P波极性资料确定的2022青海门源MS6.9地震序列震源机制及应力场

万永革,许 鑫,黄少华,崔华伟,冯 淦,李 枭

(1.防灾科技学院,河北 三河 065201;2.河北省地震动力学重点实验室,河北 三河 065201;3.山东省地震局,山东 济南 250014)

0 引言

据中国地震台网中心(http://www.ceic.ac.cn/)测定,北京时间2022年1月8日1时45分青海门源县发生MS6.9地震(37.77°N,101.26°E,以下简称门源地震),震中距2016年1月21日门源MS6.4地震震中不足40 km。此次门源地震伴有多次余震,截至2022年1月12日,记录到的余震最大震级达5.2级(37.69°N,101.49°E)。

此次青海门源地震发生在祁连—西海原断裂主体的冷龙岭段和托莱山段的衔接部位。冷龙岭断裂因其北侧曾发生过1920年海原M8.5和1927年古浪M8.0两次大地震[1],从而备受国内外学者关注[1-4]。早期,冷龙岭断裂为适应持续地壳缩短引发的逆冲运动,致使其向北倾的角度很小[2];中更新世以来,断层倾角几近垂直,受持续挤压作用,导致该断裂现今以左旋走滑运动为主兼少许正断分量[3-4]。

震源机制的计算一直是地震学研究的基本问题之一,如何精确获得震源机制对于区域构造应力场的反演、孕震环境和地震动力学等研究均有重要意义,故而有很多种反演震源机制的方法,例如:利用S波与P波的振幅比资料方法[5-7]、波形反演方法[8]、联合使用体波和面波资料的 CAP( Cut and Paste)方法[9-10]等。考虑到中小地震所激发的低频能量微乎其微,所以采用低频波形资料计算中小地震震源机制解的方法可信度较低[11],并且背景噪声和散射因素等的影响,又导致基于S波与P波振幅比计算小震震源机制解难以实现[12]。由于区域地震台网记录波形的多样复杂性,不同台站所记录到的波形与振幅存在很大差异,一定程度上给确定中小地震的震源机制解带来困难。综合考虑下,P波初动符号清晰,是稳定的地震波信息,并且利用P波初动资料求解震源机制解,结果可靠,方法相对简单,故为本研究所用。

1 方法及资料

利用P波初动资料反演震源机制解结果的准确性主要依赖于P波初动资料的丰富程度以及覆盖密度。为此,本研究搜集了中国地震台网中心给出的震源区2022年1月8—30日所有地震事件的P波初动符号,主要涉及142个台站(图1)。另外,本研究所使用的速度模型是Han等[13]给出的中国大陆较为精确的速度场结果(USTClitho2.0)(表1)。

表1 计算震源机制解所用的速度模型Table 1 Velocity model used for calculating focal mechanism solution

图1 研究区的地形及台站位置分布Fig.1 Topography and station distribution in the study area

2 震源机制解

2.1 震源机制解结果分析

基于搜集的研究区(37.2°～38.0°N、101°～102°E)内1月8—30日地震资料,考虑到震源机制的求解精度,本研究仅求解至少有12个P波初动符号地震事件的震源机制解,具体计算结果列于表2。

P波初动的矛盾比是评价震源机制解可靠性的重要指标之一。从表2中可以发现:矛盾比为0的震源机制解有8个,占比12.12%;矛盾比在0～0.08的震源机制解有19个,占比28.79%;矛盾比在0.08～0.20的震源机制解有29个,占比43.94%;矛盾比在0.20以上的震源机制解有10个,占比15.15%。

参考万永革[14]基于水平应变花面应变对地震震源机制的划分原则进行分类(图2),可以发现正断型地震有13个,占总体数量的19.7 %;正走滑型地震有7个,占总体数量的10.61%;走滑型地震有31个,占总体数量的46.97%;逆走滑型地震有3个,占总体数量的4.55%;逆断型地震有12个,占总体数量的18.18%。从图2和图3中可以发现主震震源机制解与余震序列整体震源机制解均表现为走滑型,两者的最小三维空间旋转角为0.13°,说明门源地震余震序列的总体特征跟主震差别不大,几近一致。

NS为正走滑型;SS为走滑型;N为正断型;RS为逆走滑型;R为逆断型图2 2022门源地震序列震源机制类型划分Fig.2 Division of focal mechanism types of the 2022 Menyuan earthquake sequence

