基于余震重定位和震源机制解研究青海玛多MS7.4地震序列的发震构造和断裂形态

张建勇，王新，陈凌，刘杰

1 中国地震台网中心，北京 100045 2 岩石圈演化国家重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029 3 中国科学院地球与行星物理重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029 4 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049

0 引言

2021年5月22日02时04分(北京时间)，青海果洛州玛多县发生MS7.4地震(图1b).玛多MS7.4地震发生在巴颜喀拉块体内部江错断裂附近(王未来等，2021；潘家伟等，2021)，距离块体北边界东昆仑断裂带以南～70 km.印度—欧亚板块的碰撞使得位于青藏高原中部的巴颜喀拉块体和周缘地区构造变形强烈(Yin and Harrison, 2000)，不仅边界断裂持续变形，其内部也产生了复杂的断裂系统，使得巴颜喀拉块体成为中国大陆中强地震发生最为密集的区域之一(熊仁伟，2010；陈永顺等，2014；詹艳等，2021).此次发生在块体内部江错断裂附近的玛多MS7.4地震序列的震源性质和发震构造特征，对于开展巴颜喀拉块体内部强震孕育环境和发震机理等研究意义重大.

根据卫星观测结果及震后野外调研显示，玛多MS7.4主震产生了显著的地表破裂(潘家伟等，2021；杨君妍等，2021).地表同震形变资料显示，该断裂带整体呈N105°E走向，主震发生在断裂带中部附近，东西两端走向变化显著且有明显分叉现象(Zhang et al., 2021; http:∥geophy.pku.edu.cn/tpxw/353689.htm).震后野外地质考察表明，此次地震在海拔4200～4600 m的高原面上形成了一系列由张裂隙、剪切裂隙、挤压鼓包和裂陷等多类型破裂雁行状组合而成的复杂同震地表变形带(潘家伟等，2021).尽管卫星资料及震后野外地质调研给出了玛多MS7.4地震主震地表断层形态，但对于其深部发震构造约束较弱(Ragon et al., 2018).

地震定位和震源机制解可以提供地下断层几何形态和类型信息(Zhan et al., 2012；房立华等，2013, 2018; Wang et al., 2017, 2018; Wang and Zhan, 2020)，也是研究区域孕震构造、应力场的基础(郑勇等，2009).余震的震源性质对约束震源区复杂三维断层结构、理解地表破裂具有重要意义(房立华等，2014；Ross et al., 2019; Lin, 2020; Liu et al., 2020; Shelly, 2020).玛多MS7.4主震之后发生了大量的余震，震后25天内(截至6月16日)共记录到ML≥0的余震2161个(中国地震台网统一快报目录).然而，美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)目录和中国地震台网统一快报目录地震定位精度较低，如地震目录中这些地震的深度大多采用默认深度10 km.此外，已经获得的玛多MS7.4地震序列中余震的震源机制解非常有限，仅限于主震和个别强余震的震源机制解，从而阻碍我们进一步推断断层的结构.因此，亟须获得一个较为准确的余震定位及震源机制解目录，有助于更好的认识震源区的孕震构造，为进一步研究区域构造提供科学依据.

本研究收集了青海及邻省的国家固定台网宽频带台站记录到的2021年青海玛多MS7.4主震及余震的连续波形数据，对玛多地震序列进行重定位和震源机制解研究.最终获得了1794个地震序列的重定位结果，给出了132个地震序列矩张量解的分析，旨在提供一个更准确和全面的玛多震源区的震源机制解目录.基于获得的震源机制解目录来约束区域应力环境和地下断层几何形态，进而加深对断层相互作用、地震破裂过程以及区域构造的理解.

1 资料、方法及速度模型

本研究对2021年5月22日青海玛多MS7.4地震序列进行重定位并分析余震震源机制解.首先，基于震中附近的青海、四川、甘肃和西藏的国家固定台站记录的震相报告，采用双差定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000)对玛多地震序列进行重定位，从而获得更为精确的震源位置和深度.而后，利用裁剪-黏贴波形反演方法(Cut and Paste, CAP；Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996)和P波初动极性反演方法(Hardebeck and Shearer, 2002)反演玛多MS7.4地震序列的震源机制解.

