2022年1月8日青海门源MS6.9地震序列重定位和震源机制解研究

许英才, 郭祥云, 冯丽丽

许英才,郭祥云,冯丽丽. 2022. 2022年1月8日青海门源MS6.9地震序列重定位和震源机制解研究. 地震学报,44(2):195−210. DOI: 10.11939/jass.20220008
引用本文: 许英才,郭祥云,冯丽丽. 2022. 2022年1月8日青海门源MS6.9地震序列重定位和震源机制解研究. 地震学报,44(2):195−210. DOI: 10.11939/jass.20220008
Xu Y C,Guo X Y,Feng L L. 2022. Relocation and focal mechanism solutions of the MS6.9 Menyuan earthquake sequence on January 8,2022 in Qinghai Province . Acta Seismologica Sinica44(2):195−210. DOI: 10.11939/jass.20220008
Citation: Xu Y C,Guo X Y,Feng L L. 2022. Relocation and focal mechanism solutions of the MS6.9 Menyuan earthquake sequence on January 8,2022 in Qinghai Province . Acta Seismologica Sinica44(2):195−210. DOI: 10.11939/jass.20220008

2022年1月8日青海门源MS6.9地震序列重定位和震源机制解研究

基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC1500501)、中国地震局地球所基本科研业务费专项(DQJB19A0115)、中国地震局震情跟踪定向工作任务(2021010118,2022010104)、青海省科技厅基础研究计划(2021-ZJ-969Q)和宁夏自然科学基金项目(2022AAC03687)联合资助
详细信息
    作者简介:

    许英才,硕士,高级工程师,主要从事地震活动性及数字地震学研究,e-mail:xuyingcai007@163.com

    通讯作者:

    郭祥云,硕士,高级工程师,主要从事震源机制及应力场反演研究,e-mail:guoxiangyun@cea-igp.ac.cn

  • 中图分类号: P315.2

Relocation and focal mechanism solutions of the MS6.9 Menyuan earthquake sequence on January 8,2022 in Qinghai Province

