利用重力異常分析2021年青海瑪多MS7.4地震發(fā)震斷層與結(jié)構(gòu)特征

石磊, 陳濤, 李永華

1 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081 2 中國地震局震源物理重點實驗室, 北京 100081 3 中國地震局地震預(yù)測研究所, 北京 100036 4 中國地震局，北京 100036

0 引言

2021年5月22日，青海省果洛藏族自治州瑪多縣發(fā)生強烈地震，西寧、蘭州等地均有強烈震感.中國地震臺網(wǎng)中心測定的震級為MS7.4，震中位于北緯34.59°，東經(jīng)98.34°，震源深度17 km；而美國地質(zhì)調(diào)查局測定的震級為MW7.3，震中位于北緯34.61°，東經(jīng)98.25°，震源深度10±1.7 km；全球矩心張量解(GCMT)測定的震級為MW7.4，震中位于北緯34.65°，東經(jīng)98.46°，震源深度12 km.雖然不同研究機構(gòu)給出的震中位置、震級略有差異，但宏觀震中位置相對集中，可以初步判定瑪多地震的發(fā)震斷裂位于青藏高原中北部巴顏喀拉活動塊體內(nèi)部，是一條與塊體北邊界東昆侖斷裂帶近平行的活動斷裂(詹艷等，2021；張喆和許力生, 2021；華俊等，2021；王未來，2021).根據(jù)GCMT地震目錄，瑪多周邊區(qū)域自1976年以來曾發(fā)生多次地震，震級均小于MW6.0，本次地震是該地區(qū)40年來首次震級超過MW7.0的地震，對于研究巴顏喀拉活動塊體內(nèi)部的地震危險性意義重大.

張培震等(2003)綜合利用活動構(gòu)造、GPS測量、地震活動性等資料提出了活動塊體假說，將中國大陸及其周邊地區(qū)劃分為6個Ⅰ級活動塊體區(qū)和22個Ⅱ級活動塊體.其中，巴顏喀拉Ⅱ級活動塊體屬于青藏Ⅰ級活動塊體區(qū)，受青藏高原新生代以來側(cè)向擠出的影響，形成了以東昆侖斷裂帶為北邊界，玉樹—甘孜—鮮水河斷裂帶為南邊界，龍門山斷裂帶為東邊界，阿爾金斷裂帶為西邊界的圍限區(qū)域，是我國現(xiàn)今地震活動最強烈的區(qū)域之一(Tapponnier et al., 1982；張培震等，2003；Burchfiel et al., 2008).自1997年瑪尼MS7.5地震以來，中國大陸7級以上強震都發(fā)生在巴顏喀拉塊體周緣斷裂，如2001年昆侖山口MS8.1地震、2008年汶川MS8.0地震、2011年玉樹MS7.1地震、2013年蘆山MS7.0地震和2017年九寨溝MS7.0地震等.

雖然巴顏喀拉活動塊體周緣強震頻發(fā)，但其內(nèi)部的地震危險性同樣不容忽視.除塊體邊界發(fā)育大型走滑斷裂帶以外，巴顏喀拉塊體內(nèi)部還發(fā)育有一系列活動斷裂(圖1a)，如龍日壩斷裂、瑪多—甘德斷裂、昆侖山口—江錯斷裂、甘德南緣斷裂、達(dá)日斷裂等(鄧起東等，2002；徐錫偉等，2016).巴顏喀拉塊體位于青藏高原腹地，海拔較高、人煙稀少，因此歷史地震記載不全，加之高原地震地質(zhì)調(diào)查難度大，有關(guān)活動斷裂的歷史地震、古地震以及斷層活動速率等研究并不多(熊仁偉等，2010；Ren et al., 2013；梁明劍等，2014).

圖1 巴顏喀拉塊體中東部構(gòu)造背景(a)與瑪多MS7.4地震主震區(qū)及鄰區(qū)斷裂分布(b)(a)中地形數(shù)據(jù)來自ETOPO1高程模型；棕色線為縫合帶，黑色、紅色和藍(lán)色線為斷裂帶(Taylor and Yin, 2009)；紅色五角星為瑪多地震震中, 藍(lán)色圓點為重定位余震序列分布(徐志國等, 2021)；黃色方框為研究區(qū)；KLF，東昆侖斷裂帶；LMSF，龍門山斷裂帶；GYXF，玉樹—甘孜—鮮水河斷裂帶；LRBF，龍日壩斷裂帶. 圖(b)中地形數(shù)據(jù)來自SRTM高程模型；灰色線為斷裂帶(鄧起東等, 2002)，紅色五角星為瑪多地震震中(徐志國等, 2021).Fig.1 Tectonic settings around the Bayan Har Block (a) and active faults of the research area (b)Fig.(a) Topography is from ETOPO1 model; Brown lines denote suture zone, black, red and blue lines denote faults (Taylor and Yin, 2009); Red star represents Madoi MS7.4 earthquake, blue circles show the aftershocks (Xu et al., 2021); Yellow square represents study area; KLF, East Kunlun fault; LMSF, Longmenshan fault zone; GYXF, Yushu-Garze-Xianshuihe fault; LRBF: Longriba fault. Fig.(b) Topography is from SRTM model; Gray lines show the faults (Deng et al., 2002); Red star represents the mainshock (Xu et al., 2021).

