2019年夏河M5.7地震的余震序列重定位及发震构造

2021-04-23刘旭宙沈旭章何骁慧

地震地质 2021年1期

刘旭宙沈旭章何骁慧蒲举

1)甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站，兰州 730000 2)中国地震局兰州岩土地震研究所，兰州 730000 3)中山大学地球科学与工程学院，广州 510275

0 引言

据中国地震台网中心正式测定，北京时间2019年10月28日01时56分，甘肃甘南藏族自治州夏河县发生了5.7级地震，震中位于(35.10°N，102.69°E)，震源深度10km。据甘肃省地震局的震后现场调查结果可知，夏河地震的最高烈度为Ⅶ度，Ⅵ度及以上烈度区的总面积为1i591km2，主要涉及甘南州夏河县和合作市2个县市。等震线长轴呈NW向，长52km，短轴长38km。据当地政府的灾评结果可知，地震共造成21人受伤。

此次地震的震中位于临潭-宕昌断裂和西秦岭北缘断裂之间，距离临潭-宕昌断裂的NW段较近，震中附近历史地震较少。临潭-宕昌断裂位于东昆仑断裂东段和西秦岭北缘断裂2条大型走滑断裂之间，其活动性质为左旋兼逆断，具有复杂的几何结构(郑文俊等，2005，2007a，b，2013a，b；何文贵等，2006，2013)。该断裂以岷县为界可分为NW和SE 2段，NW段为临潭—岷县段，线性地貌特征不明显，局部地段发育线性槽谷。地质实地考察结果显示，临潭-宕昌断裂为晚更新世活动断层，其SE段的活动性略强于NW段(袁道阳，2003)。

21世纪以来，在临潭-宕昌断裂的临潭—岷县段附近已经发生过5次中强地震(图1)，其中包括造成巨大损失的2013年岷县-漳县MS6.6地震。相对而言，本次夏河地震的震中位置更偏NW，深入研究此次地震的发震构造对于认识临潭-宕昌断裂及该区域的构造具有重要意义。此次地震具有较为完整的地震序列，截至2019年11月24日共发生180次余震。这些余震资料为确定该地震的发震构造提供了重要信息，也为进一步研究该地区的发震断层和判断未来的地震形势提供了参考。

图1 研究区的活动构造及历史地震分布图Fig.1 Regional active tectonics and historical earthquakes.F1西秦岭北缘断裂；F2临潭-宕昌断裂；F3东昆仑断裂；F4光盖山-迭山断裂；F5礼县-罗家堡断裂；F6龙门山断裂

本文基于测震固定台网记录的夏河地震序列的震相数据，利用gCAP方法(Zhuetal.，2013)和P波初动方法(许向彤等，1995)反演了主震的震源机制解。此外，利用HYPO2000方法(Klein，1978)对地震序列进行了初定位，并利用双差定位方法(Waldhauseretal.，2000)对主震及余震序列进行精确定位，获得了较为准确的余震震源参数及空间分布特征。在此基础上，结合夏河M5.7地震的区域构造环境和烈度分布情况，探讨了该地震序列可能的发震断层和成因机制。

1 夏河M5.7地震的震源机制解

本文采用gCAP方法求解了夏河地震主震的震源机制解。gCAP全矩张量反演方法以CAP(Zhuetal.，1996，Julianetal.，1998)方法为基础，根据理论与观测波形的拟合反演震源机制解，该方法已被许多学者采用(黄建平等，2009；李圣强等，2013；易桂喜等，2015；张广伟等，2015)。本文求解出的地震最佳双力偶节面解见图1和图2，并求得主震的震级为MW5.36，最优震源深度为5.9km。求解按照以下步骤进行：

图2 夏河M5.7地震的gCAP震源机制解Fig.2 Focal mechanism result of Xiahe M5.7 earthquake with gCAP method.

