2022年门源地震序列揭示的断层几何形状及滑动特性.pdf
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1、第6 6 卷第7 期2023年7 月万永革,黄少华,王福昌等.2 0 2 3.2 0 2 2 年门源地震序列揭示的断层几何形状及滑动特性,地球物理学报,6 6(7):2 7 96-2 8 10,doi:10.6038/cjg2022Q0345.Wan Y G,Huang S H,Wang F C,et al.2023.Fault geometry and slip characteristics revealed by the 2022 Menyuanearthquake sequence.Chinese J.Geophys.(in Chinese),66(7):2796-2810,doi:1
2、0.6038/cjg2022Q0345.地球物理学报CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICSVol.66,No.7Jul.,20232022年门源地震序列揭示的断层几何形状及滑动特性万永革1,2.3,黄少华1,王福昌1,许英才4,余海琳11防灾科技学院,河北三河0 6 52 0 12河北省地震动力学重点实验室,河北三河0 6 52 0 13河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站,河北隆尧0 553504宁夏回族自治区地震局,银川7 50 0 0 1摘要2 0 2 2 年门源地震序列的发生为周围断裂特性研究提供了新的资料.为研究门源地震序列所在的冷龙岭断裂和托莱山断裂
3、形状,本研究首先搜集了2 0 2 2 年门源地震序列的地震观测资料,对地震事件进行双差精定位,获得了7 6 5个精定位地震事件,然后采用本研究改进的基于模糊聚类的断层面形状确定方法得到了冷龙岭断裂、托莱山断裂及北冷龙岭断裂的走向和倾角.为进一步研究这些断层的滑动性质,本研究搜集了发生在冷龙岭断裂和托莱山断裂及其邻区的中强地震震源机制,求解了该地区的走滑兼逆冲的构造应力场,区域应力场结果可以理解为青藏高原东北缘的东北向扩展所致.将求解得到的构造应力场投影到冷龙岭和托莱山断裂上,发现这两条断裂均表现为走滑兼逆冲的地质活动.另外2 0 2 2 年门源地震序列有少量事件发生在北冷龙岭断裂,为检验这些事
4、件是否为2 0 2 2 年门源地震破裂所触发,求解了2 0 2 2 年门源地震在北冷龙岭断裂上的库伦破裂应力变化,发现2 0 2 2 年门源地震促进了北冷龙岭上地震的产生.这些研究对认识该地区的断裂活动特性和地震动力学有一定意义.关键词双差重定位;模糊聚类;断层面估计;断层滑动特性;地震应力触发doi:10.6038/cjg2022Q0345WAN YongGel-2.3,HUANG ShaoHua,WANG FuChang,XU YingCait,YU HaiLin1 Institute of Disaster Prevention,Sanhe Hebei 065201,China2 Heb
5、ei Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Sanhe Hebei 065201,China3 Hebei Hongshan Thick Sediment and Earthquake Disaster National Field Scientific Observation and Research Station,LongyaoHebei055350,China4 Earthquake Agency of Ningria Hui Autonomous Region,Yinchuan 7500ol,ChinaAbstract The occurrenc
6、e of the 2022 Menyuan earthquake sequence provides new data for thestudy of the properties of the surrounding faults.In order to study the geometry of Lenglonglingand Tuolaishan fault where the Menyuan earthquake sequence is located,the seismic observationdata of 2022 Menyuan earthquake sequence is
7、collected,and the precise location of 765 seismic基金项目国家自然科学基金(42 17 40 7 4,416 7 40 55),中央高校科研业务费专项(ZY20215117),河北省地震科技星火计划(DZ20200827053)和河北省地震动力学重点实验室开放基金项目(FZ212105)共同资助.第一作者简介万永革,男,196 7 年生,研究员,主要从事构造应力场、地震应力触发等方面研究工作.E-mail:w a n y g 2 17 2 17 v ip.s in a.c o m中图分类号P315,P313Fault geometry and s
8、lip characteristics revealed bythe 2022 Menyuan earthquake sequence收稿日期2 0 2 2-0 5-16,2 0 2 2-11-0 7 收修定稿7期events is accurately determined.Then,the strike and dip angle of the Lenglongling,Tuolaishanand North Lenglongling faults are estimated by using the improved fuzzy clustering method.Inorder to
