2021年青海玛多MS7.4地震余震序列震源机制解及其发震构造特征

吕苗苗， 常利军， 鲁来玉， 刘嘉栋， 吴萍萍， 郭慧丽， 曹学来， 丁志峰

中国地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

北京时间2021年5月22日02时04分，青海果洛州玛多县(东经98.37°,北纬34.61°)发生MS7.4地震，震源深度17 km(王未来等，2021)，是中国大陆地区继汶川8.0级地震之后又一次破坏性大地震.震源区属于牧区，房屋分布和人口密度都比较低.目前已有的地表破裂资料(李智敏等，2021；Ren et al., 2022)及震源机制解(徐志国等，2021)和地震矩张量反演(张喆和许力生，2021)结果表明，玛多地震为一次典型的左旋走滑事件.

玛多MS7.4地震发生于青藏高原东北缘的巴颜喀拉块体内(图1)，该块体北起东昆仑断裂带，南邻甘孜—玉树断裂带和鲜水河断裂带，其南北边界均为左旋走滑性质的活动断层，东以逆冲型的龙门山断裂带为界，西至阿尔金断裂带西南段尾端张性断层(邓起东等，2010；高孟潭，2016).块体边界断裂的活动性较强，在巴颜喀拉块体周边曾多次发生7.0级以上地震，如块体东边界的汶川8.0级地震(2008年)，芦山7.0级地震(2013年)和九寨沟7.0级地震(2017年)；南边界的玉树7.1级地震(2010年)及玛尼7.5级地震(1997年)；块体北边界曾发生昆仑山口西8.1级地震(2001年)，新疆于田7.1级(2008年)和7.3级地震(2014年).与上述发生在巴颜喀拉块体主干边界断裂带的强震不同，玛多MS7.4地震发生在该块体内部，在空间上填补了7.0级以上地震的发震空白，也再次证明了巴颜喀拉块体仍然处在活跃期.从区域地质构造来看，巴颜喀拉块体内部发育一系列NW向活动断裂，如江错断裂、玛多—甘德断裂与达日断裂等，因地处高海拔地区，它们的研究程度相对较低.

图1 玛多MS7.4震源区及周边区域构造背景与历史地震分布图红色五角星表示玛多MS7.4地震震中；黄色五角星为1970年以来发生在巴颜喀拉块体周边MS≥7.0的地震震中；浅绿色实心圆圈表示1970年以来MS≥5.0的地震震中.Fig.1 Regional tectonic setting and the epicenters of historical earthquakes around the Madoi MS7.4 focal areaThe red star marks the Madoi MS7.4 main shock; The yellow stars represent the historical earthquakes with magnitude MS≥7.0 and occurred around Bayan Har block since 1970; The light green solid circles represent the historical earthquakes with magnitude MS≥5.0 since 1970.

此次地震的震源破裂过程比较复杂(https:∥www.cea-igp.ac.cn/kydt/278249.html)，引起了地震研究者的广泛关注，不同组织相继开展了相关的研究.主震的震源机制为走滑性质(张喆和许力生，2021)，主震及其余震的重定位结果初步刻画了发震断层走向为NWW向、近垂直的形态(王未来等，2021；徐志国等，2021；尹欣欣等，2021)，初步推测玛多地震的发震构造为巴颜喀拉块体内部的江错断裂(潘家伟等，2021；王未来等，2021)，而该断裂近年来并未表现出明显的能量积累(宋向辉等，2021)，这与产生7级以上走滑型地震的断层滑动速率应大于3 mm·a-1(冉洪流，2011；高翔和邓起东，2013)的认识相矛盾.其次，受限于玛多震源区内地震台站稀少，地震定位的精度有限，不同研究推测的断裂带具体形态仍有较大差异.再者，野外考察获得的黄河乡以东区域的地表破裂位移量(李智敏等，2021)明显小于InSAR反演的断层深部同震位移量6 m(华俊等，2021)；不同卫星影像资料解译的断层分布方式也存在较大差别(Zhao et al., 2021; He et al., 2022).此外，已有的震源机制解反演主要集中在主震和中强型余震(M≥4.0)，所揭示的玛多地震发震断层为高角度构造，震源机制以左旋走滑为主，同时受局部复杂构造的影响，伴有逆冲型甚至正断型(赵韬等，2021)地震，震源机制解性质的多样性反映出发震构造的复杂性.因此，开展震源区精确的余震震源机制解及区域应力场研究，综合高精度的地震定位结果和深部速度结构进行讨论，对确定玛多地震深部发震构造形态和分析孕震机制有重要意义.

