2022年门源MS6.9地震前祁连—海原断裂带闭锁程度及地震危险性研究*

刘 雷，朱良玉，季灵运，庄文泉，刘传金

(中国地震局第二监测中心，陕西 西安 710054)

0 引言

青藏高原东北缘属于柴达木—祁连活动地块(张培震等，2003)，是青藏高原向大陆内部扩展的前缘部位，吸收和调节印度板块向欧亚板块NNE向的挤压汇聚作用，构造活动强烈并且中强地震较为频繁(Dewey，Burke，1973；Métivieretal，1998；Zhangetal，2004；Molnar，Stock，2009)。祁连—海原断裂带作为青藏高原东北缘边界带的一条大型走滑断裂带，不仅控制着青藏高原东北缘地区的几何和构造格局，而且在调节东北缘地壳物质相对于戈壁—阿拉善地块的向东运动中起到重要作用。该断裂带以左旋走滑为主，全长约1 000 km，由西向东主要由托莱山断裂、冷龙岭断裂、金强河断裂、毛毛山断裂、老虎山断裂和海原断裂组成(Tapponnieretal，1976，2001；Peltzer，Tapponnier，1988；Gaudemeretal，1995；Zhengetal，2013；Daoutetal，2016；周琳等，2022)。断裂带现今地震活动性较强，据历史资料记载，自1900年以来曾发生过多次强震和大震，如1920年海原8.5级地震、1986年门源6.4级地震、1990年天祝—景泰6.2级地震和2016年门源MS6.4地震等。2022年1月8日青海门源MS6.9地震也发生在该断裂带上(李振洪等，2022)，根据GCMT①的反演结果，震中位置为(37.80°N，101.31°E)，震源深度14.8 km，震源机制为高角度左旋走滑断层，表明祁连—海原断裂带控制了一系列历史地震的发生，是研究地震孕育发生机制的天然试验场。

断层滑动速率有利于认识地壳形变模式、了解应力加载过程、探索大地震复发周期，断层深浅部的闭锁程度和滑动亏损分布特征是判断断裂带未来一段时期内地震危险性的重要手段(McCaffreyetal，2005，2007；Cavaliéetal，2008；Jolivetetal，2013)。关于祁连—海原断裂带的地震危险性研究，前人已经开展了许多工作，如Gaudemer等(1995)根据野外考察和遥感影像发现在祁连—海原断裂带上存在一个长约220 km的地震危险区——“天祝地震空区”；郭鹏(2019)根据野外地质调查认为金强河断裂东段、毛毛山断裂和老虎山断裂所在的长约160 km的区段未来可能发生大地震；郝明等(2017)和叶茂盛等(2018)利用GPS资料反演了海原—六盘山断裂的闭锁程度，分析了断裂未来可能发生强震的地区；赵静等(2016)计算了陇西块体周边断裂的闭锁程度，认为冷龙岭断裂和金强河断裂为地震危险段；李强等(2014)和Li等(2016)对祁连—海原—六盘山断裂带的闭锁进行了反演，认为金强河—毛毛山断裂存在较高的地震危险性。因此，祁连—海原断裂带现今仍然是强震发生需要关注的重点位置。

综上所述，本文以祁连—海原断裂带为研究对象，利用2015—2021年的GPS速度场结果，获取了其现今的滑动速率、闭锁程度及滑动亏损速率；结合2022年门源MS6.9地震前小震精定位和震后余震精定位结果，综合分析了断裂带的现今活动性、断裂的深浅部地壳变形及小震活动特征，并依据2022年门源地震震前特征判定断裂带未来可能发生强震的段落，探讨了区域现今地壳变形特征，为区域强震危险地点预测和青藏高原东北缘构造变形模式提供了参考和约束。

