〔作者简介〕 易桂喜, 1964年生, 2009年在成都理工大学获博士学位, 研究员, 主要从事地震预报方法与壳幔速度结构反演等研究, E-mail:yigx64@163.com。
2016年9月23日, 在四川西部理塘县相继发生 M4.9和 M5.1地震, 震中位于青藏高原东缘川滇块体西北部金沙江断裂带与理塘断裂带所夹持的区域。 文中基于四川区域地震台网提供的震相报告和波形资料, 采用多阶段定位方法, 对理塘 M4.9和 M5.1主震及余震序列进行了重新定位。 同时, 利用CAP波形反演方法, 获得了这2个主震的震源机制解、 震源矩心深度与矩震级。根据重定位后的余震空间分布形态、 M4.9和 M5.1主震的震源机制解, 结合等震线形态及震中附近主要构造的展布, 分析认为, 近EW走向、 倾向N的哈嘎拉断裂带为理塘 M4.9和 M5.1地震的发震构造, 与该断裂带走向和倾向一致的节面Ⅰ为同震断层面, 断面倾角44°。理塘 M4.9和 M5.1地震可能是在西侧羌塘块体物质持续E向挤入作用下、 位于理塘-巴塘地区上地壳内的近EW向哈嘎拉断裂张性运动所致。
On 23 September 2016, two earthquakes with magnitude of M4.9 and M5.1 occurred successively near Litang city in Sichuan Province, southwestern China. These two events are located between two large-scale fault zones, i.e., the Jinshajiang and Litang faults, in the northwest of the Sichuan-Yuannan active block, eastern Tibetan plateau. Based on the phase data and waveform data from the Sichuan regional seismic network, the M4.9 and M5.0 mainshocks and 390 aftershocks have been relocated using the multi-step locating method, and the focal mechanism solutions and centroid depths for the two mainshocks were calculated by the CAP waveform inversion method. From the spatial distribution of the relocated aftershocks and fault plane solutions of the two mainshocks, combining with the seismic intensity map and tectonic setting, we suggested that the two earthquakes were generated by the E-W trending northward dipping Hagala fault. The nodal plane consistent with the strike and dip of the Hagala fault is interpreted as the coseismic rupture plane with a dip angle of 44° for both the M4.9 and M5.1 earthquakes. And we inferred that the M4.9 and M5.1 earthquakes may be resulted from the nearly E-W striking Hagala normal faulting in the upper crust between the Litang and Batang regions due to the continuous eastward extrusion of the material of the Qiangtang block in the west.