图2 研究区域及台站分布图蓝色线为地表破裂(Ren et al., 2022)；黑色线为区域构造线；黑色和蓝色三角形分别为流动台站和玛多固定台站；红色五角星为玛多MS7.4地震震中. ELH：鄂陵湖；YMTDQ：野马滩大桥；HHX：黄河乡.Fig.2 Map view of the study region and station distributionsThe blue lines indicate the surface rupture (Ren et al., 2022); The black lines outline the tectonic boundary; The black and blue triangles denote the portable stations and the permanent station Madoi (MAD), respectively; Red star marks the epicenter of the Madoi MS7.4 earthquake. ELH: E′ling lake; YMTDQ: Yematan bridge; HHX: Huanghe township.

1 数据及方法

1.1 数据筛选和方法

本文采用CAP方法反演了18次中小型余震的震源机制解.该方法基于双力偶点源假设，基本思想是将地震记录分为广义体波和面波分别进行拟合(Zhao and Helmberger, 1994; Zhu and Helmberger, 1996).首先根据速度结构模型采用频率-波数法计算理论地震图(Zhu and Rivera, 2002; Tan et al., 2006)；其次将得到的理论地震图与扣除仪器响应后的实际观测值构建拟合差误差函数，采用网格搜索法得到最佳震源机制解.CAP方法综合利用了近震体波和面波的振幅比，反演中分别赋予体波和面波不同的权重，既可靠反映了完整的波形信息又可以有效避免面波占主导作用.另外，拟合差定义中使用的是绝对振幅，可有效避免因振幅归一化带来的局部极小值解的问题.

图3 根据机器学习构建的目录截取的地震事件波形图Fig.3 Seismic event waveform obtained from the catalog constructed by machine learning

虽然CAP方法对地壳速度结构模型的依赖性不强，但相对可靠的速度结构模型能够在一定程度上提高反演的准确性.因此，我们选取了综合人工地震测深(嘉世旭等，2017)和天然地震成像结果(Xin et al., 2019)，并修正了地壳厚度(王未来等，2021)的速度结构模型用于反演，其具体参数见表1.

表1 CAP反演时使用的一维P波速度结构模型Table 1 1-D P wave velocity model used in CAP inversion

需要说明的是，仪器有效记录时间段为玛多MS7.4地震震后14天到43天，随着地震能量的释放，这期间记录到的多为中小型地震事件(M≤4.0).另外，本文所用的地震目录综合了机器学习所构建的目录和中国地震台网中心公布的地震目录.其中，机器学习构建的目录中小震的数量非常庞大，且分布不均匀.为了尽可能全面地反映整个断层上震源参数沿走向的变化特征，本文以大约0.5°为1个网格单元，划分了5个子区域.然后根据数据筛选标准对每个子区域中的事件进行仔细挑选，最后对获取的18个中小型余震事件波形进行去倾斜、去均值和去仪器响应等预处理，体波和面波的时间窗分别为50 s和100 s，观测波形和理论波形的滤波范围为0.05～0.1 Hz.

1.2 理论测试

针对玛多余震的发震位置和台站分布情况，本文进行了相应的理论测试，以验证当地震位于台站一侧时，CAP方法对震源机制解反演的可靠性.为避免其他因素的干扰，理论测试中台阵位置和速度结构模型与实际资料反演完全一致.设定地震的发震位置分别位于江错断裂带的西段(syneve2、3、5、6)和东段(syneve1和syneve4)，震源性质、深度及震级随机确定.设定地震的具体参数及相应的震源机制解反演测试结果见表2.

