2023年甘肃积石山MS6.2地震精定位及发震构造研究
2024-01-01陈科睿陈继锋尹欣欣
摘要:采用双差定位的方法,对2023年12月18日甘肃省积石山县MS6.2地震的余震(震后一周)进行重定位,最后获得438个地震事件(包含主震)的位置。定位结果显示余震主要呈NNW向分布,长度约为16 km;主震位于余震带的中央偏东北处,余震分布与拉脊山断裂近似平行,与主震的震源机制解吻合;余震的震源深度主要集中在6.5~12 km,主震深度为11.5 km。从沿断裂走向的剖面可以观察到,此次地震的浅地表余震事件较少,因此未造成明显的地表破裂。对发震断裂的分析表明,拉脊山断裂带的走滑速率较低,这可能代表其处于强锁定阶段。此外,地震聚类分析表明,尽管北拉脊山断裂是主要发震断裂,南拉脊山断裂与此次地震的发震构造也存在紧密联系。
关键词:积石山MS6.2地震; 双差定位; 震源机制; 发震构造; 时空演化
中图分类号: P315文献标志码:A文章编号: 1000-0844(2024)04-0932-10
DOI:10.20000/j.1000-0844.20240308002
Precise location of the 2023 Jishishan MS6.2 earthquake
in Gansu Province and its seismogenic structureCHEN Kerui CHEN Jifeng YIN Xinxin
(1.Lanzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,Gansu,China;
2.Gansu Lanzhou Geophysics Observation and Research Station,Lanzhou 730000,Gansu,China)Abstract:
We analyzed the aftershocks of the Jishishan MS6.2 earthquake,which occurred in Gansu Province on December 18,2023.These aftershocks,which correspond to the shocks felt for one week after the main shock,were relocated using the double-difference algorithm.The aim of this study was to accurately determine the precise location of the 438 seismic events,including the mainshock.The relocation results show that the aftershocks were primarily distributed along the NNW direction,with a length of approximately 16 km.The main shock was located in the northeast direction of the center of the aftershock zone,and the distribution of aftershocks was roughly parallel to the Lajishan fault,indicating a correspondence with the focal mechanism of the mainshock.The focal depths of the aftershocks ranged from 6.5 to 12 km,and the mainshock was relocated at a depth of 11.5 km.As seen from the profile along the rupture strike,the earthquake caused a small number of shallow surface aftershock events and did not result in surface ruptures.An analysis of the seismogenic fault in the present study indicates that the Lajishan fault zone exhibits a modest strike-slip rate,indicating that it is in a strong locking state.Furthermore,the analysis results derived using the clustering method showed that although the north Lajishan fault is the main seismogenic fault,the south Lajishan fault is also closely related to the earthquake.
