门源Ms6.9地震序列及祁连山地震带余震序列的统计特征研究

张成军,严武建,康 林

(1. 甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000; 2. 中国地震局黄土地震工程重点实验室,甘肃 兰州 730000)

0 引言

在中强地震发生之后,地震活动趋势的判定极为重要,而地震余震序列类型的判定是震后地震活动趋势判定的核心问题。因此,地震余震序列的研究对判断中强地震之后的地震活动趋势以及地震的孕育和发生都有极其重要的意义。从活动特点来看,余震序列通常被划分为“主-余型”、“孤立型”及“震群型”三类[1-2]。随着我国区域地震台网监测能力的增强,为中强地震的震源机制的研究提供了可靠的数据保障。刘蒲雄等[3]研究分析了我国14次地震序列的主要地震断层面解和错动性质,得到了地震类型与震源机制的关系。蒋海昆等[4]依据1970年以来记录相对完整的294次5.0级以上地震序列资料,研究中强地震余震序列统计特征,探讨序列类型、最大余震震级、强余震活动持续时间等与主震震级及主震断层性质之间的关系。王紫薇等[5]基于“一带一路”地区1900—2018年间≥5.0级地震事件空间数据,采用小波周期与热区识别方法,分析了该地区地震灾害的空间分布格局与时间周期性特征,并识别了地震灾害空间热区及演变特征。孟宪森等[6]研究了1900年以来我国东北北部地区浅源中强震活动的特征,结果表明,地震活动具有突发性、成组性和序列地震数量少的特点。刘祖涵等[7]根据混沌理论,对汶川大地震余震等待时间通过相空间重构,应用互信息法、Cao方法确定出重构参数,并分别计算了该序列的关联维、最大Lyapunov指数以及Kolmogorov熵等特征量。

祁连山地震带是青藏高原东北缘地区相对独立的地质构造单元,位于板块活动地块的边界,地质构造极其复杂,地震活动频次高,强度大。自2000年以来祁连山地震带发生了3次6.0级以上地震,分别为2003年民乐-山丹6.1级、2016年门源6.4级和2022年门源6.9级地震,均位于祁连山中段地区,显示该区域处在一个新的中强地震丛集活跃时段。同时,2022年门源6.9级地震的发生意味着祁连山地震带进入了中强地震活跃阶段。因此,对于祁连山地震带的地震活动性规律、中强地震震后趋势判定及余震序列类型分析判断就显得极其重要。

1 门源6.9级地震构造和活动背景

1.1 祁连山地震带构造特征

祁连山地震带位于青藏块体北缘及东北缘,由多组NWW向和NNW向深大活动断裂构成,其除了在NE向受构造应力的强烈挤压作用之外,还受主边界断裂的走滑挤压作用的影响,形成了左旋走滑兼有逆断性质的逆冲推覆体,区内构造形迹复杂,由东向西分别为武威盆地的古浪推覆体构造、老君庙冲断推覆带和酒西盆地的北祁连山冲断推覆构造,从而在空间上形成了明显的隆起-盆地交替出现的构造特征(图1);沿该带中强地震活动剧烈,1920年以来祁连山地震带发生过1920年海原8.5级、1927年古浪8.0级、1923年昌马7.5级、1954年山丹7.3级和民勤7.3级地震等7级以上地震。但是1954年以后,该带地震活动的强度显著降低,只有个别6.0级以上和少数5.0～5.9级的地震发生。

图1 1980年以来祁连山地震带中强地震分布及M-t图

1.2 祁连山地震带地震活动特征

祁连山地震带东端以景泰为界,其中东段为冷龙岭隆起区和陇西盆地,中强地震主要集中于隆起挤压的应力集中区域或盆地内的次级断层上,地质构造较为复杂,中强地震成组活动情况更为显著,该地震带6级以上地震主要位于其中段,且5级以上地震也较其他区域更为密集;西端以肃北为界,祁连山地震带中西段属于祁连山构造主体地区,中强地震发震频率与震级相对中东段较低。由M-t图(图1)可以看出,1980年以来该带地震的5.0级以上中强地震存在3个丛集活动阶段。第一阶段为1990—1993年,共连续发生了7次5.0级以上中强地震,其中6.0级以上地震2次,分别为1990年景泰6.1级、1993年祁连6.0级地震;第二阶段为2000—2003年,共连续发生了5次5.0级以上中强地震,其中6.0级以上地震1次,为2003年民乐-山丹6.1级地震,发生在祁连山地震带北部的祁连山北缘断裂上;第三阶段为2021至今,共连续发生了4次5.0级以上中强地震,其中6.0级以上地震1次,为2022年门源Ms6.9地震,发生在祁连山地震带中段的冷龙岭断裂带。从1980年以来共计42 a的演化过程中可以发现,每个中强地震活动阶段持续约为4 a,因此,预计第三阶段也将持续活动4 a左右。

