門源Ms6.9地震序列及祁連山地震帶余震序列的統計特征研究

張成軍,嚴武建,康 林

(1. 甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000; 2. 中國地震局黃土地震工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

在中強地震發生之后,地震活動趨勢的判定極為重要,而地震余震序列類型的判定是震后地震活動趨勢判定的核心問題。因此,地震余震序列的研究對判斷中強地震之后的地震活動趨勢以及地震的孕育和發生都有極其重要的意義。從活動特點來看,余震序列通常被劃分為“主-余型”、“孤立型”及“震群型”三類[1-2]。隨著我國區域地震臺網監測能力的增強,為中強地震的震源機制的研究提供了可靠的數據保障。劉蒲雄等[3]研究分析了我國14次地震序列的主要地震斷層面解和錯動性質,得到了地震類型與震源機制的關系。蔣海昆等[4]依據1970年以來記錄相對完整的294次5.0級以上地震序列資料,研究中強地震余震序列統計特征,探討序列類型、最大余震震級、強余震活動持續時間等與主震震級及主震斷層性質之間的關系。王紫薇等[5]基于“一帶一路”地區1900—2018年間≥5.0級地震事件空間數據,采用小波周期與熱區識別方法,分析了該地區地震災害的空間分布格局與時間周期性特征,并識別了地震災害空間熱區及演變特征。孟憲森等[6]研究了1900年以來我國東北北部地區淺源中強震活動的特征,結果表明,地震活動具有突發性、成組性和序列地震數量少的特點。劉祖涵等[7]根據混沌理論,對汶川大地震余震等待時間通過相空間重構,應用互信息法、Cao方法確定出重構參數,并分別計算了該序列的關聯維、最大Lyapunov指數以及Kolmogorov熵等特征量。

祁連山地震帶是青藏高原東北緣地區相對獨立的地質構造單元,位于板塊活動地塊的邊界,地質構造極其復雜,地震活動頻次高,強度大。自2000年以來祁連山地震帶發生了3次6.0級以上地震,分別為2003年民樂-山丹6.1級、2016年門源6.4級和2022年門源6.9級地震,均位于祁連山中段地區,顯示該區域處在一個新的中強地震叢集活躍時段。同時,2022年門源6.9級地震的發生意味著祁連山地震帶進入了中強地震活躍階段。因此,對于祁連山地震帶的地震活動性規律、中強地震震后趨勢判定及余震序列類型分析判斷就顯得極其重要。

1 門源6.9級地震構造和活動背景

1.1 祁連山地震帶構造特征

祁連山地震帶位于青藏塊體北緣及東北緣,由多組NWW向和NNW向深大活動斷裂構成,其除了在NE向受構造應力的強烈擠壓作用之外,還受主邊界斷裂的走滑擠壓作用的影響,形成了左旋走滑兼有逆斷性質的逆沖推覆體,區內構造形跡復雜,由東向西分別為武威盆地的古浪推覆體構造、老君廟沖斷推覆帶和酒西盆地的北祁連山沖斷推覆構造,從而在空間上形成了明顯的隆起-盆地交替出現的構造特征(圖1);沿該帶中強地震活動劇烈,1920年以來祁連山地震帶發生過1920年海原8.5級、1927年古浪8.0級、1923年昌馬7.5級、1954年山丹7.3級和民勤7.3級地震等7級以上地震。但是1954年以后,該帶地震活動的強度顯著降低,只有個別6.0級以上和少數5.0～5.9級的地震發生。

圖1 1980年以來祁連山地震帶中強地震分布及M-t圖

1.2 祁連山地震帶地震活動特征

祁連山地震帶東端以景泰為界,其中東段為冷龍嶺隆起區和隴西盆地,中強地震主要集中于隆起擠壓的應力集中區域或盆地內的次級斷層上,地質構造較為復雜,中強地震成組活動情況更為顯著,該地震帶6級以上地震主要位于其中段,且5級以上地震也較其他區域更為密集;西端以肅北為界,祁連山地震帶中西段屬于祁連山構造主體地區,中強地震發震頻率與震級相對中東段較低。由M-t圖(圖1)可以看出,1980年以來該帶地震的5.0級以上中強地震存在3個叢集活動階段。第一階段為1990—1993年,共連續發生了7次5.0級以上中強地震,其中6.0級以上地震2次,分別為1990年景泰6.1級、1993年祁連6.0級地震;第二階段為2000—2003年,共連續發生了5次5.0級以上中強地震,其中6.0級以上地震1次,為2003年民樂-山丹6.1級地震,發生在祁連山地震帶北部的祁連山北緣斷裂上;第三階段為2021至今,共連續發生了4次5.0級以上中強地震,其中6.0級以上地震1次,為2022年門源Ms6.9地震,發生在祁連山地震帶中段的冷龍嶺斷裂帶。從1980年以來共計42 a的演化過程中可以發現,每個中強地震活動階段持續約為4 a,因此,預計第三階段也將持續活動4 a左右。

