瑪曲MS4.4地震震源機制解及其構造意義探討

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家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州 730000;3.中國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4分在青海瑪多(34.59°N,98.34°E)發生了MS7.4地震;同日11時30分,在距離該地震震中200 km左右的東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段發生了甘肅瑪曲MS4.4地震(34.28°N,100.90°E),兩次地震在時間、空間上的聯系值得研究。

東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段因最后一次大地震離逝時間已接近或超過其復發周期,一直受到學術界的關注[1]。前人研究顯示:一個地區的地震活動序列實際上反映了該區不同斷裂間的相互作用過程,通過應力轉移,一條斷裂上的地震活動會明顯地影響鄰近斷裂上的地震發生[2]。該影響可表現為應力觸發,即導致地震叢集式發生[3]。且已有研究表明,大陸內部地震叢集行為更多地表現在同一個區域的不同斷裂上[4]。利用甘肅、青海和四川臺網寬頻帶地震波形記錄反演了瑪曲MS4.4地震震源機制,為研究該區構造應力場變化及地震活動性提供參考依據。參照不同機構給出的青海瑪多MS7.4地震震源機制解和靜態庫倫破裂應力改變量分布,綜合考慮兩次地震的震中距,發震時刻和所處的斷層分布等情況,對兩次地震是否存在聯系進行探討。

1 瑪曲MS4.4地震震源機制解反演

由于瑪曲MS4.4地震能量相對較小,不利于由遠場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震源機制解方法。該方法的優勢是計算所需臺站少、反演結果對速度模型依賴性較小[5-7]。計算時將寬頻帶地震記錄分成Pnl和面波兩個部分進行反演,并允許他們相對浮動,在適當的時間變化范圍內,搜索出合成地震圖和觀測地震圖全局差異最小的震源機制解。由于計算時提高了Pnl的權重,對地震深度約束較為理想,同時引入距離影響因子,避免反演受最近臺站記錄影響,在誤差定義中規避了振幅歸一化帶來的其他局部最小值解,能夠獲取更準確地機制解[8]。

本文收集了瑪曲MS4.4地震震中周邊地區的同仁臺(TOR)、瑪曲臺(MQT)、大武臺(DAW)、班瑪臺(BAM)、松潘臺(SPA)、合作臺(HZT)和若爾蓋臺(REG)7個寬頻帶數字地震記錄用于反演震源機制解(表1)。臺站分布均勻合理,對此次地震包圍較好,在臺站分布上最大程度減小了對反演結果的影響。

表1 研究區內臺站參數表Table 1 Parameters for stations used in this study

地震引起的位移計算主要依賴于地震震源和地震波傳播路徑,所以在計算時選取合理的地殼模型尤為重要[9-10]。本文參考了甘肅、青海地區地殼速度結構的研究結果[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構模型[13](表2)。依照上述模型計算理論地震圖,得出合成地震圖和觀測地震圖全局差異最小的震源機制解。

表2 研究區水平分層地殼速度結構Table 2 The crustal velocity structure in the study area

計算中,持續時間設置為1 s,體波與面波截取波形窗長分別為30 s和60 s,相應的帶通濾波頻帶寬度為0.05～0.2 Hz、0.05～0.1 Hz,斷層面參數走向、傾角、滑動角搜索步長5°,深度步長2 km。圖1給出了最佳擬合深度處7個地震臺站記錄的部分理論波形和實際波形擬合。結果顯示參與擬合的波形各分量相關系數大部分高于80%,理論波形與實際波形具有很好的擬合關系。

(紅線為理論地震圖,黑線為觀測地震圖,左邊是臺站名和相應的震中距,每行波形下面是相應分量的時間偏移量(單位:s)及互相關值)圖1 觀測波形與理論地震圖擬合結果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地震圖全局差異最小的震源機制解作為最佳擬合結果,最大程度地剔除了震源深度誤差的影響。經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,反演結果準確可靠。

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強震的相關性討論

瑪曲MS4.4地震發生在巴顏喀拉地塊與柴達木地塊兩個塊體邊界、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斷裂系統,全長約1 800 km,其展布方向與塊體運動方向呈銳角相交[14];中段(青海格爾木—瑪沁)晚更新世晚期以來呈近NWW-EW向強烈左旋走滑、平均滑動速率10.0～12.5 mm/a[15]。圖3中給出了瑪曲MS4.4地震震源機制解,結果指示本次地震為左旋走滑型地震,節面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震構造帶。

表3列出了國內外不同機構給出的青海瑪多MS7.4強震震源機制解結果,總體而言不同機構得到的震源機制解結果較為一致。本文以中國地震臺網中心給出的震源機制解結果為準,將其與瑪曲MS4.4地震震源機制解相比較,可以發現兩次地震震源機制解反演的的走向、傾角基本一致;瑪曲地震節面Ⅱ滑動角為-38.7°、瑪多地震不同機構給出的滑動角范圍在-40°～14°范圍內,正、逆斷層比重較小,指示兩次地震發震斷層的運動特征以左旋走滑為主。考慮到兩次地震的發震斷層(圖3)在同一構造帶上近平行分布,且震中位置和發震時間接近;結合兩次地震的震源機制解結果,瑪曲MS4.4地震的發生是否與瑪多MS7.4地震存在內在聯系亟待進一步探討。