2016年9月23日0时47分, 在四川省甘孜藏族自治州理塘县发生M4.9地震, 0.5h后, 距其震中西北约3km处, 于1时23分再次发生M5.1地震。
四川省地震局根据震区震害调查和强震动观测记录, 给出了本次地震的等震线(烈度)分布, 等震线呈不规则椭圆状分布, 长轴近EW向, 最高烈度Ⅵ 度(图1)。
本次理塘M5.1地震是理塘-巴塘地区自1990年4月9日巴塘M5.0地震后时隔26a再次发生的1次5级以上地震。发震构造的辨识对判定区域后续地震趋势具有重要意义(易桂喜等, 2015, 2016a)。地震序列震源机制解及相对准确的余震空间分布是勾画断裂结构、 厘定发震构造、 了解震源区应力状态、 研究发震机理的主要依据(Waldhauser et al., 2000; Rubin, 2002; Hauksson et al., 2012; Xie et al., 2013, 2015)。理塘M4.9和M5.1地震发生在川滇块体西北部构造复杂且研究相对薄弱的高海拔地区, 地震监测台站稀疏, 针对上述特点, 本文利用Long等(2015)所发展的多阶段定位方法(multi-step locating method), 对本次理塘地震序列进行重新定位, 获取该区域的一维速度模型; 同时, 选用适用于稀疏台站的CAP(Cut and Paste)波形反演方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996), 计算M4.9和M5.1地震的震源机制解与震源矩心深度, 结合等震线分布及震源附近的构造展布, 初步分析理塘地震的发震构造。研究结果可作为进一步研究该区域地震发生机理和建立区域地球动力学模型的基础资料。
2016年9月23日理塘M4.9和M5.1地震(图2中红色圆)及其余震发生在青藏高原东缘由川滇块体西边界金沙江断裂带和块体内部理塘断裂带所夹持的区域(图2), 地处因印度板块与欧亚板块碰撞导致青藏高原物质E向挤出(Molnar et al., 1975; Tapponnier et al., 1982; Replumaz et al., 2003)的前缘地带。由于所处区域特殊的地球动力学环境, 区内构造变形强烈, 断裂极为发育。本次理塘地震震中附近主要活动断裂有近SN向的金沙江断裂带、 NE向的巴塘断裂带和NW向的理塘断裂带; 此外, 在理塘-巴塘地区还发育一系列以张性为主的近EW向断裂(四川省地震局, 1994; 周荣军等, 2005)。宽达30~50km的近SN向金沙江断裂带作为川滇块体西边界, 表现为近EW向的缩短, 年缩短速率在2~3mm/a; NE向巴塘断裂带沿巴塘县城-竹巴笼乡一线展布, 广义上该断裂被划归为金沙江断裂带的一部分, 横切断裂带中的SN向断裂, 呈右旋走滑性质, 水平滑动速率为1.3~2.5mm/a, 该断裂上曾发生1870年巴塘 7$\frac{1}{4}$级地震(周荣军等, 2005)(图2b), 震中距本次理塘地震约50km。左旋走滑的NW向理塘断裂位于本次理塘地震的东北侧, 由3条长50~65km的断层斜列组成(徐锡伟等, 2003, 2005), 横切了近SN向的赠科-硕曲断裂带和乡城断裂带, 水平滑动速率为4~5mm/a, 理塘断裂带SE段发生过1948年理塘7.3级地震, 震中距本次理塘地震约108km。近EW走向的哈嘎拉断裂带位于金沙江断裂带和理塘断裂带之间, 由多支近于平行的断层组成, 长约30km, 倾向N, 倾角约70° , 局部倾角45° ~50° (四川省地质局, 1980)。
理塘M4.9和M5.1地震震中所处川西高原理塘-巴塘地区的历史地震记载时间较短, 最早的历史地震记录始于1722年(国家地震局震害防御司, 1995, 1999)。空间上, 距离理塘地震最近的历史中强震为1989年巴塘强震群(图2b), 其中, 1989年5月3日巴塘M6.2地震距理塘M5.1地震约21km, 1989年5月1日巴塘M5.2余震距理塘M5.1地震约13km。理塘M4.9和M5.1地震及余震发生在巴塘强震群东侧、 哈嘎拉断裂带北侧。
本文定位所用震相报告来源于四川区域地震台网中心。理塘M4.9和M5.1地震及其余震发生在邻近川藏交界的四川西部, 地震监测能力相对较弱, 震中300km范围包括川、 滇、 藏区域台网在内仅有17个固定测震台(图3), 震中50km范围内仅有1个固定测震台, 即巴塘台(BTA), 震中距约50km。震后, 四川省地震局在震区增设了2个流动台(LT01和LT02, 图3中红色三角形), 分别位于主震震中的东西两侧, 震中距约25km, 并于9月25日正式运行, 极大地改善了余震监测与定位能力。