红色到蓝色表示压缩到膨胀的过渡;P、T、B分别表示压轴、张轴和中间轴。图3 2022门源地震序列主震震源机制与余震序列整体震源机制及施密特等面积投影Fig.3 Schmidt equal area projection of focal mechanisms of mainshock(a) and aftershock sequences(b) of the 2022 Menyuan earthquake sequence

为进一步评价本研究的可靠性,我们搜集了国内外研究机构和学者根据不同资料和方法得出的门源主震的震源机制解,并计算出与本研究结果的最小空间旋转角(表3)。从表中不难看出本研究与其他机构或学者得到的震源机制解的最小空间角的范围在7.52°～44.92°,平均值约20.89°,足见本研究采用P波初动极性得到的震源机制解是可靠的。

表3 本文与国内外机构或学者得到的门源主震震源机制解的最小空间旋转角Table 3 Minimum spatial rotation angle of focal mechanism solutions of the Menyuan mainshock obtained in this study and institutions or scholars at home and abroad

3 震源区构造应力场

3.1 研究方法

用于应力场反演的方法很多,许忠淮等[20]在假定区域构造应力场一致的前提下,利用中小地震的综合节面解求得区域构造应力场;Gephart等[21]的网格搜索法通过区域内若干震源机制解约束应力张量;Michael[22]把断层剪切面上的应力分量归一化,变为线性方程求解应力场。相比前几种方法,Wan等[23]采用全局网格搜索法求最优解,并引入了震源机制数据精度的权重因子可以反演出更精确的应力场,所以本研究采用了此法。

应力场中描述3个主轴应力间相对大小的应力形因子R值的计算公式为:

R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1)

(1)

式中:σ1、σ2、σ3分别为最大、中间、最小主压应力。

3.2 应力场结果

本研究将应力场旋转轴的三个旋转角的搜寻区间设为1°,应力比值的搜寻距离设为0.1,置信度设为90%对收集到的震源机制解进行反演。反演结果如下:主压应力轴最优方位角为59.00°倾角为0.00°,不确定范围分别为53.00°～60.00°和-0.50°～0.50°;中间应力轴最优方位角为0.00°倾角为90.00°,不确定范围分别为-0.50°～0.50°和89.50°～90.50°;主张应力轴最优方位角为149.00°倾角为0.00°,不确定范围分别为148.50°～149.50°和-0.50°～0.50°,反演结果示于图5。本研究应力轴倾伏角结果与前人[20,23-26]相一致,最大主压应力轴方位由NE向顺时针偏转至NEE向[27]。结合动力学背景可解释为:印度块体向北挤压致使青藏块体NE向运动,北侧受到稳定的阿拉善块体阻挡,从而导致区域内发育多条NW-SE走向且以左旋走滑为主的断裂带,利于此次门源MS6.9地震的发生。

*注:除6.9级主震、5.1和5.2级余震为MS震级,其余均为ML震级。NS为正走滑型,SS为走滑型,N为正断型,RS为逆走滑型,R为逆断型图4 2022青海门源地震序列震源机制分布图Fig.4 Distribution map of focal mechanisms of the 2022 Menyuan earthquake sequence in Qinghai Province

(a)图中黑色弧线对应震源机制解的各个节面,红色大箭头表示压轴的最优方向,蓝色大箭头表示张轴的最优方向;红色小箭头代表断层理论滑动方向,蓝色小箭头代表观测滑动方向;绿色弧线覆盖区域是90%置信度下应力场的最大剪应力节面,黄色小箭头则为该节面的最大剪应力方向;S1、S2和S3轴邻近的封闭区间代表90%置信度下应力场轴的范围。(b)应力辐射花样图中,黄色表示挤压,蓝色表示拉张。图5 门源MS6.9地震震源区反演应力状态图Fig.5 Inversion stress state diagram in source area of the Menyuan MS6.9 earthquake

本研究基于P波初动极性获取的66个震源机制,反演出研究区域构造应力场的3个主应力轴的走向和倾伏角。结果显示:整个区域主压应力轴近NE向,倾伏角-0.50°～0.50°;主张应力轴近NW向,倾伏角-0.50°～0.50°,两轴近水平,中间轴近垂直,为典型的走滑型应力体系。所求解应力场的主应力轴与震源机制的P、T轴较为重合,而相对来讲,与余震总体震源机制的P、T轴差别较大。说明主震基本释放了本地的构造应力水平,而余震活动相对来讲除了与当地的构造应力水平有关外,还与主震破裂的触发[28]有一定关系。

