魏夢怡, 吳晶, 艾印雙, 劉國明, 錢旗偉, 孫業(yè)君, 陳學(xué)芬
1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 巖石圈演化國家重點實驗室, 北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 100049 3 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 中國科學(xué)院地球和行星物理重點實驗室, 北京 100029 4 吉林省地震局, 長春 130022 5 江蘇省地震局, 南京 210014 6 四川省地震局, 成都 610041
青藏高原是我國大陸最為顯著的構(gòu)造單元之一,該區(qū)自南向北依次分布有:喜馬拉雅塊體、拉薩塊體、羌塘塊體、松潘—甘孜塊體(Yin and Harrison, 2000).松潘—甘孜塊體位于高原的最北部,其北緣、東緣與南緣依次分布有:東昆侖斷裂帶、龍門山斷裂帶與甘孜—玉樹—鮮水河斷裂帶.近年來,青藏高原的強震活動頻發(fā),其中松潘—甘孜塊體的強震活動尤為顯著(圖1).自1996年至2021年,青藏高原境內(nèi)共發(fā)生M6+地震46次,其中有16次發(fā)生在松潘—甘孜塊體或其周緣(圖1).2021年5月22日的青?,敹郙W7.4地震,更使得松潘—甘孜塊體成為地學(xué)研究熱點.
圖1 地質(zhì)構(gòu)造與強震分布圖黑色方框為本次研究區(qū)域;震源機制解來自全球矩張量數(shù)據(jù)庫(GCMT). 紅色五角星表示青藏高原1996年以來M 6+地震; 藍色及雙色五角星為本次研究的強震; 紅色數(shù)值表示斷裂帶滑動速率; KLF, 東昆侖斷裂帶; GYXF, 甘孜—玉樹—鮮水河斷裂帶; LMSF, 龍門山斷裂帶.Fig.1 Spatial distribution of tectonic structure and great earthquakesBlack rectangle is the study area; Focal mechanism solutions are derived from the global moment tensor database (GCMT). Red star represents M 6+ earthquakes in the Tibetan Plateau since 1996; Blue and two-color stars are the great earthquakes in this study; The red value indicates the slip rate of the fault zone; KLF, East Kunlun fault zone; GYXF, Garzê-Yushu-Xianshuihe fault zone; LMSF, Longmenshan fault zone.
松潘—甘孜塊體形成于古特提斯消亡之后,經(jīng)歷了長期的構(gòu)造演化過程.中生代中晚期,塊體隨著新特提斯洋的打開向北俯沖,并在印度板塊與歐亞板塊發(fā)生的陸陸碰撞作用下,形成了一系列NE-SW展布的多個弧形構(gòu)造,這奠定了該區(qū)的基本構(gòu)造格局(許志琴等,1991).新生代以來,該區(qū)構(gòu)造活躍,是認(rèn)識高原北向擴展的重要區(qū)域(Chen et al., 2013;Liu et al., 2014;Xu et al., 2014;Tian et al., 2015;Kong et al., 2016;Zheng et al., 2018;Wu et al., 2019;滕吉文等,2019;Bao et al., 2020).
對該區(qū)強震余震序列的研究是了解震源演化、獲取斷裂帶幾何形態(tài)的重要途徑,對認(rèn)識松潘—甘孜塊體邊緣的物性結(jié)構(gòu)差異、塊體邊界接觸關(guān)系有重要意義.前人的研究,多基于強震發(fā)生之后數(shù)月的數(shù)據(jù)(黃媛等,2008;陳九輝等,2009;趙博等,2013;Wu et al., 2017;房立華等,2018;王未來等,2021),這些研究對認(rèn)識強震余震的早期演化有重要意義,但缺少更長時間尺度的余震演化研究.此外,前人的研究主要針對單個強震的余震展開研究,缺少對發(fā)生在塊體不同位置強震的余震序列時空特征的對比研究.