由于前期對巴顏喀拉活動塊體內(nèi)部活動斷裂及地震危險性的研究程度不高，目前對于瑪多地震的發(fā)震斷裂仍存在分歧.詹艷等(2021)結(jié)合大地電磁探測剖面、震中位置、余震分布和衛(wèi)星影像解譯，推斷發(fā)震斷層為瑪多—甘德斷裂.華俊等(2021)結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查資料和InSAR地表破裂跡線確定的發(fā)震斷層為昆侖山口—江錯斷裂.基于固定和流動臺站觀測數(shù)據(jù)開展的地震精定位研究結(jié)果(王未來等, 2021)也支持上述瑪多地震發(fā)震斷裂為昆侖山口—江錯斷裂的認(rèn)識.但徐志國等(2021)地震序列精定位研究顯示，瑪多地震主震位于瑪多—甘德斷裂與甘德南緣斷裂之間，發(fā)震斷層為昆侖山口—江錯斷裂或某未知斷裂仍不能確定，還有待深入研究.

斷裂帶結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)是斷層力學(xué)和地震行為的有效指征.寬角地震折射(Zhang et al., 2011)、斷層首波分析(Yang et al., 2015)和高精度地震成像(孟亞鋒等, 2019; Feng et al., 2022)等研究顯示，大尺度的斷裂帶往往表現(xiàn)為地震波低速異常.但受地震觀測限制，現(xiàn)有成像方法無法很好地刻畫斷裂帶的幾何形態(tài).重力測量容易實現(xiàn)全區(qū)高分辨率覆蓋，異常分析也是研究活動斷裂結(jié)構(gòu)的有效手段之一.方菲(2020)根據(jù)區(qū)域重力和航磁資料采用小波多尺度分析方法研究了邢臺、唐山和三河—平谷地震的發(fā)震斷裂特征.Liu等(2021)利用東天山地區(qū)全張量重力梯度分析了斷裂的分布和走向，并討論了潛在的地震發(fā)生風(fēng)險.Wang等(2022)基于高精度布格重力異常精細(xì)描繪了郯廬斷裂帶中段的殼內(nèi)幾何形態(tài)與變形特征.

本文基于布格重力異常計算全張量梯度，利用能夠較好識別淺層與深層場源邊界的傾斜角(TA, Tilt angle)(Miller and Singh, 1994)和傾斜角總水平梯度(THDR, First tilt angle horizontal derivative)(Verduzco et al., 2004)兩種方法，識別巴顏喀拉塊體內(nèi)部斷層空間分布，結(jié)合區(qū)域活動構(gòu)造和地表破裂展布，推斷本次瑪多地震可能的發(fā)震斷層；在此基礎(chǔ)上，采用斷層傾角估計方法(Beiki, 2013)，估算斷層傾角，通過重力異常反映的地下物質(zhì)結(jié)構(gòu)橫向差異，進(jìn)一步研究發(fā)震斷層的空間展布和分段特性，從而為深化認(rèn)識巴顏喀拉活動塊體內(nèi)部地震危險性提供重力學(xué)參考.

1 區(qū)域構(gòu)造背景

新生代以來，印度板塊與歐亞大陸板塊的持續(xù)碰撞使得青藏高原持續(xù)隆升，并不斷向周邊擴展，使之成為亞洲乃至全球大陸巖石圈變形最強烈的地區(qū)之一(Molnar and Tapponnier, 1975).隨著新近紀(jì)至第四紀(jì)青藏高原的強烈隆升，高原內(nèi)部經(jīng)歷了碰撞拼合、疊加增厚和錯斷分裂等過程(滕吉文等, 1996)，形成了一系列以走滑斷裂帶為邊界的二級活動塊體(張培震等, 2003).其中，青藏高原東北緣的巴顏喀拉活動塊體位于羌塘活動塊體與東昆侖—柴達(dá)木活動塊體之間，是現(xiàn)今我國大陸內(nèi)部地震活動最為頻繁的地區(qū)之一(鄧起東等，2010).楊經(jīng)綏等(2005)提出阿尼瑪卿洋盆在三疊紀(jì)時期向北緣俯沖形成縫合帶，并沿縫合帶發(fā)生左旋走滑，形成的東昆侖斷裂構(gòu)成巴顏喀拉活動塊體北邊界.許志琴等(2011)認(rèn)為東昆侖斷裂傾向北東，以中等角度插入殼幔深部200 km.