從圖1的中強地震震源深度可以發現,祁連山地震帶中強地震震源深度主要分布于10～30 km范圍內,屬于淺源地震,因此造成的地震破壞更大。

1.3 門源Ms6.9地震震源機制與序列分布

2022年1月8日01時45分,青海門源發生了Ms6.9地震。經中國地震臺網測定,該次地震震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km。根據USGS的計算可得到該次地震的震源機制解如表1[8]所示。

表1 2022年門源Ms6.9地震震源機制解

通過對門源Ms6.9地震的主震和截至2022年2月10日3級以上余震的震源位置分布和深度活動特征分析可知(圖2),2022年門源Ms6.9地震發生冷龍嶺斷裂帶西端,位于應力較為集中的古浪推覆體,余震較為發育,根據中國地震臺網速報記錄可知,震源深度主要分布于7～12 km內,沿東南向延伸約25 km。

圖2 2022年門源Ms6.9地震序列深度分布特征

2 序列類型及主震破裂形式

2.1 地震余震序列類型劃分方法

基于震級差的余震序列類型分類思路[9],以主震震級M0與1 a內的最大余震震級MA1之間的震級差公式ΔM=M0-MA1進行余震序列類型劃分:

1)孤立型:ΔM>2.4,且在1 a內余震次數較少;

2)主余型:0.7≤ΔM<2.4;

3)震群型:ΔM≤0.7。

ΔM為余震序列中主震與最大余震的震級差。

2.2 主震斷層類型判定方法

對于主震斷層類型對余震序列的影響,REASENBERG[10]對比研究了板內逆沖帶及板緣消減帶上的走滑及逆沖地震事件的“前震”和余震序列特征,發現主震斷層類型和地震前兆及余震序列類型關系密切,說明余震序列的主震斷層類型也許是影響余震序列類型的重要因素之一。一般情況下,地震斷層通常采用傾角、走向和滑動角等3個參數描述[11],其中在斷層面上對滑動角λ量度,根據滑動角λ的數值分布情況,可得到主震斷層類型(正斷、逆沖或走滑)和錯動方式(右旋或左旋)。具體就祁連山地震帶中強地震余震序列類型而言,根據張曉東、許忠淮等[12]的研究結論,具有張性斷層(正斷)性質的地震主要發生在青藏高原的中西部地區,本文所研究的中強地震余震序列不在該區域范圍,因此暫不考慮正斷層破裂型中強地震的情況(λ<0°);考慮本文主要著重于主震破裂類型對余震序列類型的可能性影響的研究,因而,發震主震斷層的錯動方式(右旋或左旋)對本研究并不是關鍵因素,因此,在不考慮發震斷層錯動方式的條件下將λ值限定在0°～90°之間,即當λ>90°時則得到λ=180°-λ。

根據之前的研究結論[13],得到滑動角λ與主震破裂類型之間的關系定義如下:

1)當滑動角λ為0°≤λ<22.5°之間,主震破裂類型為走滑型破裂類型(SS);

2)當滑動角λ為22.5°≤λ<45°之間,主震破裂類型為含傾滑分量的走滑型破裂類型(SD);

3)當滑動角λ為45°≤λ<67.5°之間,主震破裂類型為含走滑分量的傾滑型破裂類型(DS);

4)當滑動角λ為67.5°≤λ<90°之間,主震破裂類型為逆沖型破裂類型(RS)。

3 祁連山地震帶余震序列統計特征

3.1 余震序列情況

1980年以來祁連山地震帶共發生了31次5級以上地震,其中有24次地震為主震,其他7次為5級以上余震或震群型地震。通過對1980年以來的24次地震震源信息分析(表2),并依據前述余震序列類型劃分方法,1980年以來祁連山地震帶24次余震序列類型中,主余型16次、震群型2次、孤立型6次,分別占66.7%、8.3%及25.0%(表3)。一方面,從類型相同但主震震級區間不同的序列所占比例來看,祁連山地震帶余震系列有2個明顯特點:一是83.3%的孤立型序列類型的主震均小于6.0級,無6.0級以上的孤立型序列;二是祁連山地震帶余震序列主要以主余型為主,占66.7%。另一方面,從不同類型余震序列、相同震級區間所占的比例來看,隨著主震震級的增加,孤立型余震類型所占比例減少,主余型及震群型余震序列所占比例逐漸增加。

表2 1980年以來祁連山地震帶5.0級以上主震類型地震基本信息[8,14]

表3 按震級差的余震序列類型判定結果

圖3為1980年以來祁連山地震帶中強地震余震序列類型分布圖。由圖3可以看出,1980年以來祁連山地震帶中強地震3種余震序列類型中,主余型余震序列類型主要分布在祁連山地震帶中東段,且以100°E～104°E為主要分布區,另外在祁連山地震帶西段99°E以西均為主余型余震序列類型;孤立型余震序列類型主要分布在祁連山地震帶中段,且以98°E～100°E為主要分布區,另外在祁連山地震帶東段101.8°E以東有零星分布;震群型余震序列類型主要分布在祁連山地震帶中段,主要分布在99.5°E～101°E。