本文基于2008—2020年的地震觀測報告,分別對發(fā)生在松潘—甘孜塊體不同部位的系列強震(2008年四川汶川MW7.9地震、2010年青海玉樹MW6.9地震、2013年四川蘆山MW6.6地震、2017年四川九寨溝MW6.5地震、2021年青?,敹郙W7.4地震)進行余震精定位,分析余震的時空分布特征,如:主震是單側(cè)或雙側(cè)破裂、有無共軛斷裂、有無前震.在此基礎(chǔ)上,探討了塊體不同邊界的斷裂帶可能存在的物性差異、以及塊體邊緣兩側(cè)介質(zhì)的接觸關(guān)系.
本文采用HypoDD (Waldhauser and Ellsworth, 2000)進行精定位,雙差定位方法不依賴于地震射線路徑,在一定程度上減小了速度模型對定位結(jié)果的影響,有效提高了地震定位的精度(鄭鈺和楊建思等,2008).該方法原理為:假設(shè)存在兩個地震事件i、j,當(dāng)兩者距離十分相近時,認(rèn)為二者到達同一臺站的路徑是基本相同的,其到時的殘差之差體現(xiàn)兩者之間的位置差異.該方法的基本方程為:
(1)
依據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心提供的13年地震目錄,選取松潘—甘孜塊體周緣M6+強震,考慮不同強震數(shù)據(jù)量的不同,對數(shù)據(jù)進行分段計算.為避免精度較差的震相對定位精度產(chǎn)生影響,在參數(shù)的選取時對震中距、臺站數(shù)、震相數(shù)、區(qū)域速度模型以及計算方法等均進行了合理考量,定位細節(jié)如下.
發(fā)生在塊體東緣的汶川地震震級大、余震數(shù)目多、時間跨度長且破裂尺度大,我們將2008-05-12—2020-11-30的地震目錄數(shù)據(jù)劃分為20段,選取MINLNK=MINOBS=8,震源距(MAXSEP)≤10 km,選取事件對到臺站的距離(MAXDIST) ≤300 km.采用趙珠和張潤生(1987)提供的地殼速度模型,取波速比為1.73,采用共軛梯度法進行求解.地震事件分3組,進行11次迭代.不同時段重定位后的均方根殘差相差不大,平均由~0.42 s下降到~0.1 s.對蘆山地震余震的研究選取2013-04-20—2020-06-30的地震目錄數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)劃分為8段進行重定位.設(shè)置MINLNK=MINOBS=8,MAXSEP≤10 km,MAXDIST≤200 km.此外,由于該區(qū)與汶川地震發(fā)生位置相近,屬同一區(qū)域,故所用初始速度模型同汶川地震.將地震事件分4組,共進行16次迭代.通過計算,不同時間段定位后的平均均方根殘差由~0.32 s降至~0.01 s.
發(fā)生在塊體南緣的玉樹地震震相報告觀測資料分為2010-04-14—2010-05-31、2010-06-01—2010-12-31、2011-01-01—2020-11-30三段,設(shè)置MINLNK=MINOBS=4,MAXSEP≤10 km,由于該區(qū)固定臺站密度較低,故設(shè)置MAXDIST≤400 km,采用王未來等(2012)的速度模型.地震事件分為2組,共進行8次迭代,最終得到穩(wěn)定的解.定位后,平均均方根殘差由~0.37 s降至~0.02 s.
將發(fā)生在塊體北緣的九寨溝余震數(shù)據(jù)分為2017-08-08—2017-08-31、2017-09-01—2017-12-31及2018-01-01—2020-11-31共3組,選取MINLNK=MINOBS=8,MAXSEP≤10 km,MAXDIST≤220 km,選用易桂喜等(2017)的九寨溝地區(qū)一維速度模型.地震事件分3組,共進行12次迭代.重定位后不同時段的平均均方根殘差由~0.13 s降至0.02 s.
瑪多地震亦發(fā)生在塊體北緣,我們整理2021-05-22—05-25的震相報告并設(shè)置MINLNK=MINOBS=4,MAXSEP≤10 km,MAXDIST≤300 km,并選取與玉樹地震定位相同的速度模型進行定位.地震事件分2組,共進行7次迭代.精定位后,均方根殘差由~0.72 s降至~0.2 s.
