Focal mechanism solutions and stress field characteristics of small and moderate earthquakes in Weiyuan area， southern Sichuan basin
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摘要:
基于四川省威远地区密集流动台站从2019年12月1日至2020年6月30日期间收集到的42个ML3.0—4.5中小地震事件，采用Hypo2000定位法进行精定位，并利用HASH （Hardebeck & Shearer）法反演得到其中31次地震的震源机制解，之后利用阻尼区域应力反演方法计算了研究区的应力场参数。结果表明：中小地震主要分布在威远背斜南翼SSE向墨林场断层的两侧，震源深度集中在10 km以内，均为浅源地震；震源机制解类型以逆冲型为主，断层错动类型较为复杂，根据震源机制解结果，推测墨林场断层两侧存在一系列盲冲断层及正断型断层，同时研究区浅层地层中还可能存在其它小的隐伏断层或破裂；区域应力场为逆冲兼走滑型，其最大主应力轴σ1方位为103°，倾角为1°，最小主应力轴σ3方位为192°，倾角为51°，与震源机制解主要类型具有较好的一致性。
Abstract:Based on the 42 small and moderate events of ML3.0−4.5 recorded by the dense portable stations in Weiyuan area of southern Sichuan basin during the period from December 1, 2019 to June 30, 2020, we used Hypo2000 relocation method to precisely relocate the events. Then we performed the focal mechanism inversion for 31 events among them by HASH （Hardebeck & Shearer） method. And then we used damping spatial and temporal stress inversion method to carry out the inversion for the stress field parameters of the study area. The results indicate that the small and moderate earthquakes are mainly distributed on the SSE-striking Molin fault on the southern flank of the Weiyuan anticline with focal depths concentrating within 10 km, which suggests they are shallow earthquakes. The main type of focal mechanism solutions is thrust, and the type of fault-slip is relatively complex. According to the results of focal mechanism solutions, it is inferred that there are a series of blind thrust faults and normal faults on both sides of the Molin fault. Meanwhile, there may be other small hidden faults or fractures in the shallow strata of the study area. The azimuth of the maximum principal stress σ1 is 103° and the dip is 1°, and the azimuth of the minimum principal stress σ3 is 192° and the dip is 51° in the area. The type of the stress field is thrusting with strike slip, which is consistent with the main type of focal mechanism solutions in the area.
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引言
威远地区位于四川盆地南部，因盆地内主要活动断裂带分布在川北和川西的造山带和盆山过渡带（邓起东等，2003；徐锡伟等，2016），故该地区断裂活动性并不强。但自2015年以来，威远地区的地震活动性明显增强，仅2015年一年就发生ML≥2.0地震25次（图1）（国家地震科学数据中心，2020），超过前五年ML≥2.0地震总数。2016年之后，ML≥3.0地震频次也开始逐渐增加，到2019年ML≥3.0地震甚至达到16次，其中MS≥4.5地震4次，地震活动强度达到近几年之最（图1）。威远地区中小地震多为丛集震群（图2），虽震级不大，但联合产生的烈度较大，这使得震区附近的城市和居民受到财产和人身安全的损害，呈现出小震大灾的特征（易桂喜等，2020）。
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图 1 威远地区2009年至2020年6月ML≥2.0地震事件M-t图及地震频次图Figure 1. M-t plot and ML≥2.0 earthquake frequency chart （red polyline） in Weiyuan region from 2009 to June 2020![]()
