2022年1月8日青海門源6.9級地震的震源區結構特征和b值意義初探

孫安輝，高原*，趙國峰，任超，梁姍姍

1 中國地震局地震預測研究所(地震預測重點實驗室)，北京 100036 2 中國地震臺網中心，北京 100045 3 國家地震科學數據中心，北京 100045

0 構造背景簡介

據中國地震臺網中心測定，北京時間2022年1月8日1時45分在青海海北州門源縣(37.77°N，101.26°E)發生了MS6.9地震，美國地質調查局(USGS)給出的震級為Mw6.6，震源深度10 km(以下簡稱門源MS6.9地震，https:∥www.cenc.ac.cn/cenc/dzxx/396391/index.html).截至2022年1月13日00時30分共記錄到M≥3.0余震20次，其中5.0～5.9級地震2次，4.0～4.9級地震4次，3.0～3.9級地震14次(表1)，最大余震為1月12日MS5.2地震.據報道，此次地震使鐵路橋梁與隧道遭到破壞，導致蘭新高鐵軌道受損，造成了巨大的社會影響.

門源MS6.9地震震中位于青藏高原東北緣的前緣地帶，地處祁連地塊冷龍嶺斷裂帶和托萊山斷裂帶交匯的區域(圖1)，受到NE向的擠壓作用(Gan et al.,2007).冷龍嶺斷裂是北祁連山活動斷裂帶的一部分(胡朝忠等，2016;郭鵬等，2017)，全新世活動強烈，晚第四紀時期主要表現為左旋走滑運動，局部具有傾滑分量(Gaudemer et al.,1995)，滑動速率約2～19 mm·a-1(姜文亮等，2017)，在青藏高原相對阿拉善地塊向東運動方面起到重要的調節作用(郭鵬和韓竹軍，2017).該區域曾多次發生強烈地震，如2016年門源6.4級逆沖型地震(梁姍姍等，2017)，其震中距離本次MS6.9地震震中大約32 km.

圖1 門源MS6.9地震震中及區域地質構造概況圖中黑線表示塊體邊界(鄧起東等，2002;張培震等，2003)，黃色線段為主要斷裂.藍色線段為跨震中剖面.主震及余震重定位結果來自Fan等(2022).Fig.1 Tectonic background of the study region around the Menyuan MS6.9 earthquakeThe black lines denote boundaries of tectonic blocks (Deng et al.,2002;Zhang et al.,2003),and the yellow lines denote major faults.The two blue lines are profiles crossing the epicenter.The relocation results of main earthquake and aftershocks are provided by Fan et al.(2022).

表1 門源MS6.9地震與3級以上余震位置Table 1 The locations of the Menyuan MS6.9 earthquake and aftershocks (M≥3)

1 門源MS6.9地震震源區深部構造分析

隨著密集的喜馬拉雅臺陣(即中國地震科學臺陣)II期流動臺站的布設，青藏高原東北緣地區的地震臺站數量和密度得到了大幅度改善.Sun等(2021)結合固定臺站和喜馬拉雅II期臺陣等數據(圖1)，對青藏高原東北緣區域開展了地震層析成像研究，獲得了水平分辨率為0.3°的波速和泊松比結構.參照前人的工作(O′Connell and Budiansky,1974;Zhao and Mizuno,1999)，進一步估計了中上地殼的裂隙密度(ε)和飽和率(ξ)的空間分布(Sun et al.,2021).從震源區的波速深度剖面的分辨率測試結果來看，本文在門源地區P波和S波波速反演結果在深度上具有較好的分辨率(圖2).

圖2 兩條剖面的波速(VP和VS)深度棋盤格分辨率測試結果灰色五角星表示門源MS6.9地震.白色空心圓和黑色實心圓分別表示高低速擾動(%)，輻值見右下角.Fig.2 Results of checkerboard resolution tests of VP and VS in depth along the two profilesThe gray star denotes the Menyuan MS6.9 earthquake.Open and solid circles denote high and low velocity perturbations (in %), respectively,whose scales are shown at the bottom-right.