本研究使用的波形数据来源于国家固定台网宽频带台站记录，具体包括青海、四川、西藏和甘肃四省的固定台站5月22日至6月16日的波形记录，选取震中距500 km范围内的66个台站记录，台站分布如图2a所示.本研究使用的初始地震目录来源于中国地震台网中心，从地震编目系统获得了玛多主震震后25天的统一快报目录，选取参与定位台站数量大于3台的所有震级的地震事件1868个，并收集其震相报告.

虽然双差定位方法可以消除一部分地壳速度模型精度不够引起的地震重定位误差，长周期CAP方法对地壳速度模型的依赖性也不强，但较准确的速度模型在一定程度上可以提高结果的准确性.为了尽可能地避免因地壳速度模型精度不够而引入的误差，本研究综合对比了前人获得的研究区速度模型(图2b)，包括：Huang等(2020)、Crust1.0模型(Laske et al., 2013)和PREM模型(Dziewonski and Anderson, 1981).相对于全球三维地壳模型Crust1.0模型和波速只随深度变化的平均地球模型PREM模型来说，Huang等(2020)使用背景噪声成像方法获得的研究区横波速度模型分辨率较高.最终我们选用了Huang等(2020)的区域平均一维速度模型作为本研究使用的地壳和上地幔顶部速度模型，80 km之下参考PREM模型(图2b).

为了获得更加精细的玛多地震序列震源分布，本研究采用HypoDD双差定位方法(Waldhauser and Ellsworth, 2000; Wang et al., 2018)进行重定位.考虑到玛多地区台站分布较稀疏，本研究设置地震事件最大邻居数为10，最小连接以及最小观测数为4，震源距小于15 km，事件与台站距离小于500 km来进行组地震对并重定位.最终，对1868个余震事件进行双差配对计算，获得1794个相对定位结果(图3和图5；电子附表1).

本研究基于CAP波形模拟和P波初动极性反演玛多地震序列震源机制解.在用CAP 方法反演时，我们允许理论波形窗口与观测波形窗口存在一定量的时间滑移，来补偿速度模型不准确及地震位置、震相标注不准确造成的误差.图2展示了发生在2021年5月24日22时15分MW4.6地震的波形反演结果，观测波形与理论波形之间的时移通常小于0.2 s，表明震源位置和发震时刻受到了很好的约束，也说明了速度模型选择较为合适.在反演过程中，我们还通过最小化波形拟合误差和最大化可拟合波形数量来寻找最佳震源深度(图2d).为了分析结果的不确定性，我们进行了Bootstrapping分析(Efron and Tibshirani, 1991).Bootstrapping结果显示，单个震源机制解反映的断层走向、倾向和倾角的不确定性均小于5°.

CAP方法在求解区域范围内中强地震的震源机制解方面具有较高的稳定性，但由于玛多震源区台站分布稀疏，使用该方法仅能获得震级稍大余震的震源机制解.为获得更多的中小余震震源机制解，本研究进一步使用P波初动极性反演方法.利用P波初动极性反演震源机制解时，可使用高频地震波信息，因而可以约束更多小地震的震源机制解(郭增建，1958；周仕勇等，2001；Hardebeck and Shearer, 2002；俞春泉等，2009).我们选取P波初动清晰的台站，利用地震编目系统获得的震相观测报告中给出的P波初动极性进行反演，计算所需的最小极性报告数量为8，最终获得132个地震的震源机制解(电子附表2).为了验证P波初动极性反演结果的准确性，我们选取相同余震的震源机制解进行对比.结果显示(图2e，电子附图A1)，两种方法获得的震源机制解基本相同，表明P波初动极性反演方法获得的震源机制解亦较为可靠.因此，本研究选取质量评级C类及C类以上(Hardebeck and Shearer, 2002)的中小地震震源机制解作为CAP方法的补充.为了保持结果的一致性，图3和电子附表2所显示的震源机制解结果均为基于P波初动极性方法得到的结果.

