基金项目:中国地震局地震科技星火计划(XH21036Y); 山西省应用基础研究计划面上青年基金项目(201901D211549); 青海省地震科学基金(2021A02,2022C01).
第一作者简介:黄 浩(1987-),高级工程师,主要从事数字地震活动性研究.E-mail:hh175@sina.com.
通讯作者简介:袁伏全(1982-),高级工程师,主要从事综合地震预测研究.E-mail:26092846@qq.com.
(1.青海省地震局,青海 西宁 810017; 2.山西省地震局,山西 太原 030021)
(1.Qinghai Earthquake Agency,Xining 810017,Qinghai,China)(2.Shanxi Earthquake Agency,Taiyuan 030021,Shanxi,China)
the Delingha earthquake; earthquake relocation; focal mechanism; seismic tectonic background; Qinghai
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0050
据中国地震台网测定,2022年3月26日青海省海西州德令哈市(38.50°N,97.33°E)发生MS6.0地震,震源深度10 km。2022年1月23日和4月15日德令哈分别发生MS5.8和MS5.4地震,这3次地震余震区破裂贯通,并构成了一个震群型地震序列(下文简称德令哈MS6.0地震序列)。截至2022年5月29日,德令哈MS6.0地震序列共发生MS≥3.0地震13次,其中MS3.0~3.9地震7次,MS4.0~4.9地震3次,MS5.0~5.9地震2次,MS6.0~6.9地震1次。德令哈MS6.0地震序列为祁连—海原断裂带发生2022年1月9日MS6.9地震后,短期内再次发生的震群型地震序列。受限于区域地震监测能力,该地震序列的初始定位结果揭示的余震展布特征与区域构造的NW—SE走向特征存在较明显差异; MS5.8、MS6.0和MS5.4地震初始定位的震中位置具有由南向北迁移的特征,余震是否存在由南向北的破裂特征对该地区未来地震危险性判断较为重要; 德令哈MS6.0地震的震源机制为走滑型,而区域历史地震震源机制多数为逆冲型。这些特征表明德令哈MS6.0地震相对复杂,而且震源区没有已探明的断裂构造,因此有必要对德令哈MS6.0地震序列的发震背景进行深入研究。
CAP方法的优势是反演结果对速度结构和地壳横向差异不敏感,具有较高的稳定性。前人的研究结果(吕坚等,2008; 郑勇等,2009; 龙锋等,2010; 易桂喜等,2012; 祁玉萍等,2018; Jiang et al,2019; 黄浩,付虹,2019; Lei et al,2019,2020; 袁伏全等,2021)表明,CAP方法在反演震源机制解和确定震源深度方面具有明显优势。该方法使用体波和面波联合反演,将宽频带数字地震记录分为体波部分(Pnl)和面波部分,采用频率-波数方法(F-K)(Zhu,Rivera,2002)计算台站的格林函数,利用格林函数得到合成地震图,反演过程中体波和面波分别赋予不同的权重,通过格点搜索方法在空间搜索,拟合、反演地震事件的最佳震源机制解。该方法分别对体波和面波进行拟合,减小了地壳速度模型及地壳横向不均匀性对反演结果的影响。双差定位方法可以较好地解决速度模型的不确定性引起的误差,在许多中强地震的余震序列定位中得到了广泛应用(杨智娴等,2003; 黄媛等,2008; 房立华等,2011; 王未来等,2014,2021; 王勤彩等,2015; 龙锋等,2021)。
本文采用CAP方法反演2022年德令哈MS6.0地震及部分波形质量较好的MS≥3.7地震的震源机制解和震源矩心深度,利用中国地震台网中心“地震编目系统”的正式观测报告的震相到时数据,采用双差定位方法对德令哈MS6.0地震序列进行重定位,获得较为准确的震源参数,并结合地质构造对德令哈MS6.0地震的发震背景进行了初步分析。
