2021年青海瑪多MW7.4地震震后余滑研究

張 宇 汪建軍,2,3 劉 洋,2,3 熊 維,4

1 武漢大學(xué)測繪學(xué)院,武漢市珞喻路129號(hào),430079

2 武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢市珞喻路129號(hào),430079

3 自然資源部地球物理大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢市珞喻路129號(hào),430079

4 中國地震局地震研究所,武漢市洪山側(cè)路40號(hào),430071

研究大地震的震后時(shí)變機(jī)制,對(duì)認(rèn)識(shí)地震破裂與發(fā)震環(huán)境的關(guān)系,探索地震斷層的震后運(yùn)動(dòng)行為、摩擦性質(zhì)及巖石圈流變結(jié)構(gòu)等具有重要意義[1]。地震斷層發(fā)生同震錯(cuò)動(dòng)后,斷層面的震后余滑會(huì)導(dǎo)致地殼產(chǎn)生形變,許多地震的早期震后形變可以用余滑模型來解釋。目前用于解釋震后余滑形變的模型包括運(yùn)動(dòng)學(xué)余滑模型和基于速率-狀態(tài)摩擦準(zhǔn)則的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型。2021-05-22青海瑪多發(fā)生MW7.4地震,震中為98.34°E、34.59°N,震源深度約17 km。余震精定位結(jié)果顯示,地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體北部的NW-W向昆侖山口-江錯(cuò)斷裂帶[2-3]。布設(shè)在瑪多地區(qū)的GPS連續(xù)運(yùn)行參考站記錄了地震的震后高時(shí)空分辨率形變信息[4-5]。學(xué)者們利用大地測量觀測數(shù)據(jù),通過運(yùn)動(dòng)學(xué)余滑模型反演震后余滑[3,6-7],同時(shí)利用應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型解釋震后形變時(shí)空特征[7]。本文采用瑪多地震震后160 d的GPS形變時(shí)間序列數(shù)據(jù),利用基于速率-狀態(tài)摩擦準(zhǔn)則的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型[8],正演此次瑪多地震的震后余滑分布,以分析該地震的震后余滑特征及斷層摩擦屬性。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 震后位移和斷層模型

瑪多地震后,學(xué)者們使用不同的觀測數(shù)據(jù)給出各自的斷層滑動(dòng)分布模型[5-6],所得滑移大小和地震矩基本相同。震后早期余滑(約160 d)形變由位于發(fā)震斷層約50 km內(nèi)的16個(gè)連續(xù)GPS (cGPS)站記錄得到,其中13個(gè)站點(diǎn)在主震后10 d內(nèi)建立,另外3個(gè)在2021年之前建立(圖1)。本文使用的數(shù)據(jù)為Xiong等[5]剔除16個(gè)cGPS站點(diǎn)數(shù)據(jù)的震間形變場和季節(jié)性變形后得到的震后早期形變時(shí)間序列,形變表現(xiàn)出對(duì)稱特征,符合高傾角斷層及以走滑為主的滑動(dòng)機(jī)制。值得注意的是,4454站點(diǎn)僅記錄到微弱的震后位移,表明該站點(diǎn)附近幾乎沒有發(fā)生余滑,這一結(jié)論同樣體現(xiàn)在InSAR觀測和運(yùn)動(dòng)學(xué)反演結(jié)果中[6-7]。

圖1 GPS參考站分布

本文采用Jin等[9]利用InSAR觀測數(shù)據(jù)反演的瑪多地震同震滑動(dòng)模型作為同震輸入模型,通過應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型擬合Xiong等[5]處理得到的震后早期形變時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

