中国地震  2023, Vol. 39 Issue (3): 502-515
利用谱聚类方法研究新丰江库区的震源机制解
林庆西, 姜喜姣, 梁明     
广东省地震局, 广州 510070
摘要:为检验震源机制解谱聚类方法的实用性, 选择新丰江库区为研究区域, 利用FOCMEC方法反演了该区域2012年1月1日—2018年12月31日ML2.0以上地震的震源机制解, 并对其进行了谱聚类分析, 最终获得该区域7种震源机制解类型; 通过分析每种类型的震源机制解特征及其时空分布特征, 探讨了震源机制解类型分布与区域构造的关系。结果表明: ①新丰江库区地震破裂类型以正断型为主, 兼有部分倾滑分量, 其次为走滑型; ②不同类型的震源机制解具有区域性的空间分布特征, 主要受不同的构造背景影响, 反映了新丰江库区地震活动和构造特征之间的关系; ③不同类型震源机制解所描述的断裂分布反映了峡谷及大坝区库水渗透的构造条件, 解释了区域地震频发的可能原因; ④每种类型的震源机制解在研究时间范围内数量变化较为稳定。
关键词震源机制解    谱聚类    间隔统计量法    新丰江库区    
Application of Spectral Clustering Method on Eathquake Focal Mechanism Solutions in Xinfengjiang Reservoir
Lin Qingxi, Jiang Xijiao, Liang Ming     
Guangdong Earthquake Agency, Guangzhou 510070, China
Abstract: In order to test the practicability of spectral clustering for focal mechanism solutions, we took Xinfengjiang reservoir as the case study area and applied a mechanism inversion to seismic events(ML≥2.0, 2012-2018), by using P wave polarity and amplitude ratio of P and S wave. Then, spectral cluster analysis was applied to these focal mechanism solutions which were clustered 7 types finally. By analyzing the temporal and spatial characteristics of each cluster, we investigated the relationship between clusters and regional structures and reached following conclusions: ① The earthquake rupture type in Xinfengjiang reservoir is majorly normal-faulting type with partial dip-slip components, and is slightly strike-slip type. ② Mechanism variations were strongly associated with corresponding hypocentral structure, which reflected the relationship between seismic activity and structures in Xinfengjiang reservoir. ③ The faults described by clusters reflected the structural conditions of reservoir water infiltration, that explained the possibility of frequent regional earthquakes, in Canyon and dam area. ④The clusters changed relatively steadily within the research time frame.
Key words: Focal mechanism solution     Spectral cluster     Gap statistics     Xinfengjiang reservoir    
0 引言

震源机制解是描述震源几何特性的重要参数,由一组含有多属性、多维度的数据所构成。为研究区域内地质构造,提取潜在的地震学特征,学者们通常会对该区域大量的震源机制解进行统计分析(刁桂苓等,1992Lund,2002朱航等,2006崔子健等,2012Shelly et al,2016万永革等,2019)。

作为对已有工作的补充和发展,林庆西等(2023)提出了一种针对震源机制解的谱聚类方法,并通过数值实验和部分震例检验了这种方法应用的可行性。为进一步检验震源机制解谱聚类方法的实用性以及挖掘其聚类结果的意义,将该方法应用于新丰江库区。新丰江库区是世界上为数不多的发生过水库诱发地震震级达6级以上的地区之一,至今已记录地震10万余次。多年来,针对新丰江库区震源机制和构造应力场的研究已取得一系列重要成果(王妙月等,1976陈益明,1982丁原章等,1982潘建雄等,1982丁原章等,1983魏柏林等,1991)。郭贵安等(2004)的研究指出,新丰江水库在蓄水初期地震破裂以走滑型为主,而1962年6.1级地震及之后一段时间的地震活动,使得新丰江库区的局部构造应力场出现了较大的调整,和主震的破裂机制有明显的区别。之后随着水体重力作用的显著影响,库区局部应力场进一步改变,倾滑正断层错动为主要运动特征的地震占据优势(赵翠萍等,2012)。2012年之后,锡场区地震频度和强度较之前均有了显著提高,水库地震存在从传统老震区(峡谷及大坝区)向新震区(锡场区)转移的趋势。许多专家学者将研究重心转向锡场区域,对区域内发震构造、震源机制解、构造应力场、波速比变化等问题进行了探索(杨选等,2012邵叶等,2016刘兆才等,2017王力伟等,2018姜喜姣等,2022)。

