青海瑪多MS7.4地震震源破裂過程反演結果的初步分析

鄧文澤 劉 杰 楊志高 孫 麗 張雪梅

(中國地震臺網中心，北京 100045)

0 引言

據(jù)中國地震臺網測定，北京時間2021年5月22日2時4分在青海省果洛州瑪多縣(34.59°N，98.34°E)發(fā)生MS7.4 地震，震源深度為17km(1)www.cenc.ac.cn/cenc/dzxx/369255/index.html。。本次地震震區(qū)的人口密度較低，暫未造成人員傷亡，在震中附近發(fā)現(xiàn)橋梁垮塌及近70km的地表破裂(2)http：∥qh.people.com.cn/n2/2021/0524/c378418-34742305.html。。本次地震位于巴顏喀拉塊體東部阿壩次級塊體的北邊界附近(鄧起東等，2003；詹艷等，2021)。塊體內部發(fā)育一系列走滑斷裂，據(jù)余震序列精定位結果推斷NWW向的昆侖山口-江錯斷裂是本次地震的主要發(fā)震斷層(王未來等，2021)。有儀器記錄以來，阿壩次級塊體共發(fā)生7次6.0級以上強震(圖1)，分布于達日斷裂和東昆侖斷裂附近(李陳俠等，2011)，其中最大地震為1947年達日7級地震。塊體內的瑪多-甘德斷裂帶處于中強地震空區(qū)，有研究表明(熊仁偉等，2010)瑪多-甘德斷裂晚更新世以來的水平滑動速率<6～8mm/a，存在強震孕育環(huán)境。

圖1 研究區(qū)域主要活動構造及歷史強震分布Fig.1 Distribution of active faults and historical large earthquakes.紅色五角星表示震中，藍色圓圈表示歷史強震，黑色實線表示斷層，插圖中黑色矩形區(qū)域表示研究區(qū)；紅線表示一級塊體邊界，藍線表示二級塊體邊界

本研究利用遠場地震波資料快速反演獲取了瑪多MS7.4 地震的震源機制解和震源破裂過程，同時利用近震全波形擬合方法反演了余震的震源機制解，結合地質構造背景確定震源破裂的特征，可為震后的災害評估和應急救援提供一定的依據(jù)。

1 資料和方法

本研究采用有限斷層反演方法反演了瑪多地震的震源破裂過程(Jietal.，2002a，b)。該方法通常將斷層轉換為具有一定長度和寬度的有限面源，在小波域實現(xiàn)不同頻帶信號的分離，采用模擬退火法求解滑動位移在斷層面上的時空分布。

地震發(fā)生半個小時后，利用GSN臺網的數(shù)據(jù)(圖2)和W-phase方法(Kanamorietal.，2008)進行點源模型的震源機制解反演，結果見表1，反演結果與USGS和GFZ等國際機構給出的結果較為一致。結合震中區(qū)域的地質構造背景、余震分布(圖3)和震源機制解結果，本文采用沿NW-SE向的斷層節(jié)面解(走向為102°、傾角為81°、滑動角為11°)構建斷層幾何模型，在有限斷層反演中通常需要估算斷層的長度和寬度，長度L和寬度W的估算公式分別為(Dahlenetal.，1998)

L=Vr×Td

(1)

W=D/sin(θ)×2

(2)

式(1)中，Vr表示破裂速度，Td表示破裂持續(xù)時間。式(2)中，D表示震源深度，θ表示斷層面傾角。

圖2 GSN臺網遠場臺站分布圖Fig.2 GSN stations map.

