2022年青海門源M S6.9地震震源機(jī)制解＊

韓立波

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081）

引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)正式測(cè)定，2022年1月8日1時(shí)45分，青海海北州門源縣發(fā)生了MS6.9地震（37.77°N，101.26°E），震源深度10 km。這次地震是該地區(qū)近年來(lái)最大的一次地震，包括寧夏銀川市、中衛(wèi)市及甘肅蘭州市在內(nèi)的多個(gè)城市震感強(qiáng)烈，該地區(qū)歷史上強(qiáng)震頻發(fā)，青藏高原東北緣歷史上發(fā)生過多次7級(jí)以上的地震，其中1920年以來(lái)發(fā)生過3次7.5級(jí)以上的大地震，包括1920年海原M8.5地震、1927年古浪M8.0地震和1932年昌馬M7.6地震，它們分別沿海原斷裂、冷龍嶺斷裂和昌馬斷裂產(chǎn)生了顯著的地震地表破裂帶。新中國(guó)成立以來(lái)，在這一地區(qū)附近曾發(fā)生過1954年山丹M7.2地震，1986年門源M6.4地震，2016年門源再次發(fā)生M6.4地震，該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性也引起社會(huì)公眾和地震工作者的廣泛關(guān)注。

在區(qū)域構(gòu)造位置上，此次門源MS6.9地震發(fā)生在青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂、托萊山斷裂和肅南—祁連斷裂的階區(qū)部位，構(gòu)造較為復(fù)雜（圖1）。本文利用CAP方法反演了主震震源機(jī)制解和震源深度，依據(jù)這些結(jié)果討論了該地區(qū)的活動(dòng)構(gòu)造特征，并指出其對(duì)于認(rèn)識(shí)該地區(qū)地震危險(xiǎn)性的潛在意義。

圖1 區(qū)域構(gòu)造背景圖Fig.1 Tectonic settingsof the study region

1 方法

1.1 震源機(jī)制解反演

本文利用CAP方法[2-3]進(jìn)行震源機(jī)制解反演，其主要思想是利用近震數(shù)據(jù)，把寬頻帶數(shù)字波形記錄分為體波部分（Pnl）和面波部分，分別計(jì)算它們的理論地震圖和實(shí)際觀測(cè)波形的目標(biāo)誤差函數(shù)，在給定參數(shù)空間中進(jìn)行網(wǎng)格搜索，同時(shí)反演震源機(jī)制解和震源深度。

考慮到因幾何擴(kuò)散產(chǎn)生的衰減對(duì)波形的影響，使用經(jīng)震中距矯正后的絕對(duì)誤差值作為目標(biāo)誤差函數(shù)，定義為：

式中，r為震中距，r0為選定的參考震中距，p為比例因子，用以保障震中距r處的權(quán)重與r0相當(dāng)?；谒x的目標(biāo)誤差函數(shù)，采用網(wǎng)格搜索的方法在M0、θ?φ、δ、λ以及震源深度空間進(jìn)行搜索，得到最佳的震源機(jī)制解、矩震級(jí)和震源深度。

前人的研究結(jié)果表明，CAP方法在反演震源機(jī)制解和確定震源深度上優(yōu)勢(shì)較為明顯[4-5]。

1.2 理論地震圖計(jì)算

在計(jì)算理論地震圖時(shí)，這里采用了目前廣泛使用的頻率—波數(shù)（F-K）法[6]。F-K法適用于水平分層地殼模型，通過對(duì)頻率和波數(shù)分別進(jìn)行積分，采用傳播矩陣計(jì)算地震的全波場(chǎng)位移分布，能夠計(jì)算各種頻率下包含了體波和面波波形等成分的全部波形。速度結(jié)構(gòu)模型使用了Crust 2.0（http://igppweb.ucsd.edu/~gabi/crust2.html）。

1.3 數(shù)據(jù)資料處理

本文使用了國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心[7]提供的青海、甘肅等區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的寬頻帶數(shù)字地震波形記錄。按照方位角覆蓋及信噪比的要求，挑選出寬頻帶地震臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，圖1給出了臺(tái)站的分布。

