收集“地壳运动观测网络”“中国大陆构造环境网络”项目2015 —2021年的GNSS观测数据。采用统一的数据处理方案对所有数据进行处理,主要方法如下:①利用GAMIT,以单天为1个时段,对GNSS观测资料进行基线解算。在允许卫星轨道和地球自转参数有微量调整的同时,采用重力场模型EGM08、光压模型BERNE、地球辐射模型TUME1、天线推理模型ANTBK、地磁场模型IGRF13、高阶电离层改正GMAP模型等对相关参数进行估计和改正。海潮和固体潮引发的测站地壳形变改正分别采用FES2004和IERS2003模型。为避免模型和框架的差异引起计算结果的差异,采用相同的模型和方法对全球选定的大约70个均匀分布的IGS站和基准站数据进行处理,获取单日基线松弛解。②利用HTOGLB将单日松弛解文件转换成GLOBK认可的单日基线松弛解,选定90多个稳定的IGS站和陆态网络一期的连续站作为基准点,利用GLRED计算ITRF2014框架下的坐标时间序列,检查单天坐标的重复性。③利用模型拟合的方法,对年和半年周期的季节性变化、仪器更换导致的阶跃等非构造因素影响的位移进行剔除。GPS速度场并没有将2016年门源M_S6.4地震扣除,这是因为该次地震震级相对较小,同震及震后产生的形变及应力影响也较小(Wang et al,2017; 刘云华等,2019; 李振洪等,2022),进而从多年干净的时间序列中估算出ITRF2014框架下的GNSS速度场。然后利用Altamimi等(2016)提供的欧亚框架和ITRF2014框架之间的欧拉旋转矢量,将GNSS水平运动速度场归算到稳定的欧亚参考框架下(Wang et al,2014; Zhao et al,2015),同时剔除GNSS速度场中方向和大小明显偏离研究区运动趋势的测站(图1)。

断层的GPS速度剖面可直观地反映断层两侧块体的差异运动和断层的应变积累状态(Wang,Shen,2020),因此为了研究祁连—海原断裂带现今的水平运动变形特征,本文构建了从西到东横跨祁连—海原断裂带的4个剖面(图1中的剖面P1、P2、P3、P4),将2015—2021年GPS速度场分别沿断层走向和垂直断层走向方向进行投影,由断层两侧站点速度平均值之差估算断层的滑动或张/压速率,并利用误差传播定律计算速率误差,绘制出跨断层GPS速率剖面(图2)。

图1 青藏高原东北缘活动构造与GPS速度场
Fig.1 Active faults and the GPS velocity field in the northeastern margin of the Tibetan Plateau

图2 跨祁连—海原断裂带GPS速率剖面图
Fig.2 GPS velocity profile across the Qilian-Haiyuan Fault Zone

P1剖面主要包括鄂拉山断裂、托莱山断裂、祁连山北缘断裂以及榆木山断裂,其中托莱山断裂以左旋走滑为主,兼有逆冲运动,走滑速率为4.0 mm/a,挤压速率为2.9 mm/a; 而祁连山北缘断裂和榆木山断裂也具有左旋走滑和逆冲的性质,但是断层活动性较弱,滑动速率基本为1 mm/a。P2剖面主要包括日月山断裂、冷龙岭断裂、祁连山北缘断裂、龙首山断裂,其中冷龙岭断裂左旋走滑速率为3.9 mm/a,挤压速率为2.2 mm/a; 日月山断裂走滑性质不明显,逆冲挤压速率为2.2 mm/a; 龙首山断裂以逆冲运动为主,挤压速率为1.9 mm/a。P3剖面主要包括拉脊山断裂、金强河—毛毛山—老虎山断裂,金强河—毛毛山—老虎山断裂走滑速率为3.9 mm/a,挤压速率约为1.3 mm/a; 拉脊山断裂走滑作用不强,存在微弱的拉张作用。P4剖面包括马衔山断裂、海原断裂、香山—天景山断裂,海原断裂的左旋走滑速率为4.3 mm/a,挤压速率约为1 mm/a,而马衔山断裂和香山—天景山断裂的现今活动性不强,走滑与挤压作用微弱。

