2021年瑪多MS7.4地震的深部構造背景

宋向輝 王帥軍 潘素珍 宋佳佳

1)中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002 2)中國地質大學(北京)，地球科學與資源學院，北京 100083

0 引言

青藏高原內部強烈地震的發(fā)生與深部地殼結構和動力學過程密切相關，因此瑪多地震的發(fā)生可能不只是淺部斷裂走滑運動的結果，更與其深部結構和動力學過程有關，對瑪多地區(qū)的地殼結構以及深部斷裂展布等進行研究，對于揭示此次瑪多地震的深部構造背景和成因具有重要意義。 2010年中國地震局物探中心布設了NE向的玉樹—瑪多—共和人工地震剖面，距離瑪多地震震中約20km，測線平均觀測點距為2km，并通過6次人工爆破實驗很好地解釋了瑪多地區(qū)的地殼速度結構(張建獅等，2014)，該結果對于揭示此次瑪多地震的深部構造背景具有重要幫助。 本文將利用瑪多MS7.4地震周邊的人工地震測深結果，對瑪多地震區(qū)的深部地殼結構進行研究，探討此次地震發(fā)生的深部構造背景。

1 區(qū)域構造環(huán)境

圖1 區(qū)域地質概況及人工地震測深測線分布圖Fig. 1 Geological setting and location of deep seismic sounding survey in Madoi area.

此次瑪多7.4級地震的發(fā)震斷裂為江錯斷裂，位于瑪多-甘德斷裂與達日斷裂之間，全長約700km，整體走向NWW，傾向以NE為主，表現(xiàn)為左旋走滑性質(潘家偉等，2021； 王未來等，2021)。

2 上地殼介質特征

瑪多地區(qū)的上地殼厚約25km，分為上、 下2層(圖 2)，上層的平均速度為5.7km/s，下層是平均速度為5.6km/s的低速體，上、 下分層大約以17km深度為界。 李永華等利用雙差層析成像方法獲得了瑪多地區(qū)的速度結構(3)http:∥www.cea-igp.ac.cn/cxdt/278267.html。，也發(fā)現(xiàn)瑪多地區(qū)的上地殼下部為低速體。 瑪多地區(qū)上地殼的介質特征在該地區(qū)其他人工地震剖面結果中也有體現(xiàn)，瑪沁—蘭州—靖邊剖面揭示了巴顏喀拉塊體在10～16km深度的上地殼內存在低速層(張先康等，2003)，莫壩—貴德剖面顯示該區(qū)域附近16km深處的地殼速度存在跳躍性，形成明顯的速度間斷面(Zhangetal.，2011)。 瑪多地區(qū)上地殼特殊的上下分層結構為地震孕育提供了介質條件，上部高速層為上地殼脆性變形提供了條件，下部低速層則為上部地殼積累應變能提供了條件。

圖2 瑪多地區(qū)的上地殼速度結構(據(jù)張建獅等，2014改)Fig. 2 Upper crustal velocity and medium environments of Madoi area(modified after ZHANG Jian-shi et al.，2014).白色五角星為瑪多MS7.4地震主震，白色圓圈為余震序列

從瑪多地震震源附近速度結構來看(圖 2)，地殼橫向非均勻性明顯，上地殼上層的平均速度約為5.7km/s，存在局部的高速異常體(HZV)，速度達5.8km/s，而此次瑪多地震正發(fā)生在局部高速體的邊緣。 徐錫偉等(2017)指出，中國大陸高震級地震的發(fā)震斷層或斷層破裂段均位于地震波高速區(qū)內或高、 低速過渡帶偏高速一側，斷層附近高強度的圍巖或凹凸體有利于積累足夠的能量而發(fā)生高震級地震。 余震分布的深度范圍為6～20km，主要位于上地殼的高速層內。 從圖 2 可以看出，余震的位置與地殼速度橫向變化的區(qū)域對應良好，包括局部高速體的邊緣以及局部低速體偏高速的位置，表明瑪多地區(qū)上地殼速度結構強烈的非均勻性有利于地震破裂的發(fā)生。

瑪多地震主震震源位于上地殼高速層內，下部的低速層為上部地殼脆性變形的應變能積累提供了條件。 具體而言，瑪多地震的震源位于局部高速體的邊緣，符合高震級地震危險區(qū)段介質的特性標志特征。 因此，瑪多地區(qū)上地殼特殊的上下分層結構以及局部地區(qū)的高速異常體，為此次瑪多地震的孕育提供了必要的介質條件。

