2022年1月23日青海德令哈MS5.8地震全矩张量反演及发震构造初步分析

徐志国,史健宇,梁姗姗,李宏伟,邹立晔

(1.国家海洋环境预报中心,北京100081;2.中国地震台网中心,北京 100045)

0 引言

据中国地震台网正式测定:2022年1月23日10时21分在青海海西州德令哈市(38.44°N,97.37°E)发生MS5.8地震,震源深度8 km。截至2022年1月23日12时0分共记录到震源区3.0级及以上余震1次(https:// www.cenc.ac.cn)。本次地震位于青藏高原东北缘的祁连山地震带,处在青藏块体、阿拉善块体以及鄂尔多斯块体的交汇处,是由多条NWW向活动断裂和NNW向活动断裂组成的断裂带[1-5]。祁连山地震带在加里东时期形成,新生代以来,伴随着印度板块与欧亚板块之间的碰撞又逐渐复活成为褶皱逆冲造山带,其内部发育大量新生的褶皱、逆冲和走滑断裂[6-7],如党河南山断裂、疏勒南山断裂、中祁连断裂等,构造形迹相对复杂。该区域是中国大陆内部地壳运动最强烈,构造较为复杂的地区之一,地震活动性较强。2000年以来,该区域曾发生多次强震,包括2003年4月17日发生在祁连山褶皱系南部的青海德令哈MS6.6地震[8]、2016年1月21日青海门源MS6.4地震和2022年1月8日青海门源MS6.9地震。中国地震局地质研究所的区域地震构造图显示距离最近的断层是距离地震震中以西约34 km的党河南山主峰断裂以及东北约37 km的大雪山—疏勒南山断裂(图1)(https://www.eq-igl.ac.cn/)。

图1 区域构造背景及历史地震分布(a)及震源区主要活动断裂(b)Fig.1 Regional tectonic setting and distribution of history earthquakes (a) and main active faults in the source area (b)

据现有公开出版的图件和文献中断层资料[9-10],青海德令哈MS5.8地震震源区无明显断层迹线分布或出露地表的断层,因此很难确定这次地震的具体发震断层。为了深入研究本次地震的发震构造及特征,本文首先利用青海和甘肃区域地震台网记录的宽频带波形数据,采用ISOLA(ISOLated Asperities)近震全波形方法[11-15]反演了德令哈主震全矩张量解;利用青海省地震局震相观测报告,采用双差定位方法[16]对地震序列进行重新定位,并采用万永革等[17-18]提出的小震拟合断层面方法确定余震的走向及震源机制解的最佳节面。

1 数据与方法

本研究收集了青海和甘肃区域地震台网记录的德令哈MS5.8地震三分量宽频地震波形资料用于求解地震全矩张量解。根据台站方位角和波形质量,选取了13个台站参与地震全矩张量反演,震中距范围为118～347 km[图2(a)]。同时,收集整理了2022年1月23日—2月7日青海省地震局震相观测报告中德令哈MS5.8地震序列中ML≥1.0共98次地震事件开展重定位研究。为了保证定位质量,在进行重定位前,选择震中距350 km范围内且绝对走时残差小于2 s的台站震相数据。根据所选台站记录资料,共有11个台站参与地震重定位[图2(b)]。

图2 全矩张量反演和双差定位所使用台站分布Fig.2 Distribution of stations used for full moment tensor inversion and double difference location

本研究采用ISOLA方法计算地震全矩张量解。该方法主要采用迭代反褶积算法进行矩张量反演,可以设置单点源或多点源震源模型,通过网格搜索和最小二乘法反演得到地震最佳矩张量解。反演过程中,参考中国地震台网中心地震终报目录结果,以震中为起始点,矩心深度搜索范围1～20 km,深度步长为1 km,矩心时间偏移搜索范围为发震时刻前后2.25 s,时间步长为0.1 s,每个台站的滤波频带范围为0.02～0.05 Hz,采用全矩张量反演模式,基于单点源模型在时间和空间范围内搜索震源机制最优解。格林函数采用离散波数法[19-20]计算得到,频率间隔设为0.2 Hz。

