东昆仑断裂玛沁-玛曲段断层结构和应力场特征研究

周 琳 李 君 张 佩 靳 源

1 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054

东昆仑断裂带是青藏高原东北部一条重要的NWW向边界断裂，也是中国大陆内部一条巨型左旋走滑为主的活动性断裂构造，晚第四纪以来活动十分强烈。东昆仑断裂带东段玛沁-玛曲段几何结构特征较为复杂，地处人口较多的地震空段，引起了国内外学者的高度重视，专家学者从历史地震地表破裂展布、长期滑动速率和古地震复发序列等方面进行了大量的分析和讨论。结果表明，东昆仑断裂带存在明显的滑动速率递减现象，东昆仑断裂带中西段滑动速率较高，东段滑动速率较低，总体趋势是在玛沁-玛曲段发生了速率递减。但对于为什么在玛沁-玛曲段发生速率递减，目前存在分歧[1]，对于东昆仑断裂的东延问题也有不同的认识。

精准的地震定位结果能够提供有效的地震活动信息，可用来研究地震发生机制、地球内部构造、震源几何结构等问题。构造应力场是断裂活动与发生地震的基本原因，研究局部地区地壳应力场的变化对于判定地震危险区及地震危险性有重要意义。本文对东昆仑断裂东段(玛沁-玛曲段)及周边2009-01～2018-09的中小地震进行了重新定位；通过CAP方法和区域阻尼应力反演方法，获取东昆仑断裂东段及邻区的ML≥3.5地震的震源机制解并反演区域应力场，探讨东昆仑断裂东段(玛沁-玛曲段)的断层结构与应力场分布特征。研究结果可为认识东昆仑断裂带滑动速率向东递减现象在青藏高原东北缘动力学特征中的作用提供地震学方面的证据。

1 研究区域概况

近2 000 km长的东昆仑断裂带是中国大陆内部一条巨型左旋走滑为主的活动性断裂构造，横穿于青海省中部，是印度板块向北与欧亚板块碰撞过程中在青藏高原内部产生的一系列大型走滑断裂之一。有历史记载以来，东昆仑断裂带曾发生5次MS7.0～7.9地震和1次MS8.1地震[2]。

东昆仑断裂带玛沁-玛曲段地处甘、青、川3省交汇区，位于地震较多的南北带中段及中国东西部构造和南北向构造交汇部位，几何结构特征较为复杂(图1)，在阿尼玛卿山与中铁断裂相交，在西贡周附近与阿万仓断裂相交，全长约330 km，总体走向295°，倾向以SW为主 ，倾角70°～80°，局部近直立[3]。广泛分布的构造地貌和古地震造成的破裂标志表明，玛沁-玛曲段曾经历过多次活动。玛沁段位于阿尼玛卿山以东，总体走向290°～300°，倾向SW，倾角60°～80°。玛沁以西主要表现为逆走滑性质，玛沁以东主要为正倾滑性质。东昆仑断裂在101°E附近与阿万仓断裂的东、西两支相交(夹角约40°), 形成西贡周断层交汇区。阿万仓断裂全长约200 km，总体走向310°，倾向NE，晚第四纪以来活动性强，是一条全新世活动左旋走滑逆冲断裂[4]。玛曲段总体走向280°～305°，断层纵穿玛曲盆地，在若尔盖以北与塔藏断裂相交。玛曲断裂全新世以来活动强烈，主要表现为左旋走滑运动。东昆仑断裂带中东部的滑动速率，无论是构造地貌还是古地震方法计算结果，都显示在玛沁-玛曲段发生了递减[4]。目前东昆仑断裂带上还存在着两个无历史地表破裂的地震空段，其中一个就是玛沁-玛曲段，以玛曲为中心的长约200 km的地震空区属于危险地点之一。

图1 区域构造地质图Fig.1 Regional tectonic geological map

2 地震双差定位

使用双差定位方法对东昆仑断裂东段(玛沁-玛曲段)2009-01-01～2018-09-30期间发生的M≥1.0中小地震进行重新定位。双差定位方法[5]是一种相对定位方法，其基本思想是：如果两个地震震源之间的距离小于事件到台站的距离和速度不均匀的尺度，那么震源区和这个台站之间的整个射线路径几乎相同，这时在某个台站观测到的两个事件的走时差来自于事件之间的空间偏移。该方法利用信号的走时差反演震源位置，能够有效地消除震源至台站的共同传播路径效应，对地壳速度模型的依赖性相对较小。该方法已在国内外地震定位研究中取得许多重要成果。

