玛曲MS4.4地震震源机制解及其构造意义探讨

陈晓龙,蒲 举,尹欣欣,陈继锋

(1.甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000;2.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000;3.中国地震局兰州岩土地震研究所,甘肃 兰州 730000)

0 引言

2021年5月22日2时4分在青海玛多(34.59°N,98.34°E)发生了MS7.4地震;同日11时30分,在距离该地震震中200 km左右的东昆仑断裂带玛曲—玛沁段发生了甘肃玛曲MS4.4地震(34.28°N,100.90°E),两次地震在时间、空间上的联系值得研究。

东昆仑断裂带玛曲—玛沁段因最后一次大地震离逝时间已接近或超过其复发周期,一直受到学术界的关注[1]。前人研究显示:一个地区的地震活动序列实际上反映了该区不同断裂间的相互作用过程,通过应力转移,一条断裂上的地震活动会明显地影响邻近断裂上的地震发生[2]。该影响可表现为应力触发,即导致地震丛集式发生[3]。且已有研究表明,大陆内部地震丛集行为更多地表现在同一个区域的不同断裂上[4]。利用甘肃、青海和四川台网宽频带地震波形记录反演了玛曲MS4.4地震震源机制,为研究该区构造应力场变化及地震活动性提供参考依据。参照不同机构给出的青海玛多MS7.4地震震源机制解和静态库伦破裂应力改变量分布,综合考虑两次地震的震中距,发震时刻和所处的断层分布等情况,对两次地震是否存在联系进行探讨。

1 玛曲MS4.4地震震源机制解反演

由于玛曲MS4.4地震能量相对较小,不利于由远场波形反演地震矩张量解,故本文选取近年来被广泛使用的CAP震源机制解方法。该方法的优势是计算所需台站少、反演结果对速度模型依赖性较小[5-7]。计算时将宽频带地震记录分成Pnl和面波两个部分进行反演,并允许他们相对浮动,在适当的时间变化范围内,搜索出合成地震图和观测地震图全局差异最小的震源机制解。由于计算时提高了Pnl的权重,对地震深度约束较为理想,同时引入距离影响因子,避免反演受最近台站记录影响,在误差定义中规避了振幅归一化带来的其他局部最小值解,能够获取更准确地机制解[8]。

本文收集了玛曲MS4.4地震震中周边地区的同仁台(TOR)、玛曲台(MQT)、大武台(DAW)、班玛台(BAM)、松潘台(SPA)、合作台(HZT)和若尔盖台(REG)7个宽频带数字地震记录用于反演震源机制解(表1)。台站分布均匀合理,对此次地震包围较好,在台站分布上最大程度减小了对反演结果的影响。

表1 研究区内台站参数表Table 1 Parameters for stations used in this study

地震引起的位移计算主要依赖于地震震源和地震波传播路径,所以在计算时选取合理的地壳模型尤为重要[9-10]。本文参考了甘肃、青海地区地壳速度结构的研究结果[11-12],选取目前广泛使用的Crust1.0的1°×1°分层的速度和密度结构模型[13](表2)。依照上述模型计算理论地震图,得出合成地震图和观测地震图全局差异最小的震源机制解。

表2 研究区水平分层地壳速度结构Table 2 The crustal velocity structure in the study area

计算中,持续时间设置为1 s,体波与面波截取波形窗长分别为30 s和60 s,相应的带通滤波频带宽度为0.05～0.2 Hz、0.05～0.1 Hz,断层面参数走向、倾角、滑动角搜索步长5°,深度步长2 km。图1给出了最佳拟合深度处7个地震台站记录的部分理论波形和实际波形拟合。结果显示参与拟合的波形各分量相关系数大部分高于80%,理论波形与实际波形具有很好的拟合关系。

(红线为理论地震图,黑线为观测地震图,左边是台站名和相应的震中距,每行波形下面是相应分量的时间偏移量(单位:s)及互相关值)图1 观测波形与理论地震图拟合结果Fig.1 Comparison of the synthetic (red)and observed (black)seismograms

