2019年夏河M5.7地震的余震序列重定位及發(fā)震構造

劉旭宙 沈旭章 何驍慧 蒲 舉

1)甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，蘭州 730000 2)中國地震局蘭州巖土地震研究所，蘭州 730000 3)中山大學地球科學與工程學院，廣州 510275

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心正式測定，北京時間2019年10月28日01時56分，甘肅甘南藏族自治州夏河縣發(fā)生了5.7級地震，震中位于(35.10°N，102.69°E)，震源深度10km。據(jù)甘肅省地震局的震后現(xiàn)場調查結果可知，夏河地震的最高烈度為Ⅶ度，Ⅵ度及以上烈度區(qū)的總面積為1i591km2，主要涉及甘南州夏河縣和合作市2個縣市。等震線長軸呈NW向，長52km，短軸長38km。據(jù)當?shù)卣臑脑u結果可知，地震共造成21人受傷。

此次地震的震中位于臨潭-宕昌斷裂和西秦嶺北緣斷裂之間，距離臨潭-宕昌斷裂的NW段較近，震中附近歷史地震較少。臨潭-宕昌斷裂位于東昆侖斷裂東段和西秦嶺北緣斷裂2條大型走滑斷裂之間，其活動性質為左旋兼逆斷，具有復雜的幾何結構(鄭文俊等，2005，2007a，b，2013a，b；何文貴等，2006，2013)。該斷裂以岷縣為界可分為NW和SE 2段，NW段為臨潭—岷縣段，線性地貌特征不明顯，局部地段發(fā)育線性槽谷。地質實地考察結果顯示，臨潭-宕昌斷裂為晚更新世活動斷層，其SE段的活動性略強于NW段(袁道陽，2003)。

21世紀以來，在臨潭-宕昌斷裂的臨潭—岷縣段附近已經(jīng)發(fā)生過5次中強地震(圖1)，其中包括造成巨大損失的2013年岷縣-漳縣MS6.6地震。相對而言，本次夏河地震的震中位置更偏NW，深入研究此次地震的發(fā)震構造對于認識臨潭-宕昌斷裂及該區(qū)域的構造具有重要意義。此次地震具有較為完整的地震序列，截至2019年11月24日共發(fā)生180次余震。這些余震資料為確定該地震的發(fā)震構造提供了重要信息，也為進一步研究該地區(qū)的發(fā)震斷層和判斷未來的地震形勢提供了參考。

圖1 研究區(qū)的活動構造及歷史地震分布圖Fig.1 Regional active tectonics and historical earthquakes.F1西秦嶺北緣斷裂；F2臨潭-宕昌斷裂；F3東昆侖斷裂；F4光蓋山-迭山斷裂；F5禮縣-羅家堡斷裂；F6龍門山斷裂

本文基于測震固定臺網(wǎng)記錄的夏河地震序列的震相數(shù)據(jù)，利用gCAP方法(Zhuetal.，2013)和P波初動方法(許向彤等，1995)反演了主震的震源機制解。此外，利用HYPO2000方法(Klein，1978)對地震序列進行了初定位，并利用雙差定位方法(Waldhauseretal.，2000)對主震及余震序列進行精確定位，獲得了較為準確的余震震源參數(shù)及空間分布特征。在此基礎上，結合夏河M5.7地震的區(qū)域構造環(huán)境和烈度分布情況，探討了該地震序列可能的發(fā)震斷層和成因機制。

1 夏河M5.7地震的震源機制解

本文采用gCAP方法求解了夏河地震主震的震源機制解。gCAP全矩張量反演方法以CAP(Zhuetal.，1996，Julianetal.，1998)方法為基礎，根據(jù)理論與觀測波形的擬合反演震源機制解，該方法已被許多學者采用(黃建平等，2009；李圣強等，2013；易桂喜等，2015；張廣偉等，2015)。本文求解出的地震最佳雙力偶節(jié)面解見圖1和圖2，并求得主震的震級為MW5.36，最優(yōu)震源深度為5.9km。求解按照以下步驟進行：

圖2 夏河M5.7地震的gCAP震源機制解Fig.2 Focal mechanism result of Xiahe M5.7 earthquake with gCAP method.

