2021年5月22日青海瑪多MS7.4地震發震構造分析

徐志國， 梁姍姍， 張廣偉 ， 梁建宏， 鄒立曄， 李旭茂， 陳彥含

1 國家海洋環境預報中心， 北京 100081 2 中國地震臺網中心， 北京 100045 3 應急管理部國家自然災害防治研究院， 北京 100085

0 引言

據中國地震臺網正式測定：2021年5月22日02時04分(北京時間)，在青海果洛州瑪多縣(北緯34.59°，東經98.34°)發生一次7.4級強烈地震，震源深度17 km，是繼汶川8.0級地震之后中國大陸地區發生的一次最大地震.此次地震震中距瑪多縣城僅38 km，距西寧市385 km，震中周邊地區震感強烈，西安、蘭州等地區有震感.由于瑪多7.4級地震震級大、震源淺，引起地表強烈震動，造成震中地區部分群眾的房屋和畜棚受損，部分道路、橋梁等基礎設施不同程度隆起或坍塌.經初步排查，截至2021年5月31日，地震共造成果洛州、玉樹州、海西州8縣45個鄉鎮38137戶107500人受災(https:∥www.sohu.com/a/469628577_162758).地震發生后，余震十分頻繁，并伴隨著多次強余震，為震源區地震學研究提供了寶貴的觀測資料.截至2021年5月30日20時00分共記錄到3.0級以上余震54次，其中5.0～5.9級地震1次，4.0～4.9級地震16次，3.0～3.9級地震37次.其中，最大一次余震為5月22日10時29分發生的5.1級地震(www.cenc.ac.cn).

青海瑪多7.4級地震位于青藏高原東北部，處于印度板塊向歐亞板塊俯沖導致隆起的青藏高原內部的巴顏喀拉塊體上(圖1)，該塊體主要受NWW向大型走滑斷裂所控制，其北邊界東昆侖斷裂帶和南邊界的鮮水河斷裂、甘孜—玉樹斷裂、馬爾蓋茶卡—若拉崗日斷裂等均為左旋走滑性質的活動斷層，東部邊界為龍門山逆沖型斷裂帶，西部邊界為阿爾金斷裂帶西南段尾端張性斷層(鄧起東等，2010，2014；高翔和鄧起東，2013；徐錫偉等，2016)，是晚新生代以來青藏高原東向“逃逸”的活動塊體之一(Tapponnier et al.，1982；Xu et al.，2013a；鄧起東等，2014).自2001年塊體北部邊界發生昆侖MS8.1地震以來，此后相繼在巴顏喀拉塊體周緣邊界發生了一系列強震(Xu et al.，2002；徐錫偉等，2008a；鄧起東等，2014；聞學澤，2018)，如2008年汶川MS8.0地震(徐錫偉等，2008b；鄭勇等，2009；萬永革等，2009)、2010年玉樹MS7.0地震(孫鑫喆等，2012；王未來等，2012)、2013年蘆山MS7.0地震(Xu et al., 2013b；劉杰等，2013；房立華等，2013；張廣偉和雷建設，2013)、2014年于田MS7.3地震(張廣偉等，2014；房立華等，2015)及2017年九寨溝MS7.0地震(徐錫偉等，2017；楊宜海等，2017；易桂喜等，2017；梁姍姍等，2018).不同于以往發生在巴顏喀拉塊體周緣邊界的中強地震，此次瑪多7.4級地震是近年來唯一一次發生在該塊體內部的強震.地表位移滑動速率結果顯示，在塊體內部的位移量相對較小(Wang and Shen，2020；圖1)，為何在遠離滑動速率較大邊界的塊體內部發生此次7.4級強震，其發震機理受到科研工作者的廣泛關注.

圖1 2000年以來青藏高原及周邊地區強震活動與本次瑪多MS7.4地震位置箭頭代表GPS速度場(數據來自Wang and Shen，2020)，黑色方框為研究區.Fig.1 The location of strong earthquakes occurred in Tibetan Plateau and its surroundings since 2000 and Madoi MS7.4 earthquakeThe arrows indicate the GPS velocity field (from Wang and Shen, 2020), and the black box represents the study area.

