2010年青海玉樹Ms7.1級(jí)地震中心震源機(jī)制解及震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究

許鑫，萬(wàn)永革，2*，何金

(1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201; 3.河北省地震局易縣地震臺(tái)，河北 保定 074211)

0 前 言

北京時(shí)間2010年4月14日7時(shí)49分，青海玉樹藏族自治州玉樹縣發(fā)生Ms7.1強(qiáng)烈地震，震源位置33.1°N、96.6°E，深度17 km(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心)，此次地震震中距縣城30 km。截至2010年5月30日18時(shí)，地震共造成玉樹縣、稱多縣、曲麻萊縣、治多縣、四川甘孜州等地方受災(zāi)，已造成2 698人遇難(中國(guó)新聞網(wǎng))。截至5月29日，在震中附近記錄到的余震不下上千次，其中最大的余震達(dá)到Ms5.7級(jí)。

地震后，國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)和學(xué)者[1-7]均給出了玉樹地震主震的震源機(jī)制解。因資料的選取和方法的不同，所給出主震的震源機(jī)制間存在一定的離散度。有的作者或機(jī)構(gòu)給出該地震為走滑兼逆斷的破裂模式[3，5]，有的給出為走滑兼正斷的破裂模式[1,4,7]，給研究此次地震發(fā)震機(jī)制、孕震機(jī)理等造成了選擇的困難。本文整理了各個(gè)機(jī)構(gòu)或作者給出的震源機(jī)制解，并求出了與所有測(cè)定的震源機(jī)制的差別平方最小的一個(gè)解作為中心震源機(jī)制解[8]。確認(rèn)了該地震的機(jī)制為走滑兼有少許正斷分量的破裂模式。

由于玉樹Ms7.1級(jí)地震在巴顏喀拉地塊南邊界(圖1)，且2008年5月汶川地震在該塊體的東南邊界，所以兩次地震的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景大體一致[9-10],這為本研究提供了豐富的前人研究資料基礎(chǔ)。許忠淮等[11]利用多個(gè)小震的P波初動(dòng)數(shù)據(jù)推斷平均主應(yīng)力軸方向，結(jié)果表明青甘地區(qū)P、T軸傾角近水平，主壓應(yīng)力軸取北東—南西方向；王輝等[12]曾基于許忠淮等[13]給出的1920年以來(lái)中國(guó)大陸的129個(gè)Ms≥6級(jí)的地震資料用求地震矩張量分量的方法研究過(guò)玉樹地震所在的青藏高原地震區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)最大壓應(yīng)力軸和最大主張應(yīng)力軸的傾伏角都小于25°。由于前人研究開展相對(duì)較早，存在臺(tái)站密度相對(duì)疏散，可用地震資料相對(duì)有限；且研究分區(qū)較大，對(duì)小區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)研究不夠精確。因此，本研究從前人資料[4]和GCMT[3]中共搜集了50組該區(qū)域Mw≥4.0的地震的震源機(jī)制解進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的反演。為進(jìn)一步了解此次玉樹地震的發(fā)震情況，本研究基于反演應(yīng)力場(chǎng)得到的應(yīng)力張量模擬出該震源區(qū)震源機(jī)制解可能的表現(xiàn)，為深入研究此次地震的發(fā)震方式、應(yīng)力觸發(fā)以及孕震機(jī)理等提供后續(xù)參考。

1 中心震源機(jī)制解

1.1 研究方法

表1 不同機(jī)構(gòu)和學(xué)者給出的震源機(jī)制解以及求出的中心震源機(jī)制解和標(biāo)準(zhǔn)差

1.2 震源區(qū)中心震源機(jī)制解結(jié)果

對(duì)于青海玉樹地震震源機(jī)制，發(fā)現(xiàn)姚家駿等[4]解出的震源機(jī)制解作為初始解得到的中心解的標(biāo)準(zhǔn)差是最小的，故最終中心震源機(jī)制解可以表示為節(jié)面I走向119.90°，傾角84.07°，滑動(dòng)角-9.95°；節(jié)面II走向210.94°，傾角80.10°，滑動(dòng)角-173.98°。結(jié)合盛書中等[15]的通過(guò)余震分布確定主斷層面法(走向294.6°)，可知節(jié)面I為主斷層面。并且可以根據(jù)節(jié)面的走向?qū)⒅D(zhuǎn)變?yōu)镻、B、T軸的走向和傾伏角[11]。轉(zhuǎn)換結(jié)果及不確定范圍分別為P軸走向75.14°，傾伏角11.22°，不確定范圍分別為58.85～91.85°和-0.55～23.03°；B軸走向269.42°，傾伏角78.43°，不確定范圍分別為162.59～347.45°和72.88～93.69°；T軸走向165.69°，傾伏角2.78°，不確定范圍分別為149.40～182.40°和-8.67～14.62°。

