2022年青海雜多Ms5.9地震震源機(jī)制中心解及位移場和應(yīng)變場特征分析

賈震,黃少華,郭宗斌,蘇淑娟,陳其峰,劉福順

(1.山東省地震局聊城地震監(jiān)測中心站,山東 聊城 252000;2.防災(zāi)科技學(xué)院,河北 三河 065201;3.山東省地震局煙臺地震監(jiān)測中心站,山東 煙臺 264000;4.山東省地震局,山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定,2022年8月14日青海省雜多發(fā)生了Ms5.9地震,震源深度為10 km,震中位于33.14°N,92.85°E。此次地震距雜多縣城約230 km。震中為無人區(qū),無山體滑坡和崩塌現(xiàn)象。

此次地震發(fā)生在羌塘地塊內(nèi)部唐古拉山地區(qū),位于雁石坪南斷裂帶南部,該斷裂帶走向?yàn)楸蔽魑飨?。距離震中最近的一次地震為2013年7月1日Mw4.8地震,此次地震為一次正斷型地震(圖1)。徐紀(jì)人等人[1]整理1918 ～ 2005年期間中國大陸及周緣地區(qū)M>5. 0級巖石圈地震的震源機(jī)制解,發(fā)現(xiàn)青藏高原中部羌塘地塊和中南部地區(qū)集中發(fā)生大量的正斷層型和走滑正斷層型地震。

圖1 青海雜多Ms5.9地震震源機(jī)制及周邊斷裂帶

圖2 青海玉樹州雜多5.9級地震的中心震源機(jī)制解(a)及空間三維輻射花樣(b)

本次地震發(fā)生以后,中國地震局地震預(yù)測研究所、中國地震臺網(wǎng)中心、中國地震局地球物理研究所、德國波茨坦地學(xué)研究中心(GFZ)、青海地震臺等多個機(jī)構(gòu)和科研院所采用各自的方法和資料得到了雜多地震主震的震源機(jī)制解。由于選取的資料和采用的計(jì)算方法不一樣,不同的學(xué)者和各個機(jī)構(gòu)所求解的震源機(jī)制解結(jié)果上存在一定的離散度和差異,這些差異為地殼應(yīng)力場、地震應(yīng)力觸發(fā)等一系列研究中造成了選擇上的困難。需要選出合適的青海雜多Ms5.9地震震源機(jī)制解以滿足后續(xù)相關(guān)研究的需求,基于此問題,本文收集了不同機(jī)構(gòu)和學(xué)者關(guān)于青海雜多Ms5.9地震震源機(jī)制解結(jié)果,利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出能代表青海雜多Ms5.9地震多個眾多震源機(jī)制解的中心震源機(jī)制解[2]。之后,本文使用中心解結(jié)果在彈性半空間模型Okada的基礎(chǔ)上,估計(jì)出斷層面大小和滑動量,進(jìn)一步計(jì)算出雜多5.9級地震在周圍區(qū)域產(chǎn)生的面應(yīng)變、地表同震位移場及各向應(yīng)變,為分析此次地震引起的附近斷裂的應(yīng)力變化及地震可能的發(fā)震原因提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文收集了青海雜多Ms5.9地震后中國地球物理研究所、中國地震預(yù)測研究所、中國地震臺網(wǎng)中心、青海地震臺、GFZ機(jī)構(gòu)所研究的震源機(jī)制解(表1)。

表1 各機(jī)構(gòu)或作者的青海玉樹州雜多Ms5.9地震震源機(jī)制解

1.2 方法原理

假設(shè)震源機(jī)制m的P、T、B坐標(biāo)軸方向在北東下地理坐標(biāo)系表示為MPTB,震源機(jī)制n的P、T、B坐標(biāo)軸方向在北東下地理坐標(biāo)系表示為NPTB,將震源機(jī)制m通過旋轉(zhuǎn)完全轉(zhuǎn)換到震源機(jī)制n的坐標(biāo)系中,其旋轉(zhuǎn)矩陣為Rmn[2-3]。然后考慮震源機(jī)制m的PTB坐標(biāo)系經(jīng)過繞著某個空間軸(假定為z軸)旋轉(zhuǎn)θmn轉(zhuǎn)換到震源機(jī)制n的PTB坐標(biāo)系下,其旋轉(zhuǎn)矩陣為R*mn。Rmn和R*mn是相似矩陣,有tr(R*mn)=tr(Rmn)=1+2cosθmn。