基于Sun等(2021)的數據，沿冷龍嶺斷裂帶與橫跨斷裂帶經過門源MS6.9震源位置切了兩條近正交的剖面(圖1)，重新成像獲得了中上地殼物性參數剖面圖(圖3).P波波速結果顯示，祁連造山帶下方中地殼存在顯著的低速現象.祁連山低波速的中-下地殼的變形作用可能會促使地殼顯著增厚，另一方面也可能通過增厚和剪切作用來適應縮短變形(Tian et al.,2021).左可楨和陳繼鋒(2018)應用雙差層析成像方法(Zhang and Thurber,2005)反演了門源地區的地殼三維速度結構，結果顯示2016年門源MS6.4地震附近的P波和S波速度結構表現出明顯的高速異常，而在震源區下方的中下地殼存在P波低速層和S波高速體，但其S波速度結構在35 km及更深的區域可靠性較低.

門源MS6.9地震的雙差定位結果(Fan et al.,2022)與臺網中心正式目錄中的結果對比，水平位置差異很小，但重定位的震源深度為12.9 km.主震震源下方的相對低P波速度和相對高S波速度導致了相對低泊松比(σ)的特征(圖3).由于巖石的礦物成分對泊松比的變化有著重要的影響，這種低泊松比的特征可能暗示著震源區下方的平均地殼組分富集長英質礦物(李永華等，2006)，而地殼整體的高泊松比則可能與巖石比較破碎或部分熔融有關(張瑩瑩等，2015).另一方面，祁連造山帶較弱的中地殼低速體可能源于地殼深部流體(Li et al.,2017).大地電磁探測剖面表明，2016年門源MS6.4地震震源區下存在較寬的SW向低阻體(趙凌強等，2019)，也許與深部介質在高溫高壓下發生相變脫水或熔融有關.在應力的作用下，深部的流體可能會沿著斷裂帶中的裂隙或空隙往淺部遷移.

除了巖性的影響(李永華等，2006)，流體和裂隙分布也是導致地殼介質泊松比變化的重要因素.O′Connell和Budiansky (1974)結合巖石實驗的分析結果，提出了一種簡潔自洽的各向同性理論，根據地震波速度定量估計了應力環境下巖石的裂縫密度(ε)和飽和率(ξ).結果顯示在一定的裂隙密度和飽和率的情況下，P波波速的下降幅度(dVP)與S波波速的下降幅度(dVS)的差異將有所減小，從而導致泊松比的變化下降.通過高分辨率的成像結果估計的裂隙密度與飽和率圖像顯示(圖3)，震源區的淺部地殼飽和率高于深部，震源位于高飽和率區域的底部，而裂隙密度在震源的兩側呈現出顯著高低差異(見圖3中紅色虛線).A-A′剖面給出，托萊山斷裂帶下方的裂隙密度要高于冷龍嶺斷裂.而B-B′剖面給出，冷龍嶺斷裂帶北側下方的裂隙密度要高于其南側.GPS觀測資料顯示，連續變形的祁連山斷裂帶南側地殼運動以順時針旋轉為主，運動量值沒有顯著差異；而北部地殼運動量值明顯減小，顯示出該斷裂帶的強烈活動特征(蘇小寧和孟國杰，2017).從門源MS6.9地震現場科考的結果來看，托萊山—冷龍嶺斷裂北側的破裂程度高于其南側.我們推測，震源區北側高裂隙密度的成因，主要是在應力加載下，孔隙壓上升，可能使裂隙和孔隙體積增加，進而弱化巖石或產生更多的裂隙(O′Connell and Budiansky,1974).正是這種分布廣泛且變形明顯的地表破裂帶，導致了途經冷龍嶺斷裂帶的蘭新高鐵硫磺溝鐵路橋及其北側隧道的完全破壞(源自中國地震局地質研究所韓竹軍研究員團隊報告，https:∥www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36632.html).

