引用本文
李启雷, 李玉丽, 屠泓为, 刘文邦. 丁青地区地震重定位、 震源机制及其发震构造初步分析[J]. 地震地质, 2021,43(1): 209-231.
LI Qi-lei, LI Yu-li, TU Hong-wei, LIU Wen-bang. THE RELOCATION, FOCAL MECHANISMS OF THE DINGQING EARTHQUAKES AND A PRELIMINARY STUDY OF ITS SEISMOGENIC STRUCTURE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2021,43(1): 209-231.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2021.01.013
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丁青地区地震重定位、 震源机制及其发震构造初步分析
李启雷, 李玉丽*, 屠泓为, 刘文邦
青海省地震局, 西宁 630001
*通讯作者: 李玉丽, 女, 1981年生, 高级工程师, 主要从事地震监测和地震学研究工作。

作者简介: 李启雷, 男, 1981年生, 2009年于四川大学获原子与分子物理学专业硕士学位, 工程师, 主要从事地震活动性与数字地震学研究, 电话: 0971-6150545, E-mail: 27263836@qq.com。

收稿日期: 2020-04-14
基金项目: 青海省重大科技专项(2019-ZJ-A10); 青海省2020年基础研究项目(2020-ZJ-752); 中国地震局地震科技星火计划项目(XH21047Y); 青海省地震科学基金(2020B03)共同资助
摘要

文中利用青海省地震台网的宽频带数字记录, 通过CAP反演等方法获取了西藏丁青8次 MS≥3.0地震的震源机制解(1次地震的震源机制解来自USGS)。 结果显示, 7次地震以正断破裂为主, 兼具少量右旋走滑分量, 断层优势走向为NNE, P轴的优势方位为SWW, T轴的优势方位为SEE。 同时, 利用双差相对定位法获得了217个地震的重定位结果。 重定位后, 余震沿NE-SW向展布, 与震源机制解的走向基本吻合, 但与区域内主要走滑型断裂近EW的走向不一致。 2015—2018年发生的地震主要分布在5~15km深度范围, 2018—2020年震源深度范围缩小至7~12km, 2018年以后震源深度的分布范围明显收窄。 丁青地震发生在羌塘块体中部, 域内既受到SN向印度洋板块与亚欧板块的强烈碰撞挤压作用, 也存在EW向伸展构造活动。 综合分析重定位、 震源机制结果及地质构造背景等资料, 认为2016年 MS5.5、 2020年 MS5.1地震的发震构造可能是同一条NE走向的正断型断裂, 发震断层面可能为节面I, 即走向、 倾角和滑动角分别为12°、 58°、 -103°与9°、 57°、 -101°的节面。 由于丁青地区地质资料匮乏, 无法明确具体的发震断裂。

关键词: 丁青; 重定位; 震源机制; 正断层; 发震构造
中图分类号:P315.3+3 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2021)01-0209-23
THE RELOCATION, FOCAL MECHANISMS OF THE DINGQING EARTHQUAKES AND A PRELIMINARY STUDY OF ITS SEISMOGENIC STRUCTURE
LI Qi-lei, LI Yu-li, TU Hong-wei, LIU Wen-bang
Qinghai Earthquake Agency, Xining 630001, China
Abstract

