2021年甘肃阿克塞5.5级地震前区域地壳变形异常特征分析

马海萍,赵 静,王朋涛,王 谦,李敏娟,武善艺

(1.甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000;2.中国地震台网中心,北京 100045)

0 引言

2021年8月26日7时38分,甘肃酒泉市阿克塞县(95.5°E,38.88°N)发生了5.5级地震(后文中统称为阿克塞5.5级地震),震源深度～15 km(http://www.csi.ac.cn/)。根据本次地震的震源机制解结果,该地震破裂方式为逆冲型(http://www.globalcmt.org/)。该地震发生在阿尔金断裂与祁连山断裂带的交汇部位,发震断裂为党河南山南缘断裂后塘段。该断裂属于阿尔金南缘断裂的东延段,断裂带长度约60 km,断裂走向近EW。根据前人的研究结果,该断裂全新世以来的左旋滑动速率约为(4.55±0.6) mm/a[1]。依据历史地震目录统计,自1900年以来,震中附近100 km范围内共发生5级以上地震4次,其中5.0～5.9级共3次,6.0级以上1次,最大地震为1951年12月27日甘肃省酒泉市肃北蒙古族自治县6.0级地震。

“中国地壳运动观测网络”(CMONOC Ⅰ)和“中国大陆构造环境监测网络”(CMONOC Ⅱ)项目建设的GPS观测台站和近20年的观测,在本次地震的震源区及附近区域积累了一定的GPS观测资料[2]。这些资料在剔除观测异常数据之后,可为本文中震前区域地壳变形及运动特征分析提供基础数据资料[3-4]。文中所用基础观测数据主要包括中国地震局第一监测中心解算后的区内各GPS连续站点的观测数据产品和2017—2020期GPS流动观测数据产品,数据处理细节参阅文献[5]。所采用的数据分析方法主要包括震源附近区域的2017—2020期GPS速度场分析、面应变率场分析,以及跨发震断裂的2条不同方向的站间基线时序分析。并基于分析结果研究了阿克塞5.5级地震前区域的现今地壳变形特征。研究得出的有关震中附近区域地壳形变和应力应变累积特征等结果,有助于更为精确地分析该地震的孕震过程,并可为该区域中强地震的预测提供基础性资料。

1 震中附近区域GPS速度场分析

阿克塞5.5级地震震中位于青藏高原东北缘祁连山地震带西端的党河南山断裂,位置较为特殊。速度场结果可用于研究区域的水平地壳运动与变形时空分布特征[6-7],图1给出了本次地震的震中位置、发震断层、震中附近区域的二级块体边界以及2017—2020期速度场(华南基准)。根据图1中的速度场大小及方向可知,受印度洋板块的推挤,青藏高原中南部表现出较强的运动,而由于青藏高原东北部的阿拉善块体和东部的鄂尔多斯块体的阻挡作用,使得青藏高原北部速度场的大小明显降低,祁连山地震带西南侧的速度场由远及近表现为由大到小的分布特征,在靠近祁连山地震带的区域不仅速度场的大小明显减小,且方向大概在100°N左右两侧出现明显的分叉现象。其西侧的速度场方向从东到西依此由NNE转为N再转为NW,其东侧的速度场方向由西到东依此由NNE转为NE再转为NEE。祁连山地震带北东侧区域受阿拉善块体阻挡,方向从东到西由SW转为W向,再逐渐转为NW向。本次地震震中正好位于祁连山地震带远场速度大、近场速度小,且发震断裂两侧速度场方向由NNE转为N向的转折位置,是应力积聚区,具有发震的危险性。

2 震中附近区域GPS面应变率场分析

GPS面应变率结果可以反映地壳变形的张压变化特征。图2给出了祁连山地震带地区2017—2020期GPS面应变率演化结果[8-10]。由图可知,阿尔金断裂与祁连山地震带交汇区域和祁连山东段表现为面应变率压缩高值区。2021年祁连山地震带发生了两次5级以上地震,分别为3月28日青海茫崖5.8级和8月26日阿克塞5.5级地震,这两个地震均以逆冲型为主,且均发生在阿尔金断裂与祁连山地震带交汇区域,即面应变率压缩高值区[11],量值约为-1.2×10-8/a,地震发震构造类型与其所处的应力背景状态非常一致。

