2022年1月8日青海门源6.9级地震的震源区结构特征和b值意义初探

孙安辉，高原*，赵国峰，任超，梁姗姗

1 中国地震局地震预测研究所(地震预测重点实验室)，北京 100036 2 中国地震台网中心，北京 100045 3 国家地震科学数据中心，北京 100045

0 构造背景简介

据中国地震台网中心测定，北京时间2022年1月8日1时45分在青海海北州门源县(37.77°N，101.26°E)发生了MS6.9地震，美国地质调查局(USGS)给出的震级为Mw6.6，震源深度10 km(以下简称门源MS6.9地震，https:∥www.cenc.ac.cn/cenc/dzxx/396391/index.html).截至2022年1月13日00时30分共记录到M≥3.0余震20次，其中5.0～5.9级地震2次，4.0～4.9级地震4次，3.0～3.9级地震14次(表1)，最大余震为1月12日MS5.2地震.据报道，此次地震使铁路桥梁与隧道遭到破坏，导致兰新高铁轨道受损，造成了巨大的社会影响.

门源MS6.9地震震中位于青藏高原东北缘的前缘地带，地处祁连地块冷龙岭断裂带和托莱山断裂带交汇的区域(图1)，受到NE向的挤压作用(Gan et al.,2007).冷龙岭断裂是北祁连山活动断裂带的一部分(胡朝忠等，2016;郭鹏等，2017)，全新世活动强烈，晚第四纪时期主要表现为左旋走滑运动，局部具有倾滑分量(Gaudemer et al.,1995)，滑动速率约2～19 mm·a-1(姜文亮等，2017)，在青藏高原相对阿拉善地块向东运动方面起到重要的调节作用(郭鹏和韩竹军，2017).该区域曾多次发生强烈地震，如2016年门源6.4级逆冲型地震(梁姗姗等，2017)，其震中距离本次MS6.9地震震中大约32 km.

图1 门源MS6.9地震震中及区域地质构造概况图中黑线表示块体边界(邓起东等，2002;张培震等，2003)，黄色线段为主要断裂.蓝色线段为跨震中剖面.主震及余震重定位结果来自Fan等(2022).Fig.1 Tectonic background of the study region around the Menyuan MS6.9 earthquakeThe black lines denote boundaries of tectonic blocks (Deng et al.,2002;Zhang et al.,2003),and the yellow lines denote major faults.The two blue lines are profiles crossing the epicenter.The relocation results of main earthquake and aftershocks are provided by Fan et al.(2022).

表1 门源MS6.9地震与3级以上余震位置Table 1 The locations of the Menyuan MS6.9 earthquake and aftershocks (M≥3)

1 门源MS6.9地震震源区深部构造分析

随着密集的喜马拉雅台阵(即中国地震科学台阵)II期流动台站的布设，青藏高原东北缘地区的地震台站数量和密度得到了大幅度改善.Sun等(2021)结合固定台站和喜马拉雅II期台阵等数据(图1)，对青藏高原东北缘区域开展了地震层析成像研究，获得了水平分辨率为0.3°的波速和泊松比结构.参照前人的工作(O′Connell and Budiansky,1974;Zhao and Mizuno,1999)，进一步估计了中上地壳的裂隙密度(ε)和饱和率(ξ)的空间分布(Sun et al.,2021).从震源区的波速深度剖面的分辨率测试结果来看，本文在门源地区P波和S波波速反演结果在深度上具有较好的分辨率(图2).

图2 两条剖面的波速(VP和VS)深度棋盘格分辨率测试结果灰色五角星表示门源MS6.9地震.白色空心圆和黑色实心圆分别表示高低速扰动(%)，辐值见右下角.Fig.2 Results of checkerboard resolution tests of VP and VS in depth along the two profilesThe gray star denotes the Menyuan MS6.9 earthquake.Open and solid circles denote high and low velocity perturbations (in %), respectively,whose scales are shown at the bottom-right.

基于Sun等(2021)的数据，沿冷龙岭断裂带与横跨断裂带经过门源MS6.9震源位置切了两条近正交的剖面(图1)，重新成像获得了中上地壳物性参数剖面图(图3).P波波速结果显示，祁连造山带下方中地壳存在显著的低速现象.祁连山低波速的中-下地壳的变形作用可能会促使地壳显著增厚，另一方面也可能通过增厚和剪切作用来适应缩短变形(Tian et al.,2021).左可桢和陈继锋(2018)应用双差层析成像方法(Zhang and Thurber,2005)反演了门源地区的地壳三维速度结构，结果显示2016年门源MS6.4地震附近的P波和S波速度结构表现出明显的高速异常，而在震源区下方的中下地壳存在P波低速层和S波高速体，但其S波速度结构在35 km及更深的区域可靠性较低.

