2021年玛多MS7.4地震的深部构造背景

宋向辉 王帅军 潘素珍 宋佳佳

1)中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002 2)中国地质大学(北京)，地球科学与资源学院，北京 100083

0 引言

青藏高原内部强烈地震的发生与深部地壳结构和动力学过程密切相关，因此玛多地震的发生可能不只是浅部断裂走滑运动的结果，更与其深部结构和动力学过程有关，对玛多地区的地壳结构以及深部断裂展布等进行研究，对于揭示此次玛多地震的深部构造背景和成因具有重要意义。 2010年中国地震局物探中心布设了NE向的玉树—玛多—共和人工地震剖面，距离玛多地震震中约20km，测线平均观测点距为2km，并通过6次人工爆破实验很好地解释了玛多地区的地壳速度结构(张建狮等，2014)，该结果对于揭示此次玛多地震的深部构造背景具有重要帮助。 本文将利用玛多MS7.4地震周边的人工地震测深结果，对玛多地震区的深部地壳结构进行研究，探讨此次地震发生的深部构造背景。

1 区域构造环境

图1 区域地质概况及人工地震测深测线分布图Fig. 1 Geological setting and location of deep seismic sounding survey in Madoi area.

此次玛多7.4级地震的发震断裂为江错断裂，位于玛多-甘德断裂与达日断裂之间，全长约700km，整体走向NWW，倾向以NE为主，表现为左旋走滑性质(潘家伟等，2021； 王未来等，2021)。

2 上地壳介质特征

玛多地区的上地壳厚约25km，分为上、 下2层(图 2)，上层的平均速度为5.7km/s，下层是平均速度为5.6km/s的低速体，上、 下分层大约以17km深度为界。 李永华等利用双差层析成像方法获得了玛多地区的速度结构(3)http:∥www.cea-igp.ac.cn/cxdt/278267.html。，也发现玛多地区的上地壳下部为低速体。 玛多地区上地壳的介质特征在该地区其他人工地震剖面结果中也有体现，玛沁—兰州—靖边剖面揭示了巴颜喀拉块体在10～16km深度的上地壳内存在低速层(张先康等，2003)，莫坝—贵德剖面显示该区域附近16km深处的地壳速度存在跳跃性，形成明显的速度间断面(Zhangetal.，2011)。 玛多地区上地壳特殊的上下分层结构为地震孕育提供了介质条件，上部高速层为上地壳脆性变形提供了条件，下部低速层则为上部地壳积累应变能提供了条件。

图2 玛多地区的上地壳速度结构(据张建狮等，2014改)Fig. 2 Upper crustal velocity and medium environments of Madoi area(modified after ZHANG Jian-shi et al.，2014).白色五角星为玛多MS7.4地震主震，白色圆圈为余震序列

从玛多地震震源附近速度结构来看(图 2)，地壳横向非均匀性明显，上地壳上层的平均速度约为5.7km/s，存在局部的高速异常体(HZV)，速度达5.8km/s，而此次玛多地震正发生在局部高速体的边缘。 徐锡伟等(2017)指出，中国大陆高震级地震的发震断层或断层破裂段均位于地震波高速区内或高、 低速过渡带偏高速一侧，断层附近高强度的围岩或凹凸体有利于积累足够的能量而发生高震级地震。 余震分布的深度范围为6～20km，主要位于上地壳的高速层内。 从图 2 可以看出，余震的位置与地壳速度横向变化的区域对应良好，包括局部高速体的边缘以及局部低速体偏高速的位置，表明玛多地区上地壳速度结构强烈的非均匀性有利于地震破裂的发生。

玛多地震主震震源位于上地壳高速层内，下部的低速层为上部地壳脆性变形的应变能积累提供了条件。 具体而言，玛多地震的震源位于局部高速体的边缘，符合高震级地震危险区段介质的特性标志特征。 因此，玛多地区上地壳特殊的上下分层结构以及局部地区的高速异常体，为此次玛多地震的孕育提供了必要的介质条件。