图2展示了玛曲MS4.4地震反演误差随深度的变化。反演过程中采用拟合误差随不同矩心深度合成地震图和观测地震图全局差异最小的震源机制解作为最佳拟合结果,最大程度地剔除了震源深度误差的影响。经反演所得的最佳拟合深度为8 km,拟合曲线平滑无突跳,矩心深度存在唯一极低值,反演结果准确可靠。

图2 拟合误差随不同矩心深度变化图Fig.2 Change of the fitting error with different centroid depth

2 玛曲MS4.4地震与玛多MS7.4强震的相关性讨论

玛曲MS4.4地震发生在巴颜喀拉地块与柴达木地块两个块体边界、走向近西北-东南向的东昆仑断裂带玛沁—玛曲段上。该断裂带是巴颜喀拉块体边界巨型的左旋走滑活动断裂系统,全长约1 800 km,其展布方向与块体运动方向呈锐角相交[14];中段(青海格尔木—玛沁)晚更新世晚期以来呈近NWW-EW向强烈左旋走滑、平均滑动速率10.0～12.5 mm/a[15]。图3中给出了玛曲MS4.4地震震源机制解,结果指示本次地震为左旋走滑型地震,节面Ⅱ(近西北-东南向)与东昆仑断裂带走向一致,本文初步判断东昆仑断裂带为本次地震的发震构造带。

表3列出了国内外不同机构给出的青海玛多MS7.4强震震源机制解结果,总体而言不同机构得到的震源机制解结果较为一致。本文以中国地震台网中心给出的震源机制解结果为准,将其与玛曲MS4.4地震震源机制解相比较,可以发现两次地震震源机制解反演的的走向、倾角基本一致;玛曲地震节面Ⅱ滑动角为-38.7°、玛多地震不同机构给出的滑动角范围在-40°～14°范围内,正、逆断层比重较小,指示两次地震发震断层的运动特征以左旋走滑为主。考虑到两次地震的发震断层(图3)在同一构造带上近平行分布,且震中位置和发震时间接近;结合两次地震的震源机制解结果,玛曲MS4.4地震的发生是否与玛多MS7.4地震存在内在联系亟待进一步探讨。

图3 玛曲MS4.4地震震中(红色实心圆圈)与对应的震源机制解、反演选用台站(蓝色实心三角)、 断层(红色实线,据邓起东等,2002[16])和玛多MS7.4地震震中(黄色实心五角星)分布图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

本文根据玛多MS7.4地震震源机制解(表3),参照Graphic-Rich Deformation and Stress-Change Software[18]对玛多地震应力分布进行了静态库伦破裂应力改变量(ΔCFS)分析,该软件使得ΔCFS能够分解到任一方向的断面以及相应的滑动方向上。ΔCFS计算公式可表达为:

ΔCFS=Δτs+μ(Δσn+ΔP)

(1)

式中:Δτs为剪应力改变量;μ为摩擦系数;Δσn为正应力改变量;ΔP为孔隙压力改变量,公式表达为:

ΔP=-β/3(∑Δτii)

(2)

式中:Δτii是应力张量对角分量之和(τii=τxx+τyy+τzz);β为斯肯普顿系数[19],本文取值0.5[20];在μ和β合理范围内的变化对ΔCFS影响较小[21]。

计算使用Coulomb3.3软件,输入震源断层信息及断层参数即可得出库伦应力变化图像。计算所采用的水平分层地壳模型同表2所列,考虑到滑动速率比较大的走滑断层具有较小的摩擦系数,常取0.2～0.4[22],故本次计算摩擦系数μ取值0.3。发震断层参数选用中国地震台网中心给出的震源机制解结果(表3)。破裂面长度经前期科学考察已有统一结论[23],玛多—甘德断裂两盘最大滑动量前人给出的参考范围是2.1～7.6m[24],本文取其平均值,具体参数模型见表4所列。

表3 主要地震研究机构给出的青海玛多MS7.4地震震源机制解[17]Table 3 Focal mechanism solutions of the Maduo MS7.4 earthquake given by different organizations [17]

