2010年4月玉樹(shù)MS7.3地震序列的斷層結(jié)構(gòu)

王勤彩, 王中平, 張金川， 李君, 陳章立

1 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所, 北京 10003 2 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心, 北京 100045 3 江蘇省地震局， 南京 210014

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2010年4月玉樹(shù)MS7.3地震序列的斷層結(jié)構(gòu)

王勤彩1, 王中平2, 張金川3， 李君1, 陳章立1

1 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所, 北京 10003 2 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心, 北京 100045 3 江蘇省地震局， 南京 210014

利用雙差定位方法對(duì)玉樹(shù)地震序列2010年4月14日至10月31日間發(fā)生的ML≥1.0地震進(jìn)行雙差定位，得到1545個(gè)地震的重定位結(jié)果.綜合分析地震雙差定位結(jié)果和玉樹(shù)地震序列中強(qiáng)地震震源機(jī)制解，發(fā)現(xiàn)玉樹(shù)MS7.3地震發(fā)震構(gòu)造由北西向和北東東向兩條相交斷層組成，主震發(fā)生在北西走向的甘孜—玉樹(shù)斷裂帶上，5月29日的MS5.9余震序列發(fā)生在北東東走向的一條隱伏斷裂上，兩條斷裂均接近直立.甘孜—玉樹(shù)斷裂是羌塘地塊和巴彥喀拉地塊的構(gòu)造邊界，由于羌塘地塊和巴顏喀拉地塊的差異運(yùn)動(dòng)使甘孜—玉樹(shù)斷裂強(qiáng)耦合段應(yīng)力高度積累，在應(yīng)變能超過(guò)巖石強(qiáng)度時(shí)破裂失穩(wěn)發(fā)生了MS7.3地震.主震斷層的左旋滑動(dòng)導(dǎo)致北東東向斷層的正應(yīng)力減小，庫(kù)倫應(yīng)力增加，45天后觸發(fā)了MS5.9余震序列的活動(dòng).

玉樹(shù)地震序列； 雙差定位； 矩張量解； 斷層結(jié)構(gòu)

1 引言

2010年4月14日青海省玉樹(shù)縣發(fā)生MS7.3地震，震中位置(33.11°N，96.59°E)，震源深度14 km(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一正式地震目錄,http:∥10.5.202.22).玉樹(shù)地震發(fā)生在甘孜—玉樹(shù)斷裂帶上(陳立春等，2010)，該斷裂帶是一條沿北西—南東方向延伸、以左旋走滑為主的斷裂帶，是巴彥喀拉地塊和羌塘地塊的構(gòu)造邊界，總長(zhǎng)約500 km.甘孜—玉樹(shù)斷裂帶歷史上曾發(fā)生4次破壞性地震，即1738年12月23日青海省玉樹(shù)縣西北6.5級(jí)地震，1896年3月四川石渠縣洛須—青海玉樹(shù)間7級(jí)地震,1854年洛須—錯(cuò)阿7.7級(jí)地震，1866年錯(cuò)阿—甘孜7.3級(jí)地震(Li et al.,2012).2010年的玉樹(shù)地震是發(fā)生在甘孜—玉樹(shù)斷裂上的又一次破壞性地震.

玉樹(shù)MS7.3地震序列是一個(gè)前—主—余震型地震序列，發(fā)生在2010年4月14日的前震(MS4.8)、主震和序列最大余震(MS6.4)震源位置接近，震源機(jī)制解相似 ，但它們與5月29日發(fā)生在地震序列北西端的MS5.9地震的震源機(jī)制存在明顯差異.主震震源機(jī)制解北西向節(jié)面走向與甘孜—玉樹(shù)斷裂帶延伸方向一致，走向300°，傾角88°.5月29日的MS5.9地震兩個(gè)節(jié)面的走向分別為345°和75°，傾角89°和88°(http:∥www.globalcmt.org[2010-10-20]).野外調(diào)查顯示，在MS5.9地震震源區(qū)未發(fā)現(xiàn)主震的同震破裂帶，也未發(fā)現(xiàn)與MS5.9地震震源機(jī)制解節(jié)面走向相同的已存斷層(陳立春等，2010；Li et al.,2012；吳富曉等，2011).震源破裂過(guò)程研究結(jié)果顯示，玉樹(shù)MS7.3地震是由初始破裂點(diǎn)向南東方向延伸的單側(cè)破裂，北西端的MS5.9地震震源區(qū)幾乎沒(méi)有發(fā)生滑動(dòng)(張勇等，2010).同震形變也表現(xiàn)出類(lèi)似的特征，形變主要分布于MS7.3地震初始破裂點(diǎn)南東方向的甘孜—玉樹(shù)斷裂帶兩側(cè)(劉云華等，2010).王未來(lái)等(2012)對(duì)玉樹(shù)地震序列進(jìn)行了雙差定位，認(rèn)為5月29日MS5.9地震序列震中分布與主震序列共軛，但MS5.9地震及其余震的震源機(jī)制解的節(jié)面走向沒(méi)有表現(xiàn)出與主震序列共軛的特征，那么，位于主震序列北西端的MS5.9地震的斷層具有怎樣的幾何特征？它與主震序列的關(guān)系成為值得深入探討的問(wèn)題.本文擬利用地震雙差定位結(jié)果和震源機(jī)制解相結(jié)合的方法，研究玉樹(shù)地震序列的斷層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場(chǎng)特征，進(jìn)而對(duì)玉樹(shù)MS7.3主震序列及MS5.9強(qiáng)余震序列的孕震機(jī)制進(jìn)行初步探討.

