葉秀薇 黃元敏 劉吉平

廣東省地震局（地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），廣州市先烈中路81號(hào)大院 510070

0 引言

新豐江地區(qū)特指廣東省河源市新豐江水庫(kù)及周邊區(qū)域。該區(qū)是近年來(lái)華南地區(qū)地震最為活躍的區(qū)域之一，2012年1月～2014年7月廣東數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)已記錄到發(fā)生在該區(qū)的9000多次ML≥0地震，其中7次為ML≥4.0地震，最大震級(jí)為2012年2月16日在庫(kù)區(qū)西北邊緣東源縣錫場(chǎng)鎮(zhèn)發(fā)生的4.8級(jí)地震。

2012年?yáng)|源4.8級(jí)地震發(fā)生前，新豐江地區(qū)的地震活動(dòng)主要集中于水庫(kù)下游大壩附近，如1962年在距大壩僅1km處發(fā)生的6.1級(jí)地震。以往對(duì)新豐江地區(qū)地震的研究主要針對(duì)水庫(kù)大壩區(qū)的地震（王妙月等，1976；魏柏林等，1991；郭貴安等，2004；丁原章等，1983、1992；丁原章，1989；陳益明，1982；潘建雄等，1982；沈崇剛等，1974），另外，受地震活動(dòng)區(qū)域、臺(tái)網(wǎng)分布及計(jì)算機(jī)技術(shù)等的限制，以往對(duì)新豐江地區(qū)上地殼速度結(jié)構(gòu)的研究，也僅以一維速度模型對(duì)水庫(kù)大壩附近極小的區(qū)域進(jìn)行反演（郭貴安等，1992），精度低且范圍小。隨著庫(kù)區(qū)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的日益完善以及地震活動(dòng)從庫(kù)區(qū)大壩向NW庫(kù)區(qū)邊緣的擴(kuò)展，對(duì)庫(kù)區(qū)地震的研究亦擴(kuò)展至近年來(lái)中等地震活躍的東源錫場(chǎng)附近。

在地震層析成像技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中（Aki et al，1976；Thurber，1983；劉福田等，1989；Zhao et al，1992），三維地殼速度結(jié)構(gòu)模型的建立為地震定位研究提供了方便。層析成像時(shí)加入震源項(xiàng)進(jìn)行震源與速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演（Crosson，1976；Pavlis et al，1980；Spencer et al，1980；劉福田，1984；Michael，1988；Kissling et al，1994；周龍泉等，2006），可在提高定位精度的同時(shí)，得到較高分辨率的地殼速度結(jié)構(gòu)，該方法已在我國(guó)很多地震序列研究中得到成功應(yīng)用（周龍泉等，2007、2009；潘素珍等，2007；馬宏生等，2008；劉福田等，1986）。本文采用上述方法獲取新豐江地區(qū)地震序列的空間分布及精細(xì)的P波速度結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步研究主要斷裂的產(chǎn)狀特征及發(fā)震構(gòu)造，以期為新豐江地區(qū)的震情研判提供深部結(jié)構(gòu)的參考依據(jù)。

1 原理

震源深度與速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演的基本原理在眾多文獻(xiàn)中已有詳細(xì)介紹（劉福田，1984；周龍泉等，2009；馬宏生等，2008），本文僅作如下簡(jiǎn)要說(shuō)明。在聯(lián)合反演過(guò)程中，走時(shí)殘差δt由震源參數(shù)、速度的擾動(dòng)引起，對(duì)于l個(gè)地震和j個(gè)臺(tái)站，可寫(xiě)為如下形式

式中，δt為m維走時(shí)殘差向量；δv為n維節(jié)點(diǎn)速度擾動(dòng)向量；δx為4 l維震源參數(shù)擾動(dòng)向量；A為m×n維走時(shí)對(duì)速度的偏導(dǎo)數(shù)矩陣；B為m×4l維走時(shí)對(duì)震源參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)矩陣。