3 深部斷裂特征

江錯斷裂是此次瑪多地震的發(fā)震斷裂，與達日斷裂帶、 瑪多-甘德斷裂和東昆侖斷裂帶在平面上近平行分布(潘家偉等，2021； 王未來等，2021)。 在剖面上瑪多-甘德斷裂表現(xiàn)為三疊系巴顏喀拉群內的高角度逆沖斷層，與東昆侖斷裂帶近平行，整體傾向N，兩者共同構成了阿尼瑪卿地區(qū)的多重逆沖推覆構造結構(圖 3)(裴先治，2001)。 巴顏喀拉山主峰斷裂在剖面上傾向N，與其N側的多條斷層也呈平行展布(張朝鋒，2019)。 因此，推測江錯斷裂在剖面上也表現(xiàn)為與相鄰斷層呈平行展布的特征，與巴顏喀拉塊體內部其他斷裂以及塊體北部邊界東昆侖斷裂等在剖面上表現(xiàn)為平行展布的逆沖疊瓦構造樣式。

圖3 巴顏喀拉塊體內部及北部邊界斷裂帶(據(jù)裴先治，2001改)Fig. 3 Section of major faults in and around Bayan Har Block(modified after PEI Xian-zhi，2001).Tln 三疊系隆務河群； Tbq 三疊系布青山群； Tby 三疊系巴顏喀拉群； C-P 石炭系-二疊系臺地相厚層塊狀生物碎屑灰?guī)r； OP 蛇綠構造混雜巖； ML 沉積-構造混雜巖； Pt 元古宙變質基底雜巖

江錯斷裂在速度結構剖面上表現(xiàn)為斷穿基底的深大斷裂。 瑪多—共和—雅布賴剖面基底結果顯示(郭文斌等，2016)，江錯斷裂兩側的基底厚度與地殼速度存在明顯差異，斷裂S側的地殼速度偏低，有一明顯的凸起，斷裂N側的地殼速度偏高，基底厚度也相對較深。 從基底結構推測江錯斷裂傾向N，至少斷穿深4km的基底。 瑪多地區(qū)的上地殼厚度為25～28km，從上地殼速度結構(圖 4)來看，江錯斷裂兩側存在明顯的速度變化，在10～17km深度附近，斷裂S側表現(xiàn)為速度約5.80km/s的局部高速異常，而斷裂帶N側則為5.70km/s的正常地殼，顯示江錯斷裂可能向深部至少延伸至約17km。 該區(qū)域的震源深度分布表明，多數(shù)地震都發(fā)生在17km以淺的地殼內，推測該區(qū)域斷層切割到中上地殼約17km深處，并未擴展到地殼深部。 而在17～25km深度范圍內，瑪多地區(qū)表現(xiàn)為巨厚的殼內低速體，也阻擋了斷裂向深部延伸，瑪多上地殼巨厚低速體的頂面可能作為滑脫面，構成了上覆疊瓦狀逆沖斷層體系的底板斷層。 因此，江錯斷裂等可能向深部延伸至約17km深處，并未繼續(xù)向深部擴展，而是統(tǒng)一歸并到逆沖底板斷層，構成如圖 4 所示的疊瓦狀逆沖斷層組合。

圖4 江錯斷裂與鄰近斷裂的組合關系Fig. 4 Structural style of Madoi-Gade Fault and neighboring faults.紅色圓點為玉樹—瑪多測線兩側20km范圍內的地震投影(1964—2021年)

三疊紀內(220～200MaBP)，由于阿尼瑪卿洋盆的斜向俯沖，沿板塊縫合帶發(fā)生左旋走滑，形成巨大的東昆侖走滑斷裂(楊經(jīng)綏等，2005)，斷裂向殼幔深部以中等傾角往N斜向插入200km深處(許志琴等，2001)。 受東昆侖斷裂后期走滑運動的影響，瑪多-甘德斷裂等先存逆沖斷裂也表現(xiàn)出明顯的左旋走滑性質(裴先治，2001； 熊仁偉，2010)。

綜上所述，江錯斷裂在剖面上可能表現(xiàn)為與達日斷裂和瑪多-甘德斷裂等近平行展布的疊瓦式逆沖斷層，向深部可能延伸至約17km深處的低速層頂界面，歸并到疊瓦逆沖體系的底板斷層，與主走滑斷裂——東昆侖斷裂在剖面上共同構成了以東昆侖走滑斷層為主的反向逆沖構造樣式。