2 结果

2.1 玛多地震序列双差定位结果

通过开展玛多地震序列的双差定位，本研究最终获得了1794个地震事件的重定位结果(电子附表1)，结果显示(图3和图5)：玛多主震发生后，余震在主震震中两侧不断发生，表明此次破裂为双侧破裂.余震序列总破裂长度～170 km，主震位于破裂中心附近，主震西北侧余震较多，小震频发.余震数量在震后96 h内增长较快，之后增速逐渐放缓(图1a).

图3展示了重定位之后玛多地震序列的空间展布.从构造方面来看，余震主要分布在玛多—甘德断裂和达日断裂之间，大致沿江错断裂展布，在破裂东端与玛多—甘德断裂汇合.余震整体呈NWW向线性分布，其走向在主震震中两侧略有变化，余震最东侧呈现出分叉的“马尾状”.主震破裂东端可能受到玛多—甘德断裂的影响，余震分布方向略微发生变化，由NWW向转为近EW或NEE向.主震破裂西端余震分布出现分叉现象，在余震主方向的北部出现一个小的线性分支，震源深度较深，集中在18～20 km，可能是此次地震触发的分支断裂活动.在98.7°N附近，余震分布出现一处稀疏区，可能与主震应力释放或地下介质结构异常相关.玛多地震序列在震源深度上也呈现明显的分层现象(图4b)，大部分地震集中在10～12 km深度范围，6 km深度以上分布较少(考虑到玛多主震周围近台较少，地震重定位中深度小于5 km的结果可能约束稍差)，可能揭示了玛多MS7.4主震的同震形变主要集中在浅部，应力释放较为充分.

本研究获得的双差定位结果大致与王未来等(2021)的结果较为相近，但本研究使用了震后更长时间段的数据及不同的速度模型，获得的余震深度的展布形态略有不同，王未来等(2021)的结果中多数余震分布在8～13 km深度范围内，而我们的结果中余震震源深度更为集中，主要分布在10～12 km深度范围.

2.2 震源机制解

本研究采用CAP波形反演方法和P波初动极性反演方法共得到玛多震源区的132个余震震源机制解(电子附表2).相比于美国Harvard大学(Global CMT catalog)和USGS只给出了主震的震源机制解，一个更完整、更全面的震源区地震震源机制解目录对理解主震破裂断层几何形态、区域应力场有重要意义.

根据Frohlich(1992)的震源机制判别标准，本研究获得的震源机制解中，～82%的事件为走滑型地震或倾滑型地震，～15%为逆断型地震，主要分布在断裂带东段，其余～3%为正断型地震(图3).总体来说，整个断裂带以走滑型地震为主.中国地震台网中心、USGS以及GCMT给出的玛多MS7.4主震的震源机制解为左旋走滑型，本研究获得的大部分余震的震源机制解与主震相似.图3显示，研究区从断裂带西北端到东南端都有走滑型地震分布，在断裂带东段存在部分逆冲型余震.

图3 玛多地震序列重定位和震源机制解结果图中黄色五角星代表此次玛多主震震中位置，彩色圆圈代表玛多主震后25天的余震序列重定位结果.彩色震源机制球为此次玛多地震序列质量评级为B类以上的震源机制解，颜色代表震源深度.灰色的震源机制球为2021玛多主震发生前历史地震的震源机制解.左上角为区域应力反演结果；左下角为震源机制分类统计图(Frohlich, 1992)，统计表明大部分余震的机制解为走滑型地震；右上角为中国地震台网中心、USGS以及全球矩心矩张量(Globe Centroid Moment Tensor, GCMT)给出的玛多MS7.4主震的震源机制解.红色实线是基于InSAR数据得到的地表破裂形态(Zhang et al., 2021; http:∥geophy.pku.edu.cn/tpxw/353689.htm).Fig.3 Aftershock relocations and focal mechanism solutions of the Madoi earthquake sequenceThe yellow star represents the Madoi MS7.4 mainshock epicenter location. Color dots represent the relocated aftershocks of the 2021 Madoi sequence for the first 25 days after the mainshock. Earthquake focal mechanisms obtained in this study which with quality ratings are above class B, are shown as beach balls, colored by focal depths. The gray beach balls are the focal mechanism solutions of the historical earthquakes before the 2021 Madoi earthquake. The upper-left corner shows the results of regional stress inversion. The triangle diagram (Frohlich, 1992) in the lower-left corner shows that the aftershocks are dominated by strike-slip events. The upper-right corner shows the focal mechanism solutions of Madoi MS7.4 mainshock provided by China Earthquake Networks Center, USGS, and GCMT, respectively. The red lines show the surface ruptures based on InSAR imaging (Zhang et al., 2021; http:∥geophy.pku.edu.cn/tpxw/353689.htm).