由于式（1）中速度參數(shù)與震源參數(shù)是相互耦合的，而若在1個(gè)方程中同時(shí)反演2種不同量綱的參數(shù)，將會(huì)增加算法的數(shù)值不穩(wěn)定性，消耗大量的計(jì)算機(jī)資源，因此，須進(jìn)行參數(shù)分離。本文采用劉福田（1984）提出的正交投影算子，將式（1）分解為2個(gè)分別求解速度參數(shù)和震源參數(shù)的方程組

式中，PB為與震源參數(shù)有關(guān)的從Rm到B的像空間R（B）上的正交投影算子；I為單位矩陣。對(duì)速度參數(shù)和震源參數(shù)解耦后的分析表明，速度擾動(dòng)量與震源深度擾動(dòng)量無(wú)直接關(guān)系，僅與其初值有關(guān)，而震源深度擾動(dòng)量則與速度擾動(dòng)量明顯相關(guān)。聯(lián)合反演過(guò)程中由式（2）、（3）先確定研究區(qū)的速度結(jié)構(gòu)參數(shù)，再確定震源參數(shù)，從而消除速度結(jié)構(gòu)的不確定性對(duì)定位精度的影響。因此，通過(guò)震源深度與速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演可有效提高定位的精度，并在反演中得到研究區(qū)速度結(jié)構(gòu)模型。

2 地震資料和初始速度模型

2.1 地震資料

廣東省“十五”期間建設(shè)的數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)自2007年6月開(kāi)始運(yùn)行，本文選取了2007年6月～2014年7月共計(jì)13247次地震的91666條P波走時(shí)記錄進(jìn)行速度結(jié)構(gòu)的反演（圖1）。新豐江地區(qū)是廣東省地震活動(dòng)最為活躍的地區(qū)，建有由5個(gè)地震臺(tái)組成的新豐江數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)，2012年?yáng)|源4.8級(jí)地震后，3次設(shè)立流動(dòng)地震臺(tái)加密觀測(cè)，序列記錄較為完整，ML≥1.0地震基本無(wú)遺漏。

圖1 用于反演的P波、S波走時(shí)

圖2 研究區(qū)地震（M L≥1.0）與臺(tái)站射線分布以及網(wǎng)格劃分方案

地震與臺(tái)站射線分布圖顯示（圖 2），研究區(qū)（23.2°～24.4°N，114.4°～114.8°E）內(nèi)部射線密度較高，邊緣區(qū)域密度略低，進(jìn)行速度結(jié)構(gòu)反演時(shí)射線最密集的區(qū)域按0.03°～0.05°間距劃分，外圍地區(qū)按 0.1°～0.4°劃分（圖 2）。

2.2 初始速度模型

進(jìn)行反演計(jì)算前，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)①范玉蘭等，1988，華南地區(qū)走時(shí)表（鄭圻森等，2003、2004；江西省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1984；聞則剛等，2005；姚伯初等，1994；徐輝龍等，2006；趙明輝等，2004）得到了研究區(qū)域地殼各深度的 S波速度及部分深度的P波速度，對(duì)于未能查找到的部分深度的P波速度則使用插值法獲得，最終確定了研究區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)模型（表1）。

表1 本文使用的初始地殼速度模型

2.3 分辨率分析

本文采用檢測(cè)板方法估算解的分辨率和可靠性。根據(jù)實(shí)際射線分布，通過(guò)正演計(jì)算得到理論走時(shí)數(shù)據(jù)，將理論走時(shí)數(shù)據(jù)加上一定的隨機(jī)誤差（擾動(dòng)值取正常值的±3%）后作為觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，比較反演結(jié)果與檢測(cè)板間的相似程度作為解的可靠性估計(jì)。該區(qū)地震震源主要集中在從水庫(kù)大壩往NW方向延伸至東源錫場(chǎng)、深度為5～15km的地殼內(nèi)，檢測(cè)板結(jié)果（圖3）與地震密集區(qū)域一致，震源深度超過(guò)15km則分辨率下降，此外，庫(kù)區(qū)東北以及西南角由于射線密度稍差，分辨率下降，因此，本文僅討論水庫(kù)大壩至東源錫場(chǎng)間地震密集區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)。