此次門源6.9級地震發生在P波和S波波速劇烈變化的區域，靠近高速體的邊緣(圖3).根據肖卓和高原(2017)在青藏高原東北緣研究的結果，這次門源6.9級地震震源，也位于P波和S波波速及泊松比變化劇烈的位置.王瓊和高原(2014)進行了川滇地區背景噪聲成像，認為6～7級地震主要發生在高低速分界面，但7 級以上地震會更深入到相對高速的異常體內，與本文的結論有很好的一致性.Jin等(2019)在川滇地區的研究結果顯示，高剪切應變率區和應變率梯度邊緣區容易發生地震.我們認為，高速體可能是較堅硬的介質，可積累更高的能量，這是強震孕育不可忽視的因素之一.結合歷史強震分布，我們發現這個區域的大地震易發于高裂隙密度和高飽和率的淺部地殼下方.綜合圖3的重定位結果可以發現，門源MS6.9地震震源在冷龍嶺斷裂帶下方12.9 km深度，位于S波高速體上緣，震源下方是泊松比、P波波速、裂隙密度和飽和率的相對低值區域.大地電磁探測剖面顯示2016年門源MS6.4地震震源區下存在較寬的SW向低阻體，推測冷龍嶺斷裂下方有力學強度軟弱區(趙凌強等，2019).整體左旋走滑的冷龍嶺斷裂帶在剪切作用下(姜文亮等，2017)，裂隙和流體的存在將促進殼內介質蠕動和滑移，進一步弱化斷層強度，從而發生地震.

圖3 中上地殼縱剖面圖剖面位置見圖1.成像結果至上往下依次為：P波速度擾動(dVP)、S波速度擾動(dVS)、泊松比擾動(dσ)、裂隙密度(ε)和飽和率(ξ)結構，色標見右側.白色圓圈表示位于剖面兩側10 km以里的余震重定位結果(Fan et al.,2022).其他圖標同圖1.Fig.3 Vertical profiles of the middle-upper crustThe locations of the two profiles are shown in Fig.1.The images from top to bottom are:P-wave velocity perturbation (dVP),S-wave velocity perturbation (dVS),Poisson′s ratio perturbation (dσ),crack density (ε)and saturation rate (ξ),whose scales are shown on the right.White circles denote the relocated aftershocks of Fan et al.(2022)within a 10 km width of each profile.The other labels are the same as those in Fig.1.

2 地震活動性分析

強震的孕育和發生與斷裂帶的應力狀態密切相關.古登堡-里克特震級(M)-頻度(N)關系(Gutenberg and Richter,1944)指出應力的高低與(1)式中的b值成反比.

log(N)=a-bM，

(1)

其中a值體現了地震活動率，b值體現了大小地震的比例，a/b比值代表了期望震級(易桂喜等，2011).為了分析此次門源地震前的應力狀態，同時為獲取更多的地震數目用于分析，我們選取了2009-01-01—2021-12-31發生在青藏高原東北緣區域的125420個地震.其中，門源周邊地區(100°E—104°E，35.5°N—40°N)共有17202個地震，震級分布從0～6.4.2000年后，中國數字地震觀測網絡在中西部布局逐步優化，青藏高原東北緣的南北地震帶等區域可實現2.0級地震的監測能力(王亞文等，2017).該區的震級-頻度分布(圖4)中≥2.0級地震基本滿足線性G-R關系，即研究時段內該區≥2.0級地震記錄是完整的.通過對2.0～6.0級地震的震級-頻度最小二乘線性擬合，得到青藏高原東北緣地區總體的a=5.25，b=0.77；門源區域的a=3.93，b=0.68.

