引言

海南岛及其邻区处于欧亚板块的东南缘， 受菲律宾板块、 印度板块运动和南海海盆扩张的联合作用． 该区域构造运动、 火山作用和地震活动较为强烈， 其中海盆扩张对本区的影响最大(李志雄等， 2008)． 南海属于扩张后的弧后盆地， 扩张轴呈近东西向展布. 其扩张使海区形成一系列走向ENE的隆起、 坳陷及其右旋扭动断裂， 并逐渐波及北侧的大陆． 在雷琼地区形成一系列近SW向的深大断裂， 并使雷琼断陷成为巨大的裂谷断裂带(李建生， 1991； 姜效典， 李巍然， 1994)． 史料记载该地区曾发生过多次破坏性地震， 如1618年老城5.5级地震， 1892年云龙5级地震． 特别是1605年琼山7.5级大地震， 伴随一系列强余震， 出现世界罕见的大规模“陆陷成海”现象． 发震构造被认为是WSW走向出露地表的铺前—马枭断裂(陈恩民， 黄永茵， 1989)， 其等震线长轴方向却是WNW走向(中国地震局震害防御司， 1995)．

地震定位确定的震源位置表示的是地震初始破裂点的位置， 震级低则震源体积也小， 作为一级近似， 可用初始破裂点表示中小地震的震源体的位置． 当震源位置在地表的投影 震中分布密集成带时， 表明这些破裂点相当集中． 虽然大量小震震源体未必相互衔接， 但是它们共存于一个条带， 应当具有成因上的联系． 发生强震时， 震源错动必然使断层面及其两侧岩体处的介质相对破碎， 在构造应力场的作用下， 易于发生小震． 历史大地震区持续有小地震发生， 是大震区长期活动的一种表现， 属于震源体附近地壳的继承性活动． 因此， 可以由这些小地震的群体特征来描述历史大地震震源体的特征． 采用地震学方法分析， 由众多小地震资料推测震源断层空间取向及其运动方式的方法， 对地震构造研究是有意义的．

地震是新构造运动的一种形式， 中、 小地震的震中汇集带是地下深处地震成因断裂在地面上的痕迹． 大量震源机制解的平均方向在一定条件可以反映地震分布区域的构造应力场． 因此， 利用现今中小地震的精确定位和震源机制结果， 拟合出琼北地区震源断层在地壳内部的空间取向及其错动方式， 对区域地震危险性分析具有重要意义． 万永革等(2008)提出一种利用小震分布和区域应力场确定震源断层面参数的方法． 其数学模型的基本考虑是寻求一个平面， 使所有已经定位的小震震源位置到这个平面距离的平方和最小． 以这个平面确定断层的走向、 倾角及上下界， 然后由区域应力场取向计算断层面的滑动角， 给出震源断层的全部参数．

美国新马德里地区在1811年12月、 1812年1—2月， 连续发生了3次大地震， 由烈度资料估计的地震震级都在M_W8.0—8.3(Johnston, 1993)． 震后在地表没有留下任何明显的破裂带痕迹． 通过现今小地震的震源位置和震源机制的研究， 给出了3次大地震的震源断层的位置及其组合关系， 以及构造应力场作用下震源断层的运动方式(Himes et al, 1988; Chiu et al, 1992)． 刁桂苓等(1999)曾以1830年磁县7.5级地震为例， 分析认识了历史地震的震源断层．

本文拟利用海南琼北地区的小震， 通过震源位置精确定位与震源机制和应力场反演， 分析1605年琼山7.5级地震的震源断层参数.

1.   小震震源精确定位

随着对地球内部结构和地震震源的研究越来越深入, 对地震定位的精确度提出了更高的要求． 常规的地震定位方法， 如盖格定位方法(Geiger， 1912)可以称为绝对定位方法, 该方法由于震源位置的不确定性和震源尺度可以相比， 甚至大很多倍， 严重限制了地震活动性精细结构的研究(Waldhauser， Ellsworth, 2000)． 后来出现了不同于绝对定位方法的相对定位方法， 它能有效地减小速度结构误差的影响， 比较成熟的有主事件定位方法和双差定位方法． 在主事件定位方法中(Spence， 1980)， 每个事件仅相对于一个事件， 即主事件重新定位， 但要求作为主事件地震的震源位置和发震时刻精度较高， 定位结果依赖于主事件空间位置和发震时刻的精确度． 此外， 这种方法限制了可重新定位地震丛的最大空间范围， 因为所有事件必须与主事件相关． Waldhauser和Ellsworth(2000)提出的双差定位方法可以对很多较大空间范围内发生的地震同时进行重新定位， 不需要设主地震事件， 所有地震事件是相对于地震事件丛集的质心位置来定位， 不依赖于地震事件的初始位置， 避免了主事件定位方法的限制条件． 本文研究则采用双差定位方法．

