2022年1月8日青海門源MS6.9地震深部構造背景淺析＊

王 瓊 肖 卓 武 粵 李抒予 高 原

1） 中國北京 100036 中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室

2） 中國廣州 510301 中國科學院南海海洋研究所

引言

2022年1月8日1時45分，青海省海北州門源縣發(fā)生MS6.9地震，震中位置為（37.8°N，101.3°E），這是中國大陸2022年第一個接近M7.0的強震.該次地震發(fā)生在青藏高原東北緣祁連地塊中的托萊山—冷龍嶺斷裂附近（圖1）.據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心（2022）的速報結果，該地震震中距離門源縣城大約54 km，震源深度為10 km，震源深度重定位結果為12.9 km （Fanet al，2022）.截至2022年1月19日8時整，共記錄到M≥3.0余震20次，其中MS4.0—4.9地震5次，MS≥5.0地震2次，最大為1月12日18時20分MS5.2地震.

圖1 青藏高原東北緣區(qū)域構造背景與地震臺站分布Fig. 1 Tectonic settings of the northeastern Tibetan Plateau and distribution of seismic stations

門源地區(qū)位于祁連地塊中東部，由于受到印度板塊和歐亞板塊持續(xù)碰撞、擠壓的遠程作用，區(qū)域內(nèi)活動斷裂發(fā)育、構造變形強烈.祁連地塊內(nèi)部發(fā)育了一系列以擠壓逆沖為主兼具左旋走滑特征的活動斷裂帶，其中主要受到阿爾金和祁連—海原兩條大型邊界走滑斷裂控制（袁道陽等，2004）.2022年門源MS6.9地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂西端、托萊山斷裂東端，基本上將冷龍嶺斷裂與托萊山斷裂連接起來（圖2），這兩條斷裂與海原斷裂、老虎山斷裂、毛毛山斷裂、金強河斷裂等構成了長約1 000 km的祁連—海原斷裂帶.祁連—海原斷裂帶不僅控制著青藏高原東北緣地區(qū)的幾何和構造格局（Zhenget al，2013；Shietal，2020），同時也調(diào)節(jié)著青藏地塊相對于阿拉善地塊的向東運動（Gaudemeret al，1995；Lasserreet al，2002）.

圖2 門源MS6.9地震及余震分布2022年地震序列定位結果引自Fan等（2022），2016年門源地震位置引自梁姍姍等（2017），1986年門源地震位置引自蘭州地震研究所青海省地震局聯(lián)合考察隊（1987）.F1：龍首山南緣斷裂東段；F2：河西堡—四道山斷裂；F3：榆木山東緣斷裂；F4：民樂—永昌斷裂；F5：肅南—祁連斷裂；F6：民樂—大馬營斷裂；F7：皇城—雙塔斷裂；F8：托萊山斷裂；F9：冷龍嶺斷裂；F10：金強河斷裂；F11：毛毛山斷裂；F12：天橋溝—黃羊川斷裂；F13：瑪雅雪山北緣斷裂；F14：大通山北緣斷裂；F15：木里—江倉斷裂；F16：日月山斷裂；F17：門源斷裂；F18：達坂山斷裂；F19：黑林河斷裂Fig. 2 The distribution of Menyuan MS6.9 earthquake and its aftershocksThe location of 2022 seismic sequence is from Fan et al （2022），the location of 2016 Menyuan earthquake is from Liang et al （2017），and the location of 1986 Menyuan earthquake is from Lanzhou Institute of Seismology and Seismological Bureau of Qinghai Province （1987）.F1：Eastern segment of southern Longshoushan fault；F2：Hexipu-Sidaoshan fault；F3：Yumushan eastern marginal fault；F4：Minyue-Yongchang fault； F5：Su’nan-Qilian fault；F6：Minyue-Damaying fault；F7：Huangcheng-Shuangta fault；F8：Tuolaishan fault；F9：Lenglongling fault；F10：Jinqianghe fault；F11：Maomaoshan fault；F12：Tianqiaogou-Huangyangchuan fault；F13：Mayaxueshan northern marginal fault；F14：Datongshan northern marginal fault；F15：Muli-Jiangcang fault；F16：Riyueshan fault； F 17：Menyuan fault；F18：Dabanshan fault；F19：Heilinhe fault