1 數據分析與結果

1.1 余震序列精定位

基于青海省地震局提供的2021年5月22日02時至2021年5月31日02時震相到時資料，我們獲得了震中距在400 km以內，絕對走時殘差在2 s以內且至少有3個以上臺站所記錄的1288個事件.根據所選震相數據，共有39個臺站參與地震重定位(圖2a).在雙差重定位(HypoDD)過程中，P波走時賦予先驗權重為1.0，S波走時賦予先驗權重為0.5，地震對間最大距離為10 km，最小連接數是6.定位所用速度模型綜合了前人深地震測深和接收函數等的結果(嘉世旭等，2017；王椿鏞等，2008；張戈銘等，2019)(圖2b)，采用共軛梯度最小二乘法(LSQR)求解.雙差精定位后，共獲得1055個精定位地震事件，其沿E-W、N-S和U-D方向上的平均相對誤差分別是0.28 km，0.29 km和0.56 km，平均均方根殘差是0.1 s.

圖2 本研究所使用的(a)臺站分布和(b)速度模型Fig.2 (a) Distribution of seismic stations and (b) Velocity models used in this study

重定位后地震事件的水平位置顯示(圖3a)，瑪多7.4級地震序列位于瑪多—甘德斷裂和甘德南緣斷裂之間，余震序列整體呈SEE-NWW向條帶狀分布，與兩條斷裂走向近平行.余震自主震位置分別沿SEE向和NWW向展布，斷層面整體破裂長度約180 km，且瑪多地震序列在平面上并非連續，呈現出分段性特征；在主震東西兩側出現2處較明顯的余震空區或稀疏區(圖3a中淡綠色橢圓所示).另外，地震序列東側末端的余震數量較多，并表現出明顯的多分支特征，相對SEE-NWW向的地震序列分布逆時針旋轉約30°，最大余震分支呈近EW向分布，末端余震沿水平方向向東延伸，橫穿瑪多—甘德斷裂和西藏大溝—昌馬河斷裂.重定位地震事件垂直剖面圖顯示(圖3b)，震源深度主要分布在4～14 km深度范圍內，均為淺源型地震，這可能是此次地震造成較多地表破裂的重要原因.穿過主震且垂直于余震展布方向的剖面FF′顯示出發震斷層接近直立(圖3c)，橫剖面BB′、CC′、DD′、EE′、GG′和HH′中余震同樣顯示發震斷層較陡或者接近直立的特征，符合走滑型地震余震展布特征(房立華等，2015).在余震序列東側尾端的JJ′剖面，可以清楚的看出，存在兩個近垂直的斷層面，并且震源深度相比其他地區有變深的趨勢.結合主震震源機制的結果(張喆和許力生，2021)，地震序列精定位空間展布與NWW斷層面走向一致，我們推斷瑪多7.4級地震為一次高傾角的左旋走滑型地震，發震斷層為一條位于瑪多—甘德斷裂與甘德南緣斷裂之間的一條未知斷裂.

圖3 青海瑪多地震序列重定位震中分布(a)與剖面圖(b和c)其中五角星表示瑪多主震，圓圈表示余震，圓的大小對應震級大小，不同顏色代表余震相對主震的發生時間，AA′為沿余震走向方向的剖面，BB′、CC′、DD′、EE′、FF′、GG′和HH′為垂直余震走向的剖面，II′和JJ′為垂直末端余震走向的剖面；橢圓區域表示余震稀疏區.Fig.3 Top view (a) and cross sections (b and c) maps of the relocated Madoi, Qinghai earthquake sequenceStar denotes Madoi mainshock, circles are aftershocks, the size and color of which show magnitude and time after mainshock. AA′ is cross-section along the extending direction of aftershocks. BB′, CC′, DD′, EE′, FF′, GG′ and HH′ are perpendicular to the extending direction of aftershocks，II′ and JJ′ are perpendicular to the extending direction of end aftershocks; The ellipse denotes the sparse aftershock region.

1.2 震源機制反演

為了更好地了解瑪多地震序列發震構造，我們利用近震全波形矩張量反演方法求取瑪多MS4.0以上余震的震源機制解.本文選取了高信噪比、記錄完整以及臺站方位角和離源角均覆蓋良好的寬頻帶數字臺站的三分量波形資料進行震源機制反演.根據選取原則，共有15個臺站參與震源機制反演(圖2a).在反演前，首先對原始波形做預處理，包括去除儀器響應、去傾斜、去平均值及濾波等處理.濾波頻帶上限頻率主要受震中距、地震大小和地殼速度結構模型的影響，下限頻率則應盡可能低，以降低背景噪聲干擾.根據震級大小不同，選取不同濾波頻帶對波形記錄進行二階巴特沃斯帶通濾波(表1).

