東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段斷層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場(chǎng)特征研究

周 琳 李 君 張 佩 靳 源

1 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安市西影路316號(hào)，710054

東昆侖斷裂帶是青藏高原東北部一條重要的NWW向邊界斷裂，也是中國(guó)大陸內(nèi)部一條巨型左旋走滑為主的活動(dòng)性斷裂構(gòu)造，晚第四紀(jì)以來活動(dòng)十分強(qiáng)烈。東昆侖斷裂帶東段瑪沁-瑪曲段幾何結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜，地處人口較多的地震空段，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視，專家學(xué)者從歷史地震地表破裂展布、長(zhǎng)期滑動(dòng)速率和古地震復(fù)發(fā)序列等方面進(jìn)行了大量的分析和討論。結(jié)果表明，東昆侖斷裂帶存在明顯的滑動(dòng)速率遞減現(xiàn)象，東昆侖斷裂帶中西段滑動(dòng)速率較高，東段滑動(dòng)速率較低，總體趨勢(shì)是在瑪沁-瑪曲段發(fā)生了速率遞減。但對(duì)于為什么在瑪沁-瑪曲段發(fā)生速率遞減，目前存在分歧[1]，對(duì)于東昆侖斷裂的東延問題也有不同的認(rèn)識(shí)。

精準(zhǔn)的地震定位結(jié)果能夠提供有效的地震活動(dòng)信息，可用來研究地震發(fā)生機(jī)制、地球內(nèi)部構(gòu)造、震源幾何結(jié)構(gòu)等問題。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是斷裂活動(dòng)與發(fā)生地震的基本原因，研究局部地區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)的變化對(duì)于判定地震危險(xiǎn)區(qū)及地震危險(xiǎn)性有重要意義。本文對(duì)東昆侖斷裂東段(瑪沁-瑪曲段)及周邊2009-01～2018-09的中小地震進(jìn)行了重新定位；通過CAP方法和區(qū)域阻尼應(yīng)力反演方法，獲取東昆侖斷裂東段及鄰區(qū)的ML≥3.5地震的震源機(jī)制解并反演區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)，探討東昆侖斷裂東段(瑪沁-瑪曲段)的斷層結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場(chǎng)分布特征。研究結(jié)果可為認(rèn)識(shí)東昆侖斷裂帶滑動(dòng)速率向東遞減現(xiàn)象在青藏高原東北緣動(dòng)力學(xué)特征中的作用提供地震學(xué)方面的證據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

近2 000 km長(zhǎng)的東昆侖斷裂帶是中國(guó)大陸內(nèi)部一條巨型左旋走滑為主的活動(dòng)性斷裂構(gòu)造，橫穿于青海省中部，是印度板塊向北與歐亞板塊碰撞過程中在青藏高原內(nèi)部產(chǎn)生的一系列大型走滑斷裂之一。有歷史記載以來，東昆侖斷裂帶曾發(fā)生5次MS7.0～7.9地震和1次MS8.1地震[2]。

東昆侖斷裂帶瑪沁-瑪曲段地處甘、青、川3省交匯區(qū)，位于地震較多的南北帶中段及中國(guó)東西部構(gòu)造和南北向構(gòu)造交匯部位，幾何結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜(圖1)，在阿尼瑪卿山與中鐵斷裂相交，在西貢周附近與阿萬倉(cāng)斷裂相交，全長(zhǎng)約330 km，總體走向295°，傾向以SW為主 ，傾角70°～80°，局部近直立[3]。廣泛分布的構(gòu)造地貌和古地震造成的破裂標(biāo)志表明，瑪沁-瑪曲段曾經(jīng)歷過多次活動(dòng)。瑪沁段位于阿尼瑪卿山以東，總體走向290°～300°，傾向SW，傾角60°～80°。瑪沁以西主要表現(xiàn)為逆走滑性質(zhì)，瑪沁以東主要為正傾滑性質(zhì)。東昆侖斷裂在101°E附近與阿萬倉(cāng)斷裂的東、西兩支相交(夾角約40°), 形成西貢周斷層交匯區(qū)。阿萬倉(cāng)斷裂全長(zhǎng)約200 km，總體走向310°，傾向NE，晚第四紀(jì)以來活動(dòng)性強(qiáng)，是一條全新世活動(dòng)左旋走滑逆沖斷裂[4]。瑪曲段總體走向280°～305°，斷層縱穿瑪曲盆地，在若爾蓋以北與塔藏?cái)嗔严嘟弧，斍鷶嗔讶率酪詠砘顒?dòng)強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng)。東昆侖斷裂帶中東部的滑動(dòng)速率，無論是構(gòu)造地貌還是古地震方法計(jì)算結(jié)果，都顯示在瑪沁-瑪曲段發(fā)生了遞減[4]。目前東昆侖斷裂帶上還存在著兩個(gè)無歷史地表破裂的地震空段，其中一個(gè)就是瑪沁-瑪曲段，以瑪曲為中心的長(zhǎng)約200 km的地震空區(qū)屬于危險(xiǎn)地點(diǎn)之一。