(1)将seed格式的波形记录转换为sac格式，并对sac波形进行去均值、去倾斜和去尖操作，然后去除仪器响应；

(2)将sac波形旋转到垂向、径向和切向并进行重采样，分解波形为Pnl波和S波，并分别进行0.05～0.2Hz和0.02～0.08Hz四阶带通滤波；

(3)计算拟合所需要的格林函数，速度结构见表1(周民都等，2006)。

表1 夏河地震震中附近区域的速度模型Table1 The seismic velocity model used in location and re-location

震源机制解的具体参数为：节面I的走向、倾角和滑动角分别为185°、56°和127°；节面Ⅱ的走向、倾角和滑动角分别为312°、48°和48°。该结果反映出此次地震的主震为逆冲兼具走滑性质的破裂形式。此外，我们也采用P波初动方法求解了夏河地震主震的震源机制解。本研究共搜集到72个来自测震固定台站的P波初动数据，从中筛选出62个清晰的P波初动并据此得到震源机制解。结果为：节面I的走向、倾角和滑动角分别为141°、62°和83°；节面Ⅱ的走向、倾角和滑动角分别为334°、28°和101°。相较于gCAP的结果，P波初动的结果具有更多的逆冲成分，节面的走向相差近40°。由于夏河地震震中SW向的台站较少，在求解P波初动解时对地震的方位覆盖不足，这可能是造成2种震源机制解出现差别的原因。哈佛大学CMT项目组(1)https:∥www.globalcmt.org。、美国地质调查局(USGS)(2)https:∥www.emsc-csem.org/Earthquake/。和德国地学研究中心(GFZ)②分别发布了本次地震的震源机制解信息(表2)。本文计算了各震源机制解与本文gCAP的B轴空间旋转角差值，结果显示，本文的gCAP解接近USGS和CMT的结果。在后续的分析中将采用本文gCAP的结果。

表2 夏河地震震源机制解信息汇总Table2 The focal mechanisms of Xiahe earthquake

图3 夏河M5.7地震gCAP解的拟合误差随深度的变化图Fig.3 Variation of fitting error with depth during the focal mechanism inversion of Xiahe M5.7 earthquake.

2 余震序列重定位

根据甘肃测震台网的分析及统计，截至2019年11月24日共记录到夏河地震余震180次。我们收集了甘肃及邻近地区测震台网的地震波形记录，对主震和可识别Pg震相超过3个的余震采用HYPO2000方法(Klein，1978)进行了初始定位，速度结构见表1(周民都等，2006)。在夏河地震震中距≤200km范围内共有20个测震台(图1)，且其分布较好地包围了震源区，距离主震最近的台站HZT台的震中距为19km，对主震及余震序列定位具有重要控制作用。初定位共得到94个地震事件的结果，地震序列的时间区间为2019年10月28日—11月23日，共计650h。

经初定位后，余震的震中较为集中，主要分布在震中附近20km×20km的范围内，深度为1～16km。本文选取至少有3个台站记录的94次地震事件，采用双差定位方法对其进行重定位。双差定位方法是一种相对定位方法，可减小速度模型的不确定性带来的误差，对于区域台网观测的地震序列重定位具有良好效果(杨智娴等，2003；黄媛等，2008；Waldhauseretal.，2008；王清东等，2015)。

由于余震分布较为集中，本文在双差定位的震相预处理中设置地震对之间的最大距离(maxsep)为3km，定义邻居最小震相对数(minlink)为6。反演时采用LSQR算法，进行4轮共20次迭代，每轮迭代时条件数CND均为40～58。重定位前，双差定位结果中的震源改变量(DX、DY、DZ、DT)为900m、846m、4i092m、150ms，迭代完成后，各改变量减小至3m、4m、4m、2ms，客观地反映出重定位中各迭代过程的合理性和稳定性。重定位后，共得到64个地震(含主震)的最终结果。其中，主震的震中位置为(35.091°N，102.707°E)，震源深度为6.1km。根据重定位结果中余震的分布情况，选择2条相互垂直的剖面(图4 中的剖面AB、CD)分析余震空间分布(图4c)。

图4 夏河地震序列的空间分布及参与计算的观测台站Fig.4 The spatial distribution of Xiahe relocated earthquakes for different periods since the main shock and fixed stations used in calculation.a 夏河M5.7地震及参与计算的台站分布；b 地震序列局部空间分布；c 重定位结果剖面AB；d 重定位结果剖面CD。F1西秦岭北缘断裂；F2临潭-宕昌断裂；F3东昆仑断裂

