2021年5月22日青海玛多MS7.4地震发震构造分析

徐志国， 梁姗姗， 张广伟 ， 梁建宏， 邹立晔， 李旭茂， 陈彦含

1 国家海洋环境预报中心， 北京 100081 2 中国地震台网中心， 北京 100045 3 应急管理部国家自然灾害防治研究院， 北京 100085

0 引言

据中国地震台网正式测定：2021年5月22日02时04分(北京时间)，在青海果洛州玛多县(北纬34.59°，东经98.34°)发生一次7.4级强烈地震，震源深度17 km，是继汶川8.0级地震之后中国大陆地区发生的一次最大地震.此次地震震中距玛多县城仅38 km，距西宁市385 km，震中周边地区震感强烈，西安、兰州等地区有震感.由于玛多7.4级地震震级大、震源浅，引起地表强烈震动，造成震中地区部分群众的房屋和畜棚受损，部分道路、桥梁等基础设施不同程度隆起或坍塌.经初步排查，截至2021年5月31日，地震共造成果洛州、玉树州、海西州8县45个乡镇38137户107500人受灾(https:∥www.sohu.com/a/469628577_162758).地震发生后，余震十分频繁，并伴随着多次强余震，为震源区地震学研究提供了宝贵的观测资料.截至2021年5月30日20时00分共记录到3.0级以上余震54次，其中5.0～5.9级地震1次，4.0～4.9级地震16次，3.0～3.9级地震37次.其中，最大一次余震为5月22日10时29分发生的5.1级地震(www.cenc.ac.cn).

青海玛多7.4级地震位于青藏高原东北部，处于印度板块向欧亚板块俯冲导致隆起的青藏高原内部的巴颜喀拉块体上(图1)，该块体主要受NWW向大型走滑断裂所控制，其北边界东昆仑断裂带和南边界的鲜水河断裂、甘孜—玉树断裂、马尔盖茶卡—若拉岗日断裂等均为左旋走滑性质的活动断层，东部边界为龙门山逆冲型断裂带，西部边界为阿尔金断裂带西南段尾端张性断层(邓起东等，2010，2014；高翔和邓起东，2013；徐锡伟等，2016)，是晚新生代以来青藏高原东向“逃逸”的活动块体之一(Tapponnier et al.，1982；Xu et al.，2013a；邓起东等，2014).自2001年块体北部边界发生昆仑MS8.1地震以来，此后相继在巴颜喀拉块体周缘边界发生了一系列强震(Xu et al.，2002；徐锡伟等，2008a；邓起东等，2014；闻学泽，2018)，如2008年汶川MS8.0地震(徐锡伟等，2008b；郑勇等，2009；万永革等，2009)、2010年玉树MS7.0地震(孙鑫喆等，2012；王未来等，2012)、2013年芦山MS7.0地震(Xu et al., 2013b；刘杰等，2013；房立华等，2013；张广伟和雷建设，2013)、2014年于田MS7.3地震(张广伟等，2014；房立华等，2015)及2017年九寨沟MS7.0地震(徐锡伟等，2017；杨宜海等，2017；易桂喜等，2017；梁姗姗等，2018).不同于以往发生在巴颜喀拉块体周缘边界的中强地震，此次玛多7.4级地震是近年来唯一一次发生在该块体内部的强震.地表位移滑动速率结果显示，在块体内部的位移量相对较小(Wang and Shen，2020；图1)，为何在远离滑动速率较大边界的块体内部发生此次7.4级强震，其发震机理受到科研工作者的广泛关注.

图1 2000年以来青藏高原及周边地区强震活动与本次玛多MS7.4地震位置箭头代表GPS速度场(数据来自Wang and Shen，2020)，黑色方框为研究区.Fig.1 The location of strong earthquakes occurred in Tibetan Plateau and its surroundings since 2000 and Madoi MS7.4 earthquakeThe arrows indicate the GPS velocity field (from Wang and Shen, 2020), and the black box represents the study area.