1 跨断层GPS速率特征

1.1 GPS数据处理

收集“地壳运动观测网络”“中国大陆构造环境网络”项目2015 —2021年的GNSS观测数据。采用统一的数据处理方案对所有数据进行处理，主要方法如下：①利用GAMIT，以单天为1个时段，对GNSS观测资料进行基线解算。在允许卫星轨道和地球自转参数有微量调整的同时，采用重力场模型EGM08、光压模型BERNE、地球辐射模型TUME1、天线推理模型ANTBK、地磁场模型IGRF13、高阶电离层改正GMAP模型等对相关参数进行估计和改正。海潮和固体潮引发的测站地壳形变改正分别采用FES2004和IERS2003模型。为避免模型和框架的差异引起计算结果的差异，采用相同的模型和方法对全球选定的大约70个均匀分布的IGS站和基准站数据进行处理，获取单日基线松弛解。②利用HTOGLB将单日松弛解文件转换成GLOBK认可的单日基线松弛解，选定90多个稳定的IGS站和陆态网络一期的连续站作为基准点，利用GLRED计算ITRF2014框架下的坐标时间序列，检查单天坐标的重复性。③利用模型拟合的方法，对年和半年周期的季节性变化、仪器更换导致的阶跃等非构造因素影响的位移进行剔除。GPS速度场并没有将2016年门源MS6.4地震扣除，这是因为该次地震震级相对较小，同震及震后产生的形变及应力影响也较小(Wangetal，2017；刘云华等，2019；李振洪等，2022)，进而从多年干净的时间序列中估算出ITRF2014框架下的GNSS速度场。然后利用Altamimi等(2016)提供的欧亚框架和ITRF2014框架之间的欧拉旋转矢量，将GNSS水平运动速度场归算到稳定的欧亚参考框架下(Wangetal，2014；Zhaoetal，2015)，同时剔除GNSS速度场中方向和大小明显偏离研究区运动趋势的测站(图1)。

LSSF：龙首山断裂；YMSF：榆木山断裂；NQLSF：祁连山北缘断裂；TLSF：托莱山断裂；LLLF：冷龙岭断裂；JQHF：金强河断裂；MMSF：毛毛山断裂；LHSF：老虎山断裂；HYF：海原断裂；GLF：古浪断裂；XS-TJSF：香山—天景山断裂；LPSF：六盘山断裂；ELSF：鄂拉山断裂；RYSF：日月山断裂；LJSF：拉脊山断裂；ZLHF：庄浪河断裂；MXSF：马衔山断裂

1.2 跨断层GPS速率

断层的GPS速度剖面可直观地反映断层两侧块体的差异运动和断层的应变积累状态(Wang，Shen，2020)，因此为了研究祁连—海原断裂带现今的水平运动变形特征，本文构建了从西到东横跨祁连—海原断裂带的4个剖面(图1中的剖面P1、P2、P3、P4)，将2015—2021年GPS速度场分别沿断层走向和垂直断层走向方向进行投影，由断层两侧站点速度平均值之差估算断层的滑动或张/压速率，并利用误差传播定律计算速率误差，绘制出跨断层GPS速率剖面(图2)。

图2 跨祁连—海原断裂带GPS速率剖面图

P1剖面主要包括鄂拉山断裂、托莱山断裂、祁连山北缘断裂以及榆木山断裂，其中托莱山断裂以左旋走滑为主，兼有逆冲运动，走滑速率为4.0 mm/a，挤压速率为2.9 mm/a；而祁连山北缘断裂和榆木山断裂也具有左旋走滑和逆冲的性质，但是断层活动性较弱，滑动速率基本为1 mm/a。P2剖面主要包括日月山断裂、冷龙岭断裂、祁连山北缘断裂、龙首山断裂，其中冷龙岭断裂左旋走滑速率为3.9 mm/a，挤压速率为2.2 mm/a；日月山断裂走滑性质不明显，逆冲挤压速率为2.2 mm/a；龙首山断裂以逆冲运动为主，挤压速率为1.9 mm/a。P3剖面主要包括拉脊山断裂、金强河—毛毛山—老虎山断裂，金强河—毛毛山—老虎山断裂走滑速率为3.9 mm/a，挤压速率约为1.3 mm/a；拉脊山断裂走滑作用不强，存在微弱的拉张作用。P4剖面包括马衔山断裂、海原断裂、香山—天景山断裂，海原断裂的左旋走滑速率为4.3 mm/a，挤压速率约为1 mm/a，而马衔山断裂和香山—天景山断裂的现今活动性不强，走滑与挤压作用微弱。