與巴顏喀拉活動塊體周緣相比，塊體內(nèi)部相對穩(wěn)定，存在厚度為幾公里的深海三疊系沉積序列，地層時代大多為晚三疊世，被稱為巴顏喀拉復(fù)理石雜巖(Yin and Harrison, 2000).由于晚三疊世和早侏羅世時期的褶皺和逆沖作用，該雜巖內(nèi)部變形強烈，發(fā)育顯著的逆沖和推覆疊片，深部表現(xiàn)為韌性剪切和塑性流變，地殼出現(xiàn)明顯縮短增厚(楊經(jīng)綏等，2005).塊體內(nèi)部北東走向的龍日壩斷裂，是巴顏喀拉塊體向南東方向運動過程中受華南活動塊體阻擋而形成的龍門山構(gòu)造帶后展式推覆構(gòu)造系統(tǒng)的一部分(徐錫偉等，2008)，將巴顏喀拉活動塊體進(jìn)一步分割為阿壩和龍門山兩個次級塊體(Shen et al., 2005；Ren et al., 2013).從宏觀震中和余震序列定位結(jié)果來看，本次瑪多MS7.4級地震就發(fā)生在阿壩次級塊體內(nèi)部.

阿壩次級塊體內(nèi)部發(fā)育一系列北西西走向、近平行分布的走滑斷裂(裴先治，2001；潘家偉等，2021)(圖1b).研究表明，阿壩次級塊體內(nèi)部北西向斷裂均表現(xiàn)為左旋走滑運動，它們的左旋走滑速率應(yīng)低于東昆侖斷裂帶西段約10 mm·a-1的滑動速率(Kirby et al., 2007；Li et al., 2011; Ren et al., 2013).達(dá)日斷裂為全新世活動斷裂(戴華光，1983)，1947年達(dá)日MS73/4地震在斷層中段形成的70 km長的地表破裂至今清晰可見(梁明劍等，2020)，但未看到公開發(fā)表的晚第四紀(jì)以來平均滑動速率研究結(jié)果.瑪多—甘德斷裂也是全新世活動斷裂(熊仁偉等，2010)，根據(jù)地貌面對比估算晚更新世以來的左旋走滑速率應(yīng)小于6～8 mm·a-1.本次瑪多MS7.4級地震就發(fā)生在達(dá)日斷裂與瑪多—甘德斷裂之間的區(qū)域(圖1)，而該地區(qū)的活動構(gòu)造研究程度相對較低.鄧起東等(2002)認(rèn)為該地區(qū)主要構(gòu)造為昆侖山口—江錯斷裂，整體呈北西西向展布，斷層傾向北東，總長度約為500 km，是一條左旋走滑斷裂.徐錫偉等(2016)將昆侖山口—江錯斷裂帶劃為東昆侖斷裂帶的一部分.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 重力數(shù)據(jù)和全張量梯度換算

布格重力異常收集自中國地質(zhì)調(diào)查局，橫向網(wǎng)格間距為5km，測量值均方差約±0.3mGal，布格異常均方差優(yōu)于±1.0mGal(中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部, 1994).高精度的地面測量數(shù)據(jù)，為開展震源區(qū)斷裂帶研究提供了有力的保障(Nishijima and Fujimitsu, 2015; 方菲, 2020).為更好的突顯與活動斷裂帶相對應(yīng)的構(gòu)造特征，主要為15～20 km(Matsumoto et al., 2016)，我們對布格異常進(jìn)行了帶寬為10km的低通濾波.在此基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化濾波法(Guo et al., 2013)去除了莫霍面和巖石圈底界面等深部結(jié)構(gòu)引起的區(qū)域異常，獲得研究區(qū)剩余重力異常(圖2).對剩余異常進(jìn)行頻率域換算(Mickus and Hinojosa, 2001)，得到全張量梯度.

重力梯度張量將重力矢量g=(gx,gy,gz)定義為

(1)

其中，gz是在(x,y)水平面上測量的.

Γ=F-1{[Κ(k)]Gz(k)},

(2)

其中，F(xiàn)-1為反傅里葉變換，Gz為gz的二維傅里葉變換，且

(3)

2.2 構(gòu)造邊緣識別

斷裂帶兩側(cè)往往具有一定的密度差異，引起重力異常較大的變化，利用這一特點應(yīng)用位場邊緣檢測方法，開展橫向線性構(gòu)造分析，是研究斷裂帶結(jié)構(gòu)特征的主要手段之一.常用的方法有異?？偹教荻?、垂向?qū)?shù)和解析信號振幅等，這些方法在劃分規(guī)模較大的斷裂帶時具有明顯優(yōu)勢，但規(guī)模較小的斷裂帶常被規(guī)模較大的斷裂帶淹沒，不易識別(Guo et al., 2015).近年來，隨著重力資料處理方法的發(fā)展，衍生并發(fā)展了一系列探測斷裂帶位置的新技術(shù)(Wijns et al., 2005; 張鳳旭等, 2007; Wang et al., 2009; Cameron and Goussev, 2010).利用這些方法對中強地震余震區(qū)斷裂帶的研究，取得了較好的應(yīng)用效果(Honda et al., 2008; Matsumoto et al., 2016; 方菲, 2020).

