青海门源MS6.9地震前后甘青地区应力变化特征研究

闫 勋, 高曙德, 姜振海, 李 娜, 武善艺, 柴 源, 曹 喜

(1. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000; 2. 兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

钻孔应变仪可以记录到丰富的同震信息及震前异常变化,前人对钻孔应变仪同震响应、同震应变阶特征及其成因分析做了大量工作,并计算出钻孔应变主方位角、主应变等参量结合GPS运动方位、区域构造运动、震源机制解来进行区域构造运动分析。唐磊等[1]分析日本9.0级地震引起的中国大陆钻孔应变台同震应变阶,发现该地震引起华北、华东、东北地区钻孔形变场的拉张变化;李玉丽等对格尔木台站记录到的四川汶川8.0级、芦山7.0级、玉树7.1级等地震的同震曲线特征、震前异常变化特征进行分析,发现格尔木台可以记录到连续突跳及阶跃等同震曲线形态,且在地震前出现转折趋势、差应变曲线分离等现象[2]。张敏等对青海地区钻孔应变青海玉树7.1级、日本本州9.0级、四川芦山7.0级地震同震规律的研究发现台站同震响应持续时间、震幅变化与震中距成反比[3]。龚正、卜祝源等将构造运动、震源机制解与钻孔应变数据、主方位角、主应变相结合分析呼图壁M6.2地震,发现其主应变张性压性变化与倾向北的高角度逆冲盲断层震源机制解吻合[4-5]。陈永前等结合区域构造和钻孔应变潮汐变化、主方位角、主应变变化分析山西地区构造运动状态,发现山西地区主应变场方向与该区域主要活动断裂方向相一致[6]。上述研究中,分析了同震曲线和震前异常的变化特征,利用主方位角、主应变对区域构造运动进行验证和分析,但使用主方位角、最大主应变进行地图投影来研究同震变化、区域应变场时空演化的震例较少。自1997年玛尼7.5级地震以来,中国大陆7级以上强震都发生青藏高原北部地区,巴颜喀拉块体周缘断裂发生过2001年昆仑山口西8.1级地震、2008年汶川8.0级地震等,巴颜喀拉东北角挤压与走滑变形带上发生过2017年九寨沟7.0级地震、2021年玛多7.4级地震、2022年1月8日青海门源MS6.9地震、1月23日青海德令哈MS5.8地震,说明祁连山地震带目前仍是中国大陆地震活动的主体,所以研究祁连带地球物理测项变化对监视祁连山地震带的震情活动具有现实意义。本文选取甘—青地区运行可靠的钻孔应变台站观测数据,利用2021年数据精度、面应变相关系数进行质量控制,计算主方位角、主应变并进行地图投影,结合震源机制解、水平位移场分析2022年1月8日门源6.9级地震前后甘青地区钻孔应变台网的应变场变化与地质构造运动变化之间的联系,进而为该区域地质构造研究、地震危险性跟踪及短临跟踪提供参考。

1 台站数据选取及地质构造背景

1.1 台站数据选取

本研究选取甘青地区地球物理台网中的高台、安西、北道(天水)、静宁、临夏、刘家峡、两水(陇南)、德令哈、湟源、门源等台站的钻孔应变数据进行分析。上述台站与2022年1月8日门源MS6.9地震空间相对位置如图1所示,各台钻孔应变仪架设信息见表1所列。

表1 钻孔应变仪器信息

1.2 区域地质构造背景

本次门源MS6.9地震发生在青藏高原东北缘。青藏高原由欧亚板块受印度板块的推挤和持续碰撞而形成,由于青藏地块NE向的强烈挤压作用,使得该区域受到阿拉善地块阻挡,导致地壳物质沿SE向的挤出,形成了以左旋走滑及逆冲断裂系为主的构造体系,其最大主压应力轴呈现NE到NEE方向的变化。本次地震发生在地壳速度场具有强烈控制作用的广义海原断裂带西段的冷龙岭断裂与托莱山断裂上,震中50 km内发生过2016年青海门源MS6.4地震(震源机制为逆冲型),震中100 km内震级最大的为1927年甘肃古浪M8地震[7-8]。