表1 青?，敹?MS7.4 地震的震源機制解Table1 Focal mechanism of Qinghai Madoi MS7.4 earthquake

圖3 瑪多地震的余震分布(MS≥3.0，截至2021年6月10日19時)和臺站分布圖Fig.3 Distribution of Madoi aftershocks and regional stations.紅色五角星為震中位置，藍色三角形表示區(qū)域臺網臺站，紅色三角形表示震后布設的流動應急臺站，白色實心圓為MS≥3.0余震，黑色實線表示斷層

破裂面參數(shù)的選取同時參考王未來等(2021)的余震精定位結果。最終，選取一個長185km、寬20km的平面作為破裂面，并將其劃分為37×5=185個子斷層，以中國地震臺網中心發(fā)布的震中位置(34.59°N，98.34°E)為起始破裂點，綜合各國際機構的結果采用10km作為起始破裂深度。選取信噪比較高且沿方位角分布較為均勻的23個遠場P波(30°<震中距<90°)和18個SH波的波形資料進行破裂過程反演。

截至2021年6月10日19時，中國地震臺網共記錄到MS3.0 以上余震57次(圖3)。為了更好地了解瑪多地震序列的發(fā)震構造和孕震機制，我們利用近震全波形擬合方法(Herrmannetal.，2011；Herrmann，2013)和中國地震臺網區(qū)域臺站數(shù)據(jù)反演MS4.0 以上余震的震源機制解(表2)，得到余震的震源機制和矩心深度。由于受主震尾波的影響，未給出震后2h內余震的震源機制解。

表2 瑪多地震MS≥4.0余震的震源機制解目錄Table2 Focal mechanism catalog of Madoi MS≥4.0 aftershocks

2 結果

圖3 和圖4 分別給出了瑪多地震序列余震(MS≥3.0)的空間分布和M-t圖。截至2021年6月10日23時59分共記錄到MS≥3.0余震57次，其中MS5.0～5.9地震1次，MS4.0～4.9地震17次，MS3.0～3.9地震39次，最大余震為2021年5月22日10時29分發(fā)生的MS5.1 地震?，敹嗟卣鹦蛄锌傮w呈NWW-SEE走向分布，與區(qū)域地質構造的走向一致，余震展布的長度約為170km，在主震的震中兩側均有分布。地震序列在震后衰減較快(圖4)，主震發(fā)生當天為強余震活動時段，震后2h內發(fā)生MS≥3.0余震17次，震后1d內發(fā)生MS≥3.0余震36次，最大余震發(fā)生在震后8h。進入6月，10d內僅發(fā)生3級以上地震1次，震級最大的為2021年6月3日發(fā)生的MS4.9 余震?？傮w而言，該地震活動序列整體表現(xiàn)為局部中小震強弱交替、頻度逐漸降低的衰減趨勢。

圖4 瑪多地震序列MS≥3.0地震的M-t圖(2021年5月20日—6月10日)Fig.4 M-t plot of Madoi aftershocks(from 20th May to 10th June，2021).紅線表示最大余震，正上方的標注為其發(fā)生時間和震級

通過有限斷層反演得到的本次地震的初步結果如圖5 所示。震源時間函數(shù)結果(圖5a)顯示本次地震的地震矩約為1.73×1020N·m，矩震級約為MW7.4 ，與GCMT和GFZ的結果一致。此次地震持續(xù)近45s，前5s的初始破裂釋放的能量較小，主要能量釋放于震后10～30s，30s之后破裂規(guī)模開始衰減，斷層開始緩慢愈合。斷層面上的靜態(tài)位移分布表明(圖5b)，主震造成的破裂呈現(xiàn)明顯的不對稱雙側破裂特征，斷層上破裂的平均滑動角約為3°，表明同震位移以左旋走滑為主。沿斷層走向破裂的長度約為140km，主震造成的主體破裂在0～15km深度范圍內。破裂在震中東、西兩側的滑動位移呈現(xiàn)出明顯的分段性特征，SE方向的滑動量略大于NW方向。最大滑動量約為400cm，位于震中SE方向0～20km處近地表，表明此次地震破裂到地表，易形成較強的震感或破壞，推測可能存在較大的地表破裂，在SE方向20km外破裂逐步向深部發(fā)展。在破裂的NW方向20km處存在較大的近地表滑動位移，破裂范圍略小于SE向，推測在該處存在地表破裂。在NW方向20～40km的滑動和SE方向20km外的滑動分布都呈現(xiàn)出向深部發(fā)展的趨勢，且NW方向由淺到深再到淺部，表明地震破裂面在深部比淺部具有更復雜的幾何形態(tài)。

