瑪曲MS4.4地震震源機制解及其構(gòu)造意義探討

陳曉龍,蒲 舉,尹欣欣,陳繼鋒

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,甘肅 蘭州 730000;3.中國地震局蘭州巖土地震研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

2021年5月22日2時4分在青海瑪多(34.59°N,98.34°E)發(fā)生了MS7.4地震;同日11時30分,在距離該地震震中200 km左右的東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段發(fā)生了甘肅瑪曲MS4.4地震(34.28°N,100.90°E),兩次地震在時間、空間上的聯(lián)系值得研究。

東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段因最后一次大地震離逝時間已接近或超過其復(fù)發(fā)周期,一直受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注[1]。前人研究顯示:一個地區(qū)的地震活動序列實際上反映了該區(qū)不同斷裂間的相互作用過程,通過應(yīng)力轉(zhuǎn)移,一條斷裂上的地震活動會明顯地影響鄰近斷裂上的地震發(fā)生[2]。該影響可表現(xiàn)為應(yīng)力觸發(fā),即導(dǎo)致地震叢集式發(fā)生[3]。且已有研究表明,大陸內(nèi)部地震叢集行為更多地表現(xiàn)在同一個區(qū)域的不同斷裂上[4]。利用甘肅、青海和四川臺網(wǎng)寬頻帶地震波形記錄反演了瑪曲MS4.4地震震源機制,為研究該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場變化及地震活動性提供參考依據(jù)。參照不同機構(gòu)給出的青海瑪多MS7.4地震震源機制解和靜態(tài)庫倫破裂應(yīng)力改變量分布,綜合考慮兩次地震的震中距,發(fā)震時刻和所處的斷層分布等情況,對兩次地震是否存在聯(lián)系進行探討。

1 瑪曲MS4.4地震震源機制解反演

由于瑪曲MS4.4地震能量相對較小,不利于由遠場波形反演地震矩張量解,故本文選取近年來被廣泛使用的CAP震源機制解方法。該方法的優(yōu)勢是計算所需臺站少、反演結(jié)果對速度模型依賴性較小[5-7]。計算時將寬頻帶地震記錄分成Pnl和面波兩個部分進行反演,并允許他們相對浮動,在適當(dāng)?shù)臅r間變化范圍內(nèi),搜索出合成地震圖和觀測地震圖全局差異最小的震源機制解。由于計算時提高了Pnl的權(quán)重,對地震深度約束較為理想,同時引入距離影響因子,避免反演受最近臺站記錄影響,在誤差定義中規(guī)避了振幅歸一化帶來的其他局部最小值解,能夠獲取更準(zhǔn)確地機制解[8]。

本文收集了瑪曲MS4.4地震震中周邊地區(qū)的同仁臺(TOR)、瑪曲臺(MQT)、大武臺(DAW)、班瑪臺(BAM)、松潘臺(SPA)、合作臺(HZT)和若爾蓋臺(REG)7個寬頻帶數(shù)字地震記錄用于反演震源機制解(表1)。臺站分布均勻合理,對此次地震包圍較好,在臺站分布上最大程度減小了對反演結(jié)果的影響。

表1 研究區(qū)內(nèi)臺站參數(shù)表Table 1 Parameters for stations used in this study

地震引起的位移計算主要依賴于地震震源和地震波傳播路徑,所以在計算時選取合理的地殼模型尤為重要[9-10]。本文參考了甘肅、青海地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果[11-12],選取目前廣泛使用的Crust1.0的1°×1°分層的速度和密度結(jié)構(gòu)模型[13](表2)。依照上述模型計算理論地震圖,得出合成地震圖和觀測地震圖全局差異最小的震源機制解。

表2 研究區(qū)水平分層地殼速度結(jié)構(gòu)Table 2 The crustal velocity structure in the study area

計算中,持續(xù)時間設(shè)置為1 s,體波與面波截取波形窗長分別為30 s和60 s,相應(yīng)的帶通濾波頻帶寬度為0.05～0.2 Hz、0.05～0.1 Hz,斷層面參數(shù)走向、傾角、滑動角搜索步長5°,深度步長2 km。圖1給出了最佳擬合深度處7個地震臺站記錄的部分理論波形和實際波形擬合。結(jié)果顯示參與擬合的波形各分量相關(guān)系數(shù)大部分高于80%,理論波形與實際波形具有很好的擬合關(guān)系。

(紅線為理論地震圖,黑線為觀測地震圖,左邊是臺站名和相應(yīng)的震中距,每行波形下面是相應(yīng)分量的時間偏移量(單位:s)及互相關(guān)值)圖1 觀測波形與理論地震圖擬合結(jié)果Fig.1 Comparison of the synthetic (red)and observed (black)seismograms

圖2展示了瑪曲MS4.4地震反演誤差隨深度的變化。反演過程中采用擬合誤差隨不同矩心深度合成地震圖和觀測地震圖全局差異最小的震源機制解作為最佳擬合結(jié)果,最大程度地剔除了震源深度誤差的影響。經(jīng)反演所得的最佳擬合深度為8 km,擬合曲線平滑無突跳,矩心深度存在唯一極低值,反演結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖2 擬合誤差隨不同矩心深度變化圖Fig.2 Change of the fitting error with different centroid depth