前人对威远地区的大区域地震活动和区域应力场进行了大量的研究。杨光宇（1985）、许忠淮等（1987）、崔效锋等（2006）、骆佳骥等（2012）、孔维林等（2021）对川滇地区地震活动采用不同方法进行了研究，得到了区域构造应力场；祁林等（1994）根据四川地区的断裂活动、震中分布和裂度展布等特征，采用平面应力状态理论分析方法得到了四川地区应力场的主压应力方向；Lei等（2017）采用传染型余震序列（epidemic type aftershock sequence，缩写为ETAS）模型对四川盆地2014年12月至2017年2月20日期间观测到的ML≥1.0地震活动进行了分类，其结果显示87%的地震活动与注水一类的外力驱动相关，表明大量的地震活动是由注水诱发。近年来，由于威远地区地震活动性的增强，关于威远地区小尺度的研究越来越多。Yang等（2020）对威远地区2019年2月25日的地震序列进行了震源机制解及库仑应力方面的研究，其结果表明注水使孔隙弹性压力升高，并传递至墨林场断层诱发地震；易桂喜等（2020）采用CAP （cut and paste）法反演了研究区内2016年至2020年初MS≥3.0地震事件的震源机制解及应变变化（图2），认为研究区内发震断层为倾向SE、走向NNE−NE的盲冲断层，通过进一步求解区域应力场及应变参数并结合震源机制解进行综合分析，其结果表明地震活动主要受区域逆冲型应力场控制；杜广宝等（2021）采用双差层析成像（double-difference tomography，缩写为tomoDD）获得了研究区域的浅层速度结构，其结果显示区域内地震震源较浅，受沉积层结构控制；可以等（2022）通过对研究区地质条件与地震活动的关系进行深入分析，认为威远背斜的快速隆升发育了一系列断层、节理，使得近五年来小震活动频次不断增加。
上述研究表明，前人对威远地区地震活动性增强的解释存在争议，目前有以下几种说法：区域应力场的控制使地震活动性增强；工业开采活动对断层和裂缝的活化诱发了地震；地质构造的变化产生了新的断层和节理，使地震活动频次增加。特别是，该地区近年来频发的多数中小震无已知断层与其对应，这说明目前对该区域的研究还不够充分，需要进一步研究和讨论。鉴于此，本文收集了中国地震局地球物理研究所于2019年底在威远地区布设的密集流动台阵数据，拟采用地震精定位、震源机制解及区域应力场反演三种手段相结合的方式，对记录的ML3.0—4.5中小地震事件进行时空分布特征及发震机制的研究，以期给出威远地区地震活动性增强的原因，为该地区工业开采活动的安全开展提供参考。
1. 区域地质构造背景
威远地区位于四川盆地南部，属于川中古隆起平缓构造区，西邻龙泉山断裂带，东接华蓥山断裂带，自北向南依次由威远背斜、白马镇向斜和自流井背斜构成该区域的主要构造格架（易桂喜等，2020）（图2）。川中古隆起平缓构造区形成于早古生代早期（杨程宇等，2020），以舒缓褶皱构造为主，伴有EW向和NE向逆冲断裂构造，有利于油气储存和富集（谷志东等，2012）。研究区内最大的构造单元为大型穹窿状威远背斜，该背斜长约100 km，轴线呈ENE走向，其形东宽西窄、南陡北缓，呈半圆周状（刘树根等，2008；李英强，2018），构造北翼的地层倾角为1°—3°，局部可达5°，南翼的地层倾角为9°—12° （韩文雯，2017）。自流井背斜位于区域南部，长约42 km，东段轴向 N60°E，西段由近 EW 转向 NW，两翼呈不对称箱状结构。白马镇向斜位于威远背斜与自流井背斜之间，两翼宽缓，近对称展布，轴向为NE向（易桂喜等，2020）。威远背斜在演化过程中先后经历了加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动、喜山运动等五个构造阶段多期次的强化和改造（喻颐等，2013），断层、构造节理和裂缝十分发育，且断层多分布于威远背斜的西端轴部和南北两翼（何超红等，2015）（图2）。
2. 数据与方法
2.1 地震数据
中国地震局地球物理研究所于2019年12月1日在研究区域布设了40个流动地震台站，采样率为100 Hz，平均台间距为10 km，最小台间距可达5 km，对地震事件具有良好的覆盖（图2），可以有效提高地震定位精度。截至2020年6月30日，共记录到50个ML3.0—4.5中小地震事件的波形。我们从中选取地震台站记录在5个以上、方位角覆盖良好且信噪比相对高的42个地震事件开展地震精定位研究。
2.2 地震精定位
我们使用Hypo2000定位法（Klein，1978）对42个地震事件进行精定位。Hypo2000定位法是基于传统Geiger定位法的绝对定位法，该方法采用近台初值，在对地方震和近震的重定位结果中误差小、准确性高。其原理是将每个台站记录的实际到时T′与理论到时T作差，对到时差进行泰勒一级展开，后利用最小二乘法求解得到新的震中位置，并以新的震中位置为理论位置进行多次迭代，输出新的震中位置，直到新的震中位置与理论位置之差小于给定误差时，输出最终重定位后的结果。王承伟等（2016）采用了常用的几种地震重定位方法对同一批地震进行了重定位，阐述了这几种重定位法的适用范围，其结果同样表明Hypo2000定位法适用于近震，与本文选取该法的依据相同。而目前广泛应用的双差定位法利用地震对的走时残差最小进行相对定位，在数据量大时具有较高准确性，但数据量小时误差较大。Hypo2000定位法的精度不依赖于地震数量，本文用于重定位的地震事件数量较少，且台站分布密集，因此利用Hypo2000进行重定位能够获得精确的定位结果。
本文采用Lei等（2017）在该区域计算的精细速度模型（表1）。由于研究区范围较小，因此仅使用一个一维速度模型。经数据处理，挑选出42个地震事件总计1 391条质量良好的波形记录，手动拾取每个台站记录的P波和S波到时信息，并对两种震相赋予不同权重值，其中P波为1，S波为0.7。
表 1 威远地区的精细速度模型（Lei et al，2017）Table 1. Fine velocity model in Weiyuan area （Lei et al，2017）层号 顶层深度/km vP/（km·s−1） vS/（km·s−1） 1 0 5.36 3.12 2 4.1 5.71 3.32 3 7.0 5.81 3.38 4 10.1 5.96 3.46 5 14.0 6.06 3.52 6 16.0 6.23 3.62 7 18.0 6.40 3.72 8 27.0 6.45 3.75 2.3 反演震源机制解
我们采用HASH法（Hardebeck，Shearer，2003）对精定位后的地震进行震源机制解反演。HASH法采用P波初动和S/P振幅比约束反演震源机制解，相较于单纯的P波初动法，能够在一定程度上克服震源位置、速度模型和极性观测误差的影响（苏珊，2019），从而得到稳定性较好、可靠性较高的解。其原理为：对不同方位、震中距的台站所记录到的地震波形，利用P波初动极性在震源球上的分布初步确定节面即地震事件的断层面（Hardebeck，Shearer，2002），但许多中小地震事件台站分布不均，数据覆盖不全面，仅利用P波初动极性无法有效约束震源球的节面，Hardebeck和Shearer （2003）在此基础上进行了改进，利用直达Pg和Sg波引起的地震动位移振幅比对节面进行二次约束，从而获得准确的震源机制解。郭祥云等（2014，2017）采用HASH法反演了川滇地区及鄂尔多斯地块周缘中小地震的震源机制解，获得了准确性较高的结果，说明该法对中小地震具有良好的适用性。因此，本文选用HASH法求解选取的中小地震的震源机制解。