Keywords:Jishishan MS6.2 earthquake;double-difference location;focal mechanism;seismogenic structure;spatial and temporal evolution
0引言
2023年12月18日23时59分(北京时间),甘肃省临夏回族自治州积石山县发生了MS6.2地震。据中国地震台网测定,此次地震的震中位置为35.7°N,102.79°E,震源深度11 km。中国地震台网中心发布的震源机制解为:走向163.46°、倾角40.88°、滑动角115.65°。根据中国地震局于2023年12月22日发布的甘肃积石山6.2级地震烈度图(https://www.gsdzj.gov.cn/info/1024/20233.htm),此次地震的最大烈度为Ⅷ度,面积约139 km2。等震线长轴为NWW走向,长轴124 km,短轴85 km。截至2023年12月25日,积石山地震共造成甘肃117人死亡,青海民和县32人死亡,2人失联。截至2023年12月26日(震后一周),甘肃省地震台网共记录到544次余震事件,其中,MS3.0以上10次,MS4.0以上2次,最大余震为2023年12月19日0时59分和12月21日4时2分的两次MS4.1地震。
甘肃省积石山县位于青藏高原东北缘的甘东南地区,属于南北地震带组成部分。此次积石山地震为逆断裂型地震,震中处于拉脊山断裂、循化南山断裂、西秦岭断裂(WQLF),以及积石山断裂(JSSF)的交汇处,周围有贵德盆地(GDB)、西秦岭盆地及临夏盆地(LXB)等,具有较复杂的构造背景[1-3]。图1展示了该区域断裂以及本文数据来源台站的分布情况,右上角子图中的蓝色方框是此次研究区域的位置。拉脊山断裂是一条区域性活动断裂,分为南拉脊山断裂(SLJSF)和北拉脊山断裂(NLJSF),整体呈NNW走向。此次地震的震中位置距拉脊山断裂约6 km,距离黄河约10 km。李智敏等[4]的研究表明,拉脊山断裂的逆冲活动在官亭盆地的黄河Ⅰ级和Ⅱ级阶地形成了较为明显的拖曳现象;在有历史记载以来,拉脊山断裂仅发生过20余次5级左右的地震,但其在晚更新世至全新世以来都有过活动。同时,探槽还揭露了该断裂在公元前1700年以来发生过两次以上中强古地震事件,并导致了黄河阶地的形成;拉脊山断裂带上强烈的古地震事件及其造成的黄河上游堰塞湖和决堤洪水与喇家文化的毁灭存在紧密的联系[4]。
地震定位不仅对发震断裂构造研究具有重要的理论价值,对于快速评估由地震引发的次生地质灾害也有重要指导意义[5]。大地震的破裂过程往往与多个断裂面有关,即使主震的发震断裂是单一断裂,余震也可能与其他断裂产生联系。此次地震没有产生明显的浅地表破裂,因此在发震断裂的研究方面产生了一定的困难。为了确保研究结果的可靠性,采用Wan等[6]的聚类地震分析法,即在地质资料相对较少的情况下,仅对地震精定位的结果进行模糊聚类。这种方法非常适用于积石山地震周围断裂形态的研究。
1数据和方法
本研究所用数据资料是甘肃省地震台网2023年12月18—26日所记录到的地震事件,具体来源于积石山地震震中附近200 km范围内的34个台站,最近的XUH(循化)台距离震中约33 km。为了获得高质量的余震序列目录,选择MSgt;0.6的余震进行重定位,采用Waldhauser和Ellsworth于2000年提出的双差定位方法[7]。该方法可以用来重新定位每一簇高质量的地震事件,并最大限度地减少同一观测站记录的事件对之间的走时残差。
截至2023年12月26日,甘肃省地震台网共记录到544个地震事件。根据这些数据进行初步定位,结果如图2所示,图2(a)、(b)、(c)分别是这544个地震事件的原始定位结果以及在纬度和经度上的剖面地震分布图。由于人工拾取到时和定位存在一定的主观性和经验性,我们对余震重定位数据进行了严格的筛选,要求MSgt;0.6且定位震相不少于5对。
发震区域地质构造复杂,并且台站分布相对稀疏。如果仅使用由震中距决定的到时(Pg和Sg)来分析,震源深度的测定将不准确,因为在地壳地震中,震源深度通常是分辨率最低的参数[8-10]。原始数据的定位结果(图2)表明此次地震的余震分布较为集中。在这种地震活动密集的区域,双差定位法能有效利用大量地震事件之间的相对关系,提高震中位置的相对精度,还能通过双差定位最小化地震对之间的走时差异,减少定位误差,从而弥补研究区域监测网络覆盖不足的问题。