2 瑪曲MS4.4地震與瑪多MS7.4強震的相關(guān)性討論

瑪曲MS4.4地震發(fā)生在巴顏喀拉地塊與柴達木地塊兩個塊體邊界、走向近西北-東南向的東昆侖斷裂帶瑪沁—瑪曲段上。該斷裂帶是巴顏喀拉塊體邊界巨型的左旋走滑活動斷裂系統(tǒng),全長約1 800 km,其展布方向與塊體運動方向呈銳角相交[14];中段(青海格爾木—瑪沁)晚更新世晚期以來呈近NWW-EW向強烈左旋走滑、平均滑動速率10.0～12.5 mm/a[15]。圖3中給出了瑪曲MS4.4地震震源機制解,結(jié)果指示本次地震為左旋走滑型地震,節(jié)面Ⅱ(近西北-東南向)與東昆侖斷裂帶走向一致,本文初步判斷東昆侖斷裂帶為本次地震的發(fā)震構(gòu)造帶。

表3列出了國內(nèi)外不同機構(gòu)給出的青?，敹郙S7.4強震震源機制解結(jié)果,總體而言不同機構(gòu)得到的震源機制解結(jié)果較為一致。本文以中國地震臺網(wǎng)中心給出的震源機制解結(jié)果為準(zhǔn),將其與瑪曲MS4.4地震震源機制解相比較,可以發(fā)現(xiàn)兩次地震震源機制解反演的的走向、傾角基本一致;瑪曲地震節(jié)面Ⅱ滑動角為-38.7°、瑪多地震不同機構(gòu)給出的滑動角范圍在-40°～14°范圍內(nèi),正、逆斷層比重較小,指示兩次地震發(fā)震斷層的運動特征以左旋走滑為主。考慮到兩次地震的發(fā)震斷層(圖3)在同一構(gòu)造帶上近平行分布,且震中位置和發(fā)震時間接近;結(jié)合兩次地震的震源機制解結(jié)果,瑪曲MS4.4地震的發(fā)生是否與瑪多MS7.4地震存在內(nèi)在聯(lián)系亟待進一步探討。

圖3 瑪曲MS4.4地震震中(紅色實心圓圈)與對應(yīng)的震源機制解、反演選用臺站(藍色實心三角)、 斷層(紅色實線,據(jù)鄧起東等,2002[16])和瑪多MS7.4地震震中(黃色實心五角星)分布圖Fig.3 Epicenter of the Maqu MS4.4 earthquake,corresponding focal mechanism solution,used stations, seismogenic fault,and the epicenter of the Maduo MS7.4 earthquake

本文根據(jù)瑪多MS7.4地震震源機制解(表3),參照Graphic-Rich Deformation and Stress-Change Software[18]對瑪多地震應(yīng)力分布進行了靜態(tài)庫倫破裂應(yīng)力改變量(ΔCFS)分析,該軟件使得ΔCFS能夠分解到任一方向的斷面以及相應(yīng)的滑動方向上。ΔCFS計算公式可表達為:

ΔCFS=Δτs+μ(Δσn+ΔP)

(1)

式中:Δτs為剪應(yīng)力改變量;μ為摩擦系數(shù);Δσn為正應(yīng)力改變量;ΔP為孔隙壓力改變量,公式表達為:

ΔP=-β/3(∑Δτii)

(2)

式中:Δτii是應(yīng)力張量對角分量之和(τii=τxx+τyy+τzz);β為斯肯普頓系數(shù)[19],本文取值0.5[20];在μ和β合理范圍內(nèi)的變化對ΔCFS影響較小[21]。

計算使用Coulomb3.3軟件,輸入震源斷層信息及斷層參數(shù)即可得出庫倫應(yīng)力變化圖像。計算所采用的水平分層地殼模型同表2所列,考慮到滑動速率比較大的走滑斷層具有較小的摩擦系數(shù),常取0.2～0.4[22],故本次計算摩擦系數(shù)μ取值0.3。發(fā)震斷層參數(shù)選用中國地震臺網(wǎng)中心給出的震源機制解結(jié)果(表3)。破裂面長度經(jīng)前期科學(xué)考察已有統(tǒng)一結(jié)論[23],瑪多—甘德斷裂兩盤最大滑動量前人給出的參考范圍是2.1～7.6m[24],本文取其平均值,具體參數(shù)模型見表4所列。

表3 主要地震研究機構(gòu)給出的青?，敹郙S7.4地震震源機制解[17]Table 3 Focal mechanism solutions of the Maduo MS7.4 earthquake given by different organizations [17]

表4 瑪多MS7.4地震破裂模型參數(shù)Table 4 Parameters for the rupture model of Maduo MS7.4 earthquake