Based on the broadband records of the digital seismic networks of Qinghai, the focal mechanisms of the Dingqing, Xizang earthquakes( MS≥3.0) are of the obtained with Cut-and-Paste(CAP)inversion method and from USGS, seven of them are normal fault type with a little strike-slip component. The dominant direction of the fault strikes is near SN, the dominant distribution of dip angles is 58°~69°, and the dominant distribution of rake angle is -81°~-103°. The dominant direction of P axis is SWW, and that of T axis is SEE. The best double couple solution of the MS5.5 earthquake in 2016 is 12°, 58° and -103° for strike, dip and rake angles, respectively, the second nodal plane solution is 216°, 34° and -70°, the centroid depth is 7.3km, and its moment magnitude is 5.3. For the MS5.1 earthquake in 2020, the solution is 9°, 57°, -101° for strike, dip and rake angles, respectively, the second nodal plane solution is 209°, 35° and -74°, the centroid depth is 6.8km, and its moment magnitude is 4.9.
The double difference relative positioning method(HypoDD)is used to relocate the Dingqing earthquakes from February 1, 2015 to March 5, 2020. Broadband data of 9 seismic stations of Qinghai seismic network, Tibet seismic network and scientific array within about 400km around the epicenter are used, and the relocation of 217 earthquakes is obtained. After relocation, the Dingqing earthquake sequence is more clustered than before, with zonal distribution along NE-SW direction, which is in agreement with the fault strike of focal mechanism solutions, but not consistent with the major strike-slip faults in the region. The focal depths of the Dingqing earthquakes are close to the normal distribution, 75 percents of them range from 8 to 12km. The focal depths of earthquakes in 2015-2018 are confined in the range of 5~15km, and that in 2018—2020 are mainly from 7km to 12km, the range of focal depths is significantly reduced after 2018. After the occurrence of MS5.5 earthquake in 2016, the earthquakes ruptured rapidly to the west and south, and most of the aftershocks were of magnitude 3 or below, and the sequence attenuation was fast, which may be because that the mainshock released most of the energy in the sequence. The aftershocks of the MS5.1 earthquake in 2020 mostly ruptured along the horizontal direction or to the deep. The earthquakes occurring from 2019 to March 2020 are located in the middle of the sequence in spatial distribution, and there are two dominant directions of NE-SW and SSE in the spatial distribution of epicenters, showing an L-shape distribution. The reason may be that the earthquake encountered obstacles in the rupture along the NE-SW direction, the strain energy was not fully released, and then turned to the SSE faults after stress adjustment to induce subsequent aftershocks. In the NE direction of the “L-shape”, in addition to the MS5.1 earthquake on January 25, 2020, there were also earthquakes with MS5.5 on May 11, 2016 and MS4.5 on October 12, 2017, while only a few earthquakes with MS3.4 and below occurred in SSE direction, indicating that the NE-trending faults are the dominant area of Dingqing earthquakes activity in recent years.
Since the focal mechanism solutions of MS5.5 earthquake in 2016 and MS5.1 earthquake in 2020 are both of normal fault type, the dominant distribution direction of aftershocks is NE, according to the analysis of relocation, focal mechanism and geological structure background, it is inferred that the seismogenic structure of MS5.5 earthquakes in 2016 and MS5.1 in 2020 may be of a same normal fault type with NE direction. The fault plane may be nodal plane Ⅰ, i.e. the nodal plane with strike of 12°, dip angle of 58°, rate angle of -103° and strike of 9°, dip angle of 57° and rate angle of -101°. Because the Dingqing earthquakes occurred in the hinterland of the Qinghai-Tibet Plateau, the related research data on the distribution and attitude of small-scale faults is very scarce, so it is difficult to determine the seismogenic faults of the Dingqing earthquakes.

Keyword: Dingqing; relocation; focal mechanism; normal fault; seismogenic structure
0 引言

青藏高原因印度板块与亚欧板块碰撞而快速隆起, 构造运动十分活跃。 研究青藏高原的动力学及其区域构造运动特征, 对于认识青藏高原形成、 演化和隆升机制意义重大(Evison et al., 1977; George et al., 1995; Tapponnier et al., 2001)。 羌塘块体位于青藏高原中部, 地震强度大、 频次高。 1900年以来共发生MS≥ 6.0地震48次, 其中MS≥ 7.0地震5次, 7级以上地震主要发生在羌塘块体的北部边界附近, 最大地震为1997年11月8日18时02分于西藏玛尼发生的MS7.5地震。 研究该区的地震活动特性, 对于深入认识青藏高原现代构造活动状态和大陆构造演化具有十分重要的作用(曾融生等, 1992; 艾印双等, 1997; 高锐等, 2001, 2009)。

在地震监测台网建设初期, 由于青藏高原内部海拔高, 自然条件恶劣, 地震台站密度极低。 稀疏的台网布局大大制约了地震定位的精度及小地震记录的数量, 为该区域的地震活动及发震构造研究带来了一定困难。 从1996年开始, 在中央和地方政府的大力支持下, 中国地震局进行了 “ 中国数字地震监测系统” 建设(刘瑞丰等, 2008)。 近年来, 随着 “ 十五” 项目、 陆态网络、 背景场探测项目等重大项目的实施, 青藏高原的地震监测能力不断提升, 大部分地区的地震监测能力达到ML3.0, 为青藏高原地震活动性以及数字地震学研究等提供了基础。

据中国地震台网测定, 北京时间2016年5月11日09时15分, 西藏昌都市丁青县(31.99° N, 94.94° E)发生MS5.5地震, 震源深度7km。 2020年1月25日06时57分, 在距离此次地震震中14km处再次发生MS5.1地震(31.98° N, 95.09° E), 震源深度8km。 为分析研究区内(31.7° ~32.3° N, 94.7° ~95.3° E)地震的时空分布特征及发震构造, 本研究利用双差定位方法(HypoDD)对事件进行重新定位, 应用CAP方法反演震源机制, 进而结合震源机制、 构造背景等分析发震断层并探讨发震机理。

1 构造背景

青藏高原从南向北大致可分为5大地块: 拉萨地块、 羌塘块体、 巴颜喀拉块体、 柴达木地块和祁连山地块。 青藏高原的构造有2个最显著的特点, 即在SN向挤压环境下形成了规模巨大的近EW走向构造, 以及高原上分布着近SN向的第四纪裂谷, 这些裂谷主要集中在喜马拉雅地体、 拉萨地块和羌塘块体内(贺日政, 2003)。 裂谷在高原内部不均匀分布, 且在拉萨地块西部最为发育, 羌塘块体西部有少数断陷裂谷, 而高原东部则很少(曾融生等, 1992), 丁青地震就发生在裂谷发育而成的羌塘盆地与昌都盆地之间。 了解区域的构造背景有助于认识地震的孕震机理和发震构造, 对于深入认识区域构造活动状态有十分重要的意义(艾印双等, 1997)。

