2022年青海门源MS6.9地震余震的空间迁移特征

刘泽民,张广伟,梁姗姗,邹立晔

(1. 应急管理部国家自然灾害防治研究院, 北京 100085;2. 中国地震台网中心, 北京 100045)

0 引言

据中国地震台网中心测定,北京时间2022年1月8日1时45分,青海省门源县发生了6.9级地震,震中位于101.26°E,37.77°N,深度为10 km(以下简称2022年门源MS6.9)。截至2022年1月16日,共发生3级以上地震53次,其中MS6.0～6.9地震1次,MS5.0～5.9地震3次,MS4.0～4.9地震8次,MS3.0～3.9地震41次(https:/ /www.cenc.ac.cn)。地震现场调查表明,本次地震造成了长约22 km的地表破碎带,地表和冰面可见连续张裂隙和挤压鼓包等组合破裂模式[1],对公路、输油管道等工业设备造成较大的影响。

2022年门源MS6.9地震震源区位于青藏高原东北缘,在印度与欧亚板块碰撞作用下,青藏高原块体北东向逃逸过程中,受到阿拉善块体的阻挡,发生了较大的地壳形变,形成了海原断裂、东昆仑断裂、阿尔金断裂等大型走滑断裂[2-3]。该区域地震活动性较高,强震频发,如1920年发生在海原断裂上的海原8.5级地震,1927年发生在皇城—双塔断裂的古浪8.0级地震、1986年门源MS6.4地震以及2016年门源MS6.4地震。2022年门源MS6.9地震为左旋走滑型地震[4],位于托莱山—冷龙岭断裂以南,托莱山—冷龙岭断裂为左旋走滑型断裂,走向N70°W,全长120 km,该断裂属于北祁连山活动断裂的一部分,位于北祁连褶皱带与冷龙岭隆起带内[图1(a)]。

探讨中强地震余震序列的时空演化特征可获得地震的优势破裂方向及速率[5],对于揭示主震的破裂机制和预测可能的地震链生灾害具有重要作用[6]。大地震震后的余震遵循Omori定律[7],随着震级的减小,地震数量呈指数倍增加,而大地震尾波为主震发生后短期内小震的编目造成很大的困难。因此,大地震后的微震扫描对于地震目录的完善和发震构造的研究具有重要作用。

本研究首先对地震台网目录进行双差定位(HypoDD[8-9])获得位置精度较高的地震目录,详细刻画断裂带空间形态[10-12];根据该目录制作地震模板,采用匹配定位算法[13]对2022年1月8—16日连续地震波形进行扫描,检测CENC目录中漏掉的微震事件。基于检测到的地震目录分析2022年门源MS6.9地震与托莱山—冷龙岭断裂之间的联系,对发震构造开展细致研究,探讨此次地震的发震模式及其区域构造意义,为青藏高原东北缘未来危险性评估提供科学依据[10,12,14-21]。

1 数据和方法

1.1 资料收集

本研究首先从中国地震台网中心获得2022年1月8—16日门源MS6.9地震震源区的震相观测报告,对地震筛选去重后剩余1 010个地震事件,选择震源区周围200 km范围内的22个台站来进行地震重定位[图1(a)]。以门源MS6.9主震震中为中心,150 km内有9个台站,包括5个青海地震台网固定台站和4个甘肃地震台网固定台站,对于震源区具有很好台站方位覆盖(图1)。本研究收集这9个台站在2022年1月8—16日的连续波形数据,其采样率均为100 Hz,作为地震检测的基础波形数据。

1.2 地震重定位

为了提高门源MS6.9地震序列定位精度,更好地刻画发震断裂带的空间位置,采用双差定位算法HypoDD对CENC目录进行重定位[8-9]。地震重定位主要分为以下三个步骤。