1.2 震后余滑模型

使用Relax程序[10]模擬瑪多地震震后余滑引起的地表形變。應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型描述的是地震斷層在受同震應(yīng)力加載和斷層面摩擦參數(shù)控制下的震后滑動(dòng)行為。根據(jù)速率-狀態(tài)摩擦準(zhǔn)則,以同震破裂在斷層面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力變化為應(yīng)力初始條件,當(dāng)給定斷層的摩擦參數(shù)(a-b)σ和參考速率V0時(shí),可計(jì)算斷層面的震后余滑和地表形變隨時(shí)間的演化。與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型相比,應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型顧及了同震滑動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力變化和斷層面的摩擦參數(shù)對(duì)震后余滑行為的控制作用。在應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型中,同震庫侖應(yīng)力的增加促進(jìn)了斷層繼續(xù)滑動(dòng)[11]。斷層滑動(dòng)速率可以表示為:

(1)

式中,V為斷層的震后余滑滑動(dòng)速率,Δτ為同震剪應(yīng)力變化,V0為參考滑動(dòng)速率,(a-b)σ為0.1～10 MPa范圍內(nèi)的本構(gòu)參數(shù),σ為斷層面上的有效正應(yīng)力。

本文取剪切模量為30 GPa,泊松比為0.25,摩擦系數(shù)為0.6。采用Barbot等[12]的方法計(jì)算應(yīng)力變化的同震滑動(dòng)模型,即假設(shè)同震滑動(dòng)量較大的區(qū)域是速度弱化區(qū)域,不參與震后蠕滑。為使同震滑動(dòng)和余滑之間的重疊區(qū)域允許發(fā)生余滑,去除同震滑動(dòng)峰值30%以下的滑動(dòng)量,以集中同震滑動(dòng)分布;然后將其余的滑動(dòng)量放大,以保持地震矩不變[12-13]。

實(shí)際操作中,由于V0和(a-b)σ之間通常存在很強(qiáng)的相關(guān)性,不可能獨(dú)立確定。盡管改變(a-b)σ的值會(huì)導(dǎo)致搜索結(jié)果不同,但并不能通過數(shù)據(jù)擬合來區(qū)分不同的(a-b)σ的值[14],這種相關(guān)性正是Barbot等[12]認(rèn)為不能賦予V0任何特定物理意義的部分原因。因此,本文遵循以往使用Relax軟件的方法,將(a-b)σ的值固定為5 MPa,以降低搜索的復(fù)雜程度[11]。

2 結(jié)果分析

震后形變機(jī)制主要包括同震應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的震后余滑、下地殼和上地幔粘彈性松弛和地殼淺部的孔隙彈性回彈。為評(píng)估除震后余滑外的震后形變機(jī)制是否參與了震后早期形變,參考Huang等[15]研究巴顏喀拉塊體內(nèi)斷層相互作用時(shí)使用的下地殼和上地幔粘滯系數(shù)(下地殼1018～1019Pa·s,上地幔1020Pa·s),使用Relax軟件計(jì)算瑪多地震震后160 d粘彈性松弛引起的累積地表形變,預(yù)測水平位移小于6 mm,遠(yuǎn)小于GPS觀測值。采用Jin等[9]的同震滑動(dòng)模型,利用地震前后泊松比的變化計(jì)算地表形變場,并對(duì)其進(jìn)行差分,得到平衡狀態(tài)的孔隙彈性響應(yīng)形變,預(yù)測水平位移不足1 mm,表明孔隙回彈引起的形變可忽略不計(jì)。

2.1 余滑模型1

假定震后斷層余滑面與同震斷層滑動(dòng)面完全重合。由于瑪多地震以走滑分量為主,震后GPS形變觀測數(shù)據(jù)的EW分量整體遠(yuǎn)大于NS分量,故擬合GPS觀測數(shù)據(jù)時(shí)僅使用EW分量計(jì)算殘差,而用NS分量作定性比較。通過改變V0的值對(duì)地表震后EW向形變時(shí)間序列進(jìn)行擬合,得到最優(yōu)擬合參數(shù)為V0=1.5 m/a,RMS=0.76 cm,從而得到GPS站點(diǎn)震后形變時(shí)間序列(圖2和3)和余滑分布(圖4(a))。可以看出,震后余滑主要分布在同震斷層顯著滑動(dòng)的下傾和兩側(cè)區(qū)域,最大滑移量為0.67 m。余滑模型1所得的地表形變?cè)诰嚯x斷層跡線較近的GPS站點(diǎn)處均大于觀測數(shù)據(jù),而較遠(yuǎn)站點(diǎn)處則明顯小于觀測值,且大部分站點(diǎn)具有比模型1更明顯的衰減趨勢。根據(jù)前人研究結(jié)果[9,16],瑪多地震發(fā)震斷層的摩擦屬性在深度上可能存在差異,因此進(jìn)一步構(gòu)建在深部和淺部具有不同摩擦屬性的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型(模型2)。

