2020, Vol. 41
表1(Table 1)
当一系列有感的中小地震发生后，公众关心的是其后地震的发展趋势，在少震弱震地区更是如此。对地震序列类型和特征的研究，可能对未来地震趋势做出一定程度的初步判断。为此，国内外地震学者开展了大量研究工作，如：吴开统（1971）关于地震类型序列划分、Kanamori（1972）的大震和震群的构造关系、周慧兰等（1980）对震群的判断方法、Kisslinger（1996）的余震与断裂带特征、蒋海昆等（2014）有关中国大陆水库地震统计特征及预测方法研究。而当一系列有感的中小地震发生在大型水库周边时，公众更关心地震对水库的影响。目前，国内外水库地震研究多涉及地震序列时空特征及库区构造环境的描述，对于水库地震预测的研究较少，如：冯德益等（1993）发现，在震级相同情况下，水库诱发地震的波速比异常区比天然构造地震小得多；Jaiswal等（2007）发现与区域地震活动相比，水库诱发地震的b值明显偏高；刘文龙等（2006）、钟羽云等（2007）对珊溪水库地震序列开展了现场预测实践；丁原章（1989）、华卫等（2012）、蒋海昆等（2014）、王勤彩等（2015）认为水库的蓄水水位和蓄水量变化是水库诱发地震的重要因素，特别是水位的急剧上升或下降会引发较大的水库地震。
据中国地震台网测定，2018年2月9日19时00分37.2秒，在河南省南阳市淅川县（32.83°N，111.56°E）发生ML 4.6地震，当地震感明显，有较大地声，部分居民迅速逃离房屋，老旧房屋部分受损，社会影响较大。此次地震震中位于丹江口水库，是库区1977年8月6日凉水河ML 4.3地震后的最大地震。4.6级地震发生后，连续发生一系列余震，形成地震序列。据调查，丹江口水库2017年11月蓄水位首次达167 m，3个月后即发生此次ML 4.6地震。
本文从丹江口水库库区近期地震与以往震例对比入手，依据地震序列特征的地震学分析方法以及水库地震以往研究成果，对此次淅川ML 4.6地震序列特征及其与丹江口水库的蓄水关系展开探讨，以期为寻求减轻水库地震灾害手段提供参考。
1 地震序列概述据河南地震台网测定，截至2018年2月27日08时，淅川ML 4.6地震序列共发生51次余震，其中，ML 0.5—0.9地震26次，ML 1.0—1.9地震21次，ML 2.0—2.9地震4次。最大余震为2月13日21时07分发生的ML 2.7地震，与主震震级差为1.9。此次地震序列强度和频度随时间变化起伏衰减，结果见图 1。
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图 1 2018年2月9日淅川ML 4.6地震序列M—t及日频次N—t Fig.1 M—t and N-t charts of Xichuan ML 4.6 earthquake sequence on Feb.9, 2018 |
经现场宏观考察，认为本次地震宏观震中位于淅川县马蹬镇，地震烈度分布范围见图 2。由图 2可见：①Ⅴ度烈度区：范围波及淅川县马蹬镇、香花镇。据当地民众反映，地震发生时震感较强，有较大地声（像打雷、重型车辆驶过发出的轰隆声），持续数秒，少部分老旧房屋部分受损；②Ⅳ度区域：主要分布在淅川县老城、上集、盛湾3个乡镇，淅川县城和内乡县瓦亭镇、桃溪镇、内乡县城，部分群众震感明显；③等震线长轴沿NW方向①。
① 南阳市地震局，淅川县ML 4.6地震调查报告，2018年2月10日
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图 2 2018年2月9日淅川ML 4.6地震烈度分布 Fig.2 The intensity distribution of Xichuan ML 4.6 earthquake |
淅川ML 4.6地震震中位于南襄坳陷西缘与南秦岭褶皱带结合部位（图 3），地貌特征表现为低山、丘陵，海拔约600—800 m。淅川境内石灰岩广泛出露，形成一定程度的岩溶地貌；低山、丘陵大致呈NWW—SEE向线状排列，山脉北陡南缓，其间分布宽阔河流谷地。该地区在一级大地构造单元上属秦岭褶皱系（Ⅱ）；二级构造单元划分属南秦岭褶皱带（Ⅱ2），出露地层有下元古界陡岭群、上元古界毛堂群、上震旦统陡山沱组、灯影组及古生界、白垩系和新生界；南襄坳陷（Ⅱ3）叠置在秦岭褶皱系之上，为近NS向中新生代坳陷，地表广为第四系覆盖；边缘地带零星出露上白垩统、古近系和新近系（王志铄，2007）。
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图 3 淅川地震区域构造及邻区历史地震分布 Fig.3 Distribution of geological structures and historical earthquakes around Xichuan earthquake region |
该区经燕山运动，特别是燕山晚期至新生代早期大规模断陷活动，已形成本区地质构造大格局。在新构造时期，受西部喜马拉雅运动和东部太平洋板块俯冲推挤的影响，本区地壳构造运动由前期强烈张性隆起和断陷，转化为块状差异隆起和坳陷，由张性断块运动转化为走滑活动，且出现东西差异（胡受权，1998；宋传中等，2009）。区域内分布多条呈NW向断裂，距震中最近的新野断裂为正断层，隐伏于南襄盆地邓州、新野一带，走向NWW—NEE，向南凸出呈弧形分布，倾向N，倾角约45°（王志铄，2007）。
