青海門源MS6.9地震前后甘青地區(qū)應力變化特征研究

閆 勛, 高曙德, 姜振海, 李 娜, 武善藝, 柴 源, 曹 喜

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000; 2. 蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

鉆孔應變儀可以記錄到豐富的同震信息及震前異常變化,前人對鉆孔應變儀同震響應、同震應變階特征及其成因分析做了大量工作,并計算出鉆孔應變主方位角、主應變等參量結合GPS運動方位、區(qū)域構造運動、震源機制解來進行區(qū)域構造運動分析。唐磊等[1]分析日本9.0級地震引起的中國大陸鉆孔應變臺同震應變階,發(fā)現(xiàn)該地震引起華北、華東、東北地區(qū)鉆孔形變場的拉張變化;李玉麗等對格爾木臺站記錄到的四川汶川8.0級、蘆山7.0級、玉樹7.1級等地震的同震曲線特征、震前異常變化特征進行分析,發(fā)現(xiàn)格爾木臺可以記錄到連續(xù)突跳及階躍等同震曲線形態(tài),且在地震前出現(xiàn)轉折趨勢、差應變曲線分離等現(xiàn)象[2]。張敏等對青海地區(qū)鉆孔應變青海玉樹7.1級、日本本州9.0級、四川蘆山7.0級地震同震規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)臺站同震響應持續(xù)時間、震幅變化與震中距成反比[3]。龔正、卜祝源等將構造運動、震源機制解與鉆孔應變數(shù)據、主方位角、主應變相結合分析呼圖壁M6.2地震,發(fā)現(xiàn)其主應變張性壓性變化與傾向北的高角度逆沖盲斷層震源機制解吻合[4-5]。陳永前等結合區(qū)域構造和鉆孔應變潮汐變化、主方位角、主應變變化分析山西地區(qū)構造運動狀態(tài),發(fā)現(xiàn)山西地區(qū)主應變場方向與該區(qū)域主要活動斷裂方向相一致[6]。上述研究中,分析了同震曲線和震前異常的變化特征,利用主方位角、主應變對區(qū)域構造運動進行驗證和分析,但使用主方位角、最大主應變進行地圖投影來研究同震變化、區(qū)域應變場時空演化的震例較少。自1997年瑪尼7.5級地震以來,中國大陸7級以上強震都發(fā)生青藏高原北部地區(qū),巴顏喀拉塊體周緣斷裂發(fā)生過2001年昆侖山口西8.1級地震、2008年汶川8.0級地震等,巴顏喀拉東北角擠壓與走滑變形帶上發(fā)生過2017年九寨溝7.0級地震、2021年瑪多7.4級地震、2022年1月8日青海門源MS6.9地震、1月23日青海德令哈MS5.8地震,說明祁連山地震帶目前仍是中國大陸地震活動的主體,所以研究祁連帶地球物理測項變化對監(jiān)視祁連山地震帶的震情活動具有現(xiàn)實意義。本文選取甘—青地區(qū)運行可靠的鉆孔應變臺站觀測數(shù)據,利用2021年數(shù)據精度、面應變相關系數(shù)進行質量控制,計算主方位角、主應變并進行地圖投影,結合震源機制解、水平位移場分析2022年1月8日門源6.9級地震前后甘青地區(qū)鉆孔應變臺網的應變場變化與地質構造運動變化之間的聯(lián)系,進而為該區(qū)域地質構造研究、地震危險性跟蹤及短臨跟蹤提供參考。

1 臺站數(shù)據選取及地質構造背景

1.1 臺站數(shù)據選取

本研究選取甘青地區(qū)地球物理臺網中的高臺、安西、北道(天水)、靜寧、臨夏、劉家峽、兩水(隴南)、德令哈、湟源、門源等臺站的鉆孔應變數(shù)據進行分析。上述臺站與2022年1月8日門源MS6.9地震空間相對位置如圖1所示,各臺鉆孔應變儀架設信息見表1所列。

表1 鉆孔應變儀器信息

1.2 區(qū)域地質構造背景

本次門源MS6.9地震發(fā)生在青藏高原東北緣。青藏高原由歐亞板塊受印度板塊的推擠和持續(xù)碰撞而形成,由于青藏地塊NE向的強烈擠壓作用,使得該區(qū)域受到阿拉善地塊阻擋,導致地殼物質沿SE向的擠出,形成了以左旋走滑及逆沖斷裂系為主的構造體系,其最大主壓應力軸呈現(xiàn)NE到NEE方向的變化。本次地震發(fā)生在地殼速度場具有強烈控制作用的廣義海原斷裂帶西段的冷龍嶺斷裂與托萊山斷裂上,震中50 km內發(fā)生過2016年青海門源MS6.4地震(震源機制為逆沖型),震中100 km內震級最大的為1927年甘肅古浪M8地震[7-8]。