表1第5列為最終結(jié)果與各個(gè)機(jī)構(gòu)和學(xué)者給出震源機(jī)制的最小空間旋轉(zhuǎn)角。可以發(fā)現(xiàn)，所給出的青海玉樹Ms7.1級(jí)地震震源機(jī)制與中心解的最小空間旋轉(zhuǎn)角的最小值為6.67°，最大值為28.52°，標(biāo)準(zhǔn)差為17.14°。本研究先是把所收集的各個(gè)震源機(jī)制作為初始解進(jìn)行逐一反演，選取標(biāo)準(zhǔn)差最小的作為最終解。然后將不同機(jī)構(gòu)與學(xué)者給出的青海玉樹Ms7.1級(jí)地震的震源機(jī)制解、中心震源機(jī)制解以及不確定范圍[8]表示為圖1。

圖1 青海玉樹Ms7.1級(jí)地震的中心震源機(jī)制解及空間三維輻射花樣

2 震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

2.1 研究方法

用于應(yīng)力場(chǎng)反演的方法很多，許忠淮等[13]在假定區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)一致的前提下，利用中小地震的綜合節(jié)面解求得區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)；Gephart等[16]的網(wǎng)格搜索法通過(guò)區(qū)域內(nèi)若干震源機(jī)制解約束應(yīng)力張量；Michael[17]把斷層剪切面上的應(yīng)力分量歸一化，變?yōu)榫€性方程求解應(yīng)力場(chǎng)。相比前幾種方法，Wan等[18]采用全局網(wǎng)格搜索法求最優(yōu)解，并引入了震源機(jī)制數(shù)據(jù)精度的權(quán)重因子可以反演出更精確的應(yīng)力場(chǎng)，所以Wan等的全局網(wǎng)格搜索法為本研究所采用的。

其中計(jì)算震源機(jī)制解權(quán)重的公式為：

W=er/D2

(1)

其中W為權(quán)重，D為衰減系數(shù)，r為震級(jí)的相對(duì)大小。

應(yīng)力場(chǎng)中描述3個(gè)主軸應(yīng)力間相對(duì)大小的應(yīng)力形因子R值的計(jì)算公式為：

R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1)

(2)

其中,σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小主壓應(yīng)力。

2.2 震源機(jī)制數(shù)據(jù)來(lái)源及特征

搜集了1976年至今共50個(gè)Mw≥4的地震的震源機(jī)制解來(lái)反演震源區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，其中，從姚家駿等[4]的文獻(xiàn)中收集了19個(gè)震源機(jī)制解，從Global CMT[7]中收集了該區(qū)域的31個(gè)震源機(jī)制解(自1976年開始搜索至2018年)。根據(jù)Zoback[19]給出的對(duì)震源機(jī)制解的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)，發(fā)現(xiàn)走滑型有42個(gè)，占84%之多；正斷型有4個(gè)，占8%；逆沖型和逆走滑型僅1個(gè)，占2%；3個(gè)不確定型，占6%。可知該地區(qū)以走滑為主。震源機(jī)制解各參數(shù)及其震中分布圖見表3和圖2。

表2 震源機(jī)制解劃分標(biāo)準(zhǔn)[19]

圖2 玉樹地震的震源機(jī)制解分布(1979年3月～2018年5月)

表3 玉樹地區(qū)1976年至2018年震源機(jī)制解

2.3 震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果

將應(yīng)力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸的三個(gè)旋轉(zhuǎn)角的搜尋區(qū)間設(shè)為1°，應(yīng)力比值的搜尋距離設(shè)為0.1，置信度設(shè)為90 %[18],對(duì)收集到的震源機(jī)制解進(jìn)行反演。反演結(jié)果如下：主壓應(yīng)力軸最優(yōu)方位角為47.7°,傾角為3.73°，不確定范圍分別為44.14～48.14°和0.00～5.41°。中間應(yīng)力軸最優(yōu)方位角為296.00°,傾角為80.00°，不確定范圍分別為294.00～298.00°和74.00～90.00°。主張應(yīng)力軸最優(yōu)方位角為138.31°,傾角為9.27°，不確定范圍分別為133.86～141.86°和-2.42～13.58°,反演結(jié)果示于圖3。