自2016年9月23日M4.9地震至2016年12月23日, 四川区域地震台网共记录到理塘地震序列ML≥ 0.0地震638个。 其中, M4.0以上地震2个, 即9月23日M4.9和M5.1, 序列最大地震与次大地震震级仅相差0.2, 因此, M4.9与M5.1均作为该序列的主震。选取序列中具有4个以上震中距250km以内台站记录的地震事件参与重新定位计算。
为了确定理塘地震的发震构造特征, 以赵珠等(1987)的四川西部地区速度模型为初始模型, 采用Long 等(2015)的多阶段定位方法(multi-step locating method)对序列进行重新定位, 并获取巴塘-理塘地区的一维速度模型用于震源机制计算。定位过程如下: 1)选取具有4个以上台站记录的地震事件震相报告, 基于初始速度模型, 利用HYPO2000(Klein, 1989) 对序列进行初定, 获取震源位置和台站方位角等信息; 2)挑选其中具有6个以上台站记录、 且方位角间隙< 150° 的地震事件震相报告, 采用VELEST(Kissling, 1988; Kissling et al., 1994, 1995)方法, 反演巴塘-理塘地区最小一维速度模型和台站校正; 3)将前一步反演得到的一维速度模型和台站校正代入HYPO2000, 进行重新定位; 4)采用10km的搜索半径, 对校正后的震源位置进行双差定位(Waldhauser et al., 2000), 获得最终定位结果。
VELEST方法反演区域速度模型对资料具有较高要求。理塘序列以ML3以下微震为主, 满足具有6个以上台站记录且方位角间隙< 150° 的地震较少, 为了获得更合理的速度模型, 在重新定位过程中, 加入了理塘地震震源区自2000年以来满足上述条件的历史地震参与反演, 获得了巴塘-理塘地区的一维速度模型(表1)。
基于多阶段定位, 最终获得了理塘地震序列中392个ML≥ 0.7地震的重新定位结果, 其平均定位误差为水平EW向0.4km、 SN向0.5km, 深度误差0.9km, 平均走时残差约0.10s。重新定位获得的M4.9主震震源参数为: 发震时刻2016-09-23, 00:47:13.04, 震中位置99.64° E、 30.06° N, 震源深度8.4km; M5.1主震震源参数为: 发震时刻2016-09-23, 01:23:12.13, 震中位置99.61° E, 30.08° N, 震源深度8.0km, 与M4.9地震震源深度差异很小; 9月26日最大余震M3.9地震的震源参数为: 发震时刻2016-9-26, 23:48:49.20, 震中位置99.61° E、 30.08° N, 震源深度6.9km。整个序列平均定位深度约8.0km, 与主震深度一致。
图4展示了重新定位后的理塘M4.9和M5.1及其余震的震中分布, 并用色标给出了震中随时间的变化, 图像显示, M4.9和M5.1主震分别发生在EW向哈嘎拉断裂带北侧的近SN向断裂(F3)南端和EW向断裂(F1)东段, 余震密集区主要分布在M5.1主震附近。可以看出, 早期余震(图4中深红色圆)展布范围较大, 但80d后的晚期余震(图4中蓝色圆)主要发生在M5.1主震附近。
图5分别给出了沿EW走向和SN走向的3个震源深度剖面, 剖面位置见图4中蓝色实线所示。自西向东的A-B剖面(图5a)宽度为剖面线两侧各5km; 自北向南的剖面C-D(图5b)和E-F(图5c)宽度相同, 均为剖面线两侧各2.5km。其中:
A-B剖面显示余震沿EW向展布约12km, 分布在1~18km深度范围, 但余震密集区EW向展布仅约10km, 主要集中在1~12km深度上, 震源深度> 12km的余震稀少。
C-D(图5b)和E-F(图5c)剖面显示余震沿SN向展布总长15~17km, 但余震密集区长度仅约8km。余震密集区分布形态与Ⅵ 度区等震线形态(图1)近似。此外, 由C-D剖面和E-F剖面可以清晰地看出, 发震断层面倾向N、 高倾角, 且两剖面图地震分布特征极为相似, 表明在震源区的发震断层面几何结构变化不大。