1 数据分析与结果

1.1 余震序列精定位

基于青海省地震局提供的2021年5月22日02时至2021年5月31日02时震相到时资料，我们获得了震中距在400 km以内，绝对走时残差在2 s以内且至少有3个以上台站所记录的1288个事件.根据所选震相数据，共有39个台站参与地震重定位(图2a).在双差重定位(HypoDD)过程中，P波走时赋予先验权重为1.0，S波走时赋予先验权重为0.5，地震对间最大距离为10 km，最小连接数是6.定位所用速度模型综合了前人深地震测深和接收函数等的结果(嘉世旭等，2017；王椿镛等，2008；张戈铭等，2019)(图2b)，采用共轭梯度最小二乘法(LSQR)求解.双差精定位后，共获得1055个精定位地震事件，其沿E-W、N-S和U-D方向上的平均相对误差分别是0.28 km，0.29 km和0.56 km，平均均方根残差是0.1 s.

图2 本研究所使用的(a)台站分布和(b)速度模型Fig.2 (a) Distribution of seismic stations and (b) Velocity models used in this study

重定位后地震事件的水平位置显示(图3a)，玛多7.4级地震序列位于玛多—甘德断裂和甘德南缘断裂之间，余震序列整体呈SEE-NWW向条带状分布，与两条断裂走向近平行.余震自主震位置分别沿SEE向和NWW向展布，断层面整体破裂长度约180 km，且玛多地震序列在平面上并非连续，呈现出分段性特征；在主震东西两侧出现2处较明显的余震空区或稀疏区(图3a中淡绿色椭圆所示).另外，地震序列东侧末端的余震数量较多，并表现出明显的多分支特征，相对SEE-NWW向的地震序列分布逆时针旋转约30°，最大余震分支呈近EW向分布，末端余震沿水平方向向东延伸，横穿玛多—甘德断裂和西藏大沟—昌马河断裂.重定位地震事件垂直剖面图显示(图3b)，震源深度主要分布在4～14 km深度范围内，均为浅源型地震，这可能是此次地震造成较多地表破裂的重要原因.穿过主震且垂直于余震展布方向的剖面FF′显示出发震断层接近直立(图3c)，横剖面BB′、CC′、DD′、EE′、GG′和HH′中余震同样显示发震断层较陡或者接近直立的特征，符合走滑型地震余震展布特征(房立华等，2015).在余震序列东侧尾端的JJ′剖面，可以清楚的看出，存在两个近垂直的断层面，并且震源深度相比其他地区有变深的趋势.结合主震震源机制的结果(张喆和许力生，2021)，地震序列精定位空间展布与NWW断层面走向一致，我们推断玛多7.4级地震为一次高倾角的左旋走滑型地震，发震断层为一条位于玛多—甘德断裂与甘德南缘断裂之间的一条未知断裂.

图3 青海玛多地震序列重定位震中分布(a)与剖面图(b和c)其中五角星表示玛多主震，圆圈表示余震，圆的大小对应震级大小，不同颜色代表余震相对主震的发生时间，AA′为沿余震走向方向的剖面，BB′、CC′、DD′、EE′、FF′、GG′和HH′为垂直余震走向的剖面，II′和JJ′为垂直末端余震走向的剖面；椭圆区域表示余震稀疏区.Fig.3 Top view (a) and cross sections (b and c) maps of the relocated Madoi, Qinghai earthquake sequenceStar denotes Madoi mainshock, circles are aftershocks, the size and color of which show magnitude and time after mainshock. AA′ is cross-section along the extending direction of aftershocks. BB′, CC′, DD′, EE′, FF′, GG′ and HH′ are perpendicular to the extending direction of aftershocks，II′ and JJ′ are perpendicular to the extending direction of end aftershocks; The ellipse denotes the sparse aftershock region.

1.2 震源机制反演

为了更好地了解玛多地震序列发震构造，我们利用近震全波形矩张量反演方法求取玛多MS4.0以上余震的震源机制解.本文选取了高信噪比、记录完整以及台站方位角和离源角均覆盖良好的宽频带数字台站的三分量波形资料进行震源机制反演.根据选取原则，共有15个台站参与震源机制反演(图2a).在反演前，首先对原始波形做预处理，包括去除仪器响应、去倾斜、去平均值及滤波等处理.滤波频带上限频率主要受震中距、地震大小和地壳速度结构模型的影响，下限频率则应尽可能低，以降低背景噪声干扰.根据震级大小不同，选取不同滤波频带对波形记录进行二阶巴特沃斯带通滤波(表1).