柴达木—祁连地块位于青藏高原向北扩展的前缘部位,由阿尔金断裂、东昆仑断裂和河西走廊带等围限为一级块体,块体内部进一步划分为柴达木和祁连 2个二级地块(徐锡伟等,2014)。GPS 速度场所揭示的地壳运动变形模式表明,柴达木—祁连地块地壳运动具有大范围内弥散变形特征,块体变形场为不同断裂差异性相对运动、区域内部逆冲挤压和块体旋转共同作用的结果(葛伟鹏等,2013)。
2022年德令哈MS6.0地震震中位于青藏高原东北缘祁连地块中部(图1),震中附近区域历史上发生13次MS≥6.0地震,其中MS6.0~6.9地震12次,MS7.0~7.9地震1次,最大历史地震为1932年12月25日甘肃玉门昌马MS7.6地震。2022年德令哈MS6.0地震震中100 km范围内发生过1927年3月16日青海哈拉湖东6级地震、1930年7月14日青海哈拉湖东61/2级地震、2003年4月17日青海德令哈MS6.6地震、2008年11月10日青海海西MS6.3地震和2009年8月28日青海海西MS6.4地震,表明该区域具有较强的构造运动和孕震能力。
图1 研究区构造背景与M≥6.0历史地震震中分布
Fig.1 Regional tectonic settings and epicenters of M≥6.0 historical earthquakes in the study area
德令哈MS6.0地震距南侧的党河南山主峰断裂约26 km。党河南山主峰断裂和疏勒南山断裂地区因自然条件恶劣,对它们的研究程度较低(苏琦等,2016; 郑文俊,2009; 赵朋等,2009)。党河南山北缘断裂呈NW向展布,长约190 km,第四纪以来活动强烈,以挤压逆冲为主(苏琦等,2016; 邵延秀等,2011a,b; 赵朋等,2009)。疏勒南山断裂总体走向NW、倾向NE、倾角60°左右(苏琦等,2016),野外地质调查判定断裂性质为左旋走滑兼逆冲(郑文俊,2009)。
疏勒河地区构造总体呈NW-SE向展布,局部发育近NS向构造。疏勒河地区中新生代以来经历了6个构造变形期次,其构造演化与青藏高原NE缘阶段性隆升具有良好的对应性:印支运动Ⅱ幕,在近N-S向的挤压下,崩坤沟—扎尔马格褶皱冲断带形成就位,表现为右旋逆冲运动,由于右旋走滑和基底地层的影响,在崩坤沟—扎尔马格主逆冲断层北缘形成“Z”型褶皱及南北向构造叠加(童馗,2016)。
本文参考前人在德令哈地区开展的人工地震测深研究结果(Zhao et al,2013; 王有学等,2000,2005),建立了德令哈地区的一维地壳速度模型(表1)。基于青海和甘肃区域地震台网的波形数据(郑秀芬等,2009),选用距离震中30~350 km范围内的地震台站,使用CAP方法(Zhao,Helmberger,1994; Zhu,Helmberger,1996)反演了德令哈MS6.0地震及部分MS≥3.7地震的震源机制解,反演时采用表1所示的初始速度模型。本文对观测到的速度波形记录处理过程如下:①去均值及消除仪器响应; ②将两水平分量分别旋转到R、T分量; ③积分为位移; ④滤波; ⑤重采样时采样率为1 s,与格林函数保持一致。反演MS5.8、MS6.0和MS5.4地震时,体波与面波的带通滤波频段分别为0.05~0.15 Hz和0.05~0.1 Hz; 反演余震时,体波与面波带通滤波频段分别为0.05~0.2 Hz和0.05~0.1 Hz。
MS5.8地震震源矩心深度为8 km(图2a),矩震级MW5.5,震源机制解节面Ⅰ走向为171°、倾角为84°、滑动角为-146°; 节面Ⅱ走向为77°、倾角为56°、滑动角为-7°; P轴仰角28°、方位169°; T轴仰角19°、方位69°; P、T轴仰角较接近水平。MS6.0地震震源矩心深度为6 km(图2b),矩震级MW5.7,震源机制解节面Ⅰ走向为174°、倾角为80°、滑动角为-156°; 节面Ⅱ走向为79°、倾角为66°、滑动角为-11°; P轴仰角24°、方位39°; T轴仰角9°、方位305°; P、T轴仰角较接近水平。MS5.4地震震源矩心深度为8 km(图2c),矩震级MW5.1,震源机制解节面Ⅰ走向为99°、倾角为50°、滑动角为26°; 节面Ⅱ走向为352°、倾角为70°、滑动角为137°; P轴仰角13°、方位50°; T轴仰角44°、方位307°; P轴仰角较接近水平、T轴仰角相对较高。图3展示了MS5.8、MS6.0和MS5.4地震最佳拟合深度处台站理论波形和实际波形拟合情况,图中波形上方数字为互相关系数百分比,下方数字为对应时间偏移(s),左侧台站名上方数字为震中距(km)和方位角(°),其下方数字为相对偏移时间。从图3中可以看出,理论波形和实际波形具有较好的拟合关系。
