基于H-C方法的地震断层面快速识别方法研究——以2021-05-22青海玛多MS7.4地震为例

杨彦明 刘兴盛 任 静 戴 勇 张 云 赵文舟

1 内蒙古自治区地震局，呼和浩特市哲里木路80号，010010 2 青海省应急管理厅信息中心，西宁市西关大街57号，810001 3 中国地震台网中心，北京市三里河南横街5号，1000454 上海市地震局，上海市兰溪路87号，200062

2021-05-22 02:04:11青海省果洛州玛多县(34.59°N, 98.34°E)发生MS7.4地震，震源深度17 km，是继达日MS7.7地震后巴颜喀拉块体内部发生的又一次7.0级以上地震活动。1900年至今，巴颜喀拉块体及周缘地区共发生22次MS7.0以上地震，继1997年西藏玛尼MS7.5地震之后，中国大陆发生的MS7.0以上地震均位于该块体及周缘地区。块体内部活动性相对较弱，发育众多北西向断裂[1]，规模较大，具有晚第四纪活动性，具备强震孕育和发生的构造条件[2]。

玛多地震震区600 km范围内大部分台站的宽频带波形资料出现限幅现象，对利用近震数据进行震源机制反演和发震断层判断产生一定限制。本文采用文献[3]方法获得可靠的震源机制中心解进行后续分析，利用震源-矩心(hypocenter-centroid, H-C)断层面快速测定方法[4]推算发震断层面，在不需要参考余震情况下，即可快速识别地震破裂方向。为验证该方法的准确性，结合区域地质构造、余震序列空间展布、区域应力场、烈度等震线以及震后科考资料，综合验证本文的测定结果，并进一步分析和探讨玛多MS7.4地震可能的发震构造以及发震机制，为震区周边的地震危险性分析提供基础数据。

1 研究区地质背景

青藏高原自早古生代以来经历多期构造变形事件，发育5条近东西走向、规模较大的板块缝合带，缝合带之间是较为稳定的构造块体[5]。玛多MS7.4地震发生于青藏高原松潘-甘孜地块(图1)，该块体由晚古生代阿尼玛卿-南昆仑缝合带、早古生代昆仑山缝合带以及三叠纪可可西里-金沙江缝合带所围限[6]。地块总体呈倒三角形，夹持于羌塘地体、东昆仑-西秦岭造山带和龙门山逆冲推覆带之间[7]。块体内部的鲜水河和甘孜-理塘两条深断裂将其划分为3个部分：鲜水河深断裂以北区域为巴颜喀拉地槽褶皱带，甘孜-理塘深断裂以西部分为义敦地槽褶皱带，两条深大断裂所夹部分为雅江地槽褶皱带[1,8]。研究学者又将松潘-甘孜地块统一成独立的构造单元，称为巴颜喀拉块体，块体岩石层结构、地质构造以及地球物理场特征与周边相邻块体均存在较为明显的差别[9]。

(a)主要地质构造及震中分布，红色五角星为玛多MS7.4地震，红色圆点为巴彦喀拉块体周缘及内部MS7.0以上历史强震，紫色虚线代表构造分区边界线，蓝色实线为断裂，蓝色阴影区为巴颜喀拉块体，①、②为扬子克拉通；(b)不同机构给出的玛多MS7.4地震震中位置，USGS为美国地质调查局，GCMT为全球矩心矩张量，CENC为中国地震台网中心，QHEA为青海省地震局；(c)余震分布，红色五角星为玛多MS7.4地震，蓝色圆点代表余震震中图1 研究区地质构造及地震分布Fig.1 Geological structures and epicenter distribution in the study area

青藏高原受到印度板块向北东方向推挤，而其北侧以及北西和北东侧边界受到阻挡，使得青藏高原沿北东方向缩短，存在挤压隆升作用，内部物质向东逃逸，从而使青藏高原周边产生一系列北西向断裂以及褶皱构造系，而在高原内部则形成一系列裂谷和大型走滑断裂系[10]。深部物质向东逃逸过程中受到四川盆地的刚性阻挡，逃逸流分裂为两个方向，绕四川盆地分别向东南和东北方向挤出[11]。因此，巴颜喀拉块体成为青藏高原地壳运动方向转变的枢纽地带，也是中国大陆构造运动剧烈的地区之一。