丁青地震的震中位于西藏丁青县与青海杂多县的交界处, 区内的主要断裂包括怒江断裂带、 巴青-类乌齐断裂、 莫云-结多断裂和扎那曲-着晓断裂等( 图 1)。 该区域广泛发育EW向伸展构造, SN向的构造几乎切割了所有EW向的构造单元和构造带(张进江等, 2003; 杨攀新等, 2012), 同时又受到EW向断裂带后期活动的牵引(贺日政, 2003)。 Wu(1992)研究了青藏高原1 329个MS≥ 4.0地震的震中分布, 认为青藏高原内部自第四纪以来EW向断裂活动不明显, 其对地震活动的控制作用已被NW、 NE、 SN向断裂所取代。

图 1 研究区周边断裂和台站分布图
红色虚线条为块体分界线, 由北至南依次为巴颜喀拉块体、 羌塘块体和拉萨块体。 F1玉树南-风火山南麓断裂; F2扎那曲-着晓断裂; F3莫云-结多断裂; F4雁石坪断裂; F5巴青-类乌齐断裂; F6怒江断裂。 左上角小图为青藏高原构造示意图, 红线内为羌塘块体, 红色沙滩球分别表示2016年MS5.5地震与2020年MS5.1地震的震源机制解Fig. 1 The distribution of faults and seismic stations in and around the study region.

Molnar等(1983)利用P波初动计算了1966— 1976年青藏高原内(29.59° ~36.45° N, 78.46° ~92.92° E)16个地震的震源机制解, 结果表明这些地震均为正断型或走滑型, 没有逆断型地震, T轴走向近EW。 徐纪人等(2005, 2006)分析了1931年8月— 2005年10月青藏高原及其周围发生的905个中强及以上地震的震源机制, 发现在海拔4 000m以上的中部地区、 (28.5° ~34.5° N, 80° ~93° E)范围内正断型地震集中, 其中许多是纯正断型地震。

有关青藏高原EW向伸展与隆升的关系, 目前在地学界还存在争议。 一些地质学家认为青藏高原EW向伸展是亚欧板块与印度洋板块碰撞挤压的直接结果(Seeber et al., 1998); 而另一些学者则认为青藏高原EW向伸展是其隆升至最大高度后垮塌的标志(Searle, 1995; Coleman et al., 1995)。 张进江等(2003)认为青藏高原EW向伸展可能主要由SN向挤压的变形分解所致, 后期高角度正断层的成因可能是青藏高原隆升后的垮塌作用。

2 数据资料收集

本文使用的震相和地震波形数据均由青海省地震台网产出, 震相数据来源于2015年2月1日— 2020年3月5日产出的观测报告, 所用的测震台站包括震中附近约400km的青海测震台网、 西藏测震台网及科学台阵(CA)的9个地震监测台站, 其中100km内台站1个(XZ_DQI), 100~200km内2个, 200~300km内4个, 300km以上台站2个。 为保证定位精度, 且观测数据足够多(梁建宏等, 2018; 梁姗姗等, 2018), 选取有4个以上台站记录并且有6个以上震相数据的地震事件(共246个)参与重定位计算。

由于青藏高原的地理环境特殊, 台站密度低, 研究区内震中距≤ 200km的台站只有3个。 为弥补台站空间分布和震相数量的不足, 挑选震中距≤ 320km的近台震相进行重定位计算。 本研究选用的震相走时共1 773个, 其中Pg震相1 075个, Sg震相698个, 平均每个地震约8个震相。 为检查观测报告中震相数据的可靠性, 我们绘制了直达P波和S波的震相走时曲线( 图 2)。 从图中可以看出, 震相走时的离散度整体上不大, 相同震中距的震相走时差基本在3s以内。 当震中距为110~120km(QH_ZAD台记录)时, Sg震相反而比Pg震相的走时曲线离散度更小, 这是由于QH_ZAD台记录到的Pg震相初动很弱( 图 3), 不同分析人员读取震相时存在偏差所致。 为提高计算精度和结果的稳定性, 舍弃偏离走时平均值3s以上的震相数据。

图 2 重定位使用的震相走时图Fig. 2 The phase travel times in the relocation.

图 3 丁青地震波形图Fig. 3 The seismic waves of the Dingqing earthquake.