表1 瑪多7.4級地震中強余震震源參數表Table 1 Source parameters of the moderate aftershocks of the Madoi MS7.4 earthquake

反演過程中，采用雙差重定位后的地震目錄為參數，以震中位置為起始點，震源深度方向搜索范圍為1～21 km，深度步長為1 km，矩心時間偏移的搜索范圍設為發震時刻前后2.25 s，時間步長為0.1 s，采用雙力偶機制反演模式，基于單一點源模型在時間和空間范圍搜索震源機制最優解.將震源機制反演得到的波形互相關系數作為震源深度的函數，反演不同深度的震源機制解，以最大波形擬合系數相應的震源深度和震源機制解為最佳結果.其中震源機制反演采用和地震定位相同的一維速度模型(圖3b)，應用離散波數法(Kennett and Kerry，1979；Bouchon，1981)計算得到格林函數，采樣頻率為1 Hz.

圖4 2021年5月22日瑪多MS5.1地震矩心深度與波形互相關關系Fig.4 Centroid depth and cross-correlation coefficient of the Madoi MS5.1 earthquake on May 22, 2021

經過對青海瑪多7.4級余震事件波形的仔細篩選，本文得到了15個MS≥4.0余震事件的震源機制解，具體震源參數如表1和圖6所示.需要說明的是，主震發生后，截至2021年5月30日，震源區共發生17次MS≥4.0的中強余震，但由于2次余震(22日03時03分，22日03時49分)信號完全淹沒在持續振蕩的主震尾波中，導致記錄臺站信噪比低，很難得到這2次地震的震源機制結果.

圖5 瑪多MS5.1地震最佳反演結果對應的觀測波形(黑色)與擬合波形(紅色)比較圖Fig.5 Comparison of observed (black) and synthetic (red) waveform for the Madoi MS5.1 earthquake corresponding to the best inversion results

為了評估所得震源機制的穩定性，我們采用大折刀法對本研究所得15次地震進行斷層面參數不確定性分析(Boyd et al.，2015).具體而言，每一個地震事件在選擇參加反演的15個臺站中，按照依次減少一個臺站(圖6a)或一個分量(圖6b)波形資料進行多次反演.圖6將所有反演震源機制投影到同一個震源球上，由該圖可以看出，所有地震事件斷層面節面線分布均較為集中，說明多次反演結果比較穩定，反演結果可信.

圖6 采用大折刀法分析斷層面參數不確定性沙灘球上方字符串表示表1中對應的地震序號，黑線和紅線表示不同數據組反演震源機制解所對應的節面.(a) 每次反演減少1個臺站； (b) 每次反演減少1個分量.Fig.6 Uncertainties analysis of fault plane parameters using Jackknife methodThe numbers above the beach ball correspond to the index numbers of earthquakes listed in the Table 1, the node planes obtained from different data sets for inversion of focal mechanism solutions are drawn by black line and red line. (a) Removing one station at each inversion; (b) Removing one component at each inversion.

震源機制解反演結果表明(圖7)，瑪多地震中強余震序列震源錯動較為簡單，斷層運動多為走滑型，表明瑪多震源區內變形主要以平移錯動為主.但是，這些地震的斷層面走向卻具有差異性.瑪多MS7.4主震與3次余震震源機制解(事件4、事件7和事件9)比較接近，其實際發震斷層面走向與余震展布方向相一致.位于主震西側的地震事件2、8、10、12和14震源機制的走向和傾角顯著變化，說明發震斷層面并非簡單的平面結構.另外，主震東側末端的事件3和13均為逆沖型事件，表現為擠壓變形特征，從余震的分布來看，該區域斷層破裂方向轉為NEE，在斷層彎曲轉換處產生了擠壓型地震.此次瑪多7.4級地震序列震源類型的不同，反映了震源應力場的變化(魏柏林，1980)，表明后期的余震活動與發震并不局限于主震的破裂機制，會受到局部應力調整從而形成新的震源破裂機制.事件5和事件6位于主震破裂區外圍的東昆侖斷裂和布爾汗布達山—昆侖中斷裂，表現為近直立的左旋走滑型地震，推測可能是瑪多7.4級地震觸發的地震活動.