2 断层闭锁程度及滑动亏损速率特征

2.1 模型原理及误差分析

本文使用的Tdefnode负位错反演程序主要原理是：假定块体内部点的运动为块体旋转、块体内部整体均匀应变及块体边界由于断层闭锁产生的滑动亏损而引起的地表弹性变形之和，可表示为：

(1)

采用网格搜索和模拟退火法同时反演块体旋转欧拉极、断层滑动速率、块体边界断层闭锁系数(Phi)等。模型原理、反演过程及参数控制等可参考McCaffrey(2009)研究。模型参数拟合程度的优劣表征如下：

(2)

式中：n为观测数据的数量；dof为自由度(所有观测数据数量-自由参数数量)；ri为观测数据残差；σi为数据标准差；f为数据误差权重因子。

对于祁连—海原断裂带的闭锁程度反演，主要选择了断裂带附近的阿拉善块体、兰州块体、西宁块体、共和块体和祁连块体。将阿拉善块体设置为刚性块体，其它块体设置为内部均匀应变，块体的划分参考前人的研究结果(Zhangetal，2005；李煜航等，2015；Lietal，2016)。反演断层设置中，简化祁连—海原断裂带为单一连续断裂，断层走向为NWW，倾向为SSW，倾角由西向东分别设为80°、75°、70°。断层面是由水平面和深度上的节点组成的，沿祁连—海原断裂带走向上节点之间的距离为30 km左右，共有26个节点，在垂直方向上设置了7个节点，距离依次为0.1、5、10、15、20、25及30 km，在反演时设置断层在地表为强闭锁状态(Phi=1)，在30 km深度设置为不闭锁状态(Phi=0)，处于0～30 km的断层节点设置为沿深度增加闭锁系数逐渐减小(McCaffrey，2002；Wangetal，2003)，进而计算相邻节点之间断层网格区域的闭锁程度。

图3 模型GPS速度残差分布图

2.2 断层闭锁程度与滑动亏损速率分析

通过最佳模型拟合结果，得到祁连—海原断裂带闭锁程度分布图(图4a)，图中震源参数来自 Global CMT(1)http：∥www.globalcmt.org/CMTsearch.html.目录。从图4a可以看出，祁连—海原断裂带闭锁程度最高的区域主要集中在金强河断裂、冷龙岭断裂西段和托莱山断裂东段，其中金强河断裂闭锁深度基本都在25 km左右，冷龙岭断裂西段闭锁深度为15 km，并且2022年门源MS6.9地震就发生在冷龙岭断裂西段强闭锁区域里，闭锁深度与地震震源深度基本一致。托莱山断裂东段闭锁深度在12 km，而在托莱山断裂中段和西段、毛毛山断裂、老虎山断裂和海原断裂上都表现为不闭锁或闭锁程度较低，从浅部有部分闭锁到深度5 km以下变为蠕滑运动。

当断层处于闭锁状态，滑动速率的亏损会以应变能的方式积累在断层附近(McCaffreyetal，2007)，而滑动亏损速率大小可以表示断层两盘滑动量转化为应变能的快慢，这对断层地震危险性的判断具有重要意义(Jolivetetal，2013)。根据祁连—海原断裂带滑动亏损速率分布图可以看出(图4b)，滑动亏损速率分布图与闭锁程度分布图变化基本一致，在托莱山断裂东段滑动亏损速率最大，达到5 mm/a，深度为12 km，向东到冷龙岭断裂附近，滑动亏损速率减小到4.5 mm/a，深度也变为4 km；冷龙岭断裂西段的滑动亏损速率为4.7 mm/a，深度为15 km，东段的滑动亏损速率为4 mm/a，深度只有4 km；金强河断裂的滑动亏损速率基本为3.7～4.2 mm/a，深度为25 km；而在托莱山断裂中段和西段滑动亏损速率主要为2.5～3.5 mm/a，主要集中在深度5 km的浅地表内；毛毛山断裂、老虎山断裂与海原断裂滑动亏损速率基本为3 mm/a，只分布在4 km的浅地表内，向深部逐渐变为0。

