2022年門源MS6.9地震震區(qū)三維速度與發(fā)震機(jī)制研究

尹欣欣, 邱江濤, 李敏娟, 許康生, 張 波, 張勝霞

(1. 甘肅蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 甘肅 蘭州 730000;2. 甘肅省地震局, 甘肅 蘭州 730000;3. 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心, 陜西 西安 710054)

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心正式測(cè)定,2022年1月8日1時(shí)13分(北京時(shí)間)在青海海北州門源縣(37.77°N,101.26°E)發(fā)生了MS6.9地震,震源深度10 km。自主震發(fā)生后截止到1月10日,此次地震共造成了青海海北州門源、祁連、剛察縣共1 662戶5 831人受災(zāi),受傷9人,損壞房屋4 052間。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查隊(duì)報(bào)告,門源MS6.9地震形成了長(zhǎng)約22 km長(zhǎng)度的地表破裂帶。雖然震中人口密度低、人員稀疏,但位于震中村落房屋受損較為嚴(yán)重:甘肅省永昌縣距震中80 km,有149戶受災(zāi),受災(zāi)人數(shù)為502人,一般損壞房屋為296間,個(gè)別牲畜棚圈倒塌;在永昌縣,地震造成的直接損失達(dá)232.3萬(wàn)元。地震造成多條鐵路停運(yùn),其中,蘭新高鐵浩門至軍馬場(chǎng)路段,隧道和線路設(shè)施受到嚴(yán)重的損壞,導(dǎo)致蘭新高鐵長(zhǎng)期中斷運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)烈度評(píng)估報(bào)告結(jié)果,地震最高烈度為Ⅸ度(9度)(https://t.ynet.cn/baijia/32080013.html)。此次門源地震序列較為復(fù)雜,呈分段性質(zhì),西段沿托萊山斷裂展布,而東段卻與冷龍嶺斷裂很好的重合,主震位置位于托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂相接之處,屬于應(yīng)力集中點(diǎn)[1]。

強(qiáng)震的發(fā)展和發(fā)生涉及地球內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)或構(gòu)造運(yùn)動(dòng),其產(chǎn)狀與地殼和上地幔的深部結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和動(dòng)力環(huán)境密切相關(guān)。地殼的速度結(jié)構(gòu)是反映地殼介質(zhì)性質(zhì)的重要參數(shù),與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的三維速度結(jié)構(gòu)的特征提供了有關(guān)地震位置和震源介質(zhì)的重要信息。結(jié)合地震活動(dòng)的空間分布,速度結(jié)構(gòu)是理解地震發(fā)生環(huán)境和機(jī)制的重要依據(jù)。此次門源地震的走滑性質(zhì)與2016年1月21日的門源MS6.4地震的逆沖性質(zhì)截然不同,序列拓展體現(xiàn)了一定的復(fù)雜性,為后續(xù)地震危險(xiǎn)性分析造成了很大困難。部分學(xué)者認(rèn)為2016年門源地震的發(fā)震斷裂為冷龍嶺斷裂在青藏高原北東向拓展過(guò)程中產(chǎn)生的伴生斷裂,表現(xiàn)出逆沖特征,是青藏高原北東向拓展過(guò)程中的一次地震事件[2-3]。為深入探討門源地區(qū)的深部孕震環(huán)境,本文使用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的地震觀測(cè)報(bào)告,選取(36°～39°N,101°～104°E)范圍的地震事件作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用雙差成像方法[4]進(jìn)行了精定位與層析成像處理,對(duì)2022年1月8日門源MS6.9地震進(jìn)行案例研究。