利用震源机制解谱聚类方法获得了水库区域内2012年1月1日—2018年12月31日反演得到的142个震源机制解的谱聚类结果,并对该地区震源机制解的聚类特征进行分析和讨论。同时,针对不同区域、不同时间范围内的震源机制解类型,讨论地震活动与构造特征的关系,从而揭示新丰江库区地震的孕育环境。

1 构造背景和数据选取

新丰江水库主体位于燕山期EW向延展的巨大花岗岩岩体上,区内地质构造以NNE、NNW和NEE向断裂构成的网格状格局为主要特征(丁原章,1989)(图 1)。NE-NNE向断裂在地表发育明显,具有代表性的有河源断裂、人字石断裂和大坪—岩前断裂(丁原章等,1983),以逆断层或逆掩断层为主要特征;NNW向断裂分布于水库东侧以及峡谷区,由一系列倾角较陡的小型平推断层组成,石角—新港—白田是库区内最主要的NNW向断裂,其南段新活动性表现最为强烈,研究表明新丰江水库诱发地震活动与此断裂有关(王妙月等,1976);NEE向断裂地表不出露,仅能见到断续分布的挤压带或剪切带,据航空磁测和重力异常资料显示,该断裂存在于深部区域,并在水库峡谷区两侧发育(万永芳等,2008)。

图 1 新丰江库区主要断裂带及地震活动分布 注:图中实心圆点表示地震发生位置,其颜色随震级大小而变化;黑色实线为断裂,F1为河源断裂,F2为人字石断裂,F3为大坪—岩前断裂,F4为南山—坳头断裂,F5为石角—新港—白田断裂,F6为嵋峰—公白地推断断层,F11和F12为锡场区推断断层;黄色三角形表示台站位置;左上角插图红色矩形框表示研究区域;左下角插图为新丰江水库密集台站分布图。

选取广东省地震台网记录到的2012年1月1日—2018年12月31日新丰江库区(23.70°N~24.00°N,114.30°E~114.80°E)ML≥2.0的地震事件,共计142个。新丰江库区分布密集的地震台站可以保证P波极性记录清晰,而ML≥2.0的震级可以确保震源机制解计算的准确性。地震事件和台站分布如 图 1所示,从图中可以看到,地震大致分布于3个区域,水库东南部的峡谷及大坝区(A区)、中部的库盆区(B区)以及西北部的东源锡场区(C区)。本文将对以上3个区域的震源机制解聚类结果逐一进行分析。

2 方法及计算 2.1 震源机制解的谱聚类方法

谱聚类是一种基于图论的聚类方法,其本质是将聚类问题转化为图的最优划分问题。该方法的优势在于能在任意形状的样本空间上聚类,且收敛于全局最优解,因此适用于三维球空间的震源机制解。同时,由于谱聚类采用了主成分分析(PCA)中降维的思想,这对于处理多维的震源机制数据也十分有利。基于此,林庆西等(2023)提出了一种基于谱聚类的震源机制解的聚类方法,并给出了该方法的具体原理和应用步骤,本文仅简要概述该方法的基本实现原理。

谱聚类方法首要思想是将空间中每个震源机制解数据利用带有权值的边连接起来,组成基于相似度的无向加权图。这里的边权值是判断震源机制解间相似性的一个重要参数,一般以距离表示。Kagan(1991)采用一种三维旋转方法,利用4种旋转模式实现从一个震源机制旋转到另一个震源机制,而这种旋转角度能够客观地反映2个震源机制在三维空间的差别。因此,本文将震源机制对间的最小旋转角作为距离度量。

震源机制间距离远近反映了两者间的相似程度,采用全连接法可将所有震源机制解数据一一连接起来,构成相似矩阵,即谱图的基本形态。采用规范割集准则(Ncut)方法划分谱图(Shi et al,2000),利用最小化Ncut函数计算标准拉普拉斯矩阵最小的前k个特征,然后求出对应的特征向量并标准化,再对最后的特征向量矩阵进行传统的k-means聚类,即可得到最终的聚类结果。

利用间隔统计量法(Gap statistic)自动确定最佳聚类数目。该方法主要思想为方差分析(Tibshirani et al,2001),通过待分数据集离散度与由参考分布生成的数据集离散度之间的差异,构造一个间隔统计量,用于刻画间隔统计量关于聚类数目的变化情况,当间隔统计量取得最大值时,对应的k值为最佳聚类数。