图2 德令哈MS5.8(a)、MS6.0(b)和MS5.4地震(c)矩张量反演中波形拟合误差随深度的变化
Fig.2 The fitting error of the moment tensor inversion variating with the focal depth of the Delingha MS5.8(a),MS6.0(b)and MS5.4(c)earthquakes
图3 德令哈MS5.8(a)、MS6.0(b)和MS5.4(c)地震双力偶机制解及理论(红色)和实际(黑色)波形对比
Fig.3 Double-coupled source mechanism solutions and comparison between the theoretical(red)and observed(black)waveforms of the Delingha MS5.8(a),MS6.0(b)and MS5.4(c)earthquakes
国内外研究机构给出了德令哈MS5.8、MS6.0和MS5.4地震的震源机制解,本文得出的震源机制解与中国地震局地球物理研究所(CEA-IGP)或全球矩心矩张量项目(GCMT)得出的震源机制解较接近(表2),表明本文结果具有较高的可靠性。
表2 不同机构得出的德令哈MS5.8、MS6.0和MS5.4地震震源机制解
Tab.2 Focal mechanisms and focal depths of the Delingha MS5.8,MS6.0,MS5.4 earthquakes provided by differernt institutes
德令哈MS6.0地震后早期余震波形受主震影响较大。本文利用CAP方法计算了德令哈MS6.0地震序列中6次MS≥3.7地震的震源机制解(图4、表3)。震源机制结果显示余震的震源机制均为走滑类型,表明余震的破裂类型与MS5.8、MS6.0和MS5.4地震较为一致。
1976年以来,德令哈MS6.0地震震中及邻区MS≥5.0地震的震源机制解显示,绝大多数地震为逆冲类型,仅2004年德令哈MS5.2地震和2019年德令哈MS5.0地震为走滑类型(图4)。2004年德令哈MS5.2地震震中位于2003年德令哈MS6.6地震余震区,其走滑类型可能与其震源区应力调整有关; 2019年德令哈MS5.0地震震中位于德令哈MS6.0震源区北端,其震源机制类型与2022年德令哈MS6.0地震及余震较为一致,均为走滑类型,这与区域历史地震震源机制以逆冲类型为主存在明显差异。孟文等(2022)给出的区域构造应力场显示,最大主压应力轴σ1的方位角为63.2°、倾伏角为54.9°; 最大主张应力轴σ3的方位角为-55.5°、倾伏角为18.6°。本文基于震源区的震源机制解结果(表3),采用线性阻尼应力场反演法得到震源区的局部应力场(图5),最大主压应力轴σ1的方位角为55°、倾伏角为31°; 最大主张应力轴σ3的方位角为311°、倾伏角为22°。震源区局部应力场与区域构造应力场较为一致,显示2022年德令哈MS6.0地震序列受印度板块NE向推挤作用控制,其震源机制与历史地震震源机制的差异可能由构造本身性质差异引起。
图4 德令哈MS6.0地震、部分MS≥3.7地震及震中区1970年以来MS≥5.0地震震源机制解
Fig.4 Focal mechanism solutions of the Delingha MS6.0 earthquake and some MS≥3.7 aftershocks and MS≥5.0 earthquakes in epicenter area since 1970
表3 德令哈MS6.0地震及部分MS≥3.7地震震源机制解
Tab.3 Focal mechanism solutions of the Delingha MS6.0 earthquake and some MS≥3.7 aftershocks
图5 德令哈MS6.0地震震源区应力场反演的力轴投影