圖7 瑪多MS7.4主震和部分中強余震震源機制解平面和剖面圖Fig.7 Top view (a) and cross-section (b) maps showing the focal mechanism solutions of the Madoi MS7.4 mainshock and partial moderate strong aftershocks

1.3 區域應力場

從應力體系上看，震源區最大水平主壓應力軸σ1的方位為NEE向(58°)， 傾伏角為5°；中間壓應力軸σ2的方位為NWW向(323°)，傾伏角為41°；最小主壓應力軸σ3的方位為SSE向(154°)，傾伏角為48°(圖8b).應力場反演結果表明，研究區域整體的背景應力場具有近EW向擠壓應力場特征，與巴顏喀拉塊體的水平最大主應力方向總體上為東西向(范桃園等，2013)具有較好的一致性，反映了青藏高原持續受到印度板塊向歐亞板塊俯沖擠壓的構造應力場的影響，表現為巴顏喀拉地塊現今整體向東方向運動的特征，出現構造逃逸現象.此外，應力場反演還給出了3個主應力軸σ1、σ2和σ3的相對應力大小值為0.96，即應力形因子值R(R=(σ1-σ2)/(σ1-σ3))，應力形因子值R接近1，表明σ1?σ2≈σ3.同時，震源區水平最大主應力軸σ1分布集中(圖8b)，傾伏角近水平，而其他兩個主應力軸σ2、σ3分布比較分散，具有高傾伏角，表明應力體系走滑和逆斷層性質同時存在，與震源區震源機制既有走滑型又有擠壓型較為一致.

圖8 瑪多地震序列震源處應力場反演(a) P/T軸； (b) 主應力軸置信.Fig.8 Stress field inversion in focal region of the Madoi earthquake sequence(a) P/T axes； (b) Confidence of principal stress axes.

2 討論

2.1 余震序列時空分布特征

本研究采用雙差定位方法獲得瑪多7.4級地震序列1055個事件的精定位結果.重定位結果顯示，余震分別沿NWW向和SEE向展布，破裂長度約180 km，且主震發生后的2 h內主要分布在東側，表明主震造成的斷層破裂為不對稱雙側擴展模式.在整個斷裂帶上，余震分布表現出明顯的非均勻性，比如在主震的東側存在約15 km的余震空區(圖3a).有限斷層反演結果顯示該區域是斷層深部滑移量較大區域(http:∥www.cea-igp.ac.cn/)，可能暗示在主震引發的斷層破裂過程中該段能量得以充分釋放，因此產生的余震個數較少.另外，在主震的西側也存在有多個余震稀疏區，結合震源機制解斷層面傾角的變化，我們推測斷層破裂面并非簡單的平面結構，可能存在凹凸體(易桂喜等，2019)，斷層面結構的復雜性造成了余震空間分布表現出分段的密集分布特征(圖3b).余震擴展的另外一個顯著特征是在斷層的兩端出現多個分支破裂，比如在主震東側末端，余震序列顯示出兩條與主震斷層不一致的擴展方向，優勢方向由SEE轉為NEE，且兩條分支破裂近平行，切穿了北西向的瑪多—甘德和西藏大溝—昌馬河斷裂.同樣，在發震斷層的西側末端，出現了偏離主斷裂的NW向余震條帶，表明瑪多7.4級地震觸發了分支斷層活動.瑪多7.4級地震豐富的余震序列，與震源區復雜的地質構造密切相關.比如震源區存在的瑪多—甘德和西藏大溝—昌馬河等近平行斷裂，且主震東部與多條斷層交匯，在這樣的構造背景下更易于產生分支斷層破裂而導致后續余震的頻繁發生.

2.2 發震斷層結構

震源機制反演結果顯示，瑪多地震中強余震序列震源錯動多為走滑型，表明震源區內變形或破裂主要以水平錯動為主.但是，這些地震的斷層面走向和傾角卻有顯著的變化(圖7)，表明大型走滑型地震發生時，復雜的平移錯動引起的淺部破裂面和深部破裂面是存在差異的.為此，結合余震分布及震源機制解，我們給出瑪多7.4級地震發震斷層的結構示意圖(圖9)，并采用精定位地震空間位置，擬合獲得斷層不同位置的傾角(萬永革等，2008；盛書中等,2014)，整體上發震斷層面較為陡立，但沿斷裂方向傾角存在一定的變化.值得注意的是，在破裂的兩端結構更為復雜，比如在主震破裂的東側，靠近瑪多—甘德斷裂和西藏大溝—昌馬河斷裂的兩次余震表現為逆斷性質，具有擠壓變形特征，該區域也是余震序列擴展方向轉變的區域(圖3a)，與主震相比，這兩次余震的震源性質發生了變化.我們推測，在主震發生時，走滑型破裂面尾端可能受到東側兩條斷層或東南側相對強硬物質的阻擋，局部受到擠壓變形從而在東端部產生了擠壓型地震(圖9).

