青海门源6.9级地震同震及震前GNSS变形特征分析

朱 爽, 占 伟, 梁洪宝, 李经纬

(中国地震局第一监测中心, 天津 300180)

0 引言

据中国地震台网正式测定,北京时间2022年1月8日1点45分,在我国青海省门源县发生了6.9级地震。2022年门源地震的孕震背景为青藏高原东北缘的昌马堡—古浪—海原构造带,历史地震资料显示该区域地质构造背景复杂且强烈,曾发生过1920年海原8.5级和1927年古浪 8.0级两次8级以上地震以及多次7 级以上大地震[1-2]。该构造带内部断裂纵横,其中冷龙岭断裂带由一组几乎平行的NWW向分布的左旋逆走滑性质的断裂组成,长约 120 km,本次地震位于冷龙岭断裂带西北端与托莱山断裂的阶区[3-5],如图1所示。

图1 门源地震的构造背景Fig.1 Tectonic background of the Menyuan earthquake

近30年来,以GNSS为代表的空间对地观测技术迅猛发展,随着中国地壳运动观测网络和中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)的实施,产出了丰富的GNSS观测结果[6-10],为区域地壳变形与强震过程研究提供了高精度、高时空分辨率、高可靠性的数据结果。2016年门源发生6.4级地震后,许多专家利用GNSS资料分析了震前的应变积累,同震变形特征和区域地壳形变特征等[11-13]。但是,2016年6.4级门源地震显示为逆冲型地震,震中处于冷龙岭断裂中部以北,2022年门源6.9级地震则显示为左旋走滑型地震,结合冷龙岭断裂带左旋走滑运动的背景特征,说明该区域地壳运动活动复杂,冷龙岭断裂带的地壳形变特征值得更深入的研究;同时,冷龙岭断裂带所处的青藏高原东北缘,是印度与欧亚两大板块碰撞作用由近SN向向NE、N向转换的重要场所,是中国大陆东西及南北构造结合部位和重要的构造转换域,分析该地区复杂的地壳运动变化特征对于分析青藏高原东北缘的构造运动提供了新的思路。

本文将收集震中附近陆态网连续站观测数据,利用精密星历解算得到同震位移;利用震前GNSS连续站结果计算基线时间序列及区域应变时间序列,分析冷龙岭断裂带的震前地壳运动特征;结合附近陆态网流动站观测数据,利用最小二乘方法计算得到长期的应变场变化,分析震前的应变积累特征;利用GNSS剖面,分析发震断层的滑动速率变化,分析震前断层的闭锁程度,探索地震前区域地壳形变的变化特征,以期为该区域未来的地震危险性提供判定依据。

1 数据处理及同震结果

收集陆态网连续站观测数据,利用GAMIT/GLOBK软件进行GNSS解算,得到测站坐标及卫星轨道的单日松弛解。解算策略如下:截止卫星高度角为15°;基线处理模式为RELAX(松驰解);卫星钟差模型为精密星历误差的钟差参数;接收机钟差改正模型为伪距计算出的钟差;电离层延迟模型为LC-AUTCLN;对流层模型为Saastamoinen模型;光压模型为BERNE;固体潮改正为IERS03;测站坐标约束为0.010 m,0.010 m,0.010 m ;对流层参数设置为13。利用GAMIT/GLOBK软件获取GNSS基线松弛解,然后以IGS站点作为框架点采用GLOBK进行约束平差获得ITRF14参考框架下的测站坐标。

通过数据解算可以获得震中附近各个测站N、E、U三个方向的时间序列结果,将震后14天的时间序列平均值与震前14天时间序列的平均值相减,得到了震源附近GNSS测站的N、E方向的同震结果。在震中附近有五个GNSS连续观测站,分别是位于震中东南约43.4 km处的QHME站,位于震中西北约81.4 km处的GSMI站,位于震中西南约115.8 km处的QHGC站,位于震中东南约141.6 km处的GSGL站以及位于震中东北约178.3 km处的GSMQ站,同震位移结果如表1所列。从图2中可以看出,距离震中最近的QHME站同震位移最大,东西向达到20.31 mm,南北向达到-35.45 mm,其他测也均有明显的同震响应;冷龙岭断裂带南侧QHME站的同震方向为东南向,北侧GSMI站的同震方向为西北方向,冷龙岭断裂带南侧较北侧同震影响明显,从五个站的同震位移的方位及大小,可以反映出此次地震的左旋同震破裂特征,同冷龙岭断裂带的左旋挤压运动背景相一致。