二維解析信號方法于1972年被首次提出(Nabighian, 1972)，因其振幅不受磁異常分量和磁化方向的影響，廣泛應(yīng)用于二度體磁異常的邊緣檢測.后續(xù)又發(fā)展為三維解析信號理論并擴展到重力場(Nabighian, 1984)，但沒有實際應(yīng)用結(jié)果.1992年Roest等(1992)利用磁異常三維解析信號振幅確定了構(gòu)造邊緣的位置.在此基礎(chǔ)上，Miller和Singh(1994)將解析信號相位的概念引入到邊緣識別中，稱為傾斜角(TA)，其計算公式為

(4)

TA方法的優(yōu)點是它的值被反正切限制在±π/2之間，就像一個自動增益濾波器，使異常輸出趨向于均衡化.這種增益作用可以使淹沒在強異常下的弱異常得到“相對放大”，從而實現(xiàn)了對弱異常的“提取”，能識別更多的隱伏地質(zhì)信息(Salem et al., 2007).一般地，傾斜角零值線附近為構(gòu)造邊界.

為進(jìn)一步提高TA的橫向分辨能力， Verduzco等(2004)提出了傾斜角總水平梯度(THDR)方法，對于平面網(wǎng)格數(shù)據(jù)，THDR的計算公式為

(5)

該方法是對TA再求總水平導(dǎo)數(shù)，利用其極大值確定構(gòu)造邊緣的位置.常規(guī)總水平梯度(余欽范和樓海, 1994)對位場場源邊界反映粗糙，而且對強異常場源邊界的反映強而對弱異常場源邊界的反映弱.通過公式(5)計算得到的THDR對邊界反映更狹窄尖銳，能在相應(yīng)的構(gòu)造位置產(chǎn)生更好的極值.

2.3 斷層傾角估計

重力全張量梯度矩陣?？煞纸鉃槿齻€矩陣：

Γ=USVT，

(6)

重力張量的最小和最大特征向量可分別表示斷裂帶的走向和傾角(Beiki, 2013).其中，傾角β由最大特征向量V1的三個分量v1x,v1y,v1z定義為(Beiki, 2013)：

(7)

根據(jù)β可定量估計斷裂帶的傾角，且分析β沿斷裂帶的分布常用來評估斷層類型(Beiki, 2013; Matsumoto et al., 2016).數(shù)值模擬研究表明(Beiki and Pedersen, 2010)，若斷層的傾角隨深度增加而減小，則為正斷層.反之，斷層的傾角隨深度增加同樣增加，則為逆斷層.

3 結(jié)果

3.1 區(qū)域重力場特征

王謙身(2003)指出從剩余重力異常中可以識別出斷裂的橫向位移，即異常軸線的水平錯動、突然中斷、轉(zhuǎn)折等.Hagiwara等(1997)也在Naguri斷層處觀察到左旋走滑斷裂存在引起的S型重力異常.本文圖2顯示的瑪多地震周邊地區(qū)剩余異常梯級帶與區(qū)域內(nèi)主要斷裂帶分布有較好的空間對應(yīng)關(guān)系.

昆中斷裂是柴達(dá)木—祁連山活動塊體的南部邊界斷裂，也稱柴達(dá)木南緣斷裂(鄧起東等，2002；徐錫偉等，2016)，是圖2中異常值變化最為劇烈的區(qū)域，其北皆為負(fù)值區(qū)，且達(dá)到負(fù)的最大值(-30 mGal).而昆中斷裂以南、東昆侖斷裂以北的區(qū)域為正的最大值(20 mGal)，昆中斷裂兩側(cè)異常變化明顯，斷層空間分布連續(xù)性較好.與昆中斷裂相比，東昆侖斷裂在異常變化圖上的分布連續(xù)性較差，存在明顯的分段特征，即98.0°E以西為西段，98.0°E～98.8°E為中段，98.8°E以東為東段.GNSS研究結(jié)果也顯示，東昆侖斷裂由西向東按照斷層活動性可分為不同段落，左旋走滑速率逐漸減小(Van Der Woerd et al., 2002; Kirby et al., 2007; Ren et al., 2013).昆中斷裂和東昆侖斷裂附近異常梯度帶的劇烈變化，表明兩者均為區(qū)域內(nèi)規(guī)模較大的邊界主斷裂，與之前的活動構(gòu)造研究和GNSS速度場觀測結(jié)果(Tapponnier et al., 2001; Zhang et al., 2004)一致.