从海南省地震局收集了数字化地震台网2000年以来的波形资料， 对于每次地震重新判读震相到时， 进行初始定位， 然后再采用双差方法精确修订震源位置． 中国地震局地球物理勘探中心的最新探测成果给出的二维速度结构确定了震源定位的速度模型． 琼北地区全国地震目录汇编中有103次地震， 包括3个以上的台站记录的地震． 双差定位得到73次地震．

纬度、 经度和深度方向的误差估计平均值分别为 0.99， 0.83， 1.36 km， 三个方向的误差估计的分布范围分别是1—0.5， 1.1—0.4， 7.1—0.5 km． 修订定位结果的精度很高, 结果可靠， 而且地震呈WNW向和NS向交叉地震条带分布(图1)．

图  1  海南岛区北部震中分布图． 红色实心圆是原始定位， 黄色是重新定位后的结果

Figure  1.  Epicenter distribution in the northern Hainan island. Red solid circles indicate original location, yellow ones are relocated by HypoDD

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本区域和周边展布着多条断层(图1)， 现将这6条主要断层的基本特征分述如下：

1) 王五—文教断裂. 该断裂带是琼中南隆起与北部湾坳陷的边界断裂， 走向近东西， 倾向北． 展布于琼北地区， 西起王五， 向东经过迈澄、 安定至 文昌文教以东， 陆地部分长约190 km． 该断裂中段构成北部湾盆地的南界(石油部门称“安定大断裂”)． 在地球物理方面有明显特征， 布格重力异常为东西向梯度带， 航磁场则为近东西向正负异常变化带． 人工地震剖面表明， 在安定、 树德以北均有基地断点存在． 该断裂对新生界地层的分布和第四纪微地貌的发育都起着明显的控制作用， 表现出上盘(北盘)下降、 下盘(南盘)上升的正断层活动特征． 断裂南侧为琼中南隆起区， 主要出露前新生界地层； 而北侧上第三系沉积厚度可达3 km以上， 第四纪玄武岩亦广泛分布． 该断裂多处被走向为NW和NE向断裂错断， 具有明显分段性， 大致以北东向临高断裂和北西向长流—仙沟断裂为界．

2) 东寨—清澜断裂(铺前—清澜断裂). 该断裂展布于海南岛东北部， 北起东寨港， 南至清澜， 长约63 km， 中段走向N20°—30°W， 构成琼北地区第四纪玄武岩东界． 断裂以东除表层晚第四纪松散沉积外， 出露古生代花岗岩及白垩系； 以西为大面积新生代及第四纪玄武岩所覆盖． 根据活动性差异， 该断裂可分为3段： 北段由两支断裂组成， 控制东寨港地堑的形成， 断裂以东的全新世海湾砂层高出海平面10 m以上， 而东寨港地堑内有第三纪和第四纪沉积； 中段在大致坡村附近中生代花岗岩和古生代变质岩中发育宽3 m的破碎带， 主要由未胶结的大小不等的角砾岩组成， 同时存在很薄的断层泥， 从断层带中未胶结的角砾岩和断层泥及断层地貌分析， 活动时代较新， 第四纪有活动； 南段控制清澜港的形成和发展． 文昌磨石村和下村海边， 从断裂两侧第四系地层时代和高度看， 垂直升降运动不明显. 但从遥感TM影像分析， 清澜港东西两侧地层沿断裂有明显右旋错动(中国地震局地壳应力研究所， 2005a)． 历史上1605年琼山7.5级地震发生在该断裂与NNE向马袅—铺前断裂的交汇部位．

3) 长流—仙沟断裂. 该断裂北起长流， 向南经荣山、 仙沟、 至长昌煤矿一带， 总体走向N30°W， 倾向南西， 倾角60°—80°， 长约75 km． 第三纪时该断裂为北部湾福山凹陷东界， 断裂两侧第三系落差达数千米． 第四纪时， 断裂再次活动． 在琼北美鼎、 石山、 道堂等地， 断错上更新统， 表现为东升西降， 断距20—30 m． 在道堂—石山—水新—咸琼一带， 还出现一系列晚更新世至全新世火山口， 排列方向为北北西向， 并广泛分布早全新世石山组玄武岩， 其中一些火山口堆积物有被断层左旋错断迹象(李坪等， 1988)． 在断裂的安定田头村一带， 可看到平直的玄武岩台地陡坎西升东降现象．