3 淅川ML 4.6地震序列特征 3.1 地震序列类型初判本次淅川地震序列最大地震为ML 4.6地震，应变能释放占比99.85%，与次大ML 2.7地震震级差为ΔМ = 1.9，可见，震级差在0.6—2.4范围内，且能量占比在90%—99.99%范围内，满足主余型地震序列判定标准（吴开统，1971；周慧兰等，1980；中国地震局监测预报司，2007）。另计算该地震序列能量释放均匀程度的U值（陆远忠，1984）为0.034 5，小于0.05；表征地震序列能量释放均匀程度与地震平均强度关系的F值（林邦慧，1994）为0.071 8，小于1，表明该序列不属于前震序列。
蒋海昆等（2014）认为，归一化信息熵K值可作为区分震群型与主余型和孤立型水库地震序列的判别指标，判别标准如下：K＞0.35为震群型水库地震序列，K＜0.35为主余型和孤立型水库地震序列。此次淅川ML 4.6地震序列K = 0.064＜0.35，满足主余型地震序列标准。
因此，判定此次淅川序列地震为主余型地震序列。
3.2 地震序列重定位双差地震定位方法（HypoDD）是近年发展起来的一种相对定位方法（Waldhauser，2000），其原理是通过信号的走时差来反演震源位置，能够有效消除介质横向不均匀所造成的路径效应，受地壳速度结构模型的影响较小，定位精度在小区域内可达百米量级，目前在中国应用广泛（杨智娴等，2003；黄媛等，2008；房立华等，2013）。
此次ML 4.6地震序列共记录余震51次，其中37次地震ML≤1.5。为了获得更好的定位效果，重新定位时，要求地震观测台站数≥4，并对震中距150 km范围内的地震走时进行两两组合。距淅川地震震中150 km范围内，地震台站较少且背景干扰较大，地震监测能力较低。对于此次淅川地震，可参与计算的地震台较少，满足计算条件的地震对和震相对较少。基于以上规则，得到5个满足计算条件的ML≥2.0地震，利用震中150 km范围内5个测震台站（其中河南测震台网有3个台站、湖北和陕西测震台网各1个台站，台站分布见图 4）记录的观测数据，采用水平分层（7层）的地壳速度结构模型（表 1，其中平均波速比采用华北地区常用的1.71），进行重新定位。
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图 4 淅川ML 4.6地震及参与重定位台站分布 Fig.4 The epicenter of Xichuan ML 4.6 earthquake and distribution of seismic stations for relocation |
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表 1 地震定位选用的速度模型 Table 1 The velocity model used for earthquake location |
重新定位结果显示：震中呈近NW向分布，与震区几条断裂展布特征一致（图 5）；5次地震震源深度集中在6—8 km，平均深度7.4 km，主震震源深度7.1 km。
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图 5 淅川ML 4.6地震序列重新定位震中分布 Fig.5 The epicenter distribution of precise relocation result of earthquake sequence of ML 4.6 in Xichuan |
Sonke方法原理如下：利用双力偶点源模型，采用3个独立震源机制参数的网格尝试法，计算一系列P波、SV波和SH波的初动方向以及SV/P、SH/P或SV/SH振幅比的理论值，与实际观测值一一对比，求取满足小于设定的矛盾数据上限的震源机制解，将其中拥有矛盾符号数最少和振幅比残差最小的机制解作为最佳解。
利用Sonke方法，根据河南测震台网记录的初动和波形数据，计算淅川ML 4.6地震震源机制解，结果见表 2和图 6。
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表 2 淅川ML 4.6地震震源机制 Table 2 The focal mechanism of Xichuan ML 4.6 earthquake |
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图 6 淅川ML 4.6地震震源机制 Fig.6 Focal mechanism of Xichuan ML 4.6 earthquake |
由表 2和图 6可知：①本次地震破裂面受NNW水平向拉张应力和NEE水平向挤压应力的作用，发震断层应为走滑型；②节面A：走向NW，倾向NE，倾角57°，与震中附近的新野断裂较为接近。
结合等震线走向（走向NW，见图 2）及双差定位后余震展布方向（沿NW向分布，见图 5），推断节面A为该地震的发震断层面，发震断层为新野断裂的可能性较大。
