2021年青?，敹郙S7.4地震精定位和發震構造初探

尹欣欣,王維歡,蔡 潤,鄧 津,馬 麗

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局地球物理研究所,北京 100081;3.中冶成都勘察研究總院有限公司,四川 成都 610063;4.青海省地震局,青海 西寧 810000)

0 引言

2021年5月21日云南大理州漾濞發生MS6.4地震,5月22日在巴顏喀拉塊體內部的青海省果洛州瑪多縣又發生了一次MS7.4地震。國家地震臺網中心給出的瑪多MS7.4地震的震源深度為17 km。由于震中附近人口稀少,未出現嚴重人員傷亡。此次地震是2017年九寨溝MS7.0地震之后中國境內第一次7級以上強震,距九寨溝地震有4年之久。巴顏喀拉塊體是強震聚集地,唐山地震之后中國大陸所有7級以上地震都發生在這個塊體周圍。震中分布有3條左旋走滑的地震帶,分別是瑪多—甘德斷裂帶、東昆侖斷裂帶和昆侖山口西—達日斷裂帶,這3條大斷裂帶幾乎平行[1]。地震的時空分布特征是研究地震序列發生的常用手段,有助于從時間和空間上來理解整個地震序列的動態觸發過程。為研究2021年青海瑪多MS7.4地震的余震時空分布特征及發震斷層,本文擬采用雙差精定位方法重定位瑪多地震序列的震中位置,并結合地質斷層情況斷定發震斷層,以期為更深入地研究本次地震提供參考依據。

1 地震目錄數據分析

本文選取2021年5月1日—6月3日青海地震臺網地震觀測報告,經緯度范圍選取(97°～99.5°E,33°～36°N),以下稱為研究區。由于瑪多附近固定測震臺站較少,距離主震50 km范圍內的臺站僅有瑪多臺(MAD),因此大部分地震事件都是單臺地震事件。為了滿足最基本的地震定位要求,本文只選取臺站記錄數4個及以上地震事件,最終得到1 327個具有絕對定位的地震事件用來做雙差精定位處理。

圖1為本文所選地震目錄震級-時間分布和地震空間密度分布云圖。從圖1(a)可以看出,主震前地震分布在5月15日之后有些許震級增大、數量增多的跡象,是否屬于前震還待更深入的研究。從圖1(b)可以看出,本次地震序列具有明顯的階梯狀分塊現象,地震最集中的區域為NW處的地震簇。

圖1 2021年5月1日—6月3日研究區震級-時間分布和地震空間 密度分布圖(紅色五角星代表MS7.4主震)Fig.1 M-t diagram and spatial density distribution of earthquakes in the study area from May 1 to June 3,2021 (Red pentagram represents the MS7.4 main shock)

為保證所選數據震相的可靠性,如圖2所示,采取震相過濾的方法,只保留震相分布中綠線界限范圍內的地震震相數據。這樣可以排除在震相數據轉換格式中部分轉換錯誤的震相到時,即剔除速度異常數據。

圖2 P波和S波震相到時分布圖Fig.2 Arrival time distribution of P-wave and S-wave phases

2 區域地質構造

利用地震定位刻畫斷層幾何形態是地質學常用手段,這是由于地震往往集中于斷裂帶及周邊,且較大地震通常會產生斷層,斷層面的展布可以通過余震的空間分布來展現[2]。瑪多地震主余震主要發生在強震云集的巴顏喀拉塊體內部?，敹嗟靥幥嗖馗咴袞|部地區,南靠甘孜玉樹—鮮水河斷裂帶,北接東昆侖斷裂帶。除了這兩條邊界上的斷裂帶,該處還發育有其他多條活動帶,如N60°W向展布的第四系大型走滑斷裂——昆侖山口—達日斷裂帶,以及位于達日斷裂和瑪多一甘德斷裂之間的江錯斷裂。江錯斷裂與這兩條斷裂幾乎平行,前人對其鮮有研究。昆侖山口—達日斷裂帶長約700 km,受多條斷層控制,在新生代以來活動明顯,最近一次強震是2015年10月12日發生在青海果洛自治州瑪多縣的5.2級地震[3-4]。表1為2015年和2021年瑪多5.2級和7.4級地震的震源機制解結果,其中7.4級地震的震源機制解中GCMT與張喆和許力生[5]給出的結果高度吻合,具有一定的可靠性。另外,GCMT、張喆和許力生[5]給出的震源機制解參數與2015年瑪多5.2級的結果也相當接近,本文根據這一特性,再結合達日斷裂和江錯斷裂的走向,認為這兩條斷裂的構造性質比較接近。

表1 兩次地震的震源機制解參數[5]Table 1 Focal mechanism solution parameters of two earthquakes[5]

3 雙差精定位處理

3.1 雙差精定位原理簡介

高精度地震目錄提供了了解地震斷層結構細節的窗口。地震發生后,研究斷層結構的方法種類繁多,但這些方法都受到不同方面的限制,如:震源機制反演方法只能揭示主斷層面[6];大地測量觀測的深度分辨率很低[7];現場調查無法調查隱伏斷層[8];地震可能發生在已知或新激活的斷層上[9-11]。因此地震定位的準確性對于詳細的地震斷層構造圈定具有重要意義。