由于θmn是一次空間旋轉(zhuǎn)就將震源機(jī)制m的PTB坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到震源機(jī)制n的PTB坐標(biāo)系下,可以用該旋轉(zhuǎn)角定義兩個震源機(jī)制m和n的差別,本文稱之為空間旋轉(zhuǎn)角。按照震源機(jī)制P、T、B軸的兩個方向的二義性,每個軸都可以有兩個相反的方向作為坐標(biāo)軸的方向,因此空間旋轉(zhuǎn)角一共存在4種表達(dá)方式,這4種表達(dá)方式都是從震源機(jī)制m的坐標(biāo)系到震源機(jī)制n的坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,采用其中的最小值作為表達(dá)這兩個震源機(jī)制解的差別,并稱之為最小空間旋轉(zhuǎn)角[2-3]。

在確定兩個震源機(jī)制m和n的最小空間旋轉(zhuǎn)角后,需要根據(jù)一個地震的多個震源機(jī)制,找到一個中心解,中心解滿足與其余震源機(jī)制的最小空間旋轉(zhuǎn)角的平方和最小,因此我們可以定義一個目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)公式為:

(1)

其中,(θci)min為中心震源機(jī)制與測量震源機(jī)制的最小空間旋轉(zhuǎn)角。最小空間旋轉(zhuǎn)角表達(dá)式為arccos函數(shù),呈非線性變化。因此選定一個接近“真實(shí)解”的初始解,在初始解的基礎(chǔ)上采用Levenberg-Marquardt方法進(jìn)行迭代求解[4-5]。為了在求解過程中快速收斂,Levenberg-Marquardt方法在前述算法的基礎(chǔ)上加了一個可變的阻尼項(xiàng),采用阻尼項(xiàng)來修正目標(biāo)函數(shù),使解盡快達(dá)到最優(yōu)解。

將震源機(jī)制的中心解與收集的各個震源機(jī)制的最小空間旋轉(zhuǎn)角的標(biāo)準(zhǔn)差作為其誤差范圍,標(biāo)準(zhǔn)差表述為:

(2)

其中,s為式(1)所描述的反演問題目標(biāo)函數(shù)值。類似于萬永革的表述應(yīng)力場誤差的方法,將位于標(biāo)準(zhǔn)差s內(nèi)的斷層面解、P、T、B軸的范圍求出,并展示在海灘球上,即可顯示出中心震源機(jī)制的誤差范圍。

2 中心解結(jié)果

通過選取不同的初始解,求解中心解時,能得到不同的震源機(jī)制中心解和標(biāo)準(zhǔn)差。由表2可以看到,不論以哪個機(jī)構(gòu)或個人得到的震源機(jī)制為初始震源機(jī)制,得到的中心震源機(jī)制解的差別都非常小,將標(biāo)準(zhǔn)差精確到小數(shù)點(diǎn)后四位都是一樣的,這體現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果是非常穩(wěn)定的。比較后發(fā)現(xiàn),將中國地震臺網(wǎng)中心所得的震源機(jī)制作為初始解,計(jì)算得到的中心解,其標(biāo)準(zhǔn)差是最小的。最終確定中心解結(jié)果:節(jié)面I的走向250.78°,傾角86.22°,滑動角-19.42°。節(jié)面II走向342.12°,傾角70.62°,滑動角-175.99°。壓應(yīng)力P軸走向204.81°,傾伏角16.34°,不確定范圍分別為177. 91°～231.91°和-1.59°～36.34°。T軸的走向298.02°,傾伏角10.84°,不確定范圍分別為271.12°～325.12°和-8.06°～30.79°。B軸的走向60.19°,傾伏角70.23°,不確定范圍是-83.14°～119.09°和54.25°～96.89°。各個最小空間旋轉(zhuǎn)角見表2。

表2 不同機(jī)構(gòu)、學(xué)者給出的青海雜多5.9級地震震源機(jī)制解及得到的中心震源機(jī)制解與標(biāo)準(zhǔn)差

3 研究結(jié)果

為更好的分析本次地震對周圍地區(qū)的影響,在彈性半空間模型Okada[6-8]的基礎(chǔ)上,把節(jié)面Ⅱ作為發(fā)震斷層面,用Wells和Coppersmith的統(tǒng)計(jì)公式估算出斷層面大小和滑動量[9-10],長度12.25 km,寬度6.80 km,滑動量31.72 cm。計(jì)算了青海雜多Ms5.9地震在周圍地區(qū)產(chǎn)生的地表同震位移場、體應(yīng)變、各向應(yīng)變及面應(yīng)變(圖3～5)。

圖3 青海省雜多5.9級地震產(chǎn)生的同震位移場

圖3為青海雜多Ms5.9地震產(chǎn)生的位移場。從圖中可以看出,在水平位移場方面,震中東北物質(zhì)向震中匯聚,西北、東南物質(zhì)向外擴(kuò)散。在垂直位移場方面,震中東北部為沉降,東南部為隆升。水平位移總體大于垂直位移,有明顯的四象限分布,符合走滑型地震產(chǎn)生的位移場特征。