首先我们从精定位获得的42个地震事件中，剔除P波初动极性不清晰、波形质量较差的台站记录，之后将台站记录少于6个的地震事件剔除，以提高结果的可靠性。其次，对地震记录进行1—15 Hz的带通滤波，之后标出垂向分量记录中P波初动极性及直达P和S波位移记录的振幅值。最后，根据前人经验，设置合理的参数进行震源机制解反演：最小信噪比4.0，尽量减小周围噪声的干扰；计算两个离源角的速度模型（表1，2），其中Lei等（2017）速度模型适用于整个研究区，易桂喜等（2020）速度模型适用于威远及荣县，二者结合使反演结果准确性更高。最终得到31个可靠的震源机制解。
表 2 威远、荣县地区的精细速度模型（易桂喜等，2020）Table 2. Fine velocity model in Weiyuan and Rongxian areas （Yi et al，2020）层号 顶层深度/km vP/（km·s−1） vS /（km·s−1） 1 0 5.15 2.98 2 6.0 5.64 3.26 3 8.0 5.72 3.31 4 10.0 5.96 3.45 5 16.0 6.13 3.54 6 18.0 6.22 3.59 7 20.0 6.44 3.72 8 25.0 6.59 3.81 9 28.0 6.71 3.88 2.4 区域应力场求解
本文采用阻尼区域应力反演方法（Hardebeck，Michael，2006）实现应力场反演。该方法采用线性反演技术，相对于网格搜索法具有更快的反演速度，能最大程度上拟合数据，反映应力场的真实变化，同时消除人为影响和过度平滑约束所带来的虚假变化。阻尼区域应力反演法基于Michael （1984）提出的两个假设：地震断层面上剪切应力方向与断层的滑动矢量方向一致；应力场方向在一定区域内是一致的。通过最小化每个断层面上滑动矢量与剪切应力矢量的差异，建立单个区域震源机制解断层面参数与应力张量参数的线性方程（Michael，1984）；为了抑制相邻子单元之间应力模式的突变，Hardebeck和Michael （2006）提出了改进，在线性方程中引入了一组可调整的阻尼互相关系数矩阵，以此来实现相邻格网间的平滑约束，最后利用阻尼最小二乘法进行求解。本文使用Martínez-Garzón等（2014）制作的适用于Matlab的MSATSI软件包进行应力场求解。相较于SATSI程序，MSATSI软件包能够计算应力场结果的不确定度，给出可靠范围，且对SATSI子程序的衔接予以优化，操作起来更为快捷。同时加入了绘图程序，使用者能够根据不同的需求绘制出相应的应力场结果图。王晓山等（2015）利用MSATSI软件包对南北地震带构造应力场进行了反演，直观地反映了南北地震带背景应力场的作用方式，结果准确性较高，为板块构造演化及相互作用的分析提供了有力的支持。
我们基于前文得到的31个震源机制解使用单一网格计算应力场参数，主要参数设置为：置信区间为95%，自举重采样2 000次，最小震源机制解20个。最后得到威远地区的三个主应力σ1，σ2和σ3的方向和倾角以及反映三个主应力相对大小的R值（Martínez-Garzón et al，2014）。R定义为：
$$ R ＝\frac {{\sigma _2} － {\sigma _1}} { {\sigma _3} － {\sigma _1}} \text{，}$$ (1) R值取值范围为$ ［ 0 \text{，} 1 ］ $，能反映主应力的压、张应力变化情况。
3. 结果与分析
3.1 精定位结果
重定位后共获得研究区域2019年12月至2020年7月期间42次ML3.0—4.5地震的精定位结果（图3a），平均定位误差为0.58 km，表明该定位结果具有较高准确性。该地区中小地震主要分布在两个区域（图3a），一为墨林场断层两侧，二为威远背斜东南侧F5断层附近，皆沿SSE向展布，AB和CD剖面线上的地震展布方向与墨林场断层走向具有一致性。AB和CD剖面线附近的中小地震震源深度均在10 km以内，主要集中在6 km以内（图3b，c），EF剖面线附近的中小地震震源深度均分布在6 km以内（图3d），表明研究区中小地震均为浅源地震，与杜广宝等（2021）的结论一致。研究区内分布有页岩气水力压裂井（图3a），且处于压裂期（雷兴林等，2020）。震源深度较浅且震源分布在注水层附近这一结果，可以将其作为注水诱发地震的判断依据之一（Lei et al，2008；朱航，何畅，2014），故推测这些中小地震的发生与页岩气水力压裂作业有关，这与威远地区浅层地震与页岩层注水压裂有关这一描述（Wang et al，2020；Yang et al，2020）相符。
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图 3 地震重定位结果 （a）和沿剖面AB （b），CD （c）和EF （d）的震源深度分布Figure 3. Relocation results of earthquakes （a） and distribution of focal depths along the sections AB （b），CD （c） and EF （d）2019年12月18日资中发生MS5.1地震，根据M-t （图4a）可见，2019年12月和2020年1月地震密度较大，ML≥3.0地震23次，占研究期间所有地震事件数目的55%，结合地震分布在时间上的变化（图4b）可知，这两个月发生的中小地震多为资中MS5.1地震的前震和余震序列。图4b显示地震活动分布在时间上有向SW方向发展的趋势。
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图 4 威远地区M-t图（a）和震中随时间的分布图（b）Figure 4. M-t plot （a） and distribution of epicenters over time （b） in Weiyuan area3.2 震源机制解分析
