2021年青?，敹郙S7.4地震序列精定位與震源機制研究

張志朋, 李 君, 馮 兵, 王文青, 柴旭超(中國地震局第二監(jiān)測中心, 陜西 西安 710000)

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定,2021年5月22日2時4分青海省果洛州瑪多縣發(fā)生了MS7.4地震,震中位置:34.59°N,98.34°E,震源深度為 17 km (下文稱該次地震為瑪多地震)。本次地震震中位于瑪多縣瑪查理鎮(zhèn),最高烈度為X度,距果洛州政府175 km,距西寧市385 km,是繼2010年4月14日玉樹MS7.1地震后,青海地區(qū)發(fā)生的又一次顯著破壞性地震。截至 2021年6月6日24時00分,中國地震臺網(wǎng)中心共記錄到余震3 334個。

瑪多MS7.4地震發(fā)生在青藏高原中東部,巴顏喀拉塊體北緣中段。青藏高原受印度板塊NE向推擠得以逐漸隆升,高原內(nèi)部拉薩、羌塘、巴顏喀拉、柴達木和祁連等5個次級斷塊以不同速率向南東方向滑動。其中,巴顏喀拉塊體是青藏高原中東部的長條狀活動塊體,其南北邊界分別被甘孜—玉樹—鮮水河斷裂系和東昆侖斷裂系所圍控,東邊界為龍門山斷裂帶,西邊界為阿爾金斷裂帶的西南段,這些邊界斷裂在歷史上曾發(fā)生過多次7.0級以上破壞性地震[1-5]。除了塊體邊界的活動斷裂外,在巴顏喀拉塊體內(nèi)部還存在著一條大型斷裂帶——達日斷裂帶,該斷裂帶西起昆侖山口附近,向東南沿巴顏喀拉山主脊北側(cè)延伸,全長700 km,由數(shù)條基本呈NW向平行展布的斷裂組成:瑪多—甘德斷裂、昆侖山口—江錯斷裂、達日斷裂、巴顏喀拉山主峰斷裂、清水河斷裂 (圖1)。上述斷裂帶附近,歷史上發(fā)生過多次強震,如1947年達日7.8級地震、1995年12月18日瑪多6.2級地震等[6-7]。

地震序列的重定位為識別發(fā)震構(gòu)造提供了重要依據(jù),震源機制解對了解孕震機理具有重要的現(xiàn)實意義。本文基于中國地震臺網(wǎng)中心的震相報告和國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心的地震波形資料,首先采用雙差定位法對瑪多地震序列進行精定位,之后采用時間域地震矩張量反演方法TDMT(Time-Domain Moment Tensor)反演該地震序列中強地震的震源機制解,綜合該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動現(xiàn)狀,推斷瑪多地震的發(fā)震構(gòu)造及應(yīng)力場特征,為青藏高原中東部的地球動力學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料。

1 數(shù)據(jù)資料

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心正式觀測報告提供的震相報告,選取 2021 年 5 月 22 日至 6 月 6日,97.4°～99.4°E,34°～35°N,4.0≥M≥1.0 地震的震相,進行地震重定位。由于正式觀測報告缺乏M4.0及以上地震震相報告,使用統(tǒng)一快報目錄提供的M4.0及以上地震目錄,從中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心” 獲取三分量地震事件波形數(shù)據(jù),震中距范圍為0～600 km,數(shù)據(jù)格式為SEED,以震相到時前 100 s 為起始點,截取總長度為600 s 波形數(shù)據(jù),用于反演震源機制解。

根據(jù)震相報告和地震目錄得到地震序列M-t圖(圖2),可以看出,瑪多MS7.4地震發(fā)生前該地區(qū)比較平靜,地震發(fā)生后地震活動性明顯增強。余震主要分布在震后1周內(nèi),其中M4.0及以上余震18個,最高震級為M5.1,隨著地震能量的逐漸釋放,余震逐漸減少。MS7.4主震所釋放的能量超過總序列的99%,根據(jù)能量比算法確定本次地震序列屬于主震-余震型地震。