(1) 质量控制

在地震定位之前,将震相观测报告中走时残差绝对值大于3 s的P和S震相去除;将P波走时赋予先验权重1.0,S波赋予的先验权重为0.5;选择震级大于1.0、至少被4个台站接收到的地震事件进行重定位。获得符合条件的地震事件541个，其中包含3 787条P波射线和3 283条S波射线[图2(a)]。

图2 P波和S波的震源距-到时曲线及地震重定位使用的P波和S波速度模型Fig.2 P- and S-wave hypocentral distance-travel time curves as well as the velocity models used in earthquake relocation

(2) 地震配对

双差定位算法的原理是对于被同一个台站接收到的两个地震,如果地震事件之间的距离远小于事件到台站的距离,则由震源位置到台站的走时差主要由于事件对之间的位置差所引起,从而建立起两个事件之间的走时差与震源位置差之间关系,进而通过理论走时残差与观测走时残差之差(即双差)最小来进行地震重定位。由于消除了事件到台站之间较长的传播路径的影响,从而降低了该算法对于初始速度模型的依赖。在进行双差定位之前,需要对事件进行配对,选择满足双差定位条件的地震。事件对到台站的最大距离为200 km,事件对间的最大距离为10 km,最小连接数为4。

(3) 双差重定位

在双差定位过程中,采用的速度模型参考了人工勘探[22]和接收函数[23]的结果[图2(b)],并将泊松比设为1.73。采用共轭梯度最小二乘法求解,共迭代16次,1～4次不设置残差阈值,5～8次设置6倍的残差截断值,8～16次设置3倍的残差截断值。通过多次迭代,直到得到稳定的解,最终获得高精度的HypoDD目录包含404个地震事件。

1.3 地震检测

地震检测方法采用Zhang and Wen 提出匹配定位算法(M & L)[13],该算法基于延迟累加策略,采用网格搜索的方式寻找模板波形与连续波形一致性最大的位置和时刻,从而完成地震检测与定位。本研究中,由于近震震相的能量主要集中在2～8 Hz,同时为了减小波形互相关计算所耗费的时间,将收集到的9个台站的连续波形数据从100 Hz降采样到20 Hz,对其进行2～8 Hz的带通滤波来提高地震信号的信噪比;分别从CENC目录和HypoDD目录中选取模板事件开展地震检测。从 CENC目录选取模板事件时要求至少由3个台站记录到,获得606个CENC目录模板地震事件,HypoDD目录中404个地震事件全部作为模板地震事件;在从9个台站的连续波形上截取事件波形时,CENC目录模板地震事件使用原始的震相观测报告,HypoDD目录模板地震事件使用经过高精度的地震位置和发震时刻更新后的地震观测报告,将震相观测报告中的Pg和Sg到时标记在模板事件波形上;在每个通道上选用模板波形上P/S到时-1～5 s的数据点与连续波形进行互相关计算,将所有通道的互相关值进行时间校正、叠加从而获得平均互相关值;检测到事件的震源位置与模板事件相同,不在模板地震震源位置周围的三维空间进行搜索;地震检测阈值设为波形分量至少有9个且平均互相关值不低于0.2;基于振幅增大10倍震级增大1级的假设,通过计算模板地震和检测地震各通道之间的最大振幅比的中位数值来获得检测事件的ML震级。图3展示了模板地震事件和对应的检测事件波形,模板地震事件发生在2022年1月8日15点56分28.41秒,震级ML=1.9;检测事件发生在2022年1月8日2点8分17.950秒,震级ML=2.27,两者之间的平均互相关值为0.582 9。

红色波形是模板地震波形,在红色波形对应时刻的灰色波形是检测到的地震事件波形图3 地震检测示意图Fig.3 Schematic diagram of earthquake detection