圖2 應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型模擬的震后地表EW向形變與GPS觀測數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型模擬的震后地表NS向形變與GPS觀測數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 最佳擬合余滑分布

2.2 余滑模型2

基于余滑模型1的結(jié)果,通過大量正演實(shí)驗(yàn)測試余滑界面位置和摩擦屬性分層深度的影響,最終將震后余滑對(duì)應(yīng)的不同摩擦屬性深度分界設(shè)定為13 km(圖5)。余滑模型2以該深度為界,對(duì)不同深度的余滑界面設(shè)置不同的參考滑動(dòng)速率V0[17],并參考運(yùn)動(dòng)學(xué)余滑結(jié)果[5-7]約束斷層兩端7 km深度以上的淺部余滑。

圖5 不同摩擦屬性分界深度對(duì)應(yīng)的最小殘差

圖6 余滑模型2對(duì)應(yīng)的擬合殘差

3 討 論

3.1 參數(shù)敏感度測試

為測試不同同震模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,在其余參數(shù)不變的情況下,分別使用Wang等[18]和Zhao等[7]的同震滑動(dòng)模型計(jì)算余滑模型2的震后地表LOS向形變,并與本文結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由圖7可知,不同模型結(jié)果的主要特征比較接近,均沿走向分布在斷層跡線兩側(cè),但地表形變分布的集中程度不同,差異主要在斷層附近。本文得到的模擬結(jié)果在形變分布和量級(jí)上介于Wang等[18]和Zhao等[7]的結(jié)果之間。

圖7 不同同震模型的LOS向形變模擬結(jié)果

3.2 與前人結(jié)果比較

Xiong等[5]和He等[6]利用運(yùn)動(dòng)學(xué)余滑模型反演得到的滑動(dòng)模型均能較好地解釋瑪多地震的震后短期大地測量觀測數(shù)據(jù)。Xiong等[5]認(rèn)為,余滑主要發(fā)生在同震破裂下側(cè),同震破裂區(qū)域基本沒有發(fā)生滑移,最大滑動(dòng)量約為0.3 m,約位于14 km深度處。He等[6]認(rèn)為,余滑主要發(fā)生在同震破裂下傾區(qū)域,余滑峰值為0.3 m,約位于20 km深度處。運(yùn)動(dòng)學(xué)震后余滑特征的差異可能與采用的數(shù)據(jù)不同有關(guān)。Zhao等[7]采用InSAR形變約束的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑結(jié)果表明,余滑主要分布在發(fā)震斷層的深部,淺部幾乎沒有發(fā)生余滑,滑動(dòng)峰值為0.8 m,位于約10 km深度處,與本文余滑集中區(qū)域一致,量級(jí)接近余滑模型1的結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文采用應(yīng)力驅(qū)動(dòng)余滑模型對(duì)2021年青海瑪多MW7.4地震的震后余滑進(jìn)行模擬,較好地解釋了瑪多地震震后160 d的GPS形變觀測數(shù)據(jù),獲得了地震的震后余滑特征。瑪多地震的震后余滑主要發(fā)生在同震斷層顯著滑動(dòng)的下傾和兩側(cè)區(qū)域,集中分布在5～15 km深度(占總量80%),最大滑移量達(dá)1.24 m,累積釋放地震矩1.08×1019Nm,相當(dāng)于MW6.62地震。以13 km為界,淺部和深部在最優(yōu)擬合下對(duì)應(yīng)的V0分別為6.50 m/a和0.15 m/a,表明斷層摩擦屬性存在深度差異。