青海玛多MS7.4地震震源破裂过程反演结果的初步分析

邓文泽 刘 杰 杨志高 孙 丽 张雪梅

(中国地震台网中心，北京 100045)

0 引言

据中国地震台网测定，北京时间2021年5月22日2时4分在青海省果洛州玛多县(34.59°N，98.34°E)发生MS7.4 地震，震源深度为17km(1)www.cenc.ac.cn/cenc/dzxx/369255/index.html。。本次地震震区的人口密度较低，暂未造成人员伤亡，在震中附近发现桥梁垮塌及近70km的地表破裂(2)http：∥qh.people.com.cn/n2/2021/0524/c378418-34742305.html。。本次地震位于巴颜喀拉块体东部阿坝次级块体的北边界附近(邓起东等，2003；詹艳等，2021)。块体内部发育一系列走滑断裂，据余震序列精定位结果推断NWW向的昆仑山口-江错断裂是本次地震的主要发震断层(王未来等，2021)。有仪器记录以来，阿坝次级块体共发生7次6.0级以上强震(图1)，分布于达日断裂和东昆仑断裂附近(李陈侠等，2011)，其中最大地震为1947年达日7级地震。块体内的玛多-甘德断裂带处于中强地震空区，有研究表明(熊仁伟等，2010)玛多-甘德断裂晚更新世以来的水平滑动速率<6～8mm/a，存在强震孕育环境。

图1 研究区域主要活动构造及历史强震分布Fig.1 Distribution of active faults and historical large earthquakes.红色五角星表示震中，蓝色圆圈表示历史强震，黑色实线表示断层，插图中黑色矩形区域表示研究区；红线表示一级块体边界，蓝线表示二级块体边界

本研究利用远场地震波资料快速反演获取了玛多MS7.4 地震的震源机制解和震源破裂过程，同时利用近震全波形拟合方法反演了余震的震源机制解，结合地质构造背景确定震源破裂的特征，可为震后的灾害评估和应急救援提供一定的依据。

1 资料和方法

本研究采用有限断层反演方法反演了玛多地震的震源破裂过程(Jietal.，2002a，b)。该方法通常将断层转换为具有一定长度和宽度的有限面源，在小波域实现不同频带信号的分离，采用模拟退火法求解滑动位移在断层面上的时空分布。

地震发生半个小时后，利用GSN台网的数据(图2)和W-phase方法(Kanamorietal.，2008)进行点源模型的震源机制解反演，结果见表1，反演结果与USGS和GFZ等国际机构给出的结果较为一致。结合震中区域的地质构造背景、余震分布(图3)和震源机制解结果，本文采用沿NW-SE向的断层节面解(走向为102°、倾角为81°、滑动角为11°)构建断层几何模型，在有限断层反演中通常需要估算断层的长度和宽度，长度L和宽度W的估算公式分别为(Dahlenetal.，1998)

L=Vr×Td

(1)

W=D/sin(θ)×2

(2)

式(1)中，Vr表示破裂速度，Td表示破裂持续时间。式(2)中，D表示震源深度，θ表示断层面倾角。

图2 GSN台网远场台站分布图Fig.2 GSN stations map.

表1 青海玛多 MS7.4 地震的震源机制解Table1 Focal mechanism of Qinghai Madoi MS7.4 earthquake

图3 玛多地震的余震分布(MS≥3.0，截至2021年6月10日19时)和台站分布图Fig.3 Distribution of Madoi aftershocks and regional stations.红色五角星为震中位置，蓝色三角形表示区域台网台站，红色三角形表示震后布设的流动应急台站，白色实心圆为MS≥3.0余震，黑色实线表示断层

破裂面参数的选取同时参考王未来等(2021)的余震精定位结果。最终，选取一个长185km、宽20km的平面作为破裂面，并将其划分为37×5=185个子断层，以中国地震台网中心发布的震中位置(34.59°N，98.34°E)为起始破裂点，综合各国际机构的结果采用10km作为起始破裂深度。选取信噪比较高且沿方位角分布较为均匀的23个远场P波(30°<震中距<90°)和18个SH波的波形资料进行破裂过程反演。

截至2021年6月10日19时，中国地震台网共记录到MS3.0 以上余震57次(图3)。为了更好地了解玛多地震序列的发震构造和孕震机制，我们利用近震全波形拟合方法(Herrmannetal.，2011；Herrmann，2013)和中国地震台网区域台站数据反演MS4.0 以上余震的震源机制解(表2)，得到余震的震源机制和矩心深度。由于受主震尾波的影响，未给出震后2h内余震的震源机制解。

表2 玛多地震MS≥4.0余震的震源机制解目录Table2 Focal mechanism catalog of Madoi MS≥4.0 aftershocks