利用上述谱聚类方法和间隔统计量法,可以自动处理震源机制解数据集,实现海量震源机制解自动快速的类型划分。

2.2 震源机制解的计算

本文利用P波、SV波和SH波的初动方向和振幅比联合测定地震震源机制解,即FOCMEC方法(Snoke et al,1984Snoke,1989)。该方法由于使用了较多的约束参数,反演结果精度较高,从而得到广泛的应用(刘杰等,2004倪红玉等,2011)。在利用FOCMEC方法反演震源机制时,规定每个地震事件至少有20个P波初动记录以及5个S波初动和振幅比被量取。反演时P波初动矛盾数控制在2以内,振幅比矛盾数控制在3以内。采用上述原则计算得到142个精确可靠的震源机制解结果。图 2(a)为2018年10月31日河源市源城区ML3.5地震的震源机制解反演结果,图 2(b)展示了研究区内反演得到的10个具有典型代表性的震源机制解,其均通过所在区域内的地震群集中选择得出,基本代表了该区域震源机制的相似特征。

图 2 河源市源城区ML3.5地震震源机制解反演结果(a)及新丰江库区部分震源机制解分布(b) 注:(a)中台站旁圆圈表示P波初动方向向下,实心点表示台站P波初动方向向上,蓝色六边形表示该台站在反演过程中使用了振幅比。
2.3 谱聚类

利用震源机制解的谱聚类方法对142个地震进行聚类分析,采用间隔统计量法对聚类结果进行评价,结果如 图 3(a)所示。当聚类数为3时,Gap值位于最高点,因此聚类最优结果应为3类。但在实际情况中,较少的数据类别会丢失大量震源机制带来的差异性信息,不利于前兆信息的甄别。从图 3(a)中可以看到,选择聚类数3和聚类数7对应的Gap值相差较小,且都在其误差线范围内,对聚类结果影响较小。因此,本文选择聚类数7作为该区域的最佳聚类数。利用上文给出的震源机制谱聚类的计算步骤,得到 图 3(b)所示的聚类三维立体分布图,图中三维坐标为其中某一节面的走向、倾角和滑动角,可以看到数据大体被区分开。

图 3 新丰江库区震源机制数据解的谱聚类结果分布(a)与间隔统计量分析(b)
3 结果分析 3.1 聚类结果分析

利用谱聚类和间隔统计量法计算得到的7类震源机制解如 图 4所示。图中灰色弧表示每个震源机制解的节面,紫色和绿色小实心圆分布表示P轴和T轴。为了突出每一类震源机制的特征,利用P轴和T轴的矢量和,计算得到了每一类的震源机制平均解,用黑色圆弧和大实心圆来表示(刁桂苓等,1992)。震源机制平均解的参数如 表 1所表示,其中最后一列为该类震源机制解的数量。

图 4 新丰江库区各类震源机制解结果 注:文中所有震源球均采用下半球投影,下同。

表 1 新丰江库区震源机制聚类的平均解结果

图 4的节面和PT轴分布可以看出,震源机制在类内具有一定的相似特征,而类间差异性也较为明显,可以认为新丰江库区震源机制的谱聚类方法应用效果较好。尽管有些震源机制在类内也有差异,如类Ⅵ中的某些节面解,但是根据震源机制谱聚类的距离定义以及PT轴基本一致的分布,可以认为震源机制之间的差异不明显。继续增大聚类数或许能够将微小的差异体现出来,但从间隔统计量法最优解的原理中可以得知,继续增大聚类数来显示这种细小差异并无实际意义。因此,新丰江库区震源机制的7个聚类解是可靠且合理的。

Zoback(1992)根据震源机制解的PTB轴倾伏角特征,将震源机制分为6种类型,分别为:正断型(NF)、正走滑型(NS)、走滑型(SS)、逆走滑型(TS)、逆断型(TF)和无法确定(UD)。通过比较此次研究获得的7类震源机制解,对每个聚类解的震源机制特征分别进行描述。

第Ⅰ类解以走滑型地震为主,兼有少部分正走滑和正断型地震,走滑型地震约占该类型的68%。P轴方位为NW-SE,俯角在20°~55°之间;T轴方位为NE-SW,俯角均小于13°,近乎水平。节面Ⅰ走向多为SSE,倾角较为陡立,在51°~88°之间;节面Ⅱ走向多为SWW,倾角也较陡,在55°~83°之间。由此可见,第Ⅰ类解大部分为具有倾滑分量的走滑型地震,并带有一部分向正走滑型地震的过渡性质。第Ⅰ类解数量不多,约占总数的11%。