2 區(qū)域鉆孔應變數(shù)據分析

2.1 鉆孔應變數(shù)據質量控制

在鉆孔應變數(shù)據分析過程中,對數(shù)據進行質量控制是預處理步驟之一[9-10]。鉆孔應變儀沿順時針方向在4個以45°為間隔的方向上順次安裝觀測原件，數(shù)據代碼分別為：S1,S2,S3,S4;當鉆孔應變儀器探頭與圍巖的耦合處于理想狀態(tài)時,S1+S3和S2+S4的形態(tài)近似,相關系數(shù)較高。但在實際觀測中,因安裝環(huán)境等因素影響,四分量儀器數(shù)據并不一定滿足自洽方程,故需要對儀器進行標定,通過參數(shù)校正提高數(shù)據自洽程度和數(shù)據可靠性[11-12]。分析各臺數(shù)據相關性后,高臺、德令哈、湟源站觀測數(shù)據自洽較好,未做相對標定,其他臺站數(shù)據均進行相對標定。預處理后采用唐磊提出的面應變相關系數(shù)對觀測數(shù)據質量進行評價[12],計算公式如下:

(1)

式中:r表示相關系數(shù);S13表示S1+S3,S24表示S2+S4;N表示數(shù)據個數(shù)。當r越接近1,觀測數(shù)據質量越高。通過對各站分量式鉆孔應變面應變相關系數(shù)進行分析發(fā)現(xiàn),除了兩水臺站外(0.414),甘青地區(qū)鉆孔應變臺站2021年面應變相關系數(shù)均大于0.96,表現(xiàn)為高度相關,說明所選分量鉆孔應變臺數(shù)據可靠。

表2 鉆孔應變面應變相關系數(shù)

通過調和分析方法求解一個月長度的鉆孔應變數(shù)據資料M2波振幅因子(潮汐因子),計算M2波振幅因子均方差,即為數(shù)據精度。本文使用臺網中心發(fā)布的2021年月報文件中鉆孔應變精度數(shù)據來評價臺站資料(圖2)。依據《數(shù)字地震及前兆觀測技術規(guī)范(地殼形變觀測)》中鉆孔應變的數(shù)據精度指標,所選臺站鉆孔應變數(shù)據2021年精度滿足Ⅰ類臺精度要求[13]。

圖2 鉆孔應變數(shù)據精度(2021-01—2021-12)Fig.2 Accuracy of borehole strain data (2021-01—2021-12)

2.2 鉆孔應變同震數(shù)據變化特征

繪制2022年1月8日01:00至04:00所選臺站鉆孔應變分鐘值數(shù)據如圖3。對各站鉆孔應變同震曲線信息計算統(tǒng)計如表3所列。

圖3 各站鉆孔應變數(shù)據(2022-01-08 T01:00-2022-01-08 T04:00)Fig.3 The borehole strain data at different stations (2022-01-08 T01:00-2022-01-08 T04:00)

表3 鉆孔應變同震最大振幅

門源MS6.9地震鉆孔應變同震曲線以連續(xù)突跳形態(tài)為主,除北道臺站外,其他臺站同震曲線形態(tài)出現(xiàn)同震應變階(圖3)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)大部分臺站初動基本在地震發(fā)生1 min后開始,同震效應持續(xù)時間從16～113 min不等,同震最大振幅在14.66×10-10～14 387.63×10-10范圍變化(表3)。從統(tǒng)計結果分析,祁連山地震帶(甘青地區(qū))鉆孔應變臺站同震曲線變化受各臺站儀器自身靈敏度、儀器穩(wěn)定性、噪聲水平、臺址條件等因素共同影響,即便是同類的YRY、RZB型儀器之間同震變化幅度也存在差異。

2.3 主方位角主應變時空變化特征分析

本文采用邱澤華提出的主方位角、主應變計算方法計算各臺主方位角、主應變[14]。當觀測數(shù)據精度和面應變相關系數(shù)較高時,對觀測值進行替換計算:

S13=S1-S3

(2)

S24=S2-S4

(3)

Sa=(S1+S2+S3+S4)/2

(4)

最大主應變ε1、最小主應變ε2、主方位角φ則可用下列公式計算得出:

(5)

(6)

(7)