4) 干冲—木棠断裂. 该断裂展布于干冲海边、 木棠、 光村、 东英至临高一带， 向东北可能与灯楼角断裂相连． 该断裂长约45 km， 走向ENE- -NE． 该断裂主要位于第四纪火山岩及沉积物覆盖区． 该断裂在深部由一条主断裂和两条次断裂组成， 主要错动的层位为界底部到下第三系， 向上消失在上第三系某个层中(汪一鹏， 1988)， 没有切入第四系地层． 因此， 判定该断层为前第四纪断裂．

5) 临高断裂. 该断裂为临高凸起与福山凹陷的边界断裂， 位于临高县城南， 向北延伸进入琼州海峡， 总体走向NE， 长约80 km． 该断裂带地表通过部位， 在昌富坡、 五尧村一带的早、 中更新世玄武岩台地凭证， 无地貌变动显示． 在墨荣村西文澜河两岸发育三级阶地， 三级阶地T₃距河床高约10 m， 顶面由北海组棕红色砂夹砾石构成， 下部为湛江组杂色粘土和青灰色粘土， 地层层序稳定， 地貌上也没有任何变异的显示(中国地震局地壳应力研究所， 2005b)． 据石油人工地震资料显示， 该断裂控制福山凹陷西界早第三系沉积， 但对早第三系控制不明显， 人工地震剖面显示该断裂虽断错上第三系底界， 但未错断望楼港组． 因此， 判定该断裂为前第四纪断裂(中国地震局地壳应力研究所， 2005b)．

6) 七星岭—马袅断裂(马袅—铺前断裂). 该断裂分布于琼北地区琼州海峡南侧， 西起马袅， 向东经马村、 长流、 琼山至铺前， 陆上长约100 km． 该断裂总体走向ENE， 倾向北， 陡倾角， 正断层， 受北西向断裂切割， 平面上不连续展布． 人工地震证实， 该断裂带由多条断裂组成， 在东坡及琼山上第三系断错150 m及200 m． 该断裂第四纪以来活动十分强烈， 根据其活动性， 可分为东、 中、 西3段(海南省海洋地震与工程地震研究所， 2003)． 该断裂东段与铺前—清澜断裂交汇部位发生过1605年琼山7.5级地震．

2.   震源机制与应力场反演

震源机制解是研究构造应力场的基本资料， 可以反映震源断层的力学性质和动力学特征， 揭示地震破裂的力学机制， 给出地震的等效释放应力场． 根据双力偶点源模型可得到单次地震的震源机制解的T， B， P轴方位和两个地震节面参数． 由地震矩张量也可给出“最佳双力偶模型”的震源机制解， 单次地震得出T， B， P轴方向只与该地震的释放应力有联系， 而不能当作地下实际作用的构造应力方向． 或者说， 双力偶点源模型的T， B， P轴不等于构造应力场的3个主应力轴． 而由多次地震的P， B， T轴在一定条件下(如断层面的取向有随机性， 地震分布于全区等)可平均反映某区构造应力场的最大、 中等和最小主压应力方向．

地震的现场考察、 地震前后的地形变测量和地震波的观测研究等结果表明， 天然构造地震是地下岩层的突然错动引起的． 发生错动的岩层可称为震源断层． 实际震源断层的几何形状可能很复杂， 但对多数地震， 特别是小地震， 作为初级近似， 总体上可将地震看成是沿一个平面断层发生的突然错动引起的．

李钦祖(1974)曾提出用4个台站记录初动振幅比求小地震震源机制解的思路． 梁尚鸿等(1984)提出利用垂直向Pg、 Sg最大振幅比资料反演中小地震的震源机制参数的实际使用方法． 本文利用海南数字化地震台网的波形资料， 反演了2000年7月以来的琼北东部的地震， 得到64次地震的震源机制(图2a)． 采用震源机制应力反演软件包(简称FMSI方法)方法反演区域应力场(图2a)的最大主压应力轴σ₁方位角350°、 倾伏角40°； 最小主压应力轴σ₃方位角89°、 倾伏角11°； 中等主压应力轴σ₂方位角192°、 倾伏角48°. 应力比值0.6， 应力场误差值14.7°．

图  2  现今小震震源机制反演的应力场(a)与根据宏观资料确定的大震震源机制(b)(引自林纪曾， 1980)对比

Figure  2.  Stress field obtained from earthquake focal mechanism inversion (a) and the focal mechanism solution of 1605 M7 1/2 earthquake (b) (from Lin, 1980) deduced from macroscopic data analysis