對(duì)挑選出的寬頻帶數(shù)據(jù)首先去除儀器響應(yīng)，并旋轉(zhuǎn)至大圓路徑。然后對(duì)波形中Pnl部分和面波部分使用帶寬為0.02—0.05 Hz的帶通濾波器進(jìn)行濾波。這些頻帶在美國(guó)南加州震源機(jī)制解研究中采用，適合三維結(jié)構(gòu)并不十分復(fù)雜的情形；而Pnl和面波的相對(duì)權(quán)重為2:1，一些研究表明這樣的權(quán)重可以較好兼顧Pnl和面波的優(yōu)點(diǎn)。相應(yīng)地，采用相同的濾波參數(shù)，對(duì)計(jì)算得到的理論地震圖進(jìn)行濾波。

2 結(jié)果

2.1 震源持續(xù)時(shí)間反演結(jié)果

反演過程中考慮到主震震級(jí)較大，部分震中距較小臺(tái)站存在顯著的限幅，數(shù)據(jù)處理過程中仔細(xì)去除了限幅臺(tái)站。為了確定本次根據(jù)公式（1）給出的誤差目標(biāo)函數(shù)，在參數(shù)全空間范圍內(nèi)搜索最佳震源機(jī)制解、震源深度和矩震級(jí)。對(duì)于中強(qiáng)地震，由于其震源較為復(fù)雜，其震源破裂往往持續(xù)一定時(shí)間，稱為震源持續(xù)時(shí)間，與破裂尺度和破裂速度相關(guān)。為了獲得最佳震源持續(xù)時(shí)間，我們還搜索了不同震源持續(xù)時(shí)間的擬合誤差。圖2給出了反演擬合誤差隨著震源持續(xù)時(shí)間變化的結(jié)果，在震源持續(xù)時(shí)間過大或者過小時(shí)，誤差均顯著增加，當(dāng)震源持續(xù)時(shí)間為7.3 s時(shí)，擬合誤差最小。

圖2 誤差隨著震源持續(xù)時(shí)間變化搜索結(jié)果圖Fig.2 Waveform fit errors as function of source duration time in 2022 Menyuan M S6.9 event moment-tensor inversion

2.2 震源機(jī)制解反演結(jié)果

我們選用震源持續(xù)時(shí)間為7.3 s，圖3給出了觀測(cè)波形與理論波形擬合誤差隨深度的分布，當(dāng)?shù)卣鹫鹪瓷疃葹? km時(shí)，擬合誤差達(dá)到最小，據(jù)此得到最佳地震震源深度為3 km，此時(shí)對(duì)應(yīng)的雙力偶解即為最佳雙力偶解。其中，主震最佳雙力偶解為節(jié)面Ⅰ：走向191°、傾角62°、滑動(dòng)角173°；節(jié)面Ⅱ：走向284°、傾角82°、滑動(dòng)角21°。此外，反演得到的矩震級(jí)為Mw6.7。由圖3還可看出，隨著震源深度的改變，震源機(jī)制解變化并不顯著，說(shuō)明反演得到的震源機(jī)制解較為穩(wěn)定。

圖3 門源M S6.9地震矩張量反演中波形擬合誤差隨深度變化Fig.3 Waveform fit errors as function of depth in 2022 Menyuan M S6.9 event moment-tensor inversion

圖4給出了本次地震理論波形與觀測(cè)波形的擬合情況，大部分臺(tái)站各震相擬合效果較好。由于數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量差或區(qū)域地殼速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，簡(jiǎn)單的一維速度結(jié)構(gòu)模型在反演中不能完全適用，部分臺(tái)站或部分分量的波形擬合情況可能較差。為避免此類數(shù)據(jù)參與計(jì)算影響結(jié)果的可靠性，反演中未予使用。同時(shí)部分臺(tái)陣的面波也由于限幅未參與反演。

圖4 門源M S6.9地震矩張量反演理論地震波形（紅色）與實(shí)際觀測(cè)地震波形（黑色）波形圖。下方第一行數(shù)字為各段理論地震波形相對(duì)實(shí)際觀測(cè)波形的移動(dòng)時(shí)間，正值表示理論波形相對(duì)觀測(cè)波形超前。第二行數(shù)字為理論波形與觀測(cè)波形的相關(guān)系數(shù)（百分比）。波形圖左側(cè)字母為臺(tái)站，其下數(shù)字分別為臺(tái)站震中距（km）以及理論地震圖相對(duì)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)整體移動(dòng)時(shí)間。震源球上黑色區(qū)域代表壓縮區(qū)，白色代表拉張區(qū)，紅色十字符號(hào)代表臺(tái)站。震源球采用下半球投影Fig.4 Comparison between synthetic（red）and observed （black）seismograms of 2022 Menyuan M S6.9 event.The numbers on the lower left side of the seismograms are the time shifts（upper）and cross-correlation coefficient in percent （lower）.Positive time shiftsmean that the observed data have been delayed.Theletters on the left side arestations，below which thenumbers are epicentral distances and time shifts between synthetics and the observed data.The black color in beach-ball denotes compression，while white color isextension.The red crosses are stations.Lower hemisphere projection is used

