2021年青海玛多MS7.4地震精定位和发震构造初探

尹欣欣,王维欢,蔡 润,邓 津,马 丽

(1.甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000;2.中国地震局地球物理研究所,北京 100081;3.中冶成都勘察研究总院有限公司,四川 成都 610063;4.青海省地震局,青海 西宁 810000)

0 引言

2021年5月21日云南大理州漾濞发生MS6.4地震,5月22日在巴颜喀拉块体内部的青海省果洛州玛多县又发生了一次MS7.4地震。国家地震台网中心给出的玛多MS7.4地震的震源深度为17 km。由于震中附近人口稀少,未出现严重人员伤亡。此次地震是2017年九寨沟MS7.0地震之后中国境内第一次7级以上强震,距九寨沟地震有4年之久。巴颜喀拉块体是强震聚集地,唐山地震之后中国大陆所有7级以上地震都发生在这个块体周围。震中分布有3条左旋走滑的地震带,分别是玛多—甘德断裂带、东昆仑断裂带和昆仑山口西—达日断裂带,这3条大断裂带几乎平行[1]。地震的时空分布特征是研究地震序列发生的常用手段,有助于从时间和空间上来理解整个地震序列的动态触发过程。为研究2021年青海玛多MS7.4地震的余震时空分布特征及发震断层,本文拟采用双差精定位方法重定位玛多地震序列的震中位置,并结合地质断层情况断定发震断层,以期为更深入地研究本次地震提供参考依据。

1 地震目录数据分析

本文选取2021年5月1日—6月3日青海地震台网地震观测报告,经纬度范围选取(97°～99.5°E,33°～36°N),以下称为研究区。由于玛多附近固定测震台站较少,距离主震50 km范围内的台站仅有玛多台(MAD),因此大部分地震事件都是单台地震事件。为了满足最基本的地震定位要求,本文只选取台站记录数4个及以上地震事件,最终得到1 327个具有绝对定位的地震事件用来做双差精定位处理。

图1为本文所选地震目录震级-时间分布和地震空间密度分布云图。从图1(a)可以看出,主震前地震分布在5月15日之后有些许震级增大、数量增多的迹象,是否属于前震还待更深入的研究。从图1(b)可以看出,本次地震序列具有明显的阶梯状分块现象,地震最集中的区域为NW处的地震簇。

图1 2021年5月1日—6月3日研究区震级-时间分布和地震空间 密度分布图(红色五角星代表MS7.4主震)Fig.1 M-t diagram and spatial density distribution of earthquakes in the study area from May 1 to June 3,2021 (Red pentagram represents the MS7.4 main shock)

为保证所选数据震相的可靠性,如图2所示,采取震相过滤的方法,只保留震相分布中绿线界限范围内的地震震相数据。这样可以排除在震相数据转换格式中部分转换错误的震相到时,即剔除速度异常数据。

图2 P波和S波震相到时分布图Fig.2 Arrival time distribution of P-wave and S-wave phases

2 区域地质构造

利用地震定位刻画断层几何形态是地质学常用手段,这是由于地震往往集中于断裂带及周边,且较大地震通常会产生断层,断层面的展布可以通过余震的空间分布来展现[2]。玛多地震主余震主要发生在强震云集的巴颜喀拉块体内部。玛多地处青藏高原中东部地区,南靠甘孜玉树—鲜水河断裂带,北接东昆仑断裂带。除了这两条边界上的断裂带,该处还发育有其他多条活动带,如N60°W向展布的第四系大型走滑断裂——昆仑山口—达日断裂带,以及位于达日断裂和玛多一甘德断裂之间的江错断裂。江错断裂与这两条断裂几乎平行,前人对其鲜有研究。昆仑山口—达日断裂带长约700 km,受多条断层控制,在新生代以来活动明显,最近一次强震是2015年10月12日发生在青海果洛自治州玛多县的5.2级地震[3-4]。表1为2015年和2021年玛多5.2级和7.4级地震的震源机制解结果,其中7.4级地震的震源机制解中GCMT与张喆和许力生[5]给出的结果高度吻合,具有一定的可靠性。另外,GCMT、张喆和许力生[5]给出的震源机制解参数与2015年玛多5.2级的结果也相当接近,本文根据这一特性,再结合达日断裂和江错断裂的走向,认为这两条断裂的构造性质比较接近。

表1 两次地震的震源机制解参数[5]Table 1 Focal mechanism solution parameters of two earthquakes[5]

3 双差精定位处理

3.1 双差精定位原理简介

高精度地震目录提供了了解地震断层结构细节的窗口。地震发生后,研究断层结构的方法种类繁多,但这些方法都受到不同方面的限制,如:震源机制反演方法只能揭示主断层面[6];大地测量观测的深度分辨率很低[7];现场调查无法调查隐伏断层[8];地震可能发生在已知或新激活的断层上[9-11]。因此地震定位的准确性对于详细的地震断层构造圈定具有重要意义。