2 区域钻孔应变数据分析

2.1 钻孔应变数据质量控制

在钻孔应变数据分析过程中,对数据进行质量控制是预处理步骤之一[9-10]。钻孔应变仪沿顺时针方向在4个以45°为间隔的方向上顺次安装观测原件，数据代码分别为：S1,S2,S3,S4;当钻孔应变仪器探头与围岩的耦合处于理想状态时,S1+S3和S2+S4的形态近似,相关系数较高。但在实际观测中,因安装环境等因素影响,四分量仪器数据并不一定满足自洽方程,故需要对仪器进行标定,通过参数校正提高数据自洽程度和数据可靠性[11-12]。分析各台数据相关性后,高台、德令哈、湟源站观测数据自洽较好,未做相对标定,其他台站数据均进行相对标定。预处理后采用唐磊提出的面应变相关系数对观测数据质量进行评价[12],计算公式如下:

(1)

式中:r表示相关系数;S13表示S1+S3,S24表示S2+S4;N表示数据个数。当r越接近1,观测数据质量越高。通过对各站分量式钻孔应变面应变相关系数进行分析发现,除了两水台站外(0.414),甘青地区钻孔应变台站2021年面应变相关系数均大于0.96,表现为高度相关,说明所选分量钻孔应变台数据可靠。

表2 钻孔应变面应变相关系数

通过调和分析方法求解一个月长度的钻孔应变数据资料M2波振幅因子(潮汐因子),计算M2波振幅因子均方差,即为数据精度。本文使用台网中心发布的2021年月报文件中钻孔应变精度数据来评价台站资料(图2)。依据《数字地震及前兆观测技术规范(地壳形变观测)》中钻孔应变的数据精度指标,所选台站钻孔应变数据2021年精度满足Ⅰ类台精度要求[13]。

图2 钻孔应变数据精度(2021-01—2021-12)Fig.2 Accuracy of borehole strain data (2021-01—2021-12)

2.2 钻孔应变同震数据变化特征

绘制2022年1月8日01:00至04:00所选台站钻孔应变分钟值数据如图3。对各站钻孔应变同震曲线信息计算统计如表3所列。

图3 各站钻孔应变数据(2022-01-08 T01:00-2022-01-08 T04:00)Fig.3 The borehole strain data at different stations (2022-01-08 T01:00-2022-01-08 T04:00)

表3 钻孔应变同震最大振幅

门源MS6.9地震钻孔应变同震曲线以连续突跳形态为主,除北道台站外,其他台站同震曲线形态出现同震应变阶(图3)。统计发现大部分台站初动基本在地震发生1 min后开始,同震效应持续时间从16～113 min不等,同震最大振幅在14.66×10-10～14 387.63×10-10范围变化(表3)。从统计结果分析,祁连山地震带(甘青地区)钻孔应变台站同震曲线变化受各台站仪器自身灵敏度、仪器稳定性、噪声水平、台址条件等因素共同影响,即便是同类的YRY、RZB型仪器之间同震变化幅度也存在差异。

2.3 主方位角主应变时空变化特征分析

本文采用邱泽华提出的主方位角、主应变计算方法计算各台主方位角、主应变[14]。当观测数据精度和面应变相关系数较高时,对观测值进行替换计算:

S13=S1-S3

(2)

S24=S2-S4

(3)

Sa=(S1+S2+S3+S4)/2

(4)

最大主应变ε1、最小主应变ε2、主方位角φ则可用下列公式计算得出:

(5)

(6)

(7)