双差定位算法虽然可以减小速度横向不均匀性的影响, 但如果采用错误的速度模型将导致震源位置出现明显偏差(Michelini et al., 2004), 也会影响震源机制解反演得出的震源深度(黄媛等, 2006; 陈晨等, 2013; 魏娅玲等, 2016)。 本文采用的地壳速度模型参考了赵文津等(2004)通过INDEPTH-Ⅲ 计划综合地球物理和地质调查获取的地壳速度结构, 其调查区域 “ 班公湖-怒江缝合带” 与本文的研究区域同属一个构造带, 距离研究区约200km;

此外, 也参考了李永华等(2006)利用接收函数方法得到的羌塘块体的地壳结构研究成果。 计算时, 对层间距< 5km的地壳分层进行了简化与合并, 最终采用的速度模型分为6层, 波速比设定为1.73, 如 表1所示。

表1 重定位使用的速度模型 Table1 The velocity models used in relocation
3 震源机制解与构造应力场分析
3.1 CAP方法

CAP(Cut And Paste)方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996)是一种基于区域台网地震波形记录估计震源参数的全波形地震矩张量解反演方法, 该方法将宽频带地震记录分成体波(Pnl)和面波(Snl)2个部分并赋予不同的权重进行震源机制反演。 由于体波部分包含sPg、 sPL、 sPn以及sPmP等深度震相信息, 故该方法可获得相对准确的震源矩心深度结果(Dziewonski et al., 1981; 罗艳, 2010; Ekströ m et al., 2012; 罗钧等, 2014)。 CAP方法采用近震拟合, 不仅可以提高数据信噪比和反演精度, 还能降低对台站数量和方位角分布的要求(李志海等, 2014)。 此外, 其另一优势是反演结果对速度模型和地壳横向变化的敏感性、 依赖性相对较小(龙锋等, 2010; 郑勇等, 2017; 易桂喜等, 2019)。 本研究利用该方法反演研究区内MS≥ 3.0地震的震源机制解和计算震源深度。

3.2 震源机制与构造应力场分析

本文利用震中距≤ 400km的9个地震台站的波形数据, 采用 表1的速度模型反演了研究区内7次MS≥ 3.0地震的震源机制解( 表2)。 因2006年2月21日丁青4.8级地震缺少波形数据, 采用了美国地质调查局(United States Geological Survey, 简称USGS)公布的震源机制信息, 共得到西藏丁青8次MS≥ 3.0地震的震源机制解。 图 4展示了2020年1月25日MS5.1地震的理论地震图与观测波形拟合图。 在50个拟合分量中, 相关系数> 0.8的有39个, 占78%, 理论地震图与实际观测地震图具有较好的拟合关系, 说明震源机制反演结果是可靠的。 为进一步分析3~4级地震震源机制解的可靠性, 图 5 以2020年3月4日MS3.8地震为例, 展示了较小地震的理论波形与实际波形的拟合系数图, 图中71%的分量相关系数> 0.7, 超过62%的分量相关系数> 0.8, 表明震源机制反演结果是可信的。

图 4 2020年1月25日MS5.1地震的理论地震图与观测波形拟合图
红线表示理论地震图, 黑线为观测波形图, 波形左侧为台站名, 台站名左下数字为震中距(单位: km), 右下数字为该台理论P波初至与观测P波初至的差值; 波形下方的2行数字分别代表理论地震图相对观测地震图的移动时间(单位: s)与两者的相关系数(百分比)Fig. 4 The focal mechanism solution and comparison between observed and synthetic waveforms of the MS5.1 earthquake on January 25, 2020.

表2 西藏丁青MS≥ 3.0地震的震源机制解 Table2 The focal mechanism solutions of the Dingqing, Xizang earthquakes(MS≥ 3.0)from 2016 to 2020

图 5 2020年3月4日MS3.8地震的理论地震图与观测波形拟合图
实线颜色和数字含义参见图 4Fig. 5 The focal mechanism solution and comparison between observed and synthetic waveforms of the MS5.1 earthquake on March 4, 2020.
图 6 为2016年5月11日丁青MS5.5地震( 图6a)与2020年1月25日丁青MS5.1地震( 图6b)的震源机制随深度变化的拟合度分布图。 在1~16km深度范围内, 震源机制随深度的变化很小, 结果非常稳定, 且波形拟合的相关系数也较高, 因此得到的正断性质的震源机制解是可靠的。

图 6 震源机制反演误差随深度的分布图
a 2016年5月11日丁青MS5.5地震; b 2020年1月25日丁青MS5.1地震Fig. 6 The variation of misfit error with depth during the focal mechanism inversion.

表2给出了丁青地区8次MS≥ 3.0地震的震源机制解, 结果显示有7次地震破裂为正断型( 图 7), 断层的优势走向为NNE, 倾角优势分布于58° ~69° , 滑动角优势分布于-81° ~-103° 。 主压应力P轴的优势方位近EW向, 倾角主要集中于60° ~90° ; 主张应力T轴的优势方位为SEE, 倾角主要集中于0° ~30° ( 图 8)。 以上结果说明青藏高原中部的确存在近EW向扩张的构造运动, 徐纪人等(2005, 2006)认为其动力学原因可能与持续隆升的高原自重增大引起的重力崩塌或其周边区域的构造应力状况有关。 3~4级地震的P轴方位角在2次5级地震发生前后没有出现大的变化, 仍以近EW向为主, 说明原震区的应力性质未发生明显改变。 对此, 有学者研究认为区域内发生的大地震或强震往往与大范围构造活动有关, 小地震则往往受局部构造应力场影响(王曰风等, 2008)。 由于地震的震源机制信息数量较少, 难以确定丁青地震的发震构造, 需要进一步结合地震序列的空间分布及区域的构造背景进行判断。

图 7 丁青MS ≥ 3.0地震的震源机制解
F1尼日阿错改-巴庆断裂; F2巴青-类乌齐断裂; F3怒江断裂Fig. 7 The focal mechanisms of the Dingqing earthquakes(MS ≥ 3.0).