玛多MS7.4地震发生于昆仑山口-江错断裂东段附近，该断裂走向为NWW，倾向NE，高倾角，总长度近700km，以左旋走滑性质为主[12]。其西段位于巴颜喀拉块体北部边界带上，向西与东昆仑断裂带相连接，交汇处为帚状特征，东昆仑断裂带依次与玛多-甘德断裂、昆仑山口-江错断裂、达日断裂、巴颜喀拉山主峰断裂等一系列NW走向断裂带相交汇。昆仑山口-江错断裂作为东昆仑断裂带分支断裂，向SE方向延伸，其东段逐渐与NW走向的玛多-甘德断裂靠近。玛多-甘德断裂规模较大，位于东昆仑断裂带和达日断裂之间，呈明显的线性特征。断裂西起曲麻莱，经扎陵湖和鄂陵湖北部地区，至玛多以西区域，断裂展布近EW向，进入玛多盆地北缘向东延展，走向转为NW向，经甘德、班玛延伸至青海省外，全长近650 km。震源区附近展布玛多-甘德断裂中段，走向310°～315°[13]，与昆仑山口-江错断裂走向角度相差30°～40°，两者存在明显的走向角度差异。

2 资料与方法

本文搜集国内外众多研究机构给出的地震点源参数(表1)和震源参数(图1(b)、表2)。地震序列初始定位结果来源于中国地震台网中心和青海地震局地震目录。选取2021-05-22～31震源区发生的余震进行分布特征研究，为保证结果的可靠性，筛选台站记录最小个数为3的定位结果，最终获得1 343次地震事件，最小震级为ML0.7，最大震级为MS5.2。

表1 不同机构给出的地震点源参数

表2 不同机构给出的震源基本参数

采用万永革[3]提出的方法确定震源机制中心解，利用H-C断层节面快速测定方法[4]对玛多地震的发震断层进行快速判断。震源位置由台站到时确定，用来表征地震破裂传播的起点。矩张量解提供矩心位置，可反映破裂断层面的重心。将震源、矩心、震源机制解节面同时投影到三维空间，矩心设置在节面Ⅰ和节面Ⅱ交线上，若震源正好处在某一个节面上，则该节面就为发震断层面；若震源不处在任何一个节面上，需要分别计算震源与节面Ⅰ和节面Ⅱ的距离，将距离较小的节面判断为发震断层面。该方法在获得较为可靠的震源初始位置以及矩心矩张量解的情况下，能够快速测定发震节面。

3 震源机制中心解及稳定性

将表1中不同机构和学者给出的玛多地震震源机制解结果以震源球形式绘制成图(图2)。可以看出，玛多主震是以走滑性质为主的地震。利用各震源机制解计算震源机制中心解[3]，确定适宜的结果进行后续分析。

图2 不同机构给出的震源机制以及震源机制中心解Fig.2 Focal mechanism and central focal mechanism from different institutions

表3为计算结果，可以看出，以不同震源机制解作为初始值，计算得到的震源机制中心解的标准差最小值为17.744645，最终确定震源机制中心解节面Ⅰ为101.60°/82.95°/-3.89°，节面Ⅱ为192.08°/86.14°/-172.94°(计算自节面Ⅰ结果)。

表3 不同震源机制解结果获得的中心解及其误差

如表3所示，除序号1和8外，其余6组震源机制解的标准差均在万分位出现差异，表明各机构的震源机制解较稳定。GCMT和文献[14]给出的震源机制解与其余6组之间的差异偏大，造成偏差的原因与选取的台站波形资料、速度结构模型、反演方法有关。由图3可知，各震源机制解分布较为集中，表明各震源机制解结果具有稳定性和可靠性。选取的震源机制中心解是与所有解的偏差平方最小的结果，也表明震源机制中心解可信度较高，可以代表各结果进行后续发震构造分析。

图3 震源机制中心解及空间三维辐射花样Fig.3 Central focal mechanism and its 3D radiation pattern

4 发震断层面快速测定

分别利用中国地震台网中心(CENC)和GCMT发布的震源定位信息，以及上述矩心位置和震源机制解两个节面进行发震断层面测定，其中矩心三维空间坐标分别为A(34.586 4°N, 98.554 8°E, 18 km)和B(34.65°N, 98.46°E, 12 km)。