3 討論與結(jié)論

本文利用CAP方法反演了2022年青海門源MS6.9地震震源機(jī)制解，結(jié)果表明，本次地震為走滑型，這一結(jié)果與其他結(jié)果接近。Fan等[8]對(duì)主震后三天的余震進(jìn)行了精定位，結(jié)果顯示余震序列分東西兩段，西段走向近90°，東段走向133°左右，推測(cè)余震序列西段位于托萊山斷裂，東段位于冷龍嶺斷裂，本次地震發(fā)生在托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂交匯部位。前人認(rèn)為冷龍嶺斷裂帶全新世活動(dòng)強(qiáng)烈，晚第四紀(jì)主要表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng)[9-13]，震源機(jī)制解的性質(zhì)與冷龍嶺斷層活動(dòng)性質(zhì)吻合。震源機(jī)制解的節(jié)面Ⅰ走向也與余震序列的東段走向接近，因此，本次地震為冷龍嶺斷裂活動(dòng)所致。值得注意的是，該地區(qū)1986年8月26日和2016年1月21日發(fā)生了2次M6.4地震，根據(jù)前人研究，1986年和2016年2次地震震源機(jī)制解為逆沖型震源機(jī)制解（https://www.globalcmt.org/）[14]。本次地震與1986年和2016年2次地震震源機(jī)制解差異較大，可能是因?yàn)楸敬蔚卣鸢l(fā)生在冷龍嶺斷裂上，而前2次M6.4地震發(fā)生在冷龍嶺北側(cè)斷裂上[15-16]，冷龍嶺斷裂以走滑運(yùn)動(dòng)為主，冷龍嶺北側(cè)斷裂是冷龍嶺斷裂西北端一條伴生斷裂，在地表表現(xiàn)為一條晚第四紀(jì)變形不明顯的逆斷裂，這也說(shuō)明了該地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜。

本次地震震源深度為3 km左右，相對(duì)較淺。李振洪等[17]采用InSAR技術(shù)獲取了同震地表形變場(chǎng)，并基于分布式滑動(dòng)模型反演了地震斷層面上的滑動(dòng)分布，發(fā)現(xiàn)本次地震發(fā)震斷層的最大滑動(dòng)值達(dá)到3.5 m，處于地下4 km左右。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察，本次地震地表破裂帶可能長(zhǎng)達(dá)22 km[18]，這對(duì)于如此震級(jí)的地震來(lái)說(shuō)，是極為顯著的。相對(duì)而言，例如2013年蘆山M7.0地震矩震級(jí)為MW6.7，2017年九寨溝地震矩震級(jí)也為MW6.7，均未發(fā)現(xiàn)顯著的地表破裂。動(dòng)力學(xué)模擬表明，地表破裂模式受多種因素影響，例如受震源位置影響，也就是受斷層帶上非均勻的應(yīng)力場(chǎng)分布影響[19]，因此，這些地震盡管震級(jí)接近，但發(fā)生在不同的震源位置，且本次地震震源深度也較淺，其斷層面上應(yīng)力場(chǎng)分布也不同，這些均可能造成地表破裂差異較大。

冷龍嶺、金強(qiáng)河、毛毛山、老虎山斷裂所在的區(qū)段是祁連—海原斷裂帶的地震空區(qū)（天祝地震空區(qū)）[20]，該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性長(zhǎng)期受到關(guān)注。朱琳等[21]基于分層黏彈性流變模型計(jì)算了青藏高原北部1900年以來(lái)的強(qiáng)震對(duì)祁連—海原斷裂帶的庫(kù)侖應(yīng)力加載，結(jié)果顯示，祁連—海原斷裂帶西段木里江倉(cāng)斷裂和托萊山斷裂以及中段的金強(qiáng)河—老虎山斷裂應(yīng)力增強(qiáng)顯著，最大庫(kù)侖應(yīng)力加載可達(dá)1 MPa以上。因此，該區(qū)域未來(lái)地震危險(xiǎn)性高，值得進(jìn)一步關(guān)注。

致謝

中國(guó)地震局地球物理研究所“國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本研究提供了地震波形數(shù)據(jù)。