从图1的中强地震震源深度可以发现,祁连山地震带中强地震震源深度主要分布于10～30 km范围内,属于浅源地震,因此造成的地震破坏更大。

1.3 门源Ms6.9地震震源机制与序列分布

2022年1月8日01时45分,青海门源发生了Ms6.9地震。经中国地震台网测定,该次地震震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km。根据USGS的计算可得到该次地震的震源机制解如表1[8]所示。

表1 2022年门源Ms6.9地震震源机制解

通过对门源Ms6.9地震的主震和截至2022年2月10日3级以上余震的震源位置分布和深度活动特征分析可知(图2),2022年门源Ms6.9地震发生冷龙岭断裂带西端,位于应力较为集中的古浪推覆体,余震较为发育,根据中国地震台网速报记录可知,震源深度主要分布于7～12 km内,沿东南向延伸约25 km。

图2 2022年门源Ms6.9地震序列深度分布特征

2 序列类型及主震破裂形式

2.1 地震余震序列类型划分方法

基于震级差的余震序列类型分类思路[9],以主震震级M0与1 a内的最大余震震级MA1之间的震级差公式ΔM=M0-MA1进行余震序列类型划分:

1)孤立型:ΔM>2.4,且在1 a内余震次数较少;

2)主余型:0.7≤ΔM<2.4;

3)震群型:ΔM≤0.7。

ΔM为余震序列中主震与最大余震的震级差。

2.2 主震断层类型判定方法

对于主震断层类型对余震序列的影响,REASENBERG[10]对比研究了板内逆冲带及板缘消减带上的走滑及逆冲地震事件的“前震”和余震序列特征,发现主震断层类型和地震前兆及余震序列类型关系密切,说明余震序列的主震断层类型也许是影响余震序列类型的重要因素之一。一般情况下,地震断层通常采用倾角、走向和滑动角等3个参数描述[11],其中在断层面上对滑动角λ量度,根据滑动角λ的数值分布情况,可得到主震断层类型(正断、逆冲或走滑)和错动方式(右旋或左旋)。具体就祁连山地震带中强地震余震序列类型而言,根据张晓东、许忠淮等[12]的研究结论,具有张性断层(正断)性质的地震主要发生在青藏高原的中西部地区,本文所研究的中强地震余震序列不在该区域范围,因此暂不考虑正断层破裂型中强地震的情况(λ<0°);考虑本文主要着重于主震破裂类型对余震序列类型的可能性影响的研究,因而,发震主震断层的错动方式(右旋或左旋)对本研究并不是关键因素,因此,在不考虑发震断层错动方式的条件下将λ值限定在0°～90°之间,即当λ>90°时则得到λ=180°-λ。

根据之前的研究结论[13],得到滑动角λ与主震破裂类型之间的关系定义如下:

1)当滑动角λ为0°≤λ<22.5°之间,主震破裂类型为走滑型破裂类型(SS);

2)当滑动角λ为22.5°≤λ<45°之间,主震破裂类型为含倾滑分量的走滑型破裂类型(SD);

3)当滑动角λ为45°≤λ<67.5°之间,主震破裂类型为含走滑分量的倾滑型破裂类型(DS);

4)当滑动角λ为67.5°≤λ<90°之间,主震破裂类型为逆冲型破裂类型(RS)。

3 祁连山地震带余震序列统计特征

3.1 余震序列情况

1980年以来祁连山地震带共发生了31次5级以上地震,其中有24次地震为主震,其他7次为5级以上余震或震群型地震。通过对1980年以来的24次地震震源信息分析(表2),并依据前述余震序列类型划分方法,1980年以来祁连山地震带24次余震序列类型中,主余型16次、震群型2次、孤立型6次,分别占66.7%、8.3%及25.0%(表3)。一方面,从类型相同但主震震级区间不同的序列所占比例来看,祁连山地震带余震系列有2个明显特点:一是83.3%的孤立型序列类型的主震均小于6.0级,无6.0级以上的孤立型序列;二是祁连山地震带余震序列主要以主余型为主,占66.7%。另一方面,从不同类型余震序列、相同震级区间所占的比例来看,随着主震震级的增加,孤立型余震类型所占比例减少,主余型及震群型余震序列所占比例逐渐增加。

表2 1980年以来祁连山地震带5.0级以上主震类型地震基本信息[8,14]

表3 按震级差的余震序列类型判定结果

图3为1980年以来祁连山地震带中强地震余震序列类型分布图。由图3可以看出,1980年以来祁连山地震带中强地震3种余震序列类型中,主余型余震序列类型主要分布在祁连山地震带中东段,且以100°E～104°E为主要分布区,另外在祁连山地震带西段99°E以西均为主余型余震序列类型;孤立型余震序列类型主要分布在祁连山地震带中段,且以98°E～100°E为主要分布区,另外在祁连山地震带东段101.8°E以东有零星分布;震群型余震序列类型主要分布在祁连山地震带中段,主要分布在99.5°E～101°E。