  • 摘要: 2022年1月8日青海省海北州门源县发生MS6.9地震,震后产生了长约22 km的地表破裂带,青海、甘肃和宁夏等多地震感强烈。本文基于区域地震台网资料,通过多阶段定位方法对门源MS6.9地震早期序列(2022年1月8日至12日)进行了重定位,并利用gCAP方法反演了主震和MS≥3.4余震的震源机制和震源矩心深度,计算了现今应力场体系在门源MS6.9地震震源机制两个节面产生的相对剪应力和正应力。结果表明:门源MS6.9地震的初始破裂深度为7.8 km,震源矩心深度为4 km,地震序列的优势初始破裂深度主要介于7—8 km之间,而MS≥3.4余震的震源矩心深度为3—7 km;该地震序列的震源深度剖面显示震后24个小时内的地震序列长度约为25 km,与地表破裂带的长度大体一致,整体地震序列长度约为30 km,其中1月8日MS6.9主震和MS5.1余震位于余震区西段,1月12日MS5.2余震位于余震区东段。2022年1月8日门源MS6.9主震的震源机制解节面Ⅰ为走向290°、倾角81°、滑动角16°,节面Ⅱ为走向197°、倾角74°、滑动角171°,根据余震展布的总体趋势估计断层面走向为290°,表明此次地震为近乎直立断层面上的一次左旋走滑型事件;MS≥3.4余震的震源机制解显示这些地震主要为走滑型地震,P轴走向从余震区西段到东段之间大体呈现NE向到EW向的变化。现今应力场体系在门源MS6.9主震震源机制解节面Ⅰ上产生的相对剪应力为0.638,而在节面Ⅱ上的相对剪应力为0.522,表明这两个节面均非构造应力场的最大释放节面,这与2016年门源MS6.4地震逆冲型震源机制为构造应力场的最优释放节面有着明显差异。结合地质构造、震源机制和余震展布,2022年1月8日门源MS6.9主震的发震构造可能为冷龙岭断裂西段,其地震断层错动方式为左旋走滑。根据重定位结果、震级-破裂关系以及剪应力结果,本文认为门源地区存在一定的应力积累且应力未得到充分释放,该地区仍存在发生强震的危险。
    Abstract: On January 8, 2022, an earthquake with MS6.9 occurred in Menyuan County, Haibei Prefecture of Qinghai Province. The earthquake ruptured a nearly 22 km long surface fracture zone and strong tremors were felt through the regions of Qinghai, Gansu and Ningxia regions. In this paper, the early events of the MS6.9 Menyuan earthquake sequence from January 8 to 12, 2022 were relocated by multi-step locating method. Meanwhile, the focal mechanisms and focal depths of the main shock and MS≥3.4 aftershocks were calculated by gCAP method. Based on focal mechanism result of the main shock, the relative shear stress and normal stress on the two nodal planes of the focal mechanism solutions were also calculated under the existing stress field system. The result indicates that the initial rupture depth of MS6.9 Menyuan main shock was 7.8 km, and the centroid depth was 4 km. The dominant initial rupture depths of early earthquake sequence were mainly between 7 km and 8 km, while the centroid depths of MS≥3.4 aftershocks varied between 3 km and 7 km. The focal depth profile shows that the sequence length within 24 hours after the main shock was about 25 km, which was roughly consistent with the length of the surface rupture zone, and the overall sequence length was about 30 km. The MS6.9 main shock and MS5.1 aftershocks on January 8 were located in the western part of the aftershock region, and the MS5.2 earthquake on January 12 was located in the eastern part of the aftershock region. The focal mechanism solution of the MS6.9 main shock was strike 290°, dip 81°, rake 16° for the nodal plane Ⅰ , and strike 197°, dip 74°, rake 171° for the nodal plane Ⅱ . Based on the spatial distribution of aftershocks, it is estimated that the strike of the fault plane is 290º, indicating that the earthquake is a left-lateral strike slip event on a nearly vertical fault plane. The results of focal mechanism solutions of MS≥3.4 aftershocks show that these earthquakes were mainly strike-slip, and from the west to the east of the aftershock region the P-axis azimuths varied from NE to EW. Under the current stress field system, the relative shear stress generated on the nodal plane Ⅰ of focal mechanism of the MS6.9 Menyuan earthquake is 0.638, while on the nodal plane Ⅱ is 0.522. The two nodal planes of focal mechanism are not the maximum released nodal plane of the tectonic stress field, which is obviously different from the thrust focal mechanism of the MS6.4 Menyuan earthquake in 2016, which is the optimal released nodal plane of tectonic stress field. Combined with the geological structure, focal mechanisms and aftershock distribution, the seismogenic structure of MS6.9 Menyuan earthquake on January 8, 2022 may be the western segment of Lenglongling fault, and its seismic dislocation mode is left-lateral strike-slip. According to the results of relocation, the magnitude-rupture relationship and the shear stress, it is concluded that there is a certain stress accumulation and stress has not been fully released in Menyuan area, and the risk of strong earthquakes still exists in this area.
  • 据中国地震台网测定,北京时间2022年1月8日01时45分27秒青海省海北藏族自治州门源县(37.77°N,101.26°E)发生MS6.9地震,震中距离青海门源、青海西宁和甘肃兰州分别为54 km,141 km和278 km。震中附近的甘肃省河西五市震感强烈(中国新闻网,2022),而且兰州、白银、定西、平凉等市震感明显,震中附近区域的冷龙岭断裂西段产生了一条长约22 km的地表破裂带(青海省地震局,2022),在其地表及冰面可见挤压鼓包及连续张裂隙等其它破裂组合形式,鼓包高约1.5 m;震中极震区烈度为Ⅸ度(中国地震局,2022),等震线的椭圆长轴呈WNW走向且长约200 km,其短轴长约153 km。截至2022年1月12日24时,震中区共发生ML1.0以上余震606次(图1),其中ML5.0—5.9地震3次,ML4.0—4.9地震7次,ML3.0—3.9地震40次,ML2.0—2.9地震187次,ML1.0—1.9地震369次,最大余震为1月12日18时20分MS5.2地震。本次门源MS6.9地震发生在青藏高原东北缘,由于青藏地块NE向的强烈挤压作用(Tapponnier et al,2001李祥等,2016石富强等,2018),该区域受到阿拉善地块阻挡,从而导致地壳物质沿SE方向的挤出,形成了以左旋走滑及逆冲断裂系为主的构造体系,其最大主压应力轴呈现NE到ENE方向的变化。该地震发生在冷龙岭断裂(F1)与托莱山断裂(F2)之间,也位于对地壳速度场具有强烈控制作用的广义海原断裂带西段,震中50 km内发震时间最近的为2016年青海门源MS6.4地震(震源机制为逆冲型),震中100 km内震级最大的为1927年甘肃古浪M8.0地震。此次门源MS6.9地震发生在M6.0地震危险区(徐锡伟等,2017),该地震所处的河西走廊是“一带一路”的重要纽带,也是很多重大国家工程的必经之路,因此,研究该地震的发震构造以及如何进一步评估该区未来的强震活动趋势,成为震后亟需研判的重要科学问题。

    图  1  门源MS6.9地震震中和MS≥6.0历史强震分布(a)、地震序列分布(b)及其M-t图和日频次图(c)
    F1:冷龙岭断裂;F2:托莱山断裂;F3:昌马—俄博断裂;F4:祁连山北缘断裂;F5:皇城—双塔断裂
    Figure  1.  Epicenter of MS6.9 Menyuan earthquake and distribution of historical MS≥6.0 strong earthquakes near the main shock epicenter (a),earthquake sequence (b) and their M-t plot and daily frequencies (c)
    F1:Lenlongling fault;F2:Tuolaishan fault;F3:Changma-Ebo fault;F4:Northern Qilianshan fault;F5:Huangcheng-Shuangta fault

    精确确定主震与余震序列的空间展布及震源参数对于震后趋势的判定具有重要意义。为此,本文拟基于青海、甘肃、宁夏及内蒙古区域地震台网的震相观测资料和波形数据,利用多阶段定位(multi-step locating)方法(Long et al,2015)对门源MS6.9地震序列进行重定位,通过gCAP (generalized cut and paste)方法(Zhu,Ben-zion,2013)反演主震和MS3.4以上余震序列的震源机制解和矩心深度,然后采用应力场与震源机制模拟的方法(万永革,2020)计算已有区域应力场体系在门源MS6.9地震震源机制两个节面上产生的相对剪应力和相对正应力,最后结合区域地质构造资料初步分析此次门源MS6.9地震的发震机制,以期为深入理解门源地震序列的活动特征、区域断裂的活动方式以及进一步评估该区未来强震活动趋势等提供参考。