計算結(jié)果如圖4所示?，敹郙S7.4強震以震中為軸,近西北-東南向的拉應(yīng)力、西南-東北向的壓應(yīng)力分布與兩次地震的震源機制解、區(qū)域主應(yīng)力分布一致。從瑪曲地震所處的應(yīng)力改變場位置來看,雖然震中位置距離瑪多強震超過200 km,但庫倫應(yīng)力改變量分布結(jié)果顯示:震中附近依然受到瑪多地震的應(yīng)力改變波及,單位面積(m2)受到來自近西北向的拉應(yīng)力約為≈0.02 MPa。雖然單次地震的靜態(tài)庫倫破裂應(yīng)力改變量分布圖分辨率較低,但可以作為瑪曲地震發(fā)震機制的參考。

以瑪多MS7.4地震震中為軸,應(yīng)力改變量正數(shù)值為壓應(yīng)力,負(fù)數(shù)值為拉應(yīng)力、斷層(黑色實線,據(jù)文獻[16])和瑪多MS7.4、瑪曲MS4.4地震震中(紅色實心五角星)圖4 青海瑪多MS7.4地震靜態(tài)庫倫破裂應(yīng)力 改變量分布圖Fig.4 Distribution map of Coulomb stress change of Maduo MS7.4 earthquake in Qinghai Province

前人研究顯示,一次地震發(fā)生對下一次地震的觸發(fā)縮短了地震重復(fù)發(fā)生所需要的累積時間,使得地震可以提前發(fā)生[25],已有大量研究顯示:大地震斷層位錯產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化,對其他斷層上的地震過程的影響范圍可能達到幾百至上千公里[26],當(dāng)同震庫倫破裂應(yīng)力大于0.1 bar(≈0.01 MPa)時,就可以對后續(xù)的地震有一定的觸發(fā)作用[27]。綜合考慮兩次地震的震中距、發(fā)震斷裂分布和發(fā)震時間等因素,盡管存在各種不確定性,但斷裂間相互作用以及在這一過程中出現(xiàn)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移,為解釋地震叢集發(fā)生提供了一種科學(xué)依據(jù)。

瑪曲MS4.4地震發(fā)生在近西北-東南走向的瑪曲—荷葉斷裂上,與瑪多MS7.4地震所處的瑪多—甘德斷裂同屬于東昆侖斷裂帶(圖3)。由于區(qū)域應(yīng)力場的高度一致性使得相鄰斷裂對同向應(yīng)力的改變極為敏感,這就使較遠距離、相關(guān)性較弱的地震觸發(fā)成為一種可能的機制,一個合理的解釋是:瑪曲地震發(fā)震斷裂在長期的變形過程中積累應(yīng)力已接近破裂臨界點,當(dāng)受到外界應(yīng)力突然改變(瑪多強震帶來的應(yīng)力改變量)時才出現(xiàn)失穩(wěn),導(dǎo)致了瑪曲MS4.4地震的提前發(fā)生。

青?，敹郙S7.4地震后,學(xué)術(shù)界一個廣泛關(guān)注的問題是:東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段最后一次大地震的離逝時間已經(jīng)超出或者接近其復(fù)發(fā)周期[23]?，斍鶰S4.4地震發(fā)生后,東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段積聚的應(yīng)力得到了一定程度的釋放,所以對瑪曲MS4.4地震發(fā)震機理的研究對推進該區(qū)域大震周期的研究具有積極意義。

3 結(jié)論

利用CAP方法反演了甘肅瑪曲MS4.4地震的震源機制解,通過擬合誤差、臺站空間分布等自檢結(jié)果較好。對比東昆侖斷裂帶走向、區(qū)域應(yīng)力分布和野外地質(zhì)考察認(rèn)識,認(rèn)為該地震震源機制解反演結(jié)果可信,為研究該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場變化及地震活動性提供必要的參考依據(jù)。

瑪曲及周邊地區(qū)長期受青藏塊體推擠作用,將甘肅瑪曲地震和青?，敹嗟卣鸬恼鹪礄C制解對比發(fā)現(xiàn):兩次地震震源機制解反演的走向、傾角基本一致、正斷層和逆斷層比重較小,發(fā)震斷層的運動特征均以左旋走滑為主。根據(jù)瑪多MS7.4地震靜態(tài)庫倫破裂應(yīng)力改變量分布,發(fā)現(xiàn)瑪曲地震震中位置受到來自瑪多地震的應(yīng)力擾動,以m2為單位所受到的拉應(yīng)力約為0.02 MPa。由于相鄰斷裂帶對同向應(yīng)力的改變極為敏感,綜合考慮斷裂帶空間分布、發(fā)震時間和震中距等因素,初步判斷瑪曲MS4.4地震是瑪多MS7.4強震的一次觸發(fā)地震。

瑪曲—瑪沁段最后一次大地震的離逝時間已經(jīng)超出或者接近其復(fù)發(fā)周期,瑪曲MS4.4地震的發(fā)生對瑪曲—瑪沁段大震復(fù)發(fā)周期的指示意義值得進一步研究。