图4b 展示出重定位后的夏河地震序列的水平分布特征。余震主要沿NE-SW向(剖面AB走向)分布，但余震分布的长轴的方向性并不非常明显，原因为部分地震事件可参与定位的清晰震相较少，因此对初定位和重定位结果均有影响。图4c和4d展示了重新定位后夏河M5.7地震序列在2条剖面上的空间分布特征。结合时间标尺可以看出，在主震后2d内，地震同时向深部和浅部扩展，并接近余震分布深度的边界，且大部分余震的深度较主震更浅。余震的分布表现出主震发生后破裂向地表扩展的过程。在AB剖面图中，主震及余震分布呈NE倾、宽2～4km的条带状。本文根据最小二乘法拟合出的余震分布带的倾角为47°，去除震源位置远离余震分布带的3个地震后，拟合得到的倾角为54°，推测其倾角为47°～54°。对比主震震源机制解的2个节面可知，节面Ⅱ的断层几何形态与余震分布较为一致。节面Ⅱ的倾角为48°，与余震分布带的倾角大致相当，其偏差应与震源机制解与实际破裂之间的误差有关。故推测余震节面Ⅱ为发震断层，主震破裂呈现逆冲兼具左旋走滑的特征。

3 结论与讨论

3.1 发震断裂及构造背景

为了认识夏河M5.7地震的发震断裂及其对该地区地震活动的意义，需要了解夏河地震所属的甘肃东南部(以下简称甘东南)地区较大范围的构造背景。甘东南地区位于青藏高原东北缘，是高原隆升的前沿。东昆仑断裂和西秦岭断裂是甘东南地区2条主要的边界控制断裂，对该地区的构造变形具有重要作用。这2条大断裂具有不一致的滑动速率，其不一致的部分被其间一系列逆冲兼具左旋走滑断裂的变形所吸收(袁道阳等，2004；郑文俊等，2005，2013a；何文贵等，2006)，包括迭部-白龙江断裂带、光盖山-迭山断裂带和临潭-宕昌断裂等。

夏河M5.7地震发生于甘东南地区，震中在临潭-宕昌断裂西段和西秦岭北缘断裂之间，更接近临潭-宕昌断裂的西段。临潭-宕昌断裂具有复杂的几何结构，由多条平行或斜接的次级断裂组成。断裂一般分为3段，中段和东段存在第四纪晚期新活动迹象，其运动性质总体以向S逆冲为主，局部陡立或S倾，兼具左旋走滑分量。而西段为早更新世或前第四纪活动断裂，活动性质不明朗，在夏河地震前活动性较差(郑文俊等，2007b，2013b)。临潭-宕昌主断裂及其次级断裂均属于东昆仑断裂带与西秦岭北缘断裂带之间构造转换过渡带的一部分，在2条大断裂过渡带内部构造变形这一动力学因素下，21世纪以来临潭-宕昌断裂附近发生过几次中强地震(袁道阳等，2004；何文贵等，2013；郑文俊等，2013a，2016)，几次地震均表现出一定的逆冲兼左旋性质(图1)。其中，2013年岷县-漳县MS6.6地震的发震断裂即为临潭-宕昌的一条次级断裂，该断裂在深部并入临潭-宕昌主断裂(何文贵等，2013；郑文俊等，2013b)。

夏河M5.7地震的震中接近临潭-宕昌断裂西段，但距临潭-宕昌断裂有一定距离。前人对震中附近的构造介绍相对较少，并无某一已知断裂与夏河地震的发震断裂相对应。本文根据主震及余震序列的重定位结果推测此次地震并非发生在临潭-宕昌主断裂上，而是发生于一条分支断裂上。由于夏河地震的破裂形式和临潭-宕昌断裂过去十几年发生的几次中强地震一致，故本文推测该发震断裂具有和其他次级断裂一致的结构，即在深部并入临潭-宕昌主断裂(图5)。因此，推测夏河地震的发震断裂为临潭-宕昌断裂的某一次级断裂，并具有走向约312°、倾角约48°的特征，其走向与震后调查的烈度分布一致(图6)。

图5 夏河M5.7地震的发震断裂构造模型图Fig.5 Seismogenic fault structure model of Xiahe M5.7 earthquake.

图6 2019年夏河M5.7地震与周边构造的分布Fig.6 Active tectonics around the epicenter of mainshock.地层、基岩断层数据来源于1︰200i000地质图(合作幅)；地震烈度由甘肃省地震局(3)http:∥www.gsdzj.gov.cnsjdt8432.jhtml。发布

2019年夏河M5.7地震表明，历史上较少发生强震的临潭-宕昌断裂的西段同样存在孕育强震的条件。此外，临潭-宕昌断裂中段中强震较少，构造应力容易发生稳定积累，具有孕育大地震的构造条件，值得重点关注。