(1)將seed格式的波形記錄轉換為sac格式，并對sac波形進行去均值、去傾斜和去尖操作，然后去除儀器響應；

(2)將sac波形旋轉到垂向、徑向和切向并進行重采樣，分解波形為Pnl波和S波，并分別進行0.05～0.2Hz和0.02～0.08Hz四階帶通濾波；

(3)計算擬合所需要的格林函數(shù)，速度結構見表1(周民都等，2006)。

表1 夏河地震震中附近區(qū)域的速度模型Table1 The seismic velocity model used in location and re-location

震源機制解的具體參數(shù)為：節(jié)面I的走向、傾角和滑動角分別為185°、56°和127°；節(jié)面Ⅱ的走向、傾角和滑動角分別為312°、48°和48°。該結果反映出此次地震的主震為逆沖兼具走滑性質的破裂形式。此外，我們也采用P波初動方法求解了夏河地震主震的震源機制解。本研究共搜集到72個來自測震固定臺站的P波初動數(shù)據(jù)，從中篩選出62個清晰的P波初動并據(jù)此得到震源機制解。結果為：節(jié)面I的走向、傾角和滑動角分別為141°、62°和83°；節(jié)面Ⅱ的走向、傾角和滑動角分別為334°、28°和101°。相較于gCAP的結果，P波初動的結果具有更多的逆沖成分，節(jié)面的走向相差近40°。由于夏河地震震中SW向的臺站較少，在求解P波初動解時對地震的方位覆蓋不足，這可能是造成2種震源機制解出現(xiàn)差別的原因。哈佛大學CMT項目組(1)https:∥www.globalcmt.org。、美國地質調查局(USGS)(2)https:∥www.emsc-csem.org/Earthquake/。和德國地學研究中心(GFZ)②分別發(fā)布了本次地震的震源機制解信息(表2)。本文計算了各震源機制解與本文gCAP的B軸空間旋轉角差值，結果顯示，本文的gCAP解接近USGS和CMT的結果。在后續(xù)的分析中將采用本文gCAP的結果。

表2 夏河地震震源機制解信息匯總Table2 The focal mechanisms of Xiahe earthquake

圖3 夏河M5.7地震gCAP解的擬合誤差隨深度的變化圖Fig.3 Variation of fitting error with depth during the focal mechanism inversion of Xiahe M5.7 earthquake.

2 余震序列重定位

根據(jù)甘肅測震臺網(wǎng)的分析及統(tǒng)計，截至2019年11月24日共記錄到夏河地震余震180次。我們收集了甘肅及鄰近地區(qū)測震臺網(wǎng)的地震波形記錄，對主震和可識別Pg震相超過3個的余震采用HYPO2000方法(Klein，1978)進行了初始定位，速度結構見表1(周民都等，2006)。在夏河地震震中距≤200km范圍內共有20個測震臺(圖1)，且其分布較好地包圍了震源區(qū)，距離主震最近的臺站HZT臺的震中距為19km，對主震及余震序列定位具有重要控制作用。初定位共得到94個地震事件的結果，地震序列的時間區(qū)間為2019年10月28日—11月23日，共計650h。

經(jīng)初定位后，余震的震中較為集中，主要分布在震中附近20km×20km的范圍內，深度為1～16km。本文選取至少有3個臺站記錄的94次地震事件，采用雙差定位方法對其進行重定位。雙差定位方法是一種相對定位方法，可減小速度模型的不確定性帶來的誤差，對于區(qū)域臺網(wǎng)觀測的地震序列重定位具有良好效果(楊智嫻等，2003；黃媛等，2008；Waldhauseretal.，2008；王清東等，2015)。