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林纪曾等(1980)根据历史记载的宏观资料， 判断压缩区和膨胀区， 并在吴尔夫网上求出1605年7 1/2 级大震的震源机制解(图2b). 图2b中空心圆表示地裂涌水冒沙喷气、 井水泉水上升的地点, 实心圆表示地裂地陷无水无气、 井水泉水下降或干涸的地点． 我们反演得出的琼东北地区应力场结果与该结果基本一致， 存在的差别是主震解的最大主压应力轴比最小主压应力轴更接近水平， 体现水平向挤压大于拉张. 而现今小震得到的应力场最小主压应力轴比最大主压应力轴更接近水平向， 体现出水平向拉张大于挤压； 与区域构造对比后区域应力场更符合实际情况．

3.   震源断层拟合

琼东北地区的震源精确定位清晰显示出近东西向与南北向相交的两条地震带(图1)． 采用万永革等(2008)提出的方法， 对于WNW向震源断层最小二乘拟合结果为： 震源断层长11 km， 宽10.5 km， 在条带上地震的深度分布范围为3—14 km． WNW向震源断层拟合结果为(图3)： 走向110°(标准差5°)， 倾角82°(标准差5°)， 震源到断层面的距离3 m． 反演得到的震源断层的4个顶点如表1所示． 使用前面得到的区域应力场的参数， 计算得到滑动角139°， 误差13°． 走向和倾角的误差5°， 比较精确； 滑动角误差13°， 并不大. 震源断层属于高倾角、 走向滑动与逆冲相当的性质．

图  3  WNW条带震源断层精确定位的小震分布在水平面(a)、 断层面(b)，垂直于断层面的横断面(c)上的投影与小震距断层面距离的分布(d)圆圈表示精确定位小震， 粗线表示确定的断层面边界， AA′为断层上边界端点

Figure  3.  Relocated small earthquakes distribute in a WNW- -ESE elongated zone on horizontal plane view (a), on the fault plane (b), and on a vertical section perpendicular to the fault plane (c). Distribution of the distances of small earthquakes from fault plane is shown in (d)

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表  1  WNW 向震源断层4个顶点

Table  1.  Fourverticesofthe WNW ESEstrikefault

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对于NS向震源断层拟合结果如图4所示.NS向震源断层拟合参数:走向3°(标准差1°),倾角83°(标准差4°),到原点的距离5m.滑动角-57°,误差11°.走向误差仅仅1°,倾角误差5°,都比较精确;滑动角误差10°,可以接受.震源断层也是高倾角,以正断层为主的性质.反演得到的震源断层的4个顶点如表2所示.震源断层长63km,宽13km,上界深2km,下界深15km.

图  4  NS条带震源断层精确定位的小震分布在水平面(a)、 断层面(b)、 垂直于断层面的横断面(c)上的投影与小震距断层面距离的分布(d)空心圆表示精确定位的小震， 粗线表示确定的断层面边界，AA′为断层上边界端点

Figure  4.  Relocated small earthquakes (circles) distribute in a N- -S trending narrow zone on horizontal planeview (a), on the fault plane (b), and on a vertical section perpendicular to the fault plane (c).Distribution of the distances of small earthquakes from fault plane is shown in (d)Thick lines in (a) and (b) show the boundary of fault plane

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表  2  WNW 向震源断层4个顶点

Table  2.  Fourverticesofthe WNW ESEstrikefault

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4.   讨论与结论

在区域构造应力场的作用下， 琼东北的WNW向震源断层位于极震区中心稍偏南东方向， 走向WNW与等震线长轴方向一致， 表明地震破坏受其控制． 震源断层规模稍小， 或许400年之后， 小震聚集在震源体中心， 没有散布在整个地震破裂面上． 运动方式属于右旋-逆冲滑动， 倾角高， 接近直立， 北盘向斜下方错动， 导致相对震源的NNW方向产生强烈拉张， 恰好对应于陆陷成海的区域． 陈恩民和黄咏茵(1989)根据地方志、 民间家谱、 族谱记载， 确定了东寨港、 北创港、 铺前港及其北侧琼州海峡与琼北陆地相连的海底陆陷成海部分废墟． 七星岭—马袅断裂带走向为ENE向． 该断裂带从东寨港向西， 经海口到长流， 再向西， 从马村到马袅一带， 同方向的断层也出现于地表． 它在走向上很不连续， 而且不在一条直线上， 多处被NNW和NE向断层错断． 该断裂带自晚第四纪以来仍表现为北侧下掉的正断活动， 第四纪火山活动被局限在断裂以南． 这条断裂带形成于白垩纪末， 是雷琼裂谷内部的一条次级断裂带， 同时也是分隔琼北凹陷和琼州海峡的一条分界． 震源断层与其走向不同， 位置也不重合． 将七星岭—马袅断裂作为发震构造并不妥当． 现今小震则表现出了震源断层的继承性活动， 它们勾画的震源断层也没有对应已知断裂． 历史大震区内的浅表断裂是否延伸到10 km深处没有获得深部探测的确凿证据． 由于震源断层埋深在2 km以下， 如此看来海南岛也存在深浅构造不协调的问题．