2 结果

2.1 地震重定位结果

本研究中,去重后的CENC目录共包含1 010个地震事件,经过质量控制后剩余544个,使用双差定位算法重定位后获得的HypoDD目录包含404个地震事件。HypoDD目录中地震事件的平均走时残差为27 ms,震源位置在经度方向、纬度方向和深度方向的相对误差为25 m、26 m和31 m。与CENC目录相比,HypoDD目录震源位置更加收敛,沿着地震序列的大致延展方向的剖面A-A′以及和其垂直的剖面B-B′显示,震源深度的精度有了很大的提高,主要分布在6～12 km范围内(图4);从西至东,余震序列的震中分布在101.4°E位置有一个明显的转弯,由原来的E-W向转为NW-SE向,该走向的变化与其附近的托莱山断裂和冷龙岭断裂的走向变化有很好的对应关系(图5)。

图4 CENC目录与HypoDD目录对比图Fig.4 Comparison map of CENC and HypoDD catalogue

图5 HypoDD目录中余震序列时空分布图(红色椭圆代表地震稀疏区，黑色虚线代表拟合断层[24])Fig.5 Spatio-temporal distribution map of aftershock sequences in the HypoDD catalogue (The red ellipse represents the location of seismic gap; the black dotted line represents the fault fitted from aftershock sequence[24])

根据重定位后的余震序列,采用文献[24]中的方法拟合E-W段和NW-SE段地震序列的断层面参数,对其进行定量分析。经计算,E-W段断层走向94°,倾向SW,倾角81°,与震源机制解的结果基本一致;NW-SE段断层走向130°,倾向SW,倾角73°。

2.2 地震检测结果

初始地震目录的双差重定位结果刻画出发震断层的整体几何结构,但主震发生后几小时内的微震事件更能直观给出断层破裂的时空变化特征,为此,我们进一步开展地震检测研究。在2022年门源MS6.9地震后的9天内,基于CENC目录的1 010个地震事件中筛选出606个地震模板,检测到了3 300个地震事件,是模板地震事件的5.4倍,是原始CENC目录中事件数量的3.0倍;基于重定位的404个模板地震,检测到了2 358个地震事件,是模板地震的5.8倍,是原始CENC目录的2.1倍。采用Wu等[25]的方式分析了地震目录的震级完备性(图7)。由于余震序列的震级-频度关系遵循Gutenberg-Richter定律,基于CENC目录和HypoDD目录进行地震检测,相比于原目录,ML震级完备性均从1.7降低至1.1。

匹配定位算法(Match and Locate)在检测大地震的余震序列方面有明显的优势[13],可以检测到淹没在噪声中的地震信号,相比于CENC目录,检测目录包含了更多余震序列的信息。但复杂的地质构造环境和地震监测环境增加了地震检测的难度,漏检和误检成为地震检测中常见的问题。验证地震检测结果是否可靠,可以通过检测目录相对于原始CENC目录的复原程度来说明。

在本研究中,基于震源区附近的9个台站的连续波形数据进行地震检测[图1(a)];在地震检测时,基于CENC目录的震相观测报告选取模板事件的震相波形,因此,我们首先对CENC目录中的地震事件的震级与其被9个台站中的多少个台站记录到的关系进行了统计[图6(a)],表明研究区内的台站分布和台站的几何形态基本上决定了该台网下所能检测到最小震级的地震事件;通过优化地震检测算法,可以进一步完善地震目录的震级完备性。

图6 地震事件的震级-台站数量关系图及不同台站数量下的地震事件数量分布图Fig.6 The magnitude-station number relationship map of earthquake events as well as the distribution map of the number of earthquake events with different number of stations

在本研究中,在重定位之前从CENC目录中选取台站数量不少于4、震级不小于1的地震事件占CENC目录的54%[图6(b)]。经过重定位后,HypoDD目录的地震数量仅为CENC目录的40%,但二者震级完备性均为1.7[图7(a)、(c)]。本研究认为,仅仅由3个及以下的台站记录到的地震事件受到环境影响较大,造成该震级范围内在地震编目时出现漏检现象,低于Gutenberg-Richter定律预估的该震级范围内的地震数量,从而出现CENC目录与HypoDD目录ML震级完备性一致的情况。