双差定位时所使用的一维速度模型参考了青藏高原东缘地震探测剖面的P波速度结构(表1)[11]。
由表1可知,由于积石山块体内部地壳分层和速度结构横向变化较小,本文采用的速度模型能较好地代表震源区周边的平均速度结构。 波速比根据接收函数H-k扫描结果[12],选择震中周边20个台站的平均值,并将其设定为1.75。
在所选用的震中距较近的台站数据中,共记录到震相6 053个,其中,P波震相3 513个,S波震相2 540个(图3)。将地震两两配对,共获得P波震相对17 253对,S波震相对11 702对。要求每个地震至少要与周围7个以上的地震进行匹配,且事件到台站的距离小于220 km,最终得到的P波震相对和S波震相对分别为15 797(91%)和10 981对(93%),震源深度分布范围是1~19 km。在定位时设定P波到时的权重为1.0,S波到时权重为0.5,进行了5次迭代。
2余震重定位及分布特征
在甘肃省地震台网所记录到的544个包括主震在内的地震数据基础上,通过双差定位方法进行重新定位,获得其中438个地震的位置参数。重定位结果如图4(a)所示,图4(b)和(c)分别为重定位后沿纬度和经度的深度分布剖面。与图2所示的初步定位结果相比,定位误差和残差明显减少,重定位后EW、NS及UD三个方向的平均定位误差分别为0.21、0.19和0.23 km,平均走时残差从重定位前的0.31 s下降至0.11 s。根据图4(b)和(c),对此次地震造成的一些现场情况进行分析,发现此次地震序列不具有明显的分段特性。对图2(a)和图4(a)结果进行对比,发现重定位后的余震事件分布得更加集中,余震带的宽度有明显缩减;分别比较图4(b)、(c)与图2(b)、(c)可以看出,重定位后余震序列在震源深度上也有明显的收敛。
经过重定位后的地震事件深度大多分布在7~12 km,这与王世广等[13]的研究结果略有出入。产生这一现象的主要原因是采用的数据时段不同以及所布设的仪器位置有区别:王世广的仪器布设在距离主震较近的位置,本文所使用的数据来源于覆盖整个研究区域的台站网络。图5是重定位后余震事件簇拟合断层分布图。由图可知,沿断裂AA′的余震事件在深度方面分布相对均匀,没有明显的离散性;而沿断裂BB′的余震事件,随着距离的增加深度略有加大;在断裂CC′方向,小簇的余震主要集中在地表浅层(0~5 km),这在一定程度上解释了该小簇事件所在区域为何形成了一个与主震烈度相同的烈度区(https://www.gsdzj.gov.cn/info/1024/20233.htm)。根据图6可知,随着时间的推移,余震深度的分布趋势仍然比较稳定,并未发生明显变化;在40 h后余震数量出现了明显衰减,约占地震总数的10%;在浅地表处(0~5 km)分布的余震数量非常稀少(占比低于5%)且震级较低,这也可能是此次积石山地震并未造成明显地表破裂的原因之一。
3发震断层及区域地质构造
此次积石山地震灾情严重,引起了国内外的广泛关注,有多个机构快速测定了此次MS6.2主震的震源参数(表2)[14]。中国地震台网中心(CENC)及中国地震局地球物理研究所给出的震源深度与美国地质调查局(USGS)有较大差异,这一现象与所使用的数据有关:国内机构主要使用的是近震数据,而USGS使用的是远震数据,在缺乏近台和深度震相约束的情况下,仅凭走时数据难以对震源深度进行较好的约束。图1和图5所示的主震重定位结果与中国地震台网中心的数据十分接近,证明本文重定位结果具有较高的可信度。
拉脊山断裂带分为南拉脊山断裂和北拉脊山断裂,是两条向NE凸出的弧形断裂,长度分别为220 km和230 km。现有资料显示此次地震的发震断裂为北拉脊山断裂的可能性更大,断面的总体倾向SW,倾角45°~55°,断面性质主要是挤压逆冲,局部区域出现了左旋走滑的情况。不少学者曾对拉脊山断裂所处的青藏高原东北缘进行过研究,认为该区域构造复杂,强震频发,对印度—欧亚大陆内部的形变发生起到了十分关键的作用[15-16]。大尺度的GNSS观测显示青藏高原东北缘有明显的区域地壳压缩[17]。Zhuang等[18]曾利用断裂两侧速度分量的差值来估计断裂滑动速率,得到拉脊山断裂带和积石山断裂带的走滑速率分别为(0.3±0.2) mm/a和(1.8±0.2) mm/a,与当地的地质调查结果基本吻合[19-24]。虽然拉脊山断裂的走滑和挤压速率不显著[11],但不能排除整个断裂处于强锁定阶段,与汶川地震前的龙门山断裂活动相似[25]。这次地震的发震原因也可能与青藏高原腹地向东北扩张有关,这导致拉脊山断裂吸收了高原内部的部分应变,从而出现地壳显著隆升的现象[18]。
