2021年青?，敹郙S7.4地震精定位和發(fā)震構(gòu)造初探

尹欣欣,王維歡,蔡 潤,鄧 津,馬 麗

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局地球物理研究所,北京 100081;3.中冶成都勘察研究總院有限公司,四川 成都 610063;4.青海省地震局,青海 西寧 810000)

0 引言

2021年5月21日云南大理州漾濞發(fā)生MS6.4地震,5月22日在巴顏喀拉塊體內(nèi)部的青海省果洛州瑪多縣又發(fā)生了一次MS7.4地震。國家地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的瑪多MS7.4地震的震源深度為17 km。由于震中附近人口稀少,未出現(xiàn)嚴(yán)重人員傷亡。此次地震是2017年九寨溝MS7.0地震之后中國境內(nèi)第一次7級(jí)以上強(qiáng)震,距九寨溝地震有4年之久。巴顏喀拉塊體是強(qiáng)震聚集地,唐山地震之后中國大陸所有7級(jí)以上地震都發(fā)生在這個(gè)塊體周圍。震中分布有3條左旋走滑的地震帶,分別是瑪多—甘德斷裂帶、東昆侖斷裂帶和昆侖山口西—達(dá)日斷裂帶,這3條大斷裂帶幾乎平行[1]。地震的時(shí)空分布特征是研究地震序列發(fā)生的常用手段,有助于從時(shí)間和空間上來理解整個(gè)地震序列的動(dòng)態(tài)觸發(fā)過程。為研究2021年青?，敹郙S7.4地震的余震時(shí)空分布特征及發(fā)震斷層,本文擬采用雙差精定位方法重定位瑪多地震序列的震中位置,并結(jié)合地質(zhì)斷層情況斷定發(fā)震斷層,以期為更深入地研究本次地震提供參考依據(jù)。

1 地震目錄數(shù)據(jù)分析

本文選取2021年5月1日—6月3日青海地震臺(tái)網(wǎng)地震觀測(cè)報(bào)告,經(jīng)緯度范圍選取(97°～99.5°E,33°～36°N),以下稱為研究區(qū)。由于瑪多附近固定測(cè)震臺(tái)站較少,距離主震50 km范圍內(nèi)的臺(tái)站僅有瑪多臺(tái)(MAD),因此大部分地震事件都是單臺(tái)地震事件。為了滿足最基本的地震定位要求,本文只選取臺(tái)站記錄數(shù)4個(gè)及以上地震事件,最終得到1 327個(gè)具有絕對(duì)定位的地震事件用來做雙差精定位處理。

圖1為本文所選地震目錄震級(jí)-時(shí)間分布和地震空間密度分布云圖。從圖1(a)可以看出,主震前地震分布在5月15日之后有些許震級(jí)增大、數(shù)量增多的跡象,是否屬于前震還待更深入的研究。從圖1(b)可以看出,本次地震序列具有明顯的階梯狀分塊現(xiàn)象,地震最集中的區(qū)域?yàn)镹W處的地震簇。

圖1 2021年5月1日—6月3日研究區(qū)震級(jí)-時(shí)間分布和地震空間 密度分布圖(紅色五角星代表MS7.4主震)Fig.1 M-t diagram and spatial density distribution of earthquakes in the study area from May 1 to June 3,2021 (Red pentagram represents the MS7.4 main shock)

為保證所選數(shù)據(jù)震相的可靠性,如圖2所示,采取震相過濾的方法,只保留震相分布中綠線界限范圍內(nèi)的地震震相數(shù)據(jù)。這樣可以排除在震相數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式中部分轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的震相到時(shí),即剔除速度異常數(shù)據(jù)。