地震定位主要有绝对定位和相对定位两种方法。绝对定位技术的不确定性可达几公里,这种不确定性对于研究微地震活动或从余震序列重建破裂面来说太大了。原则上,相对位置可以通过差分绝对位置来计算。区域测震台网定位通常采用单纯型定位和Hyposat定位方法给出地震的绝对定位结果。截至2021年6月3日,青海测震台网用绝对定位方法一共定位了2 871次地震,其中单台地震事件1 409次。定位中使用了甘青一维速度模型[12],平均定位误差在水平方向约为800 m,垂直方向约为2 000 m,原始目录平均定位误差为0.423。为了获得更精细的玛多地震序列震中分布结果,本文使用HypoDD双差算法[11,13]来定位相对意义上的地震,以便更好地研究沿断层地震群。HypoDD是一个Fortran计算机程序包,其本质是利用双差定位法重新定位地震[13]。地震定位算法通常基于某种形式的盖革方法,即在一阶泰勒级数中对传播时间方程进行线性化,通过传播时间相对于未知量的偏导数,将观测和预测传播时间之间的差异与震源坐标中的未知调整联系起来。使用HypoDD双差算法可以单独定位地震,或者当其他未知因素将单个地震的解联系在一起时,可以联合定位地震[11]。双差技术允许使用来自地震目录的普通震相拾取或来自纵波和横波震相相关的高精度差分传播时间(互相关数据)的任意组合,前者表示为不同的震相走时,因此两种类型的数据使用相同的等式[11]。

(1)

由式(1)可以计算出研究区内绝对震中和大尺度速度结构。相应的,相邻地震i与j的理论到时与实际观测到时之差表示为:

(2)

利用式(2)可以得到震中附近小尺度范围的速度结构以及相对震中位置。

3.2 重定位结果分析

考虑到玛多地区的台站分布情况,在组地震对时,将每个地震事件的最大邻居数设为10,最小连接以及最小观测数设为4,震源距小于10 km,事件与台站间的距离小于200 km。由于S波震相的难以分辨性,在定位时设P波到时权值为1.0,S波到时权值为0.5。由于本文数据量较小,选取双差定位里面的最小二乘(LSQR)算法,迭代次数为30次。

本研究利用双差精定位方法,选取甘青一维速度走时模型,对1 327个玛多地震序列进行重定位处理,经过双差配对计算后最终得到872个相对定位结果。重定位后主震震中的经纬度为98.56°E、34.60°N,震源深度为12 km,平均地震位置向东偏移475.3 m、向南偏移978.4 m,深度上减小了3.04 km,震相到时平均偏移量为29.5 ms。重定位后整体残差减小了0.23。

图3为本文重定位后的地震分布结果,其中图3(b)、(c)分别是沿纬度和经度的深度分布剖面。从图3(a)中可以看出本次地震序列具有明显的分段特征,在S1区间内基本为地震空区,鲜有地震,推测该地区深部介质属于较硬物质,不易破裂。从震源深度分布上看呈“V”字型分布,东西两边地震震源深度浅,中部位置地震震源深度深。

利用直线拟合方法拟合精定位后的余震分布得到图4。从图4可以看出,玛多地震序列的余震拟合方向为顺时针284.04°,该结果与表1中张喆和许力生[5]、GCMT给出的2021年玛多7.4级地震以及马玉虎等[4]给出的2015年玛多5.2级地震的震源机制解走向角接近。震中分布在地图上的投影位置与昆仑山口—江错断裂高度重叠,基本上地震沿该断裂分布。根据震源机制解资料和双差精定位结果,并结合该区域的地质构造情况,综合判定此次青海玛多MS7.4地震的发震构造为昆仑山口—江错断裂带,与现场烈度调查结果一致(https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/xydt/5590313/index.html)。

图4 直线拟合本文地震精定位结果Fig.4 Lineal fitting of precise position results of earthquakes in this paper

为了更直观地展示主震所在位置的垂直剖面,选取图3(a)中AA′剖面来绘制地震剖面图(图5),图中红色直线根据震后一天时间内的地震事件分布来绘制。从图5可以看到红色直线附近地震分布集中,且发震时刻呈深紫色居多(即震后一天内的地震)。根据红线与垂直向的夹角得到本次地震的断层倾角约为85°,与表1中震源机制解结果一致。

4 结论与讨论

地震定位对地震活动研究极其重要,它能确定岩石圈板块边界或局部活源带等地震活动相对较频繁的区域。为了获得玛多地震序列的精确定位结果,本文利用双差精定位方法对玛多地震序列1 327个具有绝对定位的地震事件进行重定位处理,最终得到872个相对定位结果。重定位后水平和垂直位置误差分别为275 m和1.5 km,震源深度分布为5～25 km。

从精定位结果可以明显地看出余震序列表现出明显的分段特征,大致可以分为北段和南段2个区间。余震序列的空间不连续性说明断层有分段现象,北段和南段之间明显的分段特征与高程图上的地形凹陷相对应,说明该凹陷处下方的介质较硬、不易破裂。受玛多余震波及影响,玛多—甘德断裂与江错断裂东端交界处产生了一系列余震。本研究认为玛多地震的发生导致两条断裂之间产生了新的断裂,并将两条断裂连在一起,导致玛多—甘德断裂上地震事件的发生。根据重定位结果的余震分布特征,并结合断层信息,推测本次MS7.4地震的主要发震断层为昆仑山口—江错断裂。

致谢:感谢青海省地震局测震台网提供的震相报告数据。本文作图使用了GMT和Matlab软件,在此一并表示感谢！