3.3 震源机制与应力体系关系研究

本节采用万永革[29]提出的震源机制与应力体系关系模拟研究的方法来探究此次青海门源MS6.9主震与构造应力场的关系。该方法模拟了三种应力体系状态,逐一给出每种应力状态下可能的震源机制解分布,并探究不同类型震源机制解的数目与R值的关系。基于上文得到的应力场参数和主震的震源机制解,进行应力场与震源机制解的关系模拟,计算出相对剪应力和相对正应力的大小并得到如图6所示在该应力体系下的震源机制解。

NS为正走滑型,SS为走滑型,N为正断型,RS为逆走滑型,R为逆断型图6 本文所反演的应力张量产生的震源机制及其节面上的相对正应力和剪应力Fig.6 Focal mechanisms generated by the stress tensor inverted in this study and relative normal stress and shear stress on the plane

应力张量在节面 Ⅰ(走向93.42°、倾角81.3°)上的相对剪应力和相对正应力分别为0.926和0.415,剪应力的滑动角为-5.2°,这与该节面的观测滑动角(-5.74°)仅相差0.54°;在节面Ⅱ(走向184.29°、倾角84.33°)上的相对剪应力和相对正应力分别为0.939和-0.264,剪应力的滑动角为179.2°,与该节面观测滑动角(-171.26°)仅相差9.54°,说明震源机制解对应节面滑动角与剪应力的滑动角差异很小。以上计算结果可以看出,本次门源MS6.9主震是在构造应力场的最优节面上发生的,是积累应变能的正常释放。这与前面的震源机制分类分析中的主震震源机制P、T轴和构造应力场的主轴类似是较吻合的。这从另一个角度说明了该地区的走滑震源机制是构造应力得以释放的一种模式。

4 结论与讨论

本研究根据中国地震台网中心给出的2022年1月8—30日的观测报告中P波初动信息,采用P波初至极性对此次门源MS6.9地震序列进行震源机制解的计算,得到66个P波初动符号数目大于12的地震的震源机制解,并基于此结果运用网格搜索法对震源区构造应力场进行分析并得到如下结论:

(1) 按照万永革[14]对震源机制的划分原则进行划分,发现主震与余震序列均为走滑型地震事件,且本研究计算的66个震源机制解中走滑型震源机制解占比最高(62.13%),所以单从地震序列的震源机制解类型可以大致判断出此次门源地震以走滑为主。

(2) 将本研究结果中的主震震源机制解与其他国内外学者的结果进行比较,发现其他学者得到的震源机制解与本研究的最小空间旋转角在7.52°～44.92°的范围内,平均值约20.89°,在误差允许的范围内,验证了本研究结果的可靠性。

(3) 基于应力场反演结果,结合构造动力学背景发现:印度块体向北挤压,北侧受到稳定的阿拉善块体阻挡,致使青藏块体NE向运动,从而导致区域内发育多条NW-SE走向且以左旋走滑为主的断裂带,利于此次门源MS6.9地震的发生。

(4) 主震震源机制P和T轴与所处的应力区应力方向相近,通过震源机制与应力体系关系的研究,发现本次门源MS6.9主震是在构造应力场的最优节面上发生的,是应变能积累后的一次正常释放。

考虑到不同的速度模型对反演结果不会造成太大影响,因此本文在利用P波初动极性反演震源机制解时未曾对比不同速度模型的反演结果。本文的震源机制解结果是基于已经标注震相的观测报告得到的,如若能基于原始的波形数据拾取更多的P波初至符号,或者与联合采用波形和初动极性的HASH法[30]的计算结果相比较,均可以较大程度地提高反演结果的准确性。为展示本文P波初动的确定程度,这里给出了66个地震事件中震级最小事件对应的地震波形图以及标注的初动符号(图7)。

本研究虽然存在些许不足,但本研究反演得到的主震震源机制解与不同机构或学者给出的震源机制解的最小空间旋转角相差不大;主震或余震序列的震源机制也均表现为走滑型;基于本研究得到的震源机制解反演的应力场结果与前人得到的应力场结果也较为一致,总的来说本研究的结果是相对可靠的。

致谢:中国科学技术大学胡晓辉为本研究提供建议,本研究绘图采用GMT软件绘制,特此致谢！