圖2 P波和S波震相到時(shí)分布圖Fig.2 Arrival time distribution of P-wave and S-wave phases

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

利用地震定位刻畫斷層幾何形態(tài)是地質(zhì)學(xué)常用手段,這是由于地震往往集中于斷裂帶及周邊,且較大地震通常會(huì)產(chǎn)生斷層,斷層面的展布可以通過余震的空間分布來展現(xiàn)[2]。瑪多地震主余震主要發(fā)生在強(qiáng)震云集的巴顏喀拉塊體內(nèi)部?，敹嗟靥幥嗖馗咴袞|部地區(qū),南靠甘孜玉樹—鮮水河斷裂帶,北接?xùn)|昆侖斷裂帶。除了這兩條邊界上的斷裂帶,該處還發(fā)育有其他多條活動(dòng)帶,如N60°W向展布的第四系大型走滑斷裂——昆侖山口—達(dá)日斷裂帶,以及位于達(dá)日斷裂和瑪多一甘德斷裂之間的江錯(cuò)斷裂。江錯(cuò)斷裂與這兩條斷裂幾乎平行,前人對(duì)其鮮有研究。昆侖山口—達(dá)日斷裂帶長約700 km,受多條斷層控制,在新生代以來活動(dòng)明顯,最近一次強(qiáng)震是2015年10月12日發(fā)生在青海果洛自治州瑪多縣的5.2級(jí)地震[3-4]。表1為2015年和2021年瑪多5.2級(jí)和7.4級(jí)地震的震源機(jī)制解結(jié)果,其中7.4級(jí)地震的震源機(jī)制解中GCMT與張喆和許力生[5]給出的結(jié)果高度吻合,具有一定的可靠性。另外,GCMT、張喆和許力生[5]給出的震源機(jī)制解參數(shù)與2015年瑪多5.2級(jí)的結(jié)果也相當(dāng)接近,本文根據(jù)這一特性,再結(jié)合達(dá)日斷裂和江錯(cuò)斷裂的走向,認(rèn)為這兩條斷裂的構(gòu)造性質(zhì)比較接近。

表1 兩次地震的震源機(jī)制解參數(shù)[5]Table 1 Focal mechanism solution parameters of two earthquakes[5]

3 雙差精定位處理

3.1 雙差精定位原理簡介

高精度地震目錄提供了了解地震斷層結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的窗口。地震發(fā)生后,研究斷層結(jié)構(gòu)的方法種類繁多,但這些方法都受到不同方面的限制,如:震源機(jī)制反演方法只能揭示主斷層面[6];大地測(cè)量觀測(cè)的深度分辨率很低[7];現(xiàn)場調(diào)查無法調(diào)查隱伏斷層[8];地震可能發(fā)生在已知或新激活的斷層上[9-11]。因此地震定位的準(zhǔn)確性對(duì)于詳細(xì)的地震斷層構(gòu)造圈定具有重要意義。

地震定位主要有絕對(duì)定位和相對(duì)定位兩種方法。絕對(duì)定位技術(shù)的不確定性可達(dá)幾公里,這種不確定性對(duì)于研究微地震活動(dòng)或從余震序列重建破裂面來說太大了。原則上,相對(duì)位置可以通過差分絕對(duì)位置來計(jì)算。區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)定位通常采用單純型定位和Hyposat定位方法給出地震的絕對(duì)定位結(jié)果。截至2021年6月3日,青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)用絕對(duì)定位方法一共定位了2 871次地震,其中單臺(tái)地震事件1 409次。定位中使用了甘青一維速度模型[12],平均定位誤差在水平方向約為800 m,垂直方向約為2 000 m,原始目錄平均定位誤差為0.423。為了獲得更精細(xì)的瑪多地震序列震中分布結(jié)果,本文使用HypoDD雙差算法[11,13]來定位相對(duì)意義上的地震,以便更好地研究沿?cái)鄬拥卣鹑?。HypoDD是一個(gè)Fortran計(jì)算機(jī)程序包,其本質(zhì)是利用雙差定位法重新定位地震[13]。地震定位算法通?；谀撤N形式的蓋革方法,即在一階泰勒級(jí)數(shù)中對(duì)傳播時(shí)間方程進(jìn)行線性化,通過傳播時(shí)間相對(duì)于未知量的偏導(dǎo)數(shù),將觀測(cè)和預(yù)測(cè)傳播時(shí)間之間的差異與震源坐標(biāo)中的未知調(diào)整聯(lián)系起來。使用HypoDD雙差算法可以單獨(dú)定位地震,或者當(dāng)其他未知因素將單個(gè)地震的解聯(lián)系在一起時(shí),可以聯(lián)合定位地震[11]。雙差技術(shù)允許使用來自地震目錄的普通震相拾取或來自縱波和橫波震相相關(guān)的高精度差分傳播時(shí)間(互相關(guān)數(shù)據(jù))的任意組合,前者表示為不同的震相走時(shí),因此兩種類型的數(shù)據(jù)使用相同的等式[11]。

(1)

由式(1)可以計(jì)算出研究區(qū)內(nèi)絕對(duì)震中和大尺度速度結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的,相鄰地震i與j的理論到時(shí)與實(shí)際觀測(cè)到時(shí)之差表示為:

(2)

利用式(2)可以得到震中附近小尺度范圍的速度結(jié)構(gòu)以及相對(duì)震中位置。

3.2 重定位結(jié)果分析

考慮到瑪多地區(qū)的臺(tái)站分布情況,在組地震對(duì)時(shí),將每個(gè)地震事件的最大鄰居數(shù)設(shè)為10,最小連接以及最小觀測(cè)數(shù)設(shè)為4,震源距小于10 km,事件與臺(tái)站間的距離小于200 km。由于S波震相的難以分辨性,在定位時(shí)設(shè)P波到時(shí)權(quán)值為1.0,S波到時(shí)權(quán)值為0.5。由于本文數(shù)據(jù)量較小,選取雙差定位里面的最小二乘(LSQR)算法,迭代次數(shù)為30次。