1 區(qū)域背景構(gòu)造簡(jiǎn)介

2022年1月8日門源MS6.9地震震中位置處于青藏高原一級(jí)地塊和阿拉善一級(jí)地塊過(guò)渡區(qū),過(guò)渡區(qū)主要發(fā)育祁連山—河西走廊活動(dòng)斷裂系(圖1)?；顒?dòng)斷裂由南至北大體分為四個(gè)區(qū)塊:一為高原內(nèi)部斷裂系,如走向NNW的日月山斷裂;二為祁連山北緣斷裂系,包括大型海原斷裂(托萊山斷裂段、冷龍嶺斷裂段、金強(qiáng)河斷裂段)及其南北側(cè)擴(kuò)展斷裂系(如門源盆地北緣斷裂、民樂—大馬營(yíng)斷裂、皇城—雙塔斷裂等);三為河西走廊內(nèi)部斷裂系,如民樂—永昌斷裂、武威盆地南緣斷裂、榆木山東緣斷裂等;四為走廊北側(cè)的阿拉善南緣斷裂系,如龍首山南緣斷裂、龍首山北緣斷裂、河西堡斷裂等。區(qū)域破壞性歷史地震和現(xiàn)代中強(qiáng)震密集,主要發(fā)生在冷龍嶺斷裂沿線及其北擴(kuò)斷裂系、河西走廊內(nèi)部斷裂系和阿拉善南緣斷裂系(圖1)。區(qū)域內(nèi)強(qiáng)震主要包括1927年古浪8級(jí)地震、1954年山丹7級(jí)地震、1986年門源6.5級(jí)地震、2003年民樂—山丹6.1級(jí)、2016年門源6.4級(jí)地震等。現(xiàn)代小震表現(xiàn)為叢集分布,在冷龍嶺、龍首山東段尤為密集;現(xiàn)代強(qiáng)震也伴生較小的地震密集區(qū),如2003年民樂—山丹6.1級(jí)地震、2016年門源6.4級(jí)地震等[5]。

F1: 日月山斷裂;F2: 達(dá)板山斷裂;F3: 木里—江倉(cāng)斷裂;F4: 大通山北緣斷裂;F5: 門源盆地北緣斷裂;F6: 馬牙雪山斷裂;F7: 金強(qiáng)河斷裂;F8: 冷龍嶺斷裂;F9: 托萊山斷裂;F10: 肅南—祁連斷裂;F11: 祁連山北緣斷裂;F12: 榆木山東緣斷裂;F13: 民樂—大馬營(yíng)斷裂;F14: 皇城—雙塔斷裂;F15: 民樂—永昌斷裂;F16: 武威盆地南緣斷裂;F17: 龍首山南緣斷裂;F18: 河西堡斷裂;F19: 龍首山北緣斷裂;F20: 天橋溝—黃羊川斷裂圖1 門源地震的區(qū)域構(gòu)造背景Fig.1 Tectonic setting of Menyuan earthquake

震中附近的活動(dòng)斷裂主要為海原斷裂冷龍嶺段(F8)、海原斷裂托萊山段(F9)、肅南—祁連斷裂(F10)、門源盆地北緣斷裂(F5)、民樂—大馬營(yíng)斷裂(F13)、皇城—雙塔斷裂(F14)等。門源地震的震中位于海原斷裂冷龍嶺段、托萊山段、肅南—祁連斷裂的交點(diǎn)附近,海原斷裂冷龍嶺段、托萊山段均為全新世活動(dòng)斷裂,運(yùn)動(dòng)性質(zhì)以左旋走滑為主,兩段之間呈左階拐彎;肅南—祁連斷裂為晚更新世活動(dòng)斷裂,運(yùn)動(dòng)性質(zhì)以逆斷為主,斷裂傾向南西;門源斷裂可能為全新世活動(dòng)斷裂,活動(dòng)性質(zhì)兼具左旋走滑和逆沖分量;民樂—大馬營(yíng)斷裂為全新世活動(dòng)斷裂,逆斷分量顯著[6]。