3 讨论

3.1 发震断层几何形态

约束地下断层几何结构是震源研究中最基本、也是最具挑战性的问题.余震的位置和震源机制可以提供地下断层几何形态和断层类型的重要信息，对了解主震的破裂起始、传播、终止以及区域构造具有重要意义.在本节中，我们将研究区域划分为四个子区域(断裂带东西两端为东段和西段，中部以主震震中为界划分为中西段和中东段)，讨论2021年玛多地震序列的发震断层结构.

玛多地震断裂带的中部，是玛多主震破裂开始的位置，震中处断裂带的性质和几何形态对于理解玛多主震的破裂过程至关重要.根据观测到的地表破裂和卫星图像，主震震中附近地表破裂大体沿NWW向呈近线性分布，而余震存在明显的走向变化，主震震中西侧走向约为N105°E，东侧走向约为N110°E(图3).此外，在主震震中附近，地表破裂相对于地震活动明显南向偏移约1 km(图3).这种偏移现象可能是受到断层形态变化的影响，也可能与断裂两侧及沿断层走向的速度结构的差异有关(如, Zhao et al., 2010; Agostinetti et al., 2020; Chen et al., 2020).考虑到速度模型对于相对定位结果的影响有限，所以我们更倾向于这种偏移是断层形态变化造成的，表明主震震中附近可能存在倾斜构造.

为了进一步精细刻画发震断层形态变化、了解发震断层的倾向变化，本研究依据地震分布特征对余震分布条带进行纵向切片框选，从西至东依次给出12个剖面(图4)，其中第七剖面对应主震震中附近.剖面结果显示，主震震中处断裂带近垂直，而主震震中东西两侧断裂带呈现出不同的倾向：其西侧的断裂带呈明显的NE倾向，东侧的断裂带则呈SW倾向.这一点与王未来等(2021)的结果略有不同，他们的结果中紧邻主震震中西侧的剖面显示断裂带倾向已经与主震震中处断裂带倾向相同.图3显示，我们的结果与地表破裂(InSAR观测资料)有着更好的对应关系.因此，玛多主震破裂起始于断裂带走向变化剧烈和倾向变化的位置，表明断裂带的几何复杂性可能引起局部应力集中，导致此次玛多MS7.4地震的初始破裂.

断裂带的东、西段，余震走向不同，但都出现分叉现象.东段断裂带倾向略微偏SW，西段主断裂带近垂直.主震破裂结束的两端(东西两段)都有“马尾状”构造(或次级断层)，而这种分叉断层复杂的几何形态可能控制着主震破裂的最终位置(王未来等，2021；潘家伟等，2021).

重定位结果(图3)和矩心深度反演结果(图4b；电子附表1、2和3)显示，余震深度主要集中在10～12 km，而在更浅部余震较少，表明MS7.4主震的同震形变主要集中在浅部，与观测到的明显的地表破裂一致.因此，余震深度分布所勾勒的可能是主震同震破裂的下边界(图4b).断裂带东段和西段走向发生变化，呈“马尾状”，余震深度分布起伏程度较小；断裂带中段整体呈NWW向，中西段余震深度略有起伏，而中东段大量余震集中在紧临主震震中的东侧，在中东段和东段交界处出现明显的余震稀疏区.该处断裂带下方可能存在明显的地下介质速度异常体(如低速体、高导体等；詹艳等，2021).

3.2 震源区应力状态

为了寻找区域应力可能的时空变化，本研究进一步分析了主震前和主震后的一些地震的震源机制解.根据台网中心统一快报统计显示，从2007年至此次玛多主震发生之前，总共记录到研究区发生ML≥0地震209次，且震级均较小，其中MS≥4的地震总共只有3次记录.同样，本研究采用相同的方法获得了这三次地震的震源机制解(电子附表3).如图3中灰色的震源机制球所示，主震前研究区附近发生的地震同样是以走滑型为主，与此次主震的应力场方向相近，表明整体而言此次玛多地震没有发生明显的应力旋转.

