2021年甘肅阿克塞5.5級(jí)地震前區(qū)域地殼變形異常特征分析

馬海萍,趙 靜,王朋濤,王 謙,李敏娟,武善藝

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100045)

0 引言

2021年8月26日7時(shí)38分,甘肅酒泉市阿克塞縣(95.5°E,38.88°N)發(fā)生了5.5級(jí)地震(后文中統(tǒng)稱為阿克塞5.5級(jí)地震),震源深度～15 km(http://www.csi.ac.cn/)。根據(jù)本次地震的震源機(jī)制解結(jié)果,該地震破裂方式為逆沖型(http://www.globalcmt.org/)。該地震發(fā)生在阿爾金斷裂與祁連山斷裂帶的交匯部位,發(fā)震斷裂為黨河南山南緣斷裂后塘段。該斷裂屬于阿爾金南緣斷裂的東延段,斷裂帶長(zhǎng)度約60 km,斷裂走向近EW。根據(jù)前人的研究結(jié)果,該斷裂全新世以來的左旋滑動(dòng)速率約為(4.55±0.6) mm/a[1]。依據(jù)歷史地震目錄統(tǒng)計(jì),自1900年以來,震中附近100 km范圍內(nèi)共發(fā)生5級(jí)以上地震4次,其中5.0～5.9級(jí)共3次,6.0級(jí)以上1次,最大地震為1951年12月27日甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣6.0級(jí)地震。

“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”(CMONOC Ⅰ)和“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”(CMONOC Ⅱ)項(xiàng)目建設(shè)的GPS觀測(cè)臺(tái)站和近20年的觀測(cè),在本次地震的震源區(qū)及附近區(qū)域積累了一定的GPS觀測(cè)資料[2]。這些資料在剔除觀測(cè)異常數(shù)據(jù)之后,可為本文中震前區(qū)域地殼變形及運(yùn)動(dòng)特征分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料[3-4]。文中所用基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心解算后的區(qū)內(nèi)各GPS連續(xù)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和2017—2020期GPS流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,數(shù)據(jù)處理細(xì)節(jié)參閱文獻(xiàn)[5]。所采用的數(shù)據(jù)分析方法主要包括震源附近區(qū)域的2017—2020期GPS速度場(chǎng)分析、面應(yīng)變率場(chǎng)分析,以及跨發(fā)震斷裂的2條不同方向的站間基線時(shí)序分析。并基于分析結(jié)果研究了阿克塞5.5級(jí)地震前區(qū)域的現(xiàn)今地殼變形特征。研究得出的有關(guān)震中附近區(qū)域地殼形變和應(yīng)力應(yīng)變累積特征等結(jié)果,有助于更為精確地分析該地震的孕震過程,并可為該區(qū)域中強(qiáng)地震的預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)性資料。

1 震中附近區(qū)域GPS速度場(chǎng)分析

阿克塞5.5級(jí)地震震中位于青藏高原東北緣祁連山地震帶西端的黨河南山斷裂,位置較為特殊。速度場(chǎng)結(jié)果可用于研究區(qū)域的水平地殼運(yùn)動(dòng)與變形時(shí)空分布特征[6-7],圖1給出了本次地震的震中位置、發(fā)震斷層、震中附近區(qū)域的二級(jí)塊體邊界以及2017—2020期速度場(chǎng)(華南基準(zhǔn))。根據(jù)圖1中的速度場(chǎng)大小及方向可知,受印度洋板塊的推擠,青藏高原中南部表現(xiàn)出較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng),而由于青藏高原東北部的阿拉善塊體和東部的鄂爾多斯塊體的阻擋作用,使得青藏高原北部速度場(chǎng)的大小明顯降低,祁連山地震帶西南側(cè)的速度場(chǎng)由遠(yuǎn)及近表現(xiàn)為由大到小的分布特征,在靠近祁連山地震帶的區(qū)域不僅速度場(chǎng)的大小明顯減小,且方向大概在100°N左右兩側(cè)出現(xiàn)明顯的分叉現(xiàn)象。其西側(cè)的速度場(chǎng)方向從東到西依此由NNE轉(zhuǎn)為N再轉(zhuǎn)為NW,其東側(cè)的速度場(chǎng)方向由西到東依此由NNE轉(zhuǎn)為NE再轉(zhuǎn)為NEE。祁連山地震帶北東側(cè)區(qū)域受阿拉善塊體阻擋,方向從東到西由SW轉(zhuǎn)為W向,再逐漸轉(zhuǎn)為NW向。本次地震震中正好位于祁連山地震帶遠(yuǎn)場(chǎng)速度大、近場(chǎng)速度小,且發(fā)震斷裂兩側(cè)速度場(chǎng)方向由NNE轉(zhuǎn)為N向的轉(zhuǎn)折位置,是應(yīng)力積聚區(qū),具有發(fā)震的危險(xiǎn)性。

