斷裂。通過節面解和余震分布可以判斷SSE向為該地震發震斷層面的走向，因此判斷可能存在的隱伏斷裂走向為SSE 向，并沿庫盆區河道位置延展。

作為2019 年以來的新震區，庫盆西側區域地震震源機制特征和北側錫場區具有一定的相似性。錫場區自2012 年以來地震活動顯著頻發，位于錫場西側區域發育大量走滑型地震，最大主應力呈NWW 向，傾角近水平，這和庫盆西側區域P軸特征相似。庫盆西側區域和錫場西側區域在空間上是相近的，震源機制解特征相似，可能受控于同一條隱伏的“北45o西向的順河斷裂”，而順河向的斷層或裂隙帶有利于庫水進入深部，這種庫水滲透活動向南延伸，從而誘發庫盆西側區域的地震活動[25]。

庫盆區和錫場區西側主要受構造背景活動影響，受庫水重力作用較小，和峽谷大壩區早期地震活動基本一致。而峽谷大壩區是經過長時間的水體側壓作用，使該區域應力場發生偏轉，最大主應力愈發垂直[22，26]。種種相似性表明，峽谷及大壩區，錫場區，以及本文研究的庫盆西側在早期孕震過程中，主要受構造活動作用，以走滑型地震發育為主。之后隨著水體重力作用加劇，峽谷及大壩區應力場發生一定偏轉，主壓應力軸趨向垂直，正斷型地震開始大量發育。目前，庫盆西側和錫場區仍處于早期孕震階段，未來該區域的應力場變化及強震活動仍是需要關注的重點。

6 結論

（1）河源4.3級地震余震序列在空間上呈橢圓分布，長軸優勢方向為NWW—SEE向，短軸為NNE—SSW，序列西側的震源深度大于東側的地震，深差約2 km。東源4.5 級地震的余震序列空間線性展布特征明顯，總體方位為NNW—SSE 向，傾向為SW向，傾角較陡，由NNW 端至SSE 端傾角變化不明顯。

（2）震源機制反演結果表明，河源4.3級地震矩震級為4.09，矩心深度為9 km，平均解的節面I 走向為339o，傾角為62o，滑動角為-15o，為正走滑型地震事件。東源4.5 級地震矩震級為4.25，矩心深度為9 km，平均解的節面I 走向為153o，傾角為87o，滑動角為9o，為左旋走滑型地震事件，根據節面走向和余震線性展布特征，推斷SSE走向的節面I為東源4.5級地震的發震斷層面。

（3）河源4.3 級地震P軸為NW 向，較為直立，T軸接近水平，和峽谷及大壩區當前的應力場特征基本一致，表明目前峽谷及大壩區的應力場沒有發生明顯變化，本次地震屬于正常的應力釋放過程。分析節面走向、附近斷裂走向以及余震分布，發現本次地震可能受石角—新港—白田斷裂和南山—坳頭斷裂的共同影響；另外，P軸傾伏角較陡，表明本次地震還受到水體重力作用的影響。受構造和水重力的共同作用是峽谷及大壩區主要的地震發生方式，且該模式在近幾年未發生顯著變化。

（4）庫盆西側側翼區域是目前新豐江庫區的新震區，自2019 年以來，該區域地震活動性顯著增強，而東源4.5 級地震是該區域發生的最大地震。震源機制結果顯示，P軸和T軸傾伏角都較小，近乎水平，表明該地震主要受水平擠壓應力場的控制，基本不受水體重力影響，而其走滑型的特征和錫場區西側的震源機制特征基本一致。兩個區域均為新震區，雖然發震時間相隔7 年，但由于兩個區域空間相近，震源機制特征又相似，可以合理推斷存在一條“北45o西向的順河斷裂”貫穿兩個區域。該隱伏的斷裂有利于庫水進入深部并自北向南延伸，從而誘發庫盆西側區域的地震活動。

（5）庫盆西側區域和錫場區均處于早期孕震階段，主要受控于構造活動背景影響，受庫水重力作用較小，和峽谷及大壩區早期地震活動一致。而峽谷及大壩區經過長時間的水體側壓作用，應力場已發生一定的偏轉，最大主應力已趨于垂直。因此，兩個新震區應力場的變化特征以及強震活動是未來需要關注的重點。

致謝：本文F-K 理論地震圖和gCAP 波形反演計算程序來源于美國圣路易斯大學的朱露培教授，Focmec_GUI 反演程序來源于廣東省地震局的楊選高工，圖形繪制采用了GMT 繪圖軟件，在此表示感謝。