在地震精定位的基础上，对研究区域挑选出的34次ML3.0—4.5中小地震进行HASH震源机制解反演，共得到31个可靠震源机制解（表3，图5），其中：A类解9个，占总数的26.5%；B类解20个，占总数的58.8%；C类解2个，占总数的5.9%；D类解3个，占总数的8.8%。震源机制解质量分类标准见表4，由于D类解误差较大，本文仅对A，B和C三类震源机制解进行讨论。以2019年12月30日ML3.6地震为例展示P波初至极性在震源球上的分布，如图6所示，可见震源球压缩和拉张区域与台站Pg波初至极性相吻合，表明结果具有较高的准确性。我们选取了部分结果与前人已有结果进行比较，结果列于表3，从中可见两者结果较为相近，说明本文反演得到的震源机制解具有较高的可靠性。
表 3 威远地区31个地震震源机制解Table 3. Focal mechanism solutions of 31 earthquakes in Weiyuan area序
号事件时间 北纬
/°东经
/°深度
/km节面Ⅰ 节面Ⅱ P轴/° T轴/° B轴/° ML 来源 年-月-日 时:分 走向
/°倾角
/°滑动
角/°走向
/°倾角
/°滑动
角/°方
位倾
角方
位倾
角方
位倾
角1 2019-12-03 12:35 29.48 104.51 6.91 104 69 99 260 23 69 277 23 299 65 11 8 3.2 本文 2 2019-12-12 06:30 29.48 104.52 5.61 39 34 −44 167 67 −116 242 71 5 11 278 15 3.4 本文 3 2019-12-13 18:23 29.50 104.57 0.94 132 59 −20 233 73 −145 6 35 270 9 167 54 3.6 本文 2019-12-13 18:23 29.50 104.54 3.00 141 65 −36 248 58 −150 102 42 196 4 291 47 3.6 郭祥云等（2 022） 4 2019-12-14 09:50 29.60 104.80 5.08 256 80 −49 357 41 −165 114 40 46 24 337 40 3.2 本文 5 2019-12-14 19:03 29.51 104.54 4.64 21 13 118 172 80 84 356 34 343 56 82 6 3.3 本文 6 2019-12-15 11:39 29.64 104.81 6.66 189 15 127 331 79 81 339 32 139 56 63 9 3.1 本文 7 2019-12-19 13:20 29.50 104.53 4.32 17 50 84 205 39 98 19 6 160 82 109 5 3.0 本文 8 2019-12-20 08:52 29.49 104.54 4.35 9 74 −95 208 17 −72 181 61 14 29 281 5 3.7 本文 9 2019-12-21 15:35 29.50 104.53 5.10 21 52 −105 226 39 −70 152 75 32 8 300 12 3.7 本文 10 2019-12-26 16:20 29.45 104.56 2.74 61 9 −41 192 85 −97 4 50 198 39 102 7 3.0 本文 11 2019-12-30 09:24 29.52 104.53 5.00 4 25 97 175 66 86 179 20 350 70 268 3 3.6 本文 2019-12-30 09:24 29.51 104.54 5.00 354 46 99 161 45 81 78 1 342 84 168 6 3.6 郭祥云等（2 022） 2019-12-30 09:24 29.51 104.54 5.00 41 35 91 220 55 89 310 10 127 80 220 1 3.6 易桂喜等（2 020） 12 2020-01-01 02:48 29.49 104.52 8.82 284 10 −150 163 85 −82 354 49 156 39 74 9 3.9 本文 13 2020-01-02 16:26 29.47 104.54 5.30 319 34 −164 215 81 −57 68 44 190 29 120 33 3.2 本文 14 2020-01-09 21:18 29.47 104.53 5.34 42 37 90 222 52 90 222 8 42 82 132 0 3.0 本文 15 2020-01-15 13:00 29.48 104.55 5.02 18 47 109 172 45 70 185 0 273 76 275 14 3.0 本文 16 2020-01-18 08:12 29.47 104.54 2.07 14 37 105 176 56 79 5 8 318 78 94 9 3.2 本文 17 2020-01-24 11:35 29.64 104.80 2.61 136 89 167 227 77 1 272 8 0 10 42 77 3.0 本文 18 2020-02-16 04:28 29.47 104.46 9.56 350 28 90 170 62 90 350 17 350 73 80 0 4.4 本文 19 2020-02-16 21:33 29.41 104.60 5.07 108 51 60 330 48 121 309 2 223 67 38 23 3.2 本文 20 2020-02-25 16:18 29.48 104.54 4.06 15 30 0 285 89 119 258 38 132 38 15 30 3.6 本文 2020-02-25 16:18 29.48 104.54 3.00 354 57 −8 88 83 −147 316 28 217 18 98 56 3.6 郭祥云等（2 022） 21 2020-03-04 12:26 29.49 104.54 3.61 129 46 101 294 45 79 301 0 28 82 31 8 3.0 本文 22 2020-04-05 18:49 29.61 104.57 5.05 341 76 −165 248 77 −19 114 20 204 0 113 70 3.0 本文 23 2020-04-08 18:49 29.42 104.48 4.52 354 12 −95 178 79 −89 0 57 178 33 89 1 3.3 本文 24 2020-04-10 12:23 29.41 104.48 5.07 49 17 0 319 89 107 