圖1 區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖Fig.1 Regional tectonic geological map

2 地震雙差定位

使用雙差定位方法對(duì)東昆侖斷裂東段(瑪沁-瑪曲段)2009-01-01～2018-09-30期間發(fā)生的M≥1.0中小地震進(jìn)行重新定位。雙差定位方法[5]是一種相對(duì)定位方法，其基本思想是：如果兩個(gè)地震震源之間的距離小于事件到臺(tái)站的距離和速度不均勻的尺度，那么震源區(qū)和這個(gè)臺(tái)站之間的整個(gè)射線路徑幾乎相同，這時(shí)在某個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到的兩個(gè)事件的走時(shí)差來自于事件之間的空間偏移。該方法利用信號(hào)的走時(shí)差反演震源位置，能夠有效地消除震源至臺(tái)站的共同傳播路徑效應(yīng)，對(duì)地殼速度模型的依賴性相對(duì)較小。該方法已在國(guó)內(nèi)外地震定位研究中取得許多重要成果。

由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心全國(guó)地震編目系統(tǒng)下載2009-01-01～2018-09-30東昆侖斷裂東段(33.5°～35.3°N，99°～103.5°E)M≥1.0地震的震相觀測(cè)報(bào)告，并將其轉(zhuǎn)換為雙差定位程序要求的震相和目錄格式。為保證方程解的穩(wěn)定，選取至少有4個(gè)臺(tái)站的記錄和6個(gè)震相記錄的地震作重新定位，參與反演計(jì)算的臺(tái)站個(gè)數(shù)為50，震級(jí)范圍在ML1～ML5.5之間。其中無震源深度地震46個(gè)，無爆破、塌陷等非天然地震事件。震相數(shù)據(jù)共計(jì)92 254條，本文使用的速度模型參考了該地區(qū)人工地震、層析成像等研究結(jié)果[6-7]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，定位前后的均方根殘差由0.679 s下降到0.517 s，震源位置誤差統(tǒng)計(jì)給出的EW、NS、UD方向的定位誤差平均值分別為0.047 km、0.047 km、0.418 km。采用雙差定位方法對(duì)地震進(jìn)行重定位后，最終獲得459個(gè)地震的重新定位結(jié)果。

圖2為東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段雙差定位后震中分布圖及沿不同投影剖面線的震源深度分布圖，可以看出，雙差定位后震中集中、緊湊地分布在斷裂帶兩側(cè)區(qū)域，條帶狀特征明顯。東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段的震中分布存在明顯的地震分區(qū)現(xiàn)象，在阿萬倉(cāng)斷裂與東昆侖斷裂的交匯處以西地震分布密集，經(jīng)過101°E交匯處之后地震向南沿阿萬倉(cāng)斷裂展開分布，向東沿迭部-白龍江斷裂西段展開分布。近10 a來瑪沁至若爾蓋的地震空區(qū)現(xiàn)象還在持續(xù)。在震源深度剖面上可以看出，東昆侖斷裂東段震源深度主要分布在2～30 km范圍內(nèi)，瑪沁段地震深度主要為20 km左右，傾向SW，斷層傾角較高(圖2(c))；阿萬倉(cāng)斷裂地震活動(dòng)性強(qiáng)，傾向NE(圖2(d))；迭部-白龍江斷裂可見震源深度為30 km的地震分布(圖2(e))。