本研究利用雙差精定位方法,選取甘青一維速度走時(shí)模型,對(duì)1 327個(gè)瑪多地震序列進(jìn)行重定位處理,經(jīng)過雙差配對(duì)計(jì)算后最終得到872個(gè)相對(duì)定位結(jié)果。重定位后主震震中的經(jīng)緯度為98.56°E、34.60°N,震源深度為12 km,平均地震位置向東偏移475.3 m、向南偏移978.4 m,深度上減小了3.04 km,震相到時(shí)平均偏移量為29.5 ms。重定位后整體殘差減小了0.23。

圖3為本文重定位后的地震分布結(jié)果,其中圖3(b)、(c)分別是沿緯度和經(jīng)度的深度分布剖面。從圖3(a)中可以看出本次地震序列具有明顯的分段特征,在S1區(qū)間內(nèi)基本為地震空區(qū),鮮有地震,推測(cè)該地區(qū)深部介質(zhì)屬于較硬物質(zhì),不易破裂。從震源深度分布上看呈“V”字型分布,東西兩邊地震震源深度淺,中部位置地震震源深度深。

利用直線擬合方法擬合精定位后的余震分布得到圖4。從圖4可以看出,瑪多地震序列的余震擬合方向?yàn)轫槙r(shí)針284.04°,該結(jié)果與表1中張喆和許力生[5]、GCMT給出的2021年瑪多7.4級(jí)地震以及馬玉虎等[4]給出的2015年瑪多5.2級(jí)地震的震源機(jī)制解走向角接近。震中分布在地圖上的投影位置與昆侖山口—江錯(cuò)斷裂高度重疊,基本上地震沿該斷裂分布。根據(jù)震源機(jī)制解資料和雙差精定位結(jié)果,并結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造情況,綜合判定此次青?，敹郙S7.4地震的發(fā)震構(gòu)造為昆侖山口—江錯(cuò)斷裂帶,與現(xiàn)場烈度調(diào)查結(jié)果一致(https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/xydt/5590313/index.html)。

圖4 直線擬合本文地震精定位結(jié)果Fig.4 Lineal fitting of precise position results of earthquakes in this paper

為了更直觀地展示主震所在位置的垂直剖面,選取圖3(a)中AA′剖面來繪制地震剖面圖(圖5),圖中紅色直線根據(jù)震后一天時(shí)間內(nèi)的地震事件分布來繪制。從圖5可以看到紅色直線附近地震分布集中,且發(fā)震時(shí)刻呈深紫色居多(即震后一天內(nèi)的地震)。根據(jù)紅線與垂直向的夾角得到本次地震的斷層傾角約為85°,與表1中震源機(jī)制解結(jié)果一致。

4 結(jié)論與討論

地震定位對(duì)地震活動(dòng)研究極其重要,它能確定巖石圈板塊邊界或局部活源帶等地震活動(dòng)相對(duì)較頻繁的區(qū)域。為了獲得瑪多地震序列的精確定位結(jié)果,本文利用雙差精定位方法對(duì)瑪多地震序列1 327個(gè)具有絕對(duì)定位的地震事件進(jìn)行重定位處理,最終得到872個(gè)相對(duì)定位結(jié)果。重定位后水平和垂直位置誤差分別為275 m和1.5 km,震源深度分布為5～25 km。

從精定位結(jié)果可以明顯地看出余震序列表現(xiàn)出明顯的分段特征,大致可以分為北段和南段2個(gè)區(qū)間。余震序列的空間不連續(xù)性說明斷層有分段現(xiàn)象,北段和南段之間明顯的分段特征與高程圖上的地形凹陷相對(duì)應(yīng),說明該凹陷處下方的介質(zhì)較硬、不易破裂。受瑪多余震波及影響,瑪多—甘德斷裂與江錯(cuò)斷裂東端交界處產(chǎn)生了一系列余震。本研究認(rèn)為瑪多地震的發(fā)生導(dǎo)致兩條斷裂之間產(chǎn)生了新的斷裂,并將兩條斷裂連在一起,導(dǎo)致瑪多—甘德斷裂上地震事件的發(fā)生。根據(jù)重定位結(jié)果的余震分布特征,并結(jié)合斷層信息,推測(cè)本次MS7.4地震的主要發(fā)震斷層為昆侖山口—江錯(cuò)斷裂。

致謝:感謝青海省地震局測(cè)震臺(tái)網(wǎng)提供的震相報(bào)告數(shù)據(jù)。本文作圖使用了GMT和Matlab軟件,在此一并表示感謝！