表2 6个设定地震的震源参数及 CAP反演后的震源机制解误差Table 2 Source parameters and focal mechanism errors after CAP inversion of 6 scenario earthquakes

限于篇幅，本文以设定地震syneve3为例，给出了该事件的震源机制解拟合差随矩心深度的变化及其波形拟合结果，如图4和图5所示.结果表明，对于江错断裂带上的余震和玛多台阵而言，即使地震位于台站一侧，方位覆盖仅90°左右(syneve1、syneve2和syneve3)，仍然可以较好地恢复震源机制解.此外，Tan等(2006)指出，即使是稀疏台站，也可以用CAP得到3.0级及以上地震的震源机制解.Wei等(2012)研究认为CAP方法反演震源机制解时，3个台站参与反演就可以达到80%的准确度，台站数在5～10之间就能得到理想的结果，其走向、倾角和滑动角误差≤10°，震源深度误差≤1 km.综上，基于本文的数据资料，可以使用CAP方法反演获得可靠的震源机制解参数.

图4 设定地震syneve3的震源机制解反演拟合差随矩心深度的变化(下半球投影)Fig.4 Variation of fitting error with centroid depth during focal mechanism inversion for the scenario earthquake syneve3 (lower-hemisphere projection)

图5 设定地震syneve3的理论地震波形(红色)与观测波形(黑色)对比波形下方第一行数字为理论波形相对于观测波形的时移(s)，正值为理论波超前；第二行数字为两波形的互相关系数；波形左侧为台站名、方位角及其震中距(km).Fig.5 Comparison between the theoretical (red) and observed (black) waveforms of the scenario earthquake syneve3The numbers of the first line below the waveforms are the time shift (in s) of theoretical waveforms relative to observed ones, and the positive values indicate the theoretical waveforms being ahead of the observed ones; The numbers of the second line indicate the cross-correlation coefficients between them; The name of stations, azimuths and corresponding epicentral distances (in km) are given at the left side of the waveforms.

2 结果

2.1 震源机制解

为了获取震源区余震准确的震源机制解参数，充分认识其发震构造，本文通过CAP方法获取了震后18次中小型地震的震源机制解，具体震源参数见表3.其中发震时刻和震中位置采用了郭慧丽等(2022)的结果，节面I和节面II的解、矩心深度和矩震级由CAP反演所得.

以2021年6月12日(Evt8)和2021年6月26日(Evt16)玛多两次余震为例，图6给出了它们的震源机制解拟合差随矩心深度的变化，Evt8 和Evt16的最佳矩心深度均为4 km，小于双差定位所得到的震源深度(8 km和11 km).最佳矩心深度所对应的震源机制解即为该事件的最佳双力偶解.图7所示为Evt8的波形拟合结果，其最佳双力偶解节面I走向72°、倾角64°、滑动角-15°；节面II走向168°、倾角76°、滑动角-153°；矩震级MW2.73.图8所示为Evt16的波形拟合结果，其最佳双力偶解节面I走向145°、倾角70°、滑动角10°；节面II走向52°、倾角81°、滑动角160°；矩震级MW2.85.因中小型地震的高频成分较发育，且震中距整体较小，在一定程度上增加了波形拟合的难度.为了保证反演结果的可靠性，对Evt8和Evt16的波形拟合中剔除了个别拟合较差的分量，理论波形和观测波形拟合情况整体较好，大多数分量理论波形与观测波形的互相关系数大于75%.此外，这两个事件震源机制解的性质在不同深度都比较稳定，同时也说明了震源机制解反演结果的可靠性.

图6 (a)2021年6月12日和(b)2021年6月26日玛多两次余震的震源机制解反演拟合差随矩心深度的变化(下半球投影)Fig.6 Variations of fitting error with centroid depth during focal mechanism inversions for two Madoi aftershocks occurred on (a) June 12, 2021 and (b) June 26, 2021, respectively (lower-hemisphere projection)

图7 2021年6月12日玛多余震的理论地震波形(红色)与观测波形(黑色)对比图注同图5.Fig.7 Comparison between the theoretical (red) and observed (black) waveforms of the Madoi aftershock occurred on June 12, 2021The notes are the same as those in Fig.5.

