松潘—甘孜块体边缘强震的余震时空特征对比研究及其意义

魏梦怡, 吴晶, 艾印双, 刘国明, 钱旗伟, 孙业君, 陈学芬

1 中国科学院地质与地球物理研究所, 岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029 2 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049 3 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院地球和行星物理重点实验室, 北京 100029 4 吉林省地震局, 长春 130022 5 江苏省地震局, 南京 210014 6 四川省地震局, 成都 610041

0 引言

青藏高原是我国大陆最为显著的构造单元之一，该区自南向北依次分布有：喜马拉雅块体、拉萨块体、羌塘块体、松潘—甘孜块体(Yin and Harrison, 2000).松潘—甘孜块体位于高原的最北部，其北缘、东缘与南缘依次分布有：东昆仑断裂带、龙门山断裂带与甘孜—玉树—鲜水河断裂带.近年来，青藏高原的强震活动频发，其中松潘—甘孜块体的强震活动尤为显著(图1).自1996年至2021年，青藏高原境内共发生M6+地震46次，其中有16次发生在松潘—甘孜块体或其周缘(图1).2021年5月22日的青海玛多MW7.4地震，更使得松潘—甘孜块体成为地学研究热点.

图1 地质构造与强震分布图黑色方框为本次研究区域；震源机制解来自全球矩张量数据库(GCMT). 红色五角星表示青藏高原1996年以来M 6+地震; 蓝色及双色五角星为本次研究的强震; 红色数值表示断裂带滑动速率; KLF, 东昆仑断裂带; GYXF, 甘孜—玉树—鲜水河断裂带; LMSF, 龙门山断裂带.Fig.1 Spatial distribution of tectonic structure and great earthquakesBlack rectangle is the study area; Focal mechanism solutions are derived from the global moment tensor database (GCMT). Red star represents M 6+ earthquakes in the Tibetan Plateau since 1996; Blue and two-color stars are the great earthquakes in this study; The red value indicates the slip rate of the fault zone; KLF, East Kunlun fault zone; GYXF, Garzê-Yushu-Xianshuihe fault zone; LMSF, Longmenshan fault zone.

松潘—甘孜块体形成于古特提斯消亡之后，经历了长期的构造演化过程.中生代中晚期，块体随着新特提斯洋的打开向北俯冲，并在印度板块与欧亚板块发生的陆陆碰撞作用下，形成了一系列NE-SW展布的多个弧形构造，这奠定了该区的基本构造格局(许志琴等，1991).新生代以来，该区构造活跃，是认识高原北向扩展的重要区域(Chen et al., 2013；Liu et al., 2014；Xu et al., 2014；Tian et al., 2015；Kong et al., 2016；Zheng et al., 2018；Wu et al., 2019；滕吉文等，2019；Bao et al., 2020).

对该区强震余震序列的研究是了解震源演化、获取断裂带几何形态的重要途径，对认识松潘—甘孜块体边缘的物性结构差异、块体边界接触关系有重要意义.前人的研究，多基于强震发生之后数月的数据(黄媛等，2008；陈九辉等，2009；赵博等，2013；Wu et al., 2017；房立华等，2018；王未来等，2021)，这些研究对认识强震余震的早期演化有重要意义，但缺少更长时间尺度的余震演化研究.此外，前人的研究主要针对单个强震的余震展开研究，缺少对发生在块体不同位置强震的余震序列时空特征的对比研究.

本文基于2008—2020年的地震观测报告，分别对发生在松潘—甘孜块体不同部位的系列强震(2008年四川汶川MW7.9地震、2010年青海玉树MW6.9地震、2013年四川芦山MW6.6地震、2017年四川九寨沟MW6.5地震、2021年青海玛多MW7.4地震)进行余震精定位，分析余震的时空分布特征，如：主震是单侧或双侧破裂、有无共轭断裂、有无前震.在此基础上，探讨了块体不同边界的断裂带可能存在的物性差异、以及块体边缘两侧介质的接触关系.