本文使用的Tdefnode负位错反演程序主要原理是:假定块体内部点的运动为块体旋转、块体内部整体均匀应变及块体边界由于断层闭锁产生的滑动亏损而引起的地表弹性变形之和,可表示为:

式中: 表示实测地表速度; 为块体旋转引起的速度; 为块体内部应变引起的速度; 为断层闭锁负位错效应引起的速度。

采用网格搜索和模拟退火法同时反演块体旋转欧拉极、断层滑动速率、块体边界断层闭锁系数(Phi)等。模型原理、反演过程及参数控制等可参考McCaffrey(2009)研究。模型参数拟合程度的优劣表征如下:

式中:n为观测数据的数量; dof为自由度(所有观测数据数量-自由参数数量); r_i为观测数据残差; σ_i为数据标准差; f为数据误差权重因子。

当χ²_n趋近于1时,认为模型为最佳拟合观测数据(McCaffrey,2002)。此外,对模型拟合残差分布及块体内部应变残差的统计分析,也是判定模型反演好坏的重要标准(Li et al,2016)。

对于祁连—海原断裂带的闭锁程度反演,主要选择了断裂带附近的阿拉善块体、兰州块体、西宁块体、共和块体和祁连块体。将阿拉善块体设置为刚性块体,其它块体设置为内部均匀应变,块体的划分参考前人的研究结果(Zhang et al,2005; 李煜航等,2015; Li et al,2016)。反演断层设置中,简化祁连—海原断裂带为单一连续断裂,断层走向为NWW,倾向为SSW,倾角由西向东分别设为80°、75°、70°。断层面是由水平面和深度上的节点组成的,沿祁连—海原断裂带走向上节点之间的距离为30 km左右,共有26个节点,在垂直方向上设置了7个节点,距离依次为0.1、5、10、15、20、25及30 km,在反演时设置断层在地表为强闭锁状态(Phi=1),在30 km深度设置为不闭锁状态(Phi=0),处于0～30 km的断层节点设置为沿深度增加闭锁系数逐渐减小(McCaffrey,2002; Wang et al,2003),进而计算相邻节点之间断层网格区域的闭锁程度。

在反演断裂闭锁程度过程中,根据χ²_n≈1为标准寻求最佳模型,首先删除块体内部与周围测点运动趋势、大小明显不同的点,删除后最终有153个GPS测点参与反演,再经过反复测试,调整各项参数,得到最佳模型。当GPS速度场误差权重因子f=4.0时,χ²_n=1.02。为了更好地说明模型择优和拟合效果,图3给出了最优模型的拟合残差分布。从图中可以看出,残差分布方向具有随机性,只有少部分测站的GPS速度残差值较大,大部分块体内部及断裂附近的测站速度残差较小,在2 mm/a之内,速度残差分布符合高斯正态分布,说明模型有效并且拟合结果较好。

通过最佳模型拟合结果,得到祁连—海原断裂带闭锁程度分布图(图4a),图中震源参数来自Global CMT《http:∥www.globalcmt.org/CMTsearch.html.》目录。从图4a可以看出,祁连—海原断裂带闭锁程度最高的区域主要集中在金强河断裂、冷龙岭断裂西段和托莱山断裂东段,其中金强河断裂闭锁深度基本都在25 km左右,冷龙岭断裂西段闭锁深度为15 km,并且2022年门源M_S6.9地震就发生在冷龙岭断裂西段强闭锁区域里,闭锁深度与地震震源深度基本一致。托莱山断裂东段闭锁深度在12 km,而在托莱山断裂中段和西段、毛毛山断裂、老虎山断裂和海原断裂上都表现为不闭锁或闭锁程度较低,从浅部有部分闭锁到深度5 km以下变为蠕滑运动。

