2010年青海玉树Ms7.1级地震中心震源机制解及震源区构造应力场研究

许鑫，万永革，2*，何金

(1.防灾科技学院，河北 三河 065201；2.河北省地震动力学重点实验室，河北 三河 065201; 3.河北省地震局易县地震台，河北 保定 074211)

0 前 言

北京时间2010年4月14日7时49分，青海玉树藏族自治州玉树县发生Ms7.1强烈地震，震源位置33.1°N、96.6°E，深度17 km(中国地震台网中心)，此次地震震中距县城30 km。截至2010年5月30日18时，地震共造成玉树县、称多县、曲麻莱县、治多县、四川甘孜州等地方受灾，已造成2 698人遇难(中国新闻网)。截至5月29日，在震中附近记录到的余震不下上千次，其中最大的余震达到Ms5.7级。

地震后，国内外很多机构和学者[1-7]均给出了玉树地震主震的震源机制解。因资料的选取和方法的不同，所给出主震的震源机制间存在一定的离散度。有的作者或机构给出该地震为走滑兼逆断的破裂模式[3，5]，有的给出为走滑兼正断的破裂模式[1,4,7]，给研究此次地震发震机制、孕震机理等造成了选择的困难。本文整理了各个机构或作者给出的震源机制解，并求出了与所有测定的震源机制的差别平方最小的一个解作为中心震源机制解[8]。确认了该地震的机制为走滑兼有少许正断分量的破裂模式。

由于玉树Ms7.1级地震在巴颜喀拉地块南边界(图1)，且2008年5月汶川地震在该块体的东南边界，所以两次地震的构造动力学背景大体一致[9-10],这为本研究提供了丰富的前人研究资料基础。许忠淮等[11]利用多个小震的P波初动数据推断平均主应力轴方向，结果表明青甘地区P、T轴倾角近水平，主压应力轴取北东—南西方向；王辉等[12]曾基于许忠淮等[13]给出的1920年以来中国大陆的129个Ms≥6级的地震资料用求地震矩张量分量的方法研究过玉树地震所在的青藏高原地震区的应力状态最大压应力轴和最大主张应力轴的倾伏角都小于25°。由于前人研究开展相对较早，存在台站密度相对疏散，可用地震资料相对有限；且研究分区较大，对小区域应力场研究不够精确。因此，本研究从前人资料[4]和GCMT[3]中共搜集了50组该区域Mw≥4.0的地震的震源机制解进行构造应力场的反演。为进一步了解此次玉树地震的发震情况，本研究基于反演应力场得到的应力张量模拟出该震源区震源机制解可能的表现，为深入研究此次地震的发震方式、应力触发以及孕震机理等提供后续参考。

1 中心震源机制解

1.1 研究方法

表1 不同机构和学者给出的震源机制解以及求出的中心震源机制解和标准差

1.2 震源区中心震源机制解结果

对于青海玉树地震震源机制，发现姚家骏等[4]解出的震源机制解作为初始解得到的中心解的标准差是最小的，故最终中心震源机制解可以表示为节面I走向119.90°，倾角84.07°，滑动角-9.95°；节面II走向210.94°，倾角80.10°，滑动角-173.98°。结合盛书中等[15]的通过余震分布确定主断层面法(走向294.6°)，可知节面I为主断层面。并且可以根据节面的走向将之转变为P、B、T轴的走向和倾伏角[11]。转换结果及不确定范围分别为P轴走向75.14°，倾伏角11.22°，不确定范围分别为58.85～91.85°和-0.55～23.03°；B轴走向269.42°，倾伏角78.43°，不确定范围分别为162.59～347.45°和72.88～93.69°；T轴走向165.69°，倾伏角2.78°，不确定范围分别为149.40～182.40°和-8.67～14.62°。

表1第5列为最终结果与各个机构和学者给出震源机制的最小空间旋转角。可以发现，所给出的青海玉树Ms7.1级地震震源机制与中心解的最小空间旋转角的最小值为6.67°，最大值为28.52°，标准差为17.14°。本研究先是把所收集的各个震源机制作为初始解进行逐一反演，选取标准差最小的作为最终解。然后将不同机构与学者给出的青海玉树Ms7.1级地震的震源机制解、中心震源机制解以及不确定范围[8]表示为图1。