2 數(shù)據(jù)介紹

本研究收集了青海、甘肅、四川、陜西等省區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)2009年1月至2022年2月的地震觀測(cè)資料,這些震相報(bào)告所使用的臺(tái)站主要為各省固定數(shù)字測(cè)震地震臺(tái)站,另外有少許流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站,臺(tái)站儀器以寬頻帶為主,型號(hào)包括BBVS-60、CMG-3ESPC、KS-2000等,采樣率為100 Hz。門源地震區(qū)及其周邊地震臺(tái)站分布密集,覆蓋研究區(qū)方位角范圍大。這確保了地震序列目錄的完整性,以及射線交叉點(diǎn)的密度和成像數(shù)據(jù)反演的可靠性。截止到2022年2月8日,中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心人工編目余震共計(jì)3 709次,單臺(tái)事件2 690次,最少臺(tái)站記錄4個(gè)以上地震事件727次,其中有兩次5級(jí)以上余震事件,分別是1月8日2時(shí)9分MS5.1以及1月12日18時(shí)20分MS5.2地震,MS≥3.0地震一共13次。為了保證足夠的地震事件數(shù),本文從中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心下載了門源地震及周邊(36°～39°N,100°～103°E)范圍內(nèi)2009年1月1日—2022年2月8日之間的地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)報(bào)告。為了保證地震震中位置的可靠性,選取最小臺(tái)站記錄數(shù)為4,按照如上挑選條件共下載地震事件14 639次,震級(jí)范圍M0.3～M6.9,原始震源深度分布范圍0～30 km。另外由于研究區(qū)屬于青海、甘肅交界處,按照中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心工作規(guī)定,兩省地震臺(tái)網(wǎng)都需要進(jìn)行地震編目分析,因此直接導(dǎo)出的地震目錄中摻雜著重復(fù)地震目錄,為確保數(shù)據(jù)唯一性,本文首先去除了不同臺(tái)網(wǎng)間記錄的邊界上重復(fù)地震事件,在去重復(fù)地震事件的處理上以地震位置所在省份為準(zhǔn),只保留各臺(tái)網(wǎng)給出的自己省份地震事件,地震震中分布以及時(shí)間分布如圖2所示。

圖2 地震臺(tái)網(wǎng)目錄震中時(shí)間空間分布Fig.2 Temporal and spatial distribution of epicenters in catalogue of seismic network

在震相數(shù)據(jù)制作過(guò)程中,由于用于反演的地震震相準(zhǔn)確性直接關(guān)系到反演結(jié)果的好壞,本文為嚴(yán)格挑選地震震相,設(shè)定了震中距500 km為距離閾值,且走時(shí)不超過(guò)綠色實(shí)線限制內(nèi)的震相,最終得到P波震相為97 504個(gè),S波震相86 469個(gè),具體分布如圖3所示。

圖3 本文所使用P、S震相數(shù)據(jù)Fig.3 P- and S- seismic phase data used in this paper

3 研究區(qū)地震重定位與三維速度反演

3.1 雙差成像方法介紹

本研究獲取地震相對(duì)定位結(jié)果所采用的TomoDD方法目前已在各個(gè)研究區(qū)域得到廣泛應(yīng)用并獲得了眾多研究成果[4,7]。該方法由于結(jié)合了雙差地震定位(hypoDD)[8]和地震層析成像[4]兩種理論,通過(guò)三維速度結(jié)構(gòu)與地震定位的聯(lián)合反演迭代,相比傳統(tǒng)的絕對(duì)地震定位法可得到更精準(zhǔn)的震源位置[7]。與其他層析反演方法不同,TomoDD使用P波和S波的絕對(duì)走時(shí)和相對(duì)走時(shí),確保了震源參數(shù)確定的高精度。TomoDD的基本思想是一對(duì)事件之間的震源距離小于事件站距離。考慮到給定站點(diǎn)的每對(duì)事件,TomoDD最小化觀察到的和預(yù)測(cè)的走時(shí)之間的殘差,迭代求解震源之間的相對(duì)位置向量。TomoDD算法使用偽彎曲射線追蹤理論來(lái)計(jì)算事件和站點(diǎn)之間的射線路徑,反演過(guò)程使用可變加權(quán)過(guò)程。第一次反演是通過(guò)在絕對(duì)走時(shí)上放置一個(gè)大權(quán)重(1.0)和在相對(duì)走時(shí)上放置一個(gè)小權(quán)重(0.1)來(lái)執(zhí)行的。獲得的模型再用作第二次反演的輸入,其中相對(duì)走時(shí)此時(shí)具有較大的權(quán)重(1.0),而絕對(duì)走時(shí)受到時(shí)間懲罰權(quán)重降低(0.1)。生成的模型將作為反演最后一步的輸入。絕對(duì)走時(shí)和微分時(shí)間(CTDT)結(jié)合并同時(shí)使用TomoDD在迭代最小二乘程序中反演,該程序利用LSQR方法。