图2 2017—2020期面应变率场Fig.2 The area strain field during 2017-2020

3 震前GPS基准站基线时间序列分析

GPS站间基线长度时间序列是指用两个GPS连续站点的数据计算两个站点间的大地线长度随时间的变化曲线。GPS站间基线时间序列受参考基准的影响较小。通过对基线长度时序的分析,可以动态地反映构成基线的两个站点之间地壳相对运动,进而描述基线所跨的断裂带或块体边界带的运动学特性[12-15]。由于受阿克塞5.5级地震震中附近的GPS连续站点稀疏,且 站点QHLH 2020年以来观测数据缺失的限制,可分析的基线为GSDH-DLHA和GSAX-QHGE,震中及周边GPS连续站及基线分布情况如图3所示,可见基线GSDH-DLHA NNW向斜交于发震断裂,基线GSAX-QHGE NNE向斜交于发震断裂。通过计算后发现这两条斜交于发震断裂的基线震前均存在异常。图4给出了基线GSDH-DLHA的长度时间序列、基线GSAX-QHGE的长度时间序列及其去趋势时间序列曲线,并给出了2019年甘肃夏河5.7级地震前基线GSLZ-GSMX的长度时间序列曲线进行对比说明。

图3 震中及周边GPS连续站分布图Fig.3 Distribution of GPS continuous stations in the epicenter and surrounding areas

如图4(a)所示,基线GSDH-DLHA长度时间序列曲线斜率为正,说明该基线方向(即 NNW 向)的地壳变形处于伸长的状态,其伸长速率计算结果为(1.76±0.01) mm/a,该曲线在2019年后存在明显的伸长趋势转缓,转缓后的伸长速率为(1.00±0.1) mm/a,说明了该断裂的左旋走滑速率在2019年后明显减缓。图4(b)中基线GSAX-QHGE的长度时间序列斜率为负,表明该基线NNE向处于缩短的状态,缩短速率为(-5.70±0.01) mm/a,说明发震断裂两侧一直处于稳定的挤压状态,这与速度场(图1)反映的该区域受NE向推挤作用是一致的。此外,结合该基线去趋势后的时间序列曲线结果[图4(c)]不难看出,2018年后该曲线趋势快速向下;根据图4(b)计算得到该基线加速向下后的缩短速率为(-6.35±0.03) mm/a,表明2018年后该基线的缩短速率有所加快。综上,这两条基线的异常变化反映了阿克塞5.5级地震前约3年起,发震断层两侧积累了一定程度的应变能。

2019年10月28日甘肃夏河5.7级地震的震源机制解结果表明该地震破裂方式为逆冲兼少量走滑,且以逆冲为主(http://www.globalcmt.org/)。图4(d)为跨夏河5.7级地震发震断裂的基线GSLZ-GSMX的长度时间序列曲线,由图4(d)可知,夏河5.7级地震前NNW向斜交该地震发震断裂的基线GSLZ-GSMX的长度时间序列曲线在震前近3年存在趋势减缓的变化[13],该异常变化与本次地震前震中NNW向基线GSDH-DLHA的异常变化结果相似。

图4 阿克塞5.5级震前GPS站间基线时间序列的变化及其与夏河5.7级震前GSLZ-GSMX基线异常的对比Fig.4 Time-series variation of the GPS baseline before the Akesai M5.5 earthquake and a comparison with anomalies of GSLZ-GSMX baseline before the Xiahe M5.7 earthquake

4 结论

阿克塞5.5级地震前发震区域存在显著的背景性区域地壳变形异常变化。通过研究,得出主要结论如下:

(1) 速度场结果表明,在印度板块的推挤作用下,祁连山地震带西南部的青藏高原向NE方向运动,该运动受到了祁连山地震带东北部的阿拉善块体和东部的鄂尔多斯两个刚性块体的阻挡。本次地震震中正好位于西南侧远场速度大、近场速度小,方向由西南侧NNE向转为北侧N向的转折位置,存在发震的危险性。

(2) 面应变率场的结果表明,该地震处于阿尔金断裂与祁连山地震带交汇区域的面应变率压缩高值区,反映了该区域为挤压应变累积区,该背景状态与本次地震的发震类型——逆冲型地震较为一致。

(3) GPS连续站站间基线结果表明,NNW向斜交于发震断裂的基线长度在震前约3年表现出伸长速率减缓的现象,反映了该断层两侧的左旋走滑速率在震前存在明显的转缓;NNE向相交于发震断裂的基线长度在震前约3年表现出缩短速率加快,表明震前断层两侧NNE向的挤压速率加快,有利于应变能的积累。

(4) 2021年茫崖5.8级地震、2019年夏河5.7级地震和本次地震的破裂方式均表现为逆冲型,或以逆冲为主。其中茫崖5.8级地震和本次地震震中均位于面应变率低值区;而夏河5.7级地震和本次地震前NNW向斜交于两个发震断裂的基线均反映出震前发震断层两侧走滑速率减缓的特征,这些特征对该区域具有相同构造运动特征的断裂带中强地震的孕育具有较好的指示意义。

致谢:感谢中国地震局第一监测中心提供的GPS数据产品。