图 8 丁青MS≥ 3.0地震震源机制解的P轴方位角(a)、 T轴方位角(b)、 P轴倾角(c)与T轴倾角(d)Fig. 8 Azimuth of P axes(a), azimuth of T axes(b), dip of P axes(c) and dip of T axes(d)for focal mechanism of the Dingqing earthquakes(MS≥ 3.0).

丁青地震发生后, 美国地质调查局、 哈佛大学、 中国地震台网中心及中国地震局地震预测研究所等机构计算了地震的震源机制解, 其中中国地震台网中心和中国地震局地震预测研究所的结果由Seismology小组①（①https: //mp.weixin.qq.com/s/uyUBjag5 PAznq2TU2 ZpiFA。）发布。 表3给出了本研究的震源机制解结果与其他机构结果的对比。 本研究中, 2016年MS5.5地震的节面Ⅰ 走向12° 、 倾角58° 、 滑动角-103° , 节面Ⅱ 走向216° 、 倾角34° 、 滑动角-70° , 震源矩心深度为7.3km, 矩震级MW5.3; 2020年MS5.1地震的节面Ⅰ 走向9° 、 倾角57° 、 滑动角-101° , 节面Ⅱ 走向209° 、 倾角35° 、 滑动角-74° , 震源矩心深度为6.8km, 矩震级MW4.9。

表3 本研究给出的西藏丁青地震震源机制的反演结果与其他机构结果对比 Table3 The results of focal mechanisms of the Dingqing, Xizang earthquakes from different institutions

本研究依次以各个机构的震源机制作为初始解得到丁青2次5级以上地震中心震源机制的标准差(万永革, 2019), 见 表4的第5列。 对于2016年MS5.5地震, 以哈佛大学矩张量解作为初始解得到的震源机制的标准差最小。 以此作为最终结果, 则P轴的走向为285.48° , 倾角为79.22° , 不确定范围分别为259.43° ~316.53° 和71.15° ~87.81° ; T轴的走向为114.41° , 倾角为10.65° , 不确定范围分别为106.04° ~123.04° 和2.03° ~19.02° ; B轴的走向为24.10° , 倾角为1.64° , 不确定范围分别为15.73° ~32.73° 和-5.27° ~8.75° 。 最优中心解与本研究得到的震源机制解的最小空间旋转角为10.72° 。 最优中心解与各个机构测定震源机制解的最小空间旋转角见 表4的第6列, 中心震源机制解见 图9a。 从图中可以看出, 该地震震源机制测定的P轴的误差范围较小, T轴次之, B轴的误差范围较大。 对于2020年MS5.1地震, 以中国地震局地震预测研究所的震源机制解作为初始解得到的震源机制的标准差最小。 以此作为最终结果, 则P轴的走向为234.13° , 倾角为75.70° , 不确定范围分别为202.07° ~250.62° 和71.93° ~81.31° ; T轴的走向为111.01° , 倾角为7.93° , 不确定范围分别为103.17° ~118.17° 和0.89° ~15.64° ; B轴的走向为19.34° , 倾角为11.82° , 不确定范围分别为11.50° ~26.50° 和5.60° ~17.57° 。 本研究得到的震源机制解的最小旋转角为5.61° 。 以上数据表明各机构得到的震源机制解较为集中。 最优中心解与各个机构测定的震源机制解的最小空间旋转角见 表4的第6列, 中心震源机制解见 图9b。 从 图 9 可以看出, 丁青地震的P轴误差范围较小, T轴和B轴的误差范围略大。

表4 不同机构给出的西藏丁青地震震源机制解及得到的中心震源机制解和标准差 Table4 The focal mechanisms of the Dingqing, Xizang earthquakes from different institutions, and the central focal mechanism and its residuals

图 9 丁青地震的中心震源机制解
a 2016年5月11日丁青MS5.5地震; b 2020年1月25日丁青MS5.1地震。 黑色弧线表示中心震源机制的2个节面, 绿色弧线覆盖区域为其不确定范围; 红色、 蓝色、 黄色的点表示中心震源机制解的P轴、 T轴、 B轴, 其周围对应颜色的封闭曲线表示其不确定性范围, 绿色、 黑色、 蓝绿色的点表示各个机构得到的震源机制解的P轴、T轴、 B轴; 紫色弧线表示各个机构得到的震源机制节面Fig. 9 The central focal mechanisms of the Dingqing earthquakes.