圖3 不同深度P波檢測(cè)板分辨實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果

3 P波速度結(jié)構(gòu)、序列空間分布與活動(dòng)構(gòu)造

為更直觀地反映新豐江庫(kù)區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)特征，對(duì)反演的三維模型選取幾組典型的剖面（圖4）進(jìn)行分析：一是分別穿過(guò)東源錫場(chǎng)、水庫(kù)大壩的EW向AB、CD剖面；二是穿過(guò)東源錫場(chǎng)的SN向GH剖面；三是穿越整個(gè)庫(kù)區(qū)的NW-SE向EF剖面以及垂直于新豐江地區(qū)2條最重要的 NE向斷裂（河源斷裂（F1）、人字石斷裂（F2））的NW-SE向MN剖面。

圖4 新豐江地區(qū)地震（2007年6月～2014年7月M L≥1.5的及有震源機(jī)制的）震中、構(gòu)造及剖面線位置

3.1 CD、M N剖面

CD剖面穿越了1962年6.1級(jí)地震震源區(qū)以及區(qū)內(nèi)3條重要的斷裂，即NE向河源斷裂（F1）、人字石斷裂（F2）以及 NNW 向石角-新港-白田斷裂帶（F5）（圖 5（a））。MN剖面則與人字石斷裂（F2）、河源斷裂（F1）近乎垂直，能更好地反映斷裂的產(chǎn)狀特征（圖5（b））。

圖5 P波速度剖面及 M L≥1.0地震（2007年6月～2014年7月）空間分布

人字石斷裂（F2）呈 NE-SW向縱貫全區(qū)，東北段由若干分支斷層呈雁行排列，走向N50°E，傾向 SE，傾角 60°～80°不等；西南段走向 40°N～45°E③廣東省地質(zhì)局新豐江地質(zhì)隊(duì)，1964，廣東省河源新豐江地區(qū)構(gòu)造系統(tǒng)的初步研究④廣東省地質(zhì)局新豐江地質(zhì)隊(duì)，1964，廣東河源新豐江地區(qū)地震活動(dòng)與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。石角-新港-白田斷裂帶（F5）由許多條大小不等的斷裂組成，是新活動(dòng)性表現(xiàn)最為突出的斷裂構(gòu)造，其北段走向NNW，傾向SWW，傾角65°～75°；南段由1組走向NNW的斷裂組成（丁原章，1989）⑤廣東省地震預(yù)報(bào)研究中心，2006，新豐江水庫(kù)誘發(fā)地震研究。河源斷裂（F1）大致可分為北段、中段和南段，MN剖面經(jīng)過(guò)之處為中段，呈 NNE走向，傾向SEE，傾角相對(duì)較緩（丁原章，1989）③廣東省地質(zhì)局新豐江地質(zhì)隊(duì)，1964，廣東省河源新豐江地區(qū)構(gòu)造系統(tǒng)的初步研究④廣東省地質(zhì)局新豐江地質(zhì)隊(duì)，1964，廣東河源新豐江地區(qū)地震活動(dòng)與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。

圖5剖面清楚地揭示了 F1、F2、F5等3條斷裂的下傾位置與產(chǎn)狀。河源斷裂（F1）傾向SE，在淺部?jī)A角較大，深度超過(guò)10km后傾角轉(zhuǎn)緩，斷裂西盤(pán)埋深10～13km處存在橫截面約4km×3km的速度為6.0km／s的高速體，有1組小震活動(dòng)穿越高速體（圖5（a））。1962年 6.1級(jí)地震震源位于高速體上部的高速度梯度帶上，該處近年來(lái)小震較少，但不排除F1上盤(pán)存在與密集小震相關(guān)的反傾（NW傾）次級(jí)分支斷裂。圖5（a）揭示，石角斷裂（F5）上密集的小震震源主要集中分布在該斷裂上盤(pán)5～10km的深度，緊貼西盤(pán)密集小震活動(dòng)區(qū)的東緣朝SWW向陡傾，不排除在該斷裂西盤(pán)存在與密集小震相關(guān)的反傾（NEE傾）的次級(jí)分支斷裂。地質(zhì)研究表明，石角斷裂（F5）由多條斷裂組成，航磁異常顯示，其為本區(qū)切割最深的 NNW向斷裂系統(tǒng)（丁原章，1989）。人字石斷裂（F2）傾向 SE，傾角較大（圖5（b）），其南段（圖5（a））斷裂斷面所在區(qū)域?yàn)榈退賲^(qū)，近幾年小震活動(dòng)不顯著，不排除下部有平行分支斷裂；人字石斷裂（F2）中段（圖5（b））小震明顯較南段活躍，小震活動(dòng)截止于高速體下部約 14km處。