本研究震源机制反演和地震重定位所使用的一维速度模型均基于面波成像方法所获得的震源区速度结构[21]。

2 结果分析

2.1 地震全矩张量反演

采用ISOLA方法反演得到2022年1月23日青海德令哈MS5.8地震主震的全矩张量解,其节面Ⅰ走向78°、倾角88°、滑动角-22°;节面Ⅱ走向169°、倾角68°、滑动角-177°;主震最佳矩心深度为9 km,矩震级为MW=5.5;震源区应力主轴的空间取向为:主压力轴P的方位角32°和倾角17°,主张力轴T方位角126°和倾角3°(图3);地震全矩张量分量Mrr、Mtt、Mpp、Mrt、Mrp及Mtp分别为0.457、-0.754、0.963、-0.911、0.103及1.962,各向同性分量ISO(isotropic)、补偿线性矢量极偶CLVD(compensated linear vector dipole)分量和双力偶分量DC(double-couple)所占的比例分别为9.5%、-27.8%和62.7%,非双力偶分量(ISO+CLVD)成分占37.3%。总体平均方差减少量VR(variance reduction)为0.68,说明理论波形和实际波形总体拟合的效果较好,反演所得的震源参数结果较为可信(图4)。

图3 全矩张量波形反演拟合相关系数随矩心 深度的变化Fig.3 The correlation coefficient of waveform fitting versus the centroid depth from full moment tensor inversion

图4 固定震中位置垂直深度方向搜索2022年1月23日MS5.8地震全矩张量解对应的三分量理论(红色)和实际(黑色或灰色,灰色未参加反演)波形拟合图(波形上方数字表示波形拟合方差减小量;右侧大写字母表示台站名)Fig.4 Fitting diagram of the three-component synthetic waveform (red) and observed waveform (black or gray,gray not used in the inversion) from the full moment tensor inversion of the MS5.8 earthquake on January 23,2022 in the vertical depth direction of fixed epicenter position

需要说明的是,由于全矩张量是基于力偶对任意地震点源的一般表示,矩张量分量Mij不仅能描述剪切断层运动的双力偶性质,也能代表非双力偶震源;矩张量的ISO分量与发震源的体积变化有关,在爆炸源或内爆源中显著存在;DC分量描述的是各向同性介质中沿平面断层发生的剪切错动,通常认为是构造地震的震源模型;CLVD分量反映震源体中扭剪、张裂等作用强度,与震源区介质各向异性强度或破裂断层的复杂性相关。本研究中德令哈MS5.8地震主震的非双力偶分量达37.3%,较高的非双力偶分量与这次地震所处的复杂构造环境有一定的相关性,具体的原因有待于进一步研究探讨。

为了对比不同研究机构的反演结果,将所得到的地震震源机制解分别与美国地质调查局(https://www.usgs.gov/、全球矩心矩张量解(http://www.globalcmt.org/)、德国地学研究中心(https://www.gfz-potsdam.de/)及中国地震局地球物理研究所(https://www.cea-igp.ac.cn/)得到的结果进行对比(表1),并采用万永革等[17-18]定义的不同震源机制解之间的空间旋转角来衡量反演结果间的差别。以本研究所得的震源机制解作为参考解,计算其与以上4家机构测定的震源机制解之间的空间旋转角。由表1可以看出,除与中国地震局地球物理研究所采用P波初动所得震源机制解的空间旋转角较大以外(达40.53°),其余处于9.06°～19.94°之间,均小于20°,变化范围不大,也表明了本研究所得震源机制解的可靠性。

表1 不同研究机构给出的德令哈主震震源机制解参数Table 1 Focal mechanism solution parameters of the Delingha mainshock from different institutes

2.2 地震精定位

除地震震源机制以外,精确的地震序列空间位置也是确定发震构造的重要依据[22-24]。为进一步探讨此次德令哈地震的发震构造,采用双差定位方法对2022年1月23日—2月7日青海德令哈MS5.8地震序列进行精定位,共获得78个地震事件的精定位结果。其沿纬度、经度和深度上的平均相对误差分别为0.34 km、0.4 km和0.5 km,平均均方根残差由重定位前的1.21 s减小为0.13 s。本次德令哈主震重定位震中位于38.46°N、97.32°E,震源深度12 km,与本研究所得矩心深度相差3 km。相关研究表明,对于中小地震来说,定位深度与矩张量反演确定的深度差别不大[9],这也表明本研究使用双差定位方法所得的初始震源深度与固定震中位置垂直搜索得到的最佳矩心深度均较为可靠。