1 方法与数据处理

1.1 精定位

本文采用HypoDD (Waldhauser and Ellsworth, 2000)进行精定位，双差定位方法不依赖于地震射线路径，在一定程度上减小了速度模型对定位结果的影响，有效提高了地震定位的精度(郑钰和杨建思等，2008).该方法原理为：假设存在两个地震事件i、j，当两者距离十分相近时，认为二者到达同一台站的路径是基本相同的，其到时的残差之差体现两者之间的位置差异.该方法的基本方程为：

(1)

1.2 数据处理

依据中国地震台网中心提供的13年地震目录，选取松潘—甘孜块体周缘M6+强震，考虑不同强震数据量的不同，对数据进行分段计算.为避免精度较差的震相对定位精度产生影响，在参数的选取时对震中距、台站数、震相数、区域速度模型以及计算方法等均进行了合理考量，定位细节如下.

发生在块体东缘的汶川地震震级大、余震数目多、时间跨度长且破裂尺度大，我们将2008-05-12—2020-11-30的地震目录数据划分为20段，选取MINLNK=MINOBS=8，震源距(MAXSEP)≤10 km，选取事件对到台站的距离(MAXDIST) ≤300 km.采用赵珠和张润生(1987)提供的地壳速度模型，取波速比为1.73，采用共轭梯度法进行求解.地震事件分3组，进行11次迭代.不同时段重定位后的均方根残差相差不大，平均由～0.42 s下降到～0.1 s.对芦山地震余震的研究选取2013-04-20—2020-06-30的地震目录数据，将数据划分为8段进行重定位.设置MINLNK=MINOBS=8，MAXSEP≤10 km，MAXDIST≤200 km.此外，由于该区与汶川地震发生位置相近，属同一区域，故所用初始速度模型同汶川地震.将地震事件分4组，共进行16次迭代.通过计算，不同时间段定位后的平均均方根残差由～0.32 s降至～0.01 s.

发生在块体南缘的玉树地震震相报告观测资料分为2010-04-14—2010-05-31、2010-06-01—2010-12-31、2011-01-01—2020-11-30三段，设置MINLNK=MINOBS=4，MAXSEP≤10 km，由于该区固定台站密度较低，故设置MAXDIST≤400 km，采用王未来等(2012)的速度模型.地震事件分为2组，共进行8次迭代，最终得到稳定的解.定位后，平均均方根残差由～0.37 s降至～0.02 s.

将发生在块体北缘的九寨沟余震数据分为2017-08-08—2017-08-31、2017-09-01—2017-12-31及2018-01-01—2020-11-31共3组，选取MINLNK=MINOBS=8，MAXSEP≤10 km，MAXDIST≤220 km，选用易桂喜等(2017)的九寨沟地区一维速度模型.地震事件分3组，共进行12次迭代.重定位后不同时段的平均均方根残差由～0.13 s降至0.02 s.

玛多地震亦发生在块体北缘，我们整理2021-05-22—05-25的震相报告并设置MINLNK=MINOBS=4，MAXSEP≤10 km，MAXDIST≤300 km，并选取与玉树地震定位相同的速度模型进行定位.地震事件分2组，共进行7次迭代.精定位后，均方根残差由～0.72 s降至～0.2 s.

2 精定位结果

2.1 余震空间分布特征

余震空间分布与发震断层及区域构造背景直接相关，我们将依据强震发生先后顺序逐一展示不同地震余震序列的空间分布特征，来判断余震为单侧或双侧破裂.我们将汶川、玉树、芦山、九寨沟及玛多地震分别编号为事件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，除玛多地震外，均选取震后一个月的余震事件沿走向、垂向投影，来判断是否存在共轭断裂(图2).

由汶川地震重定位前后震中位置分布图(图2Ⅰ(a))，可以看出定位后地震事件较之前分布更集中，余震条带长约350 km，呈北东向展布，余震分布在空间上存在不均匀性，在断裂带北段可以看到部分间断，在震中附近存在一北西向分布的共轭断裂带，这一现象与赵博等(2011)的研究结果一致.我们以震中为投影点沿走向(A-A′)±50 km宽进行投影(图2Ⅰ(b))，从图中可知，汶川地震由破裂点向东北方向单侧破裂；再以A-A′与C-C′的交点为投影点，沿(C-C′)±10 km宽投影(图2Ⅰ(c))，在该方向上存在总长约70 km的余震展布，为共轭破裂.

从玉树地震定位后余震的空间分布来看，余震条带沿NW向分布更加集中，总长约100 km，余震在震中西北端分布较密集(图2Ⅱ(a)).以主震震中为投影点，沿走向(A-A′)±20 km宽进行投影(图2Ⅱ(b))，可以看出，余震向两侧双向破裂，该结论与朱艾斓等(2012)结论相符；再以A-A′与B-B′的交点为投影中心±5 km宽作垂向投影(图2Ⅱ(b))，可以看出该方向上余震投影分布长约40 km，分布在与断层走向垂直的共轭断裂上.