表1 玛多7.4级地震中强余震震源参数表Table 1 Source parameters of the moderate aftershocks of the Madoi MS7.4 earthquake

反演过程中，采用双差重定位后的地震目录为参数，以震中位置为起始点，震源深度方向搜索范围为1～21 km，深度步长为1 km，矩心时间偏移的搜索范围设为发震时刻前后2.25 s，时间步长为0.1 s，采用双力偶机制反演模式，基于单一点源模型在时间和空间范围搜索震源机制最优解.将震源机制反演得到的波形互相关系数作为震源深度的函数，反演不同深度的震源机制解，以最大波形拟合系数相应的震源深度和震源机制解为最佳结果.其中震源机制反演采用和地震定位相同的一维速度模型(图3b)，应用离散波数法(Kennett and Kerry，1979；Bouchon，1981)计算得到格林函数，采样频率为1 Hz.

图4 2021年5月22日玛多MS5.1地震矩心深度与波形互相关关系Fig.4 Centroid depth and cross-correlation coefficient of the Madoi MS5.1 earthquake on May 22, 2021

经过对青海玛多7.4级余震事件波形的仔细筛选，本文得到了15个MS≥4.0余震事件的震源机制解，具体震源参数如表1和图6所示.需要说明的是，主震发生后，截至2021年5月30日，震源区共发生17次MS≥4.0的中强余震，但由于2次余震(22日03时03分，22日03时49分)信号完全淹没在持续振荡的主震尾波中，导致记录台站信噪比低，很难得到这2次地震的震源机制结果.

图5 玛多MS5.1地震最佳反演结果对应的观测波形(黑色)与拟合波形(红色)比较图Fig.5 Comparison of observed (black) and synthetic (red) waveform for the Madoi MS5.1 earthquake corresponding to the best inversion results

为了评估所得震源机制的稳定性，我们采用大折刀法对本研究所得15次地震进行断层面参数不确定性分析(Boyd et al.，2015).具体而言，每一个地震事件在选择参加反演的15个台站中，按照依次减少一个台站(图6a)或一个分量(图6b)波形资料进行多次反演.图6将所有反演震源机制投影到同一个震源球上，由该图可以看出，所有地震事件断层面节面线分布均较为集中，说明多次反演结果比较稳定，反演结果可信.

图6 采用大折刀法分析断层面参数不确定性沙滩球上方字符串表示表1中对应的地震序号，黑线和红线表示不同数据组反演震源机制解所对应的节面.(a) 每次反演减少1个台站； (b) 每次反演减少1个分量.Fig.6 Uncertainties analysis of fault plane parameters using Jackknife methodThe numbers above the beach ball correspond to the index numbers of earthquakes listed in the Table 1, the node planes obtained from different data sets for inversion of focal mechanism solutions are drawn by black line and red line. (a) Removing one station at each inversion; (b) Removing one component at each inversion.

震源机制解反演结果表明(图7)，玛多地震中强余震序列震源错动较为简单，断层运动多为走滑型，表明玛多震源区内变形主要以平移错动为主.但是，这些地震的断层面走向却具有差异性.玛多MS7.4主震与3次余震震源机制解(事件4、事件7和事件9)比较接近，其实际发震断层面走向与余震展布方向相一致.位于主震西侧的地震事件2、8、10、12和14震源机制的走向和倾角显著变化，说明发震断层面并非简单的平面结构.另外，主震东侧末端的事件3和13均为逆冲型事件，表现为挤压变形特征，从余震的分布来看，该区域断层破裂方向转为NEE，在断层弯曲转换处产生了挤压型地震.此次玛多7.4级地震序列震源类型的不同，反映了震源应力场的变化(魏柏林，1980)，表明后期的余震活动与发震并不局限于主震的破裂机制，会受到局部应力调整从而形成新的震源破裂机制.事件5和事件6位于主震破裂区外围的东昆仑断裂和布尔汗布达山—昆仑中断裂，表现为近直立的左旋走滑型地震，推测可能是玛多7.4级地震触发的地震活动.

