2022年1月8日青海門源MS6.9地震孕震環(huán)境和冷龍嶺斷裂分段延展特征

趙凌強， 孫翔宇， 詹艷*， 楊海波， 王慶良， 郝明， 劉雪華

1 西藏拉薩地球物理國家野外科學觀測研究站， 地震動力學國家重點實驗室， 中國地震局地質研究所， 北京 100029 2 中國地震局第二監(jiān)測中心， 西安 710043

0 引言

2022年1月8日1時45分，青海省海北州門源縣(北緯37.77°，東經101.26°)發(fā)生6.9級地震，震源深度約10 km，發(fā)震斷裂為冷龍嶺斷裂(韓帥等，2022；李振洪等，2022).InSAR數(shù)據顯示出本次地震的同震形變場主要沿NWW-SEE向破裂，發(fā)震斷層在地下4 km深度的最大滑動值達到3.5m(李振洪等，2022).震后現(xiàn)場考察確定此次地震造成地表破裂約23 km，整個同震破裂以左旋走滑變形為主，具有雙側破裂特點(韓帥等，2022).

冷龍嶺斷裂位于廣義的祁連—西海原斷裂西段，是祁連山內部地貌差異最大的地區(qū)，是青藏高原東北緣地區(qū)一條重要的大型左旋走滑斷裂帶(Yuan et al., 2013；Zheng et al., 2013).冷龍嶺斷裂長約120 km，線性分布特征明顯(郭鵬等，2017；Guo et al., 2020)，從構造意義上和已經完成的大地電磁剖面位置將冷龍嶺斷裂分為西段、中段和東段(趙凌強等，2019，2020).2022年門源MS6.9地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂的西段(韓帥等，2022)，是繼2016年1月21日MS6.4地震之后冷龍嶺斷裂發(fā)生的又一次破壞性中強地震，兩次地震震中位置距離約35 km.2022年門源MS6.9地震震源機制解顯示為左旋走滑型(Fan et al., 2022)，發(fā)生在冷龍嶺斷裂中段的2016年門源MS6.4地震為純逆沖型地震(梁姍姍等，2017).在同一條斷裂不到6年時間內連續(xù)發(fā)生2次6級以上的中強地震，并且表現(xiàn)出截然不同的發(fā)震機制，顯示冷龍嶺斷裂帶內部不同區(qū)段構造可能較為復雜.沿該斷裂的東段，也發(fā)生過1927年古浪8.0級地震(侯康明等，1999；鄭文俊等，2004；Guo et al., 2020)等，冷龍嶺斷裂是青藏高原地區(qū)一條重點強震孕育帶(郭鵬等，2017).

為了探查青藏高原北部活動斷裂帶的深部結構信息，2014年在中國地震局喜馬拉雅臺陣項目資助下，曾沿青?，敹唷獌让晒虐⒗朴移扉_展了寬頻帶大地電磁剖面測量，該剖面北段跨過冷龍嶺斷裂西段，位于2022年門源MS6.9地震震中西北約40 km處(圖1).本文精細化處理和三維反演了冷龍嶺斷裂西段附近長約220 km的大地電磁剖面數(shù)據，并結合穿過冷龍嶺斷裂中段(趙凌強等，2019)和東段(趙凌強等，2020)的大地電磁探測(圖1)結果，聯(lián)合分析冷龍嶺斷裂西、中、東三段的殼幔電性結構和深部延展特征，結合研究區(qū)GPS和精密水準場等資料，探討了2022年門源MS6.9地震動力學環(huán)境和孕震模式.