2 數(shù)據(jù)分析及處理

玉樹(shù)MS7.3地震震源區(qū)附近固定臺(tái)站稀疏，震中距100 km范圍內(nèi)僅有玉樹(shù)一個(gè)臺(tái)站，地震定位精度較差.地震發(fā)生后，青海省地震局和中國(guó)地震局地球物理研究所立即派出地震流動(dòng)觀測(cè)組，在玉樹(shù)震區(qū)共架設(shè)了7個(gè)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膶掝l帶流動(dòng)臺(tái)(圖1)，其中L6301、L6302、L6303和L6304臺(tái)于4月17開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，L6305、L6306和L6307 臺(tái)于5月19日開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，流動(dòng)臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)并入青海省地震局地震遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一管理.2010年10月，流動(dòng)臺(tái)站陸續(xù)停測(cè).玉樹(shù)地區(qū)的地殼厚度約為70 km(王有學(xué)和錢(qián)輝，2000；Jiang et al.,2006)，距震源區(qū)250 km范圍內(nèi)的臺(tái)站記錄到玉樹(shù)地震的初至波為Pg，因此選擇這個(gè)震中距范圍內(nèi)的5個(gè)固定臺(tái)站參與雙差定位計(jì)算，5個(gè)臺(tái)站中YUS、ZAD、MAD、QML 4個(gè)臺(tái)屬于青海省地震局遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)，CAD臺(tái)屬于西藏自治區(qū)遙測(cè)臺(tái)網(wǎng).

圖1 雙差定位前玉樹(shù)地震序列震中位置及臺(tái)站分布圖中2個(gè)黃色五角星分別為2010年4月14日玉樹(shù)MS7.3地震和5月29日MS5.9地震，綠色實(shí)心圓為玉樹(shù)地震序列余震，紅色實(shí)心圓為6級(jí)以上歷史地震，其中1738年的6.5級(jí)地震和1896年的7.0級(jí)地震發(fā)生在甘孜—玉樹(shù)斷裂上.黑色三角為流動(dòng)臺(tái)站、方塊為固定臺(tái)站.F1為甘孜—玉樹(shù)斷裂帶，F(xiàn)2為玉樹(shù)南—風(fēng)火山南麓斷裂帶.Fig.1 Epicenter distribution of Yushu earthquake sequence before double difference relocation and distribution of seismic stations Two yellow stars represent Yushu MS7.3 earthquake on 14 April, 2010 and MS5.9 earthquake on 29 May, 2010, respectively. Green solid circles indicate the aftershocks of Yushu earthquake sequence. Red solid circles indicate the historical earthquakes with M>6, including M6.5 earthquake in 1738 and M7.0 earthquake in 1896 which occurred on Ganzi-Yushu fault. Black triangles denote temporary stations and squares indicate permanent stations. F1 denotes Ganzi-Yushu fault and F2 indicates Yushu south-southern piedmont of Fenghuoshan fault.

我們由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心全國(guó)地震編目系統(tǒng)下載了2010年4月14日至10月31日玉樹(shù)余震區(qū)ML≥1.0地震的震相觀測(cè)報(bào)告，從中提取出地震目錄和上述12個(gè)臺(tái)站的震相文件，地震目錄和震相文件的格式是雙差定位程序的輸入格式.2010年4月14日至10月31日玉樹(shù)地震序列共發(fā)生ML≥1.0地震1809個(gè)，其中MS4.0～4.9地震16個(gè)，MS5.0～5.9地震3個(gè)，MS6.0～6.9地震1個(gè)，7級(jí)地震1個(gè).