图8 2021年6月26日玛多余震的理论地震波形(红色)与观测波形(黑色)对比图注同图5.Fig.8 Comparison between the theoretical (red) and observed (black) waveforms of the Madoi aftershock occurred on June 26, 2021The notes are the same as those in Fig.5.

图9给出了本文的18次余震的震源机制解，整体以走滑型为主(16次)，与主震震源机制解相似，还有2次为逆断型，说明玛多地震震源区内的构造变形以水平错动为主.但这些走滑型余震所揭示的断层走向和倾角沿江错断裂走向却存在差异，表明发震断层的形态比较复杂.

图9 玛多MS7.4地震(红色五角星)的中小型余震震源机制解分布图Fig.9 Map showing the focal mechanism solutions of small and medium-sized aftershocks of the Madoi MS7.4 earthquake (marked as red star)

如图10a所示为玛多地震震源区余震序列重定位结果(郭慧丽等，2022)、震源区地壳速度结构(吴萍萍等，2022)和上地壳各向异性结果(曹学来等，2022).沿着破裂带自西向东，余震震源机制解的性质具有明显的分段性.AA′、BB′和CC′分别为沿江错断裂西段鄂陵湖东南侧(图10c)、主震西侧的黄河乡附近(图10d)和沿江错断裂(图10b)的剖面线.在江错断裂的西段，余震分布主要沿着地表破裂带呈近东西向，震源机制解为走滑型，且余震均发生在高低速交界处.在主震西侧的黄河乡附近，两次余震的震源机制解类型与主震不同，表现为逆断型，且该处地表破裂带表现为南北不连续特征(见图2).BB′剖面中江错断裂南北两侧的速度结构存在显著差异，断裂带以北浅部表现为高速，断裂带以南则具有低速特征，余震序列主要发生于高低速过渡区域.在江错断裂东段，3次余震的震源机制解类型相近，但与主震存在差异，P轴和T轴的方位也有所不同.CC′剖面刻画出沿江错断裂自西向东余震震源机制解类型、余震分布及速度结构的变化.

图10 (a)余震震源机制解、余震重定位(郭慧丽等，2022)、P波速度结构(深度为6 km)(吴萍萍等，2022)及上地壳各向异性(曹学来等，2022)；(b)(c)(d)分别为沿CC′、AA′和BB′的垂向剖面图Fig.10 (a) Map showing focal mechanism solutions of aftershocks, aftershocks relocation (Guo et al.，2022)， P-wave velocity structure (depth=6 km) (Wu et al.，2022)and upper crustal anisotropies (Cao et al.，2022); (b), (c) and (d) are the vertical cross-sections along CC′, AA′ and BB′, respectively

2.2 区域应力场

图11a给出了这18次地震事件的P、T轴分布，具体参数见表4.为进一步探究玛多地震震源区的构造应力状态，本文对上述反演所得的中小型余震的震源机制解进行了断层面方向和应力的联合反演.震源区应力轴最大水平主压应力轴σ1的方位为53°(NEE)，倾伏角为13°；中间主压应力轴σ2的方位为213°(SWW)，倾伏角为77°；最小主压应力轴σ3的方位为322°(SE)，倾伏角为4°，如图11b所示.反演得到的三个主应力轴的应力形因子R为0.70(R=(σ1-σ2)/(σ1-σ3))，接近1.0，表明研究区域的压应力轴相对稳定(黄骥超等，2016).P轴的优势方位为NEE-SWW，其倾伏角小于30°，说明本文的余震序列所反映的玛多地震震源区仍然主要受到NEE向近水平挤压应力场的控制.这与巴颜喀拉块体持续受到印度板块向欧亚板块俯冲挤压的构造应力的影响，其水平最大主压应力总体为东西向(范桃园等，2013；Wang and Shen，2020)一致.不同类型的余震序列反映了玛多地震震源区震后的应力场特征，对比徐志国等(2021)和赵韬等(2021)中强型余震的震源机制解结果可知，玛多地震震源区在不同时间段内应力状态总体上保持一致，受到NEE向近水平挤压应力场的控制，但震后主震西侧及江错断裂东段的应力状态变化较大，尤其是江错断裂东段，局部应力明显增强，导致余震活动频繁(郭慧丽等，2022).