图4 祁连—海原断裂带闭锁程度(a)及滑动亏损速率(b)

3 小震分布特征

为了研究祁连—海原断裂带现今构造活动与小震之间关系，利用四川省地震局提供的2009—2019年的ML≥1.5小震精定位目录，挑选出沿断层走向两侧15 km范围内的地震，将小震沿断裂走向投影到断层面上(图5)。从图5可以看出，祁连—海原断裂带上地震的分布较为密集，且在断裂各段表现为不均匀分布，断裂高闭锁主要分布在断裂的中段，在东段和西段基本不闭锁，闭锁深度与小震深度基本一致，说明断层在20 km深度内处于闭锁状态(Schmittbuhletal，2015；李姜一等，2020)。在托莱山断裂的中段和西段，断裂闭锁程度较低，闭锁深度也较浅，并发生有较多的小震，而其东段闭锁程度高，小震分布较少；在冷龙岭断裂上，其西段闭锁程度较高，西段比东段闭锁深度大，地震呈条带状集中分布在断裂中西段，深度在14 km以上，2016年门源MS6.4地震就发生在这个位置。小震的密集与2016年门源MS6.4地震能量释放有关，而震中位置闭锁程度也较高，为闭锁强弱转换的高梯度带区域，可能是由于GPS数据(2015—2021)包含了2016年门源MS6.4地震，所以也反映出震前闭锁的特征。在冷龙岭断裂和托莱山断裂交汇处地震较少，2022年门源MS6.9地震发生在这个区域，2次门源地震分别发生于冷龙岭断裂强闭锁段的东、西两侧，很好地说明了在断裂强闭锁区内容易发生中强地震(赵静等，2012，2019)。

图5 祁连—海原断裂带闭锁程度与小震分布图

金强河断裂整体闭锁程度高，闭锁深度较深，在其东段地震分布较多，在西段与冷龙岭断裂交汇处地震密集且呈条带状分布，深度在18 km以上，地震密集可能是由于此处是古浪断裂与祁连—海原断裂带的相交处，构造活动强烈，地震更容易集中发生(郭鹏等，2017；高伟，2018；刘雷等，2020)；毛毛山断裂闭锁程度一般，闭锁系数约为0.5，地震分布稀少；老虎山断裂闭锁程度低，闭锁深度浅，地震分布较多，深度在18 km以上，地震较多与Jolivet等(2012)认为老虎山断裂现今存在蠕滑段的结论相对应；海原断裂闭锁程度低，闭锁深度浅，地震在西段分布较少，在东段分布较多，由于1920年海原8.5级地震就发生在海原断裂带的南东段，所以可能受到震后断层调整运动的影响，现今小震活动依旧较多。

4 讨论

4.1 断裂地震危险性分析

活动断裂在闭锁后，受到应力作用不断积累能量，当超过自身稳定极限后，会发生地震并释放能量，然后进入下一个地震周期(张培震等，2013；Wallaceetal，2004)。为了分析祁连—海原断裂带未来的地震危险性，本文结合断层闭锁和小震活动等资料，对断裂各段的地震危险性进行研究。