门源MS6.9地震的双差定位结果(Fan et al.,2022)与台网中心正式目录中的结果对比，水平位置差异很小，但重定位的震源深度为12.9 km.主震震源下方的相对低P波速度和相对高S波速度导致了相对低泊松比(σ)的特征(图3).由于岩石的矿物成分对泊松比的变化有着重要的影响，这种低泊松比的特征可能暗示着震源区下方的平均地壳组分富集长英质矿物(李永华等，2006)，而地壳整体的高泊松比则可能与岩石比较破碎或部分熔融有关(张莹莹等，2015).另一方面，祁连造山带较弱的中地壳低速体可能源于地壳深部流体(Li et al.,2017).大地电磁探测剖面表明，2016年门源MS6.4地震震源区下存在较宽的SW向低阻体(赵凌强等，2019)，也许与深部介质在高温高压下发生相变脱水或熔融有关.在应力的作用下，深部的流体可能会沿着断裂带中的裂隙或空隙往浅部迁移.

除了岩性的影响(李永华等，2006)，流体和裂隙分布也是导致地壳介质泊松比变化的重要因素.O′Connell和Budiansky (1974)结合岩石实验的分析结果，提出了一种简洁自洽的各向同性理论，根据地震波速度定量估计了应力环境下岩石的裂缝密度(ε)和饱和率(ξ).结果显示在一定的裂隙密度和饱和率的情况下，P波波速的下降幅度(dVP)与S波波速的下降幅度(dVS)的差异将有所减小，从而导致泊松比的变化下降.通过高分辨率的成像结果估计的裂隙密度与饱和率图像显示(图3)，震源区的浅部地壳饱和率高于深部，震源位于高饱和率区域的底部，而裂隙密度在震源的两侧呈现出显著高低差异(见图3中红色虚线).A-A′剖面给出，托莱山断裂带下方的裂隙密度要高于冷龙岭断裂.而B-B′剖面给出，冷龙岭断裂带北侧下方的裂隙密度要高于其南侧.GPS观测资料显示，连续变形的祁连山断裂带南侧地壳运动以顺时针旋转为主，运动量值没有显著差异；而北部地壳运动量值明显减小，显示出该断裂带的强烈活动特征(苏小宁和孟国杰，2017).从门源MS6.9地震现场科考的结果来看，托莱山—冷龙岭断裂北侧的破裂程度高于其南侧.我们推测，震源区北侧高裂隙密度的成因，主要是在应力加载下，孔隙压上升，可能使裂隙和孔隙体积增加，进而弱化岩石或产生更多的裂隙(O′Connell and Budiansky,1974).正是这种分布广泛且变形明显的地表破裂带，导致了途经冷龙岭断裂带的兰新高铁硫磺沟铁路桥及其北侧隧道的完全破坏(源自中国地震局地质研究所韩竹军研究员团队报告，https:∥www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36632.html).

此次门源6.9级地震发生在P波和S波波速剧烈变化的区域，靠近高速体的边缘(图3).根据肖卓和高原(2017)在青藏高原东北缘研究的结果，这次门源6.9级地震震源，也位于P波和S波波速及泊松比变化剧烈的位置.王琼和高原(2014)进行了川滇地区背景噪声成像，认为6～7级地震主要发生在高低速分界面，但7 级以上地震会更深入到相对高速的异常体内，与本文的结论有很好的一致性.Jin等(2019)在川滇地区的研究结果显示，高剪切应变率区和应变率梯度边缘区容易发生地震.我们认为，高速体可能是较坚硬的介质，可积累更高的能量，这是强震孕育不可忽视的因素之一.结合历史强震分布，我们发现这个区域的大地震易发于高裂隙密度和高饱和率的浅部地壳下方.综合图3的重定位结果可以发现，门源MS6.9地震震源在冷龙岭断裂带下方12.9 km深度，位于S波高速体上缘，震源下方是泊松比、P波波速、裂隙密度和饱和率的相对低值区域.大地电磁探测剖面显示2016年门源MS6.4地震震源区下存在较宽的SW向低阻体，推测冷龙岭断裂下方有力学强度软弱区(赵凌强等，2019).整体左旋走滑的冷龙岭断裂带在剪切作用下(姜文亮等，2017)，裂隙和流体的存在将促进壳内介质蠕动和滑移，进一步弱化断层强度，从而发生地震.