3 地震雙差定位

3.1 速度模型的選取

雙差定位法雖然可以減小速度橫向不均勻性的影響，但對(duì)震源所在處的速度結(jié)構(gòu)依賴(lài)性較強(qiáng).因此，選取合適的速度模型對(duì)該地區(qū)地震的精確定位依然非常重要.本文分析了多年來(lái)這一地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)研究成果，選用了3種不同速度模型用于地震雙差定位試算.速度模型Ⅰ參考了王有學(xué)和錢(qián)輝(2000)的研究成果(圖2a)，他們利用中法聯(lián)合布設(shè)的玉樹(shù)—共和人工地震測(cè)深剖面資料，反演得到了玉樹(shù)附近地區(qū)的速度結(jié)構(gòu).速度模型Ⅱ參考了Jiang等(2006)的研究成果，他們利用與上述相同的資料得到了巴顏喀拉塊體、北昆侖和柴達(dá)木盆地的速度結(jié)構(gòu)，速度模型Ⅱ采用了巴顏喀拉塊體南部的速度結(jié)構(gòu)(圖2b).速度模型Ⅲ參考了王夫運(yùn)等(2011)、張建獅等(2014)的研究成果，2010年玉樹(shù)地震發(fā)生后，中國(guó)地震局地球物理勘探中心布設(shè)了穿過(guò)玉樹(shù)震區(qū)的主動(dòng)源寬角反射/折射探測(cè)剖面，并給出了玉樹(shù)及鄰區(qū)的速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果(圖2c).

本文采用3種速度模型分別進(jìn)行地震雙差定位試算，在所選參數(shù)相同時(shí)，使用第三種模型計(jì)算時(shí)震源深度在地面以上的地震最少，三種模型得到的重定位地震數(shù)占參與計(jì)算的地震總數(shù)的百分比分別為70.9%、78%和91.3%，因此，本文選用第三種模型，即穿過(guò)玉樹(shù)震區(qū)的速度模型進(jìn)行地震雙差定位，波速比參考王未來(lái)(2012)的研究結(jié)果(表1).

3.2 雙差定位結(jié)果與分析

本文使用雙差定位程序進(jìn)行地震精定位，震相數(shù)據(jù)和初始地震目錄由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的地震觀測(cè)報(bào)告中提取.計(jì)算時(shí)，取地震對(duì)間最大距離8 km,最小連接數(shù)為6，地震叢質(zhì)心距臺(tái)站的距離為250 km，成功配對(duì)的地震有1692個(gè)，P波雙差走時(shí)39498個(gè)，S波雙差走時(shí)40038個(gè)，參與反演計(jì)算的臺(tái)站12個(gè).P波權(quán)重取1.0，S波權(quán)重取0.7，10次迭代后定位殘差由0.565 s減小到0.196 s，得到1545個(gè)地震的雙差定位結(jié)果.

表1 雙差定位采用的速度模型

圖2 用于雙差定位試算的3種速度模型(a) 速度模型Ⅰ； (b) 速度模型Ⅱ； (c) 速度模型Ⅲ.Fig.2 Three velocity models used for trial calculation with double-difference algorithm(a) Velocity model Ⅰ； (b) Velocity model Ⅱ； (c) Velocity model Ⅲ.

圖3 玉樹(shù)地震序列雙差定位前后震中分布、深度剖面及震源深度分布圖圖中a1—a4是玉樹(shù)地震序列雙差定位前的震中分布、深度剖面及震源深度分布圖，b1—b4是雙差定位后的震中分布、深度剖面及震源深度分布圖.Fig.3 Distribution of epicenter location, depth section, and distribution of focal depth of Yushu earthquake sequence before and after double difference relocation a1—a4 indicate the distribution of epicenter location, depth section, and distribution of focal depth of Yushu earthquake sequence before double difference relocation. b1—b4 indicate the distribution of epicenter location, depth section, and distribution of focal depth of Yushu earthquake sequence after double difference relocation.

圖3是玉樹(shù)地震序列雙差定位前后震中及震源深度分布圖，可以看出，玉樹(shù)地震序列雙差定位前后震中分布圖形態(tài)接近，雙差定位后余震分布明顯集中.玉樹(shù)地震序列由北西向和北東東向兩條相交地震條帶組成，4月14日MS7.3主震發(fā)生在北西向條帶上，5月29日MS5.9余震發(fā)生在北東東向條帶上.在深度剖面上，A-A′兩側(cè)的地震全部投影到A-A′剖面上，B-B′兩側(cè)20 km范圍內(nèi)的地震投影在B-B′剖面上，可以看出，雙差定位后震源斷層的幾何特征更為清晰.圖3b顯示，北西向主震序列條帶清晰而狹窄，沿甘孜—玉樹(shù)斷裂帶分布，走向約300°，延伸長(zhǎng)度約80 km, 斷層面接近直立，是一個(gè)高角度斷層.5月29日MS5.9余震序列長(zhǎng)軸方向北東東，延伸長(zhǎng)度約40 km，寬約18 km，為一較寬的矩形條帶(圖4).野外調(diào)查結(jié)果顯示(陳立春等，2010；Guo et al.，2012；Li et al.，2012)，玉樹(shù)地震地表破裂帶沿甘孜—玉樹(shù)斷裂展布，雖然他們給出的破裂帶長(zhǎng)度存在差異(51～73 km)，但均未在玉樹(shù)地震序列北西端發(fā)現(xiàn)與主震斷層相交的斷層.衛(wèi)星影像及震后形變場(chǎng)研究也認(rèn)為玉樹(shù)地震破裂主要發(fā)生在甘孜—玉樹(shù)斷裂帶上(張桂芳等，2011；劉云華等，2010).但從雙差定位結(jié)果可以看出，玉樹(shù)地震序列北西端明顯存在一條北東東向地震條帶，這條北東東條帶可能是一條隱伏斷層.

