P波極性資料確定的2022青海門源MS6.9地震序列震源機(jī)制及應(yīng)力場

萬永革,許 鑫,黃少華,崔華偉,馮 淦,李 梟

(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.山東省地震局,山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心(http://www.ceic.ac.cn/)測定,北京時(shí)間2022年1月8日1時(shí)45分青海門源縣發(fā)生MS6.9地震(37.77°N,101.26°E,以下簡稱門源地震),震中距2016年1月21日門源MS6.4地震震中不足40 km。此次門源地震伴有多次余震,截至2022年1月12日,記錄到的余震最大震級(jí)達(dá)5.2級(jí)(37.69°N,101.49°E)。

此次青海門源地震發(fā)生在祁連—西海原斷裂主體的冷龍嶺段和托萊山段的銜接部位。冷龍嶺斷裂因其北側(cè)曾發(fā)生過1920年海原M8.5和1927年古浪M8.0兩次大地震[1],從而備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[1-4]。早期,冷龍嶺斷裂為適應(yīng)持續(xù)地殼縮短引發(fā)的逆沖運(yùn)動(dòng),致使其向北傾的角度很小[2];中更新世以來,斷層傾角幾近垂直,受持續(xù)擠壓作用,導(dǎo)致該斷裂現(xiàn)今以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主兼少許正斷分量[3-4]。

震源機(jī)制的計(jì)算一直是地震學(xué)研究的基本問題之一,如何精確獲得震源機(jī)制對(duì)于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的反演、孕震環(huán)境和地震動(dòng)力學(xué)等研究均有重要意義,故而有很多種反演震源機(jī)制的方法,例如:利用S波與P波的振幅比資料方法[5-7]、波形反演方法[8]、聯(lián)合使用體波和面波資料的 CAP( Cut and Paste)方法[9-10]等?？紤]到中小地震所激發(fā)的低頻能量微乎其微,所以采用低頻波形資料計(jì)算中小地震震源機(jī)制解的方法可信度較低[11],并且背景噪聲和散射因素等的影響,又導(dǎo)致基于S波與P波振幅比計(jì)算小震震源機(jī)制解難以實(shí)現(xiàn)[12]。由于區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)記錄波形的多樣復(fù)雜性,不同臺(tái)站所記錄到的波形與振幅存在很大差異,一定程度上給確定中小地震的震源機(jī)制解帶來困難。綜合考慮下,P波初動(dòng)符號(hào)清晰,是穩(wěn)定的地震波信息,并且利用P波初動(dòng)資料求解震源機(jī)制解,結(jié)果可靠,方法相對(duì)簡單,故為本研究所用。

1 方法及資料

利用P波初動(dòng)資料反演震源機(jī)制解結(jié)果的準(zhǔn)確性主要依賴于P波初動(dòng)資料的豐富程度以及覆蓋密度。為此,本研究搜集了中國地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的震源區(qū)2022年1月8—30日所有地震事件的P波初動(dòng)符號(hào),主要涉及142個(gè)臺(tái)站(圖1)。另外,本研究所使用的速度模型是Han等[13]給出的中國大陸較為精確的速度場結(jié)果(USTClitho2.0)(表1)。

表1 計(jì)算震源機(jī)制解所用的速度模型Table 1 Velocity model used for calculating focal mechanism solution

圖1 研究區(qū)的地形及臺(tái)站位置分布Fig.1 Topography and station distribution in the study area

2 震源機(jī)制解

2.1 震源機(jī)制解結(jié)果分析

基于搜集的研究區(qū)(37.2°～38.0°N、101°～102°E)內(nèi)1月8—30日地震資料,考慮到震源機(jī)制的求解精度,本研究僅求解至少有12個(gè)P波初動(dòng)符號(hào)地震事件的震源機(jī)制解,具體計(jì)算結(jié)果列于表2。

P波初動(dòng)的矛盾比是評(píng)價(jià)震源機(jī)制解可靠性的重要指標(biāo)之一。從表2中可以發(fā)現(xiàn):矛盾比為0的震源機(jī)制解有8個(gè),占比12.12%;矛盾比在0～0.08的震源機(jī)制解有19個(gè),占比28.79%;矛盾比在0.08～0.20的震源機(jī)制解有29個(gè),占比43.94%;矛盾比在0.20以上的震源機(jī)制解有10個(gè),占比15.15%。