1 大地電磁方法和剖面位置

大地電磁(MT)方法在揭示地震孕震環(huán)境和斷裂帶深部延展以及火山區(qū)探測研究中獲得了較好的應用效果(譚捍東等，2004；Zhao et al., 2012；Zhang et al., 2016；Lin et al., 2017；詹艷等, 2017，2021；Cai et al., 2017；王緒本等，2018；葉濤等，2018；Yang et al., 2019；李俊秀等，2021).在青藏高原東緣龍門山斷裂帶5年內發(fā)生了汶川8.0級地震和蘆山7.0級地震，大地電磁探測結果(Zhao et al.，2012；Zhan et al.，2013；王緒本等，2018)揭示了龍門山斷裂不同區(qū)段深部電性結構與發(fā)震構造的關系.Sun等(2020)在2017年四川九寨溝MS7.0地震區(qū)的三維大地電磁探測研究成果揭示了該次地震孕震環(huán)境，并確定出虎牙斷裂是東昆侖斷裂的主要東延部分，發(fā)現(xiàn)沿斷裂不同段落電阻率結構不均勻特征制約了沿斷裂帶不同位置中強地震串珠狀發(fā)生.Unsworth 和Bedrosian(2004)和Becken 等(2011)跨過美國圣安德列斯斷裂帶多條大地電磁剖面，揭示出斷裂帶閉鎖段和蠕滑段的電性結構特征存在明顯的差異.近些年來隨著超級計算機應用，大地電磁三維反演算法日趨成熟和實用化(Egbert and Kelbert，2012)，復雜構造區(qū)大地電磁三維反演結果更能反映出切合實際地質構造的深部信息(Sun et al., 2019；2020；胡祥云等，2020；李世文等，2020；Ye et al., 2020；Zhao et al., 2022).

穿過冷龍嶺斷裂三個區(qū)段的三條大地電磁剖面位置見圖1，其中MDA-M剖面為本文新使用數(shù)據，DKLB-M和LJS-N剖面結果來自于趙凌強等(2019，2020).三條剖面北北東向布置，基本平行，剖面間距約80 km，分別垂直穿過了冷龍嶺斷裂的西段(MDA-M)、中段(DKLB-M)和東段(LJS-N).MDA-M剖面西南起始于青海湖西側，經剛察、祁連、民樂，終止于山丹縣附近，長度約220 km，共采集41個寬頻帶大地電磁測點.數(shù)據采集儀器使用加拿大鳳凰公司生產的MTU-5A型號，測點布設采用正南北正東西方向，每個測點記錄五分量數(shù)據(分別為南北方向電場Ex，東西方向電場Ey，南北方向磁場Hx，東西方向磁場Hy，垂直方向磁場Hz).野外數(shù)據采集過程中在湖北潛江市設置了遠參考站，距離研究區(qū)約1000 km，所有測點數(shù)據進行了遠參考處理.MDA-M剖面除穿過冷龍嶺斷裂西段之外，自西南到東北還穿過日月山、肅南—祁連和民樂—大馬營等斷裂(Yuan et al., 2013；Zheng et al., 2013；郭鵬等，2017；Guo et al., 2020).2022年門源MS6.9地震震中位于MDA-M和DKLB-M剖面之間，2016年門源MS6.4地震震中靠近DKLB-M剖面.MDA-M和DKLB-M剖面上的數(shù)據采集在2016年和2022年兩次門源地震震前開展，反演所獲得的深部電性結構可以展示出地震發(fā)生之前的先存結構特點.