式中:θ1为元件1的方位角;A,B为观测固体潮和理论固体潮耦合系数(采用2021年1月1日至2022年1月6日的钻孔应变数据绝对标定得出,见表1)。对于中国大陆发生的中强级天然地震,震源深度一般在10～20 km,台站应变四分量仪器探头安装在同一口井中,所以台站观测井相对于震源距离可以忽略它的曲率,几乎可以看做一个点(即假设观测附近的介质为各向同性)。本研究中计算主应变、主方位角程序采用邱泽华的相关matlab程序模块进行计算,该程序中使用各向同性模型,故应变等同为应力。基于上述假设,计算了2022年1月8日所选台站分量式钻孔应变分钟值观测数据的主方位角、最大、最小主应变相对于当天00:00数据变化(图4),对同台站最大最小主应变数据进行归一化处理,然后以φ为主应力方向,将同台站主应变中归一化后的最大主应变进行地图投影(图5)。

结合图4、图5可知,青海门源MS6.9地震引起甘—青地区钻孔应变主方位角的偏移变化和主应变的反复拉张、压缩变化,高台、临夏、两水、德令哈、门源、湟源台站地震前后主方位角、主应变曲线出现明显的阶跃变化。地震发生后钻孔应变主方位角、主应变投影的剧烈变化持续到02:40左右结束。

图4 主方位角、主应变同震变化曲线(2022-01-08 01:00—4:00)Fig.4 Coseismic data of principal azimuth and principal strain (2022-01-08 01:00—04:00)

图5 钻孔应变主方位角、最大主应变地图投影(2022年1月8日01:40—03:30时间间隔10 min)Fig.5 Projection of principal azimuth and maximum principal strain (2021-01-08 01:40—03:30,10-min interval)

2.4 与震源机制解及构造运动特征的融合分析

为进一步分析此次地震的构造运动特征,选取所选台站2022年1月8日01:44及03:00主方位角、最大主应变投影参数分别作为震前、震后时刻数据进行地图投影。使用箭头表征其挤压、拉伸应力状态,结合中国地震局台网中心公布的门源MS6.9级地震震源机制解讨论(图6),同时列表对比分析震前(01:44)、震后(03:00)相对于起始点00:00的主方位角、主应变(拉张为正,压缩为负)、相对于起始点的主应变趋势变化(表4)。

图6 地震前后主方位角、主应变投影变化Fig.6 The projection change of principal azimuth and principal strain before and after earthquake

表4 震前震后主方位角、主应变变化

地震前后高台、德令哈、门源、湟源主方位角发生较为明显的偏移(表4、图6),安西、门源、湟源、临夏、刘家峡、北道、两水主应变发生明显的拉伸压缩变化(图6)。安西震前、震后均表现为应力主方向为EW向的拉伸变化;高台由震前的应力主方向为EW向的压缩变化转变为震后应力主方向为ES-WN向的压缩变化;德令哈震前震后均为应力主方向为EW向附近的拉伸变化;门源由震前应力主方向为东西向附近的拉伸变化转变为震后应力主方向为EW-WN向的压缩变化;湟源由震前应力主方向为近EW向的压缩转变为震后应力主方向为EN-WS向的拉伸变化;静宁震前震后均为应力主方向为NS向的拉伸变化;临夏震前震后均为应力主方向为ES-WN向的拉伸变化;刘家峡、两水、北道震前震后均为应力主方向为EN-WS向的压缩变化。

万永革等反演的2022年1月8日青海门源MS6.9周围地表同震位移场(图7左)、水平主应变场(图7右)及此次地震震源机制解(图6)[7],表明此次地震震中东北和西南两侧的物质涌入震中,呈拉张应变变化,与震中西南方向的德令哈投影变化一致;东南和西北两侧物质向外涌出,呈挤压应变变化,与震中西北方向的高台、东南方向的门源、刘家峡、北道、两水投影变化一致,但与安西、湟源、临夏投影变化不一致,可能与这几个台站所处的台站位置、构造位置存在差异有关。整体上看,钻孔应变主方位角、主应变投影的震前震后的空间分布特征与震中小区域构造运动特征相一致。地表同震位移场、水平应变场中,震中西南方向的拉张应变变化区域中存在小块挤压应变变化区域,东南方向的挤压应变变化区域中存在小块拉张应变变化区域(图7),这种非均匀分布是否在大区域应变分布场中存在也有待深入分析。