图1 青海玉树Ms7.1级地震的中心震源机制解及空间三维辐射花样

2 震源区构造应力场

2.1 研究方法

用于应力场反演的方法很多，许忠淮等[13]在假定区域构造应力场一致的前提下，利用中小地震的综合节面解求得区域构造应力场；Gephart等[16]的网格搜索法通过区域内若干震源机制解约束应力张量；Michael[17]把断层剪切面上的应力分量归一化，变为线性方程求解应力场。相比前几种方法，Wan等[18]采用全局网格搜索法求最优解，并引入了震源机制数据精度的权重因子可以反演出更精确的应力场，所以Wan等的全局网格搜索法为本研究所采用的。

其中计算震源机制解权重的公式为：

W=er/D2

(1)

其中W为权重，D为衰减系数，r为震级的相对大小。

应力场中描述3个主轴应力间相对大小的应力形因子R值的计算公式为：

R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1)

(2)

其中,σ1、σ2、σ3分别为最大、中间、最小主压应力。

2.2 震源机制数据来源及特征

搜集了1976年至今共50个Mw≥4的地震的震源机制解来反演震源区的构造应力场，其中，从姚家骏等[4]的文献中收集了19个震源机制解，从Global CMT[7]中收集了该区域的31个震源机制解(自1976年开始搜索至2018年)。根据Zoback[19]给出的对震源机制解的划分标准(表2)，发现走滑型有42个，占84%之多；正断型有4个，占8%；逆冲型和逆走滑型仅1个，占2%；3个不确定型，占6%。可知该地区以走滑为主。震源机制解各参数及其震中分布图见表3和图2。

表2 震源机制解划分标准[19]

图2 玉树地震的震源机制解分布(1979年3月～2018年5月)

表3 玉树地区1976年至2018年震源机制解

2.3 震源区应力场反演结果

将应力场旋转轴的三个旋转角的搜寻区间设为1°，应力比值的搜寻距离设为0.1，置信度设为90 %[18],对收集到的震源机制解进行反演。反演结果如下：主压应力轴最优方位角为47.7°,倾角为3.73°，不确定范围分别为44.14～48.14°和0.00～5.41°。中间应力轴最优方位角为296.00°,倾角为80.00°，不确定范围分别为294.00～298.00°和74.00～90.00°。主张应力轴最优方位角为138.31°,倾角为9.27°，不确定范围分别为133.86～141.86°和-2.42～13.58°,反演结果示于图3。

图3 玉树Ms7.1级地震震源区反演应力状态

与王辉等[12]利用历史地震及小震综合节面解的研究结果、万永革等[20]用网格搜索法反演中国现代构造应力场的反演结果以及许忠淮等[13]用多个小地震的P波初动方向研究区域平均构造应力方向的结果基本吻合。本研究收集了他们的研究结果，用求取中心解的方法得到前人结果分别与此中心解的最小空间旋转角，发现本研究的最小空间旋转角介于前人结果之间(表4)，并且与中心解的方向较近，进一步验证了本研究的准确性。

表4 应力场反演结果与前人对比

2.4 应力场分析

本文充分利用50个震源机制反演出震源区应力场的3个主应力轴的走向和倾伏角以及用来表示它们之间相对大小的应力形因子R值。整个区域主压应力轴近北东向，倾伏角1.9°～3.8°；主张应力轴近北西向，倾伏角4.6°～9.3°，两轴近水平，中间轴近垂直，为走滑型的应力体系[21]。参考世界应力图划分原则[19]，本文认为该区域地震类型以走滑型为主。