圖4 ML≥0地震的震級-頻度分布(2009-01-01—2021-12-31)Fig.4 The frequency-magnitude distributions of ML≥ 0 events from 1th Jan 2009 to 31th Dec 2021

經過不同的格點間距和地震數目選取范圍測試后，我們以0.3°間距為步長，以0.9°邊長的方形范圍選取地震集，采用2.0～6.0級地震以最小二乘線性擬合獲得了每個格點的a、b和a/b等參數(圖5).在震源附近區域內(100.9°E—102.1°E，37.5°N—38.1°N)樣本數≥30，保證了該區域參數擬合的可靠性.部分區域由于地震數較少，樣本數有所下降.

圖5 研究區地震活動性參數分布(門源MS6.9地震前)圖中從左往右依次為a、b和a/b地震活動性參數的空間分布，色標見圖底部.Fig.5 Maps of seismicity parameters for study area before the Menyuan MS6.9 earthquakeFrom left to right are maps of a-value,b-value and a/b value,respectively,whose scales are shown at the bottom.

Wiemer和Wyss (1997)認為斷層帶高應力的凹凸體會表現為低b值的特征，與大地震的發生有著密切的關系(Aki,1984).易桂喜等(2011)通過對龍門山—岷山構造帶的地震活動性參數分析得到：低a值、低b值以及偏高的a/b值的區域，可能反映低地震活動率的高應力閉鎖狀態，具有發生較大地震的能力；而高a值、高b值以及中偏低的a/b值的區域，以頻繁小震滑動為主，具有蠕滑特征，發生大地震的可能性相對較小(易桂喜和聞學澤，2007).此次門源地震前，青藏高原東北緣的冷龍嶺斷裂帶震源附近區域顯示出了較低的a值、低b值和高a/b值的特征，呈現與青藏高原東緣的龍門山—岷山構造帶類似的可能發生強震的特征.另外，樣本數≥30的托萊山斷裂帶和阿拉善塊體南緣(～38.2°N，104°E)周邊區域也有類似的特征.

近期P波各向異性的研究結果顯示(Sun and Zhao,2020)，門源地震周邊區域的中下地殼存在著P波低速異常，推測存在局部的地殼流現象.震源附近的中地殼P波各向異性快波方向以NEE-SWW為主，至祁連塊體東南部逐漸轉為E-W向為主，呈現出與GPS觀測(Gan et al.,2007)類似的順時針旋轉特征.低速異常體的存在會弱化巖層，促使破裂發生，而下地殼流的存在，將可能導致殼內及殼幔解耦(Sun and Zhao,2020)而影響門源地區的地殼構造，或是地震孕育和發生的一個重要因素，亦如2021年青海瑪多MS7.4地震(Yang et al.,2022b).因此，我們需要重視震源的深部構造因素影響，雖然大地震通常發生在脆性的上地殼.不過門源MS6.9地震靠近研究區的西北邊緣區域，P波各向異性分辨率有所下降，尚需進一步的工作.截至2022年1月10日，中國地震臺網中心發布的快報目錄包含了0級以上共562個地震，余震沿著斷裂帶在深度上呈現向淺部發展趨勢，與Fan等(2022)重定位結果類似(圖3)，可能表明震后的走滑位錯在局部應力環境下存在擠壓向上的傾滑特征.由1999—2015年GPS觀測數據獲得的應變率場顯示，祁連山斷裂帶呈現出寬約60 km的連續應變積累帶，垂直斷裂方向為擠壓特征，沿斷裂方向為拉張特征(蘇小寧和孟國杰，2017).

已有研究表明(Yang et al.,2022a)，此次門源MS6.9地震發生在冷龍嶺斷層上，性質為走滑地震，與重定位的余震分布(Fan et al.,2022)特征相符(圖3B-B′剖面).GCMT(https:∥www.globalcmt.org)給出此次門源地震的矩震級MW為6.7.對于走滑型地震，根據矩震級MW-地表破裂長度SRL(km)經驗關系(Leonard,2010)：

MW=4.33+1.52×log(SRL).