    本文利用多阶段定位方法(Long et al,2015龙锋等,2021)对门源地震序列早期余震进行重定位。与仅使用双差定位不同,多阶段定位方法的优势在于可确保初始值和模型更准确,从而使定位结果更可靠。为确保获取足够多的样本使定位结果更为稳健,同时考虑到震中附近区域台网台站空间分布的不均匀性,本文收集了2011年1月1日至2022年1月12日门源地区ML≥2.0地震事件的震相到时资料进行定位,定位过程如下:① 初始P波速度模型(表1)参考周民都等(2006)的体波走时反演结果和王椿镛等(1995)的地震测深剖面结果,地壳厚度和平均波速比分别取56 km和1.73 km/s (杨志高,张雪梅,2016左可桢,陈继锋,2018),通过利用Hypo2000 (Klein,2002)对地震序列中至少具有6个以上台站记录且震中距不超过240 km的ML≥2.0地震事件进行初定位,满足该条件的地震有339次(其中属于门源MS6.9地震序列的地震有173次),Pg和Sg震相分别有4425条和3383条,基于和达曲线剔除2.5倍均方差之外的离散数据(图2a);② 筛选出具有6个以上台站记录且最大台站方位角间隙小于150°的震相信息,然后根据初始速度模型(表1)对不同深度的速度值进行适当细分(共26层),即5 km深度以内用0.5 km步长细分,5—10 km深度用1—2 km步长细分,大于10 km深度的主要采用2—3 km步长进行细分,之后再采用Velest方法(Kissling,1988Kissling et al,1994)进行最小一维速度模型和台站校正反演;③ 根据反演后的速度模型及台站校正,再使用Hypo2000 (Klein,2002)进行二次定位;④ 采用10 km的搜索半径,基于上述所得最小一维速度模型(表2图2b)对震相走时资料进行HypoDD定位(Waldhauser,Ellsworth,2000),采取三轮最小平方QR分解(sparse linear equations and least squares,缩写为LSQR)法(Paige,Saunders,1982)迭代得到双差定位的结果,最终获得300次地震的精确位置,其中门源地震序列事件157次。东西向、南北向和垂直向的平均定位误差分别为0.48 km,0.47 km和0.76 km,平均走时残差为0.22 s。

    表  1  门源地区的P波初始速度模型
    Table  1.  Initial P-wave velocity model in Menyuan area
    层号顶层深度/kmvP/(km·s−1
    104.50
    255.60
    3105.90
    4156.00
    5206.20
    6256.30
    7356.40
    8456.60
    9558.00
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    表  2  门源地区的P波最小一维速度模型
    Table  2.  Minimum1-D P-wave velocity model in Menyuan area
    层号h/kmvP/(km·s−1层号h/kmvP/(km·s−1层号h/kmvP/(km·s−1
    1 0.00 4.59 10 4.50 5.29 19 20.00 5.96
    2 0.50 4.57 11 5.00 5.65 20 22.00 5.81
    3 1.00 4.57 12 6.00 5.21 21 25.00 6.14
    4 1.50 4.64 13 8.00 5.64 22 28.00 6.25
    5 2.00 4.78 14 10.00 5.86 23 31.00 6.25
    6 2.50 4.91 15 12.00 5.74 24 34.00 6.28
    7 3.00 5.03 16 14.00 5.71 25 43.00 6.42
    8 3.50 5.13 17 16.00 5.85 26 56.00 7.76
    9 4.00 5.22 18 18.00 5.85
    注:h为顶层深度
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    图  2  门源震源区的震相和达曲线(a)及最小一维速度模型(b)(红虚线代表拟合直线的2.5倍均方差)
    Figure  2.  Wadadi diagram (a) and minimum 1-D velocity model (b) of Menyuan source region (Red dashed lines represent the limits for 2.5 RMS of the fitting line)

    重定位后的门源MS6.9地震序列在空间上相对集中(图34),并大体呈现WNW−ESE向的展布,其中地震序列走向在余震区的中段略向东南方向倾斜,AA′剖面显示整个序列相对集中于长约30 km的区域,而震后24个小时内的序列长度约为25 km,与地表破裂带的长度22 km大体一致。地震序列早期地震活动主要分布在余震区的西段和中段,主震发生后24小时内余震数量显著高于后续4天内的数量,其中门源1月8日01时45分的MS6.9主震及紧跟其后的02时09分的MS5.1余震均位于西段。该地震序列整体上略呈双侧破裂的特征,其中西向破裂较东向破裂明显,余震区整体地震活动主要介于5—10 km深度之间,其中优势震源深度分布在7—8 km之间,约占整个序列的68%。而地震序列后期地震活动主要集中在余震区的东段,最大余震—1月12日18时20分MS5.2地震即位于余震区东段。BB′,CC′及DD′剖面均显示:主震的发震断层倾角较陡,近似于直立且余震区西段、中段和东段的剖面深度较为平行;结合AA′剖面来看,余震活动的空间范围自西向东逐步有所收敛,并且在约10—13 km深度之间存在小震稀疏段,小于10 km深度的余震活动不仅频次相对最多而且主要以序列的早期地震活动为主,约占整个序列的86%,而大于 13 km 深度的地震活动频次相对较少,主要以序列的中、后期活动为主,仅占整个序列的14%。Yang等(2022)基于ML1.0以上的地震观测报告,通过双差重定位得到的门源MS6.9主震及其余震震源深度分布也主要集中于5—10 km深度之间,而在11—20 km深度之间的余震十分稀少,本文ML2.0以上地震的重定位结果与其大体一致。