2 结果

图3 和图4 分别给出了玛多地震序列余震(MS≥3.0)的空间分布和M-t图。截至2021年6月10日23时59分共记录到MS≥3.0余震57次，其中MS5.0～5.9地震1次，MS4.0～4.9地震17次，MS3.0～3.9地震39次，最大余震为2021年5月22日10时29分发生的MS5.1 地震。玛多地震序列总体呈NWW-SEE走向分布，与区域地质构造的走向一致，余震展布的长度约为170km，在主震的震中两侧均有分布。地震序列在震后衰减较快(图4)，主震发生当天为强余震活动时段，震后2h内发生MS≥3.0余震17次，震后1d内发生MS≥3.0余震36次，最大余震发生在震后8h。进入6月，10d内仅发生3级以上地震1次，震级最大的为2021年6月3日发生的MS4.9 余震。总体而言，该地震活动序列整体表现为局部中小震强弱交替、频度逐渐降低的衰减趋势。

图4 玛多地震序列MS≥3.0地震的M-t图(2021年5月20日—6月10日)Fig.4 M-t plot of Madoi aftershocks(from 20th May to 10th June，2021).红线表示最大余震，正上方的标注为其发生时间和震级

通过有限断层反演得到的本次地震的初步结果如图5 所示。震源时间函数结果(图5a)显示本次地震的地震矩约为1.73×1020N·m，矩震级约为MW7.4 ，与GCMT和GFZ的结果一致。此次地震持续近45s，前5s的初始破裂释放的能量较小，主要能量释放于震后10～30s，30s之后破裂规模开始衰减，断层开始缓慢愈合。断层面上的静态位移分布表明(图5b)，主震造成的破裂呈现明显的不对称双侧破裂特征，断层上破裂的平均滑动角约为3°，表明同震位移以左旋走滑为主。沿断层走向破裂的长度约为140km，主震造成的主体破裂在0～15km深度范围内。破裂在震中东、西两侧的滑动位移呈现出明显的分段性特征，SE方向的滑动量略大于NW方向。最大滑动量约为400cm，位于震中SE方向0～20km处近地表，表明此次地震破裂到地表，易形成较强的震感或破坏，推测可能存在较大的地表破裂，在SE方向20km外破裂逐步向深部发展。在破裂的NW方向20km处存在较大的近地表滑动位移，破裂范围略小于SE向，推测在该处存在地表破裂。在NW方向20～40km的滑动和SE方向20km外的滑动分布都呈现出向深部发展的趋势，且NW方向由浅到深再到浅部，表明地震破裂面在深部比浅部具有更复杂的几何形态。

图5 玛多地震的有限断层反演结果Fig.5 Fast finite fault inversion results of rupture process of the Madoi earthquake.a 震源时间函数；b 断层面上的静态滑动位移分布

图6 为震源破裂过程反演计算的理论地震图与观测波形资料的拟合情况，绝大多数台站的互相关系数>0.9，平均相关系数达0.87，反演结果较好地解释了大部分台站的波形记录。由于本次地震是走滑型事件，基于走滑型地震的P波辐射花样，在断层面和辅助面相对应的4个方位附近的台站受震源机制影响较大，因此观测波形的拟合情况较差。图中，GUMO台站的方位角为104°，与断层面的走向基本一致，波形拟合相关系数为0.46。

图6 玛多地震的观测波形与合成波形对比Fig.6 Comparison of observed and synthetic waves.黑色实线表示观测波形，红色实线表示合成波形，各子图左侧字母分别表示震相和台站名，坐标轴左侧数据从上到下分别为方位角(°)和震中距(°)，子图右侧数据从上到下分别为最大振幅(μm/s)和观测波形与合成波形的相关系数

图7 玛多地震MS≥4.0余震的震源机制解分布Fig.7 Focal mechanism of Madoi MS≥4.0 aftershocks.图中数字为表2所示的地震序号，余震的矩心深度用不同颜色表示

图7 和表2为本次地震MS≥4.0余震的震源机制解。结果表明，余震的震源错动较为简单，机制多为走滑型，表明玛多地震震源破裂区域内的变形主要为平移错动，但断层的走向呈现出明显的差异性。其中，3次余震的震源机制解(事件5、6和9)与玛多地震主震的机制较为一致，其实际发震断层面与余震的主体方向表现一致。位于震中NW方向的余震(事件2、4、7、10和12)，其震源机制的走向和倾角与主震差异性较大，表明断层面具有较为复杂的结构。震中附近事件11的震源机制解为正断型，表明发震断层以左旋走滑为主，兼具少量正断分量。此外。事件15和16为逆冲事件，表明在主破裂区局部存在挤压变形的特征。此次玛多地震余震震源类型的差异反映了震源应力场的变化(魏柏林，1980)，后期的余震活动受局部应力场调整影响，与主震可能存在较大差异。