3.2 AB、GH剖面

AB、GH分別為東源錫場(chǎng)EW、NS向剖面（圖6）。1962年6.1級(jí)地震后，新豐江庫(kù)區(qū)的地震活動(dòng)主要集中在庫(kù)區(qū)大壩、上游大壩峽谷區(qū)以及庫(kù)區(qū)中部等，2012年2月16日錫場(chǎng)4.8級(jí)地震后，地震活躍區(qū)域向NW轉(zhuǎn)移，東源錫場(chǎng)成為庫(kù)區(qū)新的地震活躍點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)資料，錫場(chǎng)附近最主要的構(gòu)造為SN向的蘭屋-太和洞斷裂（F10），其南北長(zhǎng)約17km，東西寬6～10km；另一條SN向構(gòu)造為經(jīng)過(guò)錫場(chǎng)鎮(zhèn)西側(cè)的錫場(chǎng)向斜（H2），其南北可見(jiàn)長(zhǎng)約3km（部分淹沒(méi)在水庫(kù)中），東西寬約4km；在2條SN向斷裂之間存在1條近EW向地表沒(méi)有出露、由重磁資料推斷的大坑南推斷斷裂（F12）。

由AB剖面推斷，錫場(chǎng)向斜（H2）傾向東側(cè)，埋深超過(guò) 15km，淺部?jī)A角較大，深度超過(guò)13km后傾角轉(zhuǎn)緩，東盤(pán)埋深8～12km處存在1個(gè)橫截面約6km×7km的中心速度達(dá)6.2km／s的高速體，2012年以來(lái)東源錫場(chǎng)的地震活動(dòng)主要分布在H2東盤(pán)高速體的西段。蘭屋-太和洞斷裂（F10）同樣傾向東側(cè)，高速體位于2條SN向斷裂 H2、F10之間。114.7°E以東區(qū)域還存在石角斷裂（F5）、人字石斷裂（F2），但由于錫場(chǎng) NE方向沒(méi)有近距離地震臺(tái)，這使得模型分辨率下降，因此，本文不作討論。由圖6（b）可見(jiàn)，震源集中分布在埋深5～14km處，傾角約80°，向南傾。震源位置在地表的投影與大坑南推斷斷裂（F12）的走向、位置基本一致。

4 討論

（1）利用主動(dòng)源深地震探測(cè)獲得的沿英德-河源-陸河剖面（NW-SE）的速度結(jié)構(gòu)顯示，剖面穿越新豐江庫(kù)區(qū)（楊卓欣等，2011），與本文的 EF剖面走向一致。此外，葉秀薇等（2013）以0.1°×0.1°網(wǎng)格對(duì)河源地區(qū)進(jìn)行了P波速度結(jié)構(gòu)反演。上述2組研究結(jié)果均顯示，東源錫場(chǎng)至河源源城區(qū)間存在1個(gè)相對(duì)高速體，速度達(dá)6.1km／s，河源一端深度為3.5～8.5km，東源錫場(chǎng)一端略深，深度延伸至約10km。隨著小震記錄的大量增加，本研究進(jìn)一步細(xì)分網(wǎng)格，在水庫(kù)大壩至東源錫場(chǎng)核心區(qū)域采用 0.03°～0.05°網(wǎng)格劃分，得到了 NW-SE向（EF）剖面（圖7）。由圖7及楊卓欣等（2011）、葉秀薇等（2013）的 EF剖面圖可見(jiàn)，本研究結(jié)果分辨率更高，庫(kù)區(qū)大壩至東源錫場(chǎng)間的高速體并不是1個(gè)完整連續(xù)的塊體，而是由4個(gè)大小不等的高速體組成。其中，錫場(chǎng)下方的高速體Ⅰ體積最大（橫截面約6km×7km），速度最高，中心速度達(dá)6.3km／s；水庫(kù)大壩下方NW側(cè)高速體Ⅲ次之（橫截面約5km×6km），速度次之，中心速度亦達(dá)6.2km／s；其余2個(gè)體積較小，中心速度分別為6.2、6.1km／s。