3 深部断裂特征

江错断裂是此次玛多地震的发震断裂，与达日断裂带、 玛多-甘德断裂和东昆仑断裂带在平面上近平行分布(潘家伟等，2021； 王未来等，2021)。 在剖面上玛多-甘德断裂表现为三叠系巴颜喀拉群内的高角度逆冲断层，与东昆仑断裂带近平行，整体倾向N，两者共同构成了阿尼玛卿地区的多重逆冲推覆构造结构(图 3)(裴先治，2001)。 巴颜喀拉山主峰断裂在剖面上倾向N，与其N侧的多条断层也呈平行展布(张朝锋，2019)。 因此，推测江错断裂在剖面上也表现为与相邻断层呈平行展布的特征，与巴颜喀拉块体内部其他断裂以及块体北部边界东昆仑断裂等在剖面上表现为平行展布的逆冲叠瓦构造样式。

图3 巴颜喀拉块体内部及北部边界断裂带(据裴先治，2001改)Fig. 3 Section of major faults in and around Bayan Har Block(modified after PEI Xian-zhi，2001).Tln 三叠系隆务河群； Tbq 三叠系布青山群； Tby 三叠系巴颜喀拉群； C-P 石炭系-二叠系台地相厚层块状生物碎屑灰岩； OP 蛇绿构造混杂岩； ML 沉积-构造混杂岩； Pt 元古宙变质基底杂岩

江错断裂在速度结构剖面上表现为断穿基底的深大断裂。 玛多—共和—雅布赖剖面基底结果显示(郭文斌等，2016)，江错断裂两侧的基底厚度与地壳速度存在明显差异，断裂S侧的地壳速度偏低，有一明显的凸起，断裂N侧的地壳速度偏高，基底厚度也相对较深。 从基底结构推测江错断裂倾向N，至少断穿深4km的基底。 玛多地区的上地壳厚度为25～28km，从上地壳速度结构(图 4)来看，江错断裂两侧存在明显的速度变化，在10～17km深度附近，断裂S侧表现为速度约5.80km/s的局部高速异常，而断裂带N侧则为5.70km/s的正常地壳，显示江错断裂可能向深部至少延伸至约17km。 该区域的震源深度分布表明，多数地震都发生在17km以浅的地壳内，推测该区域断层切割到中上地壳约17km深处，并未扩展到地壳深部。 而在17～25km深度范围内，玛多地区表现为巨厚的壳内低速体，也阻挡了断裂向深部延伸，玛多上地壳巨厚低速体的顶面可能作为滑脱面，构成了上覆叠瓦状逆冲断层体系的底板断层。 因此，江错断裂等可能向深部延伸至约17km深处，并未继续向深部扩展，而是统一归并到逆冲底板断层，构成如图 4 所示的叠瓦状逆冲断层组合。

图4 江错断裂与邻近断裂的组合关系Fig. 4 Structural style of Madoi-Gade Fault and neighboring faults.红色圆点为玉树—玛多测线两侧20km范围内的地震投影(1964—2021年)

三叠纪内(220～200MaBP)，由于阿尼玛卿洋盆的斜向俯冲，沿板块缝合带发生左旋走滑，形成巨大的东昆仑走滑断裂(杨经绥等，2005)，断裂向壳幔深部以中等倾角往N斜向插入200km深处(许志琴等，2001)。 受东昆仑断裂后期走滑运动的影响，玛多-甘德断裂等先存逆冲断裂也表现出明显的左旋走滑性质(裴先治，2001； 熊仁伟，2010)。

综上所述，江错断裂在剖面上可能表现为与达日断裂和玛多-甘德断裂等近平行展布的叠瓦式逆冲断层，向深部可能延伸至约17km深处的低速层顶界面，归并到叠瓦逆冲体系的底板断层，与主走滑断裂——东昆仑断裂在剖面上共同构成了以东昆仑走滑断层为主的反向逆冲构造样式。