4 深部構造背景

瑪多地區(qū)中地殼的深度范圍為28～40km，為一連續(xù)分布的低速層，地殼速度由6.30km/s逐漸降低至約6.10km/s(圖 5)。 該地殼層分隔了上地殼與下部地殼，可能導致了上下構造變形的解耦，并為上地殼的滑脫提供了條件。

瑪多地區(qū)下地殼的埋深為40～65km，地殼速度從6.60km/s升高至莫霍面之上的約7.10km/s，呈正梯度速度結構。 需要指出的是，大致以江錯斷裂為界，S、 N兩側地殼結構存在明顯的橫向差異變化(圖 5)： 斷裂S側的下地殼特征表現(xiàn)為莫霍面下凹，地殼厚度明顯增厚至約70km，而地殼的增厚主要發(fā)生在下地殼； 下地殼存在C4反射界面，將下地殼分隔為上、 下2層，上層地殼的速度較低，僅為6.30km/s，而下層地殼速度為6.60～6.80km/s。 斷裂N側的瑪多地區(qū)的地殼厚度并未發(fā)生明顯增厚，厚約65km，莫霍界面表現(xiàn)為平坦形態(tài)； 更為重要的是，瑪多地區(qū)N側的下地殼不發(fā)育C4界面，下地殼表現(xiàn)為6.60～6.90km/s的高速層，殼內低速體不發(fā)育。 莫壩—貴德地震測深剖面(Zhangetal.，2011)也顯示了斷裂兩側的下地殼存在明顯的速度差異，N側表現(xiàn)為高速穹隆形態(tài)，而S側地殼的速度較低。 嘉世旭等(2017)指出巴顏喀拉塊體S側的下地殼為平均速度6.39km/s的低速結構，而N側為平均速度6.67km/s的類似克拉通塊體下地殼的高速結構。 由此可見，江錯斷裂兩側的下地殼存在明顯的地殼速度與分層結構等差異，N側的平均速度為6.80km/s，為正梯度結構的高速下地殼(HVZ)，而S側的下地殼發(fā)育C4界面，分隔了上層的低速體與下層的正常地殼； 斷裂帶S側40～50km深的下地殼低速體由南向北連續(xù)分布，貫穿羌塘與巴顏喀拉塊體，但該低速體向N尖滅于瑪多地區(qū)附近，在瑪多下方形成了楔狀的下地殼形態(tài)。

圖5 瑪多地區(qū)的地殼速度結構(據(jù)張建獅等，2014改)Fig. 5 Crustal velocity structure of Madoi area(modified after ZHANG Jian-shi et al.，2014).

瑪多地區(qū)的地殼密度結構(類烏齊—玉樹—清水河重力觀測剖面)表現(xiàn)出與上述速度結構一致的特征。 密度結構結果顯示，瑪多地區(qū)中地殼的密度較低，約為2.74g/cm3，低于其余地區(qū)的2.84g/cm3； 巴顏喀拉地塊南部的玉樹地區(qū)下地殼存在低密度層，密度僅為2.02g/cm3，向N逐漸尖滅形成楔狀下地殼，塊體N側的瑪多地區(qū)為高密度下地殼，S、 N兩側下地殼密度結構差異明顯(Yangetal.，2012)。

綜上所述，瑪多地區(qū)中地殼發(fā)育連續(xù)分布的低速層，而下地殼在江錯斷裂附近存在SN向的橫向結構差異，斷裂N側為高速的下地殼，S側則發(fā)育較厚的殼內低速體，向N逐漸尖滅于瑪多地區(qū)附近，形成楔狀地殼結構。

5 深淺構造的關系及地震構造背景探討

巴顏喀拉塊體的莫霍面和下地殼C4界面由南往北逐漸抬升，具有由南往北仰沖的形態(tài)(圖 5)。 Galvé等(2002)和Jiang等(2006)利用人工地震爆破結果揭示了巴顏喀拉塊體地殼明顯厚于北昆侖地殼的現(xiàn)象，提出了巴顏喀拉塊體向N仰沖疊至于北昆侖地殼之上的認識。 因此，巴顏喀拉塊體與北部昆侖塊體的接觸關系表現(xiàn)為巴顏喀拉塊體向N仰沖的特征，而這種向N仰沖的幾何結構為中下地殼軟弱物質的垂向上涌提供了便利條件。