将上述两组矩心位置和相应的震源机制解两个节面以及CENC和GCMT发布的主震震源位置分别投影到三维空间，计算震源与两个节面以及震源与矩心的距离。首先设定矩心位置为A，如图4(a)和4(b)所示， CENC定位结果(34.59°N, 98.34°E, 17 km)与节面Ⅰ(NWW走向)距离为3.54 km，与节面Ⅱ(NNE走向)距离为19.52 km，震源和矩心相距19.74 km；GCMT定位结果(34.59°N, 98.25°E, 10 km)与节面Ⅰ距离为5.58 km，与节面Ⅱ距离为27.78 km，震源和矩心相距29.09 km。

设定矩心位置为B，如图4(c)和4(d)所示， CENC定位结果(34.59°N, 98.34°E, 17 km)与节面Ⅰ(NWW走向)距离为9.42 km，与节面Ⅱ(NNE走向)距离为10.07 km，震源和矩心相距13.80 km；GCMT定位结果(34.59°N, 98.25°E, 10 km)与节面Ⅰ距离为10.61 km，与节面Ⅱ距离为16.78 km，震源和矩心相距20.47 km。上述两组测定结果均显示，与节面Ⅰ的距离最小，因此判断节面Ⅰ为发震断层面。

图4 H-C方法结果Fig.4 The H-C plot of preferred solution

为进一步验证结果的可靠性，分别利用USGS和青海地震局(QHEA)给出的震源参数(表2)进行H-C计算，结果见图4。可以看出，当设定矩心位置为A时，USGS给出的震源位置与矩心、节面Ⅰ、节面Ⅱ的距离分别为5.66 km、27.25 km 和28.65 km，QHEA的震源定位结果与矩心、节面Ⅰ、节面Ⅱ的距离分别为3.16 km、19.21 km 和20.26 km。当设定矩心位置为B时，USGS给出的震源位置与矩心、节面Ⅰ、节面Ⅱ的距离分别为10.82 km、 16.26 km 和20.20 km，QHEA的震源定位结果与矩心、节面Ⅰ、节面Ⅱ的距离分别为7.92 km、9.01 km 和11.82 km。结果表明，震源位置与节面Ⅰ的距离最短。

综合分析认为，上述4个机构给出的震源定位结果存在偏差，但均显示节面Ⅰ为发震断层面。

各机构给出的震源机制解结果所对应的参数数值之间存在一定差异，因此利用本文给出的震源机制中心解的两个节面参数，重新采用H-C方法进行发震断层面测算。

设定矩心位置为A，如图5(a)和5(b)所示，CENC定位结果(34.59°N, 98.34°E, 17 km)与节面Ⅰ距离为3.74 km，与节面Ⅱ距离为19.41 km；GCMT定位结果(34.59° N, 98.25°E, 10 km)与节面Ⅰ距离为7.00 km，与节面Ⅱ距离为28.05 km。利用USGS和QHEA给出的震源参数(表2)进行H-C计算。USGS给出的震源位置与节面Ⅰ、节面Ⅱ的距离分别为7.10 km和27.54 km，QHEA定位结果与节面Ⅰ、节面Ⅱ的距离分别为3.92 km和19.51 km。上述4组主震定位结果均显示，震源位置与震源机制中心解节面Ⅰ(101.60°/82.95°/-3.89°)的距离最小。设定矩心位置为B，如图5(c)和5(d)所示，测定结果均显示，CENC、GCMT、USGS、QHEA等4组定位结果与震源机制中心解节面Ⅰ的距离最小。其中QHEA定位结果与节面Ⅰ的距离最近，仅为7.85 km；USGS定位结果与节面Ⅰ的距离最远，为11.05 km。综合上述8组测定结果认为，震源位置与节面Ⅰ的距离最小，均显示NWW走向的节面Ⅰ为发震断层面。

图5 震源机制中心解的H-C方法结果Fig.5 The H-C plot ofcentral focal mechanism

根据上述16组H-C方法测定结果可知，所有结论均一致，各机构给出的震源位置与NWW走向的节面距离最小，与NNE走向的节面距离较远。16组详细测定结果见表4(序号1～16)。综合分析认为， NWW走向的节面Ⅰ为本次青海玛多MS7.4地震的发震断层面。

表4 H-C方法测定结果

5 分析与讨论

5.1 发震构造分析

本次地震震源机制中心解获得的两组节面参数均可能为实际发震断层，H-C方法判断节面Ⅰ为发震断层，为保证结果的准确性，需要综合震源区地质构造特征、余震震中分布、地震烈度等震线以及野外调查资料等信息进行验证。