图3 模型GPS速度残差分布图
Fig.3 GPS velocity residual of the model

当断层处于闭锁状态,滑动速率的亏损会以应变能的方式积累在断层附近(McCaffrey et al,2007),而滑动亏损速率大小可以表示断层两盘滑动量转化为应变能的快慢,这对断层地震危险性的判断具有重要意义(Jolivet et al,2013)。根据祁连—海原断裂带滑动亏损速率分布图可以看出(图4b),滑动亏损速率分布图与闭锁程度分布图变化基本一致,在托莱山断裂东段滑动亏损速率最大,达到5 mm/a,深度为12 km,向东到冷龙岭断裂附近,滑动亏损速率减小到4.5 mm/a,深度也变为4 km; 冷龙岭断裂西段的滑动亏损速率为4.7 mm/a,深度为15 km,东段的滑动亏损速率为4 mm/a,深度只有4 km; 金强河断裂的滑动亏损速率基本为3.7～4.2 mm/a,深度为25 km; 而在托莱山断裂中段和西段滑动亏损速率主要为2.5～3.5 mm/a,主要集中在深度5 km的浅地表内; 毛毛山断裂、老虎山断裂与海原断裂滑动亏损速率基本为3 mm/a,只分布在4 km的浅地表内,向深部逐渐变为0。

图4 祁连—海原断裂带闭锁程度(a)及滑动亏损速率(b)
Fig.4 Locking degree(a)and slip rate deficits(b)of the Qilian-Haiyuan Fault Zone

活动断裂在闭锁后,受到应力作用不断积累能量,当超过自身稳定极限后,会发生地震并释放能量,然后进入下一个地震周期(张培震等,2013; Wallace et al,2004)。为了分析祁连—海原断裂带未来的地震危险性,本文结合断层闭锁和小震活动等资料,对断裂各段的地震危险性进行研究。

在托莱山断裂东段、冷龙岭断裂西段、金强河断裂中西段闭锁程度高,闭锁程度深,滑动亏损速率较大,基本都大于5 mm/a,并且小震分布较少,说明这些断裂段能量积累较快,未来的地震危险性较高。冷龙岭断裂东段虽然小震分布少,但是闭锁深度较浅,深度只有4 km,断裂可能正处于闭锁增长中,地震危险性次之。金强河断裂东段闭锁程度高,闭锁深度为8 km,但是小震分布较多,地震危险性一般。毛毛山断裂和托莱山断裂西段只有浅部闭锁程度低,闭锁深度浅,小震分布稀少,断裂现今能量积累速率较慢,未来地震危险性较弱。托莱山断裂中段、老虎山断裂和海原断裂闭锁程度低,闭锁深度较浅,滑动亏损速率也较小,并在断裂上分布较多的地震,说明这些断裂段地震活动频繁,能量积累水平较弱,地震危险性不强。

为了进一步分析2022年门源M_S6.9地震及余震的分布特征以及对断层地震活动性的影响,本文收集了门源M_S6.9地震后9天内的余震精定位结果(Fan et al,2022),选择了震中两侧各60 km的区域(图5中黑色虚线框),将2009—2019年地震和门源M_S6.9地震余震绘制成地震剖面(图6)。从图6可以看出,余震深度主要分布在5～15 km,在冷龙岭断裂西段和托莱山断裂东段之间,长度约为40 km,比野外地质考察的地表破裂带长度(20 km)长。另外余震分布在冷龙岭断裂上停止于2016年门源M_S6.4地震的位置,说明已经发生过地震的冷龙岭断裂中段现今还在震后调整阶段,缺少应力的积累,余震无法继续向前传递。对比2009—2019年小震精定位的分布情况,此次地震的余震很好地填补了这一段的小震空缺,沿着2016年门源M_S6.4地震继续向西迁移,发现在余震分布的西边,托莱山断裂的东段还存在一段长约50 km的小震稀疏段,经过2022年门源M_S6.9地震,下一次地震有可能会从冷龙岭断裂向西迁移到托莱山断裂上,与2022年门源地震前的特征较为相似,所以未来需要重点关注托莱山断裂东段。

图6 2022年门源MS6.9地震余震分布剖面
Fig.6 Profile of the distribution of the after shocks of the 2022 Menyuan MS6.9 Earthquake

