瑪曲MS4.4地震震源機(jī)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(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,甘肅 蘭州 730000;3.中國(guó)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)地區(qū)的地震活動(dòng)序列實(shí)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(dòng)會(huì)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(gè)區(qū)域的不同斷裂上[4]。利用甘肅、青海和四川臺(tái)網(wǎng)寬頻帶地震波形記錄反演了瑪曲MS4.4地震震源機(jī)制,為研究該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化及地震活動(dòng)性提供參考依據(jù)。參照不同機(jī)構(gòu)給出的青海瑪多MS7.4地震震源機(jī)制解和靜態(tài)庫(kù)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(shí)刻和所處的斷層分布等情況,對(duì)兩次地震是否存在聯(lián)系進(jìn)行探討。

1 瑪曲MS4.4地震震源機(jī)制解反演

由于瑪曲MS4.4地震能量相對(duì)較小,不利于由遠(yuǎn)場(chǎng)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(jī)制解方法。該方法的優(yōu)勢(shì)是計(jì)算所需臺(tái)站少、反演結(jié)果對(duì)速度模型依賴性較小[5-7]。計(jì)算時(shí)將寬頻帶地震記錄分成Pnl和面波兩個(gè)部分進(jìn)行反演,并允許他們相對(duì)浮動(dòng),在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間變化范圍內(nèi),搜索出合成地震圖和觀測(cè)地震圖全局差異最小的震源機(jī)制解。由于計(jì)算時(shí)提高了Pnl的權(quán)重,對(duì)地震深度約束較為理想,同時(shí)引入距離影響因子,避免反演受最近臺(tái)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(jī)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(tái)(TOR)、瑪曲臺(tái)(MQT)、大武臺(tái)(DAW)、班瑪臺(tái)(BAM)、松潘臺(tái)(SPA)、合作臺(tái)(HZT)和若爾蓋臺(tái)(REG)7個(gè)寬頻帶數(shù)字地震記錄用于反演震源機(jī)制解(表1)。臺(tái)站分布均勻合理,對(duì)此次地震包圍較好,在臺(tái)站分布上最大程度減小了對(duì)反演結(jié)果的影響。

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

地震引起的位移計(jì)算主要依賴于地震震源和地震波傳播路徑,所以在計(jì)算時(shí)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(jì)算理論地震圖,得出合成地震圖和觀測(cè)地震圖全局差異最小的震源機(jī)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(jì)算中,持續(xù)時(shí)間設(shè)置為1 s,體波與面波截取波形窗長(zhǎng)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(dòng)角搜索步長(zhǎng)5°,深度步長(zhǎng)2 km。圖1給出了最佳擬合深度處7個(gè)地震臺(tái)站記錄的部分理論波形和實(shí)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(shí)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(cè)地震圖,左邊是臺(tái)站名和相應(yīng)的震中距,每行波形下面是相應(yīng)分量的時(shí)間偏移量(單位:s)及互相關(guān)值)圖1 觀測(cè)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(cè)地震圖全局差異最小的震源機(jī)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(qiáng)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(dá)木地塊兩個(gè)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(dòng)斷裂系統(tǒng),全長(zhǎng)約1 800 km,其展布方向與塊體運(yùn)動(dòng)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(qiáng)烈左旋走滑、平均滑動(dòng)速率10.0～12.5 mm/a[15]。圖3中給出了瑪曲MS4.4地震震源機(jī)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(guó)內(nèi)外不同機(jī)構(gòu)給出的青海瑪多MS7.4強(qiáng)震震源機(jī)制解結(jié)果,總體而言不同機(jī)構(gòu)得到的震源機(jī)制解結(jié)果較為一致。本文以中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的震源機(jī)制解結(jié)果為準(zhǔn),將其與瑪曲MS4.4地震震源機(jī)制解相比較,可以發(fā)現(xiàn)兩次地震震源機(jī)制解反演的的走向、傾角基本一致;瑪曲地震節(jié)面Ⅱ滑動(dòng)角為-38.7°、瑪多地震不同機(jī)構(gòu)給出的滑動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)間接近;結(jié)合兩次地震的震源機(jī)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(jìn)一步探討。