考虑到本次地震发生在测震台站稀疏区, 选用近年来广泛使用的CAP(Cut and Paste)波形反演方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996), 基于重新定位过程中获得的巴塘-理塘地区一维速度模型(表1), 选取四川、 云南和西藏3个区域地震台网中震中距在300km以内的固定台站(图3中蓝色三角形)的高信噪比宽频带波形资料, 同时反演计算理塘序列M4.9和M5.1主震的震源机制解、 震源矩心深度和矩震级。
CAP方法的基本原理是将地震波形记录分为体波Pnl与面波两部分, 分别对Pnl波、 面波进行带通滤波, 计算理论地震波形与观测波形之间的误差函数, 再通过网格搜索, 获取给定参数空间中误差函数达到最小的最佳解。 与求解震源机制的其他方法相比, CAP方法具有所需台站少、 反演结果对速度模型依赖性较小等优点(Tan et al., 2006; 郑勇等, 2009; 龙锋等, 2010; 易桂喜等, 2012, 2016b; 罗艳等, 2015), 保证了震源机制解的稳定性与可靠性; 此外, 该方法在波形反演过程中采用了深度震相以及体波与面波的相对强度进行深度约束(罗艳等, 2015), 可获得较准确的震源深度。
计算中, 体波与面波截取波形窗长分别设置为30s和60s, 相应的带通滤波频带宽度为0.05~0.2Hz和0.05~0.1Hz, 网格搜索步长5° , 深度步长0.5km。图6展示了M4.9和M5.1主震反演误差随深度的分布图, 误差最小的最佳拟合深度分别为7.5km和7km, 与重新定位结果基本一致, 同样反映了M4.9与M5.1主震之间的震源深度差异很小。图7给出了这2次地震在最佳拟合深度处的理论波形和实际波形拟合图, 参与拟合的波形各分量拟合相关系数均高于60%, 其中80%以上分量的拟合相关系数高于80%, 显示理论波形与实际波形具有较好的拟合关系。
表 2列出了理塘M4.9和M5.1主震的震源机制解。其中, M4.9主震的震源机制解节面Ⅰ 走向276° 、 倾角44° 、 滑动角-59° , 节面Ⅱ 走向56° 、 倾角53° 、 滑动角-116° , P轴仰角68° 、 方位267° ; M5.1主震震源机制解节面Ⅰ 走向260° 、 倾角44° 、 滑动角-104° , 节面Ⅱ 走向99° 、 倾角48° 、 滑动角-77° , P轴仰角80° 、 方位79° 。上述结果表明, M4.9主震为带有微小走滑分量的正断型, M5.1主震则为纯正断型, 节面走向均呈近EW向。 P轴方位呈NEE-SWW或近EW向, 与该区域EW向剪切波快波偏振方向(常利军等, 2008; 石玉涛等, 2013)及震源所处区域构造应力场近EW向主压应力方向(崔效锋等, 2006)相吻合。
理塘M4.9和M5.1地震发生在断裂极为发育的区域。基于本文重新定位后的理塘地震沿SN走向的震源深度剖面所展现的发震断层面N倾(图5b, c)的特征、 M4.9和M5.1地震震源机制解均为正断型且节面走向EW(表2, 图7)以及Ⅵ 度区等震线长轴近EW向(图1)的事实, 结合震源所处区域的构造展布, 初步分析认为, 位于本次理塘M4.9和M5.1地震南侧的近EW走向且断层面N倾的哈嘎拉断裂带为其发震构造, 与哈嘎拉断裂带倾向和走向一致的节面Ⅰ 为同震破裂面, 由此, 可判定理塘序列中M4.9主震属于带有小量左旋走滑分量的正断型地震。从2个主震节面Ⅰ 走向和倾角可以看出, 发震断层面走向差异较小, 倾角均为44° , 表明发震断层面几何结构较稳定, 与重新定位后的SN向地震震源深度剖面所展现的发震断层面特征一致。
为了分析本次理塘地震的发震构造特征和发震机理, 在表2和图2b中还给出了邻近的1989年巴塘震群5次M≥ 5.8地震的震源机制解(资料来源于Harvard CMT, http://www.globalcmt.org/)。可以看出, 尽管 1989年巴塘震群震中位于金沙江断裂带, 但其震源机制解均以正断分量为主, 节面走向呈近EW向(图2b中黑色沙滩球), 与本次理塘M4.9和M5.1地震震源机制解(图2b中红色沙滩球)极为相似。周荣军等(2005)基于巴塘震群余震长轴呈EW向、 震源机制解为近EW向正断层破裂等, 认为1989年巴塘震群实际发震构造为该地区近EW向正断层, 与我们给出的理塘地震发震构造具有相似性。