断层滑动速率不仅可以表现断层运动的最新行为,同时也可以反映区域构造的主要特征(Zhang et al,2004,2013; Gan et al,2007)。关于祁连—海原断裂带的走滑速率,前人已经对其进行了大量的研究,地质滑动速率结果差异较大,大多数研究的结果为4～6 mm/a(何文贵等,1994,2010; 袁道阳等,1998; Li et al,2009; Yuan et al,2008); 利用大地测量资料得到的结果基本在2～8 mm/a(Thatcher,2007; Cavalié et al,2008; Duvall,Clark,2010; Loveles,Meade,2010; Zheng et al,2013; Li et al,2016)。本文得到的断层走滑速率剖面结果主要为3.9～4.3 mm/a,与大部分地质滑动速率和大地测量资料得到的走滑速率基本一致或稍微偏小。综上认为祁连—海原断裂带现今运动状态与地质长期运动特征基本一致,断层活动性具有很好的继承,断裂主要段落保持着约4 mm/a的走滑速率,说明整体运动一致性较好,与最大剪应变高值区集中在祁连—海原断裂带上相对应(Wang et al,2020,而在断裂两端走滑速率快速变小(Yuan et al,2008; Zhang et al,2005),这种走滑断裂的运动特征与前人的研究结果相似(Dawers et al,1993; Harkins et al,2010; Duvall,Clark,2010; Zheng et al,2013)。前人对于平行断层方向速率研究较多,但对其在垂直断层方向上的挤压速率研究的相对较少。根据本文的结果,祁连—海原断裂带的挤压速率从西边的2.9 mm/a,到东边减少到约1 mm/a,在地形上具有很好的对应关系,西边挤压作用强、地形多以高海拔山脉为主,东边挤压作用弱、地形多以低海拔盆地为主,说明断层挤压速率的变化可能与地壳短缩(形成盆地和隆起山脉)有关。

剖面P1和P2横贯整个祁连山,剖面从SW到NE表现出左旋走滑及逆冲挤压运动,平行断层方向上的速率变化主要集中在断裂两侧,垂直断层方向上的速率呈线性梯度变化,总的地壳缩短速率为6～7 mm/a,整个祁连山表现为挤压缩短,宽度为200～250 km,说明整个祁连山脉挤压收缩均匀变化,而不是集中在特定的断层或构造上。在剖面P3和P4上,区域整体表现为以左旋走滑为主,挤压缩短作用不明显,平行断层方向上的速率阶跃集中在祁连—海原断裂上,宽度为50 km,垂直断层速率在P3剖面上有所减弱,地壳缩短速率减小到3 mm/a,宽度也减小到150 km,在P4剖面上的断裂基本没有挤压作用,整个剖面的地壳缩短速率只有1～2 mm/a。通过4个剖面可以看出,在阿拉善块体内的GPS平行和垂直断裂速率基本都没有太大变化,并且滑动速率都较低。

基于上述特征,对研究区现今地壳变形特征进行讨论。在受青藏高原NE向的推挤和阿拉善块体阻挡的双重作用下,青藏高原东北缘发生了强烈的构造变形,地壳运动方向存在顺时针旋转现象(袁道阳等,2004)。在祁连山地区主要受强烈的挤压作用,造成地层的弯曲破裂而形成祁连褶皱系,从鄂拉山断裂到榆木山断裂之间具有明显的地壳缩短运动,同时受到区域内块体旋转和不同性质断裂相互作用和转换的影响下(Duvall,Clark,2010; 葛伟鹏等,2013),从祁连山向东沿着青藏高原东北缘地壳缩短速率逐渐递减,挤压变形的范围也随着递减,到海原断裂附近已经没有明显的地壳缩短,很好地解释了NE向的挤压主要被逆断层、地壳缩短增厚和边界高山隆起所分配和吸收(Zheng et al,2013),而区域的左旋走滑速率主要集中在祁连—海原断裂带上,并且断裂走滑速率基本一致,而在其他断裂上走滑运动不强,大部分都小于1 mm/a,说明青藏高原东北缘现今的地壳形变主要以祁连山地区的地壳短缩和祁连—海原断裂带上的左旋走滑运动为主。