圖4為青海雜多Ms5.9地震產(chǎn)生的體應(yīng)變。在震中東北側(cè)呈現(xiàn)壓縮,在震中西北、東南兩側(cè)呈現(xiàn)伸張,北向應(yīng)變、東向應(yīng)變、北東向應(yīng)變在震中均呈現(xiàn)八花瓣樣式分布。各向應(yīng)變的壓縮、伸張區(qū)域繞震中交替出現(xiàn),這同樣是明顯的走滑地震特征。

圖4 青海省玉樹州雜多5.9級地震產(chǎn)生的各分量應(yīng)變

圖5為青海雜多Ms5.9地震產(chǎn)生的面應(yīng)變分布,與體應(yīng)變形態(tài)大體相同,體現(xiàn)為面應(yīng)變繼承體應(yīng)變。在面應(yīng)變?yōu)樨?fù)(白色)和面應(yīng)變?yōu)檎?黑色)的區(qū)域內(nèi),物質(zhì)的運(yùn)動方向(圖3)分別與主壓應(yīng)變和主張應(yīng)變大體一致。

圖5 青海省雜多Ms5.9地震產(chǎn)生的水平主應(yīng)變和面應(yīng)變場

以上各圖結(jié)果都是基于本文得到的中心解結(jié)果,都顯示了這是一次典型的走滑地震,表明了本文所得中心解結(jié)果具有代表性,能準(zhǔn)確表達(dá)此次地震特征。房立華等人雙差定位的結(jié)果顯示,此次地震位于雁石坪南斷裂帶,由此推斷此次雜多地震的發(fā)震斷裂為雁石坪南斷裂帶。而對雁石坪南斷裂帶詳細(xì)參數(shù)及運(yùn)動特征還未有明確結(jié)論,但根據(jù)此次地震的震源機(jī)制節(jié)面Ⅱ的運(yùn)動類型,可以推斷出雁石坪南斷裂帶為右旋走滑斷裂帶。2013年7月1日Mw4.8地震位于此次地震的南部;其次,震源機(jī)制兩個節(jié)面與雁石坪南斷裂帶近乎垂直,因此推斷2013年7月1日Mw4.8地震與此次雜多的Ms5.9地震發(fā)震斷裂帶、發(fā)震構(gòu)造和發(fā)震機(jī)理均不同。此次地震可能是由青藏高原在印度板塊推擠作用下,內(nèi)部積累的應(yīng)變能在近東西向的走滑斷裂帶橫向卸載,致使此次走滑型地震的發(fā)生。2013年Mw4.8地震可能是在印度板塊對歐亞板塊的推擠,致使青藏高原不均勻隆起,從而在青藏高原內(nèi)部產(chǎn)生正斷型地震。

4 結(jié) 論

本文收集了同一地震的多個震源機(jī)制解,使用不同的震源機(jī)制解作為初始解進(jìn)行計(jì)算,得出最優(yōu)的中心解,并計(jì)算了青海雜多Ms5.9地震在周圍地區(qū)產(chǎn)生的地表同震位移場、體應(yīng)變、面應(yīng)變等,獲得的主要認(rèn)識如下:

(1)青海雜多Ms5.9地震的中心解節(jié)面I走向250.78°,傾角86.22°,滑動角-19.42°,節(jié)面II走向342.12°,傾角70.62°,滑動角-175.99°。其中節(jié)面Ⅱ與雁石坪南斷裂帶走向接近,大致推測節(jié)面Ⅱ更有可能是破裂面。

(2)地表位移場顯示,震中東北物質(zhì)向震中匯聚,西北、東南物質(zhì)向外擴(kuò)散,地震造成震中東北部沉降,東南部隆升,呈現(xiàn)明顯的四象限分布。水平位移總體大于垂直位移,符合走滑型地震位移場特征。說明本文震源機(jī)制中心解結(jié)果是可信的,可以準(zhǔn)確的描述本次地震的相關(guān)特征。

(3)體應(yīng)變在震中東北側(cè)呈現(xiàn)壓縮,在震中西北、東南兩側(cè)呈現(xiàn)伸張,其余各向應(yīng)變均呈現(xiàn)八花瓣樣式分布,面應(yīng)變形態(tài)與體應(yīng)變分布大體相同,體現(xiàn)為面應(yīng)變繼承體應(yīng)變。

(4)此次地震發(fā)生在雁石坪南斷裂,該斷裂可能為一條右旋走滑斷裂帶。此次地震的動力來源于印度—?dú)W亞板塊的碰撞,導(dǎo)致的羌塘地塊北部唐古拉山地區(qū)開始出現(xiàn)褶皺和逆沖變形,之后隨著印度地塊向北持續(xù)向北俯沖,唐古拉山地區(qū)因沖斷和褶皺作用不斷隆起,本次地震便發(fā)生于推覆構(gòu)造區(qū)。