2 數(shù)據定性分析和三維反演計算

2.1 數(shù)據定性分析

圖1中給出了MDA-M、DKLB-M和LJS-N三條剖面全頻段的相位張量電性走向玫瑰花瓣圖，結合研究區(qū)實際的構造走向方向(鄧起東等，2003)，確定MDA-M剖面穿過的冷龍嶺斷裂西段地區(qū)電性走向以北北西向為主，而DKLB-M和LJS-N穿過的冷龍嶺斷裂中東段以近東西向為主，這也進一步說明了冷龍嶺斷裂內部構造不同區(qū)段存在著明顯差異.圖2a給出了MDA-M剖面在冷龍嶺斷裂兩側典型測點的視電阻率和相位曲線(測點位置如圖1中紅色三角形)，如圖所示冷龍嶺斷裂以南的南祁連地塊內部電阻率值表現(xiàn)出低值特點，而斷裂以北的古浪推覆體電阻率值呈現(xiàn)出高阻特點，這表明冷龍嶺斷裂可能是重要的電性分界帶.圖2b給出了MDA-M剖面二維偏離度|β|隨頻率分布圖，考慮到祁連山地區(qū)數(shù)據誤差情況，結合前人研究結果(Booker，2014；Cai et al.，2017)，確定二維偏離度|β|值以6為界，判斷研究區(qū)是否具有三維特點.如圖所示，研究區(qū)二維偏離度|β|值在高頻部分表現(xiàn)為小于6的特點，而中低頻顯示出明顯的高值異常，特別是在南祁連地塊南部區(qū)域和古浪推覆體北部區(qū)域，這表明該地區(qū)深部具有較強的三維性，這也與祁連山地區(qū)本身構造較為復雜相對應，本文將使用三維反演技術獲得研究區(qū)電性結構信息.

圖1 (a)青藏高原及其鄰區(qū)構造輪廓圖，(b)研究區(qū)地形和構造(鄧起東等，2003；Yuan et al., 2013)與大地電磁實測點位圖(DKL-M和LJS-N剖面分別引自趙凌強等(2019，2020)；2022門源MS6.9地震主震震源機制解和余震精定位數(shù)據引自Fan等(2022)；2016年門源MS6.4地震震源機制解引自梁姍姍等(2017)；1927年古浪MS8.0地震震源機制解據侯康明等(1999)修改)

圖2 冷龍嶺斷裂兩側典型測點(a)和MDA-M剖面二維偏離度|β|(b)隨頻率分布圖

2.2 三維反演計算

MDA-M剖面數(shù)據三維反演前，使用MTP軟件(陳小斌等，2004)和topeak軟件(劉鐘尹等，2017)處理數(shù)據，使用ModEM(Egbert et al., 2012)程序進行三維反演計算.三維反演初始模型構建了64(南北方向)×56(東西方向)個水平網格，垂向網格設計選用與Cai等(2017)和Sun 等(2020)相似的方式，首層網格厚度為10 m，網格厚度向下分段按不同比例增長.每個測點頻率范圍為0.003～7300 s，選擇37個頻點參與三維反演.MDA-M剖面反演計算與DKLB-M(趙凌強等，2019)和LJS-N(趙凌強等，2020)兩條剖面一致，使用了視電阻率和相位數(shù)據，視電阻率和相位數(shù)據門檻誤差分別設定為10%和2.84°，使用100 Ωm均勻半空間為初始模型，采用自動更新的正則化因子，正則化因子初始值為5000，當反演不再收斂時更新正則化因子為原有值的十分之一繼續(xù)反演.經過92次迭代反演結束，獲取模型均方根誤差RMS為1.87(圖3).

圖3 MDA-M剖面三維反演各測點四個分量的均方根誤差分布

3 結果和討論

圖4a，b，c給出了穿過冷龍嶺斷裂不同區(qū)段的三條大地電磁剖面(MDA-M、DKLB-M和 LJS-N)三維反演獲得的電性結構圖像，在圖中繪制了沿剖面莫霍面(Shen et al.，2017)分布情況，并根據大地電磁測點位置與研究區(qū)斷裂分布(鄧起東等，2003)將冷龍嶺斷裂不同段的深部延展情況進行了解譯.為了更清楚的顯示研究區(qū)各斷裂的走向趨勢和與電性結構特征關系，在圖4d中展示了電性結構和主要斷裂的立體分布圖.