余震空間分布與發(fā)震斷層及區(qū)域構(gòu)造背景直接相關(guān),我們將依據(jù)強震發(fā)生先后順序逐一展示不同地震余震序列的空間分布特征,來判斷余震為單側(cè)或雙側(cè)破裂.我們將汶川、玉樹、蘆山、九寨溝及瑪多地震分別編號為事件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,除瑪多地震外,均選取震后一個月的余震事件沿走向、垂向投影,來判斷是否存在共軛斷裂(圖2).
由汶川地震重定位前后震中位置分布圖(圖2Ⅰ(a)),可以看出定位后地震事件較之前分布更集中,余震條帶長約350 km,呈北東向展布,余震分布在空間上存在不均勻性,在斷裂帶北段可以看到部分間斷,在震中附近存在一北西向分布的共軛斷裂帶,這一現(xiàn)象與趙博等(2011)的研究結(jié)果一致.我們以震中為投影點沿走向(A-A′)±50 km寬進行投影(圖2Ⅰ(b)),從圖中可知,汶川地震由破裂點向東北方向單側(cè)破裂;再以A-A′與C-C′的交點為投影點,沿(C-C′)±10 km寬投影(圖2Ⅰ(c)),在該方向上存在總長約70 km的余震展布,為共軛破裂.
從玉樹地震定位后余震的空間分布來看,余震條帶沿NW向分布更加集中,總長約100 km,余震在震中西北端分布較密集(圖2Ⅱ(a)).以主震震中為投影點,沿走向(A-A′)±20 km寬進行投影(圖2Ⅱ(b)),可以看出,余震向兩側(cè)雙向破裂,該結(jié)論與朱艾斕等(2012)結(jié)論相符;再以A-A′與B-B′的交點為投影中心±5 km寬作垂向投影(圖2Ⅱ(b)),可以看出該方向上余震投影分布長約40 km,分布在與斷層走向垂直的共軛斷裂上.
蘆山地震精定位目錄顯示余震分布更加集中(圖2Ⅲ(a)).以震中為投影點沿走向(A-A′)±10 km寬進行投影可得(圖2Ⅲ(b)),余震向西南端單側(cè)破裂,且地震發(fā)生時余震大多分布在中北側(cè),南側(cè)較少;再以震中為投影點沿(C-C′)±2 km寬作垂向投影(圖2Ⅲ(c)),可以看出在該方向存在總長~15 km的余震分布,存在共軛破裂.
九寨溝余震空間分布顯示余震更向斷裂帶集中,總體分布形態(tài)為西北方向余震數(shù)目多且地震條帶寬、東南方向余震數(shù)目較少且條帶窄(圖2Ⅳ(a)).以震中為投影點沿走向(A-A′)±6 km寬進行投影(圖2Ⅳ(b)),余震呈現(xiàn)雙側(cè)破裂現(xiàn)象.再以震中為投影點沿(C-C′)±2 km寬作垂向投影(圖2Ⅳ(c)),顯示余震分布集中,未激發(fā)共軛破裂.
瑪多余震定位后沿NWW向呈線性分布,總長約180 km(圖2Ⅴ(a)).以震中為投影點將2021-05-22—05-25的余震沿走向(A-A′)±5 km寬進行投影可得(圖2Ⅴ(b)),余震呈雙向破裂現(xiàn)象,且在震中東南方向約40 km處存在余震稀疏段;再以震中為投影點沿(D-D′)±5 km寬作垂向投影(圖2Ⅴ(c)),余震分布集中在±5 km內(nèi),未激發(fā)共軛破裂.
對強震時間序列的認(rèn)識是了解強震演化過程的重要方面.我們依次繪制了不同強震余震的M-T圖,隨著時間推移余震活動均呈衰減趨勢.此外,除玉樹地震有明顯前震(主震前約2 h發(fā)生了MW4.9前震(圖3b))外,其他地震均未記錄到明顯前震序列(圖3a、圖3c—e).
(續(xù)圖3)
圖3 各強震震級-時間分布圖紅色五角星、紫色五角星及藍色圓圈分別表示主震、前震及余震位置;右上角小圖表示主震發(fā)生前后2 h的地震.Fig.3 Magnitude-time distribution of great earthquakesRed star, purple star and blue circle indicate the location of main shock, foreshock and aftershock, respectively; The inset in the right upper corner shows earthquakes two hours before and after the main event.