为了更好地直观展示地震破裂面的延展范围,图5给出2条剖面,分别为沿主要余震走向的NNW剖面(AA′)及其横切剖面BB′。AA′剖面显示,余震沿主震SSE向呈单侧扩展,展布长度约16 km;BB′剖面展示出余震呈W倾趋势。为了定量地描述余震分布和震源机制解节面的关系,采用了万永革等[17]提出的小震拟合断层面方法来确定余震的走向为163.67°,与本研究反演所得震源机制节面Ⅱ走向(169°)相差不到6°,断层面走向结果存在细微差别。究其原因,主要是由于计算结果所采用的数据、方法不同而导致:利用小震拟合断层面方法确定断层面产状,其建立在断层面为平面且大多数地震发生在此断层面附近的假设基础上,由震源位置的空间分布勾勒出断层面的形状和位置;而波形反演所确定的断层面走向是建立在震源力学模型基础上,参与反演台站的观测波形和理论波形拟合程度越高,反演结果越准确。但总体来说,这2种不同数据所确定的断层面走向结果基本吻合,能够准确反映发震断层面的几何形态。因此,推测节面Ⅱ为可能的发震断层,德令哈MS5.8地震是发生在祁连山地震带的向W倾,倾角约为68°的右旋走滑型地震。

图5 重定位后地震事件平面及横切剖面图Fig.5 Relocated earthquakes in planar view and along the cross-sections

为深入理解余震的扩展模式,将主震后1 h内地震在平面的分布展示出来(图6),可以看出在该时间段内,地震主要沿SSE向展布,呈单侧扩展模式,不同于2003年青海德令哈MS6.6地震明显的双侧扩展模式,产生原因可能是由于此次地震的震级规模较小或与发震断裂性质有关。

图6 主震发生1小时以内地震平面图Fig.6 Earthquakes in map view within an hour after the mainshock

3 讨论和结论

本文收集2022年1月23日青海德令哈MS5.8主震及余震相关资料,对主震开展全矩张量反演研究,确定了此次地震的断层面几何参数、矩震级、矩心深度以及震源区应力状态等震源参数;通过双差定位方法获得青海德令哈MS5.8地震序列精定位结果和时空分布特征,充分探讨此次地震的发震构造及其区域构造意义。

近震全波形反演结果表明:2022年1月23日青海德令哈MS5.8地震是发生在祁连山地震带内的一次高倾角走滑型地震。与迄今现有公开出版的图件和文献中断层资料[7-8]对比,青海德令哈MS5.8地震震源区没有出露地表的断层,认为此次地震可能发生在某一尚未探明的走滑型隐伏断层上。青海德令哈MS5.8地震的发生为震源区隐伏断裂带探测提供了契机,进一步探明了震源区隐伏断裂分布特征、隐伏位置、活动性等详细信息,为区域地质构造背景、未来地震危险性分析、震害预测与防御等工作提供科学参考资料。双差重定位结果显示:余震优势展布方向为NNW-SSE,呈单侧扩展模式,长度约16 km,余震震源深度优势分布在7～12 km之间,深度剖面清晰的展示出发震断层面呈W倾趋势。综合震源机制解和重定位结果,推断NNW走向的断层面(节面Ⅱ)为可能发震断层面,认为德令哈地震是发生在祁连山地震带的向W倾,倾角约为68°的右旋走滑断裂错动所致。

本次青海德令哈MS5.8地震的发震构造与2021年5月22日发生在青藏高原东缘的青海玛多MS7.4地震[25]以及2022年1月8日青海门源MS6.9地震[26]类似,均为典型的走滑型地震事件,而这种走滑型错动与该地区的地质构造背景有着密切联系,均是主要受到印度板块和欧亚板块会聚作用,印度板块北东向挤压作用持续增强,同时受到该地区周边新生代阿尔金断裂和海原断裂、天景山断裂等走滑断裂活动的影响和改造,应力不断积累最终导致断层失稳而引发地震。

自2021年青海玛多MS7.4地震发生以来,不到1年时间里,在青藏高原东北缘相继发生2022年1月8日青海门源MS6.9地震及2022年1月23日青海德令哈MS5.8地震2次较大震级地震,也再次表明,印度板块与欧亚板块持续俯冲碰撞,导致青藏高原东北缘地区地震活动频繁[27]。

致谢:中国地震台网中心和青海省地震局为本研究提供了详实可靠的地震观测报告和地震波形数据,在此表示衷心感谢！