玉樹(shù)地震序列雙差定位前后震源深度變化明顯，雙差定位前大多數(shù)地震集中在10 km深度上(圖3a4).雙差定位后地震主要集中在8～12 km深度范圍內(nèi)，0～15 km均有地震發(fā)生(圖3b4).玉樹(shù)地震序列震源區(qū)下方18～25 km深度存在低速體(張建獅等，2014)，玉樹(shù)地震序列發(fā)生在上地殼低速體上面的高速脆性層內(nèi).

由以上分析可知，玉樹(shù)MS7.3地震發(fā)生在甘孜—玉樹(shù)斷裂帶上，震源斷層是一條北西走向的高角度斷層.5月29日MS5.9余震震源斷層是一條北東東走向的隱伏斷層.

3.3 與他人結(jié)果的比較

玉樹(shù)地震發(fā)生后，研究人員利用不同方法對(duì)玉樹(shù)地震序列進(jìn)行了地震重定位.劉巧霞等(2012)利用應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)站和固定臺(tái)站資料、最新的人工地震寬角反射/折射剖面的速度模型(王夫運(yùn)等，2011；張建獅等，2014)、Hypo2000程序?qū)?010年4月18日至4月29日間玉樹(shù)震區(qū)發(fā)生的余震進(jìn)行了重定位，結(jié)果顯示，玉樹(shù)余震序列沿甘孜—玉樹(shù)斷裂帶分布，震源深度范圍1～20 km.王未來(lái)等(2012)、朱艾瀾等(2012)和Zhao等(2012)利用雙差定位方法對(duì)玉樹(shù)地震序列進(jìn)行了重定位，結(jié)果均顯示，玉樹(shù)主震序列震中分布是一條狹窄的北西向條帶，與甘孜—玉樹(shù)斷裂帶走向一致.但由于他們所使用的速度模型和臺(tái)站資料不盡相同，定位結(jié)果也存在一定的差異.王未來(lái)等(2012)參考Jiang等(2006)的人工地震測(cè)深速度剖面的研究結(jié)果給出了速度模型，選取震中距600 km范圍內(nèi)43個(gè)固定臺(tái)站和8個(gè)流動(dòng)臺(tái)站的震相資料，反演得到2010年4月14日至10月30日間525個(gè)地震的重定位結(jié)果.地震震中分布顯示，MS5.9余震序列延伸方向與主震序列垂直，即MS5.9余震斷層與主震斷層共軛.震源深度分布在0～25 km范圍內(nèi)，東南淺西北深.朱艾瀾等(2012)參考王有學(xué)和錢(qián)輝(2000)人工地震測(cè)深剖面的研究結(jié)果給出了速度模型，使用了11個(gè)固定臺(tái)和8個(gè)流動(dòng)臺(tái)的震相資料，反演得到2010年4月14日至9月15日間1670個(gè)地震的重定位結(jié)果，震中分布圖像顯示MS5.9余震序列延伸方向與主震序列垂直，與王未來(lái)的結(jié)果一致.震源深度分布在0～15 km范圍內(nèi).Zhao等(2012)的文章中沒(méi)有給出速度結(jié)構(gòu)和臺(tái)站信息，雙差定位后得到2010年4月14日至10月30日間677個(gè)地震的重定位結(jié)果，震中分布顯示，所有地震均沿甘孜—玉樹(shù)斷裂帶分布，震源深度范圍0～20 km.

本文所用速度結(jié)構(gòu)采用最新的人工剖面研究結(jié)果(王夫運(yùn)等，2011；張建獅等，2014)，選取震源距250 km范圍內(nèi)的5個(gè)固定臺(tái)站和連續(xù)記錄時(shí)間較長(zhǎng)的7個(gè)流動(dòng)臺(tái)站的震相資料，通過(guò)雙差定位得到2010年4月14日至10月31日間1545個(gè)地震的重定位結(jié)果.震中分布圖像顯示，主震序列沿甘孜—玉樹(shù)斷裂帶分布，與前人的研究結(jié)果一致.MS5.9余震序列沿北東東向延伸，與主震序列斜交，與前人存在差異，但與MS5.9中強(qiáng)余震的震源機(jī)制解北東東向節(jié)面走向一致(圖5).震源深度分布在0～15 km，與朱艾瀾等(2012)的研究結(jié)果相同.本文選用震源距250 km范圍內(nèi)的臺(tái)站，以保證記錄到的地震初至波為Pg.Pg波尖銳、清晰，讀數(shù)精度較高，可以提高雙差定位的精度.