圖2 定位后的震中分布及沿不同投影剖面線的震源深度分布Fig.2 Epicenter distribution after location and focal depth distribution along different projection profiles

3 震源機(jī)制解和震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)

震源機(jī)制解能給出發(fā)震斷層的錯(cuò)動(dòng)類型和力學(xué)機(jī)制，它含有大量的震源應(yīng)力場(chǎng)和震源破裂錯(cuò)動(dòng)信息，是人們深刻了解震源斷層動(dòng)力學(xué)特征、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)的有效途徑。用于反演震源機(jī)制解的3.5級(jí)以上地震波形數(shù)據(jù)由中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供，本文采用CAP(cut and paste)方法[8]反演東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段的震源機(jī)制解。CAP方法是一種基于區(qū)域數(shù)字地震波形資料反演震源機(jī)制解的方法，該方法將地震波形的體波和面波分離，對(duì)體波和面波分別賦予不同的權(quán)重，分別與理論地震圖進(jìn)行擬合，通過引入距離補(bǔ)償因子消除幾何擴(kuò)散產(chǎn)生的衰減對(duì)波形的影響，對(duì)求解中小地震的震源機(jī)制解具有明顯優(yōu)勢(shì)，目前CAP方法已在國(guó)內(nèi)外得到普通認(rèn)可。在進(jìn)行反演計(jì)算時(shí)，選取350 km范圍內(nèi)臺(tái)站信噪比較高的波形數(shù)據(jù)，速度模型與雙差定位所用的模型相同。震源函數(shù)持續(xù)時(shí)間設(shè)置為2 s左右，體波與面波分別截取30 s和70 s，帶通濾波頻帶為體波0.05～0.2 Hz、面波0.05～0.16 Hz，網(wǎng)格搜索時(shí)走向、傾角、滑動(dòng)角的搜索步長(zhǎng)設(shè)置為5°，深度步長(zhǎng)為1 km。最終反演得到14個(gè)地震的震源機(jī)制解。圖3是利用CAP方法反演2011-03-03 ML4.5地震震源機(jī)制解的波形擬合圖和不同深度的反演殘差圖，可以看出，CAP反演時(shí)的波形擬合較好，震源機(jī)制解形態(tài)隨深度變化穩(wěn)定。

圖3 CAP反演震源機(jī)制解的波形擬合和不同深度反演殘差圖(ML4.5地震)Fig.3 Waveform fitting of ML4.5 earthquake and residual graph at different depths

按照震源斷層分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本文得到的14個(gè)震源機(jī)制解結(jié)果進(jìn)行分類，其中逆沖型地震5個(gè)，走滑型地震7個(gè)，正斷型地震2個(gè)。本文得到的震源機(jī)制解結(jié)果與王曉山等[9]得到的南北地震帶中段震源機(jī)制解類型一致。東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段在101°E以東向東延伸分叉為3個(gè)主要分支，主干斷裂為瑪沁-瑪曲斷裂，經(jīng)黃河河谷瑪曲段，橫切若爾蓋盆地的北部地區(qū)向東逐漸消失；北支為迭部-白龍江斷裂；南支為阿萬倉(cāng)斷裂，這些斷裂均顯示強(qiáng)烈的走滑活動(dòng)的地貌特征。GPS形變觀測(cè)資料[10]和地質(zhì)資料[1]都顯示，在101°E附近滑動(dòng)速率發(fā)生了遞減。由圖4可以看出，在瑪沁-瑪曲段，經(jīng)過阿萬倉(cāng)斷裂與東昆侖斷裂交匯處(101°E附近)之后，滑動(dòng)速率從5.5±0.7 mm/a下降到2 mm/a，滑動(dòng)速率的降低造成了拉張的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，震源機(jī)制解類型也發(fā)生改變。101°E以西，瑪沁段震源機(jī)制解類型主要為逆沖型地震， 101°E附近出現(xiàn)了正斷型地震，阿萬倉(cāng)斷裂的震源機(jī)制解類型為走滑型地震，北支迭部-白龍江斷裂以西的震源機(jī)制解類型也為走滑型地震，這些結(jié)果與野外地質(zhì)踏勘得到的斷層性質(zhì)基本一致。瑪曲段晚第四紀(jì)的活動(dòng)性非常強(qiáng)烈，以左旋走滑性質(zhì)為主，與迭部-白龍江斷裂的走滑變形性質(zhì)一致。通過圖4(滑動(dòng)速率資料來源于文獻(xiàn)[1,11-12])中隱伏斷裂推斷，東昆侖斷裂帶向東可能連通了迭部-白龍江斷裂帶。從塊體運(yùn)動(dòng)的角度，迭部-白龍江斷裂是東昆侖斷裂帶的北側(cè)分支，瑪曲段的左旋走滑位移繼續(xù)沿北側(cè)的迭部-白龍江斷裂向東延伸，形成了一個(gè)連通的、向東傳遞的斷裂系統(tǒng)。