    图  3  2022年1月8日至12日门源MS6.9地震序列重定位震中分布
    (a) 重定位后地震随震源深度分布图;(b) 重定位后地震随距离主震的离逝时间t分布图
    Figure  3.  Relocated epicenters of the MS6.9 Menyuan earthquake sequence in the period of 8 to 12 January 2022
    (a) Epicenters distribution with focal depth after relocation;(b) Epicenters distribution of with elapsed time t from the origin time of the main shock
    图  4  沿地震序列长轴走向的震源深度剖面AA′以及垂直余震区长轴走向的震源深度剖面BB′,CC′和DD′ (剖面宽度为剖面线两侧各10km)
    Figure  4.  Source depth profiles AA′ along the major axis of the earthquake sequence and BB′,CC′ and DD′ along the strike perpendicular to the major axis of aftershock region (Projection width for each side is 10 km for section)

    本文使用gCAP方法(Zhu,Helmberger,1996Zhu,Ben-zion,2013)反演门源MS6.9主震及余震序列中MS≥3.4地震的震源机制和震源矩心深度,基于本文多阶段定位产出的最小一维速度模型(模型3,表2和波速比1.73),利用f -k方法(即频率-波数法)计算格林函数(Zhu,Rivera,2002),其中对于门源MS6.9主震本文还计算了模型1 (表1和波速比1.75)和模型2 (表1和波速比1.73)的格林函数,以分析这三种不同的速度模型对门源MS6.9主震震源机制及其深度结果的影响。反演过程中,数据预处理流程如下:对于主震,选取震中距处于130—360 km范围内的台站,对波形进行去均值、去趋势、去倾斜和去除仪器响应,重采样频率设为0.2 s,并将三分量的水平东西向(E)、水平南北向(N)和垂直向(Z)旋转至径向(R)、切向(T)和垂直向(Z),然后人工标注P波到时。使用gCAP反演时,设定体波窗长为35 s,面波窗长为70 s,并对体波和面波进行四阶巴特沃斯(Butterworth)带通滤波,其滤波频段分别为0.04—0.2 Hz和0.05—0.1 Hz,断层面参数走向、倾角和滑动角的搜索步长均为5°,震级搜索步长为0.1。

    通过计算得到门源MS6.9主震和MS≥3.4余震的震源机制和震源矩心深度结果,为对比速度模型对震源机制解和深度的影响,本文基于模型1—3计算了主震gCAP反演结果,如5所示。由该图可知,模型1结果中震源矩心深度为3 km,其波形拟合图整体拟合率大于0.7的占73%,模型2拟合率大于0.7的也占73%,模型3拟合率大于0.7的可达78%。这表明,相对于模型1和模型2来说,模型3不仅拟合率相对较高,各个理论波形相对实际波形的平均移动时间也较短,而且模型3的误差曲线在形态上相对更光滑,整体来看模型3与实际观测波形的拟合相对较好,更接近震源区的真实地壳速度结构,因此不同的速度模型对震源机制和深度均有一定的影响。本文采用模型3的反演结果4 km作为主震的最终震源矩心深度。

      5  基于速度模型1 (a)和2 (b)的门源MS6.9地震震源机制-深度误差图(左)和最佳深度处波形拟合图(右)
    拟合波形下方的两行数字分别为理论波形(红色)相对实际波形(黑色)的移动时间(单位:s)以及二者的相关系数,波形左侧第一行给出了台站名和方位角(单位:度),第二行给出了震中距(单位:km)和相对偏移时间(单位:s),台站波形按震中距排列
      5.  Source mechanism-depth error diagram (left) and waveform fitting diagram at optimum depth (right) of the MS6.9 Menyuan earthquake with velocity models 1 (a) and 2 (b)
    The numbers of two rows beneath the traces are the time shifts (in second) of synthetics (red) relative to the observations (black) and the corresponding cross-correlation coefficients,respectively. The upper-left corner are stations and azimuths (in degree),respectively. The lower-left corner numbers represent the epicentral distance (in km) and the relative offset time (in second). The waveforms of stations are sorted in epicentral distance
      5  基于模型3 (c)的门源MS6.9地震震源机制-深度误差图(左)和最佳深度处波形拟合图(右)
    拟合波形下方的两行数字分别为理论波形(红色)相对实际波形(黑色)的移动时间(单位:s)以及二者的相关系数,波形左侧第一行给出了台站名和方位角(单位:度),第二行给出了震中距(单位:km)和相对偏移时间(单位:s),台站波形按震中距排列
      5.  Source mechanism-depth error diagram (left) and waveform fitting diagram at optimum depth (right) of the MS6.9 Menyuan earthquake with velocity model 3 (c)
    The numbers of two rows beneath the traces are the time shifts (in second) of synthetics (red) relative to the observations (black) and the corresponding cross-correlation coefficients,respectively. The upper-left corner are stations and azimuths (in degree),respectively. The lower-left corner numbers represent the epicentral distance (in km) and the relative offset time (in second). The waveforms of stations are sorted in epicentral distance

    由于不同模型的震源机制解结果存在一定差异,本文将这三种不同模型的震源机制结果与国内外机构或作者的结果进行对比,如图6所示,图中同时给出了采用震源机制中心解的方法(万永革,2019)所得的这些震源机制的最小空间旋转角以表示其离散程度。本文的震源机制最小空间旋转角介于16.69°—24.84°之间,国内机构测定震源机制的最小空间旋转角范围为2.77°—41.45°,国外机构的震源机制解旋转角为5.32°—18.08°,整体看来最小空间旋转角主要相对集中在16.69°—19.37°之间,其中包括本文模型2和模型3的结果,以及CENC、赵韬等、USGS和GFZ的结果,说明这些结果给出的震源机制十分接近。最小空间旋转角的差异从侧面反映了震源机制的离散程度,这主要是由于不同机构或作者使用的资料尺度、方法和速度模型等参数不同所致。根据前文速度模型和实际波形的拟合率情况,以及结合震源机制中心解的最小空间旋转角,本文采取模型3的震源机制作为门源MS6.9地震的最终震源机制结果。