2 地震雙差定位

雙差定位方法是一種相對定位方法,其利用兩組地震事件之間的到時差反演震源位置[8-9]。該方法的優(yōu)點是可以消除這兩組地震傳播路徑中相同部分的路徑效應(yīng),減小地殼速度結(jié)構(gòu)橫向不均勻性導(dǎo)致的誤差,對反演過程中使用的速度模型的依賴較小,該方法已在國內(nèi)幾次重大地震的發(fā)震斷層精細特征研究中取得了重要成果[10-13]。

紅色五角星表示瑪多MS7.4地震,紅色圓圈表示研究區(qū)域內(nèi)歷史大地震,F1:東昆侖斷裂;F2:瑪多—甘德斷裂;F3:昆侖山口—江錯斷裂;F4:達日斷裂;F5:巴顏喀拉山主峰斷裂;F6:清水河斷裂;F7:甘孜—玉樹—鮮水河斷裂;Ⅰ:羌塘斷塊;Ⅱ:巴顏喀拉斷塊;Ⅲ:柴達木斷塊;Ⅳ:祁連山斷塊)圖1 巴顏喀拉斷塊地質(zhì)構(gòu)造及臺站分布圖Fig.1 The geological structure of the Bayan Har Block and distribution of stations

圖2 2021年5月22日瑪多地震序列M-t圖Fig.2 M-t diagram of the 2021 Maduo earthquake sequence

本次雙差定位所使用的速度模型為crust1.0模型,如圖3所示。地震叢質(zhì)心距臺站的最大距離為380 km,地震對間最大間距8 km,地震對的最大鄰居數(shù)6,最小連接數(shù)6,成功配對的地震有1 693個,P波雙差走時66 791個,S波雙差走時36 814個,參與反演計算的臺站35個,P波權(quán)重1.0,S波權(quán)重0.8,由于初始定位位置不夠準(zhǔn)確,到時拾取有誤差等原因,反演過程中剔除了部分殘差過大的地震事件,最終得到1 434個地震的雙差定位結(jié)果(圖4)。10次迭代后垂直向定位誤差由3.828 km減小到0.627 km,水平EW向定位誤差由1.158 km減小到0.190 km,水平SN向定位誤差由1.031 km減小到0.144 km,雙差定位結(jié)果如圖4所示,M4.0以上地震位置來源于地震目錄,重定位后的地震序列震中長軸展布方向與初始定位結(jié)果基本一致,震中分布更加集中,優(yōu)勢條帶分布更加明顯。從圖中可以看出,余震震中總體沿NWW-SEE向線性分布,長軸走向與昆侖山口—江錯斷裂帶展布方向基本一致。主震位于余震序列近乎中部位置,附近NWW、SEE兩側(cè)地震比較密集,SEE側(cè)比NWW側(cè)密集程度略高,說明主震NWW、SEE向雙側(cè)破裂特征明顯,并且SEE側(cè)破裂程度更大。在主震西北側(cè)出現(xiàn)了NW向線性分布的余震,此區(qū)域可能存在一個分支斷裂;主震南東側(cè)存在一個余震稀疏段落,P波速度結(jié)構(gòu)研究表明巴顏喀拉塊體東緣的殼幔速度結(jié)構(gòu)具有明顯的橫向不均勻性[14],本段地震稀疏段落原因可能是處于低速帶上,地震活動性弱;余震序列東端分布并未沿斷裂展布方向,而是橫穿瑪多—甘德斷裂,汶川地震余震序列也出現(xiàn)過類似特征[15],速度結(jié)構(gòu)和物性結(jié)構(gòu)差異是控制地震破裂分布的主要因素,該區(qū)域可能存在明顯的速度結(jié)構(gòu)差異。

圖3 瑪多地區(qū)速度模型Fig.3 Velocity model of Maduo area

(a)圖中紅色圓圈表示M4.0以下地震重定位震中,藍色圓圈表示地震目錄中M4.0以上地震震中震中,藍色五角星表示主震震中;(b)圖中紅色五角星表示主震震中圖4 重定位后瑪多地震序列分布Fig.4 Distribution of the Maduo earthquake sequence after relocation