303 43 155 43 49 17 3.0 本文 25 2020-04-12 11:06 29.42 104.48 4.71 36 16 −72 197 74 −95 10 60 201 30 109 5 3.5 本文 26 2020-04-19 09:05 29.42 104.47 4.55 150 79 −132 48 44 −18 291 41 1 22 250 41 3.2 本文 27 2020-05-27 02:56 29.45 104.58 3.39 42 13 −131 264 80 −81 94 54 256 35 172 8 3.2 本文 28 2020-06-11 07:47 29.47 104.53 4.30 326 41 −108 170 51 −75 45 77 159 5 70 12 3.6 本文 29 2020-06-22 13:08 29.38 104.48 2.68 141 33 45 11 70 114 173 19 47 60 271 23 3.5 本文 2020-06-22 13:08 29.38 104.48 7.00 113 57 40 358 57 140 56 0 326 50 146 40 3.5 郭祥云等（2 022） 30 2020-06-27 00:13 29.47 104.53 3.38 106 14 32 344 83 102 334 37 178 51 73 12 3.5 本文 31 2020-06-30 02:32 29.40 104.50 2.93 40 26 54 259 70 106 247 23 104 62 343 15 3.1 本文 ![]()
表 4 HASH法震源机制解质量分布标准（郭祥云等，2017）Table 4. Quality distribution criteria of focal mechanism solutions for HASH （Guo et al，2017）质量
分类平均
误差断层面不
确定度台站
分布比最佳机制
解概率A ≤0.15 ≤10° ≥0.7 ≥0.9 B ≤0.20 ≤20° ≥0.6 ≥0.85 C ≤0.30 ≤30° ≥0.5 ≥0.80 D 相邻台站最大方位角间隔≤90°，离源角≤60° ![]()
图 6 2019年12月30日ML3.6地震的极性分布图Figure 6. Polarity distribution of the ML3.6 earthquake on December 30，2019参照世界应力图的划分原则（Zoback，1992），根据震源机制解三个应力轴倾角的大小，对震源机制解类型进行分类（分类标准见表5）：逆断型地震事件13个，占41.9%；正断型地震事件7个，占22.6%；走滑型地震事件5个（其中20号和24号地震为无法确定型，根据陈运泰和顾浩鼎
1 的标准判定为走滑型地震），占16.1%；正走滑型地震事件2个，占6.5%；无法确定的混合型地震事件4个，占12.9%，说明研究区地震类型以逆冲型为主。将震源机制解参数以10°为间隔，利用归一化频数统计进行分析，结果如图7所示，可见：节面走向呈两组优势方向，分别为NNE−NE向和SSE−S向；节面Ⅰ的倾角主要分布在10°—50°之间，断层面形态主要为中低角度倾斜，节面Ⅱ的倾角主要分布在70°—90°之间，断层面形态主要为高角度倾斜；由节面滑动角分布来看，滑动角优势分布在90°—110°之间，以逆冲型地震为主，滑动角在其它方向也有分布，表明研究区断层错动类型较为复杂（图7a）。震源机制解P轴优势方位接近N向，倾角主要集中在0—50°，占P轴倾角总数的72.4%，可见P轴倾角以中、低倾角居多；T轴优势方位接近SSE向和N向，倾角在各个角度均有分布，优势区间为20°—40°和60°—90° （图7b）。表 5 震源机制解分类标准（Zoback，1992）Table 5. Classification criteria of focal mechanism solution （Zoback，1992）地震类型 P轴倾角 B轴倾角 T轴倾角 正断型 ≥52° ≤35° 正走滑型 40°≤倾角＜52° ≤20° 走滑型 ＜40° ≥45° ≤20° ≤20° ≥45° ＜40° 逆走滑型 ≤20° 40°≤倾角＜52° 逆断型 ≤35° ≥52° 无法确定型 上述类型之外的震源机制解 ![]()
图 7 震源节面参数（a）、P轴方位、T轴方位和倾角（b）的归一频数图Figure 7. Normalized frequency chart of nodal plane parameters of source （a），azimuth and dip of P，T axes （b）研究区逆断型地震分布在墨林场断层两侧，主要集中在断层中段东侧，其中6号逆断型地震位于断层F5附近，其震源节面Ⅰ参数与断层F5的产状（长度12 km，走向SW，倾向NW，倾角20°—50°）较为一致，故推测6号地震的发震断层面为节面Ⅰ ，且断层F5应为6号地震的发震断层。5，7，11和14—16号逆断型地震的位置相近，位于墨林场断层东侧，且节面走向具有一致性，但其震源机制解两个节面走向与其附近墨林场断层产状（长度19 km，走向SSE，倾向WSW，倾角40°—45°）和F1断层产状（长度3 km，走向ENE，倾向SSE）均不符，故墨林场断层和断层F1不是其发震断层。易桂喜等（2020）提出威远地区的主要发震构造可能是发育在威远背斜南翼的一系列倾向SE、走向NNE−NE的缓倾角盲冲断层，上述地震震源节面 Ⅰ 走向近NNE向且倾角低缓，故推测节面Ⅰ应为这些地震的发震断层面，且发震构造为一系列盲冲断层。研究区正断型地震分布在墨林场断层两侧，其中2号和8—10号正断型地震的位置相近，且节面走向具有一致性，但附近无已知断层面与其震源节面匹配，故推测墨林场断层附近还存在正断型断层。其它地震的震源节面与已知断层不匹配，且震源节面参数没有一致性，无法判断其发震构造特征，表明研究区浅层地层中可能还存在其它小的隐伏断层或破裂。
3.3 区域应力场
威远地区震源区应力场反演结果如表6和图8所示，可见：最大主应力轴σ1的方位为103°，倾角为1°，接近水平；最小主应力轴σ3的方位为192°，倾角为51°，中高角度倾斜；中间主应力轴σ2的方位为11°，倾角为39°，中低角度倾斜。在置信度为95%下，最大主应力轴σ1和最小主应力轴σ3的方位和倾角变化范围不大，说明研究区的区域应力反演数据拟合度相对较高，也说明此方法反演区域应力场比较可靠。陈朝伟等（2019）对长宁—威远地区水力压裂区域的应力场特征进行了阐述，其中威远地区水力压裂井附近应力场最大主应力轴的方位范围为90°—135°；雷兴林等（2020）根据震源机制解估计的最大主应力轴方位为106°，倾角几乎是水平的。本文应力场结果与上述结果具有较好的一致性，表明近年来威远地区应力场在时间上的变化不大。