巴顏喀拉活動塊體內(nèi)部的瑪多—甘德斷裂、昆侖山口—江錯斷裂和達(dá)日斷裂同樣位于異常變化梯級帶附近，但與上述邊界主斷裂相比，兩側(cè)異常值變化較為平緩.其中，瑪多—甘德斷裂走向與異常值正負(fù)變化零值線基本一致，梯級帶寬緩，呈現(xiàn)出明顯的走滑特征.熊仁偉等(2010)在調(diào)查瑪多—甘德斷裂甘德段時，發(fā)現(xiàn)斷裂活動長期具有走滑特征，多條黃河支流被左旋錯動，位錯量范圍為300～850 m.在剩余重力異常圖上(圖2)，達(dá)日斷裂走向同樣與異常零值線趨勢一致，其北東側(cè)存在一個相對高異常區(qū)，最大異常值約為13 mGal.昆侖山口—江錯斷裂位于此局部高異常區(qū)另一側(cè)，異常軸線沿昆侖山口—江錯斷裂發(fā)生錯斷，此處異常呈現(xiàn)為S型，表現(xiàn)出左旋走滑斷層特征.

3.2 橫向構(gòu)造分析

對全張量梯度gzx、gzy和gzz進(jìn)行TA和THDR計算(圖3,4)，考慮到處理與估計誤差，根據(jù)TA零值線過渡帶(-15°～15°)和THDR極值線(-0.06°/km ～0.1°/km)來劃分?jǐn)嗔?識別斷裂的標(biāo)志為異常軸線明顯錯動的部位，串珠狀異常的兩側(cè)或軸部所在的位置，等值線同形扭曲部位和封閉異常等值線突然變寬、變窄的部位等(曾華霖, 2005).

從圖3、4可知，TA和THDR均清晰地反映了區(qū)域內(nèi)已知活動塊體邊界主要斷裂的位置和分布.TA零值線過渡帶和THDR極值線都很好的反映了昆中斷裂的位置與走向，與活動斷裂劃分(鄧起東等, 2002；徐錫位等，2016)比較一致.東昆侖斷裂帶在TA和THDR圖上也都有較好的呈現(xiàn)，與其活動塊體邊界斷裂屬性對應(yīng)(許志琴等, 2011)，但斷裂位置與地表破裂略有差異，這可能是由于斷層傾向、地表沉積層覆蓋等因素所致.

前人研究結(jié)果表明(Beiki and Pedersen, 2010; Beiki, 2013; Kusumoto, 2015)，正斷層的傾角隨深度增加而減小，逆斷層的傾角隨深度增加而增加，走瑪多—甘德斷裂西段在TA圖上表現(xiàn)為零值線過渡帶的同形扭曲，在THDR圖上與串珠狀異常軸部所在的位置對應(yīng)，都顯示出西段斷裂的存在.而東部斷裂兩側(cè)并沒有明顯異常變化.宋向輝等(2021)通過2010年布設(shè)的玉樹—瑪多—共和人工地震剖面反演得到的地殼速度結(jié)構(gòu)也表明，瑪多—甘德斷裂切割到中上地殼，并未深切到下地殼，為規(guī)模較小的殼內(nèi)斷裂.達(dá)日斷裂在TA零值線過渡帶和THDR極值線都得到很好的反映，表現(xiàn)為兩側(cè)異常特征明顯不同的分界線，表明斷裂兩側(cè)密度差異明顯.達(dá)日斷裂西段重力劃分的位置位于活動斷裂定位的北西側(cè)，東段與活動斷裂(鄧起東等, 2002)認(rèn)識接近.晚第四紀(jì)活動特征研究也表明，達(dá)日斷裂與東昆侖斷裂是近乎平行排列的2條斷裂(熊仁偉等, 2010).昆侖山口—江錯斷裂在TA圖中表現(xiàn)為異常高與低之間的過渡帶，在THDR圖中為兩側(cè)異常特征明顯不同的分界線.郭文斌等(2016)研究表明，斷裂兩側(cè)基底厚度與地殼速度存在顯著差異，南側(cè)地殼速度低、有明顯凸起，北側(cè)地殼速度高、基底厚度相對較深.從基底結(jié)構(gòu)推測斷裂北傾，至少切穿4 km深的基底.

圖3 研究區(qū)傾斜角彩色實線和虛線為推測的發(fā)震斷層；藍(lán)色實線為鄂陵湖南段，紅色實線為黃河鄉(xiāng)段，綠色實線為東草阿龍湖段，粉色虛線為昌麻河鄉(xiāng)段.Fig.3 Tilt angle distribution of the gravity gradient tensorThe colourful solid and dotted lines show deduced seismogenic fault; Blue line shows Elinghu south segment; Red line shows Huanghexiang segment; Green line shows Dongcaoarlong segment; Pink dotted line shows Changmahexiang segment.

圖4 研究區(qū)傾斜角總水平梯度彩色實線和虛線為推測的發(fā)震斷層；藍(lán)色實線為鄂陵湖南段，紅色實線為黃河鄉(xiāng)段，綠色實線為東草阿龍湖段，粉色虛線為昌麻河鄉(xiāng)段.Fig.4 First horizontal tilt derivative distribution of the gravity gradient tensorThe colourful solid and dotted lines show deduced seismogenic fault; Blue line shows Elinghu south segment; Red line shows Huanghexiang segment; Green line shows Dongcaoarlong segment; Pink dotted line shows Changmahexiang segment.