地震定位主要有絕對定位和相對定位兩種方法。絕對定位技術的不確定性可達幾公里,這種不確定性對于研究微地震活動或從余震序列重建破裂面來說太大了。原則上,相對位置可以通過差分絕對位置來計算。區域測震臺網定位通常采用單純型定位和Hyposat定位方法給出地震的絕對定位結果。截至2021年6月3日,青海測震臺網用絕對定位方法一共定位了2 871次地震,其中單臺地震事件1 409次。定位中使用了甘青一維速度模型[12],平均定位誤差在水平方向約為800 m,垂直方向約為2 000 m,原始目錄平均定位誤差為0.423。為了獲得更精細的瑪多地震序列震中分布結果,本文使用HypoDD雙差算法[11,13]來定位相對意義上的地震,以便更好地研究沿斷層地震群。HypoDD是一個Fortran計算機程序包,其本質是利用雙差定位法重新定位地震[13]。地震定位算法通常基于某種形式的蓋革方法,即在一階泰勒級數中對傳播時間方程進行線性化,通過傳播時間相對于未知量的偏導數,將觀測和預測傳播時間之間的差異與震源坐標中的未知調整聯系起來。使用HypoDD雙差算法可以單獨定位地震,或者當其他未知因素將單個地震的解聯系在一起時,可以聯合定位地震[11]。雙差技術允許使用來自地震目錄的普通震相拾取或來自縱波和橫波震相相關的高精度差分傳播時間(互相關數據)的任意組合,前者表示為不同的震相走時,因此兩種類型的數據使用相同的等式[11]。

(1)

由式(1)可以計算出研究區內絕對震中和大尺度速度結構。相應的,相鄰地震i與j的理論到時與實際觀測到時之差表示為:

(2)

利用式(2)可以得到震中附近小尺度范圍的速度結構以及相對震中位置。

3.2 重定位結果分析

考慮到瑪多地區的臺站分布情況,在組地震對時,將每個地震事件的最大鄰居數設為10,最小連接以及最小觀測數設為4,震源距小于10 km,事件與臺站間的距離小于200 km。由于S波震相的難以分辨性,在定位時設P波到時權值為1.0,S波到時權值為0.5。由于本文數據量較小,選取雙差定位里面的最小二乘(LSQR)算法,迭代次數為30次。

本研究利用雙差精定位方法,選取甘青一維速度走時模型,對1 327個瑪多地震序列進行重定位處理,經過雙差配對計算后最終得到872個相對定位結果。重定位后主震震中的經緯度為98.56°E、34.60°N,震源深度為12 km,平均地震位置向東偏移475.3 m、向南偏移978.4 m,深度上減小了3.04 km,震相到時平均偏移量為29.5 ms。重定位后整體殘差減小了0.23。

圖3為本文重定位后的地震分布結果,其中圖3(b)、(c)分別是沿緯度和經度的深度分布剖面。從圖3(a)中可以看出本次地震序列具有明顯的分段特征,在S1區間內基本為地震空區,鮮有地震,推測該地區深部介質屬于較硬物質,不易破裂。從震源深度分布上看呈“V”字型分布,東西兩邊地震震源深度淺,中部位置地震震源深度深。

利用直線擬合方法擬合精定位后的余震分布得到圖4。從圖4可以看出,瑪多地震序列的余震擬合方向為順時針284.04°,該結果與表1中張喆和許力生[5]、GCMT給出的2021年瑪多7.4級地震以及馬玉虎等[4]給出的2015年瑪多5.2級地震的震源機制解走向角接近。震中分布在地圖上的投影位置與昆侖山口—江錯斷裂高度重疊,基本上地震沿該斷裂分布。根據震源機制解資料和雙差精定位結果,并結合該區域的地質構造情況,綜合判定此次青?，敹郙S7.4地震的發震構造為昆侖山口—江錯斷裂帶,與現場烈度調查結果一致(https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/xydt/5590313/index.html)。

圖4 直線擬合本文地震精定位結果Fig.4 Lineal fitting of precise position results of earthquakes in this paper

為了更直觀地展示主震所在位置的垂直剖面,選取圖3(a)中AA′剖面來繪制地震剖面圖(圖5),圖中紅色直線根據震后一天時間內的地震事件分布來繪制。從圖5可以看到紅色直線附近地震分布集中,且發震時刻呈深紫色居多(即震后一天內的地震)。根據紅線與垂直向的夾角得到本次地震的斷層傾角約為85°,與表1中震源機制解結果一致。

4 結論與討論

地震定位對地震活動研究極其重要,它能確定巖石圈板塊邊界或局部活源帶等地震活動相對較頻繁的區域。為了獲得瑪多地震序列的精確定位結果,本文利用雙差精定位方法對瑪多地震序列1 327個具有絕對定位的地震事件進行重定位處理,最終得到872個相對定位結果。重定位后水平和垂直位置誤差分別為275 m和1.5 km,震源深度分布為5～25 km。

從精定位結果可以明顯地看出余震序列表現出明顯的分段特征,大致可以分為北段和南段2個區間。余震序列的空間不連續性說明斷層有分段現象,北段和南段之間明顯的分段特征與高程圖上的地形凹陷相對應,說明該凹陷處下方的介質較硬、不易破裂。受瑪多余震波及影響,瑪多—甘德斷裂與江錯斷裂東端交界處產生了一系列余震。本研究認為瑪多地震的發生導致兩條斷裂之間產生了新的斷裂,并將兩條斷裂連在一起,導致瑪多—甘德斷裂上地震事件的發生。根據重定位結果的余震分布特征,并結合斷層信息,推測本次MS7.4地震的主要發震斷層為昆侖山口—江錯斷裂。

致謝:感謝青海省地震局測震臺網提供的震相報告數據。本文作圖使用了GMT和Matlab軟件,在此一并表示感謝！