图7 不同地震目录中余震序列的统计学分析Fig.7 Statistical analysis of aftershock sequence in different catalogues

对于不同目录下的模板事件检测到的余震序列,匹配定位算法通过互相关计算提高了该研究区内的地震检测能力,将ML震级完备性从1.7降低至1.1,但是起决定性因素依旧是台站的分布情况等。两个检测目录的差异更多是由于CENC目录的模板事件(至少由3个台站记录到)中包含了该研究区内更多小震级的事件类型,并且与较大震级事件的波形特征存在差异性,从而检测到了更多小震级的地震事件。但通过对比原始CENC目录、基于CENC目录和基于HypoDD目录检测目录中的地震事件,原始CENC目录中有1 010个地震事件,基于CENC目录的检测目录中与原始CENC目录相对应的地震事件有899个,基于HypoDD目录的检测目录中与原始CENC目录相对应的地震事件有768个,但是漏检的地震事件均小于由2个及以下地震台站定位的地震事件[401个;图6(b)]。本研究认为,原始CENC目录中的地震事件没能全部检测出来,主要由于在模板事件选取的过程中,为了保证模板波形的质量,挑选波形质量较高的地震事件,而没有选择小震级的、由较少台站记录到的事件,从而造成模板地震事件未能涵盖本次余震序列所有类型的地震,造成地震事件的漏检现象。对于这种情况需要后期优化整个地震检测流程,在保证模板事件波形质量的同时兼顾模板事件类型的全面性。

根据HypoDD重定位后地震目录的震中分布特征,我们将其分为E-W段(托莱山断裂)和NW-SE段(冷龙岭断裂)。由于受主震之后长时间持续地震尾波的影响,使得小震级的地震事件淹没在噪声下,传统的定位方法难以进行编目。对于2022年门源MS6.9级地震的序列,主震发生1小时后,CENC目录中包含了24个地震事件,HypoDD重定位后剩余16个地震事件,提高震源位置精度的同时造成了地震序列的不完整性,而基于HypoDD目录检测后的地震事件有52个,很好地兼顾且优化了余震序列的时空分布性。检测结果表明,2022年门源MS6.9地震发生在E-W段,即托莱山断裂;主震后8分钟以内,余震分布在E-W段,且以主震为中心,主要向西侧迁移[图8(a),图9(b)、(d)];8分钟以后,在NW-SE段开始出现地震活动,地震活动存在向两侧迁移的趋势[图8(b),图9(b)、(d)];在此之后,E-W段和NW-SE段持续存在破裂[图9(b)、(d)]。基于HypoDD目录地震检测后余震序列沿E-W向和NW-SE向的迁移特征相比于检测前,对地震破裂的方向和速率均有着更好的约束;基于主震后1小时内的地震序列和拟合断层之间的空间位置关系,更好地验证了拟合断层参数的可靠性。

图8 基于HypoDD地震目录检测到的地震事件在不同时窗下的时空分布图(圆圈的颜色是距离主震发生的时间的对数)Fig.8 The spatial and temporal distribution of earthquake events detected based on the HypoDD catalogue under different time windows (The color of the circle is the logarithm of the time from the main shock)

3 讨论

祁连山造山带作为青藏高原东北缘的一个局部高原,正处于青藏高原东北缘向北扩展变形与欧亚大陆之间的汇聚区[26],也是青藏高原东北缘剧烈的侧向逃逸、强烈的南北向地壳缩短以及快速垂直向隆升这三种构造变形运动最为集中的地区[27],在这三种构造变形运动的作用下,在青藏高原东北缘形成了一系列断裂带,如祁连—海原断裂、天桥沟—黄羊川断裂、皇城—双塔断裂,这三条断裂在1920年海原8.5级地震和1927年古浪8.0级地震时发生了破裂[21,28],而祁连—海原活动断裂及其以西的冷龙岭—托莱山断裂历史上并没有大地震发生,也称“天祝空区”,前人研究表明在未来可能发生8.0级地震[29-30]。近年来,在冷龙岭断裂附近相继发生了1986年和2016年门源MS6.4地震[18,31],其中1986年门源MS6.4地震的发震断层是冷龙岭断裂,而2016年门源MS6.4的发震断层是冷龙岭北部次级断裂[2],这两个地震都是逆冲型地震且发震断裂未破裂到地表,与之不同的是,此次2022年门源MS6.9地震造成了约22 km的地表破裂带[1]。