1900年以來，祁連—海原斷裂帶附近多次發(fā)生M6.0以上地震，位置相近的有1986年MS6.4地震和2016年MS6.4地震（圖2），其中2016年門源MS6.4地震發(fā)生在冷龍嶺北側斷裂（胡朝忠等，2016），與此次門源地震序列中的1月12日MS5.2余震位置相差約9 km.兩次門源地震雖然相距不遠，但其發(fā)震機制表現(xiàn)不同，即2016年門源地震為冷龍嶺北側斷裂上的逆沖型地震，2022年門源地震則為道溝斷裂上的走滑型地震（中國地震局地質(zhì)研究所，2022），表明該地區(qū)的地質(zhì)構造特征比較復雜.相關研究表明，在剪切變形較大的區(qū)域更易發(fā)生地震（Jinet al，2019）.位于青藏東北緣的祁連地塊是新生代再次活躍的早古生代島弧、微陸塊拼合體（Yin，Harrison，2000），當前仍以12 mm/a的速率沿NNE-SSW方向水平縮短（Zhanget al，2004）.這種NE方向的推擠對阿爾金斷裂帶東部和河西走廊產(chǎn)生一定的加載作用，可能是導致2016年門源MS6.4地震發(fā)生的原因（胡朝忠等，2016）.2022年門源MS6.9地震發(fā)生后，中國地震局組織了考察工作，初步結果顯示：此次門源MS6.9地震極震區(qū)的烈度可能達Ⅸ以上（中國地震局地球物理研究所，2022）；地震序列在托萊山—冷龍嶺斷裂附近產(chǎn)生了四條地表破裂帶，其中斷裂帶南、北兩側破裂程度差異較大，北側明顯高于南側（中國地震局地質(zhì)研究所，2022）.

結構成像研究顯示，強震更容易發(fā)生在高、低速變化的過渡帶，例如青藏東南緣（王瓊，高原，2014），青藏東北緣地區(qū)的岷漳MS6.7地震和九寨溝MS7.0地震的震源也都位于高、低速的過渡帶（夏思茹等，2021）.為解剖強震發(fā)生的深部構造背景，本文收集了速度結構等資料，擬通過分析地殼結構與地震分布之間的關系，探討門源MS6.9地震的深部孕震構造背景.

1 接收函數(shù)揭示的門源地區(qū)地殼厚度和vP/vS不均勻分布

地殼厚度和泊松比是描述地殼結構和物質(zhì)成分的兩個重要參數(shù)，可以為地殼的地質(zhì)演化過程提供重要的約束，同時有益于對地震孕震環(huán)境的研究.Wang等（2016）使用來自中國地震臺網(wǎng)2007年8月至2013年10月間的三分量寬頻帶地震數(shù)據(jù)，對震級M＞5.0，震中距為30°—90°且震相清晰、初動尖銳的地震記錄進行接收函數(shù)計算，得到了青藏高原東北緣地區(qū)的地殼厚度和波速比.Wang等（2017）使用來自中國科學臺陣Ⅱ期和鄂爾多斯地塊內(nèi)流動臺陣的資料（共724個臺站）得到了青藏高原東北緣的地殼厚度和波速比.為了分析此次門源MS6.9地震的發(fā)震位置與深部結構之間的關系，本文根據(jù)兩種數(shù)據(jù)結果重繪了門源地區(qū)的地殼厚度和vP/vS的分布圖像（圖3）.

從圖3可以看到，研究區(qū)域內(nèi)地殼厚度約為30—70 km，變化非常劇烈，青藏高原東北部的地殼比周緣區(qū)域厚.地殼厚度與地形起伏變化比較一致，從東向西呈梯度加深的趨勢.門源臺（MEY）的地殼厚度為59.3 km，與王椿鏞等（1995）的基于門源—平?jīng)觥寄先斯さ卣饻y深剖面得到的門源地殼厚度（58 km）較為一致.吳立辛等（2011）運用小波多尺度分析也觀察到青藏高原東北緣地殼厚度呈現(xiàn)由東北向西南增厚的趨勢，且門源地區(qū)位于梯度變化較大的區(qū)域.通過本文的數(shù)據(jù)再分析，門源地區(qū)處于地殼厚度由西向東劇烈減薄的地帶，而門源MS6.9地震的震中位于地殼厚度南厚北薄的局部急劇變化過渡帶上，同時又處于波速比（vP/vS）東高西低快速變化的過渡帶，揭示了門源MS6.9地震與深部結構的不均勻分布有關，特別是與物性參數(shù)的快速變化有關.