Zhao等[26]的研究表明,拉脊山构造带及其邻近的尖扎—循化盆地和西秦岭盆地下方发育有陡峭的高导电层,并与青藏高原下方的水平高导电层相连接。拉脊山构造带是北高阻体与南中、下地壳深部高导层的物性分界带,高电导率层的深度由西南向东北偏浅,这可能与青藏高原东北部的NE向挤压活动有关。此外,西宁盆地下方的高电阻率体对其构成了阻断,导致拉脊山构造带正花构造的形成,引起了强烈的造山和地震活动[26]。
结合地壳运动数据以及该区域的三维电性结构研究,发现青藏高原北缘松潘—甘孜地块的地壳高电导率层向东北方向移动,延伸至西秦岭盆地、尖扎—循化盆地和拉脊山构造带。与此同时,薄皮高阻上地壳被拖至NE向,在拉脊山构造带附近形成了一个突出的逆冲断裂[26-30]。西宁盆地下的高电阻率体可能起到了向南推动的作用。NE向挤压和SW向推覆在拉脊山构造带附近收敛,导致该区域显著的NE向缩短和隆升变形,在拉脊山构造带的北缘和南缘形成了两条NE向突出的弧形断裂,在深度上呈现出花状结构[31]。因此,拉脊山构造带是反映区域构造变形的一个重要窗口。研究表明,自21 Ma以来,拉脊山构造带的地壳短缩总量达10.1~10.4 km;在该构造带中观察到了挤压和隆升的造山过程,尽管宽度只有10~30 km,但与黄河水面的高差却超过2 km[26]。Yuan等[32]认为该地区地质灾害风险较高,包括地震灾害风险,虽然追溯到1700年以后中强震数量有限,但历史上却多次发生5级左右的破坏性地震。谢虹等[33]推断1944年乐都MS5.5地震的发生与北拉脊山断裂有关(乐都地震的位置见图1),拉脊山断裂虽然在走滑数据上相对平稳,却有孕育地震的条件与可能性。
本文采用Gustafson和Kessel提出的改进模糊聚类分析方法[34],对属于某个断裂面的地震进行归类分析,以此来研究其发震断裂。该方法与传统的模糊聚类方法相比,具有更明显的优势:它采用归一化聚类半径的“椭圆形”分布,避免了“类圆形”聚类现象。万永革等[35]为了缩短断裂面初始形状的确定时间,以之前的研究方法为基础[6],采用地震震源点协方差矩阵的主成分分析方法,求解震源点分布空间的三个特征值和特征向量,改进了断裂面形状初值的确定。王福昌等[36]在南加州地区部分余震精定位数据中采用了该方法,重建结果与已知结果较为相符,验证了其可靠性。
使用该方法进行地震定位事件模糊聚类时,需要根据地震的分布,用图形界面鼠标点击的方式选择类中心,聚类结果对初始类中心敏感性不大,因此,根据地震丛集的视觉选择即可[35]。将此次重定位的362个地震聚类到拉脊山断裂带上,结果如图7所示。断裂D和E分别为南拉脊山断裂和北拉脊山断裂,其中,北拉脊山断裂上分布207个地震事件,南拉脊山断裂上分布176个地震事件,其余55个地震较为分散,不必进行聚类。由图7可知,地震活动在南拉脊山断裂上相对较少,但分布更为密集,这可能是由最近的积石山主震激发的。这表明,尽管北拉脊山断裂是主要发震断裂,南拉脊山断裂与此次地震的发震构造也存在紧密联系。此外,拉脊山断裂的地震虽然主要集中在偏南区域(包括主震地区),但在北侧的区域也记录到了一些地震活动,表明拉脊山断裂整体对地震活动的影响广泛,与前文所提到的烈度分布相对应。
4结论
利用甘肃省地震台网固定台站的观测数据,对2023年12月18日甘肃省积石山县MS6.2地震的主震和余震进行了重新定位,共获得主震和438个余震事件的震源位置分布。重定位后主震的位置为35.74°N,102.82°E,震源深度为11.6 km,与其他研究结果相近[37]。根据之前的地质构造研究[19],积石山MS6.2地震序列所在的拉脊山断裂全长约230 km,走向由NW60°逐渐变为近EW、NWW向。结合此次地震的精定位结果及发震区域地质构造研究,得出以下结论:
(1) 余震整体上呈NNW向展布,长度约16 km,主要分布在主震的西侧和北侧,余震序列空间分布与断裂的走向基本一致。绝大部分的余震深度分布在7~12 km的范围内,且比主震的震源深度浅,沿断裂方向余震的深度没有明显的倾向变化。浅地表的余震数量较少,这可能是导致浅地表没有明显破裂的原因之一。
(2) 根据模糊事件聚类分析结果,虽然北拉脊山断裂上地震事件更多,但南拉脊山断裂上也分布了176个地震事件,可能与主震激发有关。同时观察到在断裂北侧有一小簇浅层地震,可能导致了与主震相同烈度的区域形成。
(3) 此次积石山地震所处的区域有多条断裂汇集,地震的大致位置在拉脊山断裂东南段的积石山断裂附近。该断裂带是青藏高原东北缘物质扩张以及西宁—民和盆地和临夏盆地部分区域旋转挤压作用的综合结果。这次地震的发生很可能是青藏高原腹地通过拉脊山断裂带向东北扩张,拉脊山断裂带吸收了部分应变导致的。更加深入的研究还要等待后续的现场工作和数据分析处理。
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(本文编辑:赵乘程)