我們對強震序列的余震演化特征做分時段比較.依次定義時段T1:主震后一個月時間內(nèi);T2:主震發(fā)生一年后的半年時間內(nèi);T3:最新一年時間.此外,采用Kato等(2012)與Wu等(2017)使用的統(tǒng)計方法,定義不同地震沿斷裂帶走向上的滑動窗口長度,并統(tǒng)計沿斷裂帶走向上每個區(qū)間內(nèi)累計地震的數(shù)量超過特定數(shù)目N的深度,對余震分布深度做分析,由于汶川地震余震數(shù)目較多,故設(shè)其N=5,其余地震N=2(圖4).
由汶川余震序列隨時間的變化(圖4a)可見,在T1時間范圍內(nèi)沿走向余震深度變化較大,由震中至北東向100 km范圍內(nèi),余震深度存在線性下降的趨勢,在80 km左右達到最深,而后向淺部遷移并趨于穩(wěn)定;其余時間段深度變化較為平緩,整體三個時間段的余震深度均隨時間逐漸向淺部遷移;且隨時間存在向西南——汶川與蘆山地震空段(高原等,2013)方向拓展的趨勢(如圖箭頭所示).
蘆山余震序列在三個時段內(nèi)深度變化略有起伏(圖4b),T2較T1相比,深度有所下降,且余震的分布范圍縮小至沿走向-10~5 km左右;T3較T2相比,深度回升且分布范圍有所拓展;走向上,隨時間推移,西南段地震逐漸向東北方向(空段)移動,這與汶川地震余震向空段拓展的現(xiàn)象相近(如圖箭頭所示).
玉樹地震不同時段震源深度起伏不大(圖4c),但沿斷層走向存在地震遷移現(xiàn)象,最新一年的余震集中分布在震中東南20 km之內(nèi).九寨溝余震在T1段余震深度變化較為平緩,T2段余震深度變化十分劇烈,最新余震深度存在較大的起伏且余震分布范圍縮小(圖4d);從走向來看,余震隨時間推移展布區(qū)間顯著縮小,余震衰減過程明顯.由于瑪多地震的余震地震目錄時間較短,故只能討論其早期余震的演化現(xiàn)象,精定位前后瑪多余震深度范圍由4~14 km拓展為2~18 km,但余震分布整體更集中在淺部區(qū)域.
圖4 各強震的余震演化特征圖紅色、綠色、藍色線段分別表示時間段T1, T2, T3;紫色五角星表示主震深度位置.Fig.4 Aftershock evolution characteristic map of each great earthquakeThe red, green, and blue lines represent time windows in T1, T2, and T3 respectively; The purple pentagram represents the depth of the main shock.
余震密度是獲取余震空間分布特征的直觀途徑.由于不同強震規(guī)模存在差異,我們分別設(shè)置不同的網(wǎng)格大小,將整個時間尺度上的余震密度做投影(圖5),其中地震Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ涵義同上文2.1節(jié)所述.首先,汶川余震分布范圍較大,我們設(shè)置網(wǎng)格為0.1°×0.1°,其余地震網(wǎng)格為0.05°×0.05°(圖5(a)).其次,基于同震滑移研究成果,分別繪制汶川(王衛(wèi)民等,2008)、玉樹(張勇等,2010)、蘆山(王衛(wèi)民等,2013)、九寨溝(謝祖軍等,2018)以及瑪多地震(詹艷等,2021)的同震滑移空間分布圖(圖5(b)).
(續(xù)圖5)
圖5 不同強震的余震分布密度圖及同震滑移圖(a) 余震密度分布圖; (b) 同震滑移圖;圖(a)中紅色方框?qū)?yīng)圖(b)中同震滑移區(qū)的位置;同震滑移區(qū)①②③在圖(a)、圖(b)中相互對應(yīng).Fig.5 Aftershock densities and coseismic slip characteristics of different great earthquakes(a) Aftershock density distribution map; (b) Coseismic slip diagram; The red box in Fig.(a) corresponds to the location of the coseismic slip region in Fig.(b); Coseismic slip zones ①②③ correspond to each other in Fig.(a) and Fig.(b).