圖4 MDA-M、DKLB-M和LJS-N三條剖面深部電性結構圖

3.1 冷龍嶺斷裂不同區(qū)段深部電性結構特征

圖4a，b，c所示，MDA-M、DKLB-M和 LJS-N三條剖面所揭示的研究區(qū)深部整體上呈現(xiàn)出南低阻北高阻的特點.冷龍嶺斷裂在三條剖面穿過的不同區(qū)段均表現(xiàn)出延伸至下地殼的大型高低阻電性邊界帶，該斷裂是劃分南祁連地塊和北部高阻的古浪推覆體的主邊界斷裂，這是三條剖面揭示的具有共性的電性結構信息，這與重力學資料揭示的祁連—西海原斷裂(冷龍嶺斷裂)在青藏高原東北緣地區(qū)形成了一條寬緩的弧形重力梯度帶的結論(祝意青等，2016；王鑫等，2020)相對應.分剖面對比來看，冷龍嶺斷裂的電性分界帶存在著東西不一致的情況，其中西段MDA-M剖面為直立電性邊界帶，北側的古浪推覆體內肅南—祁連斷裂和民樂—大馬營斷裂表現(xiàn)出向南傾向的中低阻體，向南延伸并歸并至冷龍嶺斷裂附近，表明這兩條斷裂可能是冷龍嶺斷裂西段的伴生斷裂.地質調查表明(Yuan et al., 2013；Zheng et al., 2013；郭鵬等，2017；Guo et al., 2020)肅南—祁連斷裂和民樂—大馬營斷裂以逆沖為主，這兩條斷裂可能承擔了冷龍嶺斷裂西段的逆沖分量.DKLB-M和LJS-N剖面顯示出冷龍嶺斷裂中東段表現(xiàn)為向南傾向的電性邊界帶，北側的古浪推覆體以完整的高阻體為主，沒有明顯的大型伴生斷裂存在，冷龍嶺斷裂中東段表現(xiàn)出單一主斷裂的特點.結合深部結構立體圖4d，可見肅南—祁連斷裂在MDA-M和DKLB-M剖面之間歸并至冷龍嶺斷裂主斷裂，民樂—大馬營斷裂逐漸消失在古浪推覆體中.冷龍嶺斷裂在西段的運動性質，由于北側肅南—祁連斷裂和民樂—大馬營斷裂分擔了逆沖分量而主要表現(xiàn)出走滑運動(Zheng et al., 2013).冷龍嶺斷裂中東段部分由于表現(xiàn)為單一主斷裂的形態(tài)，運動性質同時兼具左旋走滑和逆沖(郭鵬等，2017；Guo et al., 2020)，這表明冷龍嶺斷裂自西向東存在著走滑為主向逆沖兼具走滑轉變的趨勢，冷龍嶺斷裂的分段特點可能是位于不同位置的2022年MS6.9和2016年MS6.4兩次地震顯示出不同發(fā)震機制的原因.