4 地震重定位

由于丁青地区的地震观测时间较短, 震源机制数量有限, 且区域地质构造背景复杂, 现有数据不足以判定地震的发震构造, 而小地震的精确定位可以提供余震分布和断层破裂信息, 为进一步认识和确定发震构造提供更加充分的依据(陈晨等, 2013; 张广伟等, 2016)。 为此, 本研究在前期工作的基础上继续开展重定位研究。

4.1 双差定位法(HypoDD)

本研究采用的重定位方法是Waldhauser等(2000)提出的地震双差相对定位法。 该方法同时使用地震目录的绝对走时与互相关P波和S波的相对走时数据, 将每个台站观测的事件与台站组成台站-事件对, 使地震对的观测和理论走时之差的残差最小, 能够有效地消除震源— 台站间的共同传播路径效应。 双差定位方法反演的是地震序列中每个地震相对于矩心的相对位置, 故不需要主事件, 可有效减小因地壳结构模型不够精细而引起的误差, 其定位精度在小区域内可以达到百m量级(秦双龙, 2009; 刘巧霞等, 2012; 房立华等, 2013; 唐明帅等, 2016; 梁姗姗等, 2018)。

考虑到研究区台站密度低, 在组成地震对时, 将最小连接数和最小观测数均设为6, 震源间距< 20km, 事件对到台站的距离< 400km。 由于S波作为续至波受到P波尾波以及各种反射震相的干扰, 其到时拾取精度低于P波, 一般情况下将P波和S波震相分别赋予1和0.5的权重。 但本文的S波到时数据的震中距与离散度都很小, 因此在定位时适当增加了S波的权重, 设置P波和S波的权重为1.0和0.8。

4.2 重定位结果

采用共轭梯度法(LSQR)重定位后得到217个地震的震源位置参数, 为原来地震总数的85.4%。 96.7%的地震在3个方向上的测定误差< 30m, 这个精度超出了研究区能达到的观测精度, 误差估计不具有实际意义。 这是因为解方程时对于协方差矩阵的对角元素只做了近似计算, 且共轭梯度法给出的误差估计严重依赖迭代时的收敛情况(Waldhauser et al., 2000; 刘巧霞等, 2012; 房立华等, 2014; 王清东等, 2015)。 为了评价定位结果, 我们采用奇异值分解法(SVD)再次进行重定位。 由于奇异值分解法的计算效率低, 不利于大数据量运算, 故抽取2020年的50个地震采用奇异值分解法进行重定位。 水平方向的误差为100~500m, 其中EW向的平均误差为137m, SN向的平均误差为222m; 垂直向误差则较大, 平均误差为637m, 最大误差为1 540m, 垂直向误差显著高于水平向。 有学者对此问题专门做过研究, 认为在台站分布相对稀疏、 震中距远大于震源深度的情况下, 震源深度误差将比水平向大得多(郑勇等, 2017)。

重定位后的震源深度主要分布于5~15km。 与重定位前相比, 重定位后的优势震源深度由10km减小至9km, 震源深度> 9km的地震数量明显增多, 深度上以9km为中心呈近正态分布( 图 10)。 丁青地震全部为浅源地震, 最浅深度为4km, 地震破裂未贯穿地表, 震源深度最深达17km, 这与Molnar等(1983)利用P波初动计算得到的青藏高原内16个地震的震源深度范围分布在5~10km的结果相差不大, 与George等(1995)通过反演青藏高原及其邻区的38个地震的震源机制解得出的高原内部3/4的地震震源深度< 15km的结论一致。 重定位后2016年MS5.5地震的震源深度为6.4km, 与CAP方法计算的最佳震源矩心深度7.3km相差0.9km, 与USGS给出的震源深度8km相差1.6km; 2020年MS5.1地震的震源深度为8.5km, 与震源矩心深度6.8km相差1.7km。

图 10 地震深度分布柱状图
a 重定位前地震深度分布柱状图; b 重定位后地震深度分布柱状图Fig. 10 Histograms of focal depths before(a)and after(b)relocation.

从震源深度与时间关系图( 图 11)看, 2018年前、 后震源深度显著不同, 2015— 2018年的震源深度主要分布于5~15km, 2016年MS5.5主震发生后, 余震可能先向深部破裂、 后向浅部破裂; 2018— 2020年震源深度主要分布在7~12km, 深度范围比2015— 2018年发生的地震缩小约50%, 地震丛集分布于主震附近, 余震更多向深部或沿水平方向破裂, 向浅部破裂的余震则很少。

图 11 重定位后的震源深度与时间关系图
五角星表示2016年、 2020年主震Fig. 11 The relation between focal depths and time after relocation.