圖3 門源地區(qū)地殼厚度（a）與vP/vS （b）分布［數(shù)據(jù)引自Wang等（2016）和Wang等（2017）］Fig. 3 Crustal thickness （a） and vP/vS ratio （b） in the Menyuan region ［ The data is after Wang et al （2016） and Wang et al （2017） ］

由于使用不同的資料和方法，Wang等（2016）和Wang等（2017）的結果在門源地區(qū)存在一些差異，也揭示了該區(qū)域地殼物性在小范圍內(nèi)的不均勻分布，表明關鍵地域密集臺陣觀測的必要性.這些結果雖然呈現(xiàn)不均勻分布的具體形態(tài)差異，但它們都揭示了門源MS6.9地震震源區(qū)深部結構存在劇烈的（或快速的）物性變化.

2 體波成像揭示的P波、S波速度和泊松比分布

基于2009年至2017年青藏高原東北緣區(qū)域固定臺網(wǎng)記錄到的3萬9 971次地震的初至P波和S波走時數(shù)據(jù)，利用雙差成像方法對2萬9 491次地震進行了重新定位，獲取了青藏高原東北緣地殼的波速和泊松比結構（肖卓，高原，2017）.為了探究門源MS6.9地震的深部發(fā)震結構，對門源地震震源區(qū)的深部結構進行了重繪放大，得到了門源地震震源區(qū)的P波速度、S波速度以及泊松比在不同深度的橫向和垂向分布圖像，結果如圖4和圖5所示.

P波速度分布顯示，門源地震震源區(qū)的結構存在明顯的垂向變化和橫向變化，特別是在垂向上，上地殼頂部（0—10 km）的P波速度較高，但隨著深度的增加（10—20 km），P波速度逐漸轉變?yōu)榈退佼惓＃▓D4，5）.根據(jù)門源地震序列重新定位結果（Fanet al，2022），MS6.9主震的震源深度為12.9 km.在震源區(qū)，P波速度在5—15 km深度由高速變?yōu)榈退伲▓D5）.S波速度和泊松比分布顯示，門源地震震源區(qū)的結構存在明顯的橫向變化.在10—15 km深度，門源地震震源區(qū)東西兩側分別呈現(xiàn)為高S波速度、低泊松比和低S波速度、高泊松比異常（圖4）.門源地震震源區(qū)泊松比（圖4）在東西方向的變化特征與接收函數(shù)得到的vP/vS變化（圖3）具有很好的一致性，揭示了地殼介質(zhì)物性在東西方向上的快速變化很可能主要分布在10—20 km深度范圍.

圖4 門源地區(qū)P波速度（a）、S波速度（b）和泊松比（c）紅色星形表示2022年MS6.9門源主震，紅色圓點表示其余震，地殼深度標于子圖的左下角，下同F(xiàn)ig. 4 P-wave velocity （a），S-wave velocity （b） and Poisson’s ratio （c） in the Menyuan regionThe red star represents the 2022 Menyuan MS6.9 earthquake，the red solid circle represents its aftershock，and the crustal depth is labled at the lower-left corner of the subfigure，the same below

圖5 穿過門源地震震源區(qū)的P波速度（a）、S波速度（b）和泊松比（c）的垂向剖面圖剖面方向根據(jù)圖4白色實線繪制，剖面數(shù)據(jù)來自肖卓和高原（2017）Fig. 5 Vertical profiles of P-wave velocity （a），S-wave velocity （b） and Poisson’s ratio （c） through the source region of Menyuan earthquakeThe section direction is drawn according to the white line in Fig. 4，and the profile data is from Xiao and Gao （2017）

夏思茹等（2021）使用青藏高原東北緣71個固定臺和418個流動臺站得到了更高分辨率的三維P波速度結構，本文使用其數(shù)據(jù)繪制了兩個跨過震中位置的垂向剖面圖（圖6）.從圖6可以看到，門源地震發(fā)生在上地殼高低速變化過渡區(qū)，震源下方存在明顯低速體.從這一點上看，圖6與圖5的P波速度垂向變化結果基本一致.