圖3 玉樹Ms7.1級(jí)地震震源區(qū)反演應(yīng)力狀態(tài)

與王輝等[12]利用歷史地震及小震綜合節(jié)面解的研究結(jié)果、萬(wàn)永革等[20]用網(wǎng)格搜索法反演中國(guó)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的反演結(jié)果以及許忠淮等[13]用多個(gè)小地震的P波初動(dòng)方向研究區(qū)域平均構(gòu)造應(yīng)力方向的結(jié)果基本吻合。本研究收集了他們的研究結(jié)果，用求取中心解的方法得到前人結(jié)果分別與此中心解的最小空間旋轉(zhuǎn)角，發(fā)現(xiàn)本研究的最小空間旋轉(zhuǎn)角介于前人結(jié)果之間(表4)，并且與中心解的方向較近，進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究的準(zhǔn)確性。

表4 應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果與前人對(duì)比

2.4 應(yīng)力場(chǎng)分析

本文充分利用50個(gè)震源機(jī)制反演出震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的3個(gè)主應(yīng)力軸的走向和傾伏角以及用來(lái)表示它們之間相對(duì)大小的應(yīng)力形因子R值。整個(gè)區(qū)域主壓應(yīng)力軸近北東向，傾伏角1.9°～3.8°；主張應(yīng)力軸近北西向，傾伏角4.6°～9.3°，兩軸近水平，中間軸近垂直，為走滑型的應(yīng)力體系[21]。參考世界應(yīng)力圖劃分原則[19]，本文認(rèn)為該區(qū)域地震類型以走滑型為主。

同時(shí)，應(yīng)力形因子R值在分析地殼應(yīng)力狀態(tài)中發(fā)揮著重要作用[14]。當(dāng)R值從0.5逐漸增大時(shí)，中間應(yīng)力軸呈現(xiàn)為張應(yīng)力的性質(zhì)；R值從0.5逐漸減小時(shí)，中間應(yīng)力軸呈現(xiàn)為壓應(yīng)力的性質(zhì)[14-25]。本文估計(jì)的R值為0.6，說(shuō)明中間應(yīng)力軸和主張應(yīng)力軸間相對(duì)應(yīng)力差較小，主壓應(yīng)力軸與其他二軸應(yīng)力值差異較大。結(jié)合玉樹地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體南邊界，巴顏喀拉塊體位于青藏高原中東部，其北緣為近東西向的昆侖山脈、南緣為風(fēng)火山—沱沱河—金沙江、東部為北東向龍門山山脈。始新世早中期約45～50 Ma,伴隨特提斯洋在青藏全境消亡[22]，發(fā)生了印度—?dú)W亞陸陸碰撞事件[26]。受印度板塊北東向持續(xù)擠壓，在5～10 Ma以來(lái)，印度板塊大約以每年4 cm的速率向北東方向推擠青藏高原[27-28]，導(dǎo)致高原周邊發(fā)育有北西向大型走滑斷裂構(gòu)造。最為顯著且與本文相關(guān)的是高原內(nèi)部的東昆侖左旋走滑斷裂帶和玉樹—甘孜—鮮水河—小江左旋走滑斷裂帶[29](圖1)。所以該地區(qū)在青藏高原物質(zhì)向東南流動(dòng)受印度塊體向北持續(xù)擠壓作用呈北東—南西向擠壓、北西—南東向拉張的走滑應(yīng)力性質(zhì)，同時(shí)也是該區(qū)多數(shù)呈走滑型地震的原因。根據(jù)震源處出現(xiàn)中間應(yīng)力軸呈現(xiàn)較小的拉張應(yīng)力值，表明這里的兼有少許的拉張分量，這與玉樹地震震源機(jī)制中存在少許正斷層分量也是一致的。