在托莱山断裂东段、冷龙岭断裂西段、金强河断裂中西段闭锁程度高，闭锁程度深，滑动亏损速率较大，基本都大于5 mm/a，并且小震分布较少，说明这些断裂段能量积累较快，未来的地震危险性较高。冷龙岭断裂东段虽然小震分布少，但是闭锁深度较浅，深度只有4 km，断裂可能正处于闭锁增长中，地震危险性次之。金强河断裂东段闭锁程度高，闭锁深度为8 km，但是小震分布较多，地震危险性一般。毛毛山断裂和托莱山断裂西段只有浅部闭锁程度低，闭锁深度浅，小震分布稀少，断裂现今能量积累速率较慢，未来地震危险性较弱。托莱山断裂中段、老虎山断裂和海原断裂闭锁程度低，闭锁深度较浅，滑动亏损速率也较小，并在断裂上分布较多的地震，说明这些断裂段地震活动频繁，能量积累水平较弱，地震危险性不强。

为了进一步分析2022年门源MS6.9地震及余震的分布特征以及对断层地震活动性的影响，本文收集了门源MS6.9地震后9天内的余震精定位结果(Fanetal，2022)，选择了震中两侧各60 km的区域(图5中黑色虚线框)，将2009—2019年地震和门源MS6.9地震余震绘制成地震剖面(图6)。从图6可以看出，余震深度主要分布在5～15 km，在冷龙岭断裂西段和托莱山断裂东段之间，长度约为40 km，比野外地质考察的地表破裂带长度(20 km)长。另外余震分布在冷龙岭断裂上停止于2016年门源MS6.4地震的位置，说明已经发生过地震的冷龙岭断裂中段现今还在震后调整阶段，缺少应力的积累，余震无法继续向前传递。对比2009—2019年小震精定位的分布情况，此次地震的余震很好地填补了这一段的小震空缺，沿着2016年门源MS6.4地震继续向西迁移，发现在余震分布的西边，托莱山断裂的东段还存在一段长约50 km的小震稀疏段，经过2022年门源MS6.9地震，下一次地震有可能会从冷龙岭断裂向西迁移到托莱山断裂上，与2022年门源地震前的特征较为相似，所以未来需要重点关注托莱山断裂东段。

图6 2022年门源MS6.9地震余震分布剖面

4.2 区域地壳变形特征分析

断层滑动速率不仅可以表现断层运动的最新行为，同时也可以反映区域构造的主要特征(Zhangetal，2004，2013；Ganetal，2007)。关于祁连—海原断裂带的走滑速率，前人已经对其进行了大量的研究，地质滑动速率结果差异较大，大多数研究的结果为4～6 mm/a(何文贵等，1994，2010；袁道阳等，1998；Lietal，2009；Yuanetal，2008)；利用大地测量资料得到的结果基本在2～8 mm/a(Thatcher，2007；Cavaliéetal，2008；Duvall，Clark，2010；Loveles，Meade，2010；Zhengetal，2013；Lietal，2016)。本文得到的断层走滑速率剖面结果主要为3.9～4.3 mm/a，与大部分地质滑动速率和大地测量资料得到的走滑速率基本一致或稍微偏小。综上认为祁连—海原断裂带现今运动状态与地质长期运动特征基本一致，断层活动性具有很好的继承，断裂主要段落保持着约4 mm/a的走滑速率，说明整体运动一致性较好，与最大剪应变高值区集中在祁连—海原断裂带上相对应(Wangetal，2020，而在断裂两端走滑速率快速变小(Yuanetal，2008；Zhangetal，2005)，这种走滑断裂的运动特征与前人的研究结果相似(Dawersetal，1993；Harkinsetal，2010；Duvall，Clark，2010；Zhengetal，2013)。前人对于平行断层方向速率研究较多，但对其在垂直断层方向上的挤压速率研究的相对较少。根据本文的结果，祁连—海原断裂带的挤压速率从西边的2.9 mm/a，到东边减少到约1 mm/a，在地形上具有很好的对应关系，西边挤压作用强、地形多以高海拔山脉为主，东边挤压作用弱、地形多以低海拔盆地为主，说明断层挤压速率的变化可能与地壳短缩(形成盆地和隆起山脉)有关。