图3 中上地壳纵剖面图剖面位置见图1.成像结果至上往下依次为：P波速度扰动(dVP)、S波速度扰动(dVS)、泊松比扰动(dσ)、裂隙密度(ε)和饱和率(ξ)结构，色标见右侧.白色圆圈表示位于剖面两侧10 km以里的余震重定位结果(Fan et al.,2022).其他图标同图1.Fig.3 Vertical profiles of the middle-upper crustThe locations of the two profiles are shown in Fig.1.The images from top to bottom are:P-wave velocity perturbation (dVP),S-wave velocity perturbation (dVS),Poisson′s ratio perturbation (dσ),crack density (ε)and saturation rate (ξ),whose scales are shown on the right.White circles denote the relocated aftershocks of Fan et al.(2022)within a 10 km width of each profile.The other labels are the same as those in Fig.1.

2 地震活动性分析

强震的孕育和发生与断裂带的应力状态密切相关.古登堡-里克特震级(M)-频度(N)关系(Gutenberg and Richter,1944)指出应力的高低与(1)式中的b值成反比.

log(N)=a-bM，

(1)

其中a值体现了地震活动率，b值体现了大小地震的比例，a/b比值代表了期望震级(易桂喜等，2011).为了分析此次门源地震前的应力状态，同时为获取更多的地震数目用于分析，我们选取了2009-01-01—2021-12-31发生在青藏高原东北缘区域的125420个地震.其中，门源周边地区(100°E—104°E，35.5°N—40°N)共有17202个地震，震级分布从0～6.4.2000年后，中国数字地震观测网络在中西部布局逐步优化，青藏高原东北缘的南北地震带等区域可实现2.0级地震的监测能力(王亚文等，2017).该区的震级-频度分布(图4)中≥2.0级地震基本满足线性G-R关系，即研究时段内该区≥2.0级地震记录是完整的.通过对2.0～6.0级地震的震级-频度最小二乘线性拟合，得到青藏高原东北缘地区总体的a=5.25，b=0.77；门源区域的a=3.93，b=0.68.

图4 ML≥0地震的震级-频度分布(2009-01-01—2021-12-31)Fig.4 The frequency-magnitude distributions of ML≥ 0 events from 1th Jan 2009 to 31th Dec 2021

经过不同的格点间距和地震数目选取范围测试后，我们以0.3°间距为步长，以0.9°边长的方形范围选取地震集，采用2.0～6.0级地震以最小二乘线性拟合获得了每个格点的a、b和a/b等参数(图5).在震源附近区域内(100.9°E—102.1°E，37.5°N—38.1°N)样本数≥30，保证了该区域参数拟合的可靠性.部分区域由于地震数较少，样本数有所下降.

图5 研究区地震活动性参数分布(门源MS6.9地震前)图中从左往右依次为a、b和a/b地震活动性参数的空间分布，色标见图底部.Fig.5 Maps of seismicity parameters for study area before the Menyuan MS6.9 earthquakeFrom left to right are maps of a-value,b-value and a/b value,respectively,whose scales are shown at the bottom.

Wiemer和Wyss (1997)认为断层带高应力的凹凸体会表现为低b值的特征，与大地震的发生有着密切的关系(Aki,1984).易桂喜等(2011)通过对龙门山—岷山构造带的地震活动性参数分析得到：低a值、低b值以及偏高的a/b值的区域，可能反映低地震活动率的高应力闭锁状态，具有发生较大地震的能力；而高a值、高b值以及中偏低的a/b值的区域，以频繁小震滑动为主，具有蠕滑特征，发生大地震的可能性相对较小(易桂喜和闻学泽，2007).此次门源地震前，青藏高原东北缘的冷龙岭断裂带震源附近区域显示出了较低的a值、低b值和高a/b值的特征，呈现与青藏高原东缘的龙门山—岷山构造带类似的可能发生强震的特征.另外，样本数≥30的托莱山断裂带和阿拉善块体南缘(～38.2°N，104°E)周边区域也有类似的特征.

近期P波各向异性的研究结果显示(Sun and Zhao,2020)，门源地震周边区域的中下地壳存在着P波低速异常，推测存在局部的地壳流现象.震源附近的中地壳P波各向异性快波方向以NEE-SWW为主，至祁连块体东南部逐渐转为E-W向为主，呈现出与GPS观测(Gan et al.,2007)类似的顺时针旋转特征.低速异常体的存在会弱化岩层，促使破裂发生，而下地壳流的存在，将可能导致壳内及壳幔解耦(Sun and Zhao,2020)而影响门源地区的地壳构造，或是地震孕育和发生的一个重要因素，亦如2021年青海玛多MS7.4地震(Yang et al.,2022b).因此，我们需要重视震源的深部构造因素影响，虽然大地震通常发生在脆性的上地壳.不过门源MS6.9地震靠近研究区的西北边缘区域，P波各向异性分辨率有所下降，尚需进一步的工作.截至2022年1月10日，中国地震台网中心发布的快报目录包含了0级以上共562个地震，余震沿着断裂带在深度上呈现向浅部发展趋势，与Fan等(2022)重定位结果类似(图3)，可能表明震后的走滑位错在局部应力环境下存在挤压向上的倾滑特征.由1999—2015年GPS观测数据获得的应变率场显示，祁连山断裂带呈现出宽约60 km的连续应变积累带，垂直断裂方向为挤压特征，沿断裂方向为拉张特征(苏小宁和孟国杰，2017).