    图  6  本文门源MS6.9地震的震源机制结果与其他作者或机构结果的对比
    CENC、青海地震台、王卫民等、赵翠萍等、赵韬等的结果引自Seismology小组(2022),郭祥云等和韩立波等的结果引自中国地震局地球物理研究所(2022),其它结果引自European-Mediterranean Seismological Centre (2022)
    Figure  6.  Comparison of focal mechanism results of the MS6.9 Menyuan earthquake in this paper with those from other authors or institutions
    The results of CENC,Qinghai seismic network,Wang Weimin et al,Zhao Cuiping et al,Zhao Tao et al are from Seismology Group (2022),those of Guo Xiangyun et al and Han Libo et al are from Institute of Geophysics,China Earthquake Administration (2022),and others are from European-Mediterranean Seismological Centre (2022)

    余震序列中MS≥3.4地震的震源机制主要为走滑型地震(表3图7),震源矩心深度介于3—7 km,较接近于主震的深度。这些MS≥3.4地震的震源机制存在较明显的分区特征,余震区西段地震的震源机制P轴走向为NE向,东段的P轴走向主要为近EW向。

    表  3  2022年1月8日至12日门源地震序列MS≥3.4地震的震源机制解
    Table  3.  Focal mechanism solutions of the MS≥3.4 events in the Menyuan earthquake sequence from January 8 to January 12,2022
    序号发震
    日期
    发震
    时刻
    震中位置 深度/km 节面Ⅰ 节面ⅡMW
    东经/°北纬/° hPhW 走向/°倾角/°滑动角/° 走向/°倾角/°滑动角/°
    1 2022-01-08 01:45:28 101.258 37.770 7.8 4 290 81 16 197 74 171 6.6
    2 2022-01-08 01:55:19 101.253 37.762 7.6 主震面波里无解
    3 2022-01-08 02:09:05 101.217 37.773 9.0 7 0 73 −161 264 72 −18 5.1
    4 2022-01-08 02:33:53 101.261 37.769 8.4 7 21 53 −175 288 86 −37 4.0
    5 2022-01-08 04:45:23 101.208 37.761 8.5 7 0 64 176 92 86 26 3.9
    6 2022-01-08 10:06:21 101.460* 37.760* 7* 6 353 85 −170 262 80 −5 3.8
    7 2022-01-08 14:30:05 101.158 37.773 16.8 5 184 59 165 282 77 32 4.3
    8 2022-01-09 13:50:49 101.205 37.764 17.7 7 2 60 −178 271 88 −30 3.9
    9 2022-01-12 18:20:41 101.469 37.703 13.6 3 210 72 177 301 87 18 5.2
    10 2022-01-12 20:16:18 101.470* 37.780* 8* 7 219 72 161 315 72 19 4.8
    11 2022-01-12 21:01:53 101.475 37.697 14.2 4 218 81 152 313 62 10 4.7
    注:*为因精定位丢失的地震而采用的原始目录经纬度及深度;hP为初始破裂深度,hW为震源矩心深度。
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    图  7  2022年1月8—12日门源MS6.9主震和MS≥3.4余震的震中分布及其震源机制(震中位置据表3
    Figure  7.  Epicentral distribution and focal mechanisms of the MS6.9 main shock and MS≥3.4 aftershocks in Menyuan during 8−12 January 2022 (Epicenters according to Table 3

    本文基于李祥等(2016)的门源地区的构造应力场结果(主压应力轴的走向为37.7°,倾伏角为8.7°,主张应力轴的走向为174.3°,倾伏角为78.1°,以及应力形因子为0.69),使用震源机制和应力场模拟的方法(Wan,2010万永革,2020),分别计算了2022年门源MS6.9和2016年门源MS6.4两次地震震源机制的两个节面所产生的相对剪应力和正应力,其中2016年门源MS6.4地震震源机制解采用尹欣欣等(2018)给出的断层面解。

    门源地区应力体系下的震源机制模拟及相对剪应力和相对正应力的结果如图8所示,可见:应力张量在2022年门源MS6.9地震震源机制节面Ⅰ(走向290°,倾角81°)上产生的相对剪应力和相对正应力分别为0.638和−0.606,剪滑角(即剪应力的滑动角)为70.7°,在节面Ⅱ(走向197°,倾角74°)上的相对剪应力和相对正应力分别为0.522和−0.175,剪滑角为125.5°;而应力张量在2016年MS6.4地震震源机制节面Ⅰ(走向143°,倾角40°)上的相对剪应力和相对正应力分别为0.995和0.057,剪滑角为106.5°,节面Ⅱ(走向347°,倾角53°)上的相对剪应力和相对正应力分别为0.833和0.105,剪滑角为91.8°。2022年门源MS6.9地震在WNW向冷龙岭断裂上产生的相对剪应力为0.638,未达到最大剪应力(最大相对剪应力为1),说明此次地震的破裂面走向(即冷龙岭断裂走向)与最大释放应力的破裂面走向有一定的偏差,构造区积累的应力未得到完全的释放。这与2016年门源MS6.4地震不同,该地震的两个震源机制节面的剪应力几乎都达到最大值,应力可能得到了充分的释放。