4 斷層結(jié)構(gòu)及震區(qū)應(yīng)力場(chǎng)特征

要了解地震序列震源區(qū)的斷層結(jié)構(gòu)，地震雙差定位和震源機(jī)制解的綜合分析是非常有效的方法.當(dāng)震源分布呈橢球型，深度剖面不能有效地勾畫(huà)震源斷層的幾何特征時(shí)，震源機(jī)制解可以提供必要的補(bǔ)充.圖5是玉樹(shù)地震序列雙差定位后地震震中分布和中強(qiáng)地震震源機(jī)制解分布圖，圖中震源機(jī)制解參數(shù)來(lái)自全球矩心矩張量解(GCMT).由圖5可以看出，主震序列中前震、主震和序列最大余震(MS6.4)震源機(jī)制解非常接近，震源機(jī)制解北西向節(jié)面與甘孜—玉樹(shù)斷裂走向一致，也與主震序列余震震中分布延伸方向一致，所以北西向節(jié)面為主震序列的震源斷層面.主震震源機(jī)制北西向節(jié)面走向300°，傾角88°，滑動(dòng)角23°，所以主震斷層為走向北西、傾角接近直立的左旋走滑斷層.GPS研究結(jié)果顯示，羌塘地塊的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹E60°, 平均速率約為(28 ±5)mm/a.巴顏喀拉地塊的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹E61.45°, 平均速率約為21 mm/a(張培震等，2003).可見(jiàn)，羌塘地塊沿甘孜—玉樹(shù)斷裂向南東的運(yùn)動(dòng)速度分量大于巴顏喀拉地塊，由此形成了甘孜—玉樹(shù)斷裂的左旋走滑運(yùn)動(dòng)特征.

圖4 雙差定位后MS5.9余震序列震中分布及震源深度剖面圖圖中，(c1)是玉樹(shù)地震序列雙差定位后的震中分布; (c2)是沿C-C′的深度剖面; (c3)是沿D-D′的深度剖面.Fig.4 Distribution of epicenter location and depth section of Yushu MS5.9 earthquake sequence after double difference relocation (c1) indicates distribution of epicenter location of Yushu MS5.9 earthquake sequence after double difference relocation;(c2) indicate the depth section along C-C′; (c3) indicate the depth section along D-D′.

圖5 玉樹(shù)地震序列雙差定位后震中分布及中強(qiáng)地震震源機(jī)制解圖中綠色實(shí)心圓為玉樹(shù)地震序列余震，紅色沙灘球?yàn)橛駱?shù)地震序列中強(qiáng)地震震源機(jī)制解，蘭線(xiàn)與圖1相同，紅線(xiàn)表示玉樹(shù)地震序列震源斷層，黑色箭頭表示斷層兩盤(pán)的滑動(dòng)方向，黃色五角星為1834年玉樹(shù)MS5.5地震.Fig.5 Epicenter distribution of Yushu earthquake sequence after double difference relocation and focal mechanism solutions of moderate and strong earthquakes Green solid circles indicate aftershocks of Yushu earthquake sequence. Red beach balls represent the focal mechanism solutions of moderate and strong earthquakes in Yushu earthquake sequence. Blue lines are the same as Fig.1. Red lines denote the focal faults of Yushu earthquake sequence. Black arrows represent the slip directions of two walls of the fault. Yellow star indicates Yushu MS5.5 earthquake in 1834.

由GCMT得到5月29日MS5.9余震序列中5個(gè)MS≥4.8地震的震源機(jī)制解，這5個(gè)地震的震源機(jī)制解非常一致.震源機(jī)制解的北東東向節(jié)面與MS5.9余震序列震中分布長(zhǎng)軸方向一致，所以北東東向節(jié)面為MS5.9余震序列的震源斷層面.5.9級(jí)地震的震源斷層面走向75°，傾角88°，滑動(dòng)角1°.該斷層是一條走向北東東、接近直立的左旋走滑斷層.斷層沒(méi)有破裂到地表，是一條隱伏斷層.在玉樹(shù)縣城東側(cè)存在一條與MS5.9余震震源斷層平行的北東東向斷層，玉樹(shù)地震時(shí)沿該斷層有少量小地震分布.該斷層上1834年曾發(fā)生MS5.5地震(圖5).