图11 (a) 玛多MS7.4地震余震序列的P/T轴分布； (b) 应力场反演所得的主应力轴Fig.11 (a) P/T axes of aftershocks of the Madoi MS7.4 earthquake; (b) The principal stress axes obtained by stress field inversion

表4 玛多MS7.4地震中小型余震P/T轴参数Table 4 P/T axes of small and medium-sized aftershocks of the Madoi MS7.4 earthquake

3 分析与讨论

3.1 发震断层形态

玛多地震震源区分布着一系列大致平行的NWW向走滑断裂，江错断裂位于玛多—甘德断裂与达日断裂之间.如图2所示，地表破裂带呈线性展布，在江错断裂西段，地表破裂带近E-W向分布，然后逐渐转为NWW向；在主震附近，地表破裂带表现为南北不连续特征.由余震震源机制所揭示的断层走向大致与破裂带平行，断层的倾角整体较大，但沿着断层走向不同位置存在变化，暗示发震断层的形态比较复杂.此外，精确的震源深度是分析孕震环境的重要参数(张国民等，2002)，本文获取的18次中小型余震的震源机制解，其矩心深度均在10 km之上，小于双差定位获得的深度(郭慧丽等，2022).从物理意义来看，双差定位所得的震源深度表征着破裂起始点深度，而矩心深度指的是能量释放的深度，矩心深度小于震源深度是合理的.就方法而言，双差定位方法对震源深度的约束能力有限，而CAP反演中体波部分的波形包含着pP和sPm等深度震相信息，有助于更好地约束震源深度(罗钧等，2021).余震震源深度主要集中在4～8 km，这说明与主震及震后强余震相比，后续中小型余震的能量释放主要集中在上地壳.已有研究表明，深部的垂向变形可能会在一定程度上触发浅部的地震活动(雷建设等，2009；郑勇等，2013).随着主震能量的释放和破裂的传播，受到浅部局部速度结构及应力状态调整等因素的共同影响，深部破裂所触发的浅部破裂有着更复杂的特征，其震源机制解类型可能与主震不同.这也在一定程度上解释了为何野外考察得到的黄河乡以东区域的地表破裂位移量(李智敏等，2021)明显小于InSAR反演的断层深部同震位移量(华俊等，2021).总体来看，本文余震震源机制解所反映的断层构造具有高倾角左旋走滑性质，且沿着破裂带自西向东具有分段性差异，反映出江错断裂构造形态的复杂性.

3.2 孕震机制

巴颜喀拉块体是青藏高原东北缘地震活动性较强的区域之一，地震的发生与地壳结构及其动力学过程密切相关.因此，综合分析玛多地震震源区的余震序列分布、余震震源机制解、构造应力场、地壳速度结构等，对于揭示玛多地震的深部构造背景和发震机制非常重要.玛多MS7.4地震的发震断层江错断裂，距离块体北边界东昆仑断裂约70 km，属于块体内部断层.穿过巴颜喀拉块体的人工地震测深剖面(嘉世旭等，2017；宋向辉等，2021)与吴萍萍等(2022)的体波成像结果显示，江错断裂南北两侧的上地壳速度结构存在强烈的非均匀性.玛多地区的中下地壳低速异常(Xin et al., 2019; 宋向辉等，2021)、低密度异常(Yang et al., 2012)及大地电磁剖面中明显的高导层(詹艳等，2021)揭示，该区域很可能存在中下地壳物质流动(Clark and Royden, 2000).这些软弱物质为上地壳的脆性变形和应变能量积累提供了有利条件.受到印度板块NE向的持续挤压，巴颜喀拉块体东部主要表现为挤压变形(李海兵等，2021)，使得中下地壳的软弱物质不断向北运移.而玛多地区处于高低速边界带上，受到江错断裂北侧高速物质的阻挡，弱物质转而向上运移，从而对上地壳产生挤压，这是震源区构造变形的深部驱动力.由中小型余震的震源机制解所揭示的玛多地震震源区主要受到NEE向近水平挤压应力场的控制，与GPS速度场所反映的运动方向(Wang and Shen, 2020)相一致.在这种构造背景下，江错断裂附近脆性的上地壳应力不断积累，最终导致失稳破裂，触发了此次玛多地震.