圖6 穿過門源地震震源區(qū)P波速度垂向剖面圖剖面方向根據(jù)圖1中白色實線繪制，剖面數(shù)據(jù)來自夏思茹等（2021）Fig. 6 Vertical P-wave velocity profile through the source region of Menyuan earthquakeThe section direction is drawn according to the white line in Fig. 1，and the prolife data is from Xia et al （2021）

人工地震測深剖面（王椿鏞等，1995）和遠震面波成像（Liet al，2017）均揭示，祁連造山帶下方中地殼存在S波低速層；地震與速度結構之間關系的研究結果表明，地震的發(fā)生往往與殼內(nèi)低速度層存在明顯的關聯(lián)性（Zhaoet al，2002；李永華等，2014）；重力資料多階小波分析也顯示，重力異常分布與大地震發(fā)生的位置有關聯(lián)性（Wu，Gao，2019）；王新勝等（2013）利用分離的布格重力異常揭示大地震多發(fā)生在高、低密度異常邊界區(qū)域或者下地殼低密度層之上，結果顯示這次門源MS6.9震源區(qū)下方下地殼表現(xiàn)為強烈的低密度異常；趙凌強等（2019）通過大地電磁探測剖面發(fā)現(xiàn)冷龍嶺斷裂下方存在高導層，認為該斷裂下方可能形成了明顯的力學強度軟弱區(qū)，這種力學強度軟弱區(qū)的存在易導致地震蠕動、滑移與發(fā)生.由此可見，地震帶下方殼內(nèi)薄弱層的存在很可能使其上覆脆性上地殼物質(zhì)易于形成應力集中而發(fā)生強震.

3 背景噪聲成像揭示的相速度和方位各向異性分布

利用青藏高原東北緣地區(qū)固定地震臺網(wǎng)三分量連續(xù)波形數(shù)據(jù)，采用Yao等（2006）發(fā)展起來的背景噪聲數(shù)據(jù)處理技術，使用瑞雷波能量較強的垂向記錄，反演得到了青藏高原東北緣地區(qū)相速度和方位各向異性（王瓊，高原，2018）.為了分析門源地震與深部結構的關系，本文重繪了門源地震震源區(qū)的區(qū)域相速度和方位各向異性結構（圖7）.

圖7 門源地震震源區(qū)相速度和方位各向異性分布Fig. 7 Phase velocity and azimuthal anisotropy distribution in the source region of the Menyuan earthquake（a） T＝8 s；（b） T＝12 s

根據(jù)門源MS6.9地震的震源深度結果，把門源地震標示在周期8 s和12 s的相速度圖（圖7）上.可以看到，MS6.9門源地震發(fā)生在高低速的過渡區(qū)，方位各向異性也呈現(xiàn)出方向和幅值的變化.郭瑛霞（2017）利用布設在祁連山斷裂帶的40個短周期流動臺站和38個寬頻帶固定臺站的記錄，采用背景噪聲成像得到了祁連地塊S波速度結構，結果同樣顯示門源震源區(qū)處于高速與低速的過渡區(qū)域.王瓊和高原（2014）分析青藏高原東南緣地區(qū)強震活動與速度結構關系時發(fā)現(xiàn)，M5.0—6.9地震主要發(fā)生在高低速過渡區(qū)和低速異常區(qū)，M≥7.0地震則主要發(fā)生在高低速過渡區(qū)但更深入到高速異常區(qū)里.房立華等（2009）認為，速度變化強烈的地區(qū)存在應力集中，介質(zhì)比較脆弱，更易于釋放應力而觸發(fā)較大的地震.

地震各向異性可以揭示殼幔內(nèi)部構造變形等信息（高原，滕吉文，2005）.連續(xù)記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)不依賴于地震信號，更有利于獲得地殼的結構特征.從圖7可以看到，以冷龍嶺斷裂為界，各向異性快波方向呈現(xiàn)不同特征：斷裂以北，快波方向主要呈北東方向，與區(qū)域平均最大主壓應力方向一致（許忠淮，2001）；斷裂以南，快波方向主要呈北西方向，表明各向異性形態(tài)可能受到區(qū)域斷裂帶的影響，揭示門源地區(qū)地殼（至少上地殼）介質(zhì)各向異性可能受到區(qū)域構造應力和局部斷裂（構造）的雙重約束.