2.5 震源區(qū)的應(yīng)力張量

萬(wàn)永革[21]模擬了不同應(yīng)力體系下產(chǎn)生的震源機(jī)制解以及相對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力大小的展布表現(xiàn)，從而得到了震源機(jī)制解與所作用應(yīng)力張量之間的關(guān)系?；谠摲椒?，將反演得到的地震發(fā)生斷層處的應(yīng)力張量和應(yīng)力狀態(tài)用于計(jì)算玉樹地震兩個(gè)節(jié)面的相對(duì)正應(yīng)力和相對(duì)剪應(yīng)力的大小，與震源機(jī)制模擬分布結(jié)果同示于圖4。由此得到節(jié)面I的滑動(dòng)角為-0.7°，相對(duì)正應(yīng)力為-0.88(擠壓)，相對(duì)剪應(yīng)力為0.57；節(jié)面II的滑動(dòng)角為-179.2°，相對(duì)正應(yīng)力為0.76，相對(duì)剪應(yīng)力為0.56。因?yàn)橄鄬?duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力較大的節(jié)面更容易發(fā)生滑動(dòng)，節(jié)面I和節(jié)面II相對(duì)剪應(yīng)力值近乎相同，而節(jié)面II比節(jié)面I的相對(duì)正應(yīng)力值明顯大的多，理應(yīng)節(jié)面II為主斷層面。結(jié)合圖1和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果，發(fā)現(xiàn)由于受到印度板塊北東向擠壓，北側(cè)邊界被阻擋，導(dǎo)致物質(zhì)東流；巴顏喀拉塊體與羌塘塊體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，塊體交界處有多條北西—南東走向的以走滑為主的斷裂薄弱帶，地殼巖層薄弱，更利于此次玉樹地震的發(fā)生。故推測(cè)節(jié)面I為此次地震的發(fā)震斷層面，與前人根據(jù)余震分布判定主震走向的結(jié)果一致[15]。以上分析說(shuō)明此次玉樹Ms7.1級(jí)地震的震源機(jī)制解未在反演出的應(yīng)力場(chǎng)的最優(yōu)節(jié)面(相對(duì)正應(yīng)力和剪應(yīng)力最大節(jié)面)上發(fā)生，故而可以看出并不是將應(yīng)力場(chǎng)作用于完整的巖石塊體上導(dǎo)致的破裂，而是發(fā)生在已存在的薄弱面上。

圖4 本文所反演的應(yīng)力張量產(chǎn)生的震源機(jī)制及其節(jié)面上的相對(duì)正應(yīng)力(a)和剪應(yīng)力(b)

基于已知該震源區(qū)的應(yīng)力體系，使用萬(wàn)永革[21]的研究方法得到全空間分布于斷層面上產(chǎn)生的P、T和B軸的施密特投影圖(圖5)。圖中，每個(gè)點(diǎn)的組合對(duì)應(yīng)一個(gè)所在應(yīng)力體系下的震源機(jī)制解，故P、T和B軸的分布足見該應(yīng)力體系下震源機(jī)制解的豐富多樣性。

圖5 根據(jù)玉樹地震發(fā)生處的應(yīng)力體系得到的震源機(jī)制P,B,T軸的施密特網(wǎng)投影

3 結(jié)論與討論

本文基于不同機(jī)構(gòu)和學(xué)者給出的青海玉樹Ms7.1級(jí)地震的震源機(jī)制解，確定青海玉樹地震多個(gè)震源機(jī)制的中心解：節(jié)面I走向119.90°，傾角84.07°，滑動(dòng)角-9.95°；節(jié)面II走向210.94°，傾角80.10°，滑動(dòng)角-173.98°。解決了在研究此次地震發(fā)震機(jī)制及孕震機(jī)理等過(guò)程中該怎樣抉擇震源機(jī)制解的問(wèn)題。為深入研究此次地震的發(fā)震方式、應(yīng)力觸發(fā)等提供后續(xù)參考。

基于應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果，結(jié)合構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景發(fā)現(xiàn)：印度塊體向北擠壓致使青藏高原物質(zhì)東流，從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)發(fā)育多條北西—南東走向且以左旋走滑為主的斷裂帶，利于玉樹Ms7.1級(jí)地震的發(fā)生。根據(jù)震源區(qū)的應(yīng)力體系，發(fā)現(xiàn)玉樹Ms7.1地震的震源機(jī)制解未在反演出的應(yīng)力場(chǎng)的最優(yōu)節(jié)面上發(fā)生，說(shuō)明玉樹地震不是將應(yīng)力場(chǎng)作用于完整的巖石塊體上導(dǎo)致的破裂，而是發(fā)生在已存在的薄弱面上。

致謝：非常感謝審稿專家對(duì)本文提出的寶貴意見，在此一并表示感謝。