重定位后的地震分布比重定位前更加集中( 图12a, b), 呈条带状分布特征, 优势展布方向约为NE-SW向(AA'剖面), 右上部地震的分布范围较宽, 宽约15km, 左下部地震的分布范围略窄, 宽约10km。 2次5级以上地震分别位于剖面AA'的左、 右两侧, 余震沿AA'剖面延伸约25km, 沿BB'剖面延伸约12km。 重定位后, 2016年5.5级地震附近出现明显的破裂空段, 这可能是由于初始地震目录中主震周边的余震数量较少且比较分散, 重定位时一些地震在反演迭代过程中因无法配对或重定位至地表以上而丢失所致(王健等, 2016)。 2019年、 2020年发生的地震空间上位于序列的中部, 呈现出2个显著的分布方向: NE-SW向和SSE向( 图12b, c), 并具有“ L” 形不对称共轭分布的特征(房立华等, 2014), 推测地震沿NE-SW向破裂时遇到障碍体, 阻止余震向SW向扩展, 积累的能量触发余震沿SSE向破裂。 余震沿NE-SW向狭长分布, 沿SSE向延伸较短且展布较宽。 2016年5.5级、 2020年5.1级及2017年10月12日4.5级地震近似呈直线沿NE-SW向分布, SSE向仅发生若干次3~4级及以下地震, 表明NE向断裂是近年来丁青地震活动的主体区域, 而SSE向的地震活动水平相对较弱。 结合震源机制解分析, 在NE向发生的2次5级地震以及2017年4.5级地震的节面参数差值最大为12, 最小为1, 平均相差5.8, 3次地震的震源机制解差别非常小, 推测这3次地震可能与同一条NE向断裂的构造活动有关。

图 12 重定位前(a)及重定位后的地震分布(b, c)Fig. 12 The epicenter distribution before(a)and after(b, c)relocation.

重定位后, 发现2016年5.5级与2020年5.1级地震的震中位置相对初始定位结果有明显偏离, 分别移动了8.3km和8.9km。 图13a、 b分别为参与2016年5.5级、 2020年5.1级地震重定位台站的分布图。 2016年5.5级地震定位采用的地震台站数量为27个, 2020年5.1级地震定位的台站数量大幅增加至47个, 尤其在南部增加了4个距离震中较近的地震台站, 这些近台的加入使得观测台站的空隙角更小, 空间分布更加合理, 减少了因地震空间分布不均匀对地震定位的影响。 另外, 丁青地震的初始定位结果采用绝对定位法, 定位精度除受到台站分布的影响外, 还受到震相数量及读取精度的影响, 而原始定位结果会对重定位产生较大影响, 最终导致2次5级地震重定位后震中出现较大偏离。

图 13 参与地震定位台站的空间分布图
a 参与2016年5.5级地震定位的台站分布; b 参与2020年5.1级地震定位的台站分布Fig. 13 The spatial distribution of seismic stations involved in the earthquake location.

为了分析断层在深部的展布形态与发震构造(罗文行等, 2012), 本文绘制了AA'与BB' 2条剖面。 地震沿深度剖面AA'近似呈 “ ∞ ” 形对称分布( 图14a), 左、 右两侧地震较多, 中线附近地震较少, 地震沿AA'方向由密变疏且震源深度有变浅的趋势, 表明地震可能沿NE-SW向破裂。 BB'剖面倾向NW( 图14b), 沿着剖面倾向作1条地震分布的中线F(万永革等, 2008), 余震均匀分布在F的两侧, 且越靠近中线F则地震分布越密集, 2020年MS5.1地震位于F的中部右侧约1.5km处。 根据几何关系可以确定F的倾角约为50° , 与震源机制解的倾角基本吻合。 综合上述分析及2020年MS5.1地震的震源机制解节面参数结果推测, F可能为其发震断层面, 断层面为节面Ⅰ , 即走向为9° 、 倾角为57° 、 滑动角为-101° 的节面。 由于2016年MS5.5地震与2020年MS5.1地震仅相距14km, 震源机制的2个节面参数差别很小, 且重定位后2次地震处于同一余震优势分布方向上, 结合震源机制解、 地震重定位及构造背景等(艾印双等, 1997; 黄继钧等, 2006; 李永华等, 2006; 王峻等, 2018)分析, 认为2016年MS5.5地震的断层破裂面同为节面I的可能性较大, 即走向12° 、 倾角58° 、 滑动角-103° 的节面。

图 14 震源深度沿AA'剖面图(a)、 BB'剖面图(b)Fig. 14 The profiles of focal depths along the cross sections AA'(a)and BB'(b).

5 发震构造初步分析

丁青地震发生在怒江与巴青-类乌齐2条大型走滑断裂带之间, 2条断裂带在丁青地区近平行地向SE向延伸, 最窄处宽约50km。 前人根据地质调查和卫星图像研究发现羌塘块体内部除主要的近EW向、 NW向和NE向断裂外, 还存在近SN向的正断层次级断裂(李建华, 1998; 张进江等, 2003)。 有学者分析青藏高原正断层应力状态的形成原因, 认为高出南部印度板块的青藏高原地壳上部物质没有直接承受印度洋板块的水平向挤压, 在重力作用下垂直方向的压应力大于水平向压应力, 即形成正断层应力状态(张东宁等, 1995)。