第Ⅱ类解和第Ⅰ类解较为相似,走滑型地震约占到该解集的64%,也有部分正走滑和正断型。P轴走向为NNW-SSE,T轴走向为NEE-SWW,P轴和T轴俯角同第Ⅰ类解相似,不同的是P轴多出露于NE方位。第Ⅱ类解与第Ⅰ类解的节面有显著差异,节面Ⅰ走向NNE,倾角在44°~73°之间,相比第Ⅰ类解较缓;节面Ⅱ走向为SEE,倾角55°~82°之间。第Ⅱ类解数量最少,只占到总数的8%。

第Ⅲ类解基本为正断型地震,占该解集88%,其余为正走滑型。P轴为NWW-SEE向,俯角较陡,在45°~78°之间;T轴为NNE-SSW向,俯角较为水平。由于此类地震是正断型兼有倾滑分量,因此仍按照2个节面分析。节面Ⅰ方位在NNW和NW间变动,节面Ⅱ方位在NWW和近EW向变动,2个节面倾角均较陡,和第Ⅰ、Ⅱ类相似。第Ⅲ类解数量较多,约占地震总数的16%。

第Ⅳ类解绝大多数为走滑型地震,占比约89%。P轴为NWW-SEE向,俯角在4°~50°之间,较为水平;T轴为SSW向,俯角在2°~41°间,同样以水平为主。节面Ⅰ方位为NNW-SSE向或近SN向,倾角较陡;节面Ⅱ方位为NEE-SWW向或近EW向,倾角在71°~81°之间,近乎直立。第Ⅳ类解明显不同于第Ⅰ、Ⅱ类走滑型解,但数量较少,不到地震总数的12%。

第Ⅴ类解全部为正断型地震,兼有倾滑分量。P轴方位均匀分布于E向和S向之间,俯角陡立;T轴方位为NEE-SWW向,俯角较为水平。节面Ⅰ走向为SE向,倾角分散,在11°~65°之间分布;节面Ⅱ走向为近EW向,倾角大部分在50°以上。第Ⅴ类解约占总数的18%,其特征和第Ⅲ类正断型解相比差异较大。

第Ⅵ类解大部分为走滑型地震,约占76%,其余为无法确定型。其中,逆走滑型解仅有2个,可以认为在误差范围内出现,因此不做过多研究。第Ⅵ类解PT轴方位同第Ⅳ类解类似,只是T轴多出露于NNE方位;P轴和T轴俯角均较为水平,和第Ⅳ类解一致。2个节面方位和倾角也同第Ⅳ类解类似,只是节面Ⅰ倾角更陡,近乎直立。总体上看,第Ⅵ类解和第Ⅳ类解较为接近,但也有显著不同特征,总数约占到17%。

第Ⅶ类解除去1个无法确定型,其余皆为正断型。P轴为NNW-SSE向,俯角较陡;T轴方位为SW向,俯角较为水平。节面方位为NW-SE向,倾角约在25°~65°之间分布。该类同样为典型的正断倾滑型地震,但与第Ⅲ和Ⅴ类仍有不同。此类解数量较多,约占到总数的18%。

分析7类震源机制解的数量分布,如 表 1图 5所示。第Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ类解数量较多,且分布均匀;第Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ类解数量较少。但总体上看,各类解数量差别并不大。结合上述每类解特征描述分析,研究区内地震以正断型为主,其次为正走滑型和走滑型,仅有2个逆走滑型,不存在逆断型,这与前人的研究结果基本一致(陈益明,1982丁原章等,1982)。

图 5 震源机制解聚类数量分布
3.2 聚类结果空间分布特征

根据震中位置和活动断裂的分布,将研究区划分为峡谷及大坝区、锡场区以及库盆区(图 1),针对不同区域内震源机制的聚类情况分别进行分析。

3.2.1 峡谷及大坝区

新丰江库区的峡谷及大坝下游附近一直是地震活动的密集区,区内主要受NNW向的石角—新港—白田断裂、NNE向的河源断裂以及NEE向的南山—坳头断裂的控制和影响,三组断裂带交叉汇集,导致区域内地质构造环境异常复杂。断裂导致的岩石切割和破碎以及多裂隙的形成,也为新丰江库水渗透提供了可能的通道。该区域共计算得到震源机制解60个,每类解的数量如 图 5蓝色线所示。图 5中可以明显看到,第Ⅲ类和第Ⅶ类的正断型解数量较多,两类解的P轴和T轴方位分布相似,且P轴近乎直立,T轴近乎水平,表明该区域仍受最小主应力方向扩张的影响,同时直立方向受到压缩,体现出新丰江水库长期受水体重力作用的影响(丁原章等,1982姜喜姣等,2022)。