李志雄等(2008)利用海南测震台网9个数字化地震台站记录到的高质量的区域地震初至到时资料， 获得了该区高分辨率的地壳速度模型． 通过层析成像的方法给出海南岛东部下方存在直径为80 km的地幔柱， 在深度为25和35 km图层显示低速体呈NS方向， NS向震源断层在低速体中北部． 张仲英和刘瑞华(1989)根据火山岩与第四系地层的接触关系、 火山岩的绝对年龄测年数据和火山岩顶部红土风化壳的域化系数， 将火山岩的形成时期按先后划分为6期， 即金牛岭期、 光村期、 多文岭期、 德文岭期、 长流期和雷虎岭期． 震源断层在地表的投影， 恰好处在西部的第四系火山岩(多文岭期)与东部的第四系沉积盆地的交界处， 亦即升降差异最大的部位． 震源断层也是高倾角， 以正断层为主的性质， 东盘下降与盆地沉积对应， 因此NS向震源断层是大地构造继承性运动的显示．

琼北地区也称为热点(Lebedev et al, 2000)． 琼北地区往北经琼州海峡到雷州半岛下方均呈低波速异常， 与该区域第四纪火山活动甚为活跃， 曾有过多期次的喷发活动， 以及具有较高的地热背景相吻合． 该区域下方的低波速异常， 从浅部往下延伸， 经琼州海峡下方穿过莫霍面至地幔深度． 这一地壳结构特征也为嘉世旭等(2006)的“地幔对地壳底部的底浸”的假说提供了可靠的地震学证据． 但是在震源断层分布的深度层位， 层析成像不能清晰分辨． 虽然刘辉等(2008)根据两条震源断层的数据， 应用有限元方法模拟计算了双俯冲作用下海南岛所在雷琼越东火山带的形成机制， 但结合海南岛精确定位的地震数据和形变观测结果， 认为琼北地区可能存在岩墙侵入或张性断裂膨胀， 地震带两端有分叉现象． 并通过数值模拟很好地解释了琼北地区地震的分布特征(狗骨头状)及地表垂向形变东升西降的特征． 两条震源断层上的震源机制类型不存在一致现象， 与美国夏威夷Kaoiki地区1983年11月16日发生6.6级地震前的岩浆上升运移造成的构造地震震源机制类型转换情况不同(刁桂苓等， 1994)； 地表仅是继承性变形， 也与中国河北张北地震以后可能引起的岩浆囊活化火山口集中区局部隆起的现象有别(刁桂苓等， 2004)． 虽然琼北地区存在一系列的EW向断裂， 始于始新世中晚期的喜马拉雅运动， 伴有玄武岩喷溢， 构造最为强烈． 进入第四纪以后， 地壳运动在本区主要反映为更新世以来， 多期的大量基性玄武岩喷发． 即使在全新世时， 雷琼地区仍有火山活动， 但趋势逐渐衰减． 现今区域应力场水平方向拉张强于挤压， WNW向震源断层的北盘下错， NS向震源断层的东盘下错， 都与现今构造活动一致． 没有表现出岩浆运移、 火山活化的迹象， 表明目前火山仍然处于休眠期． 1605年琼州大地震的发生, 不是单纯地壳构造断裂的结果, 还与该震源处于特殊的深部地球物理场(Lei et al, 2009)密切相关, 在重力均衡补偿调整的过程中, 上地幔隆起与坳陷的差异升降、 岩浆物质以及热动力的差异运动复合作用引发了震源断层两盘重力场不同的构造块体物质密度差异(陈恩民， 黄咏茵， 1989).

本研究得到海南省地震局局长牟光迅， 副局长李战勇、 赵文俊的帮助． 收集资料过程中得到海南省地震局吴平、 陈小燕、 符干； 广东省地震局王建格、 杨马陵； 广西壮族自治区地震局姚宏、 史水平、 吴时平、 刘慧群等同事的帮助和支持． 在此一并表示衷心感谢.