4 深部构造背景

玛多地区中地壳的深度范围为28～40km，为一连续分布的低速层，地壳速度由6.30km/s逐渐降低至约6.10km/s(图 5)。 该地壳层分隔了上地壳与下部地壳，可能导致了上下构造变形的解耦，并为上地壳的滑脱提供了条件。

玛多地区下地壳的埋深为40～65km，地壳速度从6.60km/s升高至莫霍面之上的约7.10km/s，呈正梯度速度结构。 需要指出的是，大致以江错断裂为界，S、 N两侧地壳结构存在明显的横向差异变化(图 5)： 断裂S侧的下地壳特征表现为莫霍面下凹，地壳厚度明显增厚至约70km，而地壳的增厚主要发生在下地壳； 下地壳存在C4反射界面，将下地壳分隔为上、 下2层，上层地壳的速度较低，仅为6.30km/s，而下层地壳速度为6.60～6.80km/s。 断裂N侧的玛多地区的地壳厚度并未发生明显增厚，厚约65km，莫霍界面表现为平坦形态； 更为重要的是，玛多地区N侧的下地壳不发育C4界面，下地壳表现为6.60～6.90km/s的高速层，壳内低速体不发育。 莫坝—贵德地震测深剖面(Zhangetal.，2011)也显示了断裂两侧的下地壳存在明显的速度差异，N侧表现为高速穹隆形态，而S侧地壳的速度较低。 嘉世旭等(2017)指出巴颜喀拉块体S侧的下地壳为平均速度6.39km/s的低速结构，而N侧为平均速度6.67km/s的类似克拉通块体下地壳的高速结构。 由此可见，江错断裂两侧的下地壳存在明显的地壳速度与分层结构等差异，N侧的平均速度为6.80km/s，为正梯度结构的高速下地壳(HVZ)，而S侧的下地壳发育C4界面，分隔了上层的低速体与下层的正常地壳； 断裂带S侧40～50km深的下地壳低速体由南向北连续分布，贯穿羌塘与巴颜喀拉块体，但该低速体向N尖灭于玛多地区附近，在玛多下方形成了楔状的下地壳形态。

图5 玛多地区的地壳速度结构(据张建狮等，2014改)Fig. 5 Crustal velocity structure of Madoi area(modified after ZHANG Jian-shi et al.，2014).

玛多地区的地壳密度结构(类乌齐—玉树—清水河重力观测剖面)表现出与上述速度结构一致的特征。 密度结构结果显示，玛多地区中地壳的密度较低，约为2.74g/cm3，低于其余地区的2.84g/cm3； 巴颜喀拉地块南部的玉树地区下地壳存在低密度层，密度仅为2.02g/cm3，向N逐渐尖灭形成楔状下地壳，块体N侧的玛多地区为高密度下地壳，S、 N两侧下地壳密度结构差异明显(Yangetal.，2012)。

综上所述，玛多地区中地壳发育连续分布的低速层，而下地壳在江错断裂附近存在SN向的横向结构差异，断裂N侧为高速的下地壳，S侧则发育较厚的壳内低速体，向N逐渐尖灭于玛多地区附近，形成楔状地壳结构。

5 深浅构造的关系及地震构造背景探讨

巴颜喀拉块体的莫霍面和下地壳C4界面由南往北逐渐抬升，具有由南往北仰冲的形态(图 5)。 Galvé等(2002)和Jiang等(2006)利用人工地震爆破结果揭示了巴颜喀拉块体地壳明显厚于北昆仑地壳的现象，提出了巴颜喀拉块体向N仰冲叠至于北昆仑地壳之上的认识。 因此，巴颜喀拉块体与北部昆仑块体的接触关系表现为巴颜喀拉块体向N仰冲的特征，而这种向N仰冲的几何结构为中下地壳软弱物质的垂向上涌提供了便利条件。