3.3 斷裂傾角估計

滑斷層傾角一般沒有明顯的變化.重力資料估計得到的斷層傾角為殼內(nèi)平均值，受斷層傾向、深度和地表沉積層等影響，與震源機制反演結(jié)果和地表認(rèn)識可能存在差異.對重力全張量梯度進(jìn)行傾角計算，我們得到了余震區(qū)主要斷裂傾角的定量估計(圖5).

圖5 研究區(qū)斷裂傾角分布灰色實線為根據(jù)TA和THDR劃分的東昆侖斷裂和達(dá)日斷裂; 彩色實線和虛線為推測的發(fā)震斷層；藍(lán)色實線為鄂陵湖南段，紅色實線為黃河鄉(xiāng)段，深綠色實線為東草阿龍湖段，紫色虛線為昌麻河鄉(xiāng)段.Fig.5 Dip angle distribution of the research area Gray lines show East Kunlun fault and Dari fault extracted using TA and THDR; The colourful solid and dotted lines show deduced seismogenic fault; Blue line shows Elinghu south segment; Red line shows Huanghexiang segment; Dark green line shows Dongcaoarlong segment; Purple dotted line shows Changmahexiang segment.

研究區(qū)內(nèi)昆中斷裂作為柴達(dá)木—祁連山活動塊體的南部邊界斷裂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傾角變化范圍較大(30°～50°)，在大的走滑斷裂背景下，兼有正斷層和逆斷層.東昆侖斷裂西段(98°E以西)和中段(98.0°E—98.8°E)傾角變化不大，范圍約為50°～60°，表現(xiàn)為走滑斷裂特征.1937年花石峽MS7.5地震實地考察資料顯示，破裂帶的主斷面較陡，多在70°以上，斷層總體運動性質(zhì)為強烈左旋走滑(青海省地震局, 1999).東昆侖斷裂東段(98.8°E以東)整體仍表現(xiàn)為走滑性質(zhì)，但在尾部斷層傾角隨深度增加而增加，說明兼有逆斷分量.

達(dá)日斷裂作為活動塊體內(nèi)部次級斷裂，構(gòu)造相對簡單，斷層傾角整體沒有明顯的變化，只在研究區(qū)最東端(98.2°E—98.6°E)傾角隨深度減小，兼有正斷分量.瑪多—甘德斷裂整體同樣表現(xiàn)為走滑特征，以98.5°E為界，西段斷層傾角較大，約為70°；東段傾角均值減小至約60°.昆侖山口—江錯斷裂西段(97.3°E—98.3°E)傾角異常軸線發(fā)生錯斷，北側(cè)異常軸線方向為北西西向，南側(cè)異常軸線方向為南東向，表現(xiàn)為典型的左旋走滑特征，傾角較陡(75°～90°).

4 討論與分析

4.1 2021年青海瑪多MS7.4地震發(fā)震斷層

目前對于瑪多地震的發(fā)震斷層是瑪多—甘德斷裂(詹艷等, 2021)，還是昆侖山口—江錯斷裂(華俊等, 2021; 李智敏等, 2021; 王未來等, 2021)，或兩者之間的未知斷裂(徐志國等, 2021)還存在爭議.根據(jù)上述剩余重力異常分析結(jié)果，瑪多—甘德斷裂兩側(cè)異常變化平緩，西段(98.5°E以西)與TA零值線過渡帶和THDR極值線有所對應(yīng)，但東段無明顯可識別標(biāo)志，表明斷層兩側(cè)地下物質(zhì)密度差異不大，深部孕震環(huán)境偏弱.結(jié)合2021年5月22日02時到2021年5月31日02時的瑪多地震及其余震定位結(jié)果(圖1a)，地震序列從鄂陵湖南向東經(jīng)野馬灘大橋、黃河鄉(xiāng)、黃河河谷及東草阿龍湖到昌麻河鄉(xiāng)(王未來等, 2021; 徐志國等, 2021)，序列東南端斜穿瑪多—甘德斷裂，這與瑪多—甘德斷裂在此處的西北走向具有較大角度差異，表明該斷裂可能不是本次地震的發(fā)震斷層.

瑪多地震區(qū)域內(nèi)分布一系列平行的北西西向走滑斷裂，距離本次主震最近的是昆侖山口—江錯斷裂.鄧起東等(2002)認(rèn)為昆侖山口—江錯斷裂西段與東昆侖斷裂相連，向東延伸至甘德附近，總長度超過500 km，整體呈現(xiàn)北西西向展布，斷層傾向北東，斷層運動表現(xiàn)為左旋走滑性質(zhì).從剩余重力異常來看，異常軸線沿昆侖山口—江錯斷裂發(fā)生明顯錯斷，呈S型分布(圖2)，表明斷層兩側(cè)密度具有顯著差異，存在深部孕震構(gòu)造背景.對全張量梯度進(jìn)行TA和THDR計算，TA零值線過渡帶和THDR極值線均與昆侖山口—江錯斷裂走向大致相符，同時也和瑪多地震及其余震序列的空間分布(王未來等, 2021; 徐志國等, 2021)一致，據(jù)此推斷2021年青海瑪多7.4級地震可能的發(fā)震斷層為昆侖山口—江錯斷裂的東段，破裂段為江錯段.