由于玉樹(shù)地震序列北西向和北東東向斷層均接近直立，我們假設(shè)北西向斷層的北東盤(pán)為上盤(pán)，北東東向斷層的北盤(pán)為上盤(pán)，把8個(gè)地震震源機(jī)制解上盤(pán)相對(duì)于下盤(pán)的滑動(dòng)矢量投影在斷層面上(圖6)，可以看出，北西向斷層的上盤(pán)向北西方向滑動(dòng)，北東東向斷層的上盤(pán)向西滑動(dòng)，滑動(dòng)方向均接近水平.北西向和北東東向斷層均為接近直立的左旋走滑斷層,兩條斷層在(96.35°,33.35°)附近相交.

圖6 玉樹(shù)地震序列斷層面上滑動(dòng)矢量(紅)和震源區(qū)最大主應(yīng)力(黑)分布圖Fig.6 Distribution of slip vectors (red) on the fault plane of Yushu earthquake sequence and maximum principal stress (black) in the focal region

由于震源機(jī)制解較少，主震區(qū)和MS5.9余震區(qū)的最大主應(yīng)力方向由震源機(jī)制解主壓應(yīng)力方向平均值得到.主震區(qū)的最大主應(yīng)力方向?yàn)?2°，接近水平.MS5.9余震區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)?8°，相當(dāng)于主震區(qū)最大主應(yīng)力逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)34°.主震區(qū)的最大主應(yīng)力方向與王連捷等(2011)的研究結(jié)果一致，他認(rèn)為玉樹(shù)地區(qū)主壓應(yīng)力場(chǎng)為北東東向的水平應(yīng)力場(chǎng).謝富仁等(2011)給出的中國(guó)大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)圖也顯示該區(qū)區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)方向?yàn)楸睎|東向.主震區(qū)最大主應(yīng)力方向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致，說(shuō)明主震是區(qū)域應(yīng)力作用下，斷層不連續(xù)段應(yīng)力積累超過(guò)巖石強(qiáng)度發(fā)生的地震，而5.9級(jí)地震可能是主震后局部應(yīng)力積累和調(diào)整的結(jié)果.這種情況與日本TottoriMW6.6地震序列相似，Tottori地震序列北段位于震后形變區(qū)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)同震破裂帶，北段的應(yīng)力場(chǎng)方向相對(duì)于主震區(qū)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了20°，F(xiàn)ukuyama等(2003)認(rèn)為地震序列北段可能是震后應(yīng)力調(diào)整的結(jié)果.

5 主震斷層對(duì)MS5.9余震的觸發(fā)作用

以彈性空隙介質(zhì)突然加載時(shí)的形變和擴(kuò)散過(guò)程耦合理論為基礎(chǔ)(Rice and Cleary，1976)，Li等(1987)給出了走滑斷層引起的應(yīng)力和空隙壓的時(shí)空變化模型，由此計(jì)算出與時(shí)間相關(guān)的庫(kù)倫應(yīng)力變化，并分析了庫(kù)倫應(yīng)力增加與余震分布的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)膨脹區(qū)存在庫(kù)倫應(yīng)力增加條帶，且隨著時(shí)間的推移條帶內(nèi)庫(kù)倫應(yīng)力逐漸增加.余震可能沿著庫(kù)倫應(yīng)力增加條帶向膨脹區(qū)彎曲擴(kuò)展或離開(kāi)主震斷裂在膨脹區(qū)成叢發(fā)生.膨脹區(qū)內(nèi)是否有密集的地震叢出現(xiàn)依賴(lài)初始應(yīng)力場(chǎng)、主震破裂尺度和地殼介質(zhì)特性等.如1983年的Pasinler地震北端向膨脹區(qū)彎曲，1968年的Borrego Mountain地震和1975年的海城地震在膨脹區(qū)內(nèi)出現(xiàn)地震叢.1987年的美國(guó)南加州Superstition Hill地震序列，則是發(fā)生在北東向橫斷層上的MS6.2左旋走滑地震誘發(fā)了斷層南端膨脹區(qū)內(nèi)與之正交的Superstition Hill斷層上的MS6.6地震(Hudnut et al.,1989).

Superstition Hill地震序列震源斷層由北東向的橫斷層和北西向的Superstition Hill斷層組成.MS6.2使北東向的橫斷層破裂，14個(gè)小時(shí)后，MS6.6地震由兩條斷層的交叉點(diǎn)附近沿Superstition Hill斷層向南東方向破裂.Hudnut等(1989)認(rèn)為橫斷層上的左旋滑動(dòng)降低了主斷層上的正應(yīng)力，正應(yīng)力減小造成的庫(kù)倫應(yīng)力增加部分被空隙壓的減小所補(bǔ)償，但庫(kù)侖應(yīng)力的凈效應(yīng)是增加的.隨著時(shí)間的推移，庫(kù)倫應(yīng)力逐漸增加直到空隙壓恢復(fù)到初始值.Hudnut利用飽和空隙彈性介質(zhì)中的二維裂隙模型模擬了橫斷層上的位移導(dǎo)致的主斷層上的應(yīng)力變化，證實(shí)了以上的推測(cè)，而且還發(fā)現(xiàn)，橫斷層滑動(dòng)引起的彈性效應(yīng)并不足以觸發(fā)主斷層的破裂，橫斷層滑動(dòng)引起的斷層弱化最終導(dǎo)致了主斷層的失穩(wěn).