祝意青等（2016）關于2011—2015年流動重力觀測資料的分析結果顯示，重力變化在冷龍嶺斷裂兩側出現(xiàn)正負邊界帶，重力變化梯度帶與冷龍嶺斷裂的走向一致，冷龍嶺北側的重力變化以正值為主，南側則以負值為主，表明冷龍嶺斷裂有地震孕育的構造背景.趙凌強等（2019）結合現(xiàn)今水準、重力、GPS速度場及大地電磁測深結果，認為冷龍嶺斷裂所處的祁連—海原斷裂帶是青藏高原東北緣的邊界斷裂，目前正承受著巨大的NE向擠壓力.Gao等（1996）和高銳等（1998）根據(jù)深地震反射剖面結果認為青藏高原在向北擴展過程中處于雙向擠壓應力作用之下，同時受到印度板塊向北俯沖和阿拉善地塊沿寬灘山斷裂插入到祁連山之下的動力作用.在雙向擠壓力作用下，上地殼巖片發(fā)生逆沖疊覆，巖層發(fā)生脆性變形，使上地殼縮短增厚，因此對于祁連造山帶內(nèi)低速高導層的存在，可能與地殼增厚和地表抬升有關.Wang （2001）提出，由于殼幔流變性質(zhì)的差異，地殼的增厚升溫可以降低巖石層的整體強度.新生代祁連造山帶地殼的增厚和構造演化可能導致放射性生熱元素含量增加，產(chǎn)生相對較高的熱流值.羌塘地塊和松潘—甘孜地塊的熱流值較低（44—45 mW/m2），柴達木盆地的熱流值為54 mW/m2，而祁連造山帶的熱流值高達66 mW/m2（Wang，2001），說明祁連山的局部低速異常可能由上地殼增厚、生熱元素含量增加引起，而門源地震同時也處于地殼厚度快速變化的區(qū)域（圖3），容易造成應力的集中，具有發(fā)生大地震的深部構造背景.

4 討論與結論

本文根據(jù)地殼厚度、vP/vS比值、P波和S波速度結構、面波相速度及方位各向異性結果，結合密集地震臺陣探測、人工地震測深、深地震反射、大地電磁探測、區(qū)域重力場等地球物理資料，初步探討了門源MS6.9地震的深部構造背景.

此次門源MS6.9地震發(fā)生在地殼厚度和vP/vS值都出現(xiàn)快速空間變化的區(qū)域.門源MS6.9地震震源位于P波速度從淺到深由高速變低速的垂向過渡區(qū)，也是S波速度和泊松比分布呈現(xiàn)明顯橫向變化的過渡區(qū)域，該過渡區(qū)域大致處于10—20 km深度范圍內(nèi).背景噪聲成像結果顯示，冷龍嶺斷裂兩側相速度和方位各向異性變化明顯.這些現(xiàn)象表明，地震活動與地殼結構有較強的對應關系.通常情況下，地震波速度的變化可能代表巖石強度的變化，而大的破裂或強烈的地殼變形往往都集中在地殼強度（或地震波速度）反差較大的地方（Tianet al，2021）.

1月12日的MS5.2余震震中與2016年MS6.4地震震中很近，表明這次門源MS6.9地震及其余震導致冷龍嶺斷裂的破裂比較充分，兩次門源地震之間及鄰近地區(qū)短時間內(nèi)難以積累更大的能量，即意味著短時間內(nèi)發(fā)生更大地震的可能性不大.

本文結果顯示，不同資料、不同方法及不同數(shù)據(jù)處理得到的結果可能存在差異，需要甄別大的形態(tài)一致性與小的局部不同.重要的是強震震源區(qū)處于地殼介質(zhì)物性快速變化的過渡區(qū)，這是不同的研究結果給出了共同的認識.對于小區(qū)域深部結構的準確成像，需要密集臺陣觀測資料的支持.此外，P波與S波速度分布不同，可能表明巖性、組分或流體充填狀態(tài)等的不同.

受到印度板塊和歐亞板塊持續(xù)碰撞、擠壓的遠程作用，青藏高原東北緣祁連地塊的地殼顯著增厚，但隴西盆地沒有明顯增厚（Tianet al，2021），而祁連地塊東部正處于地殼厚度橫向變化較為劇烈的區(qū)域，容易形成應力集中和積累，具有發(fā)生大地震的深部構造背景.

中國地震局地球物理研究所王興臣副研究員提供了地殼厚度和波速比數(shù)據(jù)，石磊副研究員和碩士研究生夏思茹提供了P波速度剖面圖件，審稿專家提出的寶貴意見使本文的質(zhì)量有了明顯改善，作者在此一并表示衷心的感謝.