(1)

(2)

根據(jù)式(2)可以得到地震震中附近小尺度范圍的速度結(jié)構(gòu)以及相對(duì)震源位置。對(duì)地震事件的配對(duì)是使用ph2dt方法來(lái)確定的,該方法主要最用近鄰方法來(lái)確定地震對(duì)[7]。在執(zhí)行地震配對(duì)過(guò)程中,本研究設(shè)定震中間距50 km作為事件對(duì)的遴選閾值。此外,設(shè)定單一地震事件最多可與10個(gè)地震組成相應(yīng)的地震對(duì)。對(duì)地震定位與成像研究區(qū)(100.00°～103.00°E,36.00°～39.00°N)的14 869個(gè)地震事件,經(jīng)過(guò)配對(duì)后共得到14 665次地震事件,以及279 875對(duì)P波震相資料、265 983對(duì)S波震相數(shù)據(jù)。完成地震配對(duì)后本文再利用TomoDD方法進(jìn)行層析成像以及地震重定位處理,最終獲得14 024個(gè)地震事件的重定位結(jié)果。

3.2 速度模型以及參數(shù)選取

地震定位以及速度模型的反演對(duì)初始速度模型的準(zhǔn)確度要求較高,有良好的初始速度模型,可以令反演更快地收斂并更容易找到準(zhǔn)確結(jié)果。門源地區(qū)地震頻繁,前人研究成果較多可供參考,因此在速度模型選取中,本文參考前人結(jié)果[7,9]并多次試錯(cuò)后,根據(jù)棋盤格測(cè)試速度模型恢復(fù)程度來(lái)作為判斷依據(jù),最終選取一維速度模型如表1所列。

表1 本文所用速度模型結(jié)構(gòu)

在反演過(guò)程中,對(duì)于數(shù)據(jù)量較小的計(jì)算通常采用阻尼 LSQR 算法(最小二乘 QR 因子分解)來(lái)解決帶有阻尼的最小二乘問題?？傋邥r(shí)殘差的L2范數(shù)被用作迭代和求解方程的目標(biāo)函數(shù)。在成像過(guò)程中,慢度的變化受平滑因子的約束,而地震位置和慢度的變化受阻尼因子的約束。由于反演結(jié)果的穩(wěn)定性很大程度上取決于平滑和阻尼因子的大小,因此在反演前檢查阻尼和平滑因子的選擇尤為重要。與速度模型一樣,本文在參考前人研究結(jié)果后,經(jīng)過(guò)多次嘗試,最終確定阻尼和平滑因子分別為400和15。

門源地區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu),已經(jīng)有不少前人研究結(jié)果,但分辨率較低,本文為提高分辨率,得到更精確的三維速度結(jié)果,將主要反演區(qū)域設(shè)定為(37.5°～38.0°N,101.1°～101.8°E,以下簡(jiǎn)稱研究區(qū)),節(jié)點(diǎn)設(shè)置為0.1°,即每隔0.1°設(shè)立一個(gè)反演網(wǎng)格。