由于余震分布較為集中，本文在雙差定位的震相預處理中設置地震對之間的最大距離(maxsep)為3km，定義鄰居最小震相對數(shù)(minlink)為6。反演時采用LSQR算法，進行4輪共20次迭代，每輪迭代時條件數(shù)CND均為40～58。重定位前，雙差定位結果中的震源改變量(DX、DY、DZ、DT)為900m、846m、4i092m、150ms，迭代完成后，各改變量減小至3m、4m、4m、2ms，客觀地反映出重定位中各迭代過程的合理性和穩(wěn)定性。重定位后，共得到64個地震(含主震)的最終結果。其中，主震的震中位置為(35.091°N，102.707°E)，震源深度為6.1km。根據(jù)重定位結果中余震的分布情況，選擇2條相互垂直的剖面(圖4 中的剖面AB、CD)分析余震空間分布(圖4c)。

圖4 夏河地震序列的空間分布及參與計算的觀測臺站Fig.4 The spatial distribution of Xiahe relocated earthquakes for different periods since the main shock and fixed stations used in calculation.a 夏河M5.7地震及參與計算的臺站分布；b 地震序列局部空間分布；c 重定位結果剖面AB；d 重定位結果剖面CD。F1西秦嶺北緣斷裂；F2臨潭-宕昌斷裂；F3東昆侖斷裂

圖4b 展示出重定位后的夏河地震序列的水平分布特征。余震主要沿NE-SW向(剖面AB走向)分布，但余震分布的長軸的方向性并不非常明顯，原因為部分地震事件可參與定位的清晰震相較少，因此對初定位和重定位結果均有影響。圖4c和4d展示了重新定位后夏河M5.7地震序列在2條剖面上的空間分布特征。結合時間標尺可以看出，在主震后2d內，地震同時向深部和淺部擴展，并接近余震分布深度的邊界，且大部分余震的深度較主震更淺。余震的分布表現(xiàn)出主震發(fā)生后破裂向地表擴展的過程。在AB剖面圖中，主震及余震分布呈NE傾、寬2～4km的條帶狀。本文根據(jù)最小二乘法擬合出的余震分布帶的傾角為47°，去除震源位置遠離余震分布帶的3個地震后，擬合得到的傾角為54°，推測其傾角為47°～54°。對比主震震源機制解的2個節(jié)面可知，節(jié)面Ⅱ的斷層幾何形態(tài)與余震分布較為一致。節(jié)面Ⅱ的傾角為48°，與余震分布帶的傾角大致相當，其偏差應與震源機制解與實際破裂之間的誤差有關。故推測余震節(jié)面Ⅱ為發(fā)震斷層，主震破裂呈現(xiàn)逆沖兼具左旋走滑的特征。

3 結論與討論

3.1 發(fā)震斷裂及構造背景

為了認識夏河M5.7地震的發(fā)震斷裂及其對該地區(qū)地震活動的意義，需要了解夏河地震所屬的甘肅東南部(以下簡稱甘東南)地區(qū)較大范圍的構造背景。甘東南地區(qū)位于青藏高原東北緣，是高原隆升的前沿。東昆侖斷裂和西秦嶺斷裂是甘東南地區(qū)2條主要的邊界控制斷裂，對該地區(qū)的構造變形具有重要作用。這2條大斷裂具有不一致的滑動速率，其不一致的部分被其間一系列逆沖兼具左旋走滑斷裂的變形所吸收(袁道陽等，2004；鄭文俊等，2005，2013a；何文貴等，2006)，包括迭部-白龍江斷裂帶、光蓋山-迭山斷裂帶和臨潭-宕昌斷裂等。