Fig.5 The projection of the principal axes of the stress field inverted from the focal mechanism solutions in the epicentral area of the Delingha MS6.0 earthquake
本文采用双差定位方法(Waldhauser,Ellsworth,2000)对德令哈MS6.0地震序列进行重定位。震相走时数据来源于青海区域地震台网的正式观测报告,选取2022年1月23日—4月23日以德令哈MS5.8地震为中心、半径30 km范围内3个以上台站记录到的291次地震事件。其中,P 波震相走时资料共3 136条,S波震相走时资料共1 558条。涉及的地震台站共有22个(图6、表4),且这些台站相对于德令哈MS5.8和MS6.0地震序列具有较好的空间分布,为地震重定位提供了充足够的地震事件观测报告。地震重定位采用的地壳速度模型见表1,波速比取为1.72(杨志高,张雪梅,2016)。
图6 德令哈MS6.0地震震中周围的台站分布
Fig.6 Distribution of the seismic stations around the epicenter of the Delingha MS6.0 earthquake
在进行双差定位时,对P 波数据权重设为1.0,S 波数据权重设为0.5; 设定地震对之间的最大距离不超过10 km,最小连接数设为6。在计算过程中采用共轭梯度法求解方程,经过3 轮共15次迭代后得到阻尼最小二乘法解,期间不断调整迭代参数,使得表征双差方程条件数的CND在40~60,迭代结束时双差数据的平均震源改变量(DX、DY、DZ、DT)分别从1 671、1 180、1 765 m和172 ms 减小为60、59、118 m和8 ms,在接受误差范围之内,表明迭代过程趋于稳定合理。
表4 图 6中的台站代码及其对应的台站名称
Tab.4 Stations and their codes marked in Figure 6
表4 图 6中的台站代码及其对应的台站名称
Tab.4 Stations and their codes marked in Figure 6
经过计算,最终获得了德令哈MS6.0地震序列234次地震的重定位结果,重定位率达到80%。重定位后地震的离散度较初始定位(图7a)明显降低,显示出明显的NS向展布特征(图7b); 德令哈MS5.8地震震中位于震源区中北部,MS6.0和MS5.4地震震中距离较近,位于震源区北部; 震源区北部余震分布相对密集,而震源区南部余震较稀疏,震源区与党河南山主峰断裂交汇贯通(图7b); 震源区余震随时间演化显示,余震总体上具有由南向北迁移的特征。对比重定位前后的震源深度分布(图8)可知,重定位前震源深度集中分布在6~11 km,重定位后震源深度在9 km左右优势分布,左右两侧呈对称形态。
震源深度以DD'剖面为界其南北两侧具有较明显差异,在震源区北部分布范围为3~18 km,南部为7~13 km(图9a),表明震源区北部破裂区域相对较大、为主体破裂区域; BB'震源深度剖面显示(图9b),其破裂面近乎直立,震源深度优势分布范围为7~11 km,MS6.0和MS5.4地震位于剖面底部; 重定位给出的MS6.0和MS5.4地震的震源深度分别为15.6和17.0 km,CAP方法给出的矩心深度分别为6和8 km,二者具有较明显差别; 重定位和CAP方法给出的深度结果分别代表初始破裂深度和震源矩心深度,矩心深度的物理意义为地震破裂过程中的平均能量深度,一般初始破裂深度要大于震源矩心深度; 震源深度优势分布范围(7~11 km)相对较浅,可能代表了MS6.0和MS5.4地震在浅部破裂相对更充分,因此震源矩心深度较初始破裂深度更浅。CC'震源深度剖面显示(图9c),震源深度分布较均匀,MS5.8地震位于余震区中部,重定位给出的震源深度(9.8 km),与CAP方给出的矩心深度(8 km)较为接近; DD' 剖面(图9d)、EE' 剖面(图9e)和FF'剖面(图9f)显示的震源深度特征较为相似,震源深度集中分布在7~13 km,表明破裂区域相对较小。
图7 德令哈MS6.0地震序列重定位前(a)、后(b)的震中分布