玉樹(shù)地震序列的情況與Superstition Hill地震序列近似.玉樹(shù)地震序列由北西向主震斷層和北東東向的MS5.9余震斷層組成，兩條斷層均為接近直立的左旋走滑斷層 (圖5).主震破裂帶位于高速區(qū),是斷層的閉鎖段(Pei and Chen,2012).羌塘地塊和巴顏喀拉地塊的差異運(yùn)動(dòng)使應(yīng)力在高速區(qū)內(nèi)積累，在應(yīng)力積累超過(guò)巖石強(qiáng)度時(shí)破裂失穩(wěn)發(fā)生了玉樹(shù)MS7.3地震.主震斷層的左旋滑動(dòng)導(dǎo)致位于膨脹區(qū)的北東東向斷層的正應(yīng)力減小，庫(kù)倫應(yīng)力增加.主震斷層滑動(dòng)引起的彈性效應(yīng)未能造成北東東向斷層的失穩(wěn)，斷層弱化可能起到了重要作用.巖石空隙內(nèi)的流體由壓縮區(qū)向膨脹區(qū)的擴(kuò)散使北東東向斷層空隙壓逐漸增加，流體向斷層的遷移導(dǎo)致斷層內(nèi)摩擦力減低，空隙壓增加和摩擦力降低使北東東向斷層逐漸弱化.因此，MS5.9余震序列的破裂機(jī)制可以解釋為主震斷層的滑動(dòng)導(dǎo)致北東東向斷層庫(kù)侖應(yīng)力增加和斷層的逐漸弱化，并最終導(dǎo)致北東東斷層的失穩(wěn).

MS5.9余震與主震之間的時(shí)間延遲也可以用流體擴(kuò)散來(lái)解釋.地震發(fā)生后流體由空隙壓較高的壓縮區(qū)向膨脹區(qū)流動(dòng)，直到膨脹區(qū)空隙壓恢復(fù)到初始值，這個(gè)時(shí)間被稱(chēng)為特征松弛時(shí)間(Li et al.,1987).主余震之間的時(shí)間延遲不僅依賴(lài)特征松弛時(shí)間，也依賴(lài)介質(zhì)特性和觸發(fā)強(qiáng)余震所需積累的庫(kù)侖應(yīng)力大小.主震后余震斷層可能立即失穩(wěn)，也可能在隨后的幾天或幾個(gè)月內(nèi)逐漸弱化并最終失穩(wěn)(Hudnut et al.,1989).

6 討論和結(jié)論

印度洋板塊和歐亞板塊在喜馬拉雅山弧處的碰撞使得青藏高原不斷隆升, 高原物質(zhì)向東部運(yùn)移.由于受到四川地臺(tái)的阻擋，巴顏喀拉地塊的運(yùn)動(dòng)速度低于羌塘地塊，在兩個(gè)地塊邊界形成左旋走滑的瑪尼—玉樹(shù)—鮮水河斷裂.玉樹(shù)地震序列主震區(qū)為高速區(qū)(Pei and Chen,2012),是斷層的閉鎖段，由于兩個(gè)地塊的差異運(yùn)動(dòng)，在斷層的閉鎖段應(yīng)力高度積累，達(dá)到極限狀態(tài)后突然破裂失穩(wěn)發(fā)生了玉樹(shù)MS7.3地震.主震斷層的左旋滑動(dòng)導(dǎo)致北東東向斷層的正應(yīng)力減小，同時(shí)空隙應(yīng)力也減小，但庫(kù)侖應(yīng)力的凈效應(yīng)是增加的.隨著流體向膨脹區(qū)的擴(kuò)散，庫(kù)倫應(yīng)力逐漸增加直到北東東向斷層破裂失穩(wěn)發(fā)生MS5.9地震.

通過(guò)對(duì)玉樹(shù)地震序列的分析，我們得到如下結(jié)論：

(1) 玉樹(shù)地震序列由兩條交叉的斷層組成，主震發(fā)生在北西走向的甘孜—玉樹(shù)斷裂帶上，5月29日的5.9級(jí)余震序列發(fā)生在北東東走向的一條隱伏斷裂上，兩條斷裂均接近直立.

(2) 玉樹(shù)地震序列地震震源深度分布在1～15 km范圍內(nèi)，位于上地殼低速體上面的高速脆性層內(nèi)，震源區(qū)構(gòu)造有利于應(yīng)力的積累.