由于峡谷及大坝区地震定位的台站分布均匀且密集,有利于震源位置的精确测定。刘特培等(2017)通过对比绝对定位和双差定位,发现绝对定位的精度和可靠性均高于双差定位,因此峡谷及大坝区、库盆区的地震分布采用hyposat绝对定位结果。将震源机制解投影到平面图中,如 图 6(a)所示,可以看到峡谷区两侧的震源机制解类型呈现明显的不同。峡谷区北侧以第Ⅱ类解和第Ⅶ类解为主,大致以石角—新港—白田断裂为界,分别分布于东西两侧。东侧的第Ⅱ类解是以NNE-SSW方位为主的左旋走滑型地震,和NNE向的人字石断裂走向基本一致,因此分析认为此区域中第Ⅱ类解主要受控于人字石断裂或者某未知的和人字石断裂走向平行的隐伏次级断裂。西侧以正断型第Ⅶ类解为主,走向为NW-SE向,倾角较陡,且带有一定的左旋倾滑分量,这和附近的石角—新港—白田断裂带的运动特征相符。目前,石角—新港—白田断裂带新活动性表现突出,断裂带两侧的地块还表现出明显的升降运动差异,这可能是区域内第Ⅶ类解数量较多的原因。

图 6 峡谷及大坝区不同种类震源机制解分布(a)及沿测线AA′的深度剖面(b)

峡谷区南侧以第Ⅲ类解为主。刘特培等(2017)通过新丰江高精度小震资料,确定了峡谷大坝区附近的北西向的嵋峰—公白地断层的位置和详细参数,而峡谷区南侧的第Ⅲ类解在该断层附近分布。第Ⅲ类解的节面Ⅰ平均走向为328.9°,嵋峰—公白地断层反演的走向为339.1°,两者基本一致,均为NNW向;第Ⅲ类解节面Ⅰ体现出左旋的扭动特征,这也与嵋峰—公白地断层左旋走滑的特征一致,说明峡谷区南侧的地震主要受嵋峰—公白地断层活动影响。

河谷两侧的震源机制解种类不同,杨卓欣等(2013)通过反演三维速度结构发现在大坝及峡谷区存在沿峡谷走向展布的陡倾角高波速比条带,证实了存在于峡谷区的顺河走向的断层裂隙带。这条断层裂隙带可能是导致两侧产生不同类型震源机制解的主要构造因素。而峡谷区北侧第Ⅱ类解和第Ⅶ类解的分界线是石角—新港—白田断裂带在该区域的延续,由于其活动影响,导致本来受人字石断裂影响的走滑型地震发生转变,断层下盘急速下降,其地震震源类型从走滑转变为正断,但由于仍受一部分人字石断裂的影响,因此带有一定程度的左旋特征。

结合区域内构造特征和地震分布,给出顺河方向测线AA′的深度剖面,并将该区域内不同类型的震源机制解投影到剖面图上(图 6(b))。第Ⅳ类和第Ⅶ类解的震源深度较深,而第Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ类解的震源深度较浅,大致以10km左右为界。第Ⅳ、Ⅶ类解主要受石角—新港—白田断裂的影响,因此该断裂带主要的破裂位置应在较深处,这与杨卓欣提到的石角—新港—白田断裂在新港至双塘一线的切割深度较深的结论一致(杨卓欣等,2013)。第Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ类解深度较浅,表明NNW向发育的“顺河断裂带”可能在浅部破裂发育,这一断层裂隙带同石角—新港—白田断裂带在大坝附近汇合连通,形成库水渗透的有利条件,有利于库水大量进入深部区域从而发挥诱发作用(杨卓欣等,2013)。