參考萬永革[14]基于水平應(yīng)變花面應(yīng)變對(duì)地震震源機(jī)制的劃分原則進(jìn)行分類(圖2),可以發(fā)現(xiàn)正斷型地震有13個(gè),占總體數(shù)量的19.7 %;正走滑型地震有7個(gè),占總體數(shù)量的10.61%;走滑型地震有31個(gè),占總體數(shù)量的46.97%;逆走滑型地震有3個(gè),占總體數(shù)量的4.55%;逆斷型地震有12個(gè),占總體數(shù)量的18.18%。從圖2和圖3中可以發(fā)現(xiàn)主震震源機(jī)制解與余震序列整體震源機(jī)制解均表現(xiàn)為走滑型,兩者的最小三維空間旋轉(zhuǎn)角為0.13°,說明門源地震余震序列的總體特征跟主震差別不大,幾近一致。

NS為正走滑型;SS為走滑型;N為正斷型;RS為逆走滑型;R為逆斷型圖2 2022門源地震序列震源機(jī)制類型劃分Fig.2 Division of focal mechanism types of the 2022 Menyuan earthquake sequence

紅色到藍(lán)色表示壓縮到膨脹的過渡;P、T、B分別表示壓軸、張軸和中間軸。圖3 2022門源地震序列主震震源機(jī)制與余震序列整體震源機(jī)制及施密特等面積投影Fig.3 Schmidt equal area projection of focal mechanisms of mainshock(a) and aftershock sequences(b) of the 2022 Menyuan earthquake sequence

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)本研究的可靠性,我們搜集了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者根據(jù)不同資料和方法得出的門源主震的震源機(jī)制解,并計(jì)算出與本研究結(jié)果的最小空間旋轉(zhuǎn)角(表3)。從表中不難看出本研究與其他機(jī)構(gòu)或?qū)W者得到的震源機(jī)制解的最小空間角的范圍在7.52°～44.92°,平均值約20.89°,足見本研究采用P波初動(dòng)極性得到的震源機(jī)制解是可靠的。

表3 本文與國內(nèi)外機(jī)構(gòu)或?qū)W者得到的門源主震震源機(jī)制解的最小空間旋轉(zhuǎn)角Table 3 Minimum spatial rotation angle of focal mechanism solutions of the Menyuan mainshock obtained in this study and institutions or scholars at home and abroad

3 震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場

3.1 研究方法

用于應(yīng)力場反演的方法很多,許忠淮等[20]在假定區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場一致的前提下,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;Gephart等[21]的網(wǎng)格搜索法通過區(qū)域內(nèi)若干震源機(jī)制解約束應(yīng)力張量;Michael[22]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。相比前幾種方法,Wan等[23]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,所以本研究采用了此法。

應(yīng)力場中描述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)

(1)

式中:σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小主壓應(yīng)力。

3.2 應(yīng)力場結(jié)果

本研究將應(yīng)力場旋轉(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%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59.00°傾角為0.00°,不確定范圍分別為53.00°～60.00°和-0.50°～0.50°;中間應(yīng)力軸最優(yōu)方位角為0.00°傾角為90.00°,不確定范圍分別為-0.50°～0.50°和89.50°～90.50°;主張應(yīng)力軸最優(yōu)方位角為149.00°傾角為0.00°,不確定范圍分別為148.50°～149.50°和-0.50°～0.50°,反演結(jié)果示于圖5。本研究應(yīng)力軸傾伏角結(jié)果與前人[20,23-26]相一致,最大主壓應(yīng)力軸方位由NE向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)至NEE向[27]。結(jié)合動(dòng)力學(xué)背景可解釋為:印度塊體向北擠壓致使青藏塊體NE向運(yùn)動(dòng),北側(cè)受到穩(wěn)定的阿拉善塊體阻擋,從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)發(fā)育多條NW-SE走向且以左旋走滑為主的斷裂帶,利于此次門源MS6.9地震的發(fā)生。