圖3 1980年以來祁連山地震帶中強地震余震序列類型分布圖

由圖3可以看出,祁連山地震帶各類余震序列類型具有顯著的分區特性,因此未來該帶中強地震發震后根據其分區特性可進行序列類型的判定。

3.2 序列主震與斷層類型之間的關系

地震的破裂滑動角是斷層的運動參數,由這一參數的具體數值,可描述斷層的各種運動類型[15]。

圖4為祁連山地震帶中強地震余震序列主震M0與主震斷層類型(以主震的破裂滑動角λ進行表征)之間的關系。在95.00%的置信區間概率下,16次余震序列能夠確定為主震破裂滑動型,其中,走滑型(0°～22.5°)8次、含傾滑分量的走滑型(22.5°～45°)5次、含走滑分量的傾滑型(45°～67.5°)3次、逆沖型(67.5°～90°)8次。由圖5和表4可以看出,走滑型序列類型占全部余震序列的33.3%,其主震震級分布于所有震級范圍之內;含傾滑分量的走滑型余震序列占全部余震序列的20.8%,其主震震級小于6.5級;含走滑分量的傾滑型余震序列占比最小為16.7%,與含傾滑分量的走滑型余震序列所占比例相近;逆沖型余震序列占全部余震序列的29.2%,其主震震級小于6.5級。

表4 序列類型與斷層性質關系

圖4 主震震級與地震破裂滑動角關系圖

圖5 震群型與主余型序列余震深度分布圖

由圖4還能看出,當主震破裂滑動類型以逆沖型或傾滑型(λ≥22.5°)為主時,余震序列類型以主余型為主,有少量為孤立型。其中,震群型余震類型均分布于走滑型破裂類型,其破裂滑動角λ在5°～15°之間。

3.3 序列深度分布特征

選擇震群型和主余型余震序列中的典型的2個6.0級以上地震分析余震在深部的活動特征,圖5為2003年民樂-山丹6.1級地震和2016年門源6.4級地震的H-S深度剖面圖。由圖5可知,2003年民樂-山丹6.1級地震發生在民樂-山丹盆地內,余震較為發育,根據中國地震臺網速報記錄得到震源深度主要分布于10 km左右,沿北東向延伸約10 km。2016年門源6.4級地震發生在應力較為集中的古浪推覆體,余震較為豐富,余震震源深度主要分布在6～12 km范圍內,沿北西向構造延伸約10 km左右,成叢密集,反映了地震破裂集中產生于10 km深處。

3.4 主余型序列類型主震與最大余震關系分析

考慮到孤立型余震序列的余震較少及震群型余震序列的不同,本文以1980年以來祁連山地震帶18次主余型序列類型中的主震震級M0和1 a內最大余震震級MA1進行線性擬合,得到了主余型序列類型主震震級M0與1 a內最大余震震級MA1線性回歸關系及95.00%置信區間概率下的數據分布范圍(圖6)。

圖6 主余型序列類型主震震級與余震震級關系

由線性擬合可得到祁連山地震帶主余型序列類型主震震級M0與1 a內最大余震震級MA1之間的線性關系模型如式(1):

MA1=1.2077M0-2.8752(r=0.8822)

(1)

由式(1)可知,祁連山地震帶主余型序列類型主震震級M0與1 a內最大余震震級MA1的相關系數為0.8822,說明主震震級M0與1 a內最大余震震級MA1之間具有高度相關性,從而可為祁連山地震帶未來主余型序列類型的1 a內大余震震級MA1進行預測,從而為該地震帶主余型序列類型地震后的余震判定提供數學模型。

4 結論

通過對2022年門源6.9級地震震源機制和序列類型分析以及1980年以來祁連山地震帶5.0級以上中強地震的活動性規律和余震序列的統計研究,得到以下主要結論:

1)2022年門源6.9級地震震源機制為走滑兼逆沖破裂性質,其發生意味著祁連山地震帶進入了中強地震活躍期。1980年以來祁連山地震帶5.0級以上中強地震在其中東段較其他區域更為密集;該帶的5.0級以上中強地震存在3個叢集活動階段并且每個中強地震活動階段持續約為4 a。

2)祁連山地震帶余震序列類型中,以主余型余震序列類型為主達16次,震群型和孤立型余震序列為輔,分別為2次和6次,三者比例分別為66.7%、8.3%、25.0%;且各類余震序列類型具有顯著的分區特性,在未來該帶中強地震發震后根據其分區特性可進行序列類型的判定。

3)祁連山地震帶中強地震余震序列主震M0與主震斷層類型以主震破裂滑動型為主,占比達到66.7%;當主震破裂滑動類型以逆沖型或傾滑型(λ≥22.5°)為主時,余震序列類型以主余型為主,有少量為孤立型。其中,震群型余震類型均分布于走滑型破裂類型,其破裂滑動角λ在5°～15°之間。

4)祁連山地震帶主余型序列類型主震震級M0與1 a內最大余震震級MA1之間具有高度相關性,可為祁連山地震帶未來主余型序列類型的1 a內大余震震級MA1進行預測,為未來該地震帶主余型序列類型地震后的余震判定提供數學模型。