2022年门源MS6.9地震及其余震序列位于托莱山—冷龙岭断裂以南,门源断陷盆地的北部地区。冷龙岭断裂和托莱山断裂的总体走向约300°,呈左阶斜列分布,门源MS6.9地震震源区位于托莱山—冷龙岭断裂走向由NW向转为近E-W向的位置。冷龙岭断裂走向的偏转与本研究中HypoDD目录的震中位置空间形态的延展方向从NW向E-W向偏转有很好的对应关系。

对于冷龙岭断裂的性质,早期活动以挤压逆冲为主,晚第四纪以左旋走滑为主,倾向SW,倾角较大;Q2以来的断裂平均滑动速率214～464 mm·a-1,Q3以来286～407 mm·a-1,Q4以来335～462 mm·a-1,Q4以来平均垂直滑动速率为0.38 mm·a-1,断裂活动以水平运动为主[28-29]。根据震源机制解和断层面拟合参数的结果,显示2022年门源MS6.9地震的发震断裂为左旋走滑断裂,走向近东西向,断层面近直立[图5(a)];在冷龙岭断裂NW-SE段,断层面拟合参数显示发震断裂的走向N40°W,倾向SW,倾角74°[图5(a)],该结果与文献[28]中冷龙岭断裂的近地表断层参数存在差异,本研究认为该差异主要由于冷龙岭断裂体系为花状构造,复杂的断层空间形态造成了深部与浅部构造的差异性(图8)。因此,本研究认为2022年门源MS6.9地震及其余震序列发生在冷龙岭—托莱山断裂上,地震的发生主要由于长期受到印度板块北东向的挤压作用,使得应力不断积累,最终断层应力失稳而形成。

另外,从本研究揭示余震序列的迁移方向可以看出,主震发生后,余震沿托莱山断裂向西侧扩展,8分钟以后,NW-SE向的冷龙岭断裂开始向两侧破裂,截至2022年1月16日,E-W段的W向破裂和NW-SE段的NE向破裂似乎还未停止;而E-W段的E向破裂和NW-SE段的NW向破裂在冷龙岭断裂转弯处相遇[图5(b)],形成了一个“地震稀疏带”,该区域可能与托莱山断裂和冷龙岭断裂左阶斜列形成的拉张环境有关,该处的地震危险性值得深入研究。

4 结论

2022年1月8日1点45分在青海省门源县发生了MS6.9地震,围绕该地震及其余震序列开展重定位及微震扫描研究,获得如下结果:

(1) 对2022年1月8—16日的CENC目录(1 010个)进行重定位获得的HypoDD目录(共404个),平均走时残差为27 ms,经度方向、纬度方向和深度方向的相对误差为25 m、26 m和31 m;

(2) 基于CENC目录和HypoDD目录对2022年1月1—16日的震源区附近9个台站的连续波形数据进行扫描,基于CENC目录识别的余震数目是原始CENC目录地震数量的3.0倍,基于HypoDD目录识别到的地震数目是HypoDD目录的5.8倍,原始CENC目录的2.1倍,两个目录下的地震检测都使得ML震级完备性从1.7级降低至1.1级;

(3) 根据地震序列的时空分布结合震源机制解确定2022年MS6.9地震及其余震序列发生在冷龙岭断裂和托莱山断裂上,主要由于印度板块北东向的长期挤压作用,应力不断积累,最终断层失稳引发的地震。