对余震序列的分布特征进行分析，能够较为直观地表示发震断层面的破裂延伸方向。截至2021-05-31，共发生ML0.5以上余震事件1 343次。从主震和余震的分布特征来看(图1(c))，余震序列展布方向为NWW向，存在一条明显的线性集中带，优势分布方向约为270°～290°。主震位于余震区偏中央部位，余震沿NWW方向双侧扩展。震源机制中心解节面Ⅰ走向为NWW向，与本次地震序列的线状优势分布方向一致。

余震区发育两条主要断裂，分别为昆仑山口-江错断裂和玛多-甘德断裂。余震序列主要沿江错断裂分布，两者走向基本一致。而接近主震震源的玛多-甘德断裂，其走向与昆仑山口-江错断裂相差30°～40°，存在明显角度差(图1(c))。

地震烈度等震线也是判断发震构造的重要参考因素之一。根据中国应急管理部地震和地质灾害救援司发布的地震烈度调查结果可知，青海玛多地震最高烈度为10度，烈度圈长轴为NWW走向，极震区长轴走向与烈度圈长轴走向一致。极震区烈度圈长轴方向、震源机制中心解节面Ⅰ走向以及昆仑山口-江错断裂三者走向基本一致，与玛多-甘德断裂走向存在较大的角度差别(图6)。余震序列优势分布方向以及精定位后的序列分布方向[15]与本次10度烈度圈的长轴方向一致。根据地震地质应急科学考察最新成果可知，地震地表宏观破裂带西起鄂陵湖南部，向东延伸，止于昌麻河乡以东，整体走向NW，总长约160 km。调查结果表明，发震断层为昆仑山口-江错断层，走向NW，左旋走滑性质，破裂段为江错段[16]。

图中烈度数据来源于中国应急管理部地震和地质灾害救援司图6 玛多地震余震序列、烈度分布和震源机制Fig.6 The aftershock sequences,intensity distribution and focal mechanisms of Maduo earthquake

根据上述分析初步认为，震源机制中心解节面Ⅰ(101.60°/ 82.95°/ -3.89°)与昆仑山口-江错断裂属性一致，走向基本相符，同为高倾角。节面Ⅰ为发震断层节面，昆仑山口-江错断裂作为青海玛多MS7.4地震的发震断层更为合理。

为进一步精确分析发震构造，利用王未来等[15]对玛多MS7.4地震序列重定位的研究结果，再次利用重定位结果以及矩心数据进行H-C计算(见表4，序号17、18)。两组测定结果(图7)均显示，震源位置与震源机制中心解节面Ⅰ的距离最小，NWW走向的节面Ⅰ为发震断层面。

图7 重定位后的H-C方法结果Fig.7 The H-C plot after relocation

王未来等[15]的重定位结果显示，余震序列具有明显的NWW线性走向分布特征，平均走向约为285°，认为昆仑山口-江错断裂为主要的发震断层，该研究成果与本文利用H-C断层面快速测定方法推算的发震断层面一致。

根据GPS速度观测数据可知，青藏高原东缘的运动总体上具有顺时针方向旋转运动变形特征[5]。青藏高原东缘构造应力场显示，最大主应力、最小主应力方向分布具有明显的差异性，最大主应力方向由北向南呈现出 NNE-NE-EW-NW向的变化特征；最小主应力方向空间差异明显，也存在顺时针旋转特征[17]。本次地震震源机制中心解P、T轴方位角分别为56.99°和326.69°，与震源区最大主应力方向基本一致。

巴颜喀拉块体是我国主要的地震活动区之一，昆仑山口-江错断裂属于该块体内部断裂，为东昆仑断裂带的一条帚状分支断裂，主要表现为左旋水平滑动[12]。玛多地震发生在昆仑山口-江错断裂的东延伸段，震源区内剪切作用是最重要的发震力学因素，由于北西向断裂构造受到的剪切应力较北东向大，北西向受到的正压力比北东向小[1]，因此容易产生剪切滑动。