    图  8  门源地区应力体系下的震源机制模拟及相对剪应力(a)和相对正应力(b)
    Figure  8.  Simulated focal mechanisms and relative shear stress (a) and relative normal stress (b) under stress system in Menyuan region

    根据已有地质构造(Lasserre et al,2002袁道阳等,2004郭鹏等,2017),门源MS6.9地震序列所在的冷龙岭断裂是一条走向为NW60°到NW70°且长约127 km的全新世活动断裂,该断裂属于北祁连山活动断裂带的分支,主要呈以左旋走滑为主且兼具逆冲特征。重定位结果显示本次MS6.9地震序列发生在冷龙岭断裂西段,呈WNW向的优势分布,也与冷龙岭断裂的走向基本一致,而且MS6.9主震震源机制解的节面 Ⅰ 走向与冷龙岭断裂的走向基本一致,已有应力场体系在该地震震源机制WNW向的节面 Ⅰ 所产生的相对剪应力略大于NNE向的节面 Ⅱ ,为此WNW向的节面 Ⅰ 可能是门源MS6.9地震的发震构造,即该地震是在青藏高原NE向的挤压作用下,发生在冷龙岭断裂西段上的一次左旋走滑型地震。MS≥3.4余震序列的震源机制存在较明显的分区特征,即余震区东段的震源机制解P轴方向大体呈EW向,西段的震源机制解P轴方向主要呈NE向,由于P轴走向取决于破裂面的走向,因此余震震源机制的分区特征从侧面反映了东段与西段余震破裂面形状可能有所不同,东段与西段的发震构造也可能存在一定的差异,中、西段区域可能是构造变形模式的转换区域,且转换区域东、西侧的构造变形也存在一定的差异。

    本文所获门源MS6.9地震的震源机制解与多个机构或作者的震源机制中心解基本一致,最小空间旋转角与其他作者或机构的大部分结果也大体一致,震源矩心深度为4 km,这与韩立波等测定的矩心深度结果4 km (中国地震局地球物理研究所,2022)相一致。本文重定位的主震震源深度为7.8 km,考虑到重定位和gCAP方法的深度结果分别代表初始破裂深度和震源矩心深度,而且该地震破裂尺度较大,破裂时间持续10 s左右(中国地震局地球物理研究所,2022),一般初始破裂深度要大于震源矩心深度,矩心深度的物理意义为地震破裂过程中的平均能量深度。王月等(2021)给出了云南漾濞MS6.4地震序列中较大地震的震源机制,其结果显示初始破裂深度与矩心深度平均差距在2—5 km之间,其中漾濞前震MS5.2地震的重定位与CAP结果深度相差9 km左右,说明初始破裂深度普遍大于矩心深度,而且重定位和波形拟合反演的不同深度可能反映了震源破裂过程比较复杂,也可能是资料限制和方法不同所导致。另外本文关于门源MS6.9地震早期序列的重定位结果显示,在震源深度处存在长约30—40 km且宽约5 km的地震稀疏段,认为该现象可能与门源地区下方存在高速异常体有关。2022年门源MS6.9地震序列所在区域处于2016年门源MS6.4地震西侧,已有研究(左可桢,陈继锋,2018)表明,2016年门源MS6.4地震西侧10—15 km地壳深度处正好存在显著的P波高速异常区且其P波速度结构异常分布特征在10 km与15 km处十分相似,而高速异常区表明该区域内的介质强度相对较高,中小地震相对偏少,而且介质不容易破裂(吴建平等,2009),这有利于更高强度的应力积累及集中释放,为强震的孕育和破裂提供条件,因此该区域存在的高速异常体所代表的障碍体也可能是2022年门源MS6.9地震发震机制的一种解释。

    门源地震震源深度处的地震稀疏段长约30—40 km,十分接近于余震序列的优势展布长度30 km,也大于地表破裂长度22 km,为此本文将长度30 km≤L≤40 km代入不同研究者统计的震源破裂长度L与震级的关系式:MS=3.3+2.1lgL 郭增建,秦保燕,1979)、MW=4.33+1.49lgLWells,Coppersmith,1994),MS=1.860lgL+3.821 (龙锋等,2006),相应的估算震级分别为MS6.4—6.7、MW6.5—6.7和MS6.6—6.8,震级差仅为0.2左右,而且十分接近2022年门源地震的实际地震震级MS6.9;再根据震源破裂面积A与震级MS的关系式MS=0.954lgA+4.134 (龙锋等,2006),将门源MS6.9地震早期地震序列稀疏段面积A=30 km×5 km以及A=40 km×5 km代入,所得震级分别为MS6.2和MS6.3,大小基本一致,这与2016年门源地震的实际地震震级MS6.4基本接近。加之现今应力场体系在门源MS6.9地震震源机制两个节面所产生的相对剪应力均未达到最大,即应力未得到完全的释放,该地区仍存在一定的应力积累,本文认为门源地区仍然存在发生强震的危险性,孕震强度水平可能为MS6.2—6.8。

    本文根据2022年门源MS6.9地震序列的重定位结果、MS≥3.4地震的震源机制解以及主震震源机制两个节面的相对剪应力等,结合地质构造资料以及震级与破裂关系初步分析和讨论了2022年门源MS6.9地震的发震构造和其强震危险性,主要获得了以下结论:

    1) 重定位后的门源早期地震序列157次ML≥2.0地震震中主要沿冷龙岭断裂西段呈WNW−ESE向展布,优势长轴长约30 km,宽约5 km,初始破裂深度主要集中于7—8 km之间,占序列的68%,而且震源深度由西向东整体呈逐步收敛的特征。在2022年1月8日至12日所发生的三次MS≥5.0地震中,1月8日门源MS6.9主震和MS5.1地震位于余震区的西段,1月12日MS5.2地震位于余震区东段,大体呈双侧破裂的特征。

    2) 主震震源机制解的节面 Ⅰ 为走向290°、倾角81°、滑动角16°,节面 Ⅱ 为走向197°、倾角74°、滑动角171°;10次MS≥3.4余震的震源机制类型以走滑型为主,震源矩心深度为3—7 km,P轴走向从余震区西段到东段之间大体呈NE向到EW向的变化,并在东、西段呈现明显的分区特征,表明余震区东、西段的构造变形模式存在着较为显著的差异。

    3) 应力场和震源机制模拟结果显示,现今已有应力场体系在2022年门源MS6.9地震震源机制解节面 Ⅰ 上产生的相对剪应力为0.638,而在节面 Ⅱ 上产生的相对剪应力为0.522,表明2022年门源MS6.9地震不是发生在构造应力场最大剪应力的释放节面上,地震破裂面的形状不是最大剪应力的断层面形状,而2016年门源MS6.4地震发生在构造应力场剪应力最大的区域,震源机制节面十分接近剪应力的最大释放节面。

    4) 结合地质构造、震源机制和余震展布,本文初步认为2022年1月8日门源MS6.9地震震源机制的WNW向节面为该地震的破裂面,其破裂方式为左旋走滑,且其发震构造可能与冷龙岭断裂西段有关。

    5) 根据重定位结果和震级-破裂关系以及剪应力结果可知,门源MS6.9震源区下方可能存在高速异常体,而且该地区的应力未得到充分释放,存在一定的应力积累,该地区仍然具有一定的强震危险性。

    本文的图件利用GMT软件绘制。防灾科技学院万永革教授提供了震源机制中心解等程序,四川省地震局龙锋高级工程师对多阶段定位方法予以指导,中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”(doi:10.7914/SN/CB)为本研究提供了地震波形数据,两位审稿专家为本文提供了建设性的修改意见,对本文质量提升给予了很大的帮助。作者在此一并表示感谢!

  • 图  3   2022年1月8日至12日门源MS6.9地震序列重定位震中分布

    (a) 重定位后地震随震源深度分布图;(b) 重定位后地震随距离主震的离逝时间t分布图

    Figure  3.   Relocated epicenters of the MS6.9 Menyuan earthquake sequence in the period of 8 to 12 January 2022

    (a) Epicenters distribution with focal depth after relocation;(b) Epicenters distribution of with elapsed time t from the origin time of the main shock

    图  1   门源MS6.9地震震中和MS≥6.0历史强震分布(a)、地震序列分布(b)及其M-t图和日频次图(c)

    F1:冷龙岭断裂;F2:托莱山断裂;F3:昌马—俄博断裂;F4:祁连山北缘断裂;F5:皇城—双塔断裂

    Figure  1.   Epicenter of MS6.9 Menyuan earthquake and distribution of historical MS≥6.0 strong earthquakes near the main shock epicenter (a),earthquake sequence (b) and their M-t plot and daily frequencies (c)

    F1:Lenlongling fault;F2:Tuolaishan fault;F3:Changma-Ebo fault;F4:Northern Qilianshan fault;F5:Huangcheng-Shuangta fault

    图  2   门源震源区的震相和达曲线(a)及最小一维速度模型(b)(红虚线代表拟合直线的2.5倍均方差)

    Figure  2.   Wadadi diagram (a) and minimum 1-D velocity model (b) of Menyuan source region (Red dashed lines represent the limits for 2.5 RMS of the fitting line)

    图  4   沿地震序列长轴走向的震源深度剖面AA′以及垂直余震区长轴走向的震源深度剖面BB′,CC′和DD′ (剖面宽度为剖面线两侧各10km)

    Figure  4.   Source depth profiles AA′ along the major axis of the earthquake sequence and BB′,CC′ and DD′ along the strike perpendicular to the major axis of aftershock region (Projection width for each side is 10 km for section)

    5   基于速度模型1 (a)和2 (b)的门源MS6.9地震震源机制-深度误差图(左)和最佳深度处波形拟合图(右)

    拟合波形下方的两行数字分别为理论波形(红色)相对实际波形(黑色)的移动时间(单位:s)以及二者的相关系数,波形左侧第一行给出了台站名和方位角(单位:度),第二行给出了震中距(单位:km)和相对偏移时间(单位:s),台站波形按震中距排列

    5.   Source mechanism-depth error diagram (left) and waveform fitting diagram at optimum depth (right) of the MS6.9 Menyuan earthquake with velocity models 1 (a) and 2 (b)

    The numbers of two rows beneath the traces are the time shifts (in second) of synthetics (red) relative to the observations (black) and the corresponding cross-correlation coefficients,respectively. The upper-left corner are stations and azimuths (in degree),respectively. The lower-left corner numbers represent the epicentral distance (in km) and the relative offset time (in second). The waveforms of stations are sorted in epicentral distance

    5   基于模型3 (c)的门源MS6.9地震震源机制-深度误差图(左)和最佳深度处波形拟合图(右)