2 震中附近區(qū)域GPS面應(yīng)變率場(chǎng)分析

GPS面應(yīng)變率結(jié)果可以反映地殼變形的張壓變化特征。圖2給出了祁連山地震帶地區(qū)2017—2020期GPS面應(yīng)變率演化結(jié)果[8-10]。由圖可知,阿爾金斷裂與祁連山地震帶交匯區(qū)域和祁連山東段表現(xiàn)為面應(yīng)變率壓縮高值區(qū)。2021年祁連山地震帶發(fā)生了兩次5級(jí)以上地震,分別為3月28日青海茫崖5.8級(jí)和8月26日阿克塞5.5級(jí)地震,這兩個(gè)地震均以逆沖型為主,且均發(fā)生在阿爾金斷裂與祁連山地震帶交匯區(qū)域,即面應(yīng)變率壓縮高值區(qū)[11],量值約為-1.2×10-8/a,地震發(fā)震構(gòu)造類型與其所處的應(yīng)力背景狀態(tài)非常一致。

圖2 2017—2020期面應(yīng)變率場(chǎng)Fig.2 The area strain field during 2017-2020

3 震前GPS基準(zhǔn)站基線時(shí)間序列分析

GPS站間基線長(zhǎng)度時(shí)間序列是指用兩個(gè)GPS連續(xù)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算兩個(gè)站點(diǎn)間的大地線長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化曲線。GPS站間基線時(shí)間序列受參考基準(zhǔn)的影響較小。通過對(duì)基線長(zhǎng)度時(shí)序的分析,可以動(dòng)態(tài)地反映構(gòu)成基線的兩個(gè)站點(diǎn)之間地殼相對(duì)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而描述基線所跨的斷裂帶或塊體邊界帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性[12-15]。由于受阿克塞5.5級(jí)地震震中附近的GPS連續(xù)站點(diǎn)稀疏,且 站點(diǎn)QHLH 2020年以來觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失的限制,可分析的基線為GSDH-DLHA和GSAX-QHGE,震中及周邊GPS連續(xù)站及基線分布情況如圖3所示,可見基線GSDH-DLHA NNW向斜交于發(fā)震斷裂,基線GSAX-QHGE NNE向斜交于發(fā)震斷裂。通過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)這兩條斜交于發(fā)震斷裂的基線震前均存在異常。圖4給出了基線GSDH-DLHA的長(zhǎng)度時(shí)間序列、基線GSAX-QHGE的長(zhǎng)度時(shí)間序列及其去趨勢(shì)時(shí)間序列曲線,并給出了2019年甘肅夏河5.7級(jí)地震前基線GSLZ-GSMX的長(zhǎng)度時(shí)間序列曲線進(jìn)行對(duì)比說明。

圖3 震中及周邊GPS連續(xù)站分布圖Fig.3 Distribution of GPS continuous stations in the epicenter and surrounding areas

如圖4(a)所示,基線GSDH-DLHA長(zhǎng)度時(shí)間序列曲線斜率為正,說明該基線方向(即 NNW 向)的地殼變形處于伸長(zhǎng)的狀態(tài),其伸長(zhǎng)速率計(jì)算結(jié)果為(1.76±0.01) mm/a,該曲線在2019年后存在明顯的伸長(zhǎng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)緩,轉(zhuǎn)緩后的伸長(zhǎng)速率為(1.00±0.1) mm/a,說明了該斷裂的左旋走滑速率在2019年后明顯減緩。圖4(b)中基線GSAX-QHGE的長(zhǎng)度時(shí)間序列斜率為負(fù),表明該基線NNE向處于縮短的狀態(tài),縮短速率為(-5.70±0.01) mm/a,說明發(fā)震斷裂兩側(cè)一直處于穩(wěn)定的擠壓狀態(tài),這與速度場(chǎng)(圖1)反映的該區(qū)域受NE向推擠作用是一致的。此外,結(jié)合該基線去趨勢(shì)后的時(shí)間序列曲線結(jié)果[圖4(c)]不難看出,2018年后該曲線趨勢(shì)快速向下;根據(jù)圖4(b)計(jì)算得到該基線加速向下后的縮短速率為(-6.35±0.03) mm/a,表明2018年后該基線的縮短速率有所加快。綜上,這兩條基線的異常變化反映了阿克塞5.5級(jí)地震前約3年起,發(fā)震斷層兩側(cè)積累了一定程度的應(yīng)變能。