同时，应力形因子R值在分析地壳应力状态中发挥着重要作用[14]。当R值从0.5逐渐增大时，中间应力轴呈现为张应力的性质；R值从0.5逐渐减小时，中间应力轴呈现为压应力的性质[14-25]。本文估计的R值为0.6，说明中间应力轴和主张应力轴间相对应力差较小，主压应力轴与其他二轴应力值差异较大。结合玉树地震发生在巴颜喀拉块体南边界，巴颜喀拉块体位于青藏高原中东部，其北缘为近东西向的昆仑山脉、南缘为风火山—沱沱河—金沙江、东部为北东向龙门山山脉。始新世早中期约45～50 Ma,伴随特提斯洋在青藏全境消亡[22]，发生了印度—欧亚陆陆碰撞事件[26]。受印度板块北东向持续挤压，在5～10 Ma以来，印度板块大约以每年4 cm的速率向北东方向推挤青藏高原[27-28]，导致高原周边发育有北西向大型走滑断裂构造。最为显著且与本文相关的是高原内部的东昆仑左旋走滑断裂带和玉树—甘孜—鲜水河—小江左旋走滑断裂带[29](图1)。所以该地区在青藏高原物质向东南流动受印度块体向北持续挤压作用呈北东—南西向挤压、北西—南东向拉张的走滑应力性质，同时也是该区多数呈走滑型地震的原因。根据震源处出现中间应力轴呈现较小的拉张应力值，表明这里的兼有少许的拉张分量，这与玉树地震震源机制中存在少许正断层分量也是一致的。

2.5 震源区的应力张量

万永革[21]模拟了不同应力体系下产生的震源机制解以及相对剪应力和相对正应力大小的展布表现，从而得到了震源机制解与所作用应力张量之间的关系。基于该方法，将反演得到的地震发生断层处的应力张量和应力状态用于计算玉树地震两个节面的相对正应力和相对剪应力的大小，与震源机制模拟分布结果同示于图4。由此得到节面I的滑动角为-0.7°，相对正应力为-0.88(挤压)，相对剪应力为0.57；节面II的滑动角为-179.2°，相对正应力为0.76，相对剪应力为0.56。因为相对剪应力和相对正应力较大的节面更容易发生滑动，节面I和节面II相对剪应力值近乎相同，而节面II比节面I的相对正应力值明显大的多，理应节面II为主断层面。结合图1和区域应力场反演结果，发现由于受到印度板块北东向挤压，北侧边界被阻挡，导致物质东流；巴颜喀拉块体与羌塘块体发生相对滑动，块体交界处有多条北西—南东走向的以走滑为主的断裂薄弱带，地壳岩层薄弱，更利于此次玉树地震的发生。故推测节面I为此次地震的发震断层面，与前人根据余震分布判定主震走向的结果一致[15]。以上分析说明此次玉树Ms7.1级地震的震源机制解未在反演出的应力场的最优节面(相对正应力和剪应力最大节面)上发生，故而可以看出并不是将应力场作用于完整的岩石块体上导致的破裂，而是发生在已存在的薄弱面上。

图4 本文所反演的应力张量产生的震源机制及其节面上的相对正应力(a)和剪应力(b)

基于已知该震源区的应力体系，使用万永革[21]的研究方法得到全空间分布于断层面上产生的P、T和B轴的施密特投影图(图5)。图中，每个点的组合对应一个所在应力体系下的震源机制解，故P、T和B轴的分布足见该应力体系下震源机制解的丰富多样性。

图5 根据玉树地震发生处的应力体系得到的震源机制P,B,T轴的施密特网投影

3 结论与讨论

本文基于不同机构和学者给出的青海玉树Ms7.1级地震的震源机制解，确定青海玉树地震多个震源机制的中心解：节面I走向119.90°，倾角84.07°，滑动角-9.95°；节面II走向210.94°，倾角80.10°，滑动角-173.98°。解决了在研究此次地震发震机制及孕震机理等过程中该怎样抉择震源机制解的问题。为深入研究此次地震的发震方式、应力触发等提供后续参考。

基于应力场反演结果，结合构造动力学背景发现：印度块体向北挤压致使青藏高原物质东流，从而导致区域内发育多条北西—南东走向且以左旋走滑为主的断裂带，利于玉树Ms7.1级地震的发生。根据震源区的应力体系，发现玉树Ms7.1地震的震源机制解未在反演出的应力场的最优节面上发生，说明玉树地震不是将应力场作用于完整的岩石块体上导致的破裂，而是发生在已存在的薄弱面上。

致谢：非常感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见，在此一并表示感谢。