芦山地震精定位目录显示余震分布更加集中(图2Ⅲ(a)).以震中为投影点沿走向(A-A′)±10 km宽进行投影可得(图2Ⅲ(b))，余震向西南端单侧破裂，且地震发生时余震大多分布在中北侧，南侧较少；再以震中为投影点沿(C-C′)±2 km宽作垂向投影(图2Ⅲ(c))，可以看出在该方向存在总长～15 km的余震分布，存在共轭破裂.

九寨沟余震空间分布显示余震更向断裂带集中，总体分布形态为西北方向余震数目多且地震条带宽、东南方向余震数目较少且条带窄(图2Ⅳ(a)).以震中为投影点沿走向(A-A′)±6 km宽进行投影(图2Ⅳ(b))，余震呈现双侧破裂现象.再以震中为投影点沿(C-C′)±2 km宽作垂向投影(图2Ⅳ(c))，显示余震分布集中，未激发共轭破裂.

玛多余震定位后沿NWW向呈线性分布，总长约180 km(图2Ⅴ(a)).以震中为投影点将2021-05-22—05-25的余震沿走向(A-A′)±5 km宽进行投影可得(图2Ⅴ(b))，余震呈双向破裂现象，且在震中东南方向约40 km处存在余震稀疏段；再以震中为投影点沿(D-D′)±5 km宽作垂向投影(图2Ⅴ(c))，余震分布集中在±5 km内，未激发共轭破裂.

2.2 M-T时间序列特征

对强震时间序列的认识是了解强震演化过程的重要方面.我们依次绘制了不同强震余震的M-T图，随着时间推移余震活动均呈衰减趋势.此外，除玉树地震有明显前震(主震前约2 h发生了MW4.9前震(图3b))外，其他地震均未记录到明显前震序列(图3a、图3c—e).

(续图3)

图3 各强震震级-时间分布图红色五角星、紫色五角星及蓝色圆圈分别表示主震、前震及余震位置；右上角小图表示主震发生前后2 h的地震.Fig.3 Magnitude-time distribution of great earthquakesRed star, purple star and blue circle indicate the location of main shock, foreshock and aftershock, respectively; The inset in the right upper corner shows earthquakes two hours before and after the main event.

2.3 余震演化特征

我们对强震序列的余震演化特征做分时段比较.依次定义时段T1：主震后一个月时间内；T2：主震发生一年后的半年时间内；T3：最新一年时间.此外，采用Kato等(2012)与Wu等(2017)使用的统计方法，定义不同地震沿断裂带走向上的滑动窗口长度，并统计沿断裂带走向上每个区间内累计地震的数量超过特定数目N的深度，对余震分布深度做分析，由于汶川地震余震数目较多，故设其N=5，其余地震N=2(图4).

由汶川余震序列随时间的变化(图4a)可见，在T1时间范围内沿走向余震深度变化较大，由震中至北东向100 km范围内，余震深度存在线性下降的趋势，在80 km左右达到最深，而后向浅部迁移并趋于稳定；其余时间段深度变化较为平缓，整体三个时间段的余震深度均随时间逐渐向浅部迁移；且随时间存在向西南——汶川与芦山地震空段(高原等，2013)方向拓展的趋势(如图箭头所示).

芦山余震序列在三个时段内深度变化略有起伏(图4b)，T2较T1相比，深度有所下降，且余震的分布范围缩小至沿走向-10～5 km左右；T3较T2相比，深度回升且分布范围有所拓展；走向上，随时间推移，西南段地震逐渐向东北方向(空段)移动，这与汶川地震余震向空段拓展的现象相近(如图箭头所示).

玉树地震不同时段震源深度起伏不大(图4c)，但沿断层走向存在地震迁移现象，最新一年的余震集中分布在震中东南20 km之内.九寨沟余震在T1段余震深度变化较为平缓，T2段余震深度变化十分剧烈，最新余震深度存在较大的起伏且余震分布范围缩小(图4d)；从走向来看，余震随时间推移展布区间显著缩小，余震衰减过程明显.由于玛多地震的余震地震目录时间较短，故只能讨论其早期余震的演化现象，精定位前后玛多余震深度范围由4～14 km拓展为2～18 km，但余震分布整体更集中在浅部区域.