由中国地震台网中心全国地震编目系统下载2009-01-01～2018-09-30东昆仑断裂东段(33.5°～35.3°N，99°～103.5°E)M≥1.0地震的震相观测报告，并将其转换为双差定位程序要求的震相和目录格式。为保证方程解的稳定，选取至少有4个台站的记录和6个震相记录的地震作重新定位，参与反演计算的台站个数为50，震级范围在ML1～ML5.5之间。其中无震源深度地震46个，无爆破、塌陷等非天然地震事件。震相数据共计92 254条，本文使用的速度模型参考了该地区人工地震、层析成像等研究结果[6-7]。经统计，定位前后的均方根残差由0.679 s下降到0.517 s，震源位置误差统计给出的EW、NS、UD方向的定位误差平均值分别为0.047 km、0.047 km、0.418 km。采用双差定位方法对地震进行重定位后，最终获得459个地震的重新定位结果。

图2为东昆仑断裂玛沁-玛曲段双差定位后震中分布图及沿不同投影剖面线的震源深度分布图，可以看出，双差定位后震中集中、紧凑地分布在断裂带两侧区域，条带状特征明显。东昆仑断裂玛沁-玛曲段的震中分布存在明显的地震分区现象，在阿万仓断裂与东昆仑断裂的交汇处以西地震分布密集，经过101°E交汇处之后地震向南沿阿万仓断裂展开分布，向东沿迭部-白龙江断裂西段展开分布。近10 a来玛沁至若尔盖的地震空区现象还在持续。在震源深度剖面上可以看出，东昆仑断裂东段震源深度主要分布在2～30 km范围内，玛沁段地震深度主要为20 km左右，倾向SW，断层倾角较高(图2(c))；阿万仓断裂地震活动性强，倾向NE(图2(d))；迭部-白龙江断裂可见震源深度为30 km的地震分布(图2(e))。

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

3 震源机制解和震源区应力场

震源机制解能给出发震断层的错动类型和力学机制，它含有大量的震源应力场和震源破裂错动信息，是人们深刻了解震源断层动力学特征、构造应力场状态的有效途径。用于反演震源机制解的3.5级以上地震波形数据由中国地震局地球物理研究所国家测震台网数据备份中心提供，本文采用CAP(cut and paste)方法[8]反演东昆仑断裂玛沁-玛曲段的震源机制解。CAP方法是一种基于区域数字地震波形资料反演震源机制解的方法，该方法将地震波形的体波和面波分离，对体波和面波分别赋予不同的权重，分别与理论地震图进行拟合，通过引入距离补偿因子消除几何扩散产生的衰减对波形的影响，对求解中小地震的震源机制解具有明显优势，目前CAP方法已在国内外得到普通认可。在进行反演计算时，选取350 km范围内台站信噪比较高的波形数据，速度模型与双差定位所用的模型相同。震源函数持续时间设置为2 s左右，体波与面波分别截取30 s和70 s，带通滤波频带为体波0.05～0.2 Hz、面波0.05～0.16 Hz，网格搜索时走向、倾角、滑动角的搜索步长设置为5°，深度步长为1 km。最终反演得到14个地震的震源机制解。图3是利用CAP方法反演2011-03-03 ML4.5地震震源机制解的波形拟合图和不同深度的反演残差图，可以看出，CAP反演时的波形拟合较好，震源机制解形态随深度变化稳定。

图3 CAP反演震源机制解的波形拟合和不同深度反演残差图(ML4.5地震)Fig.3 Waveform fitting of ML4.5 earthquake and residual graph at different depths