图3 1980年以来祁连山地震带中强地震余震序列类型分布图

由图3可以看出,祁连山地震带各类余震序列类型具有显著的分区特性,因此未来该带中强地震发震后根据其分区特性可进行序列类型的判定。

3.2 序列主震与断层类型之间的关系

地震的破裂滑动角是断层的运动参数,由这一参数的具体数值,可描述断层的各种运动类型[15]。

图4为祁连山地震带中强地震余震序列主震M0与主震断层类型(以主震的破裂滑动角λ进行表征)之间的关系。在95.00%的置信区间概率下,16次余震序列能够确定为主震破裂滑动型,其中,走滑型(0°～22.5°)8次、含倾滑分量的走滑型(22.5°～45°)5次、含走滑分量的倾滑型(45°～67.5°)3次、逆冲型(67.5°～90°)8次。由图5和表4可以看出,走滑型序列类型占全部余震序列的33.3%,其主震震级分布于所有震级范围之内;含倾滑分量的走滑型余震序列占全部余震序列的20.8%,其主震震级小于6.5级;含走滑分量的倾滑型余震序列占比最小为16.7%,与含倾滑分量的走滑型余震序列所占比例相近;逆冲型余震序列占全部余震序列的29.2%,其主震震级小于6.5级。

表4 序列类型与断层性质关系

图4 主震震级与地震破裂滑动角关系图

图5 震群型与主余型序列余震深度分布图

由图4还能看出,当主震破裂滑动类型以逆冲型或倾滑型(λ≥22.5°)为主时,余震序列类型以主余型为主,有少量为孤立型。其中,震群型余震类型均分布于走滑型破裂类型,其破裂滑动角λ在5°～15°之间。

3.3 序列深度分布特征

选择震群型和主余型余震序列中的典型的2个6.0级以上地震分析余震在深部的活动特征,图5为2003年民乐-山丹6.1级地震和2016年门源6.4级地震的H-S深度剖面图。由图5可知,2003年民乐-山丹6.1级地震发生在民乐-山丹盆地内,余震较为发育,根据中国地震台网速报记录得到震源深度主要分布于10 km左右,沿北东向延伸约10 km。2016年门源6.4级地震发生在应力较为集中的古浪推覆体,余震较为丰富,余震震源深度主要分布在6～12 km范围内,沿北西向构造延伸约10 km左右,成丛密集,反映了地震破裂集中产生于10 km深处。

3.4 主余型序列类型主震与最大余震关系分析

考虑到孤立型余震序列的余震较少及震群型余震序列的不同,本文以1980年以来祁连山地震带18次主余型序列类型中的主震震级M0和1 a内最大余震震级MA1进行线性拟合,得到了主余型序列类型主震震级M0与1 a内最大余震震级MA1线性回归关系及95.00%置信区间概率下的数据分布范围(图6)。

图6 主余型序列类型主震震级与余震震级关系

由线性拟合可得到祁连山地震带主余型序列类型主震震级M0与1 a内最大余震震级MA1之间的线性关系模型如式(1):

MA1=1.2077M0-2.8752(r=0.8822)

(1)

由式(1)可知,祁连山地震带主余型序列类型主震震级M0与1 a内最大余震震级MA1的相关系数为0.8822,说明主震震级M0与1 a内最大余震震级MA1之间具有高度相关性,从而可为祁连山地震带未来主余型序列类型的1 a内大余震震级MA1进行预测,从而为该地震带主余型序列类型地震后的余震判定提供数学模型。

4 结论

通过对2022年门源6.9级地震震源机制和序列类型分析以及1980年以来祁连山地震带5.0级以上中强地震的活动性规律和余震序列的统计研究,得到以下主要结论:

1)2022年门源6.9级地震震源机制为走滑兼逆冲破裂性质,其发生意味着祁连山地震带进入了中强地震活跃期。1980年以来祁连山地震带5.0级以上中强地震在其中东段较其他区域更为密集;该带的5.0级以上中强地震存在3个丛集活动阶段并且每个中强地震活动阶段持续约为4 a。

2)祁连山地震带余震序列类型中,以主余型余震序列类型为主达16次,震群型和孤立型余震序列为辅,分别为2次和6次,三者比例分别为66.7%、8.3%、25.0%;且各类余震序列类型具有显著的分区特性,在未来该带中强地震发震后根据其分区特性可进行序列类型的判定。

3)祁连山地震带中强地震余震序列主震M0与主震断层类型以主震破裂滑动型为主,占比达到66.7%;当主震破裂滑动类型以逆冲型或倾滑型(λ≥22.5°)为主时,余震序列类型以主余型为主,有少量为孤立型。其中,震群型余震类型均分布于走滑型破裂类型,其破裂滑动角λ在5°～15°之间。

4)祁连山地震带主余型序列类型主震震级M0与1 a内最大余震震级MA1之间具有高度相关性,可为祁连山地震带未来主余型序列类型的1 a内大余震震级MA1进行预测,为未来该地震带主余型序列类型地震后的余震判定提供数学模型。