4.2 發(fā)震斷層的分段性

野外地質(zhì)調(diào)查(李智敏等, 2021)顯示，瑪多地震地表破裂帶自西向東依次劃分為鄂陵湖南段、黃河鄉(xiāng)段、東草阿龍湖段和昌麻河鄉(xiāng)段.本研究發(fā)現(xiàn)瑪多地震可能的發(fā)震斷層昆侖山口—江錯斷裂不同段在剩余重力異常、TA零值線過渡帶和THDR極值線上具有不同的特征.為進(jìn)一步對比分析昆侖山口—江錯斷裂的分段特征，我們沿著鄂陵湖南段、黃河鄉(xiāng)段、東草阿龍湖段和昌麻河鄉(xiāng)段，提取了4條垂直剖面的剩余重力異常(圖2)，求取了一階垂直梯度，并與瑪多主震及其余震定位結(jié)果(徐志國等, 2021)進(jìn)行了比較(圖6).

鄂陵湖南段位于研究區(qū)剩余重力異常相對高值區(qū)(圖2)，TA零值線過渡帶(圖3)和THDR極值線(圖4)兩側(cè)異常特征明顯不同，斷裂識別標(biāo)志清晰，與李智敏等(2021)在震后現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)鄂陵湖南段地表破裂規(guī)模最大的現(xiàn)象相吻合.垂直梯度表現(xiàn)為異常值高與低的過渡帶，余震分布在重力異常變化轉(zhuǎn)折處(圖6c).基于重力資料的斷裂傾角估計，斷層傾角(圖5)較陡(75°～90°)，部分近直立，向北傾，主要表現(xiàn)為走滑特征，傾角隨深度增加略有增加，兼有逆斷分量.InSAR研究結(jié)果(華俊等, 2021)也顯示，該段同震滑動以左旋走滑為主，傾角約為80°.

圖6 穿過發(fā)震斷層的4條典型剖面的剩余重力異常(a,d,g,j)、一階垂直梯度(b,e,h,k)和主震及余震分布(c,f,i,l)4條剖面位置在圖2中標(biāo)示；藍(lán)線為剩余重力異常；紅線為重力異常一階垂直梯度；紅色五角星為瑪多地震主震；棕色圓點為余震在剖面上的投影.Fig.6 Cross sections maps of the residual gravity anomalies (top), first vertical derivative (middle), mainshock and aftershocks distribution (bottom).The positions of four profiles indicate in Fig.2; Blue lines show the residual gravity anomalies; Red lines show the first vertical derivative of residual gravity anomaliy; Red star denotes Madoi mainshock; Brown circles are aftershock projections on the segment.

黃河鄉(xiāng)段位于研究區(qū)剩余異常變化相對平緩的梯級帶內(nèi)(圖2)，是本次瑪多地震宏觀震中所在的段落(圖6f)，TA零值線過渡帶(圖3)軸線方向在該段發(fā)生錯斷，北側(cè)軸線方向為北西西向，南側(cè)軸線方向為南東向，THDR極值線(圖4)兩側(cè)異常特征明顯不同.前人研究(王謙身等, 2009; 陳石等, 2014; 石磊等, 2021)結(jié)果也顯示，中強地震主震多發(fā)生在異常變化的梯級帶內(nèi)，而不是梯級帶邊界.斷層傾角(圖5)自西(75°～90°)向東減小至55°，但總體仍表現(xiàn)為走滑特征.

東草阿龍湖段沿剖面剩余重力異常自斷裂處開始下降(圖6g)，TA零值線過渡帶(圖3)和THDR極值線(圖4)位于封閉異常等值線突然變窄的部位，可據(jù)此劃分出斷裂位置和走向.余震分布在垂直梯度由高值向低值變化的轉(zhuǎn)折區(qū)(圖6i).斷層傾角(圖5)范圍約為50°～65°，隨深度沒有明顯的變化，表現(xiàn)為走滑性質(zhì).瑪多地震余震分布(徐志國等, 2021)研究顯示，昆侖山口—江錯斷裂不同分段的傾角存在變化，但該斷裂總體上是一條左旋走滑斷裂.

昌麻河段沿剖面剩余重力異常在昆侖山口—江錯斷裂處表現(xiàn)為很小幅度的局部低異常(圖6j)，該段斷裂TA零值線過渡帶(圖3)和THDR極值線(圖4)特征不明顯.可能原因為：(1)該段斷裂較為年輕，滑移量較??；(2)斷裂規(guī)模較小，現(xiàn)有重力異常比例尺較小不足以分辨；(3)兩側(cè)密度相差不大，引起的重力異常不明顯.野外地質(zhì)調(diào)查研究顯示，昌麻河鄉(xiāng)段地表破裂斷續(xù)分布，斷層地貌跡線不清晰，認(rèn)為該斷層較為年輕或活動性較弱(李智敏等, 2021).垂直梯度對應(yīng)局部低值，余震分布在異常變化較快的梯級帶邊界(圖6l).斷層傾角(圖5)在大的走滑特征基礎(chǔ)上出現(xiàn)局部的傾角隨深度增大的現(xiàn)象，表明兼有逆斷分量.該段兩次余震震源機制結(jié)果(徐志國等, 2021)表明，瑪多地震主震破裂東側(cè)靠近瑪多—甘德斷裂和西藏大溝—昌馬河斷裂以走滑為主，兼有逆斷分量.