*注:除6.9級(jí)主震、5.1和5.2級(jí)余震為MS震級(jí),其余均為ML震級(jí)。NS為正走滑型,SS為走滑型,N為正斷型,RS為逆走滑型,R為逆斷型圖4 2022青海門源地震序列震源機(jī)制分布圖Fig.4 Distribution map of focal mechanisms of the 2022 Menyuan earthquake sequence in Qinghai Province

(a)圖中黑色弧線對(duì)應(yīng)震源機(jī)制解的各個(gè)節(jié)面,紅色大箭頭表示壓軸的最優(yōu)方向,藍(lán)色大箭頭表示張軸的最優(yōu)方向;紅色小箭頭代表斷層理論滑動(dòng)方向,藍(lán)色小箭頭代表觀測滑動(dòng)方向;綠色弧線覆蓋區(qū)域是90%置信度下應(yīng)力場的最大剪應(yīng)力節(jié)面,黃色小箭頭則為該節(jié)面的最大剪應(yīng)力方向;S1、S2和S3軸鄰近的封閉區(qū)間代表90%置信度下應(yīng)力場軸的范圍。(b)應(yīng)力輻射花樣圖中,黃色表示擠壓,藍(lán)色表示拉張。圖5 門源MS6.9地震震源區(qū)反演應(yīng)力狀態(tài)圖Fig.5 Inversion stress state diagram in source area of the Menyuan MS6.9 earthquake

本研究基于P波初動(dòng)極性獲取的66個(gè)震源機(jī)制,反演出研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的3個(gè)主應(yīng)力軸的走向和傾伏角。結(jié)果顯示:整個(gè)區(qū)域主壓應(yīng)力軸近NE向,傾伏角-0.50°～0.50°;主張應(yīng)力軸近NW向,傾伏角-0.50°～0.50°,兩軸近水平,中間軸近垂直,為典型的走滑型應(yīng)力體系。所求解應(yīng)力場的主應(yīng)力軸與震源機(jī)制的P、T軸較為重合,而相對(duì)來講,與余震總體震源機(jī)制的P、T軸差別較大。說明主震基本釋放了本地的構(gòu)造應(yīng)力水平,而余震活動(dòng)相對(duì)來講除了與當(dāng)?shù)氐臉?gòu)造應(yīng)力水平有關(guān)外,還與主震破裂的觸發(fā)[28]有一定關(guān)系。

3.3 震源機(jī)制與應(yīng)力體系關(guān)系研究

本節(jié)采用萬永革[29]提出的震源機(jī)制與應(yīng)力體系關(guān)系模擬研究的方法來探究此次青海門源MS6.9主震與構(gòu)造應(yīng)力場的關(guān)系。該方法模擬了三種應(yīng)力體系狀態(tài),逐一給出每種應(yīng)力狀態(tài)下可能的震源機(jī)制解分布,并探究不同類型震源機(jī)制解的數(shù)目與R值的關(guān)系。基于上文得到的應(yīng)力場參數(shù)和主震的震源機(jī)制解,進(jìn)行應(yīng)力場與震源機(jī)制解的關(guān)系模擬,計(jì)算出相對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力的大小并得到如圖6所示在該應(yīng)力體系下的震源機(jī)制解。

NS為正走滑型,SS為走滑型,N為正斷型,RS為逆走滑型,R為逆斷型圖6 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)力和剪應(yīng)力Fig.6 Focal mechanisms generated by the stress tensor inverted in this study and relative normal stress and shear stress on the plane

應(yīng)力張量在節(jié)面 Ⅰ(走向93.42°、傾角81.3°)上的相對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力分別為0.926和0.415,剪應(yīng)力的滑動(dòng)角為-5.2°,這與該節(jié)面的觀測滑動(dòng)角(-5.74°)僅相差0.54°;在節(jié)面Ⅱ(走向184.29°、傾角84.33°)上的相對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力分別為0.939和-0.264,剪應(yīng)力的滑動(dòng)角為179.2°,與該節(jié)面觀測滑動(dòng)角(-171.26°)僅相差9.54°,說明震源機(jī)制解對(duì)應(yīng)節(jié)面滑動(dòng)角與剪應(yīng)力的滑動(dòng)角差異很小。以上計(jì)算結(jié)果可以看出,本次門源MS6.9主震是在構(gòu)造應(yīng)力場的最優(yōu)節(jié)面上發(fā)生的,是積累應(yīng)變能的正常釋放。這與前面的震源機(jī)制分類分析中的主震震源機(jī)制P、T軸和構(gòu)造應(yīng)力場的主軸類似是較吻合的。這從另一個(gè)角度說明了該地區(qū)的走滑震源機(jī)制是構(gòu)造應(yīng)力得以釋放的一種模式。