在印度板块NE向挤压作用下，巴颜喀拉块体东部以挤压变形为主(李海兵等，2021)，巴颜喀拉块体下地壳的软弱物质可能在NE向挤压作用下逐渐向N运移。 而玛多地区为下地壳低速与高速的转换区域，向N运移的下地壳流遇到高速物质的阻挡，可能沿着C4界面仰冲，向上涌入中上地壳，对上地壳产生挤压，从而导致上地壳应力集中而发生地震。 因此，玛多地区下地壳物质的挤压流动和垂向上涌为该地区地壳的变形提供了深部动力。

玛多7.4级地震在浅部表现为一次典型的左旋走滑型地震事件(张喆等，2021)。 实质上，玛多地区深部物质的挤压上涌与浅部断层的走滑运动存在一定联系，深部垂向变形可能在一定程度上促进了浅部的水平走滑运动。 覃小锋(2002)提出了一种走滑剪切与逆冲推覆相互转换的变形体系，指出深部的逆冲推覆变形可能导致物质的底辟上涌，而物质上升过程中的顶部重力滑脱作用可能导致浅部发生剪切走滑变形。 张培震等(2013)指出中国大陆地区的上地壳以脆性变形为主，下地壳以黏塑性流变为特征，深部流变驱动着上覆脆性地块的运动。 梁光河(2018，2020)也提出了下部物质的上涌可能导致地壳界面倾斜，而地下流体的润滑作用会使得上部地壳因重力作用发生滑脱，从而实现下部垂向变形转换为上部的水平运动。 因此，深部垂向构造运动可以在一定条件下转换为浅部的水平运动。 1)玛多地区存在下地壳流向N的挤压以及向上仰冲的几何结构条件，为下地壳物质的垂向上涌提供了可能。 2)玛多地区的中地壳发育连续分布的低速体，低速体的成因可能为局部熔融、 岩石脱水等，可以为上部地壳的滑移提供润滑条件。 因此，玛多地区上涌的地壳流物质可能受到中地壳低速体的阻挡，并未继续向上运移，而是发生与走滑断层走向平行的侧向迁移，并进一步驱动了上覆脆性上地壳，使其发生水平方向的运动。

除了深部物质的上涌造成上地壳应力集中外，断层之间的相互作用对玛多地震的影响也不能忽视。 马玉虎等(2017)指出，东昆仑断裂带、 玛多-甘德断裂带和昆仑山口-达日断裂带是近平行的3条大断裂，活动性质均为左旋走滑，由于断层的相互作用，地震活动也具有一定的关联性。 2015年玛多地区发生MS5.2地震，发震断层为昆仑山口-达日断裂带，该地震可能是主震发生前的中强地震，推测与昆仑山口-达日断裂带平行的断裂带发生强震的可能性增大。 此外，东昆仑断裂是巨型的走滑断裂，江错断裂等在剖面上表现为归并到主走滑断裂上的逆冲断层，其构造样式表现为以走滑断裂为主的反向逆冲断裂系，而在走滑-挤压构造域中，地震活动性与和大型走滑断裂相关的挤压构造之间存在紧密关系(许志琴等，2004)，这种相邻的走滑和逆冲断层的组合分布也有利于断层之间相互作用的发生(岳汉等，2008)。 东昆仑走滑断裂的走滑速率从西向东逐渐减小，逐渐由西部的以走滑分量为主转变为东部的以逆冲分量为主，逆冲分量导致东昆仑走滑断裂邻近的挤压构造应力增强，为地震的孕育提供了应力集中的条件。 而东昆仑断裂带逐渐减小的走滑分量则由与其平行的一系列分支断裂逐级分担，并在阿尼玛卿山地区形成马尾状弥散型变形的边界断裂带(潘家伟等，2021)。 江错断裂作为东昆仑断裂的一条分支断裂，其左旋走滑运动主要是东昆仑断裂带应变分配和运动学调整的结果。 江错断裂与东昆仑走滑断裂构成了以走滑为主的反向逆冲断层构造样式，一方面这样的构造样式有利于走滑断层邻近的逆冲断裂带挤压构造应力增强，另一方面江错断裂作为东昆仑断裂分支断裂，承担了其走滑分量，发生左旋走滑运动并导致此次玛多地震的发生。