發(fā)震斷裂的分段性在其它地區(qū)也有發(fā)現(xiàn)，如1997年西藏瑪尼7.9級地震陸地衛(wèi)星影像研究(單新建等, 2006)表明，地震發(fā)生在NEE向瑪爾蓋茶卡—若拉錯斷裂帶上，分為白雪湖—瑪爾蓋茶卡、瑪爾蓋茶卡—朝陽湖、朝陽湖—雙端湖3段.2016年日本熊本7.0級地震余震區(qū)重力異常研究結(jié)果(Matsumoto et al., 2016)也顯示，發(fā)震斷層日奈久—布田川(Hinagu-Futagawa)斷裂帶具有5個分段，分別表現(xiàn)出不同的構(gòu)造特征.

已有研究表明，地震的行為特征與斷層的分段性具有明顯的相關(guān)性(Kim et al., 2016; 徐志國等, 2021).基于InSAR的同震形變分析(華俊等，2021; Guo et al., 2022)顯示，瑪多地震的最大滑移量有2處，分別出現(xiàn)在鄂陵湖南段與黃河鄉(xiāng)段交界處、東草阿龍湖段與昌麻河鄉(xiāng)交界處.本次地震復(fù)雜的滑移行為可能與發(fā)震斷層結(jié)構(gòu)橫向變化有關(guān)(Guo et al., 2022; Liu et al., 2021).斷層的幾何復(fù)雜性會造成震前載荷的變化，使發(fā)震斷層在區(qū)域動力環(huán)境加載作用下產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致此次地震的發(fā)生.

5 結(jié)論

我們利用由布格異常計算的全張量重力梯度得到的導(dǎo)數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了與2021年瑪多MS7.4地震相關(guān)的活動斷裂帶地下結(jié)構(gòu).昆侖山口—江錯斷裂離本次主震發(fā)震位置最近，剩余異常軸線沿斷裂發(fā)生明顯錯斷，走向與TA零值線過渡帶和THDR極值線基本一致，同時也和瑪多地震及其余震序列的空間分布(王未來等, 2021; 徐志國等, 2021)相符，推斷其為可能的發(fā)震斷層.瑪多—甘德斷裂兩側(cè)重力異常變化平緩，無法連續(xù)追蹤，表明其地下物質(zhì)密度差異不大，無法支持瑪多—甘德斷裂為本次瑪多地震發(fā)震斷層的推論(詹艷等, 2021).

重力分析是評價斷裂類型、連續(xù)性和分段性的有效方法.昆侖山口—江錯斷裂具有明顯不同的分段特征.鄂陵湖南段、黃河鄉(xiāng)段和東草阿龍湖段在TA零值線過渡帶和THDR極值線上有清晰的顯示；而昌麻河段的TA零值線過渡帶和THDR極值線特征不明顯，表明該段滑移量較小或斷裂規(guī)模較小.斷層傾角β顯示四個分段都主要表現(xiàn)為走滑特征，鄂陵湖南段和昌麻河段兼有逆斷分量.推測由于瑪多地震發(fā)震斷裂走向的平面變化及其深部結(jié)構(gòu)的橫向差異，在區(qū)域動力環(huán)境加載作用下可能產(chǎn)生沿斷層的局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致此次地震的發(fā)生.

伴隨青藏高原塊體運動，青藏高原7級以上強震主要沿大型塊體邊界斷裂帶分布(張培震等, 2003).巴顏喀拉塊體北邊界東昆侖斷裂帶與昆侖山口—江錯斷裂西段相連，往東一系列的斷裂帶依次與其相接.本次瑪多地震再次提醒，巴顏喀拉塊體內(nèi)部的一系列北西西向斷裂可能逐級分擔(dān)了東昆侖斷裂帶向東的滑動量.當(dāng)塊體前緣受到阻擋，內(nèi)部會發(fā)生差異變形，形成一系列與邊界性質(zhì)相同的斷裂并發(fā)生強震活動，塊體內(nèi)部的地震危險性不容忽視.

致謝感謝中國地質(zhì)調(diào)查局提供布格重力異常，國家海洋環(huán)境預(yù)報中心徐志國高級工程師提供瑪多地震及其余震精定位結(jié)果，感謝中國地震局地球物理研究所樓海研究員、韓建成副研究員，中國地震局地震預(yù)測研究所熊仁偉助理研究員和兩位評審專家的寶貴意見與建議.