圖3 瑪曲MS4.4地震震中(紅色實心圓圈)與對應的震源機制解、反演選用臺站(藍色實心三角)、 斷層(紅色實線,據鄧起東等,2002[16])和瑪多MS7.4地震震中(黃色實心五角星)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

本文根據瑪多MS7.4地震震源機制解(表3),參照Graphic-Rich Deformation and Stress-Change Software[18]對瑪多地震應力分布進行了靜態庫倫破裂應力改變量(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的滑動方向上。ΔCFS計算公式可表達為:

ΔCFS=Δτs+μ(Δσn+ΔP)

(1)

式中:Δτs為剪應力改變量;μ為摩擦系數;Δσn為正應力改變量;ΔP為孔隙壓力改變量,公式表達為:

ΔP=-β/3(∑Δτii)

(2)

式中:Δτii是應力張量對角分量之和(τii=τxx+τyy+τzz);β為斯肯普頓系數[19],本文取值0.5[20];在μ和β合理范圍內的變化對ΔCFS影響較小[21]。

計算使用Coulomb3.3軟件,輸入震源斷層信息及斷層參數即可得出庫倫應力變化圖像。計算所采用的水平分層地殼模型同表2所列,考慮到滑動速率比較大的走滑斷層具有較小的摩擦系數,常取0.2～0.4[22],故本次計算摩擦系數μ取值0.3。發震斷層參數選用中國地震臺網中心給出的震源機制解結果(表3)。破裂面長度經前期科學考察已有統一結論[23],瑪多—甘德斷裂兩盤最大滑動量前人給出的參考范圍是2.1～7.6m[24],本文取其平均值,具體參數模型見表4所列。

表3 主要地震研究機構給出的青海瑪多MS7.4地震震源機制解[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Table 4 Parameters for the rupture model of Maduo MS7.4 earthquake

計算結果如圖4所示。瑪多MS7.4強震以震中為軸,近西北-東南向的拉應力、西南-東北向的壓應力分布與兩次地震的震源機制解、區域主應力分布一致。從瑪曲地震所處的應力改變場位置來看,雖然震中位置距離瑪多強震超過200 km,但庫倫應力改變量分布結果顯示:震中附近依然受到瑪多地震的應力改變波及,單位面積(m2)受到來自近西北向的拉應力約為≈0.02 MPa。雖然單次地震的靜態庫倫破裂應力改變量分布圖分辨率較低,但可以作為瑪曲地震發震機制的參考。

以瑪多MS7.4地震震中為軸,應力改變量正數值為壓應力,負數值為拉應力、斷層(黑色實線,據文獻[16])和瑪多MS7.4、瑪曲MS4.4地震震中(紅色實心五角星)圖4 青海瑪多MS7.4地震靜態庫倫破裂應力 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,一次地震發生對下一次地震的觸發縮短了地震重復發生所需要的累積時間,使得地震可以提前發生[25],已有大量研究顯示:大地震斷層位錯產生的庫侖破裂應力變化,對其他斷層上的地震過程的影響范圍可能達到幾百至上千公里[26],當同震庫倫破裂應力大于0.1 bar(≈0.01 MPa)時,就可以對后續的地震有一定的觸發作用[27]。綜合考慮兩次地震的震中距、發震斷裂分布和發震時間等因素,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的應力轉移,為解釋地震叢集發生提供了一種科學依據。

瑪曲MS4.4地震發生在近西北-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)。由于區域應力場的高度一致性使得相鄰斷裂對同向應力的改變極為敏感,這就使較遠距離、相關性較弱的地震觸發成為一種可能的機制,一個合理的解釋是:瑪曲地震發震斷裂在長期的變形過程中積累應力已接近破裂臨界點,當受到外界應力突然改變(瑪多強震帶來的應力改變量)時才出現失穩,導致了瑪曲MS4.4地震的提前發生。

青海瑪多MS7.4地震后,學術界一個廣泛關注的問題是:東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段最后一次大地震的離逝時間已經超出或者接近其復發周期[23]。瑪曲MS4.4地震發生后,東昆侖斷裂帶瑪曲—瑪沁段積聚的應力得到了一定程度的釋放,所以對瑪曲MS4.4地震發震機理的研究對推進該區域大震周期的研究具有積極意義。

3 結論

利用CAP方法反演了甘肅瑪曲MS4.4地震的震源機制解,通過擬合誤差、臺站空間分布等自檢結果較好。對比東昆侖斷裂帶走向、區域應力分布和野外地質考察認識,認為該地震震源機制解反演結果可信,為研究該區構造應力場變化及地震活動性提供必要的參考依據。

瑪曲及周邊地區長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制解對比發現:兩次地震震源機制解反演的走向、傾角基本一致、正斷層和逆斷層比重較小,發震斷層的運動特征均以左旋走滑為主。根據瑪多MS7.4地震靜態庫倫破裂應力改變量分布,發現瑪曲地震震中位置受到來自瑪多地震的應力擾動,以m2為單位所受到的拉應力約為0.02 MPa。由于相鄰斷裂帶對同向應力的改變極為敏感,綜合考慮斷裂帶空間分布、發震時間和震中距等因素,初步判斷瑪曲MS4.4地震是瑪多MS7.4強震的一次觸發地震。

瑪曲—瑪沁段最后一次大地震的離逝時間已經超出或者接近其復發周期,瑪曲MS4.4地震的發生對瑪曲—瑪沁段大震復發周期的指示意義值得進一步研究。