圖4 研究區(qū)域M≥3.5地震震源機(jī)制解及雙差定位后的震中分布Fig.4 Focal mechanisms of M≥3.5 earthquake in the studied area and epicenter distribution after double difference location

由震源機(jī)制解可以計(jì)算地震的應(yīng)力張量。根據(jù)滑動(dòng)擬合基本原理，假設(shè)斷層滑動(dòng)方向與應(yīng)力場(chǎng)在斷層面上的剪切應(yīng)力方向一致，由斷層滑動(dòng)數(shù)據(jù)可以求解應(yīng)力張量。本文使用MSATSI軟件包[13]，采用線性反演技術(shù)，將14個(gè)中強(qiáng)地震的震源機(jī)制解作為輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的應(yīng)力張量，得到東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段的震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)。東昆侖斷裂東段的主壓應(yīng)力方位角為61°，主張應(yīng)力方位角151°(圖4)，從區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)角度看，研究區(qū)域主壓應(yīng)力為NEE向，主張應(yīng)力為NNW向。本文研究得到的東昆侖斷裂帶瑪沁-瑪曲段水平最大主壓應(yīng)力方向與青藏高原東部的構(gòu)造變形速度場(chǎng)[14]基本一致。印度板塊與歐亞板塊的碰撞及其后印度板塊向北楔入作用引起的擠壓應(yīng)力是造成青藏高原東北部隆升的主要原因，也是東昆侖構(gòu)造帶發(fā)生北向?yàn)橹鞯哪鏇_推覆運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓础?/p>

4 結(jié) 語

通過對(duì)東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段中小地震重定位、震源機(jī)制解及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分析，結(jié)合前人對(duì)該區(qū)域新構(gòu)造活動(dòng)特征、地殼形變等方面的研究成果，得到如下結(jié)論：

1)東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段存在明顯的地震分區(qū)現(xiàn)象，在101°E附近地震沿阿萬倉(cāng)斷裂分布。震源深度主要分布在2～30 km范圍內(nèi)，瑪沁段斷層傾角較高，阿萬倉(cāng)斷裂地震活動(dòng)性強(qiáng)。近10 a來瑪沁至若爾蓋的地震空區(qū)現(xiàn)象還在持續(xù)，瑪曲段的地震危險(xiǎn)性需要引起重視。

2)利用CAP方法得到東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段14個(gè)中強(qiáng)地震的震源機(jī)制解，震源機(jī)制解類型在東昆侖斷裂與阿萬倉(cāng)斷裂交匯附近發(fā)生改變。東昆侖斷裂帶向東可能已經(jīng)連通迭部-白龍江斷裂帶，形成一個(gè)連通的、向東傳遞的斷裂系統(tǒng)。研究區(qū)域主壓應(yīng)力為NEE向，主張應(yīng)力為NNW向，與青藏高原東部的構(gòu)造變形速度場(chǎng)基本一致。

3)在101°E附近經(jīng)阿萬倉(cāng)斷裂帶運(yùn)動(dòng)分解后，東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段的地震展布和震源機(jī)制解類型都發(fā)生了改變。作為東昆侖斷裂帶東延過程中的重要分支斷裂，阿萬倉(cāng)斷裂吸收了東昆侖斷裂帶的部分走滑位移。本文的研究結(jié)果為東昆侖斷裂瑪沁-瑪曲段因受阿萬倉(cāng)斷裂的吸收轉(zhuǎn)換導(dǎo)致在瑪沁-瑪曲段滑動(dòng)速率減弱的結(jié)論提供了地震學(xué)方面的證據(jù)。