图2 青海门源6.9级地震GNSS观测点同震结果Fig.2 Coseismic results of GNSS stations of the M6.9 Menyuan earthquake in Qinghai

表1 利用地震前后各14天数据获取的同震位移量(单位:mm)

2 基线及区域应变时序分析

由于基于统一参考框架的GNSS基线长度变化基本不受参考基准的影响,能够较客观的直接反映两个站之间的相对运动的动态变化,所以GNSS基线时间序列分析是提取地壳运动微动态信息较直接的途径之一[14]。本文计算了跨越冷龙岭断裂带附近的5条基线,分别为QHGC-GSMI,QHGC-GSMQ,QHME-GSMQ,XNIN-GSMQ,XNIN-GSGL,试图从基线长度的变化来分析该区域的地壳运动变化如图1中所示。图3给出了五条基线的缩短速率,跨越托莱山、冷龙岭南北段的基线都在持续地缩短,由于青藏高原的推挤受到了稳定的鄂尔多斯块体的阻挡,使得该区域有持续的挤压运动背景;但是跨越托莱山断裂带的QHGC-GSMI的缩短速率为1.84 mm/a,跨越冷龙岭北段的QHGC-GSMQ的缩短速率约为5.01 mm/a,而跨越中段的QHME-GSMQ的缩短速率约为3.96 mm/a,跨越冷龙岭南段的XNIN-GSMQ的缩短速率约为3.76 mm/a,跨越金强河断裂带的XNIN-GSGL的缩短速率约为3.50 mm/a,说明冷龙岭断裂带南北段的地壳运动速率有所不同,北段的缩短速率较强。结合地震发生情况,1986年门源6.4级地震,2016年6.4级地震以及2022年6.9级都发生冷龙岭断裂北段,说明冷龙岭断裂带北段地壳运动复杂,北段的缩短速率更高,值得进一步关注。

图3 跨越冷龙岭断裂带基线时间序列变化Fig.3 Time series changes of baselines across the Lenglongling fault

距离震中较近的三个测站恰好组成了一个包含震中在内的三角网,并且该网跨越了冷龙岭断裂带,于是本文利用GNSS时间序列计算了QHGC-GSMQ-QHMW,QHME-GSMQ-XNIN两个跨越了冷龙岭断裂带南北段的区域应变时序结果,如图4所示。从图中可以看出,跨越冷龙岭断裂带北段的QHGC-GSMQ-QHMW区域应变的东西向应变从2016年开始逐渐增加,且年振幅变大,南北向应变也在缓慢增加,而在2016年该地区发生了门源6.4级地震,在震后应变出现的明显变化可能意味着2016年的地震使断层的运动有所增加,一定程度上促进了2022年地震的发生;郭鹏[15]在研究中表明,发生在冷龙岭断裂北部的2016年门源地震的逆冲运动为冷龙岭断裂上地震活动腾出了空间,李振洪[16]也认为2016 年门源地震对 2022 年门源地震的发生有一定的促进作用;而跨越冷龙岭断裂带南段的南北向应变则出现相反的趋势,自2016年开始出现了减小的趋势,说明断裂带两段的应变积累存在不一致的变化,可能与北段发生的地震未破裂到南段有关,南段的地壳运动较缓慢;从剪应变结果可以看出,北段应变变化的速率较南段的快,南段变化的比较平缓并出现了趋势转折,同时,跨越断裂带北段的基线运动速度也较南段较高,说明北段的地壳运动变化比较强烈。

图4 跨越冷龙岭断裂带南北段区域应变时序结果Fig.4 Regional strain time series results across the northern and southern sections of Lenglongling fault