图4 各强震的余震演化特征图红色、绿色、蓝色线段分别表示时间段T1, T2, T3；紫色五角星表示主震深度位置.Fig.4 Aftershock evolution characteristic map of each great earthquakeThe red, green, and blue lines represent time windows in T1, T2, and T3 respectively; The purple pentagram represents the depth of the main shock.

3 讨论

3.1 余震密度空间分布与同震破裂的关系

余震密度是获取余震空间分布特征的直观途径.由于不同强震规模存在差异，我们分别设置不同的网格大小，将整个时间尺度上的余震密度做投影(图5)，其中地震Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ涵义同上文2.1节所述.首先，汶川余震分布范围较大，我们设置网格为0.1°×0.1°，其余地震网格为0.05°×0.05°(图5(a)).其次，基于同震滑移研究成果，分别绘制汶川(王卫民等，2008)、玉树(张勇等，2010)、芦山(王卫民等，2013)、九寨沟(谢祖军等，2018)以及玛多地震(詹艳等，2021)的同震滑移空间分布图(图5(b)).

(续图5)

图5 不同强震的余震分布密度图及同震滑移图(a) 余震密度分布图； (b) 同震滑移图；图(a)中红色方框对应图(b)中同震滑移区的位置；同震滑移区①②③在图(a)、图(b)中相互对应.Fig.5 Aftershock densities and coseismic slip characteristics of different great earthquakes(a) Aftershock density distribution map; (b) Coseismic slip diagram; The red box in Fig.(a) corresponds to the location of the coseismic slip region in Fig.(b); Coseismic slip zones ①②③ correspond to each other in Fig.(a) and Fig.(b).

结果显示，五个强震余震密度分布的极值区位于同震滑移极值区的周缘，呈现互补的空间特征(图5)，这说明主震在同震滑移的过程中已释放大部分能量，而周缘的介质由于受到震后余滑、黏弹性松弛、流体运移等机制的作用激发大量余震活动(Freed，2005；Peng and Zhao, 2009；Wu et al., 2017；刘小梅等，2019).

3.2 不同强震序列的余震时空分布特征及断裂带物性差异

我们对青藏高原东缘不同强震的主要特点进行汇总，发现不同位置的地震序列呈现的特征存在显著差异(表1).首先，从空间分布上看：汶川地震与其邻近的芦山地震同为单侧破裂，其他地震均为双侧破裂；玉树、汶川以及芦山地震在主震后激发共轭断裂，其他地震则未激发共轭断裂(图2Ⅰ—Ⅴ(a)).其次，从时间序列上看：仅玉树主震前发生了明显的前震序列(图3b)，其余均为主-余型地震；汶川余震随时间有向浅部迁移的趋势(图4a)，玉树余震(图4c)、九寨沟余震(图4d)随时间先向浅部迁移、再向深部迁移，芦山余震变化趋势(图4b)恰好与此相反——先向深部、再向浅部迁移，玛多余震更多的集中在浅部.

表1 不同地震特征对比表Table 1 Comparisons of different seismic features

震源特征主要与两方面相关，一方面是发震断层所处构造单元的深部动力学过程，另一方面与局部断层结构有关.研究表明松潘—甘孜块体周缘的主要断裂带自10 Ma以来均发生了构造变形，该变形过程源于青藏高原岩石圈地幔对流拆沉作用(Gan et al., 2022).这意味着松潘—甘孜块体周缘断裂带的变形受同一个深部动力学机制的约束，因此该块体强震震源特征的差异更有可能来自局部断层物性的影响.

岩石实验研究表明，共轭断裂更倾向于发生在较为粗糙的断层面上(Renard et al., 2020).地震学研究表明，共轭断裂更可能发生在“因高孔隙流体压力引起的具有较强非均匀应力与非均匀摩擦的断层上”，通常年轻断层(不成熟断层)具有上述物理特征(Shi and Wei, 2020).本研究发现汶川、芦山、玉树地震激发了共轭断裂，而九寨沟与玛多地震未激发，我们推测龙门山断裂带、玉树断裂带较东昆仑断裂带可能具有更强的不均匀性、断层面更粗糙(图6).