2019年10月28日甘肅夏河5.7級(jí)地震的震源機(jī)制解結(jié)果表明該地震破裂方式為逆沖兼少量走滑,且以逆沖為主(http://www.globalcmt.org/)。圖4(d)為跨夏河5.7級(jí)地震發(fā)震斷裂的基線GSLZ-GSMX的長(zhǎng)度時(shí)間序列曲線,由圖4(d)可知,夏河5.7級(jí)地震前NNW向斜交該地震發(fā)震斷裂的基線GSLZ-GSMX的長(zhǎng)度時(shí)間序列曲線在震前近3年存在趨勢(shì)減緩的變化[13],該異常變化與本次地震前震中NNW向基線GSDH-DLHA的異常變化結(jié)果相似。

圖4 阿克塞5.5級(jí)震前GPS站間基線時(shí)間序列的變化及其與夏河5.7級(jí)震前GSLZ-GSMX基線異常的對(duì)比Fig.4 Time-series variation of the GPS baseline before the Akesai M5.5 earthquake and a comparison with anomalies of GSLZ-GSMX baseline before the Xiahe M5.7 earthquake

4 結(jié)論

阿克塞5.5級(jí)地震前發(fā)震區(qū)域存在顯著的背景性區(qū)域地殼變形異常變化。通過研究,得出主要結(jié)論如下:

(1) 速度場(chǎng)結(jié)果表明,在印度板塊的推擠作用下,祁連山地震帶西南部的青藏高原向NE方向運(yùn)動(dòng),該運(yùn)動(dòng)受到了祁連山地震帶東北部的阿拉善塊體和東部的鄂爾多斯兩個(gè)剛性塊體的阻擋。本次地震震中正好位于西南側(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)速度大、近場(chǎng)速度小,方向由西南側(cè)NNE向轉(zhuǎn)為北側(cè)N向的轉(zhuǎn)折位置,存在發(fā)震的危險(xiǎn)性。

(2) 面應(yīng)變率場(chǎng)的結(jié)果表明,該地震處于阿爾金斷裂與祁連山地震帶交匯區(qū)域的面應(yīng)變率壓縮高值區(qū),反映了該區(qū)域?yàn)閿D壓應(yīng)變累積區(qū),該背景狀態(tài)與本次地震的發(fā)震類型——逆沖型地震較為一致。

(3) GPS連續(xù)站站間基線結(jié)果表明,NNW向斜交于發(fā)震斷裂的基線長(zhǎng)度在震前約3年表現(xiàn)出伸長(zhǎng)速率減緩的現(xiàn)象,反映了該斷層兩側(cè)的左旋走滑速率在震前存在明顯的轉(zhuǎn)緩;NNE向相交于發(fā)震斷裂的基線長(zhǎng)度在震前約3年表現(xiàn)出縮短速率加快,表明震前斷層兩側(cè)NNE向的擠壓速率加快,有利于應(yīng)變能的積累。

(4) 2021年茫崖5.8級(jí)地震、2019年夏河5.7級(jí)地震和本次地震的破裂方式均表現(xiàn)為逆沖型,或以逆沖為主。其中茫崖5.8級(jí)地震和本次地震震中均位于面應(yīng)變率低值區(qū);而夏河5.7級(jí)地震和本次地震前NNW向斜交于兩個(gè)發(fā)震斷裂的基線均反映出震前發(fā)震斷層兩側(cè)走滑速率減緩的特征,這些特征對(duì)該區(qū)域具有相同構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征的斷裂帶中強(qiáng)地震的孕育具有較好的指示意義。

致謝:感謝中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心提供的GPS數(shù)據(jù)產(chǎn)品。