综合以上分析，根据震源区地质构造特征、震后余震序列分布特征、区域构造应力场特征、烈度等震线特征以及野外地质考察结果认为，震源机制中心解节面Ⅰ(101.60°/82.95°/-3.89°)与昆仑山口-江错断裂属性一致，余震序列优势分布方向、极震区烈度圈长轴方向与节面Ⅰ性质相吻合，区域构造应力场最大主应力方向和最小主应力方向与震源机制中心解P轴和T轴方位角一致。因此本文推测，2021年青海玛多MS7.4地震的发震断层为昆仑山口-江错断裂，是一次以左旋走滑为主的地震事件。

5.2 发震机制初探

从主震和余震序列的分布特征来看(图1(c))，地震余震序列展布方向为NWW向，存在明显的线性集中带，优势分布方向约为270°～290°。主震位于余震区近中央部位，余震在主震两侧分布；破裂沿NWW向延伸，向双侧发展。此外，根据王未来等[15]的重定位结果可知，主震震源深度为7.6 km，余震序列震源深度分布范围为4～16 km，在垂直深度上，主破裂同时向上、下延展。

青藏高原平均地壳厚度约为65 km，面波成像结果表明，巴颜喀拉地块的中地壳主要处于20～40 km深度范围[18]，深地震探测剖面显示该区上地壳的下边界在17 km左右[19]。中地壳广泛存在低速层[20]，分布部分熔融或含水物质的粘滞性流体，具有低速、高导性质，其物质结构与上地壳脆性层明显不同[21]。研究表明，破坏性地震常发生于地壳内波速高、低转换的过渡区，大多数位于高速体一侧[22]。本次地震序列主要发生在4～16 km深处[15]，位于偏脆性的上地壳范围内，而中地壳以韧性变形为主，且上、中地壳介质参数差异较大，上地壳波速高于中地壳。玛多地震破裂起始深度为8 km左右，同时向上、下两侧破裂，未延伸至中地壳低速层，进一步表明本次地震发生于壳内波速高、低转换区，位于波速较高的上地壳一侧。玛多地震属板内地震，发生于巴颜喀拉块体内部活断层附近。震源区广泛存在中地壳低速层，可能会促使脆性层与韧性层之间相互作用的复杂化。在板块内部各块体之间相互作用以及运动过程中，具有低速、高导性质的中地壳层可能会起到底部边界作用和解耦作用，为应力集中、调整以及释放提供必要条件[23]。

由于青藏高原整体由印度板块向北东方向推挤，巴颜喀拉块体以北地区受到强烈的挤压隆升作用，块体以南区域主要表现为内部物质向东-东南方向挤出，巴颜喀拉块体下部地壳受到剧烈的形变作用。此外，由于低速层中存在部分熔融或含水物质的粘滞性流体，导致脆性与韧性转换区附近强度降低，在区域应力作用下，强度降低的弱化带持续变形，有利于应力进一步集中。因此，巴颜喀拉块体周缘以及内部断裂带活动尤为强烈，是易发生破坏性强震的地区。

6 结 语

1)利用各机构给出的玛多MS7.4地震震源机制解获得震源机制中心解，结果表明，此次地震以走滑为主，震源机制中心解节面Ⅰ为101.60°/ 82.95°/ -3.89°，节面Ⅱ为192.08°/86.14°/-172.94°；P轴走向和倾角分别为56.99°和7.72°，T轴走向和倾角分别为326.69°和2.24°，B轴走向和倾角分别为220.62°和81.95°。

2)使用H-C方法进行地震发震断层快速判断。根据18组H-C方法测定结果可知，各机构给出的震源位置与NWW走向的节面Ⅰ距离最小，与NNE走向的节面Ⅱ距离较远，均显示节面Ⅰ为发震断层面。

3)利用震源区地质构造、震后余震序列分布、区域构造应力场、烈度等震线以及野外地质考察成果对H-C方法测定结果进行综合验证，初步判断此次地震断层面为NWW走向的节面Ⅰ，昆仑山口-江错断裂为发震断层，是一次以左旋走滑为主的地震事件。地震发生于地壳内波速高、低转换的过渡区，位于高速体一侧，是巴颜喀拉块体周缘以及内部断裂带强烈活动的表现。

致谢:中国地震台网中心提供地震事件目录，余震序列地震目录从青海省地震台网获得，防灾科技学院万永革教授提供震源机制中心解程序，部分图件使用GMT进行绘制，断层数据来源于2003年由邓起东院士编制的断裂资料，烈度数据来源于中国应急管理部地震和地质灾害救援司，在此一并表示感谢。