震源的单侧或双侧破裂在地震学观测中均存在，其中80%的浅源强震为单侧破裂.单侧破裂的机制主要是震源错动过程中沿断层面的充分破裂、成核点沿着断层面的均匀分布，并且断层两侧介质的弹性特征差异越大，越有利于单侧破裂的发育(McGuire et al., 2002).本研究中，除了发生在龙门山断裂带上的汶川与芦山地震为单侧破裂以外，其余地震均为双侧破裂，意味着块体东缘的龙门山断裂带，东西两侧的介质弹性属性差别较大，而块体北缘与块体南缘的断裂带，两侧的介质物性差别较小(图6).

统计结果指出高达～70%的全球M7+地震具有前震序列(Jones and Molnar, 1979)，前震出现的可能性随主震深度的增加而降低；对加州地区地震事件的统计发现，前震更多发生在走滑断层上(Abercrombie and Mori, 1996).松潘—甘孜块体近年的强震序列中，玉树地震具有较为明显的前震序列，正发生在走滑断层上，与前人研究相符.然而，同样发生在走滑断层上的九寨沟与玛多地震并未观测到前震，这说明前震的发震具有更为复杂的物理环境.

3.3 松潘—甘孜块体边缘余震三维空间分布特征与块体边缘的接触关系

依据余震信息(2008—2020)，我们将汶川、玉树、芦山、九寨沟、玛多地震分别以±15 km、±5 km、±10 km、±5 km、±15 km宽做余震序列的垂向深度投影(剖面位置分别见图2Ⅰ(a)、2Ⅱ(a)、2Ⅲ(a)、2Ⅳ(a)、2Ⅴ(a))，并将其排列于三维空间(图6).我们发现：(1) 块体东缘的龙门山断裂带的小震活动呈现西向倾斜的形态；(2) 块体南缘的玉树断裂带与块体北缘的东昆仑断裂带，二者的小震活动的几何形态较为平缓，暗示断裂带南北两侧的壳内介质为相互拼贴的模式，这与龙门山断裂带有很大不同.

图6 松潘—甘孜块体边缘断裂带余震三维空间分布图与物性解释模式图KCB, 昆仑—柴达木块体；QTB, 羌塘块体；SGB, 松潘—甘孜块体；SCB, 四川盆地.Fig.6 Three-dimensional spatial distribution map and physical property interpretation model map of aftershocks in the marginal fault zone of Songpan-Garzê block KCB, Kunlun-Qaidam block; QTB, Qiangtang block; SGB, Songpan-Garzê block; SCB, Sichuan basin.

4 结论

本文依据中国地震台网中心提供的2008-01-01—2020-11-30的震相报告开展了青藏高原东缘主要强震的余震时空分布特征比较研究，结果表明松潘—甘孜块体不同位置的强震余震序列呈现不同的时空分布特征：(1)位于块体西南方向的玉树地震为前-主-余震型地震，其余均为主-余型地震；(2)玉树地震与位于块体东南边界的汶川、芦山地震均激发了共轭断裂，其余未激发；(3)汶川及芦山地震的破裂方式与其他地震的双侧破裂不同，为单侧破裂；(4)余震密集区域位于主震同震破裂的周缘.

综合该区构造背景，我们指出上述现象主要受到块体不同位置的局部物性结构差异的影响.这种差异体现在：(1)龙门山断裂带与玉树断裂带粗糙度更高、非均匀性更强；(2)龙门山断裂带两侧的地壳介质弹性差异更大；(3)块体北缘与南缘的断裂带南北两侧壳内介质为垂向-拼贴的接触关系，而块体东缘则为四川盆地西倾的接触模式.未来，我们将开展基于深度学习的地震识别研究，定量计算断层几何形态，继而获取断层物质属性、块体边缘接触关系等详尽信息.

致谢感谢中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室壳幔结构探测学科组对研究工作的支持.汶川、芦山、玉树、九寨沟、玛多地震的同震滑移数据分别由中国科学院地质与地球物理研究所郝金来副研究员、北京大学张勇研究员、中国地质大学郑勇教授、中国地震局地质研究所詹艳研究员提供.中国地震局地质研究所任治坤研究员、四川省地震局杜斌与吉林省地震局张洪艳高级工程师给予支持，中国科学院地质与地球物理研究所赵新爱同学协助文字校验工作，审稿专家提出宝贵的修改意见，在此一并表示感谢.