图7 玛多MS7.4主震和部分中强余震震源机制解平面和剖面图Fig.7 Top view (a) and cross-section (b) maps showing the focal mechanism solutions of the Madoi MS7.4 mainshock and partial moderate strong aftershocks

1.3 区域应力场

从应力体系上看，震源区最大水平主压应力轴σ1的方位为NEE向(58°)， 倾伏角为5°；中间压应力轴σ2的方位为NWW向(323°)，倾伏角为41°；最小主压应力轴σ3的方位为SSE向(154°)，倾伏角为48°(图8b).应力场反演结果表明，研究区域整体的背景应力场具有近EW向挤压应力场特征，与巴颜喀拉块体的水平最大主应力方向总体上为东西向(范桃园等，2013)具有较好的一致性，反映了青藏高原持续受到印度板块向欧亚板块俯冲挤压的构造应力场的影响，表现为巴颜喀拉地块现今整体向东方向运动的特征，出现构造逃逸现象.此外，应力场反演还给出了3个主应力轴σ1、σ2和σ3的相对应力大小值为0.96，即应力形因子值R(R=(σ1-σ2)/(σ1-σ3))，应力形因子值R接近1，表明σ1≫σ2≈σ3.同时，震源区水平最大主应力轴σ1分布集中(图8b)，倾伏角近水平，而其他两个主应力轴σ2、σ3分布比较分散，具有高倾伏角，表明应力体系走滑和逆断层性质同时存在，与震源区震源机制既有走滑型又有挤压型较为一致.

图8 玛多地震序列震源处应力场反演(a) P/T轴； (b) 主应力轴置信.Fig.8 Stress field inversion in focal region of the Madoi earthquake sequence(a) P/T axes； (b) Confidence of principal stress axes.

2 讨论

2.1 余震序列时空分布特征

本研究采用双差定位方法获得玛多7.4级地震序列1055个事件的精定位结果.重定位结果显示，余震分别沿NWW向和SEE向展布，破裂长度约180 km，且主震发生后的2 h内主要分布在东侧，表明主震造成的断层破裂为不对称双侧扩展模式.在整个断裂带上，余震分布表现出明显的非均匀性，比如在主震的东侧存在约15 km的余震空区(图3a).有限断层反演结果显示该区域是断层深部滑移量较大区域(http:∥www.cea-igp.ac.cn/)，可能暗示在主震引发的断层破裂过程中该段能量得以充分释放，因此产生的余震个数较少.另外，在主震的西侧也存在有多个余震稀疏区，结合震源机制解断层面倾角的变化，我们推测断层破裂面并非简单的平面结构，可能存在凹凸体(易桂喜等，2019)，断层面结构的复杂性造成了余震空间分布表现出分段的密集分布特征(图3b).余震扩展的另外一个显著特征是在断层的两端出现多个分支破裂，比如在主震东侧末端，余震序列显示出两条与主震断层不一致的扩展方向，优势方向由SEE转为NEE，且两条分支破裂近平行，切穿了北西向的玛多—甘德和西藏大沟—昌马河断裂.同样，在发震断层的西侧末端，出现了偏离主断裂的NW向余震条带，表明玛多7.4级地震触发了分支断层活动.玛多7.4级地震丰富的余震序列，与震源区复杂的地质构造密切相关.比如震源区存在的玛多—甘德和西藏大沟—昌马河等近平行断裂，且主震东部与多条断层交汇，在这样的构造背景下更易于产生分支断层破裂而导致后续余震的频繁发生.

2.2 发震断层结构

震源机制反演结果显示，玛多地震中强余震序列震源错动多为走滑型，表明震源区内变形或破裂主要以水平错动为主.但是，这些地震的断层面走向和倾角却有显著的变化(图7)，表明大型走滑型地震发生时，复杂的平移错动引起的浅部破裂面和深部破裂面是存在差异的.为此，结合余震分布及震源机制解，我们给出玛多7.4级地震发震断层的结构示意图(图9)，并采用精定位地震空间位置，拟合获得断层不同位置的倾角(万永革等，2008；盛书中等,2014)，整体上发震断层面较为陡立，但沿断裂方向倾角存在一定的变化.值得注意的是，在破裂的两端结构更为复杂，比如在主震破裂的东侧，靠近玛多—甘德断裂和西藏大沟—昌马河断裂的两次余震表现为逆断性质，具有挤压变形特征，该区域也是余震序列扩展方向转变的区域(图3a)，与主震相比，这两次余震的震源性质发生了变化.我们推测，在主震发生时，走滑型破裂面尾端可能受到东侧两条断层或东南侧相对强硬物质的阻挡，局部受到挤压变形从而在东端部产生了挤压型地震(图9).