為了研究序列在垂向上的分布細節(jié),將小震精定位結(jié)果沿地震序列展布的方向(A1-A2)和垂直于序列展布的方向(B1-B2、C1-C2、D1-D2)作剖面。圖4(b)給出了沿A1-A2剖面的震源深度分布,顯示整個序列總長度約 170 km,主震兩側(cè)序列深度分布比較均勻,序列震中深度集中在3～20 km,表明此次斷層錯動主要發(fā)生在上地殼內(nèi)。剖面B1-B2寬約10 km,傾角近乎垂直,震源深度分布在3～30 km;剖面C1-C2寬約10 km,傾向NE,傾角約為80°;剖面D1-D2寬約20 km,傾向NE,傾角約為80°。

本研究得到的地震精定位結(jié)果與王未來等[16]結(jié)果較為一致,但是在地震序列的東南端并未出現(xiàn)明顯的馬尾狀分叉特征,本研究使用的是震后16天的余震數(shù)據(jù),時間跨度更長,因此得到的結(jié)果更為可靠。同時,王未來等并未解釋東南端橫跨瑪多—甘德斷裂的余震分布特征,本研究推測可能是地下速度結(jié)構(gòu)的非均勻性所致。

3 震源機制解

本研究采用美國Douglas Dreger等提出的時間域矩張量反演方法TDMT求解震源機制解,該方法的原理是采用Wang[17]和Herrmann[18]給出的層狀介質(zhì)中點源位錯所產(chǎn)生的地震波場表達式和頻率-波數(shù)方法(F-K方法)計算地震在地表產(chǎn)生的理論位移,得到理論地震圖,通過理論地震圖和觀測數(shù)據(jù)之間的擬合來反演地震的矩張量,通過方差減小參數(shù)VR(variance reduction)來度量解的質(zhì)量[19-25]。使用TDMT進行波形反演時,首先對波形數(shù)據(jù)進行預(yù)處理:儀器響應(yīng)校正、去均值、將速度紀(jì)錄積分為位移記錄,將三分量波形旋轉(zhuǎn)至切向、徑向和垂向,最后使用Butterworth帶通濾波器進行濾波,濾波頻段與震級有關(guān),對于4.0≤M<5.0地震,濾波頻帶為0.02～0.05 Hz;5.0≤M<7.5地震,濾波頻帶為0.01～0.05 Hz。速度模型使用crust1.0速度模型,與上文雙差定位采用的速度模型一致。

瑪多MS7.4地震共使用了包括QH、SC、GS、XZ在內(nèi)的4個臺網(wǎng) 65個臺站的數(shù)據(jù)反演震源機制解,第一輪反演使用了所有臺站。根據(jù)反演結(jié)果將波形擬合度較高,對震中包圍較好的22個臺站挑選出來,進行第二輪反演,使用的臺站分布如圖1所示。將VR小于65的臺站剔除,波形擬合圖結(jié)果如圖5所示,反演結(jié)果顯示平均VR值為74%,反映出理論地震圖與觀測數(shù)據(jù)擬合程度較高。震源機制解的2個節(jié)面分別為:節(jié)面1,走向194.2°,傾角89°,滑動角179.6°;節(jié)面2,走向284.2°,傾角89.6°,滑動角1°,地震類型為左旋走滑地震,該結(jié)果與張喆等(節(jié)面1:191°,89°,178°;節(jié)面2:281°,88°,1°)[26]得到結(jié)果較為一致,反演結(jié)果比較可靠。