高翔(2012)指出走滑型地震的形成包括2个阶段： 枢纽运动阶段以垂直运动为主，孕育地震； 大滑移阶段以水平运动为主，发生地震。 因此，此次玛多7.4级地震的产生，是深部地壳软弱物质挤压流动与垂向上涌变形以及浅部地壳水平运动共同作用的产物(图 6)： 中下地壳物质受区域挤压作用的影响，以NE—NEE方向向玛多地区流动或蠕动，受玛多下地壳高速物质的阻挡而发生垂向上涌，而物质上涌导致玛多地区上地壳应力的集中，为地震的孕育提供了动力； 玛多地区上地壳特殊的分层结构和局部的高速体异常，为玛多地震的孕育提供了介质条件； 江错断裂受东昆仑断裂走滑运动的影响产生一定的左旋走滑变形，此外，下地壳流上涌并沿走滑断层走向发生侧向迁移，也可能在一定程度上促使上地壳发生NW-SE向的水平运动，从而促进了玛多地震的发生。 而中上地壳低速体由于局部熔融或岩石脱水为上地壳的运动提供了润滑，作为滑脱层为上地壳的滑动提供了必备条件； 另一方面，中上地壳的低速体又阻挡了地震发生后破裂的向下传播，使其终止于中上地壳内，也使得该地区的余震主要集中在上地壳内部。

图6 2021年5月22日玛多MS7.4地震发震构造示意图Fig. 6 Seismotectonic model of the 2021-05-22 Modoi earthquake.红色圆点为玉树—玛多测线两侧20km范围内的地震投影(1964—2021年)

6 结论

本文利用人工地震测深的速度结构模型结果，对玛多地区深部构造特征进行了解释，针对MS7.4玛多地震的孕育和发生取得了如下认识：

(1)玛多地区的上地壳大致以17km深度为界分为上、 下2层，下层低速体为上层脆性变形的应变能积累提供了条件。 玛多地震的震源位于上地壳高速异常体的边缘，符合中国大陆高震级地震的发震介质条件。 玛多地区特殊的上地壳分层结构以及横向上局部高速体异常为玛多MS7.4地震的孕育提供了良好的介质条件。

(2)玛多以南地区的下地壳发育巨厚的低速体，呈楔状向N逐渐尖灭于玛多地区，结合重力反演密度结构和地壳S波分裂结果等推测，该地区存在向NE运动的下地壳流。 受到玛多下地壳高速体的阻挡，该地壳流沿着下地壳的C4界面发生垂向上涌，使玛多地区的上地壳出现应力集中。 因此，玛多地区下地壳流的垂向上涌可能为玛多MS7.4地震的孕育提供了动力条件。

(3)玛多地震的发震断裂——江错断裂与东昆仑走滑断裂构成了以走滑为主的反向逆冲断层构造样式，其左旋走滑水平运动是东昆仑断裂带应变分配和运动学调整的结果。 此外，下地壳流的垂向上涌也可能导致上覆地壳发生水平运动。 因此，玛多地震的发生可能与东昆仑断裂的走滑和下地壳流上涌导致的水平滑移有关。

(4)通过对走滑型地震孕育和发生条件的分析，认为玛多MS7.4地震的形成与玛多地区特殊的上地壳介质条件、 中下地壳软弱物质的挤压流动和垂向上涌以及东昆仑断裂的左旋走滑密切相关。

致谢审稿专家为本文提出了建设性的修改意见与建议； 段永红研究员、 张博博士对本文工作进行了有益探讨。 在此一并表示感谢!