圖5 瑪多地震的有限斷層反演結果Fig.5 Fast finite fault inversion results of rupture process of the Madoi earthquake.a 震源時間函數(shù)；b 斷層面上的靜態(tài)滑動位移分布

圖6 為震源破裂過程反演計算的理論地震圖與觀測波形資料的擬合情況，絕大多數(shù)臺站的互相關系數(shù)>0.9，平均相關系數(shù)達0.87，反演結果較好地解釋了大部分臺站的波形記錄。由于本次地震是走滑型事件，基于走滑型地震的P波輻射花樣，在斷層面和輔助面相對應的4個方位附近的臺站受震源機制影響較大，因此觀測波形的擬合情況較差。圖中，GUMO臺站的方位角為104°，與斷層面的走向基本一致，波形擬合相關系數(shù)為0.46。

圖6 瑪多地震的觀測波形與合成波形對比Fig.6 Comparison of observed and synthetic waves.黑色實線表示觀測波形，紅色實線表示合成波形，各子圖左側字母分別表示震相和臺站名，坐標軸左側數(shù)據(jù)從上到下分別為方位角(°)和震中距(°)，子圖右側數(shù)據(jù)從上到下分別為最大振幅(μm/s)和觀測波形與合成波形的相關系數(shù)

圖7 瑪多地震MS≥4.0余震的震源機制解分布Fig.7 Focal mechanism of Madoi MS≥4.0 aftershocks.圖中數(shù)字為表2所示的地震序號，余震的矩心深度用不同顏色表示

圖7 和表2為本次地震MS≥4.0余震的震源機制解。結果表明，余震的震源錯動較為簡單，機制多為走滑型，表明瑪多地震震源破裂區(qū)域內的變形主要為平移錯動，但斷層的走向呈現(xiàn)出明顯的差異性。其中，3次余震的震源機制解(事件5、6和9)與瑪多地震主震的機制較為一致，其實際發(fā)震斷層面與余震的主體方向表現(xiàn)一致。位于震中NW方向的余震(事件2、4、7、10和12)，其震源機制的走向和傾角與主震差異性較大，表明斷層面具有較為復雜的結構。震中附近事件11的震源機制解為正斷型，表明發(fā)震斷層以左旋走滑為主，兼具少量正斷分量。此外。事件15和16為逆沖事件，表明在主破裂區(qū)局部存在擠壓變形的特征。此次瑪多地震余震震源類型的差異反映了震源應力場的變化(魏柏林，1980)，后期的余震活動受局部應力場調整影響，與主震可能存在較大差異。

3 討論與結論

3.1 討論

本文利用有限斷層反演方法快速反演了2021年5月22日青?，敹嗟卣鸬钠屏堰^程，反演結果表明本次地震呈不對稱雙側破裂，破裂長度約為140km，略小于地表調查結果和余震精定位結果(李智敏等，2021；王未來等，2021；徐志國等，2021)。余震精定位結果顯示，在斷層的兩端出現(xiàn)多個分支斷裂，表明瑪多地震的主震破裂面在兩端的發(fā)展較為復雜，這可能是對破裂過程進行反演得到的破裂尺度略小的原因。斷層的最大滑動位移達400cm，分別位于主震震中NW向20km和SE向0～20km處，且深度較淺，推測震中附近存在大規(guī)模地表破裂，同時也是災害主要集中的區(qū)域；中國地震局正式發(fā)布的瑪多地震烈度圖顯示，在北西側和南東側均存在Ⅸ度區(qū)，地表破裂調查和InSAR反演結果(華俊等，2021)與本文反演得到的滑動位移分布基本一致。破裂在NW方向20～40km處的滑動和SE方向20km外的滑動分布都呈現(xiàn)出向深部發(fā)展的趨勢，且從初始破裂點沿NW方向的破裂由淺到深(約15km)再到淺部?？傮w上，主震的破裂分布沿走向以及深度方向表現(xiàn)出較強的不均勻性，表明地震破裂面在深部具有比淺部更復雜的幾何形態(tài)。