(2)

我們估計這次門源MS6.9地震的地表破裂長度～36 km.地震現場科考報告(https:∥www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36632.html)發現此次6.9級地震序列在地表產生了4條破裂帶，其中北支和南支分別為～21.5 km和～3.8 km，加上2條規模較小的地表破裂帶，合計長度～25 km.通常地下平均破裂長度是地表破裂長度的4/3(Wells and Coppersmith,1994)，所以地下破裂估計約33～50 km.此次門源MS6.9地震東部附近曾發生兩次相鄰的6.4級地震，分別是具有逆沖性質的2016門源MS6.4地震(震中距MS6.9地震震中～32 km)和其西側以傾滑為主的1986門源MS6.4地震(震中距MS6.9地震震中～30 km).結合地震重定位、震源機制解及野外地質調查結果，逆沖型的2016門源MS6.4地震可能發生在北西向冷龍嶺斷裂與民樂—大馬營斷裂之間的一條盲斷層上(胡朝忠等，2016;梁姍姍等，2017).這些相鄰的地震，顯示出冷龍嶺斷裂帶區域的發震機制受復雜的地下構造影響，具有不同的分段特征，說明了多學科多資料綜合分析的必要性.

1月12日晚至13日凌晨，在主震的東南附近區域又相繼發生了4個4級以上的余震(見表1中序號17～20).從圖3重定位的余震分布(Fan et al.,2022)來看，特別是1月12日在冷龍嶺斷裂帶下方的S波高速體上邊緣(深度12.8 km)發生了第二個5級以上(MS5.2)地震，沿著冷龍嶺斷裂帶走向往東南趨近2016門源MS6.4地震(兩者震中相距～9 km).此次門源地震及余震進一步填補了“天祝空區”(Gaudemer et al.,1995)，特別是此次主震與2016門源MS6.4地震之間的破裂空區，并與離逝時間小于1000 a的門源1986MS6.4及1540M7地震的極震區相連(M7專項工作組，2012).綜上所述，整體左旋走滑的冷龍嶺斷裂在區域剪切環境下(姜文亮等，2017)，從斷層破裂區域、地震能量積累與釋放的角度，我們認為，此次門源MS6.9地震及余震序列造成的破裂可能與2016門源MS6.4地震破裂基本會合，因此短期內在震源區難以積累更大的能量(圖3).

3 初步結論

本文對門源MS6.9地震震源區開展了中上地殼構造分析，討論了波速、泊松比結構及估計的裂隙密度和飽和率的空間分布，成像了跨震源的物性參數剖面.結果表明，門源MS6.9地震發生在P波波速、S波波速及泊松比劇烈變化的過渡區，冷龍嶺斷裂帶北側裂隙密度高于南側，可能導致斷裂帶北側地表破裂強于南側.通過分析震前的地震活動性參數，本文認為門源地區在這次6.9級地震前呈現出可能發生大地震的特征.1月12日第二個5級以上(MS5.2)地震發生后，這次門源MS6.9地震及余震序列造成的深部破裂可能與2016門源MS6.4地震破裂基本會合，短期內在震源區難以積累更大的能量.探討大地震的孕育和發生，應該重視地殼深部的構造演化過程以及多學科的多種資料的綜合分析，將有助于大地震的孕震過程與發震位置及其深部構造形態的探索.

致謝感謝中國地震臺網中心和國家地震科學數據中心(https:∥data.earthquake.cn/)提供了此次門源地震的速報數據、余震目錄和快報目錄，臺網中心公共服務部有關工作人員提供了大力協助.成文過程得到了“門源6.9級地震考察研究“工作組的支持和幫助.在地震活動性方面與中國地震局地震預測研究所吳忠良研究員、張勝峰博士進行了有益討論.感謝兩位審稿專家提出的寶貴意見，使文章得到很大的改善.