18次中小型余震的震源机制解主要为左旋走滑型，另有2次逆冲型，它们发生在主震以西黄河乡附近地表破裂带呈明显南北分段处.余震的发震机制可能会受到震后应力重新调整的影响，产生不同于主震的震源破裂类型(魏柏林，1980).在徐志国等(2021)和赵韬等(2021)对中强型余震的震源机制解研究中，相同位置也出现了类似的逆冲型地震.从速度结构来看，这2次逆冲型余震均位于高低速异常的交界处，断层南北两侧的速度结构差异明显.在NEE向近水平挤压应力场的控制作用下，随着主震能量的释放和震后应力的重新调整，使得断层北侧坚硬的高速体局部应力集中，挤压发生逆冲型地震.在江错断裂的东段，也有走滑型余震出现，但P轴方位与其他余震相比更加接近E-W向，与地表破裂带平行.横跨江错断裂东段的测线MB各台站上地壳各向异性快波方向自北向南由NWW向逆时针逐渐转为NEE向，且测线MB东侧存在大规模高速异常，暗示该区域局部应力状态的复杂性.此外，作为东昆仑断裂带的一条分支断裂，江错断裂在承担其走滑分量的同时还受到附近其他断裂共同作用的影响(岳汉等，2008)，尤其是在东段尾端，多条断裂的共同作用为余震的孕育提供了理想条件，导致此处余震活动性显著增强，属于应力调整强烈区，出现不同于主震震源机制解特征的余震.虽然沿着江错断裂走向余震震源机制解性质不同，但总体来看应力场P轴方位比较相似，与该区域构造应力场NEE向近水平挤压应力方向(Wang and Shen，2020)也基本一致.这说明与主震相比，中小型余震的孕震机制更加复杂，震源区的变形和破裂主要受区域构造应力场的控制，同时还受到震后应力调整、局部速度结构复杂性及独特的断层系统的综合影响.

4 结论

本文基于机器学习获取的高精度地震目录和中国地震台网中心公布的地震目录，截取相应的事件并严格筛选符合要求的地震事件，利用CAP方法反演了玛多地震震源区的18次ML≥3.0余震的震源机制解，在此基础上，通过应力和断层面方向联合迭代方法计算该区域的构造应力场.综合震源区已有的地质与地球物理场特征对本次玛多地震的余震序列进行分析，获得了以下认识：

(1)18次中小型余震的震源机制解显示，余震序列大多为走滑型(16次)，与主震震源机制解较一致，在主震以西黄河乡附近地表破裂带南北不连续处出现逆冲型(2次).余震震源机制所揭示的断层走向大致与地表破裂带平行呈NWW向，断层的倾角整体较大，且在断层不同位置具有分段性差异，反映出震源区构造形态的复杂性.余震震源机制解所揭示的P轴优势方位为NEE-SWW向，倾伏角为13°，表明相应时间段内的余震序列活动仍然主要受到与区域构造应力场方向基本一致的NEE向近水平应力场的控制.

(2)玛多MS7.4地震的发生与该地区分层且非均匀的上地壳结构及中下地壳软弱物质的挤压和上涌密切相关.与主震相比，中小型余震的孕震机制更为复杂，在区域构造应力场的控制下，同时受到震后应力的调整、局部速度结构复杂性及多断层相互作用的综合影响.此次玛多地震的发生，说明巴颜喀拉块体的活动性仍然较强，未来的强震活动性及地震危险性仍值得关注.

鉴于本研究使用短周期地震仪波形数据，且可用的地震事件震级偏小，在更低频范围内进行震源机制解的反演难度较大.我们也尝试在更高频率范围内进行反演，但受限于研究区域地壳速度结构模型的准确性，反演效果不佳.针对本研究震源机制解反演的局限性，在未来的反演工作中，我们将考虑采用高精度的三维速度结构模型，以期实现更宽频率范围内更加精细可靠的波形拟合.