震源機制解反演結(jié)果給出了兩組節(jié)面參數(shù),其中一組節(jié)面代表發(fā)震斷層,另一組為無構(gòu)造意義的輔助面,需要結(jié)合震源區(qū)域的構(gòu)造特征和余震分布推測具體的發(fā)震構(gòu)造。從圖6可以看出瑪多MS7.4地震震中附近有3條近乎平行的NWW向斷裂,地震精定位結(jié)果顯示余震基本呈NWW向展布。因此,推斷節(jié)面2為此次地震的發(fā)震斷層。為了進一步研究本次地震的發(fā)震構(gòu)造,本文使用統(tǒng)一快報目錄反演了9個4.5級以上余震的震源機制解,反演過程與主震一致,每個地震事件的最終反演過程中至少有8個臺站參與反演,臺站對震中的包圍較好,平均VR值為74%以上,反演結(jié)果列于表1。從表1和圖6中可以看出,瑪多地震主震及附近的余震以走滑型地震為主,本次地震是由斷層的平移錯動引發(fā);在主震的東南端存在兩個逆沖型地震,位置更靠近瑪多—甘德斷裂南段,P軸方位與斷層走向近乎垂直,在擠壓應(yīng)力作用下引發(fā)逆沖型地震,可能是主震引起的區(qū)域應(yīng)力場擾動導(dǎo)致瑪多—甘德斷裂發(fā)生錯動引發(fā)。主震附近地震序列優(yōu)勢走向為NWW向,傾向NE,傾角較高,與精定位剖面反映的發(fā)震斷層產(chǎn)狀吻合;P、T軸平均傾角分別為15°、16°,N軸平均傾角為65°,符合走滑型地震特征[27];P、T軸傾角較小,N軸傾角較大,說明水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景分析認為,本次地震是由NEE-SWW向水平擠壓應(yīng)力推動NWW-SEE向斷裂引發(fā)左旋走滑錯動所致。

黑色曲線為觀測波形,紅色為理論波形圖5 瑪多MS7.4主震TDMT反演結(jié)果Fig.5 The inversion results of Maduo MS7.4 main shock with TDMT inversion method

4 發(fā)震構(gòu)造與機理討論

2021年瑪多MS7.4地震發(fā)生在青藏高原中東部,巴顏喀拉塊體北部邊界中段。余震精定位結(jié)果顯示,序列震中呈NWW向線性分布,序列周邊有2條斷裂:瑪多—甘德斷裂和昆侖山口—江錯斷裂,兩條斷裂都是在巴顏喀拉斷塊南東向滑動背景下形成的左旋走滑型斷裂,傾向NE。在研究區(qū)內(nèi),昆侖山口—江錯斷裂呈NWW向展布,瑪多—甘德斷裂走向從NWW向轉(zhuǎn)為NNW向,余震整體展布方向與昆侖山口—江錯斷裂更加吻合。震源機制反演結(jié)果顯示地震序列以左旋走滑型地震為主,含有一定比例的逆沖分量,傾向NE,傾角較高,與上述2條斷裂構(gòu)造吻合。序列優(yōu)勢走向為NWW向,這與瑪多—甘德斷裂在研究區(qū)的走向有較大差異,表明此斷裂不太可能是本次地震的發(fā)震斷層。因此,綜合分析認為,昆侖山口—江錯斷裂為本次地震的發(fā)震斷層。

圖6 MS4.5以上地震序列震源機制解Fig.6 Focal mechanism solutions of earthquakes above M4.5

序號發(fā)震時間震中位置經(jīng)度/(°)緯度/(°)深度/km震級MW節(jié)面1走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)節(jié)面2走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)T軸方位角/(°)傾角/(°)N軸方位角/(°)傾角/(°)P軸方位角/(°)傾角/(°)12021-5-22 02:0498.38834.626117.26194.289179.6284.289.61149.21305.288.959.20.422021-5-22 10:2997.51034.890105.1230.186.4179.7120.189.73.6345.22.8124.286.4255.12.432021-5-22 10:3898.94334.549104.9711350.895.9283.739.582.858.182.7289.34.6198.85.742021-5-22 11:2198.07434.719104.9586.762.5-24.9188.868.1-150.1316.73.6221.853.649.336.252021-5-22 15:0698.92034.530104.97173.386.7168.7263.978.73.4128.110.3337.278.3219.15.662021-5-22 17:3997.61834.813104.83308.482.9-1.238.688.9-172.9173.34.247.782.8263.75.872021-5-27 21:0699.15034.44264.95124.85082317.240.799.4347.682.31306.1220.54.782021-5-30 12:5098.25034.65484.98209.387.6150.5300.660.52.8160.922.22560.4258.818.592021-5-30 14:5598.45634.609105.02303.840.5-0.934.589.4-130.5157.33235.140.5271.333102021-6-03 13:5597.84434.711105.02154.764.6136.326751.433.3114.748.1310.640.8213.78