3.2 2022年門源MS6.9地震區(qū)電性結構特征

如圖4a，b，c，d所示，冷龍嶺斷裂以南的南祁連地塊，在三條剖面內上地殼均表現(xiàn)出高阻為主，夾雜中低阻的特點，中下地殼普遍存在著中低阻結構(HCL)，這顯示出南祁連地塊中下地殼存在著自西向東連續(xù)分布的情況，結合前人在研究區(qū)以南地區(qū)完成的大地電磁探測結果(詹艷等，2021)，我們推測這些低阻體可能自巴顏喀拉地塊一直向北綿延至研究區(qū)附近.青藏高原東北緣地區(qū)的P波和S波速度模型顯示巴顏喀拉地塊到祁連構造帶下方20～40 km深度范圍表現(xiàn)為顯著的低速異常，推測這些低速異?？赡芘c地殼部分熔融和地殼增厚有關(夏思茹等，2021).青藏高原東北緣地區(qū)的布格重力場顯示出祁連山以南地區(qū)中下地殼廣泛分布著低密度異常體(孟小紅等，2012；畢奔騰等，2016；王鑫等，2020).這些低阻、低速和低密度物質相互對應，在冷龍嶺斷裂以南地區(qū)中下地殼廣泛發(fā)育存在，代表著青藏高原北東向的拓展作用.冷龍嶺斷裂以北的古浪推覆體，表現(xiàn)為延伸超過60 km的高阻體(HRB)，且核心區(qū)電阻率值超過3000 Ωm，該高阻體自西向東一直存在，且越往東規(guī)模越大，電阻率值越高.高阻體(HRB)形態(tài)類似于“圍墻”狀阻擋了冷龍嶺斷裂以南中低阻結構(HCL)向北繼續(xù)延伸，導致冷龍嶺斷裂成為該區(qū)域最為重要的物性差異帶.將2016年門源MS6.4地震(梁姍姍等，2017)和2022年門源MS6.9地震(中國地震臺網中心，http:∥www．csndmc．ac．cn；Fan et al., 2022)的主震震源位置投影在電性結構圖上，可見兩次地震均發(fā)生在冷龍嶺附近的高低阻體邊界帶并靠近高阻一側，佐證了中強地震震源往往發(fā)生在高/低阻介質接觸區(qū)且偏向于高阻介質一側的規(guī)律(Zhao et al.，2012；Zhan et al.，2013；Cai et al.，2017).這與詹艷等(2021)在2021青海瑪多7.4級地震區(qū)的結果相類似，也與孫安輝等(2022)最新研究成果發(fā)現(xiàn)2022年門源MS6.9地震發(fā)生在P波和S波波速劇烈變化的區(qū)域且靠近高速體的邊緣的結論相對應.葉濤等(2021)發(fā)現(xiàn)云南漾濞MS6.4地震發(fā)生在高低阻電性過渡區(qū)附近的高阻一側，將其歸納為強震孕育與發(fā)生的“剛柔性過渡區(qū)現(xiàn)象”，這種震源區(qū)介質電阻率屬性遵循地震區(qū)的流變結構特征.

3.3 青海門源MS6.9地震動力學機制和孕震模型

通過研究區(qū)2009—2015年的GPS水平運動資料(Hao et al.，2019)和1972—2014年間精密水準資料(Hao et al.，2014)獲得的三維地殼運動場可以更加直觀的分析研究區(qū)構造運動特點(圖4e).如圖所示，研究區(qū)GPS速度場表現(xiàn)出整體上北東向運動的特點，且存在著逐漸向東南方向轉彎的趨勢，并以冷龍嶺斷裂為界，存在著明顯的南北區(qū)別.冷龍嶺斷裂以南區(qū)域，GPS速度場普遍大于10 mm·a-1，穿過斷裂往北GPS速度場逐漸減小，在阿拉善地塊衰減至5 mm·a-1，表明冷龍嶺斷裂區(qū)域是研究區(qū)重要的GPS速度遞減帶，顯示出該區(qū)域存在著明顯的擠壓作用.結合此次大地電磁探測結果，我們推測青藏高原東北緣地區(qū)自巴顏喀拉地塊開始一直向北綿延存在的中下地殼低阻軟弱物質流動(圖4e中黑色箭頭)，碰到了古浪推覆體下方高阻體(HRB)像“圍墻”狀的阻擋作用，在冷龍嶺斷裂下方產生了強烈的匯聚作用和東南方向構造運動轉變，并進一步產生了東南向轉彎逃逸的現(xiàn)象(圖4e中黑色弧形箭頭).重力異常信息(畢奔騰等，2016)也揭示出冷龍嶺斷裂以南地區(qū)的地殼厚度存在著由西向東逐漸減薄的趨勢，反映了高原巖石圈物質東向遷移，青藏高原東北緣地區(qū)冷龍嶺斷裂以南的這種東向和東南向的物質遷移和逃逸作用進而導致了冷龍嶺斷裂強烈的左旋走滑作用.研究區(qū)水準垂直形變場(圖4e中彩色箭頭)同樣以冷龍嶺斷裂為界存在著區(qū)別，斷裂以南隆升速率較大，這可能是由于北東水平向拓展運動碰到古浪推覆體阻擋一部分應力轉化為垂直方向運動的原因，冷龍嶺斷裂以北隆升速率相對較小，這與古浪推覆體表現(xiàn)為完整不易變形的高阻體特點相對應.此外，水準場還顯示出MDA-M剖面穿過的冷龍嶺斷裂北部肅南—祁連斷裂和民樂—大馬營斷裂附近隆升速率較大，說明了這兩條斷裂可能分擔了冷龍嶺斷裂西段的逆沖分量，表現(xiàn)出明顯的隆升趨勢.三條大地電磁剖面探測結果結合研究區(qū)GPS和精密水準場的資料綜合分析，我們提出了冷龍嶺斷裂和2022年門源MS6.9地震動力學機制和孕震模型(圖5).由于古浪推覆體“圍墻”狀高阻體(HRB)的阻擋作用，冷龍嶺斷裂成為青藏高原北東向擠壓拓展應力轉化為南東向遷移和逃逸的核心區(qū)域，這種應力方向轉變導致的冷龍嶺斷裂強烈左旋走滑作用是2022年門源MS6.9地震發(fā)生的動力學來源.隨著青藏高原北東向推擠作用的持續(xù)進行以及冷龍嶺斷裂在南北兩側表現(xiàn)為重要的物性差異帶的特點，判斷該斷裂未來依舊是強震孕育風險區(qū).