已有研究表明(Yang et al.,2022a)，此次门源MS6.9地震发生在冷龙岭断层上，性质为走滑地震，与重定位的余震分布(Fan et al.,2022)特征相符(图3B-B′剖面).GCMT(https:∥www.globalcmt.org)给出此次门源地震的矩震级MW为6.7.对于走滑型地震，根据矩震级MW-地表破裂长度SRL(km)经验关系(Leonard,2010)：

MW=4.33+1.52×log(SRL).

(2)

我们估计这次门源MS6.9地震的地表破裂长度～36 km.地震现场科考报告(https:∥www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36632.html)发现此次6.9级地震序列在地表产生了4条破裂带，其中北支和南支分别为～21.5 km和～3.8 km，加上2条规模较小的地表破裂带，合计长度～25 km.通常地下平均破裂长度是地表破裂长度的4/3(Wells and Coppersmith,1994)，所以地下破裂估计约33～50 km.此次门源MS6.9地震东部附近曾发生两次相邻的6.4级地震，分别是具有逆冲性质的2016门源MS6.4地震(震中距MS6.9地震震中～32 km)和其西侧以倾滑为主的1986门源MS6.4地震(震中距MS6.9地震震中～30 km).结合地震重定位、震源机制解及野外地质调查结果，逆冲型的2016门源MS6.4地震可能发生在北西向冷龙岭断裂与民乐—大马营断裂之间的一条盲断层上(胡朝忠等，2016;梁姗姗等，2017).这些相邻的地震，显示出冷龙岭断裂带区域的发震机制受复杂的地下构造影响，具有不同的分段特征，说明了多学科多资料综合分析的必要性.

1月12日晚至13日凌晨，在主震的东南附近区域又相继发生了4个4级以上的余震(见表1中序号17～20).从图3重定位的余震分布(Fan et al.,2022)来看，特别是1月12日在冷龙岭断裂带下方的S波高速体上边缘(深度12.8 km)发生了第二个5级以上(MS5.2)地震，沿着冷龙岭断裂带走向往东南趋近2016门源MS6.4地震(两者震中相距～9 km).此次门源地震及余震进一步填补了“天祝空区”(Gaudemer et al.,1995)，特别是此次主震与2016门源MS6.4地震之间的破裂空区，并与离逝时间小于1000 a的门源1986MS6.4及1540M7地震的极震区相连(M7专项工作组，2012).综上所述，整体左旋走滑的冷龙岭断裂在区域剪切环境下(姜文亮等，2017)，从断层破裂区域、地震能量积累与释放的角度，我们认为，此次门源MS6.9地震及余震序列造成的破裂可能与2016门源MS6.4地震破裂基本会合，因此短期内在震源区难以积累更大的能量(图3).

3 初步结论

本文对门源MS6.9地震震源区开展了中上地壳构造分析，讨论了波速、泊松比结构及估计的裂隙密度和饱和率的空间分布，成像了跨震源的物性参数剖面.结果表明，门源MS6.9地震发生在P波波速、S波波速及泊松比剧烈变化的过渡区，冷龙岭断裂带北侧裂隙密度高于南侧，可能导致断裂带北侧地表破裂强于南侧.通过分析震前的地震活动性参数，本文认为门源地区在这次6.9级地震前呈现出可能发生大地震的特征.1月12日第二个5级以上(MS5.2)地震发生后，这次门源MS6.9地震及余震序列造成的深部破裂可能与2016门源MS6.4地震破裂基本会合，短期内在震源区难以积累更大的能量.探讨大地震的孕育和发生，应该重视地壳深部的构造演化过程以及多学科的多种资料的综合分析，将有助于大地震的孕震过程与发震位置及其深部构造形态的探索.

致谢感谢中国地震台网中心和国家地震科学数据中心(https:∥data.earthquake.cn/)提供了此次门源地震的速报数据、余震目录和快报目录，台网中心公共服务部有关工作人员提供了大力协助.成文过程得到了“门源6.9级地震考察研究“工作组的支持和帮助.在地震活动性方面与中国地震局地震预测研究所吴忠良研究员、张胜峰博士进行了有益讨论.感谢两位审稿专家提出的宝贵意见，使文章得到很大的改善.