（2）圖 5、7剖面清楚地揭示，庫(kù)區(qū)大壩下方在人字石斷裂（F2）、南山-坳頭斷裂（F4）、石角斷裂（F5）、河源斷裂（F1）等切割的區(qū)域，深度7～8km之上的上地殼不同波速層的界面表現(xiàn)出明顯的上拱變形，而在深度10～15km處沿主要斷裂出現(xiàn)波速層界面的下凹變形。這反映了庫(kù)區(qū)大壩下方存在大體以F1、F2、F4、F5等為中心的強(qiáng)烈構(gòu)造變形區(qū)。

（3）在庫(kù)區(qū)西北角東源錫場(chǎng)下方的以往并未引起重視的近SN向錫場(chǎng)向斜（H2）、近EW向大坑南推斷斷裂（F12）的深度均達(dá)到15km（圖6），由于埋深超過(guò)15km后分辨率下降，因此，上述2組斷裂埋深是否大于15km，有待其它方法的驗(yàn)證。庫(kù)區(qū)中部的南山-坳頭斷裂（F4）以及河源斷裂（F1）南段（圖5）在深度10km左右傾角已顯著轉(zhuǎn)緩，NW-SE向速度剖面（圖7）亦反映出庫(kù)區(qū)西北部的震源深度要大于南部，整個(gè)庫(kù)區(qū)的斷裂大體上呈現(xiàn)自ES向WN逐步加深的趨勢(shì)，這與新豐江地區(qū)重力場(chǎng)背景的研究結(jié)果一致⑥廣東省地質(zhì)局新豐江地質(zhì)隊(duì)，1964，廣東河源新豐江地區(qū)地球物理探測(cè)的主要地質(zhì)成果。

圖6 P波速度剖面及地震（M L≥1.0）空間分布

（4）1962年新豐江6.1級(jí)地震后，迄今為止該區(qū)域共發(fā)生13次ML≥5.0地震，其中，9次發(fā)生在前述4個(gè)高速體邊緣高速度梯度帶上（圖7），這種高、低速多層相間的結(jié)構(gòu)顯示了地殼層間相鄰物質(zhì)性質(zhì)的差異，該差異利于層間滑動(dòng)，也有利于應(yīng)變能的積累和釋放（劉福田等，1986），因而地震多發(fā)于這種速度梯度較大的區(qū)域。其中，高速體Ⅳ在水庫(kù)蓄水初期地震最為活躍，發(fā)生了包括6.1級(jí)地震在內(nèi)的5次ML≥5.0地震，能量釋放較為徹底。而體積最大、速度最高的高速體Ⅰ自2012年開(kāi)始打破平靜，出現(xiàn)中等地震活躍現(xiàn)象，發(fā)生了2次ML≥5.0地震，5次ML4.0～4.9地震，且 b值掃描結(jié)果顯示，在2次 ML≥5.0地震后該高速體邊緣b值出現(xiàn)顯著下降⑦廣東省地震局，2015，2016年度廣東省地震趨勢(shì)研究報(bào)告，因此，對(duì)于東源錫場(chǎng)下方位于斷層面上的高速體Ⅰ，目前雖b值較小，但不排除發(fā)展為中強(qiáng)震孕震凹凸體（Aki，1984）的可能。