1950年以来, 震中附近的地震活动以约5级的地震为主, 最大地震为1971年4月3日发生在青海杂多的6.5级地震。 丁青地区虽然处于青藏高原内部, 有较强的地震活动背景, 但历史上未发生过6级以上地震, 地震活动水平不高。 究其原因, 可能因为震区的平均海拔> 5 000m, 并且地势陡峭, 容易形成物质流逸的通道, 故难以形成闭锁和应力积累, 也就难以孕育强烈地震(Kanamori, 1972)。

2016年MS5.5地震与2020年MS5.1地震的震源机制解均为正断型, 与震中区附近主要断裂的走滑性质明显不符, 故2次地震的发震构造为区域大型走滑断裂的可能性较小, 而且中等大小的地震容易受控于局部的地质构造(王曰风等, 2008; 房立华等, 2014)。 因此, 根据重定位结果、 区域地质构造和震源机制解分析认为, 丁青2次5级以上地震的发震构造可能是同一条NE走向的正断型断裂。 由于震区的活动构造资料匮乏, 次级断裂数据无据可查, 故不能确定具体的发震构造。

重定位后, 2019— 2020年发生的地震呈现出明显的“ L” 状分布特征, 除2020年1月25日的5.1级地震外, 在NE-SW向还曾发生2016年5月11日5.5级与2017年10月12日4.5级地震, 而SSE向仅发生若干次3~4级及以下地震, 表明NE向断裂是近年来丁青地震活动的主体区域, 而SSE向的地震活动水平相对较弱, 这与2次5级以上地震的发震构造是NE向断裂的结论是吻合的。

6 结论

本文利用青海测震台网2015年2月1日— 2020年3月5日记录的西藏丁青(31.7° ~32.2° N, 94.7° ~95.3° E)246次ML≥ 2.0地震的震相数据进行了重定位; 利用CAP反演等方法得到了西藏丁青地区8次MS≥ 3.0地震的震源机制解, 并初步分析了丁青地震的发震断层。 获得的主要认识与结论如下:

(1)震源机制解结果显示, 有7次地震为正断型, 显示了区域在拉张应力场作用下的伸展构造特征。 2016年MS5.5地震震源机制解的节面I走向为12° 、 倾角为58° 、 滑动角为-103° , 节面Ⅱ 的走向为216° 、 倾角为34° 、 滑动角为-70° , 震源矩心深度为7.3km, 矩震级MW5.3; 2020年MS5.1地震震源机制解的节面I走向为9° 、 倾角为57° 、 滑动角为-101° , 节面Ⅱ 的走向为209° 、 倾角为35° 、 滑动角为-74° , 震源矩心深度为6.8km, 矩震级MW4.9。

(2)采用最小空间旋转角方法将本研究结果与美国地质调查局、 哈佛大学、 中国地震台网中心及中国地震局地震预测研究所等不同机构计算的震源机制解进行对比, 得到最优中心解。 2016年MS5.5地震以哈佛大学矩张量解作为最优中心解, 最优中心解与本研究得到的震源机制解最小空间旋转角为10.72° 。 2020年MS5.1地震以中国地震局地震预测研究所的震源机制解为最优中心解, 本研究得到的震源机制解与最优中心解的最小空间旋转角为5.61° 。以上数据表明各机构得到的震源机制解差别较小。

(3)8次MS≥ 3.0地震的断层优势走向为NNE-SSW, 倾角主要分布于58° ~69° , 滑动角为-103° ~-81° 。 P轴的优势方位为SWW, 倾角主要集中于60° ~90° ; T轴的优势方位为SEE, 倾角主要集中于0° ~30° 。

(4)重定位后共获得地震震源信息217条, 地震呈条带状分布, 优势展布方向为近NE向。 丁青地震的震源深度主要分布在5~15km范围内, 接近正态分布, 其中2016年MS5.5地震的震源深度为6.4km, 2020年MS5.1地震的震源深度为8.5km。 2016年MS5.5地震发生后, 地震迅速向W、 S方向破裂, 余震多为3级或以下地震, 序列衰减较快, 可能是由于主震释放了序列中绝大部分的能量; 2020年MS5.1地震的多数余震向更深区域或沿水平方向破裂, 向浅部破裂的余震很少。

(5)综合重定位、 震源机制及地质构造背景等分析认为, 2016年MS5.5地震的发震断层可能为走向12° 、 倾角58° 、 滑动角-103° 的节面; 认为2020年MS5.1地震的发震断层可能为走向9° 、 倾角57° 、 滑动角-101° 的节面, 2次5级以上地震的发震构造可能是同一条NE走向的正断型断裂。 由于丁青地震发生在青藏高原腹地, 高寒缺氧, 冰川、 湖泊众多, 难以开展系统的地质地貌调查, 故区域内小规模次级断裂的展布、 产状等相关资料较少, 无法确定丁青地震的具体发震断层。

致谢 本文大部分图件使用GMT软件绘制; 青海地震台网中心提供了观测报告和地震波形数据; 审稿专家为本文提出了建设性的修改意见。 在此一并表示感谢!

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