按照震源断层分类标准，对本文得到的14个震源机制解结果进行分类，其中逆冲型地震5个，走滑型地震7个，正断型地震2个。本文得到的震源机制解结果与王晓山等[9]得到的南北地震带中段震源机制解类型一致。东昆仑断裂玛沁-玛曲段在101°E以东向东延伸分叉为3个主要分支，主干断裂为玛沁-玛曲断裂，经黄河河谷玛曲段，横切若尔盖盆地的北部地区向东逐渐消失；北支为迭部-白龙江断裂；南支为阿万仓断裂，这些断裂均显示强烈的走滑活动的地貌特征。GPS形变观测资料[10]和地质资料[1]都显示，在101°E附近滑动速率发生了递减。由图4可以看出，在玛沁-玛曲段，经过阿万仓断裂与东昆仑断裂交汇处(101°E附近)之后，滑动速率从5.5±0.7 mm/a下降到2 mm/a，滑动速率的降低造成了拉张的构造应力场环境，震源机制解类型也发生改变。101°E以西，玛沁段震源机制解类型主要为逆冲型地震， 101°E附近出现了正断型地震，阿万仓断裂的震源机制解类型为走滑型地震，北支迭部-白龙江断裂以西的震源机制解类型也为走滑型地震，这些结果与野外地质踏勘得到的断层性质基本一致。玛曲段晚第四纪的活动性非常强烈，以左旋走滑性质为主，与迭部-白龙江断裂的走滑变形性质一致。通过图4(滑动速率资料来源于文献[1,11-12])中隐伏断裂推断，东昆仑断裂带向东可能连通了迭部-白龙江断裂带。从块体运动的角度，迭部-白龙江断裂是东昆仑断裂带的北侧分支，玛曲段的左旋走滑位移继续沿北侧的迭部-白龙江断裂向东延伸，形成了一个连通的、向东传递的断裂系统。

图4 研究区域M≥3.5地震震源机制解及双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

由震源机制解可以计算地震的应力张量。根据滑动拟合基本原理，假设断层滑动方向与应力场在断层面上的剪切应力方向一致，由断层滑动数据可以求解应力张量。本文使用MSATSI软件包[13]，采用线性反演技术，将14个中强地震的震源机制解作为输入数据，计算单个网格内的应力张量，得到东昆仑断裂玛沁-玛曲段的震源区应力场。东昆仑断裂东段的主压应力方位角为61°，主张应力方位角151°(图4)，从区域应力场角度看，研究区域主压应力为NEE向，主张应力为NNW向。本文研究得到的东昆仑断裂带玛沁-玛曲段水平最大主压应力方向与青藏高原东部的构造变形速度场[14]基本一致。印度板块与欧亚板块的碰撞及其后印度板块向北楔入作用引起的挤压应力是造成青藏高原东北部隆升的主要原因，也是东昆仑构造带发生北向为主的逆冲推覆运动的主要动力来源。

4 结 语

通过对东昆仑断裂玛沁-玛曲段中小地震重定位、震源机制解及构造应力场的分析，结合前人对该区域新构造活动特征、地壳形变等方面的研究成果，得到如下结论：

1)东昆仑断裂玛沁-玛曲段存在明显的地震分区现象，在101°E附近地震沿阿万仓断裂分布。震源深度主要分布在2～30 km范围内，玛沁段断层倾角较高，阿万仓断裂地震活动性强。近10 a来玛沁至若尔盖的地震空区现象还在持续，玛曲段的地震危险性需要引起重视。

2)利用CAP方法得到东昆仑断裂玛沁-玛曲段14个中强地震的震源机制解，震源机制解类型在东昆仑断裂与阿万仓断裂交汇附近发生改变。东昆仑断裂带向东可能已经连通迭部-白龙江断裂带，形成一个连通的、向东传递的断裂系统。研究区域主压应力为NEE向，主张应力为NNW向，与青藏高原东部的构造变形速度场基本一致。

3)在101°E附近经阿万仓断裂带运动分解后，东昆仑断裂玛沁-玛曲段的地震展布和震源机制解类型都发生了改变。作为东昆仑断裂带东延过程中的重要分支断裂，阿万仓断裂吸收了东昆仑断裂带的部分走滑位移。本文的研究结果为东昆仑断裂玛沁-玛曲段因受阿万仓断裂的吸收转换导致在玛沁-玛曲段滑动速率减弱的结论提供了地震学方面的证据。