4 結(jié)論與討論

本研究根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的2022年1月8—30日的觀測報(bào)告中P波初動(dòng)信息,采用P波初至極性對(duì)此次門源MS6.9地震序列進(jìn)行震源機(jī)制解的計(jì)算,得到66個(gè)P波初動(dòng)符號(hào)數(shù)目大于12的地震的震源機(jī)制解,并基于此結(jié)果運(yùn)用網(wǎng)格搜索法對(duì)震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行分析并得到如下結(jié)論:

(1) 按照萬永革[14]對(duì)震源機(jī)制的劃分原則進(jìn)行劃分,發(fā)現(xiàn)主震與余震序列均為走滑型地震事件,且本研究計(jì)算的66個(gè)震源機(jī)制解中走滑型震源機(jī)制解占比最高(62.13%),所以單從地震序列的震源機(jī)制解類型可以大致判斷出此次門源地震以走滑為主。

(2) 將本研究結(jié)果中的主震震源機(jī)制解與其他國內(nèi)外學(xué)者的結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)其他學(xué)者得到的震源機(jī)制解與本研究的最小空間旋轉(zhuǎn)角在7.52°～44.92°的范圍內(nèi),平均值約20.89°,在誤差允許的范圍內(nèi),驗(yàn)證了本研究結(jié)果的可靠性。

(3) 基于應(yīng)力場反演結(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,北側(cè)受到穩(wěn)定的阿拉善塊體阻擋,致使青藏塊體NE向運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)發(fā)育多條NW-SE走向且以左旋走滑為主的斷裂帶,利于此次門源MS6.9地震的發(fā)生。

(4) 主震震源機(jī)制P和T軸與所處的應(yīng)力區(qū)應(yīng)力方向相近,通過震源機(jī)制與應(yīng)力體系關(guān)系的研究,發(fā)現(xiàn)本次門源MS6.9主震是在構(gòu)造應(yīng)力場的最優(yōu)節(jié)面上發(fā)生的,是應(yīng)變能積累后的一次正常釋放。

考慮到不同的速度模型對(duì)反演結(jié)果不會(huì)造成太大影響,因此本文在利用P波初動(dòng)極性反演震源機(jī)制解時(shí)未曾對(duì)比不同速度模型的反演結(jié)果。本文的震源機(jī)制解結(jié)果是基于已經(jīng)標(biāo)注震相的觀測報(bào)告得到的,如若能基于原始的波形數(shù)據(jù)拾取更多的P波初至符號(hào),或者與聯(lián)合采用波形和初動(dòng)極性的HASH法[30]的計(jì)算結(jié)果相比較,均可以較大程度地提高反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。為展示本文P波初動(dòng)的確定程度,這里給出了66個(gè)地震事件中震級(jí)最小事件對(duì)應(yīng)的地震波形圖以及標(biāo)注的初動(dòng)符號(hào)(圖7)。

本研究雖然存在些許不足,但本研究反演得到的主震震源機(jī)制解與不同機(jī)構(gòu)或?qū)W者給出的震源機(jī)制解的最小空間旋轉(zhuǎn)角相差不大;主震或余震序列的震源機(jī)制也均表現(xiàn)為走滑型;基于本研究得到的震源機(jī)制解反演的應(yīng)力場結(jié)果與前人得到的應(yīng)力場結(jié)果也較為一致,總的來說本研究的結(jié)果是相對(duì)可靠的。

致謝:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡曉輝為本研究提供建議,本研究繪圖采用GMT軟件繪制,特此致謝！