表 6 研究区区域应力场反演结果Table 6. Inversion result of regional stress field in the study areaσ1轴 σ2轴 σ3轴 R值 方位/° 倾角/° 方位/° 倾角/° 方位/° 倾角/° 最优解 103 1 11 39 192 51 0.35 95%置信区间 89—112 0—14 353—360，0—36 26—47 180—208 43—65 0.12—0.50 ![]()
图 8 研究区区域应力反演结果球面投影图Figure 8. Spherical projection of regional stress inversion results in the study area威远地区应力场的R值为0.35。R值大小量化了中间主应力$ {\sigma }_{2} $的大小是否更接近于最大主应力σ1或最小主应力σ3的大小（Martínez-Garzón et al，2014）。当R值为0时，最小主应力轴σ3相对稳定，呈拉张状态，中间主应力轴σ2与最大主应力轴σ1均呈挤压状态；随着R值的增大，中间主应力σ2大小与主张应力σ3不断接近，R值越大，中间应力轴σ2表现的张应力越明显；当R值为1时，最大主应力轴σ1相对稳定，呈挤压状态，中间主应力轴σ2与最小主应力轴σ3均呈拉张状态（Guiraud et al，1989；万永革等，2011；黄骥超等，2016；万永革，2020）。本研究结果说明研究区域整体处于挤压状态，中间主应力σ2以挤压状态为主，存在一定拉张成分。
根据三个应力轴的方位和倾伏角大小，判断研究区应力场类型为逆冲兼走滑型应力场，以逆冲型地震为主，与震源机制解主要类型一致，表明该地区中小地震主要受应力场控制。但震源区还存在少量正断型地震，与应力场结果不符，表明研究区部分中小地震的发生不是由区域应力场来控制，结合前文分析，这些地震的发生与附近的工业开采活动有关，注水压裂作业对局部应力场产生了扰动，导致浅层裂缝的破裂或隐伏断层的活化，产生了与区域应力场类型不符的地震。根据前文综合分析，威远地区经过多阶段构造演化，断层、构造节理和裂缝十分发育，在区域应力场的挤压作用下更易发生地震，加之近几年工业开采活动的推进，进一步激发了区域内断层的活化以及构造节理和裂缝的破裂，使研究区构造活动愈加频繁，地震活动性也由此增强。
4. 讨论与结论
本研究利用中小地震对威远地区进行地震精定位、震源机制解和区域应力场研究，初步分析了该区域中小地震的分布特征、震源机制解结果及区域应力场特征，获得如下结论：
1） 由地震精定位结果可知，中小地震主要分布在威远背斜南翼SSE走向的墨林场断层两侧，震源深度集中在10 km以内，均为浅源地震，且震中位于压裂期页岩气井注水层附近，故推测这些地震的发生与该区域内页岩气水力压裂作业有关。2019年12月与2020年1月中小地震频次居多，且多数震中分布在资中附近，故这些地震多为2019年12月资中MS5.1地震的前、余震序列。
2） 震源机制解类型以逆冲型为主，走向优势分布为NNE−NE向和SSE−S向，断层错动类型较为复杂。根据震源机制解结果，推测墨林场断层两侧存在一系列盲冲断层及正断型断层，同时研究区浅层地层中可能还存在其它小的隐伏断层或破裂，这些会对工业开采活动的安全性产生影响。
3） 区域应力场类型为逆冲兼走滑型，与震源机制解主要类型一致，表明该区域中小地震主要受应力场控制。R值为0.35，本区域整体处于挤压的构造环境，中间主应力σ2存在一定拉张成分。
4） 震源区存在少量正断型地震，与应力场不符，表明部分中小地震事件的发生不是由区域应力场控制，工业开采活动可能对区域构造应力场产生了局部扰动，诱发了与应力场类型不符的地震。综合分析，地震活动性逐年增强的原因推测是区域应力场为主、工业开采活动为辅的双重影响。因此，工业开采活动的开展更应着重考虑安全方面的因素。
本文采用的中小地震在时空上的分布存在一定局限性，还需进一步收集时间范围更广、数目更丰富的地震事件，以期进一步验证工业开采活动对地震活动的影响以及得到更多二者之间的关系。
感谢中国地震局地球物理研究所参与台站勘选、布设和维护工作中的所有人员为本研究提供了地震波形数据，同时感谢审稿人提出了宝贵意见。文中部分图件使用GMT （Wessel，Smith，1995）绘制。
1 陈运泰，顾浩鼎。2011。震源理论基础。北京：中国地震局地球物理研究所，北京大学地球与空间科学学院，中国科学院研究生院：38. -
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图 1 威远地区2009年至2020年6月ML≥2.0地震事件M-t图及地震频次图
Figure 1. M-t plot and ML≥2.0 earthquake frequency chart （red polyline） in Weiyuan region from 2009 to June 2020
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图 3 地震重定位结果 （a）和沿剖面AB （b），CD （c）和EF （d）的震源深度分布
断层F1−F5数据引自高杰（2017），页岩气井数据引自雷兴林等（2020），下同
Figure 3. Relocation results of earthquakes （a） and distribution of focal depths along the sections AB （b），CD （c） and EF （d）
The faults F1−F5 data is taken from Gao （2017），and shale gas well data is taken from Lei et al （2020），the same below
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图 4 威远地区M-t图（a）和震中随时间的分布图（b）
Figure 4. M-t plot （a） and distribution of epicenters over time （b） in Weiyuan area