本次理塘地震与1989年巴塘地震均发生在青藏高原东缘金沙江断裂带及其附近(图2), GPS观测显示, 金沙江断裂带西侧的羌塘块体在印度板块的持续N向推挤作用下向E运动(Zhang et al., 2004; Yi et al., 2016)(图2a索引图中黑色箭头所示), 青藏高原物质E向挤出和重力滑塌造成川滇块体E移, 并在东侧相对稳定的华南地块阻挡下, 川滇块体沿鲜水河-小江断裂带由E转向S运动, 川滇块体内部次级块体呈顺时针转动(陈智梁等, 1998; 吕江宁等, 2003; 徐锡伟等, 2003; Gan et al., 2007; 程佳等, 2012)。GPS观测还显示, 巴塘-理塘一带呈现明显的张性运动(李煜航等, 2014)。巴塘-理塘地区东侧的理塘断裂带水平滑动速率高于西侧的金沙江断裂带和巴塘断裂带(周荣军等, 2005)。 我们认为, 羌塘块体持续E向挤入作用导致理塘-巴塘地区EW向挤压缩短以及川滇块体内部东西两侧向S滑移速率和运动方向存在差异, 可能是该地区EW向断层较为发育并呈现SN向拉张的重要原因。
已有研究显示, 川滇块体西北部巴塘-理塘地区上地壳速度高, 而中、 下地壳因青藏高原软弱物质的E向挤入呈现明显的低速分布(Bai et al., 2010; Huang, 2014; 范莉苹, 2015; 徐小明等, 2015), 上部高速、 下部低速的结构特征有利于中、 强地震的孕育(Zhang et al., 2010)。裴锡瑜(1985)基于航磁Δ T化极延拓分析结果, 认为巴塘-理塘区域近EW向的断裂仅局限于地下< 10km深度的上地壳内部, 与高原等(1998)利用波形反演获得的巴塘震群震源深度(表3)相吻合, 本文利用波形反演获得的理塘M4.9和M5.1地震7~7.5km的震源深度也支持上述观点。因此, 本次理塘M4.9和M5.1地震可能是在羌塘块体物质持续E向挤入作用下、 位于理塘-巴塘地区上地壳内的近EW向哈嘎拉断裂带发生张性运动所致。
本文利用2016年9月23日至12月23日四川及周边区域地震台网的观测资料, 利用多阶段定位方法, 对2016年9月23日理塘M4.9和M5.1地震序列进行了重新定位; 采用CAP波形反演方法, 计算了2个主震的震源机制解与震源矩心深度, 进而初步分析了本次理塘地震的发震构造。获得的主要结论有:
(1)重定位后的余震密集区展布在EW向长约10km、 SN向宽约8km、 深度1~12km的区域范围, 但80d后的余震主要发生在M5.1主震附近。沿SN走向的震源深度剖面显示发震断层面N倾。
(2)由CAP波形反演获得的M4.9主震的震源矩心深度为7.5km, 矩震级MW4.98, 震源机制解节面Ⅰ 走向276° 、 倾角44° 、 滑动角-59° , 节面Ⅱ 走向56° 、 倾角53° 、 滑动角-116° , P轴仰角68° 、 方位267° ; M5.1主震的矩心深度7km, 矩震级MW4.96, 震源机制解节面Ⅰ 走向260° 、 倾角44° 、 滑动角-104° , 节面Ⅱ 走向99° 、 倾角48° 、 滑动角-77° , P轴仰角80° 、 方位79° 。2个主震均为正断型。 P轴方位近EW向, 与震源所处区域构造应力场主压应力方向一致。
(3)基于余震空间展布、 主震震源机制解, 结合等震线分布形态和震源附近的构造展布, 初步分析认为: 近EW走向、 倾向N的哈嘎拉断裂带为本次理塘M4.9和M5.1地震的发震构造, 与该断裂走向和倾向一致的节面Ⅰ 为发震断层面, 断面倾角44° 。本次理塘地震可能是在羌塘块体物质持续E向挤入作用下, 位于理塘-巴塘地区上地壳内的近EW向哈嘎拉断裂带张性运动所致。
致谢 针对理塘地震序列发震构造, 作者与法国巴黎地球物理研究所Yann Klinger教授和Amaury Vallage博士进行了多次讨论, 并分别与中国地震局地震预测研究所高原研究员、 地质研究所张会平研究员、 闻学泽研究员就本次地震发震机理进行了交流, 受益匪浅; 中国地震局第二监测中心李煜航博士提供了GPS观测资料; CAP程序由美国圣路易斯大学的朱露培教授提供; 部分图件采用GMT软件绘制; 审稿专家提出了建设性的修改意见: 在此一并致谢。
The authors have declared that no competing interests exist.
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