式中:θ1為元件1的方位角;A,B為觀測固體潮和理論固體潮耦合系數(shù)(采用2021年1月1日至2022年1月6日的鉆孔應變數(shù)據絕對標定得出,見表1)。對于中國大陸發(fā)生的中強級天然地震,震源深度一般在10～20 km,臺站應變四分量儀器探頭安裝在同一口井中,所以臺站觀測井相對于震源距離可以忽略它的曲率,幾乎可以看做一個點(即假設觀測附近的介質為各向同性)。本研究中計算主應變、主方位角程序采用邱澤華的相關matlab程序模塊進行計算,該程序中使用各向同性模型,故應變等同為應力?；谏鲜黾僭O,計算了2022年1月8日所選臺站分量式鉆孔應變分鐘值觀測數(shù)據的主方位角、最大、最小主應變相對于當天00:00數(shù)據變化(圖4),對同臺站最大最小主應變數(shù)據進行歸一化處理,然后以φ為主應力方向,將同臺站主應變中歸一化后的最大主應變進行地圖投影(圖5)。

結合圖4、圖5可知,青海門源MS6.9地震引起甘—青地區(qū)鉆孔應變主方位角的偏移變化和主應變的反復拉張、壓縮變化,高臺、臨夏、兩水、德令哈、門源、湟源臺站地震前后主方位角、主應變曲線出現(xiàn)明顯的階躍變化。地震發(fā)生后鉆孔應變主方位角、主應變投影的劇烈變化持續(xù)到02:40左右結束。

圖4 主方位角、主應變同震變化曲線(2022-01-08 01:00—4:00)Fig.4 Coseismic data of principal azimuth and principal strain (2022-01-08 01:00—04:00)

圖5 鉆孔應變主方位角、最大主應變地圖投影(2022年1月8日01:40—03:30時間間隔10 min)Fig.5 Projection of principal azimuth and maximum principal strain (2021-01-08 01:40—03:30,10-min interval)

2.4 與震源機制解及構造運動特征的融合分析

為進一步分析此次地震的構造運動特征,選取所選臺站2022年1月8日01:44及03:00主方位角、最大主應變投影參數(shù)分別作為震前、震后時刻數(shù)據進行地圖投影。使用箭頭表征其擠壓、拉伸應力狀態(tài),結合中國地震局臺網中心公布的門源MS6.9級地震震源機制解討論(圖6),同時列表對比分析震前(01:44)、震后(03:00)相對于起始點00:00的主方位角、主應變(拉張為正,壓縮為負)、相對于起始點的主應變趨勢變化(表4)。

圖6 地震前后主方位角、主應變投影變化Fig.6 The projection change of principal azimuth and principal strain before and after earthquake

表4 震前震后主方位角、主應變變化

地震前后高臺、德令哈、門源、湟源主方位角發(fā)生較為明顯的偏移(表4、圖6),安西、門源、湟源、臨夏、劉家峽、北道、兩水主應變發(fā)生明顯的拉伸壓縮變化(圖6)。安西震前、震后均表現(xiàn)為應力主方向為EW向的拉伸變化;高臺由震前的應力主方向為EW向的壓縮變化轉變?yōu)檎鸷髴χ鞣较驗镋S-WN向的壓縮變化;德令哈震前震后均為應力主方向為EW向附近的拉伸變化;門源由震前應力主方向為東西向附近的拉伸變化轉變?yōu)檎鸷髴χ鞣较驗镋W-WN向的壓縮變化;湟源由震前應力主方向為近EW向的壓縮轉變?yōu)檎鸷髴χ鞣较驗镋N-WS向的拉伸變化;靜寧震前震后均為應力主方向為NS向的拉伸變化;臨夏震前震后均為應力主方向為ES-WN向的拉伸變化;劉家峽、兩水、北道震前震后均為應力主方向為EN-WS向的壓縮變化。

萬永革等反演的2022年1月8日青海門源MS6.9周圍地表同震位移場(圖7左)、水平主應變場(圖7右)及此次地震震源機制解(圖6)[7],表明此次地震震中東北和西南兩側的物質涌入震中,呈拉張應變變化,與震中西南方向的德令哈投影變化一致;東南和西北兩側物質向外涌出,呈擠壓應變變化,與震中西北方向的高臺、東南方向的門源、劉家峽、北道、兩水投影變化一致,但與安西、湟源、臨夏投影變化不一致,可能與這幾個臺站所處的臺站位置、構造位置存在差異有關。整體上看,鉆孔應變主方位角、主應變投影的震前震后的空間分布特征與震中小區(qū)域構造運動特征相一致。地表同震位移場、水平應變場中,震中西南方向的拉張應變變化區(qū)域中存在小塊擠壓應變變化區(qū)域,東南方向的擠壓應變變化區(qū)域中存在小塊拉張應變變化區(qū)域(圖7),這種非均勻分布是否在大區(qū)域應變分布場中存在也有待深入分析。