結(jié)果顯示,五個強震余震密度分布的極值區(qū)位于同震滑移極值區(qū)的周緣,呈現(xiàn)互補的空間特征(圖5),這說明主震在同震滑移的過程中已釋放大部分能量,而周緣的介質(zhì)由于受到震后余滑、黏彈性松弛、流體運移等機制的作用激發(fā)大量余震活動(Freed,2005;Peng and Zhao, 2009;Wu et al., 2017;劉小梅等,2019).
我們對青藏高原東緣不同強震的主要特點進行匯總,發(fā)現(xiàn)不同位置的地震序列呈現(xiàn)的特征存在顯著差異(表1).首先,從空間分布上看:汶川地震與其鄰近的蘆山地震同為單側(cè)破裂,其他地震均為雙側(cè)破裂;玉樹、汶川以及蘆山地震在主震后激發(fā)共軛斷裂,其他地震則未激發(fā)共軛斷裂(圖2Ⅰ—Ⅴ(a)).其次,從時間序列上看:僅玉樹主震前發(fā)生了明顯的前震序列(圖3b),其余均為主-余型地震;汶川余震隨時間有向淺部遷移的趨勢(圖4a),玉樹余震(圖4c)、九寨溝余震(圖4d)隨時間先向淺部遷移、再向深部遷移,蘆山余震變化趨勢(圖4b)恰好與此相反——先向深部、再向淺部遷移,瑪多余震更多的集中在淺部.
表1 不同地震特征對比表Table 1 Comparisons of different seismic features
震源特征主要與兩方面相關(guān),一方面是發(fā)震斷層所處構(gòu)造單元的深部動力學(xué)過程,另一方面與局部斷層結(jié)構(gòu)有關(guān).研究表明松潘—甘孜塊體周緣的主要斷裂帶自10 Ma以來均發(fā)生了構(gòu)造變形,該變形過程源于青藏高原巖石圈地幔對流拆沉作用(Gan et al., 2022).這意味著松潘—甘孜塊體周緣斷裂帶的變形受同一個深部動力學(xué)機制的約束,因此該塊體強震震源特征的差異更有可能來自局部斷層物性的影響.
巖石實驗研究表明,共軛斷裂更傾向于發(fā)生在較為粗糙的斷層面上(Renard et al., 2020).地震學(xué)研究表明,共軛斷裂更可能發(fā)生在“因高孔隙流體壓力引起的具有較強非均勻應(yīng)力與非均勻摩擦的斷層上”,通常年輕斷層(不成熟斷層)具有上述物理特征(Shi and Wei, 2020).本研究發(fā)現(xiàn)汶川、蘆山、玉樹地震激發(fā)了共軛斷裂,而九寨溝與瑪多地震未激發(fā),我們推測龍門山斷裂帶、玉樹斷裂帶較東昆侖斷裂帶可能具有更強的不均勻性、斷層面更粗糙(圖6).
震源的單側(cè)或雙側(cè)破裂在地震學(xué)觀測中均存在,其中80%的淺源強震為單側(cè)破裂.單側(cè)破裂的機制主要是震源錯動過程中沿斷層面的充分破裂、成核點沿著斷層面的均勻分布,并且斷層兩側(cè)介質(zhì)的彈性特征差異越大,越有利于單側(cè)破裂的發(fā)育(McGuire et al., 2002).本研究中,除了發(fā)生在龍門山斷裂帶上的汶川與蘆山地震為單側(cè)破裂以外,其余地震均為雙側(cè)破裂,意味著塊體東緣的龍門山斷裂帶,東西兩側(cè)的介質(zhì)彈性屬性差別較大,而塊體北緣與塊體南緣的斷裂帶,兩側(cè)的介質(zhì)物性差別較小(圖6).