3 讨论与结论

3.1 讨论

本文利用有限断层反演方法快速反演了2021年5月22日青海玛多地震的破裂过程，反演结果表明本次地震呈不对称双侧破裂，破裂长度约为140km，略小于地表调查结果和余震精定位结果(李智敏等，2021；王未来等，2021；徐志国等，2021)。余震精定位结果显示，在断层的两端出现多个分支断裂，表明玛多地震的主震破裂面在两端的发展较为复杂，这可能是对破裂过程进行反演得到的破裂尺度略小的原因。断层的最大滑动位移达400cm，分别位于主震震中NW向20km和SE向0～20km处，且深度较浅，推测震中附近存在大规模地表破裂，同时也是灾害主要集中的区域；中国地震局正式发布的玛多地震烈度图显示，在北西侧和南东侧均存在Ⅸ度区，地表破裂调查和InSAR反演结果(华俊等，2021)与本文反演得到的滑动位移分布基本一致。破裂在NW方向20～40km处的滑动和SE方向20km外的滑动分布都呈现出向深部发展的趋势，且从初始破裂点沿NW方向的破裂由浅到深(约15km)再到浅部。总体上，主震的破裂分布沿走向以及深度方向表现出较强的不均匀性，表明地震破裂面在深部具有比浅部更复杂的几何形态。

余震的震源机制反演结果显示断层错动多为走滑型，这与区域历史震源机制一致。研究区域存在多个大型走滑断裂，这些断裂适应了构造块体的侧向挤出效应。余震断层面的走向和倾角差异性明显(图7)，这与复杂的地表破裂几何结果相适应(李智敏等，2021)。

大地震发生后，对震源破裂过程进行快速反演可实现对地震破裂的性质及致灾特征的初步推断。然而，破裂过程反演不仅依赖于数据的完备性和反演方法，还依赖于发震断层参数。震中位置、震源深度、断层面参数等都会导致反演结果发生变化。对于大地震而言，通常只能采用远震波形资料反演地震矩张量，以得到断层面走向、倾角和滑动角，断层面参数的偏差平均约为15°。玛多地震发生后，北京大学张勇教授(私人通讯)、USGS(3)https：∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000e54r/finite-fault。均给出了本次地震震源破裂过程的快速反演结果。本文的反演结果与上述结果存在一定差异，但反演结果的主要特征一致，在震中附近的NW和SE向近地表处存在较大滑移分布，随着破裂的继续传播，各反演结果表现出差异性。由于破裂过程反演对先验信息的强依赖性，本文利用区域台网的波形数据反演余震的震源机制解，与本次地震的破裂过程可以相互印证。

本次地震发生在NWW走向的巴颜喀拉块体北边界带，青藏高原持续受印度板块向N挤压逐步隆升，其内部的巴颜喀拉次级地块整体表现出向E运动的特征(Wangetal.，2020)，此次地震是巴颜喀拉地块向E“逃逸”运动(Xuetal.，2013)、侧向挤出形成的又一次大地震。有研究表明(李智敏等，2021；王未来等，2021)，本次地震的发震断层为昆仑山口-江错断裂，破裂段为江错段。巴颜喀拉块体内部强震的活跃度较低，最近发生的地震为1947年达日7级地震。主震震源区下方的深部速度结构显示在20～40km深度存在显著的低速异常体(嘉世旭等，2017；Xinetal.，2019；Huangetal.，2020)，詹艳等(2021)的研究结果表明震源区中下地壳广泛分布的高导层揭示其遭受了构造变形或缩短，可能是青藏高原东北缘存在中下地壳流(Clarketal.，2000)的一种证据，相对软弱的中下地壳流更容易导致上覆脆性层的能量积累。综上所述，我们认为玛多地震的孕育与印度板块向N俯冲挤压欧亚板块、使其处于长期应力积累状态(邓起东等，2010，2014)及中下地壳存在低速体有关。

3.2 结论

本研究对2021年5月22日青海玛多7.4级地震开展了主震震源破裂过程反演及主震和MS≥4.0余震的震源机制解反演。结果显示，主震为陡倾角左旋走滑型机制，中强余震的机制变化表明发震断层面并非单一的平面结构；此次地震破裂持续近45s，前5s的初始破裂释放的能量较小，主要能量释放于震后10～30s，30s之后破裂规模开始衰减，断层开始缓慢愈合。发震断裂长约140km，略小于余震展布区的长度和震后地表破裂调查确定的破裂长度；主体破裂集中在0～15km深度，断层的最大滑动量约为400cm，主震破裂分布沿走向及深度方向表现出较强的不均匀性，表明地震破裂面在深部比浅部具有更复杂的几何形态。

致谢本文的地震波数据来自IRIS数据中心和中国地震台网中心；陈九辉研究员、房立华研究员和郭飚副研究员对本文提出了宝贵意见；评审专家对本文提出了修改意见。在此一并表示感谢！