夏河M5.7地震發(fā)生于甘東南地區(qū)，震中在臨潭-宕昌斷裂西段和西秦嶺北緣斷裂之間，更接近臨潭-宕昌斷裂的西段。臨潭-宕昌斷裂具有復雜的幾何結構，由多條平行或斜接的次級斷裂組成。斷裂一般分為3段，中段和東段存在第四紀晚期新活動跡象，其運動性質總體以向S逆沖為主，局部陡立或S傾，兼具左旋走滑分量。而西段為早更新世或前第四紀活動斷裂，活動性質不明朗，在夏河地震前活動性較差(鄭文俊等，2007b，2013b)。臨潭-宕昌主斷裂及其次級斷裂均屬于東昆侖斷裂帶與西秦嶺北緣斷裂帶之間構造轉換過渡帶的一部分，在2條大斷裂過渡帶內部構造變形這一動力學因素下，21世紀以來臨潭-宕昌斷裂附近發(fā)生過幾次中強地震(袁道陽等，2004；何文貴等，2013；鄭文俊等，2013a，2016)，幾次地震均表現(xiàn)出一定的逆沖兼左旋性質(圖1)。其中，2013年岷縣-漳縣MS6.6地震的發(fā)震斷裂即為臨潭-宕昌的一條次級斷裂，該斷裂在深部并入臨潭-宕昌主斷裂(何文貴等，2013；鄭文俊等，2013b)。

夏河M5.7地震的震中接近臨潭-宕昌斷裂西段，但距臨潭-宕昌斷裂有一定距離。前人對震中附近的構造介紹相對較少，并無某一已知斷裂與夏河地震的發(fā)震斷裂相對應。本文根據(jù)主震及余震序列的重定位結果推測此次地震并非發(fā)生在臨潭-宕昌主斷裂上，而是發(fā)生于一條分支斷裂上。由于夏河地震的破裂形式和臨潭-宕昌斷裂過去十幾年發(fā)生的幾次中強地震一致，故本文推測該發(fā)震斷裂具有和其他次級斷裂一致的結構，即在深部并入臨潭-宕昌主斷裂(圖5)。因此，推測夏河地震的發(fā)震斷裂為臨潭-宕昌斷裂的某一次級斷裂，并具有走向約312°、傾角約48°的特征，其走向與震后調查的烈度分布一致(圖6)。

圖5 夏河M5.7地震的發(fā)震斷裂構造模型圖Fig.5 Seismogenic fault structure model of Xiahe M5.7 earthquake.

圖6 2019年夏河M5.7地震與周邊構造的分布Fig.6 Active tectonics around the epicenter of mainshock.地層、基巖斷層數(shù)據(jù)來源于1︰200i000地質圖(合作幅)；地震烈度由甘肅省地震局(3)http:∥www.gsdzj.gov.cnsjdt8432.jhtml。發(fā)布

2019年夏河M5.7地震表明，歷史上較少發(fā)生強震的臨潭-宕昌斷裂的西段同樣存在孕育強震的條件。此外，臨潭-宕昌斷裂中段中強震較少，構造應力容易發(fā)生穩(wěn)定積累，具有孕育大地震的構造條件，值得重點關注。

3.2 認識及討論

(1)本文基于2019年10月28日夏河M5.7地震的構造環(huán)境、主震的震源機制以及余震重定位結果推測，此次地震的發(fā)震構造為臨潭-宕昌斷裂的次級斷裂。

(2)臨潭-宕昌斷裂及周邊地區(qū)近20a來發(fā)生了多次中強震。受青藏高原動力作用以及西秦嶺北緣斷裂和東昆侖斷裂的控制，這一區(qū)域表現(xiàn)出一致性的逆沖兼具走滑特征。未來需要更多地關注此區(qū)域的精細結構以及地震活動性。

致謝審稿專家對本文進行了細致的審閱并提出了寶貴的意見；本研究中的地震定位采用HYPO2000程序、HYPODD雙差定位程序，求解震源機制采用gCAP程序，使用GMT軟件繪制了相關圖片。在此一并表示感謝!