統(tǒng)計結(jié)果指出高達~70%的全球M7+地震具有前震序列(Jones and Molnar, 1979),前震出現(xiàn)的可能性隨主震深度的增加而降低;對加州地區(qū)地震事件的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),前震更多發(fā)生在走滑斷層上(Abercrombie and Mori, 1996).松潘—甘孜塊體近年的強震序列中,玉樹地震具有較為明顯的前震序列,正發(fā)生在走滑斷層上,與前人研究相符.然而,同樣發(fā)生在走滑斷層上的九寨溝與瑪多地震并未觀測到前震,這說明前震的發(fā)震具有更為復(fù)雜的物理環(huán)境.
依據(jù)余震信息(2008—2020),我們將汶川、玉樹、蘆山、九寨溝、瑪多地震分別以±15 km、±5 km、±10 km、±5 km、±15 km寬做余震序列的垂向深度投影(剖面位置分別見圖2Ⅰ(a)、2Ⅱ(a)、2Ⅲ(a)、2Ⅳ(a)、2Ⅴ(a)),并將其排列于三維空間(圖6).我們發(fā)現(xiàn):(1) 塊體東緣的龍門山斷裂帶的小震活動呈現(xiàn)西向傾斜的形態(tài);(2) 塊體南緣的玉樹斷裂帶與塊體北緣的東昆侖斷裂帶,二者的小震活動的幾何形態(tài)較為平緩,暗示斷裂帶南北兩側(cè)的殼內(nèi)介質(zhì)為相互拼貼的模式,這與龍門山斷裂帶有很大不同.
圖6 松潘—甘孜塊體邊緣斷裂帶余震三維空間分布圖與物性解釋模式圖KCB, 昆侖—柴達木塊體;QTB, 羌塘塊體;SGB, 松潘—甘孜塊體;SCB, 四川盆地.Fig.6 Three-dimensional spatial distribution map and physical property interpretation model map of aftershocks in the marginal fault zone of Songpan-Garzê block KCB, Kunlun-Qaidam block; QTB, Qiangtang block; SGB, Songpan-Garzê block; SCB, Sichuan basin.
本文依據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心提供的2008-01-01—2020-11-30的震相報告開展了青藏高原東緣主要強震的余震時空分布特征比較研究,結(jié)果表明松潘—甘孜塊體不同位置的強震余震序列呈現(xiàn)不同的時空分布特征:(1)位于塊體西南方向的玉樹地震為前-主-余震型地震,其余均為主-余型地震;(2)玉樹地震與位于塊體東南邊界的汶川、蘆山地震均激發(fā)了共軛斷裂,其余未激發(fā);(3)汶川及蘆山地震的破裂方式與其他地震的雙側(cè)破裂不同,為單側(cè)破裂;(4)余震密集區(qū)域位于主震同震破裂的周緣.
綜合該區(qū)構(gòu)造背景,我們指出上述現(xiàn)象主要受到塊體不同位置的局部物性結(jié)構(gòu)差異的影響.這種差異體現(xiàn)在:(1)龍門山斷裂帶與玉樹斷裂帶粗糙度更高、非均勻性更強;(2)龍門山斷裂帶兩側(cè)的地殼介質(zhì)彈性差異更大;(3)塊體北緣與南緣的斷裂帶南北兩側(cè)殼內(nèi)介質(zhì)為垂向-拼貼的接觸關(guān)系,而塊體東緣則為四川盆地西傾的接觸模式.未來,我們將開展基于深度學(xué)習(xí)的地震識別研究,定量計算斷層幾何形態(tài),繼而獲取斷層物質(zhì)屬性、塊體邊緣接觸關(guān)系等詳盡信息.
致謝感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室殼幔結(jié)構(gòu)探測學(xué)科組對研究工作的支持.汶川、蘆山、玉樹、九寨溝、瑪多地震的同震滑移數(shù)據(jù)分別由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所郝金來副研究員、北京大學(xué)張勇研究員、中國地質(zhì)大學(xué)鄭勇教授、中國地震局地質(zhì)研究所詹艷研究員提供.中國地震局地質(zhì)研究所任治坤研究員、四川省地震局杜斌與吉林省地震局張洪艷高級工程師給予支持,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所趙新愛同學(xué)協(xié)助文字校驗工作,審稿專家提出寶貴的修改意見,在此一并表示感謝.