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图 6 2019年12月30日ML3.6地震的极性分布图
Figure 6. Polarity distribution of the ML3.6 earthquake on December 30，2019
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图 7 震源节面参数（a）、P轴方位、T轴方位和倾角（b）的归一频数图
Figure 7. Normalized frequency chart of nodal plane parameters of source （a），azimuth and dip of P，T axes （b）
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图 8 研究区区域应力反演结果球面投影图
Figure 8. Spherical projection of regional stress inversion results in the study area
表 1 威远地区的精细速度模型（Lei et al，2017）
Table 1 Fine velocity model in Weiyuan area （Lei et al，2017）
层号 顶层深度/km vP/（km·s−1） vS/（km·s−1） 1 0 5.36 3.12 2 4.1 5.71 3.32 3 7.0 5.81 3.38 4 10.1 5.96 3.46 5 14.0 6.06 3.52 6 16.0 6.23 3.62 7 18.0 6.40 3.72 8 27.0 6.45 3.75 
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表 2 威远、荣县地区的精细速度模型（易桂喜等，2020）
Table 2 Fine velocity model in Weiyuan and Rongxian areas （Yi et al，2020）
层号 顶层深度/km vP/（km·s−1） vS /（km·s−1） 1 0 5.15 2.98 2 6.0 5.64 3.26 3 8.0 5.72 3.31 4 10.0 5.96 3.45 5 16.0 6.13 3.54 6 18.0 6.22 3.59 7 20.0 6.44 3.72 8 25.0 6.59 3.81 9 28.0 6.71 3.88
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表 3 威远地区31个地震震源机制解
Table 3 Focal mechanism solutions of 31 earthquakes in Weiyuan area
序
号事件时间 北纬
/°东经
/°深度
/km节面Ⅰ 节面Ⅱ P轴/° T轴/° B轴/° ML 来源 年-月-日 时:分 走向
/°倾角
/°滑动
角/°走向
/°倾角
/°滑动
角/°方
位倾
角方
位倾
角方
位倾
角1 2019-12-03 12:35 29.48 104.51 6.91 104 69 99 260 23 69 277 23 299 65 11 8 3.2 本文 2 2019-12-12 06:30 29.48 104.52 5.61 39 34 −44 167 67 −116 242 71 5 11 278 15 3.4 本文 3 2019-12-13 18:23 29.50 104.57 0.94 132 59 −20 233 73 −145 6 35 270 9 167 54 3.6 本文 2019-12-13 18:23 29.50 104.54 3.00 141 65 −36 248 58 −150 102 42 196 4 291 47 3.6 郭祥云等（2 022） 4 2019-12-14 09:50 29.60 104.80 5.08 256 80 −49 357 41 −165 114 40 46 24 337 40 3.2 本文 5 2019-12-14 19:03 29.51 104.54 4.64 21 13 118 172 80 84 356 34 343 56 82 6 3.3 本文 6 2019-12-15 11:39 29.64 104.81 6.66 189 15 127 331 79 81 339 32 139 56 63 9 3.1 本文 7 2019-12-19 13:20 29.50 104.53 4.32 17 50 84 205 39 98 19 6 160 82 109 5 3.0 本文 8 2019-12-20 08:52 29.49 104.54 4.35 9 74 −95 208 17 −72 181 61 14 29 281 5 3.7 本文 9 2019-12-21 15:35 29.50 104.53 5.10 21 52 −105 226 39 −70 152 75 32 8 300 12 3.7 本文 10 2019-12-26 16:20 29.45 104.56 2.74 61 9 −41 192 85 −97 4 50 198 39 102 7 3.0 本文 11 2019-12-30 09:24 29.52 104.53 5.00 4 25 97 175 66 86 179 20 350 70 268 3 3.6 本文 2019-12-30 09:24 29.51 104.54 5.00 354 46 99 161 45 81 78 1 342 84 168 6 3.6 郭祥云等（2 022） 2019-12-30 09:24 29.51 104.54 5.00 41 35 91 220 55 89 310 10 127 80 220 1 3.6 易桂喜等（2 020） 12 2020-01-01 02:48 29.49 104.52 8.82 284 10 −150 163 85 −82 354 49 156 39 74 9 3.9 本文 13 2020-01-02 16:26 29.47 104.54 5.30 319 34 −164 215 81 −57 68 44 190 29 120 33 3.2 本文 14 2020-01-09 21:18 29.47 104.53 5.34 42 37 90 222 52 90 222 8 42 82 132 0 3.0 本文 15 2020-01-15 13:00 29.48 104.55 5.02 