3.2.2 锡场区

锡场区位于新丰江水库西北位置,近年来地震频次和震级都有逐年增大的趋势,反映出新丰江水库地震由峡谷及大坝附近区域向库区边缘转移的新变化。该区域共计算得到震源机制解67个,以第Ⅴ和Ⅵ类解为主(图 5中红色线),正断型和走滑型地震分布在东西两侧。两类解的T轴方位角与倾伏角基本相似,但P轴分布差异较大。在该区域内,P轴倾伏角自西向东从近乎水平急速转变为陡立的状态,不同的主压应力方向体现出该区域内局部应力的不均匀性以及复杂的构造环境。

由于锡场区地震定位的台站数量较少且距震中稍远,采用双差定位法对该区域地震进行重定位(Waldhauser et al,2000)。选取2012年1月1日—2018年12月31日分布于锡场区域ML≥0.5的共2194个地震事件,速度模型根据人工地震探测剖面及层析成像结果提取得出(王力伟等,2018)。设定地震对与台站间最大距离为200km,地震对之间最大距离为8km,P波走时差权值为1,S波为0.75,采用共轭梯度法(LSQR)迭代计算,最终获得包含锡场区聚类结果在内的共2106个地震事件重定位结果(图 7(a))。重定位后地震平均走时残差均方根由0.24s降至0.04s,从 图 7(a)中也可以看到,重定位后的地震分布较为集中,不同簇群的地震分布特征较为明显,定位结果更为精确。

图 7 锡场区不同种类震源机制解分布(a)及沿F12断层走向的深度剖面(b) 注:(a)中灰色圆点为重定位后的地震分布。

邵叶等(2016)针对锡场区2012年和2013年2次MS4.8地震以及小震群,确定了两条断层面解,如 图 7(a)中F11和F12所示。以断层F12为界,锡场区大致划分为东西2个区域。在F12断层西侧主要发育第Ⅳ和第Ⅵ类走滑型地震,其中第Ⅳ类的节面Ⅰ和第Ⅵ类的节面Ⅱ走向相似,均为69°左右。同时,陡倾角以及右旋走滑的特征均和F11断层类型基本保持一致。可以认为,锡场西侧的地震活动主要受控于F11断层。在F12断层东侧主要为第Ⅴ类震源机制解,这是以SE走向节面为主的带有部分左旋分量的正断型地震,和F12断层的特征相符。但是第Ⅴ类震源机制解显示断层倾角较缓,与断层F12结果不甚吻合,这可能与破碎带部分位置的突然破裂所形成的不同形态有关。姜喜姣等(2022)在研究该区域构造应力场中发现,西侧区域主要受F11断层影响,最大主应力呈NWW向,倾角近水平,应力类型为走滑型;而东侧区域最大主应力轴倾角近直立,应力类型为正断型,和F12断层正断型特征相符,该结论也与本次研究结果较为一致。总体上看,锡场区仍受区域构造背景控制。

沿F12断层走向作深度剖面,如 图 7(b)所示,第Ⅳ和第Ⅵ类地震的发震深度均小于11km,说明控制第Ⅵ类地震的F11断层可能在西侧破裂位置较浅,而在东侧活动强度不高。第Ⅴ类地震显示出2个区域分布,在北侧震源深度较深,而南侧震源深度较浅,说明F11断层将第Ⅴ类地震分成南北2个区域,分别发震于浅部和深部,同时也将第Ⅳ和第Ⅵ类地震控制在锡场区的北部发育。

3.2.3 库盆区

库盆区主要指在库体内部包含两翼的区域(图 1中B区),由于水体完全淹没,该区域内的断裂构造无法考察,现有资料也无相应的记载。区域内发育地震较少,此次总共计算得到15个震源机制解。从数量上来看,该区域第Ⅶ类解相对较多,不存在第Ⅴ类解。第Ⅶ类地震发育于水库西翼,对比峡谷区的结果,该区域可能仍受NW-SE向的构造作用,可能与石角—新港—白田断裂的活动有关,也可能受次级隐伏的构造活动影响。附近的其他类型震源机制解的节面走向分布也印证了这一点。水库东翼仅有4个地震且类型零散,无法推断该区域构造活动情况。沿WE向给出了该地区深度剖面(图 8(b)),可以看到水库西翼地区地震发震位置较浅,如第Ⅶ类地震发震深度为5~8km,小于峡谷区的第Ⅶ类地震的深度(10km之下),这表明库区NNW向的构造活动自NW向SE呈加深状态,这与杨卓欣等(2013)的结论一致。总体上看,水库东西两翼的发震活动较少,表明该区域介质强度较高,完整性较好,不构成水库渗水的主要通道。