3.3 地震重定位結(jié)果

地震臺(tái)網(wǎng)在做地震編目時(shí),采取了多種定位方法,如單純型、hypoSAT定位方法等,最終給出的地震目錄震源位置尤其是深度上存在著較大的誤差[10],通常會(huì)采取一些地震精定位的方法來(lái)減小定位誤差,本文為提高地震定位精度以及反演區(qū)域速度模型,使用了Zhang和Thurber[4]提出的雙差層析成像(TomoDD)方法對(duì)2009年1月1日—2022年2月8日之間的門源及周邊地區(qū)地震事件進(jìn)行了精定位處理。最終重定位的地震震中與深度分布如圖4所示。重定位后,最終獲得14 024個(gè)地震事件,空間分布相對(duì)于原始地震目錄分布地震更加集中,與斷層相關(guān)性更高。2016年門源MS6.4地震(37.66°N,101.62°E)的深度為9.1 km,與前人研究結(jié)果一致[11],2022年門源MS6.9地震的震源深度為13.3 km,震中位置為(37.76°N,101.25°E);重定位地震目錄的深度分布圖4(c)比原始地震目錄圖4(b)更趨于均勻以及正態(tài)分布,主要集中在5～15 km,反映出門源及周邊地區(qū)的地震震源深度較淺;10 km左右的地震分布最多,說(shuō)明該深度可能為門源及周邊地區(qū)的主要孕震區(qū)。

圖4 反演前后震中分布與震源深度對(duì)比Fig.4 Comparison of epicenter distribution and focal depth before and after inversion

3.4 合成棋盤格測(cè)試

地震震相分析中,由于S波出現(xiàn)在P波之后,往往受尾波疊加干擾導(dǎo)致震相拾取準(zhǔn)確率較低,因此在成像部分我們只討論P(yáng)波成像結(jié)果。我們根據(jù)之前TomoDD研究中常使用的合成棋盤測(cè)試的分辨率估計(jì)來(lái)評(píng)估最終模型的分辨率。在本文研究中,P初始模型的速度受到±5%的擾動(dòng),并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上交替。最終深度切片的合成棋盤格測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 研究區(qū)棋盤格測(cè)試結(jié)果Fig.5 Chessboard test results of study area

在合成棋盤分辨率測(cè)試中,我們?cè)O(shè)定交替節(jié)點(diǎn)處的地震速度變化為初始輸入速度的±5%。另外將高斯噪聲添加到走時(shí)選擇上—在P波上添加了0.08 s。分辨率最高的切片包括5～20 km深度范圍,大約80%以上的棋盤格被恢復(fù),25 km深度處的棋盤格測(cè)試恢復(fù)度大概在30%左右。在模型的較淺部分(0 km)以及較深部分(25 km以下)觀察到大片“花狀”,說(shuō)明速度擾動(dòng)沒有很好地恢復(fù),這主要是由于地表復(fù)雜的地形以及地震在地表和25 km以下分布較少,導(dǎo)致速度擾動(dòng)恢復(fù)度差。根據(jù)棋盤格測(cè)試結(jié)果,本文只討論5～25 km的成像結(jié)果。

3.5 三維速度結(jié)果分析與討論

本文在反演過(guò)后得到了P、S波的成像結(jié)果,總體上P、S波成像結(jié)果比較一致,但在局部小范圍內(nèi)有所差異,S波的棋盤格恢復(fù)度相對(duì)于P波來(lái)說(shuō)較差,因此,為充分認(rèn)識(shí)門源主震區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu)與發(fā)震機(jī)理,本文只討論震相識(shí)別準(zhǔn)確率較高的P波成像結(jié)果,從P波水平成像結(jié)果(圖6)上看,研究區(qū)具有明顯的水平不均勻性以及垂向不均勻性,這充分反映了研究區(qū)強(qiáng)烈的速度結(jié)構(gòu)不均勻性容易產(chǎn)生地震的構(gòu)造現(xiàn)象。為查看研究區(qū)的連續(xù)深度速度結(jié)構(gòu)變化,本文分別在2016年門源地震以及2022年門源地震主震位置做了兩條沿經(jīng)度和緯度的深度剖面(圖7),剖面的水平位置為圖6中紅色虛線所示。

(黃色☆為2016年門源6.4地震,AA′、BB′、EE′為2016門源地震主震處的深度剖面;紅色☆為2022年門源6.9地震,CC′、DD′、FF′為2022門源地震主震處的深度剖面)圖7 P波剖面成像結(jié)果Fig.7 P-wave profile imaging results