圖5 冷龍嶺斷裂的孕震模型

4 結論

本文在三條覆蓋冷龍嶺斷裂不同區(qū)段的大地電磁剖面數(shù)據三維反演出的電性結構信息約束下，解譯出該斷裂的不同區(qū)段的深部延展特征，并進一步探討了2022年1月8日青海門源MS6.9地震動力學模式.所獲認識如下；

冷龍嶺斷裂整體上表現(xiàn)為延伸至下地殼的大型高低阻電性邊界帶的特征，符合以往大地電磁探測結果約束的大型走滑斷裂帶的電性結構特點.2016年門源MS6.4地震和2022年門源MS6.9地震均發(fā)生在冷龍嶺附近的高低阻體邊界帶并靠近高阻一側.冷龍嶺斷裂西段構造較為復雜，主斷裂為近直立的電性邊界帶，北側的肅南—祁連斷裂和民樂—大馬營斷裂是其伴生斷裂并分擔了逆沖分量，斷裂中東段表現(xiàn)為單一向南傾向的電性邊界帶.冷龍嶺斷裂自西向東運動性質存在著以走滑為主向逆沖兼具走滑轉變的趨勢，這與2022年MS6.9地震和2016年MS6.4地震兩次地震顯示出不同發(fā)震機制相符合.結合研究區(qū)GPS和精密水準場資料分析，冷龍嶺斷裂是青藏高原北東向擠壓擴展應力轉化為南東向遷移和逃逸的核心區(qū)域，這種應力方向轉變導致冷龍嶺斷裂發(fā)生強烈左旋走滑作用是發(fā)生2022年門源MS6.9地震的動力學來源.隨著青藏高原北東向推擠作用的持續(xù)進行以及冷龍嶺斷裂在南北兩側表現(xiàn)為重要物性差異帶的特點，判斷該斷裂未來依舊是強震孕育風險區(qū).

致謝張占發(fā)、余文斌、楊濤、楊飛等人在大地電磁野外數(shù)據采集過程中提供了幫助，應急管理部國家自然災害防治研究院陳小斌研究員和中國地震局地質研究所劉鐘尹博士分別提供了MTP和topeak軟件并進行了詳細講解，中國地震局地質研究所郭鵬副研究員在地質構造解譯方面提供了幫助，中國地震局地球物理研究所房立華研究員提供了2022年1月8日青海門源MS6.9地震之后的余震精定位數(shù)據，在此一并表示感謝.