圖3 瑪曲MS4.4地震震中(紅色實(shí)心圓圈)與對(duì)應(yīng)的震源機(jī)制解、反演選用臺(tái)站(藍(lán)色實(shí)心三角)、 斷層(紅色實(shí)線,據(jù)鄧起東等,2002[16])和瑪多MS7.4地震震中(黃色實(shí)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(jī)制解(表3),參照Graphic-Rich Deformation and Stress-Change Software[18]對(duì)瑪多地震應(yīng)力分布進(jìn)行了靜態(tài)庫(kù)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(dòng)方向上。ΔCFS計(jì)算公式可表達(dá)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(dá)為:

ΔP=-β/3(∑Δτii)

(2)

式中:Δτii是應(yīng)力張量對(duì)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(duì)ΔCFS影響較小[21]。

計(jì)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(kù)倫應(yīng)力變化圖像。計(jì)算所采用的水平分層地殼模型同表2所列,考慮到滑動(dòng)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(jì)算摩擦系數(shù)μ取值0.3。發(fā)震斷層參數(shù)選用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的震源機(jī)制解結(jié)果(表3)。破裂面長(zhǎng)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(dòng)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(jī)構(gòu)給出的青海瑪多MS7.4地震震源機(jī)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(jì)算結(jié)果如圖4所示。瑪多MS7.4強(qiáng)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(jī)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(chǎng)位置來看,雖然震中位置距離瑪多強(qiáng)震超過200 km,但庫(kù)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(kù)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(jī)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(shí)線,據(jù)文獻(xiàn)[16])和瑪多MS7.4、瑪曲MS4.4地震震中(紅色實(shí)心五角星)圖4 青海瑪多MS7.4地震靜態(tài)庫(kù)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(duì)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(shí)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(cuò)產(chǎn)生的庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化,對(duì)其他斷層上的地震過程的影響范圍可能達(dá)到幾百至上千公里[26],當(dāng)同震庫(kù)倫破裂應(yīng)力大于0.1 bar(≈0.01 MPa)時(shí),就可以對(duì)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(shí)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(chǎng)的高度一致性使得相鄰斷裂對(duì)同向應(yīng)力的改變極為敏感,這就使較遠(yuǎn)距離、相關(guān)性較弱的地震觸發(fā)成為一種可能的機(jī)制,一個(gè)合理的解釋是:瑪曲地震發(fā)震斷裂在長(zhǎng)期的變形過程中積累應(yīng)力已接近破裂臨界點(diǎn),當(dāng)受到外界應(yīng)力突然改變(瑪多強(qiáng)震帶來的應(yīng)力改變量)時(shí)才出現(xiàn)失穩(wěn),導(dǎo)致了瑪曲MS4.4地震的提前發(fā)生。

青海瑪多MS7.4地震后,學(xué)術(shù)界一個(gè)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(shí)間已經(jīng)超出或者接近其復(fù)發(fā)周期[23]。瑪曲MS4.4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(duì)瑪曲MS4.4地震發(fā)震機(jī)理的研究對(duì)推進(jìn)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(jī)制解,通過擬合誤差、臺(tái)站空間分布等自檢結(jié)果較好。對(duì)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(shí),認(rèn)為該地震震源機(jī)制解反演結(jié)果可信,為研究該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化及地震活動(dòng)性提供必要的參考依據(jù)。

瑪曲及周邊地區(qū)長(zhǎng)期受青藏塊體推擠作用,將甘肅瑪曲地震和青海瑪多地震的震源機(jī)制解對(duì)比發(fā)現(xiàn):兩次地震震源機(jī)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(yùn)動(dòng)特征均以左旋走滑為主。根據(jù)瑪多MS7.4地震靜態(tài)庫(kù)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(dòng),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(duì)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(shí)間和震中距等因素,初步判斷瑪曲MS4.4地震是瑪多MS7.4強(qiáng)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(shí)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(duì)瑪曲—瑪沁段大震復(fù)發(fā)周期的指示意義值得進(jìn)一步研究。