圖7 青海門源MS6.9地震地表同震位移場及水平應變場[7]Fig.7 Calculated coseismic surface displacement field and horizontal strain field of Menyuan, Qinghai MS6.9 earthquake[7]

選取2021年1月1日至2022年1月7日各臺站鉆孔應變觀測數(shù)據計算其相對于2021年1月1日主方位角、主應變變化日均值圖(圖8)并將其進行地圖投影(圖9,以20天間隔)對震前背景變化進行分析。分析發(fā)現(xiàn)2021年整體趨勢為祁連山斷裂帶西段(安西)應力主方向為EW向的壓縮變化;祁連山斷裂帶中段(德令哈、高臺、門源和湟源)整體表現(xiàn)為祁連山斷裂帶中段北側(高臺)應力主方向為EN-WS向(2021年1—5月)轉變?yōu)镋S-WN方向(2021年6—12月)的壓縮變化,南側德令哈應力主方向為WN-ES向壓縮變化,湟源為應力主方向為近EW向的壓縮變化,門源為應力主方向近NS向(2021年1—2月)轉為近EW(2021年3—12月)的拉伸變化,2021年12月以來出現(xiàn)近EW向的壓縮變化;祁連山斷裂帶東南(劉家峽、臨夏、北道、靜寧和兩水)劉家峽地區(qū)為應力主方向為近EW向的拉伸變化;臨夏地區(qū)為應力主方向為近WN-ES向的拉伸變化;北道為應力主方向為近WN-ES向的拉伸變化,靜寧地區(qū)為應力主方向為EN-WS方向的壓縮變化;兩水地區(qū)為應力主方向為近NS向的壓縮變化,除在2021年5月22日青?，敹郙S7.4地震前后、2022年1月8日青海門源MS6.9地震發(fā)生前部分臺站數(shù)據有明顯變化外(這個變化另文介紹),其他時期臺站主方位角、主應變變化較為緩慢和穩(wěn)定?？臻g分布特征與卜玉菲等利用震源機制解反演甘肅及鄰區(qū)地殼應力場研究中發(fā)現(xiàn)青藏高原板塊內緣最大主壓應力呈NE向分布,外緣最大主壓應力由西向東呈現(xiàn)出順時針旋轉的特征,即最大主壓應力軸由西段近NS向轉向中段NNE向,到東段轉至NNW向的結論基本一致[15]。

圖8 主方位角、主應變變化(2021-01-01—2022-01-07)Fig.8 Change of the principal azimuth and principal strain (2021-01-01—2022-01-07)

圖9 2021年1月1日至12月27日鉆孔應變主方位角、最大主應變投影(切片步長20天)Fig.9 The projection of principal azimuth and maximum principal strain(2021-01-01—2021-12-27,20-day interval)

3 結論與探討

通過對2022年1月8日青海門源MS6.9地震前后的甘—青地區(qū)鉆孔應變主方位角、最大最小主應變、主方位角與最大主應變投影分析后發(fā)現(xiàn):

(1) 青海門源MS6.9地震發(fā)生后,地震周邊臺站均記錄到此次地震的同震變化,其形態(tài)大部分為連續(xù)突跳,部分臺站記錄到較為明顯的同震應變階形態(tài),但持續(xù)時間和變化幅度因儀器自身原因和臺址條件存在差異;

(2) 甘—青地區(qū)鉆孔應變主方位角、主應變及其地圖投影在長趨勢背景變化及短趨勢同震變化都與相應的構造地質變化具有一定的對應性。

上述研究表明鉆孔應變主方位角、主應變、主方位角最大主應變地圖投影整體上反映區(qū)域構造運動變化。在后續(xù)研究中,可以通過進一步增大鉆孔應變觀測臺站密度、使用更高采樣率數(shù)采結合地震學的有關參數(shù),進一步對地震應力場跨斷層傳遞過程進行更精細的判斷,研究其傳遞連續(xù)性;可以連續(xù)對區(qū)域主方位角、最大主應變地圖投影進行分析和監(jiān)測,捕捉應力累積區(qū)相對于背景應力場異常變化,為后續(xù)的地震監(jiān)測、預測提供參考。

致謝:對邱澤華研究員提供鉆孔應變相關計算程序,萬永革研究員seismology小組公眾號發(fā)布的相應震源機制解匯總及地表同震位移場、面應變場圖件,審稿老師的修改意見使本文研究更加完整,在此一并表示感謝！