Fig.7 Epicenters of the Delingha MS6.0 earthquake sequence before(a)and after(b)precise relocation
图8 德令哈MS6.0地震序列重定位前(a)、后(b)的震源深度分布图
Fig.8 Focal depths of the Delingha MS6.0 earthquake sequence before(a)and after(b)precise relocation
图9 重定位后的德令哈MS6.0地震序列余震分别沿AA'(a)、BB'(b)、CC'(c)、DD'(d)、EE'(e)、FF'(f)震源深度剖面图
Fig.9 Distribution of depths of the Delingha MS6.0 earthquake sequence along AA' profile(a),BB' profile(b),CC' profile(c),DD' profile(d),EE' profile(e)and FF' profile(f)after precise relocation
本文对德令哈MS6.0地震序列的震源机制、地震重定位和发震背景进行了研究,得出以下主要结论:
(1)德令哈MS5.8地震重定位的震源位置为(38.455°N,98.338°E),震源深度为9.5 km,CAP方反演获得的矩心深度约8 km,最佳双力偶解节面Ⅰ走向为171°、倾角为84°、滑动角为-146°,节面Ⅱ走向为77°、倾角为56°、滑动角为-7°。MS6.0地震重定位的震源位置为(34.490°N,97.313°E),震源深度为16.7 km,CAP方反演获得的矩心深度约6 km,最佳双力偶解节面Ⅰ走向为174°、倾角为80°、滑动角为-156°,节面Ⅱ走向为79°、倾角为66°、滑动角为-11°。MS5.4地震重定位的震源位置为(38.504°N,97.313°E),震源深度为17.0 km,CAP方反演获得的矩心深度约8 km,最佳双力偶解节面Ⅰ走向为99°、倾角为50°、滑动角为26°,节面Ⅱ走向为352°、倾角为70°、滑动角为137°。德令哈MS5.8、MS6.0和MS5.4地震均为右旋走滑类型,且震源机制解参数较接近。
(2)重定位结果显示,德令哈MS5.8、MS6.0和MS5.4余震破裂贯通,震源区沿NS向展布、长约26 km,震源深度主要分布在0~18 km。震源区余震随时间演化显示,总体上具有由南向北迁移的特征。震源区北部破裂区域相对较大,MS5.8、MS6.0和MS5.4地震均发生在震源区北部,因此震源区北部为主体破裂区域。BB'震源深度剖面较清晰地揭示了发震破裂面近乎直立的特征,这与震源机制解给出的发震断层高倾角的特征一致。重定位给出的MS6.0和MS5.4地震的震源深度较 CAP方法给出的矩心深度更深,而重定位给出的MS5.8地震的震源深度与CAP方法给出的矩心深度较一致,这可能与MS6.0和MS5.4地震的起始破裂点相对较深,而余震在浅部(7~11 km)优势分布揭示的MS6.0和MS5.4地震在浅部破裂相对充分有关。
(3)2022年德令哈MS6.0地震序列重定位和震源机制结果揭示的发震断层特征具有较好的一致性,MS6.0地震震源机制解节面Ⅰ可视为发震断层,即走向约174°、倾角约80°、滑动角约-156°。震源区附近断裂构造走向多以NW为主、局部发育NS向构造,因此根据本文获得的重定位结果、震源机制结果、震源区地质构造情况,初步推断德令哈MS6.0地震序列的发震构造为一条NS向、高倾角的右旋走滑隐伏断层。2022年德令哈MS6.0地震序列震中NS向展布特征和走滑型震源机制与区域NW向构造和逆冲型历史地震震源机制存在较大差异,这种差异在德令哈地区并非首次发现,如2013年德令哈ML4.5震群,其震中即为近NS向展布,震源机制为走滑类型(姚家骏等,2014)。因此,德令哈地区主要构造附近局部发育NS向构造可能并不罕见,对这一现象的深入研究还需依赖野外地质调查的研究结果。
中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”为本研究提供了地震波形数据,云南省地震局王光明提供了绘图帮助,在此表示衷心的感谢!