3 GNSS应变场分析

青藏高原东北缘属柴达木—祁连活动地块[17-18],是青藏高原向大陆内部扩展的前缘部位[19]。受北侧、东侧刚性较好的戈壁—阿拉善地块和鄂尔多斯地块阻挡,处于较为复杂的构造应力场中。本文基于1999—2007年,2009—2013年,2013—2017年,2017—2021年四期流动站观测数据,计算了速度场,采用最小二乘配置方法对GNSS速率结果进行应变率场计算[20],得到最大剪应变率场及面应变率场结果,如图5所示,从图中可以看出,剪应变较大的值域以条带的形式展布在区域内,一个是祁连构造活动带,另一个巴颜喀拉块体东南部。门源地震发生在祁连构造活动带中两个剪应变高值区的中间;从多期的对比可以看出1999—2007期祁连地块西部有一个剪应变的高值区,2009—2013期,该地区的剪应变逐渐加强,而冷龙岭断裂带区域仍处在该高值区的边缘,震中附近的剪应变为1.76×10-8/a;2016年,门源发生6.4级地震,2013—2017期祁连块体原本高值区的剪应变有所减弱,剪应变为1.74×10-8/a;然而,2017—2021期的结果显示,祁连块体西北部的剪应变又逐渐增加,又形成了一个高值区,但冷龙岭断裂带附近的剪应变在微弱地减小,数值为1.59×10-8/a,冷龙岭断裂带所处的地区仍然处于此高值区的边缘,这与九寨沟7.0级地震等有相同的现象[21]。同时,本文给出了2013—2017年与2017—2021年两期速度场结果,如图6所示,其中,红色是2013—2017年期,黑色是2017—2021年期,可以看出,冷龙岭断裂带附近2017—2021年期的速度场相对于2013—2017年期变化不是特别明显,相对应剪应变的变化也比较微弱;但是在祁连块体与阿拉善块体交界的西北部,速度场发生方向的转变,速率方向由北东方向转向近北北东向,数值也有所增加,导致该区域的应变有所增加,重新形成了一个剪应变的高值区,但这个高值区与2016年的门源地震距离较远,相关性较弱,意味着2016年门源6.4级地震引起的影响范围较小,结合区域应变的结果,本文认为2016年6.4级地震对2022年的地震有一定的促进作用,但影响的范围较小,集中在断层附近较小的区域。图7为青藏高原东北缘面应变场,从应变率的拉张与挤压空间范围来看面挤压占优势,这表明该区是以压性为主的方式积累应变能,说明青藏高原向北运动受到了稳定的鄂尔多斯及华南块体的阻挡。应变大小的空间分布除部分地区为拉张外其余区域基本为挤压,大型挤压区主要分布在祁连块体以及巴颜喀拉与华南块体的交界处。对比多期面应变结果,2009—2013期的面应变,祁连块体存在一个大型的挤压高值区,2016年门源地震发生后,2013—2017期的面应变挤压高值区的值有所减弱,但范围有所增大;2017—2021年,祁连块体的挤压应变又逐渐增加,形成了一个高值区,此次门源地震所处的地区仍然处于此高值区的边缘。

图5 四期青藏高原东北缘最大剪应变率结果Fig.5 Maximum shear strain rate in the northeastern margin of Qinghai-Tibetan Plateau

图6 青藏高原东北缘两期水平速度场结果Fig.6 Horizontal movement velocity fields in the northeastern margin of Qinghai-Tibetan Plateau

图7 四期青藏高原东北缘面应变率结果Fig.7 Plane strain rate in the northeastern margin of Qinghai-Tibetan Plateau

4 断层滑动速率分析

冷龙岭断裂是一条全新世活动断裂,其早期活动以挤压逆冲为主,晚第四纪表现为以左旋走滑为主兼正断层性质,全新世为3.35～4.62 mm/a,现今滑动速率约为3.9 mm/a[22],作为海原—六盘山断裂带中的一部分,存在一定程度的断层闭锁[23-24]。为了进一步分析冷龙岭断裂带的近期地壳运动特征,本文计算了冷龙岭断裂带四期GNSS剖面,剖面位置如图1所示,剖面结果如图8所示。因为冷龙岭为左旋走滑断层,所以我们主要关注其平行于断层的结果。同时,本文利用反正切模型,如式(1),计算得到断层两侧的滑动速率与闭锁深度,结果如表1所列。

(1)