在印度板塊NE向擠壓作用下，巴顏喀拉塊體東部以擠壓變形為主(李海兵等，2021)，巴顏喀拉塊體下地殼的軟弱物質可能在NE向擠壓作用下逐漸向N運移。 而瑪多地區(qū)為下地殼低速與高速的轉換區(qū)域，向N運移的下地殼流遇到高速物質的阻擋，可能沿著C4界面仰沖，向上涌入中上地殼，對上地殼產(chǎn)生擠壓，從而導致上地殼應力集中而發(fā)生地震。 因此，瑪多地區(qū)下地殼物質的擠壓流動和垂向上涌為該地區(qū)地殼的變形提供了深部動力。

瑪多7.4級地震在淺部表現(xiàn)為一次典型的左旋走滑型地震事件(張喆等，2021)。 實質上，瑪多地區(qū)深部物質的擠壓上涌與淺部斷層的走滑運動存在一定聯(lián)系，深部垂向變形可能在一定程度上促進了淺部的水平走滑運動。 覃小鋒(2002)提出了一種走滑剪切與逆沖推覆相互轉換的變形體系，指出深部的逆沖推覆變形可能導致物質的底辟上涌，而物質上升過程中的頂部重力滑脫作用可能導致淺部發(fā)生剪切走滑變形。 張培震等(2013)指出中國大陸地區(qū)的上地殼以脆性變形為主，下地殼以黏塑性流變?yōu)樘卣鳎畈苛髯凃寗又细泊嘈缘貕K的運動。 梁光河(2018，2020)也提出了下部物質的上涌可能導致地殼界面傾斜，而地下流體的潤滑作用會使得上部地殼因重力作用發(fā)生滑脫，從而實現(xiàn)下部垂向變形轉換為上部的水平運動。 因此，深部垂向構造運動可以在一定條件下轉換為淺部的水平運動。 1)瑪多地區(qū)存在下地殼流向N的擠壓以及向上仰沖的幾何結構條件，為下地殼物質的垂向上涌提供了可能。 2)瑪多地區(qū)的中地殼發(fā)育連續(xù)分布的低速體，低速體的成因可能為局部熔融、 巖石脫水等，可以為上部地殼的滑移提供潤滑條件。 因此，瑪多地區(qū)上涌的地殼流物質可能受到中地殼低速體的阻擋，并未繼續(xù)向上運移，而是發(fā)生與走滑斷層走向平行的側向遷移，并進一步驅動了上覆脆性上地殼，使其發(fā)生水平方向的運動。

除了深部物質的上涌造成上地殼應力集中外，斷層之間的相互作用對瑪多地震的影響也不能忽視。 馬玉虎等(2017)指出，東昆侖斷裂帶、 瑪多-甘德斷裂帶和昆侖山口-達日斷裂帶是近平行的3條大斷裂，活動性質均為左旋走滑，由于斷層的相互作用，地震活動也具有一定的關聯(lián)性。 2015年瑪多地區(qū)發(fā)生MS5.2地震，發(fā)震斷層為昆侖山口-達日斷裂帶，該地震可能是主震發(fā)生前的中強地震，推測與昆侖山口-達日斷裂帶平行的斷裂帶發(fā)生強震的可能性增大。 此外，東昆侖斷裂是巨型的走滑斷裂，江錯斷裂等在剖面上表現(xiàn)為歸并到主走滑斷裂上的逆沖斷層，其構造樣式表現(xiàn)為以走滑斷裂為主的反向逆沖斷裂系，而在走滑-擠壓構造域中，地震活動性與和大型走滑斷裂相關的擠壓構造之間存在緊密關系(許志琴等，2004)，這種相鄰的走滑和逆沖斷層的組合分布也有利于斷層之間相互作用的發(fā)生(岳漢等，2008)。 東昆侖走滑斷裂的走滑速率從西向東逐漸減小，逐漸由西部的以走滑分量為主轉變?yōu)闁|部的以逆沖分量為主，逆沖分量導致東昆侖走滑斷裂鄰近的擠壓構造應力增強，為地震的孕育提供了應力集中的條件。 而東昆侖斷裂帶逐漸減小的走滑分量則由與其平行的一系列分支斷裂逐級分擔，并在阿尼瑪卿山地區(qū)形成馬尾狀彌散型變形的邊界斷裂帶(潘家偉等，2021)。 江錯斷裂作為東昆侖斷裂的一條分支斷裂，其左旋走滑運動主要是東昆侖斷裂帶應變分配和運動學調整的結果。 江錯斷裂與東昆侖走滑斷裂構成了以走滑為主的反向逆沖斷層構造樣式，一方面這樣的構造樣式有利于走滑斷層鄰近的逆沖斷裂帶擠壓構造應力增強，另一方面江錯斷裂作為東昆侖斷裂分支斷裂，承擔了其走滑分量，發(fā)生左旋走滑運動并導致此次瑪多地震的發(fā)生。