圖9 瑪多MS7.4地震發震斷層結構示意圖其中σ1表示最大主壓應力方向，主斷裂不同位置數字代表分段斷層傾角.Fig.9 Sketch of seismogenic fault structure of Madoi MS7.4 earthquakeσ1 indicates the direction of maximum principal compressional stress. The numbers in the fault plane represent the dip angles of fault segments.

2.3 孕震動力機制

區域應力場反演結果表明，瑪多震區構造應力場最大主壓應力軸為近東西向，具有低傾伏角特征，與地表GPS速度場反映的運動方向具有較好的一致性(Wang and Shen，2020)，表明青藏高原持續受到印度板塊向歐亞板塊擠壓的構造應力場影響.現今巴顏喀拉塊體整體表現出往東方向的運動特征，此次瑪多7.4級地震是巴顏喀拉地塊最新活動的結果，反映了巴顏喀拉地塊的東向“逃逸”運動(Xu et al., 2013a；聞學澤，2018).巴顏喀拉地塊位于青藏高原中北部，是青藏高原構造活動最強地區.近20年來，青藏高原的強震活動均分布在巴顏喀拉地塊周緣邊界(圖1)，但巴顏喀拉塊體內部地震并不活躍，僅在1947年發生一次M7.7達日地震(梁明劍等，2020；劉雷等，2021).深部速度結構結果顯示，在瑪多MS7.4地震震源區下方20～40 km存在顯著的低速異常體(Xin et al., 2019; Huang et al., 2020)，暗示深部結構異常對淺部地震發生具有一定的影響，中下地殼相對軟弱的物質流(Clark and Royden, 2000)更容易導致上覆脆性層存儲能量.綜上我們認為印度板塊向北俯沖擠壓歐亞板塊的長期應力積累(鄧起東等，2010；2014；高翔和鄧起東，2013)和中下地殼低速物質(王椿鏞等，2008；嘉世旭等，2017)的共同作用是瑪多7.4級地震的動力來源.關于瑪多7.4級地震，也給予我們一些啟示，在關注大地震空區及水平滑移速率較大塊體邊界帶的同時，也需重視地表相對滑動速率偏低的塊體內部區域.此次瑪多7.4級地震所處的巴顏喀拉塊體雖然整體上滑動速率約～10 mm·a-1(Wang and Shen，2020)，但在塊體內部震源區的相對滑動速率較低.類似于2008年汶川8.0級地震，在震前橫跨整個龍門山斷裂帶的滑動速率不超過～2 mm·a-1，但卻產生了地表破裂近300 km的破壞性大震(張培震等，2008)，因此我們推測淺部的水平運動與深部的能量積累可能存在差異.前人大量研究結果表明深部流體或低速物質沿斷裂等薄弱帶的向淺部侵入對地震的發生具有顯著的觸發作用(雷建設等,2009；吳建平等,2009；李志偉等，2011；鄭勇等,2013；Zhang et al., 2019)，結合最新的大地電磁測深結果揭示的瑪多震源區下方廣泛分布的低速高導層(詹艷等，2021)，本研究認為此次MS7.4地震孕震層下方的低速異常(Xin et al., 2019; Huang et al., 2020)可能是強震發生的主要觸發因素.

3 結論

本研究對2021年5月22日青海瑪多7.4級地震開展余震序列精定位、中強地震震源機制和區域應力場研究，結果展示出發震斷層破裂延展長度約180 km,主震為左旋走滑型機制；主震處斷層面較為陡立，但沿斷裂方向斷層面傾角具有明顯變化，結合余震時空分布的非均勻性，暗示發震斷層面的幾何形態并非簡單的平面結構；另外，主震觸發了東西兩端的分支斷裂活動，表明震源區斷層系統較復雜.此次瑪多7.4級地震更加印證了印度板塊與歐亞板塊的持續碰撞作用，說明巴顏喀拉塊體仍處在活躍期.

致謝感謝評審專家提出的寶貴修改意見；感謝編輯部的高效評審；感謝中國地震臺網中心、青海省地震局等相關工作人員在震后夜以繼日的辛苦工作，為本研究提供了寶貴的震相觀測資料和地震波形數據.