如圖6顯示,2016年門源MS6.4以及2022年門源MS6.9地震都發(fā)生在長(zhǎng)約40 km寬約20 km的高速體邊緣,與前人研究結(jié)果相一致[7],其中2016年地震位于高速體的東端,2022年門源地震位于更深處的高速體西端末梢位置,在15 km深度,高速異常體面積大為減小,說(shuō)明10～15 km中間是分界面,可能為滑脫層。10 km深度處的冷龍嶺斷裂以及門源盆地北緣斷裂與該高速異常體近乎平行,可能為主導(dǎo)門源地區(qū)地震的高速異常體,受青藏高原地塊整體構(gòu)造向北東擠壓的大應(yīng)力環(huán)境,高速異常體向北東方向擠壓,但受到研究區(qū)東北角的高速堅(jiān)硬物質(zhì)阻擋,導(dǎo)致高速異常體往深部插入[圖7(a)],因而造成東北的斷層上盤上升,產(chǎn)生了2016年逆沖性質(zhì)的門源MS6.4地震。2022年門源地震余震最東端為101.53°E,離2016年門源主震(101.62°E)仍相隔約10 km,并沒有引起2016年主震位置處的破裂,這也許是高速體已緊嵌入東北地層中,形成新的穩(wěn)定地塊。

圖7為2016年門源6條剖面的成像結(jié)果,地震分布取剖面線兩側(cè)各0.05°之間的地震事件,從圖7(d)、7(f)上都可以看出2022年門源MS6.9地震深度分布具有明顯的拐彎現(xiàn)象,地震分布主要沿著高速體的邊緣,EE′和FF′兩條剖面上可以看出兩次地震序列的傾角較陡。2022年門源MS6.9地震的余震展布上,在水平空間上主要沿冷龍嶺、托萊山斷裂分布,剖面上顯示陡立、略南傾的地震條帶。此次2022年門源地震為典型的走滑型事件,與祁連斷裂性質(zhì)接近,可以解釋為青藏高原地塊向阿拉善地塊擠壓過(guò)程中,遇阻而順時(shí)針滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文討論了門源及周邊地區(qū)三維速度結(jié)構(gòu)與地震活動(dòng)、深部孕震環(huán)境和青藏高原東北緣構(gòu)造背景之間的關(guān)系。所得結(jié)果為了解門源地區(qū)地震發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制、預(yù)測(cè)該地區(qū)地震活動(dòng)趨勢(shì)和地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提供了依據(jù),并有助于最大限度地減少未來(lái)此類災(zāi)難造成的損害。經(jīng)過(guò)本文的成像處理研究后,我們得到了此次地震以及2016年門源MS6.4地震的二維斷層面幾何形狀、三維構(gòu)造環(huán)境。根據(jù)本文研究結(jié)果主要得到以下結(jié)論:

(1) 研究區(qū)地震震源深度分布主要集中在5～25 km范圍內(nèi),其中2016年門源MS6.4地震(37.66°N,101.62°E)的深度為9.1 km,與前人研究結(jié)果相一致[11],2022年門源MS6.9地震的震源深度為13.3 km,震中位置為(37.76°N,101.25°E),更靠近冷龍嶺斷裂帶;

(2) 2022年門源MS6.9地震的余震分布上,平面上沿冷龍嶺、托萊山分布,剖面上顯示陡立、略南傾的地震條帶;

(3) 成像結(jié)果顯示,2016年門源MS6.4地震以及2022年門源MS6.9地震都發(fā)生在高速體的邊緣,速度結(jié)構(gòu)與斷裂、地震序列吻合較好;

(4) 2022年門源MS6.9地震位于高速體的西端末梢位置,是該高速體受青藏高原東北緣順時(shí)針旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的滑動(dòng)產(chǎn)生的走滑型地震事件。

致謝:感謝甘肅、青海測(cè)震站網(wǎng)提供的震相報(bào)告資料,另外本文做圖使用了GMT繪圖軟件[12],兩位匿名審稿人提出的建設(shè)性意見對(duì)本文質(zhì)量提升很大,在此深表感謝。