3.4 地震应力降分析在地震矩和断层尺度基本震源物理参数测定基础上，计算地震断层形成过程中发生的应力变化，可根据Brune（1970）提出的平方模型，即应力降，来衡量地震发生时断层面上所释放的应力大小。利用河南地震台网波形记录，计算2018年2月9日淅川ML 4.6地震及2次较大余震的应力降，结果见表 3。由表 3可知：该地震序列主震震级为ML 4.6，应力降为0.240 MPa；2次较大余震震级为ML 2.6、ML 2.7，应力降分别为0.135 MPa和0.085 MPa。可见，主震应力降明显高于余震，表明主震震源区储存了相对较高的应力应变，主震发生时释放了大部分应变能，导致余震应力降相对较小。
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表 3 淅川ML 4.6地震序列应力降 Table 3 The stress drop of Xichuan ML 4.6 earthquake sequence |
地质构造和应变能积累是水库地震发生的内因，而水库蓄水是水库地震发生的外因（王勤彩等，2015）。蒋海昆等（2014））研究认为：水库地震多发生在库岸10 km范围内，且震源深度较浅，多在10 km以内，地震烈度一般偏高，而应力降偏低。
据以往震例，在丹江口水库库区发生的地震为典型的水库诱发地震。调查发现，1973年11月29日淅川宋湾（32.88°N，111.52°E）发生的ML 5.1、4.7、5.0、4.2震群活动，是在1973年10月丹江口水库水位急剧上升到历年最高水位157 m后于急剧下降阶段发生的。此次淅川ML 4.6地震序列位于1973年淅川宋湾ML 5.1震群东南9 km处，同样是在水库水位上升至历年最高蓄水位（167 m）后短时间内于急剧下降阶段发生的。
综上所述，2018年2月9日淅川ML 4.6地震序列具有以下特点：①震中位于丹江口水库库区；②震源深度集中在6—8 km，主震震源深度为7.1 km；③震中烈度偏高，达Ⅴ度；④地震应力降明显偏低；⑤丹江口水库蓄水至最高水位后于急剧下降阶段发震。
淅川ML 4.6地震及2次最大余震应力降均较低，平均应力降为0.153 MPa（表 3），与周边发生的5次地震相比（应力降平均为2.060 MPa），应力降明显偏低，如：2017年5月19日唐河ML 3.7地震应力降6.093 MPa，2017年7月10日南阳ML 3.4地震应力降2.308 MPa。该现象与华卫等（2012）认为的水库地震具有较小应力降特征的结论相吻合，表明此次淅川ML 4.6地震的发生应与丹江口水库有关。
蒋海昆等（2014）认为，大型水库的水位变化一般会诱发地震活动，水位急剧上升或急剧下降会引发较大地震，且地震往往发生在水位高值前后。为此，在水雨情信息查询系统（http://219.140.162.169:8800/rw4/）收集丹江口水库2013—2019年逐日水位资料，与河南省地震台网记录的库区ML≥2.0地震进行同期比对，分析水库水位变化与地震的相关性，结果见图 7。
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图 7 丹江口水库水位变化与库区地震的相关性 Fig.7 The correlation between the water-level of the Danjiangkou reservoir and earthquakes in the Danjiangkou reservoir area |
由图 7可见：①自2014年9月丹江口水库二期蓄水以来，地震活动有所增强；②水位出现变化时，库区往往发生一些2级左右的小震；③丹江口水库水位从2017年8月的157.9 m急剧上升9.2 m，至2017年10月29日首次达167 m，3个月后于2018年2月9日发生ML 4.6地震。
综上所述，2018年2月9日淅川ML 4.6地震具备水库地震的明显特征。
5 结论与讨论通过对2018年2月9日淅川ML 4.6地震序列类型的判定及特征分析，得到以下结论：①淅川ML 4.6地震序列属主余型地震；②震源错动类型为走滑型，节面A为其发震断层面，断层面性质与震区附近的新野断裂较为吻合；③该地震序列具备水库诱发地震的明显特征，丹江口水库水位急剧升降应为其发震诱因。
由图 7可知，丹江口水库水位升降与库区地震有一定相关性，但不成正比。分析认为，库区地震可能受到水库坝高、库容、水位升降的增量大小及地震发生机理等因素的综合影响。
文中对丹江口水库诱发地震分析结果尚存在一定不确定性，有待今后进一步深入研究。如：双差法定位使用的地震数量较少，且地壳速度结构模型未经反演优化，结果存在较大不确定性，尤其是震源深度的确定；未来可结合矩心矩张量反演、波形相对定位等方法进一步确定矩心深度；应力降计算的不确定性较大，可结合不同震源谱的不确定性分析结果的误差范围。
在论文修改期间，于2019年10月3日21时47分16.1秒，在丹江口水库库区发生淅川（32.82°N，111.57°E）ML 3.5有感地震，震源深度7 km，此次地震与2018年2月9日淅川ML 4.6地震震中几乎重合，于丹江口水库2019年6月低水位升到10月高水位（上升幅度约15 m）时发生（图 7）。这一事件再次印证了淅川ML 4.6地震序列的发震诱因与丹江口水库水位急剧升降有关。
感谢中国地震台网中心国家地震科学数据中心（http://data.earthquake.cn）提供数据支撑。
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