青藏高原受印度板塊NE向推擠得以逐漸隆升,高原內(nèi)部各次級斷塊以不同速率向南東方向滑動,由南向北斷塊滑動速率逐漸減小,因此各斷塊北向邊界斷裂均為左旋走滑斷裂,孕育左旋走滑型地震[28]。本次地震序列位于巴顏喀拉塊體北部邊界中段,以左旋走滑型地震為主,與上述構(gòu)造特征吻合,序列東南端存在逆沖型余震,位置更靠近瑪多—甘德斷裂,可能是主震引起的應(yīng)力擾動導(dǎo)致瑪多—甘德斷裂發(fā)生錯動所致?，敹唷实聰嗔炎呦虬l(fā)生偏轉(zhuǎn)以及逆沖型地震的存在可能是斷塊向南東方向滑動時受到相對堅硬物質(zhì)的阻擋,局部擠壓變形所致,進一步暗示了研究區(qū)地下速度結(jié)構(gòu)的非均勻性。 P波層析成像結(jié)果表明,巴顏喀拉塊體東北緣整體速度較低,而四川盆地西北緣則呈明顯的高速異常,四川盆地阻擋了東向流動的低速層,地殼產(chǎn)生塑性變形,應(yīng)力傳遞給上覆的脆性地殼,隨著應(yīng)力的不斷積累,上地殼的斷塊沿低速層橫向滑動。同時,塊體內(nèi)存在的低速層和斷裂構(gòu)造使其巖石圈強度降低,在印度板塊與歐亞板塊碰撞的背景下,造成地殼垂向增生,擠壓增生與橫向滑動同時發(fā)生,形成一系列走滑性質(zhì)的斷裂構(gòu)造,如昆侖山口—江錯斷裂、達日斷裂、瑪多—甘德斷裂等[29]。其中,昆侖山口—江錯斷裂走向為NWW-SEE向,傾角近乎垂直,滑動角較低,在NNE-SWW向水平擠壓應(yīng)力作用下沿SEE向錯動,斷裂不斷積累彈性形變并最終引發(fā)本次地震。

5 結(jié)論

通過對2021年5月22日瑪多MS7.4地震序列重定位、中強震震源機制解進行分析,結(jié)合巴顏喀拉塊體地震活動性及活動構(gòu)造特征,得到以下結(jié)論:

(1) 采用雙差定位法得到1 434個小震精定位結(jié)果,結(jié)果顯示:①余震震中整體呈NWW向分布,與昆侖山口—江錯斷裂帶展布方向相吻合;②震中深度剖面顯示序列總長度約 170 km,震中呈NE向高傾角分布,深度集中在3～20 km,此次斷層錯動主要發(fā)生在上地殼內(nèi);③序列西北側(cè)存在一個NW向的分支,該區(qū)域可能存在小型斷裂,南東側(cè)存在余震稀疏段落以及橫穿瑪多—甘德斷裂的余震分布條帶,可能是地下速度結(jié)構(gòu)差異所致。

(2) 采用TDMT方法反演得到瑪多地震序列中10次中強震的震源機制解,結(jié)果顯示:①主震節(jié)面1走向194.2°,節(jié)面2走向284.2°,結(jié)合余震分布以及構(gòu)造特征推斷節(jié)面2為發(fā)震斷層;②主震附近地震序列以左旋走滑型地震為主,優(yōu)勢走向為NWW向,傾向NE,傾角較高,與昆侖山口—江錯斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造基本一致,結(jié)合地震精定位結(jié)果推斷昆侖山口—江錯斷裂帶為本次地震的發(fā)震構(gòu)造。③主震東南端存在逆沖型余震,可能是斷塊向南東方向滑動過程中受到相對堅硬物質(zhì)阻擋,局部擠壓變形所致。

(3) 本次地震序列屬于主震-余震型地震,震中位于巴顏喀拉塊體北部邊界中段,該塊體在印度洋板塊NE向擠壓應(yīng)力的作用下,存在沿順時針旋轉(zhuǎn)并整體向南東運動的活動背景[3]。本次地震是由NEE-SWW向水平擠壓應(yīng)力推動NWW-SEE向斷裂發(fā)生左旋走滑錯動所致,而發(fā)生這種左旋錯動與該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景存在密切的聯(lián)系。

致謝:感謝中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”(鄭秀芬等,2009)提供的地震波形數(shù)據(jù);本文作圖使用了GMT軟件,在此一并表示感謝。