2022年青海门源M S6.9地震震源机制解＊

韩立波

（中国地震局地球物理研究所，北京100081）

引言

据中国地震台网正式测定，2022年1月8日1时45分，青海海北州门源县发生了MS6.9地震（37.77°N，101.26°E），震源深度10 km。这次地震是该地区近年来最大的一次地震，包括宁夏银川市、中卫市及甘肃兰州市在内的多个城市震感强烈，该地区历史上强震频发，青藏高原东北缘历史上发生过多次7级以上的地震，其中1920年以来发生过3次7.5级以上的大地震，包括1920年海原M8.5地震、1927年古浪M8.0地震和1932年昌马M7.6地震，它们分别沿海原断裂、冷龙岭断裂和昌马断裂产生了显著的地震地表破裂带。新中国成立以来，在这一地区附近曾发生过1954年山丹M7.2地震，1986年门源M6.4地震，2016年门源再次发生M6.4地震，该地区的地震危险性也引起社会公众和地震工作者的广泛关注。

在区域构造位置上，此次门源MS6.9地震发生在青藏高原东北缘冷龙岭断裂、托莱山断裂和肃南—祁连断裂的阶区部位，构造较为复杂（图1）。本文利用CAP方法反演了主震震源机制解和震源深度，依据这些结果讨论了该地区的活动构造特征，并指出其对于认识该地区地震危险性的潜在意义。

图1 区域构造背景图Fig.1 Tectonic settingsof the study region

1 方法

1.1 震源机制解反演

本文利用CAP方法[2-3]进行震源机制解反演，其主要思想是利用近震数据，把宽频带数字波形记录分为体波部分（Pnl）和面波部分，分别计算它们的理论地震图和实际观测波形的目标误差函数，在给定参数空间中进行网格搜索，同时反演震源机制解和震源深度。

考虑到因几何扩散产生的衰减对波形的影响，使用经震中距矫正后的绝对误差值作为目标误差函数，定义为：

式中，r为震中距，r0为选定的参考震中距，p为比例因子，用以保障震中距r处的权重与r0相当。基于所定义的目标误差函数，采用网格搜索的方法在M0、θ−φ、δ、λ以及震源深度空间进行搜索，得到最佳的震源机制解、矩震级和震源深度。

前人的研究结果表明，CAP方法在反演震源机制解和确定震源深度上优势较为明显[4-5]。

1.2 理论地震图计算

在计算理论地震图时，这里采用了目前广泛使用的频率—波数（F-K）法[6]。F-K法适用于水平分层地壳模型，通过对频率和波数分别进行积分，采用传播矩阵计算地震的全波场位移分布，能够计算各种频率下包含了体波和面波波形等成分的全部波形。速度结构模型使用了Crust 2.0（http://igppweb.ucsd.edu/~gabi/crust2.html）。

1.3 数据资料处理

本文使用了国家数字测震台网数据备份中心[7]提供的青海、甘肃等区域台网的宽频带数字地震波形记录。按照方位角覆盖及信噪比的要求，挑选出宽频带地震台数据进行处理，图1给出了台站的分布。

对挑选出的宽频带数据首先去除仪器响应，并旋转至大圆路径。然后对波形中Pnl部分和面波部分使用带宽为0.02—0.05 Hz的带通滤波器进行滤波。这些频带在美国南加州震源机制解研究中采用，适合三维结构并不十分复杂的情形；而Pnl和面波的相对权重为2:1，一些研究表明这样的权重可以较好兼顾Pnl和面波的优点。相应地，采用相同的滤波参数，对计算得到的理论地震图进行滤波。

2 结果

2.1 震源持续时间反演结果

反演过程中考虑到主震震级较大，部分震中距较小台站存在显著的限幅，数据处理过程中仔细去除了限幅台站。为了确定本次根据公式（1）给出的误差目标函数，在参数全空间范围内搜索最佳震源机制解、震源深度和矩震级。对于中强地震，由于其震源较为复杂，其震源破裂往往持续一定时间，称为震源持续时间，与破裂尺度和破裂速度相关。为了获得最佳震源持续时间，我们还搜索了不同震源持续时间的拟合误差。图2给出了反演拟合误差随着震源持续时间变化的结果，在震源持续时间过大或者过小时，误差均显著增加，当震源持续时间为7.3 s时，拟合误差最小。

图2 误差随着震源持续时间变化搜索结果图Fig.2 Waveform fit errors as function of source duration time in 2022 Menyuan M S6.9 event moment-tensor inversion

2.2 震源机制解反演结果

我们选用震源持续时间为7.3 s，图3给出了观测波形与理论波形拟合误差随深度的分布，当地震震源深度为3 km时，拟合误差达到最小，据此得到最佳地震震源深度为3 km，此时对应的双力偶解即为最佳双力偶解。其中，主震最佳双力偶解为节面Ⅰ：走向191°、倾角62°、滑动角173°；节面Ⅱ：走向284°、倾角82°、滑动角21°。此外，反演得到的矩震级为Mw6.7。由图3还可看出，随着震源深度的改变，震源机制解变化并不显著，说明反演得到的震源机制解较为稳定。