图 8 库盆区不同种类震源机制解分布(a)及WE向的深度剖面(b)
3.3 聚类结果时间变化特征

图 9显示了不同种类地震随时间变化过程中震级与发震数量的变化情况。从 图 9(a)可以看到,在所研究的时间范围内,ML≥4.0的6次地震中有4次为第Ⅳ类走滑型,均发生在锡场区,另外2次地震为第Ⅲ类和第Ⅴ类的正断型解,分别发生在峡谷及大坝区和锡场区。尽管第Ⅶ类地震在此次研究中数量最多,但震级基本均在ML3.5以下。2015—2018年未发生过ML≥4.0地震,表明区内构造断裂状态和应力状态均处于基本平稳状态。

图 9 不同种类地震事件的震级-时间图(a)及数量变化图(b)

图 9(b)为新丰江库区每一类地震数量随时间的变化情况,从图中可以看到,第Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ类解均呈现相同的增长趋势,其变化不大,说明受此五类解作用的地震发育较为稳定。第Ⅱ类解的数量增加较为缓慢,直到2018年底才相对有所增长,这说明代表第Ⅱ类的走滑型地震在近些年发育迟缓。第Ⅶ类震源机制解自2013年6月起数量明显增多,一直到2013年底前均呈快速增长趋势,其发震位置多位于水库西侧,说明在这一时期水库多受NNW向断裂活动影响,之后趋于稳定。

4 结论与讨论

本文主要以新丰江库区2012年1月1日—2018年12月31日ML≥2.0的地震事件作为研究对象,反演得到142个震源机制解,通过谱聚类方法将该区域内震源机制解划分为7种类型。每种震源机制解类型均有其独有的特征,本文针对其特点进行了逐一分析。魏柏林等(1991)曾将新丰江库区的震源机制解划分为五大类,其中第Ⅰ类正断型解对应于本文第Ⅲ、Ⅴ和Ⅶ类,第Ⅱ类和第Ⅲ类走滑型解对应于本文第Ⅱ类解,第Ⅳ类过渡型解对应于本文第Ⅵ类解,第Ⅴ类过渡型解对应于本文第Ⅰ类解。本文采用谱聚类方法进一步细分了新丰江库区的震源机制解,并给出了一些细节上的差异,对震源机制解的分析无疑是非常有益的。

分析区域内震源机制解的分布特征可以发现,每个区域均有其特定的震源机制解类型。如峡谷及大坝区以第Ⅱ、Ⅲ和Ⅶ类解为主,三类解以下游河道或受控断裂为边界,划分出三个不同类型震源机制解产出的区域。这主要因为新丰江库区地震的发生仍受区域构造背景控制,不同地区受到的断裂带影响不同,导致震源机制解类型不同。分析同一类型震源机制解的空间分布可以发现其节面走向、倾角大小和运动特征均符合区域断裂带的特点,这也充分反映了地震活动和构造特征之间的关系,有利于区域构造活动性的研究。

通过研究不同深度震源机制解的类型特征,并对比前人的研究成果,获得库水渗透诱发地震的影响区域。峡谷区第Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ类解主要受NW向断裂带的影响,其发震位置均较浅,这种特征表明“顺河断裂带”可能在浅部破裂发育,形成一种“软”性岩体特征。而受石角—新港—白田断裂带影响的第Ⅶ类解较深处发育,2条断裂带在大坝附近连通,形成库水渗透的有利条件,这可能是峡谷及大坝区自1959年蓄水截流后水库诱发地震频发的主要原因(杨卓欣等,2013He et al,2018)。

在本次研究中,不同类型震源机制解随时间的变化特征不明显,仅有第Ⅶ类解的数量呈略微增大的趋势,由于研究时间较短,震源机制解数量较少,无法判断这种变化是否具有连续性。此次研究的地震震级均在ML2.0以上,发震时间间隔较大,利用聚类特征难以获得震源一致性的结论。解决这一问题主要是改进震源机制解的反演方法,获得震级更小的震源机制解类型,从而分析大震前后震源机制解类型的变化趋势,筛选出合适的前兆信息。

致谢: 广东地震台的杨选高级工程师为本研究提供了震源机制解反演的计算程序,地震精定位使用了hypoDD程序,文中大部分图件采用GMT软件绘制,审稿专家提供了宝贵的修改意见,在此一并表示感谢。
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