余震的震源機制反演結果顯示斷層錯動多為走滑型，這與區(qū)域歷史震源機制一致。研究區(qū)域存在多個大型走滑斷裂，這些斷裂適應了構造塊體的側向擠出效應。余震斷層面的走向和傾角差異性明顯(圖7)，這與復雜的地表破裂幾何結果相適應(李智敏等，2021)。

大地震發(fā)生后，對震源破裂過程進行快速反演可實現(xiàn)對地震破裂的性質及致災特征的初步推斷。然而，破裂過程反演不僅依賴于數(shù)據(jù)的完備性和反演方法，還依賴于發(fā)震斷層參數(shù)。震中位置、震源深度、斷層面參數(shù)等都會導致反演結果發(fā)生變化。對于大地震而言，通常只能采用遠震波形資料反演地震矩張量，以得到斷層面走向、傾角和滑動角，斷層面參數(shù)的偏差平均約為15°?，敹嗟卣鸢l(fā)生后，北京大學張勇教授(私人通訊)、USGS(3)https：∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000e54r/finite-fault。均給出了本次地震震源破裂過程的快速反演結果。本文的反演結果與上述結果存在一定差異，但反演結果的主要特征一致，在震中附近的NW和SE向近地表處存在較大滑移分布，隨著破裂的繼續(xù)傳播，各反演結果表現(xiàn)出差異性。由于破裂過程反演對先驗信息的強依賴性，本文利用區(qū)域臺網的波形數(shù)據(jù)反演余震的震源機制解，與本次地震的破裂過程可以相互印證。

本次地震發(fā)生在NWW走向的巴顏喀拉塊體北邊界帶，青藏高原持續(xù)受印度板塊向N擠壓逐步隆升，其內部的巴顏喀拉次級地塊整體表現(xiàn)出向E運動的特征(Wangetal.，2020)，此次地震是巴顏喀拉地塊向E“逃逸”運動(Xuetal.，2013)、側向擠出形成的又一次大地震。有研究表明(李智敏等，2021；王未來等，2021)，本次地震的發(fā)震斷層為昆侖山口-江錯斷裂，破裂段為江錯段。巴顏喀拉塊體內部強震的活躍度較低，最近發(fā)生的地震為1947年達日7級地震。主震震源區(qū)下方的深部速度結構顯示在20～40km深度存在顯著的低速異常體(嘉世旭等，2017；Xinetal.，2019；Huangetal.，2020)，詹艷等(2021)的研究結果表明震源區(qū)中下地殼廣泛分布的高導層揭示其遭受了構造變形或縮短，可能是青藏高原東北緣存在中下地殼流(Clarketal.，2000)的一種證據(jù)，相對軟弱的中下地殼流更容易導致上覆脆性層的能量積累。綜上所述，我們認為瑪多地震的孕育與印度板塊向N俯沖擠壓歐亞板塊、使其處于長期應力積累狀態(tài)(鄧起東等，2010，2014)及中下地殼存在低速體有關。

3.2 結論

本研究對2021年5月22日青?，敹?.4級地震開展了主震震源破裂過程反演及主震和MS≥4.0余震的震源機制解反演。結果顯示，主震為陡傾角左旋走滑型機制，中強余震的機制變化表明發(fā)震斷層面并非單一的平面結構；此次地震破裂持續(xù)近45s，前5s的初始破裂釋放的能量較小，主要能量釋放于震后10～30s，30s之后破裂規(guī)模開始衰減，斷層開始緩慢愈合。發(fā)震斷裂長約140km，略小于余震展布區(qū)的長度和震后地表破裂調查確定的破裂長度；主體破裂集中在0～15km深度，斷層的最大滑動量約為400cm，主震破裂分布沿走向及深度方向表現(xiàn)出較強的不均勻性，表明地震破裂面在深部比淺部具有更復雜的幾何形態(tài)。

致謝本文的地震波數(shù)據(jù)來自IRIS數(shù)據(jù)中心和中國地震臺網中心；陳九輝研究員、房立華研究員和郭飚副研究員對本文提出了寶貴意見；評審專家對本文提出了修改意見。在此一并表示感謝！