高翔(2012)指出走滑型地震的形成包括2個階段： 樞紐運動階段以垂直運動為主，孕育地震； 大滑移階段以水平運動為主，發(fā)生地震。 因此，此次瑪多7.4級地震的產(chǎn)生，是深部地殼軟弱物質擠壓流動與垂向上涌變形以及淺部地殼水平運動共同作用的產(chǎn)物(圖 6)： 中下地殼物質受區(qū)域擠壓作用的影響，以NE—NEE方向向瑪多地區(qū)流動或蠕動，受瑪多下地殼高速物質的阻擋而發(fā)生垂向上涌，而物質上涌導致瑪多地區(qū)上地殼應力的集中，為地震的孕育提供了動力； 瑪多地區(qū)上地殼特殊的分層結構和局部的高速體異常，為瑪多地震的孕育提供了介質條件； 江錯斷裂受東昆侖斷裂走滑運動的影響產(chǎn)生一定的左旋走滑變形，此外，下地殼流上涌并沿走滑斷層走向發(fā)生側向遷移，也可能在一定程度上促使上地殼發(fā)生NW-SE向的水平運動，從而促進了瑪多地震的發(fā)生。 而中上地殼低速體由于局部熔融或巖石脫水為上地殼的運動提供了潤滑，作為滑脫層為上地殼的滑動提供了必備條件； 另一方面，中上地殼的低速體又阻擋了地震發(fā)生后破裂的向下傳播，使其終止于中上地殼內，也使得該地區(qū)的余震主要集中在上地殼內部。

圖6 2021年5月22日瑪多MS7.4地震發(fā)震構造示意圖Fig. 6 Seismotectonic model of the 2021-05-22 Modoi earthquake.紅色圓點為玉樹—瑪多測線兩側20km范圍內的地震投影(1964—2021年)

6 結論

本文利用人工地震測深的速度結構模型結果，對瑪多地區(qū)深部構造特征進行了解釋，針對MS7.4瑪多地震的孕育和發(fā)生取得了如下認識：

(1)瑪多地區(qū)的上地殼大致以17km深度為界分為上、 下2層，下層低速體為上層脆性變形的應變能積累提供了條件。 瑪多地震的震源位于上地殼高速異常體的邊緣，符合中國大陸高震級地震的發(fā)震介質條件。 瑪多地區(qū)特殊的上地殼分層結構以及橫向上局部高速體異常為瑪多MS7.4地震的孕育提供了良好的介質條件。

(2)瑪多以南地區(qū)的下地殼發(fā)育巨厚的低速體，呈楔狀向N逐漸尖滅于瑪多地區(qū)，結合重力反演密度結構和地殼S波分裂結果等推測，該地區(qū)存在向NE運動的下地殼流。 受到瑪多下地殼高速體的阻擋，該地殼流沿著下地殼的C4界面發(fā)生垂向上涌，使瑪多地區(qū)的上地殼出現(xiàn)應力集中。 因此，瑪多地區(qū)下地殼流的垂向上涌可能為瑪多MS7.4地震的孕育提供了動力條件。

(3)瑪多地震的發(fā)震斷裂——江錯斷裂與東昆侖走滑斷裂構成了以走滑為主的反向逆沖斷層構造樣式，其左旋走滑水平運動是東昆侖斷裂帶應變分配和運動學調整的結果。 此外，下地殼流的垂向上涌也可能導致上覆地殼發(fā)生水平運動。 因此，瑪多地震的發(fā)生可能與東昆侖斷裂的走滑和下地殼流上涌導致的水平滑移有關。

(4)通過對走滑型地震孕育和發(fā)生條件的分析，認為瑪多MS7.4地震的形成與瑪多地區(qū)特殊的上地殼介質條件、 中下地殼軟弱物質的擠壓流動和垂向上涌以及東昆侖斷裂的左旋走滑密切相關。

致謝審稿專家為本文提出了建設性的修改意見與建議； 段永紅研究員、 張博博士對本文工作進行了有益探討。 在此一并表示感謝!