18 47 109 172 45 70 185 0 273 76 275 14 3.0 本文 16 2020-01-18 08:12 29.47 104.54 2.07 14 37 105 176 56 79 5 8 318 78 94 9 3.2 本文 17 2020-01-24 11:35 29.64 104.80 2.61 136 89 167 227 77 1 272 8 0 10 42 77 3.0 本文 18 2020-02-16 04:28 29.47 104.46 9.56 350 28 90 170 62 90 350 17 350 73 80 0 4.4 本文 19 2020-02-16 21:33 29.41 104.60 5.07 108 51 60 330 48 121 309 2 223 67 38 23 3.2 本文 20 2020-02-25 16:18 29.48 104.54 4.06 15 30 0 285 89 119 258 38 132 38 15 30 3.6 本文 2020-02-25 16:18 29.48 104.54 3.00 354 57 −8 88 83 −147 316 28 217 18 98 56 3.6 郭祥云等（2 022） 21 2020-03-04 12:26 29.49 104.54 3.61 129 46 101 294 45 79 301 0 28 82 31 8 3.0 本文 22 2020-04-05 18:49 29.61 104.57 5.05 341 76 −165 248 77 −19 114 20 204 0 113 70 3.0 本文 23 2020-04-08 18:49 29.42 104.48 4.52 354 12 −95 178 79 −89 0 57 178 33 89 1 3.3 本文 24 2020-04-10 12:23 29.41 104.48 5.07 49 17 0 319 89 107 303 43 155 43 49 17 3.0 本文 25 2020-04-12 11:06 29.42 104.48 4.71 36 16 −72 197 74 −95 10 60 201 30 109 5 3.5 本文 26 2020-04-19 09:05 29.42 104.47 4.55 150 79 −132 48 44 −18 291 41 1 22 250 41 3.2 本文 27 2020-05-27 02:56 29.45 104.58 3.39 42 13 −131 264 80 −81 94 54 256 35 172 8 3.2 本文 28 2020-06-11 07:47 29.47 104.53 4.30 326 41 −108 170 51 −75 45 77 159 5 70 12 3.6 本文 29 2020-06-22 13:08 29.38 104.48 2.68 141 33 45 11 70 114 173 19 47 60 271 23 3.5 本文 2020-06-22 13:08 29.38 104.48 7.00 113 57 40 358 57 140 56 0 326 50 146 40 3.5 郭祥云等（2 022） 30 2020-06-27 00:13 29.47 104.53 3.38 106 14 32 344 83 102 334 37 178 51 73 12 3.5 本文 31 2020-06-30 02:32 29.40 104.50 2.93 40 26 54 259 70 106 247 23 104 62 343 15 3.1 本文
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表 4 HASH法震源机制解质量分布标准（郭祥云等，2017）
Table 4 Quality distribution criteria of focal mechanism solutions for HASH （Guo et al，2017）
质量
分类平均
误差断层面不
确定度台站
分布比最佳机制
解概率A ≤0.15 ≤10° ≥0.7 ≥0.9 B ≤0.20 ≤20° ≥0.6 ≥0.85 C ≤0.30 ≤30° ≥0.5 ≥0.80 D 相邻台站最大方位角间隔≤90°，离源角≤60°
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表 5 震源机制解分类标准（Zoback，1992）
Table 5 Classification criteria of focal mechanism solution （Zoback，1992）
地震类型 P轴倾角 B轴倾角 T轴倾角 正断型 ≥52° ≤35° 正走滑型 40°≤倾角＜52° ≤20° 走滑型 ＜40° ≥45° ≤20° ≤20° ≥45° ＜40° 逆走滑型 ≤20° 40°≤倾角＜52° 逆断型 ≤35° ≥52° 无法确定型 上述类型之外的震源机制解
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表 6 研究区区域应力场反演结果
Table 6 Inversion result of regional stress field in the study area
σ1轴 σ2轴 σ3轴 R值 方位/° 倾角/° 方位/° 倾角/° 方位/° 倾角/° 最优解 103 1 11 39 192 51 0.35 95%置信区间 89—112 0—14 353—360，0—36 26—47 180—208 43—65 0.12—0.50
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期刊类型引用(1)
1. Huili Guo，Dahu Li，Pingping Wu，Qiyan Yang，Ningbo Jiang，Mi Gao，Zhifeng Ding. High resolution catalog of the Luxian(Sichuan, China) M_S6.0 earthquake sequence and analysis of the seismogenic structures. Earthquake Science. 2025(01): 33-46 . 
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