    拟合波形下方的两行数字分别为理论波形(红色)相对实际波形(黑色)的移动时间(单位:s)以及二者的相关系数,波形左侧第一行给出了台站名和方位角(单位:度),第二行给出了震中距(单位:km)和相对偏移时间(单位:s),台站波形按震中距排列

    5.   Source mechanism-depth error diagram (left) and waveform fitting diagram at optimum depth (right) of the MS6.9 Menyuan earthquake with velocity model 3 (c)

    The numbers of two rows beneath the traces are the time shifts (in second) of synthetics (red) relative to the observations (black) and the corresponding cross-correlation coefficients,respectively. The upper-left corner are stations and azimuths (in degree),respectively. The lower-left corner numbers represent the epicentral distance (in km) and the relative offset time (in second). The waveforms of stations are sorted in epicentral distance

    图  6   本文门源MS6.9地震的震源机制结果与其他作者或机构结果的对比

    CENC、青海地震台、王卫民等、赵翠萍等、赵韬等的结果引自Seismology小组(2022),郭祥云等和韩立波等的结果引自中国地震局地球物理研究所(2022),其它结果引自European-Mediterranean Seismological Centre (2022)

    Figure  6.   Comparison of focal mechanism results of the MS6.9 Menyuan earthquake in this paper with those from other authors or institutions

    The results of CENC,Qinghai seismic network,Wang Weimin et al,Zhao Cuiping et al,Zhao Tao et al are from Seismology Group (2022),those of Guo Xiangyun et al and Han Libo et al are from Institute of Geophysics,China Earthquake Administration (2022),and others are from European-Mediterranean Seismological Centre (2022)

    图  7   2022年1月8—12日门源MS6.9主震和MS≥3.4余震的震中分布及其震源机制(震中位置据表3

    Figure  7.   Epicentral distribution and focal mechanisms of the MS6.9 main shock and MS≥3.4 aftershocks in Menyuan during 8−12 January 2022 (Epicenters according to Table 3

    图  8   门源地区应力体系下的震源机制模拟及相对剪应力(a)和相对正应力(b)

    Figure  8.   Simulated focal mechanisms and relative shear stress (a) and relative normal stress (b) under stress system in Menyuan region

    表  1   门源地区的P波初始速度模型

    Table  1   Initial P-wave velocity model in Menyuan area

    层号顶层深度/kmvP/(km·s−1
    104.50
    255.60
    3105.90
    4156.00
    5206.20
    6256.30
    7356.40
    8456.60
    9558.00
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    表  2   门源地区的P波最小一维速度模型

    Table  2   Minimum1-D P-wave velocity model in Menyuan area

    层号h/kmvP/(km·s−1层号h/kmvP/(km·s−1层号h/kmvP/(km·s−1
    1 0.00 4.59 10 4.50 5.29 19 20.00 5.96
    2 0.50 4.57 11 5.00 5.65 20 22.00 5.81
    3 1.00 4.57 12 6.00 5.21 21 25.00 6.14
    4 1.50 4.64 13 8.00 5.64 22 28.00 6.25
    5 2.00 4.78 14 10.00 5.86 23 31.00 6.25
    6 2.50 4.91 15 12.00 5.74 24 34.00 6.28
    7 3.00 5.03 16 14.00 5.71 25 43.00 6.42
    8 3.50 5.13 17 16.00 5.85 26 56.00 7.76
    9 4.00 5.22 18 18.00 5.85
    注:h为顶层深度
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    表  3   2022年1月8日至12日门源地震序列MS≥3.4地震的震源机制解

    Table  3   Focal mechanism solutions of the MS≥3.4 events in the Menyuan earthquake sequence from January 8 to January 12,2022

    序号发震
    日期
    发震
    时刻
    震中位置 深度/km 节面Ⅰ 节面ⅡMW
    东经/°北纬/° hPhW 走向/°倾角/°滑动角/° 走向/°倾角/°滑动角/°
    1 2022-01-08 01:45:28 101.258 37.770 7.8 4 290 81 16 197 74 171 6.6
    2 2022-01-08 01:55:19 101.253 37.762 7.6 主震面波里无解
    3 2022-01-08 02:09:05 101.217 37.773 9.0 7 0 73 −161 264 72 −18 5.1
    4 2022-01-08 02:33:53 101.261 37.769 8.4 7 21 53 −175 288 86 −37 4.0
    5 2022-01-08 04:45:23 101.208 37.761 8.5 7 0 64 176 92 86 26 3.9
    6 2022-01-08 10:06:21 101.460* 37.760* 7* 6 353 85 −170 262 80 −5 3.8
    7 2022-01-08 14:30:05 101.158 37.773 16.8 5 184 59 165 282 77 32 4.3
    8 2022-01-09 13:50:49 101.205 37.764 17.7 7 2 60 −178 271 88 −30 3.9
    9 2022-01-12 18:20:41 101.469 37.703 13.6 3 210 72 177 301 87 18 5.2
    10 2022-01-12 20:16:18 101.470* 37.780* 8* 7 219 72 161 315 72 19 4.8
    11 2022-01-12 21:01:53 101.475 37.697 14.2 4 218 81 152 313 62 10 4.7
    注:*为因精定位丢失的地震而采用的原始目录经纬度及深度;hP为初始破裂深度,hW为震源矩心深度。
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-17
  • 修回日期:  2022-01-20
  • 网络出版日期:  2022-01-21
  • 发布日期:  2022-04-23

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