表4 玛多MS7.4地震破裂模型参数Table 4 Parameters for the rupture model of Maduo MS7.4 earthquake

计算结果如图4所示。玛多MS7.4强震以震中为轴,近西北-东南向的拉应力、西南-东北向的压应力分布与两次地震的震源机制解、区域主应力分布一致。从玛曲地震所处的应力改变场位置来看,虽然震中位置距离玛多强震超过200 km,但库伦应力改变量分布结果显示:震中附近依然受到玛多地震的应力改变波及,单位面积(m2)受到来自近西北向的拉应力约为≈0.02 MPa。虽然单次地震的静态库伦破裂应力改变量分布图分辨率较低,但可以作为玛曲地震发震机制的参考。

以玛多MS7.4地震震中为轴,应力改变量正数值为压应力,负数值为拉应力、断层(黑色实线,据文献[16])和玛多MS7.4、玛曲MS4.4地震震中(红色实心五角星)图4 青海玛多MS7.4地震静态库伦破裂应力 改变量分布图Fig.4 Distribution map of Coulomb stress change of Maduo MS7.4 earthquake in Qinghai Province

前人研究显示,一次地震发生对下一次地震的触发缩短了地震重复发生所需要的累积时间,使得地震可以提前发生[25],已有大量研究显示:大地震断层位错产生的库仑破裂应力变化,对其他断层上的地震过程的影响范围可能达到几百至上千公里[26],当同震库伦破裂应力大于0.1 bar(≈0.01 MPa)时,就可以对后续的地震有一定的触发作用[27]。综合考虑两次地震的震中距、发震断裂分布和发震时间等因素,尽管存在各种不确定性,但断裂间相互作用以及在这一过程中出现的应力转移,为解释地震丛集发生提供了一种科学依据。

玛曲MS4.4地震发生在近西北-东南走向的玛曲—荷叶断裂上,与玛多MS7.4地震所处的玛多—甘德断裂同属于东昆仑断裂带(图3)。由于区域应力场的高度一致性使得相邻断裂对同向应力的改变极为敏感,这就使较远距离、相关性较弱的地震触发成为一种可能的机制,一个合理的解释是:玛曲地震发震断裂在长期的变形过程中积累应力已接近破裂临界点,当受到外界应力突然改变(玛多强震带来的应力改变量)时才出现失稳,导致了玛曲MS4.4地震的提前发生。

青海玛多MS7.4地震后,学术界一个广泛关注的问题是:东昆仑断裂带玛曲—玛沁段最后一次大地震的离逝时间已经超出或者接近其复发周期[23]。玛曲MS4.4地震发生后,东昆仑断裂带玛曲—玛沁段积聚的应力得到了一定程度的释放,所以对玛曲MS4.4地震发震机理的研究对推进该区域大震周期的研究具有积极意义。

3 结论

利用CAP方法反演了甘肃玛曲MS4.4地震的震源机制解,通过拟合误差、台站空间分布等自检结果较好。对比东昆仑断裂带走向、区域应力分布和野外地质考察认识,认为该地震震源机制解反演结果可信,为研究该区构造应力场变化及地震活动性提供必要的参考依据。

玛曲及周边地区长期受青藏块体推挤作用,将甘肃玛曲地震和青海玛多地震的震源机制解对比发现:两次地震震源机制解反演的走向、倾角基本一致、正断层和逆断层比重较小,发震断层的运动特征均以左旋走滑为主。根据玛多MS7.4地震静态库伦破裂应力改变量分布,发现玛曲地震震中位置受到来自玛多地震的应力扰动,以m2为单位所受到的拉应力约为0.02 MPa。由于相邻断裂带对同向应力的改变极为敏感,综合考虑断裂带空间分布、发震时间和震中距等因素,初步判断玛曲MS4.4地震是玛多MS7.4强震的一次触发地震。

玛曲—玛沁段最后一次大地震的离逝时间已经超出或者接近其复发周期,玛曲MS4.4地震的发生对玛曲—玛沁段大震复发周期的指示意义值得进一步研究。