(3) 由于羌塘地塊和巴顏喀拉地塊的差異運(yùn)動(dòng)使甘孜—玉樹(shù)斷裂強(qiáng)耦合段應(yīng)力高度積累，在應(yīng)變能超過(guò)巖石強(qiáng)度時(shí)破裂失穩(wěn)發(fā)生了MS7.3地震.主震斷層的左旋滑動(dòng)導(dǎo)致北東東向斷層的正應(yīng)力減小，庫(kù)倫應(yīng)力增加，觸發(fā)了MS5.9余震序列的活動(dòng).致謝 本文使用了青海省地震局和中國(guó)地震局地球物理研究所提供的流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)，中國(guó)臺(tái)網(wǎng)中心提供的震相數(shù)據(jù)，Waldhauser先生提供的hypoDD程序，在此一并表示感謝.感謝審稿專(zhuān)家給出的寶貴建議.

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(本文編輯 胡素芳)

Fault structure ofMS7.3 Yushu earthquake sequence in April, 2010

WANG Qin-Cai1, WANG Zhong-Ping2, ZHANG Jin-Chuan3, LI Jun1, CHEN Zhang-Li1

1InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China2ChinaEarthquakeNetworks,Beijing100045,China3EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince,Nanjing210014,China

The object of this paper is to investigate the seismogenic fault structures and stress field whereMS7.3 Yushu earthquake sequence occurred in April 2010, and then tentatively discuss the triggering mechanism for the YushuMS7.3 mainshock andMS5.9 strong aftershock sequences.We adopted double difference algorithm for earthquake hypocenter relocation by using different seismic velocity models, and chose the outcome with the maximal proportion of relocated earthquakes in total events as our final result. With the combination of focal mechanism solutions and earthquake relocation, the fault structures and stress field for Yushu earthquake sequences were comprehensively analyzed.After the relocation ofML≥1.0 earthquakes among Yushu earthquake sequence from April 14 to October 31, 2010, we obtained precise locations of 1545 earthquakes. Relocation results show that Yushu earthquake sequence was mainly composed of two intersecting seismic strips with NW trending and NEE trending respectively. TheMS7.3 mainshock occurred in the north-west trending seismic zone along Ganzi-Yushu fault. This seismic strip extended for about 80 kilometers with 300 degree trending and indicated a high-angle fault plane that is close to upright. TheMS5.9 aftershock on May 29 occurred in a wide NEE rectangular strip, which extended approximately 40 kilometers with a width of 18 kilometers, indicating a possible buried fault. The relocated Yushu earthquake sequences occurred from ground surface to around 15 kilometer in depth, but were mainly concentrated in the depth range of 8 to 12 kilometers. Combined analysis of double difference and focal mechanism leads to the conclusion that the NW fault plane in the focal mechanism solution for mainshock is most likely the seismogenic fault of mainshock sequence. The mainshock fault is a NW trending, nearly vertical, and sinistral strike-slip fault. The seismogenic fault plane forMS5.9 aftershock is an NEE, almost upright sinistral strike-slip fault. The maximum principal stress direction in mainshock seismic zone is consistent with the regional principal stress direction, while the maximum principal stress direction in theMS5.9 aftershock zone equals to the direction after 34 degrees counterclockwise rotation of the maximum principal stress in the main quake zone, which might be attributable to local stress accumulation and adjustment after the mainshock.The seismogenic structure forMS7.3 Yushu earthquake consists of two NW trending and NEE trending faults. The mainshock occurred in NW Ganzi-Yushu fault, whileMS5.9 aftershock possibly took place in an NEE trending buried fault. Both of these faults appear to be upright. Ganzi-Yushu fault is the tectonic boundary between Qiangtang Block and Bayan Har Block. Due to differential block movements of Qiangtang Block and Bayan Har block, the segment within Ganzi-Yushu Fault with strong coupling tends to accumulate stress dramatically, and when accumulated strain energy exceeded the rupture strength of rock, theMS7.3 earthquake took place. The left-lateral slip of Ganzi-Yushu fault induced by the mainshock resulted in a significant reduction of normal stress, leading to the increase of Coulomb stress. After 45 days, theMS5.9 aftershock sequence was triggered by the mainshock.

Yushu earthquake sequence； Double-difference algorithm； Moment tensor solution； Fault structure

10.6038/cjg20150609.

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(2014IES0102),國(guó)家自然科學(xué)基金(41404047),地震行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(201208003和201508010)聯(lián)合資助.

王勤彩，1966年生，研究員，主要研究方向?yàn)榈卣饘W(xué).E-mail: wangqc@seis.ac.cn

10.6038/cjg20150609

P315

2014-08-13，2015-01-05收修定稿

王勤彩, 王中平, 張金川等. 2015. 2010年4月玉樹(shù)MS7.3地震序列的斷層結(jié)構(gòu).地球物理學(xué)報(bào)，58(6):1931-1940,

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