图9 玛多MS7.4地震发震断层结构示意图其中σ1表示最大主压应力方向，主断裂不同位置数字代表分段断层倾角.Fig.9 Sketch of seismogenic fault structure of Madoi MS7.4 earthquakeσ1 indicates the direction of maximum principal compressional stress. The numbers in the fault plane represent the dip angles of fault segments.

2.3 孕震动力机制

区域应力场反演结果表明，玛多震区构造应力场最大主压应力轴为近东西向，具有低倾伏角特征，与地表GPS速度场反映的运动方向具有较好的一致性(Wang and Shen，2020)，表明青藏高原持续受到印度板块向欧亚板块挤压的构造应力场影响.现今巴颜喀拉块体整体表现出往东方向的运动特征，此次玛多7.4级地震是巴颜喀拉地块最新活动的结果，反映了巴颜喀拉地块的东向“逃逸”运动(Xu et al., 2013a；闻学泽，2018).巴颜喀拉地块位于青藏高原中北部，是青藏高原构造活动最强地区.近20年来，青藏高原的强震活动均分布在巴颜喀拉地块周缘边界(图1)，但巴颜喀拉块体内部地震并不活跃，仅在1947年发生一次M7.7达日地震(梁明剑等，2020；刘雷等，2021).深部速度结构结果显示，在玛多MS7.4地震震源区下方20～40 km存在显著的低速异常体(Xin et al., 2019; Huang et al., 2020)，暗示深部结构异常对浅部地震发生具有一定的影响，中下地壳相对软弱的物质流(Clark and Royden, 2000)更容易导致上覆脆性层存储能量.综上我们认为印度板块向北俯冲挤压欧亚板块的长期应力积累(邓起东等，2010；2014；高翔和邓起东，2013)和中下地壳低速物质(王椿镛等，2008；嘉世旭等，2017)的共同作用是玛多7.4级地震的动力来源.关于玛多7.4级地震，也给予我们一些启示，在关注大地震空区及水平滑移速率较大块体边界带的同时，也需重视地表相对滑动速率偏低的块体内部区域.此次玛多7.4级地震所处的巴颜喀拉块体虽然整体上滑动速率约～10 mm·a-1(Wang and Shen，2020)，但在块体内部震源区的相对滑动速率较低.类似于2008年汶川8.0级地震，在震前横跨整个龙门山断裂带的滑动速率不超过～2 mm·a-1，但却产生了地表破裂近300 km的破坏性大震(张培震等，2008)，因此我们推测浅部的水平运动与深部的能量积累可能存在差异.前人大量研究结果表明深部流体或低速物质沿断裂等薄弱带的向浅部侵入对地震的发生具有显著的触发作用(雷建设等,2009；吴建平等,2009；李志伟等，2011；郑勇等,2013；Zhang et al., 2019)，结合最新的大地电磁测深结果揭示的玛多震源区下方广泛分布的低速高导层(詹艳等，2021)，本研究认为此次MS7.4地震孕震层下方的低速异常(Xin et al., 2019; Huang et al., 2020)可能是强震发生的主要触发因素.

3 结论

本研究对2021年5月22日青海玛多7.4级地震开展余震序列精定位、中强地震震源机制和区域应力场研究，结果展示出发震断层破裂延展长度约180 km,主震为左旋走滑型机制；主震处断层面较为陡立，但沿断裂方向断层面倾角具有明显变化，结合余震时空分布的非均匀性，暗示发震断层面的几何形态并非简单的平面结构；另外，主震触发了东西两端的分支断裂活动，表明震源区断层系统较复杂.此次玛多7.4级地震更加印证了印度板块与欧亚板块的持续碰撞作用，说明巴颜喀拉块体仍处在活跃期.

致谢感谢评审专家提出的宝贵修改意见；感谢编辑部的高效评审；感谢中国地震台网中心、青海省地震局等相关工作人员在震后夜以继日的辛苦工作，为本研究提供了宝贵的震相观测资料和地震波形数据.