图5 玛多地震序列重定位结果的三维展示图中红色圆点和黄色圆点分别表示靠近主震震中东西两侧的余震震中分布，绿色圆点表示距离主震震中较远的余震震中分布.黑色五角星代表此次玛多主震震中位置, 黄色五角星为其在地表的投影.黑色实线表示研究区断裂分布，红色实线表示此次玛多地震发生的主断裂——江错断裂(潘家伟等，2021).Fig.5 Relocation results of the Madoi earthquake sequence in 3-D viewThe red dots and yellow dots indicate the aftershock located to the east and west of the main earthquake epicenter, while the green dots indicate the aftershock located further away from the main earthquake epicenter.The black star represents the Madoi mainshock hypocenter location, the yellow star shows the epicenter location at surface. Black lines represent the faults of the study area. The red lines show the Jiangcuo fault, which is the main seismogenic fault of the Madoi earthquake (Pan et al., 2021).

3.3 发震断层与机理

根据地震重定位(图5)和震源机制解研究并结合该区域地震地质研究成果，2021年青海玛多MS7.4地震是沿江错断裂发生的具有左旋走滑特征的强地震事件，是巴颜喀拉块体内部主要断裂活动的结果.江错断裂位于巴颜喀拉块体北边界东昆仑断裂带以南～70 km，前人研究表明，东昆仑断裂带从西向东的滑动速率逐渐减小(Kirby et al., 2007; 李陈侠等，2011；李煜航等，2015)，且断层性质从西向东由走滑型为主逐渐转变为以逆冲型为主，表明巴颜喀拉块体内部存在较强的内部变形，内部断裂可能逐级分担东昆仑断裂带东向的滑移量.此次玛多地震的发生，可能是东北向挤压的青藏高原遇到四川盆地、华北地块等坚硬块体的阻挡，使得板块内部形成与板块边界相似的断裂从而发生强震活动.玛多地震发生在江错断裂中部位置，可能是由于该处为断裂复杂区，走向变化剧烈，断层倾向也发生变化，应力最为集中，从而引起玛多主震的初始破裂.

4 结论

本研究对2021年青海玛多MS7.4地震序列进行双差定位和基于CAP波形反演、P波初动极性反演的震源机制解研究，获得了1794个余震的震源参数以及132个余震的震源机制解.

(1)重定位结果显示，玛多地震序列总长度～170 km，整体沿江错断裂呈NWW向线性分布，主震大致位于断裂中间位置，两端断裂带弯曲且出现余震分叉现象.余震主要集中在10～12 km深度范围，浅部余震较少，可能是主震破裂过程释放能量较充分.主震东侧有一处余震稀疏段.

(2)震源机制解结果显示，玛多主震为左旋走滑型地震，断裂带西段和中段以走滑型余震为主，东段仍以走滑型为主，但逆冲型余震数量增多.基于震源机制解反演得到的区域主应力方向约N60°E，与区内整体走滑断裂作用相一致.研究区历史地震与此次主震的震源机制解相近，表明此次主震没有发生明显的应力旋转.

(3)根据重定位与震源机制解的结果共同约束断裂带形态，断裂带整体呈弧形，倾角较陡，下边界大部分处于10～12 km深度范围略有起伏，但在余震稀疏区起伏剧烈，可能与主震应力释放或地下介质结构异常相关.主震震中西侧断裂带倾向东北，其东侧断裂带倾向西南，玛多主震破裂起始于断裂带走向变化剧烈和倾向变化的位置，表明断裂带的几何复杂性可能是此次玛多MS7.4地震初始破裂的主要原因.主震破裂结束的两端(东西两段)都有“马尾状”构造(或次级断层)，表明这种分叉断层复杂的几何形态可能控制着主震破裂的最终位置.

致谢中国地震台网中心提供连续波形数据和震相报告，评审专家严谨和建设性的建议, 以及中国地震台网中心孙丽、梁建宏、邓文泽等人的帮助, 都为本文提供了支持, 在此一并致谢.