圖7 EF向P波速度剖面及M L≥1.0地震震源分布

（5）東源錫場(chǎng) 2012年 4.8級(jí)、2013年 4.7級(jí)地震序列的空間分布呈近 EW向展布（圖8），ML≥1.0地震貫穿了高速體的西側(cè)及中部（圖6），近SN向蘭屋-太和洞斷裂沒(méi)有發(fā)生ML≥1.0地震，故未參與錫場(chǎng)2012年至今的地震活動(dòng)。結(jié)合前述錫場(chǎng)地區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)及活動(dòng)構(gòu)造產(chǎn)狀、序列空間分布、2次地震震源機(jī)制（圖4）、破裂面及破裂方式（葉秀薇等，2013）等初步判斷，近 EW向大坑南斷裂（F12）與近 SN向錫場(chǎng)向斜（H2）參與了東源錫場(chǎng)2012年至今的地震活動(dòng)。

（6）潘建雄等（1982）、丁原章（1989）、丁原章等（1983）、沈崇剛等（1974）的研究顯示，水庫(kù)蓄水初期，大部分地震發(fā)生在蓄水至高水位時(shí)，震源極淺，1962年6.1級(jí)地震震源深度為5km。水庫(kù)載荷在庫(kù)基巖體中產(chǎn)生的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響主要在庫(kù)區(qū)淺部，3～5km深度上水平位移已幾乎為0，5km以下深度影響很弱（王妙月等，1976）。由本文的定位結(jié)果可見(jiàn)，2007年以來(lái)庫(kù)區(qū)大壩附近震源深度為6～9km，較蓄水初期深，往NW方向過(guò)了河源斷裂（F1），震源加深，為7～13km，東源錫場(chǎng)的震群震源同樣集中在該深度范圍，與廣東其他非水庫(kù)地區(qū)的地震震源深度相當(dāng)。2012年至今東源錫場(chǎng)2次4.5級(jí)以上地震均發(fā)生在2月的枯水期且?guī)焖蛔兓^小，這表明地震活動(dòng)與庫(kù)水位變化間的關(guān)系不大，震源深度亦遠(yuǎn)大于5km，因此，本文得到的定位結(jié)果不支持2012年至今東源錫場(chǎng)的震群活動(dòng)與水庫(kù)蓄水相關(guān)的認(rèn)識(shí)。

5 結(jié)論

（1）東源錫場(chǎng)至河源源城區(qū)間存在4個(gè)大小不等的高速體，其中，錫場(chǎng)下方的高速體Ⅰ體積最大（橫截面約6km×7km），速度最高，中心速度達(dá)6.3km／s；水庫(kù)大壩下方NW側(cè)高速體Ⅲ次之（橫截面約5km×6km），速度次之，中心速度亦達(dá)6.2km／s；其余2個(gè)體積較小，中心速度分別為 6.2、6.1km／s。

圖8 東源2次4.5級(jí)以上地震序列重新定位后震中分布

（2）新豐江水庫(kù)大壩下方存在大體以河源斷裂（F1）、人字石斷裂（F2）、南山-坳頭斷裂（F4）、石角-新港-白田斷裂（F5）等為中心的強(qiáng)烈構(gòu)造變形區(qū)。

（3）整個(gè)庫(kù)區(qū)的斷裂大體上表現(xiàn)為自ES向WN逐步加深的趨勢(shì)。近EW向大坑南斷裂（F12）與近SN向錫場(chǎng)向斜（H2）參與了東源錫場(chǎng)2012年至今的地震活動(dòng)，本文得到的定位結(jié)果不支持2012年至今東源錫場(chǎng)的震群活動(dòng)與水庫(kù)蓄水相關(guān)的認(rèn)識(shí)。

致謝：中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心周龍泉研究員為本研究提供速度結(jié)構(gòu)和震源深度聯(lián)合反演的計(jì)算程序，廣東省地震監(jiān)測(cè)中心提供了高質(zhì)量的震相報(bào)告，聞學(xué)澤研究員對(duì)速度剖面構(gòu)造解釋提出了寶貴意見(jiàn)并給予幫助，在此一并表示感謝。