图7 青海门源MS6.9地震地表同震位移场及水平应变场[7]Fig.7 Calculated coseismic surface displacement field and horizontal strain field of Menyuan, Qinghai MS6.9 earthquake[7]

选取2021年1月1日至2022年1月7日各台站钻孔应变观测数据计算其相对于2021年1月1日主方位角、主应变变化日均值图(图8)并将其进行地图投影(图9,以20天间隔)对震前背景变化进行分析。分析发现2021年整体趋势为祁连山断裂带西段(安西)应力主方向为EW向的压缩变化;祁连山断裂带中段(德令哈、高台、门源和湟源)整体表现为祁连山断裂带中段北侧(高台)应力主方向为EN-WS向(2021年1—5月)转变为ES-WN方向(2021年6—12月)的压缩变化,南侧德令哈应力主方向为WN-ES向压缩变化,湟源为应力主方向为近EW向的压缩变化,门源为应力主方向近NS向(2021年1—2月)转为近EW(2021年3—12月)的拉伸变化,2021年12月以来出现近EW向的压缩变化;祁连山断裂带东南(刘家峡、临夏、北道、静宁和两水)刘家峡地区为应力主方向为近EW向的拉伸变化;临夏地区为应力主方向为近WN-ES向的拉伸变化;北道为应力主方向为近WN-ES向的拉伸变化,静宁地区为应力主方向为EN-WS方向的压缩变化;两水地区为应力主方向为近NS向的压缩变化,除在2021年5月22日青海玛多MS7.4地震前后、2022年1月8日青海门源MS6.9地震发生前部分台站数据有明显变化外(这个变化另文介绍),其他时期台站主方位角、主应变变化较为缓慢和稳定。空间分布特征与卜玉菲等利用震源机制解反演甘肃及邻区地壳应力场研究中发现青藏高原板块内缘最大主压应力呈NE向分布,外缘最大主压应力由西向东呈现出顺时针旋转的特征,即最大主压应力轴由西段近NS向转向中段NNE向,到东段转至NNW向的结论基本一致[15]。

图8 主方位角、主应变变化(2021-01-01—2022-01-07)Fig.8 Change of the principal azimuth and principal strain (2021-01-01—2022-01-07)

图9 2021年1月1日至12月27日钻孔应变主方位角、最大主应变投影(切片步长20天)Fig.9 The projection of principal azimuth and maximum principal strain(2021-01-01—2021-12-27,20-day interval)

3 结论与探讨

通过对2022年1月8日青海门源MS6.9地震前后的甘—青地区钻孔应变主方位角、最大最小主应变、主方位角与最大主应变投影分析后发现:

(1) 青海门源MS6.9地震发生后,地震周边台站均记录到此次地震的同震变化,其形态大部分为连续突跳,部分台站记录到较为明显的同震应变阶形态,但持续时间和变化幅度因仪器自身原因和台址条件存在差异;

(2) 甘—青地区钻孔应变主方位角、主应变及其地图投影在长趋势背景变化及短趋势同震变化都与相应的构造地质变化具有一定的对应性。

上述研究表明钻孔应变主方位角、主应变、主方位角最大主应变地图投影整体上反映区域构造运动变化。在后续研究中,可以通过进一步增大钻孔应变观测台站密度、使用更高采样率数采结合地震学的有关参数,进一步对地震应力场跨断层传递过程进行更精细的判断,研究其传递连续性;可以连续对区域主方位角、最大主应变地图投影进行分析和监测,捕捉应力累积区相对于背景应力场异常变化,为后续的地震监测、预测提供参考。

致谢:对邱泽华研究员提供钻孔应变相关计算程序,万永革研究员seismology小组公众号发布的相应震源机制解汇总及地表同震位移场、面应变场图件,审稿老师的修改意见使本文研究更加完整,在此一并表示感谢！