式中:s为断层两侧的滑动速率;uy为平行断层的位移;x为离开断层的距离;d为断层的闭锁深度。

结合表2与图8可以看出,1999—2007年期的剖面结果显示,断层为明显的左旋走滑运动,断层两侧的走滑速率约为2.37 mm/a左右;2009—2013年期的结果显示走滑速度约为2.19 mm/a左右,闭锁程度增加,闭锁深度为5.34 km,处于地震前期的状态;2016年发生了门源6.4级地震,2013—2017年期的走滑速率有所增强,约为3.59 mm/a,但闭锁程度有所减弱,地震的发生导致断层的闭锁有所减缓;2017—2021年期的走滑速率约为2.69 mm/a,断层的走滑速率有所下降,闭锁程度有所增加,有一定程度的孕震积累。

表2 断层滑动速率与闭锁深度结果

图8 冷龙岭断裂带平行于断层GNSS剖面结果Fig.8 GNSS profile results of the Lenglongling fault zone parallel to the fault

5 讨论与结论

冷龙岭断裂是青藏高原东北缘一条重要的左旋走滑断裂,与托莱山断裂、金强河断裂、毛毛山断裂、老虎山断裂、海原断裂等一起组成祁连—海原断裂带[25],该断裂带不仅控制了青藏高原东北缘的几何形态与构造格局,同时在调节青藏高原相对于戈壁—阿拉善地块向东运动方面起着关键性作用[26-28]。2022年1月8日,该断层发生6.9级地震,显示为左旋走滑型地震。结合2017—2021年期青藏高原东北缘速度场(图6)来看,受到阿拉善地块的阻挡作用,青藏高原东北缘由西向东GNSS速率方向由北东向逐渐转为北东东向,最后转为南东东向。冷龙岭地区地壳运动方向为近北东东向,冷龙岭断裂带南侧运动速率相对于北侧速率较大,说明冷龙岭地区现今处于青藏高原东北缘与阿拉善地块之间的挤压作用下,跨越冷龙岭断裂带的基线也程缩短状态,说明冷龙岭断裂是具有挤压性质的运动背景,从断裂带两侧运动方向的不同,结合GNSS剖面的结果,也符合冷龙岭断裂带左旋走滑的运动机制。

在冷龙岭断裂带左旋挤压的构造背景下,本文收集了震中附近陆态网连续站观测数据,利用精密星历解算得到同震位移,其中,距离震中最近的QHME站同震位移最大,东西向达到20.31 mm,南北向达到-35.45 mm,冷龙岭断裂带南侧较北侧同震影响大,从五个站的同震位移的方位及大小可以反映出此次地震的左旋同震破裂特征;同时利用连续站结果分析基线时间序列,发现冷龙岭断裂带北段的基线缩短运动相对于南段较强,结合区域应变时序,北段的剪应变变化比较强烈,南段变化的比较平缓,这与北段基线的缩短相对于南段的较强相一致,说明冷龙岭断裂带北段的地壳运动较为活跃;跨越冷龙岭断裂带北段的QHGC-GSMQ-QHMW区域应变的东西向应变从2016年开始逐渐增加,且年振幅变大,南北向应变也在缓慢增加,而在2016年该地区发生了门源6.4级地震,在震后应变出现的明显变化可能意味着2016年的地震使断层的运动有所增加,一定程度上促进了2022年地震的发生;结合附近陆态网流动站观测数据,利用最小二乘方法计算得到震前的应变场变化,门源地震发生在祁连构造活动带中两个剪应变高值区的中间;从多期的对比可以看出,冷龙岭断裂带的剪应变逐渐减弱,但仍然处于高值区的边缘,同时,面应变也存在一个动态调整的变化,此次门源地震所处的地区仍然处于此挤压应变高值区的边缘,结合速度场及区域应变的对比分析,认为2016年6.4级门源地震对2022年的地震有一定的促进作用,但影响的范围较小,主要集中在断层附近较小的区域;通过GNSS剖面分析断层的滑动速率,左旋走滑速率有所增强后减弱,从2.37 mm/a增加至3.59 mm/a又减弱至2.69 mm/a,同时闭锁程度在2017—2021年期间有所增加,闭锁状态的增强可能促进了地震的发生。