剖面P1和P2横贯整个祁连山，剖面从SW到NE表现出左旋走滑及逆冲挤压运动，平行断层方向上的速率变化主要集中在断裂两侧，垂直断层方向上的速率呈线性梯度变化，总的地壳缩短速率为6～7 mm/a，整个祁连山表现为挤压缩短，宽度为200～250 km，说明整个祁连山脉挤压收缩均匀变化，而不是集中在特定的断层或构造上。在剖面P3和P4上，区域整体表现为以左旋走滑为主，挤压缩短作用不明显，平行断层方向上的速率阶跃集中在祁连—海原断裂上，宽度为50 km，垂直断层速率在P3剖面上有所减弱，地壳缩短速率减小到3 mm/a，宽度也减小到150 km，在P4剖面上的断裂基本没有挤压作用，整个剖面的地壳缩短速率只有1～2 mm/a。通过4个剖面可以看出，在阿拉善块体内的GPS平行和垂直断裂速率基本都没有太大变化，并且滑动速率都较低。

基于上述特征，对研究区现今地壳变形特征进行讨论。在受青藏高原NE向的推挤和阿拉善块体阻挡的双重作用下，青藏高原东北缘发生了强烈的构造变形，地壳运动方向存在顺时针旋转现象(袁道阳等，2004)。在祁连山地区主要受强烈的挤压作用，造成地层的弯曲破裂而形成祁连褶皱系，从鄂拉山断裂到榆木山断裂之间具有明显的地壳缩短运动，同时受到区域内块体旋转和不同性质断裂相互作用和转换的影响下(Duvall，Clark，2010；葛伟鹏等，2013)，从祁连山向东沿着青藏高原东北缘地壳缩短速率逐渐递减，挤压变形的范围也随着递减，到海原断裂附近已经没有明显的地壳缩短，很好地解释了NE向的挤压主要被逆断层、地壳缩短增厚和边界高山隆起所分配和吸收(Zhengetal，2013)，而区域的左旋走滑速率主要集中在祁连—海原断裂带上，并且断裂走滑速率基本一致，而在其他断裂上走滑运动不强，大部分都小于1 mm/a，说明青藏高原东北缘现今的地壳形变主要以祁连山地区的地壳短缩和祁连—海原断裂带上的左旋走滑运动为主。

5 结论

本文利用2015—2021年青藏高原东北缘地区GPS速度场结果，获取祁连—海原断裂带现今滑动速率，采用负位错方法反演断裂带闭锁程度及滑动亏损速率，结合小震分布特征研究2022年门源MS6.9地震震前特征，对断裂带各段未来的地震危险性进行分析，并且对区域地壳变形特征进行探讨，取得了如下结论：

(1)在2022年门源MS6.9地震前，冷龙岭断裂的闭锁程度较高，并且闭锁深度达到15 km，与震源深度基本一致，断裂滑动亏损速率也较大，小震分布相对较少，说明断层上累计应变能的速度较快，而应变能的释放较慢，这些特征与中强地震的发生密切相关。

(2)根据反演的结果，祁连—海原断裂带在金强河断裂、冷龙岭断裂西段和托莱山断裂东段为强闭锁特征，闭锁深度深，滑动亏损速率大，因此这些断层段地震危险性较强，进一步结合小震分布和2022年门源MS6.9地震前闭锁特征，认为未来需关注托莱山东段的中强地震危险性。

(3)祁连—海原断裂带现今走滑速率主要为3.9～4.3 mm/a，说明断裂整体运动一致性较好，挤压速率从西段的2.9 mm/a向东逐渐减小为1 mm/a，说明断层挤压速率可能与地壳短缩(形成盆地和隆起山脉)有关，因此认为青藏高原东北缘现今的地壳形变主要以祁连山上的地壳短缩和祁连—海原断裂带上的左旋走滑运动为主。

中国地震局地球物理研究所房立华研究员提供了余震精定位结果，四川省地震局龙锋高级工程师提供了小震精定位目录，部分图件使用GMT软件绘制，在此一并表示感谢。