图3 门源M S6.9地震矩张量反演中波形拟合误差随深度变化Fig.3 Waveform fit errors as function of depth in 2022 Menyuan M S6.9 event moment-tensor inversion

图4给出了本次地震理论波形与观测波形的拟合情况，大部分台站各震相拟合效果较好。由于数据记录质量差或区域地壳速度结构复杂等原因，简单的一维速度结构模型在反演中不能完全适用，部分台站或部分分量的波形拟合情况可能较差。为避免此类数据参与计算影响结果的可靠性，反演中未予使用。同时部分台阵的面波也由于限幅未参与反演。

图4 门源M S6.9地震矩张量反演理论地震波形（红色）与实际观测地震波形（黑色）波形图。下方第一行数字为各段理论地震波形相对实际观测波形的移动时间，正值表示理论波形相对观测波形超前。第二行数字为理论波形与观测波形的相关系数（百分比）。波形图左侧字母为台站，其下数字分别为台站震中距（km）以及理论地震图相对实际观测数据整体移动时间。震源球上黑色区域代表压缩区，白色代表拉张区，红色十字符号代表台站。震源球采用下半球投影Fig.4 Comparison between synthetic（red）and observed （black）seismograms of 2022 Menyuan M S6.9 event.The numbers on the lower left side of the seismograms are the time shifts（upper）and cross-correlation coefficient in percent （lower）.Positive time shiftsmean that the observed data have been delayed.Theletters on the left side arestations，below which thenumbers are epicentral distances and time shifts between synthetics and the observed data.The black color in beach-ball denotes compression，while white color isextension.The red crosses are stations.Lower hemisphere projection is used

3 讨论与结论

本文利用CAP方法反演了2022年青海门源MS6.9地震震源机制解，结果表明，本次地震为走滑型，这一结果与其他结果接近。Fan等[8]对主震后三天的余震进行了精定位，结果显示余震序列分东西两段，西段走向近90°，东段走向133°左右，推测余震序列西段位于托莱山断裂，东段位于冷龙岭断裂，本次地震发生在托莱山断裂和冷龙岭断裂交汇部位。前人认为冷龙岭断裂带全新世活动强烈，晚第四纪主要表现为左旋走滑运动[9-13]，震源机制解的性质与冷龙岭断层活动性质吻合。震源机制解的节面Ⅰ走向也与余震序列的东段走向接近，因此，本次地震为冷龙岭断裂活动所致。值得注意的是，该地区1986年8月26日和2016年1月21日发生了2次M6.4地震，根据前人研究，1986年和2016年2次地震震源机制解为逆冲型震源机制解（https://www.globalcmt.org/）[14]。本次地震与1986年和2016年2次地震震源机制解差异较大，可能是因为本次地震发生在冷龙岭断裂上，而前2次M6.4地震发生在冷龙岭北侧断裂上[15-16]，冷龙岭断裂以走滑运动为主，冷龙岭北侧断裂是冷龙岭断裂西北端一条伴生断裂，在地表表现为一条晚第四纪变形不明显的逆断裂，这也说明了该地区构造运动复杂。

本次地震震源深度为3 km左右，相对较浅。李振洪等[17]采用InSAR技术获取了同震地表形变场，并基于分布式滑动模型反演了地震断层面上的滑动分布，发现本次地震发震断层的最大滑动值达到3.5 m，处于地下4 km左右。据现场考察，本次地震地表破裂带可能长达22 km[18]，这对于如此震级的地震来说，是极为显著的。相对而言，例如2013年芦山M7.0地震矩震级为MW6.7，2017年九寨沟地震矩震级也为MW6.7，均未发现显著的地表破裂。动力学模拟表明，地表破裂模式受多种因素影响，例如受震源位置影响，也就是受断层带上非均匀的应力场分布影响[19]，因此，这些地震尽管震级接近，但发生在不同的震源位置，且本次地震震源深度也较浅，其断层面上应力场分布也不同，这些均可能造成地表破裂差异较大。

冷龙岭、金强河、毛毛山、老虎山断裂所在的区段是祁连—海原断裂带的地震空区（天祝地震空区）[20]，该地区的地震危险性长期受到关注。朱琳等[21]基于分层黏弹性流变模型计算了青藏高原北部1900年以来的强震对祁连—海原断裂带的库仑应力加载，结果显示，祁连—海原断裂带西段木里江仓断裂和托莱山断裂以及中段的金强河—老虎山断裂应力增强显著，最大库仑应力加载可达1 MPa以上。因此，该区域未来地震危险性高，值得进一步关注。

致谢

中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”为本研究提供了地震波形数据。