9、further study the slip properties of these faults,the focal mechanisms of moderate orstrong earthquakes near the Lenglongling,Tuolaishan faults and their adjacent areas arecollected,and the tectonic stress field in this area is determined,which shows a thrust and strike-slip stress pattern resulted
10、from the extension of the north-eastern margin of the Tibet-plateau.Projecting the determined tectonic stress field on the Lenglongling and Tuolaishan faults,it isfound that the geologic activity on the two faults shows strike-slip and thrust activity.Inaddition,a small number of events occurred in
11、the North Lenglongling fault in the 2022 Menyuanearthquake sequence.In order to test whether these events were triggered by the 2022 Menyuanearthquake rupture,the Coulomb failure stress change on the North Lenglongling fault caused bythe 2022 Menyuan earthquake was calculated,it is found that the Me
12、nyuan earthquake in 2022promoted the earthquakes occurrence on the North Lenglongling fault.These studies are ofsignificance for understanding the characteristics of fault activity and earthquake dynamics instudy region.Keywords Double difference relocation;Fuzzy clustering;Fault plane determination
13、;Slip property;0引言2022年1月8 日青海门源县发生Ms6.9地震,该地震孕育于祁连山一河西走廊活动断裂的托莱山断裂和冷龙岭断裂的交接部位.地质构造研究(La s s e r r e e t a l.,2 0 0 2;袁道阳等,2 0 0 4;郭鹏等,2017;G u o e t a l.,2 0 19)表明2 0 2 2 年门源地震序列所在断层为属于北祁连山活动断裂带分支的全新世活动断裂,主要呈现以左旋走滑特征为主且兼具逆冲的特征.早在1995年,Gaudemer等(1995)就提出冷龙岭、金强河、毛毛山、老虎山断裂所在区段是祁连一海原断裂带的一个地震空区(天祝地震空区),
14、具有发生Ms7.5大地震的可能,而198 6 年和2016年的门源地震的震级均小于Ms7.0,两次地震所释放的能量远远小于Gaudemer等(19 9 5)所预测的大地震.2 0 2 2 年该地再次发生Ms6.9地震,使得该地区引起广泛关注.2 0 2 2 年门源地震后的大量余震(许英才等,2 0 2 2)表明这两个断裂同时破裂.2 0 2 2年门源地震震后地表调查结果表明破裂带呈NWW-SEE走向,可分为南北两支(潘家伟等,2 0 2 2;李智敏等,2 0 2 2;梁宽等,2 0 2 2),北支主破裂带沿广义海原断裂带中段的冷龙岭断裂西段分布,长度18km,主体呈2 95走向,南支的次级破裂
15、分布在广义海原断裂带中西段的托莱山断裂东段局部段上,长约4km,呈2 7 5走向(盖海龙等,2 0 2 2);而韩帅等万永革等:2 0 2 2 年门源地震序列揭示的断层几何形状及滑动特性Seismic stress triggering2797(2 0 2 2)考察得到2 0 2 2 年门源地震包含了走向分别为北10 2 东、北10 9东和北118 东的西、中、东三段.而震后地表破裂调查没有给出深部断层倾向的信息.对于冷龙岭断裂和托莱山断裂的形状,前人存在不同的认识.对于冷龙岭断裂,何文贵等(2 0 0 0)给出总体走向N6070W,倾向NE,倾角50 6 0 郑文俊等(2 0 0 4)采用探
16、槽技术揭示2 0 2 2 年门源地震所在的冷龙岭断裂具有倾向北的断层构造,与何文贵等(2 0 0 0)得到的倾向有类似之处.而刘百麓等(1992)指出冷龙岭断裂的走向为2 95,倾向为2 0 5(南西向),倾角为52 对于冷龙岭断裂的分段研究,王永成和刘百麓(2 0 0 1)指出冷龙岭断裂的东段倾向NE,中段倾向SE,西段倾向北.胡朝忠等(2016)指出2 0 16 年的门源地震为冷龙岭北侧的一条南盘上升,北盘下降的北倾活动断层.对于托莱山断裂,王永成和刘百麓(2 0 0 1)给出的倾向是分段变化的.李振洪等(2 0 2 2)、Yang等(2 0 2 2)采用InSAR数据反演断层破裂时分别采
17、用了倾角为8 0 和8 2 的倾向南的多段断层组合的形状.总之对于2 0 2 2 年门源地震发生所处的冷龙岭断裂和托莱山断裂的形状,如断层的倾向、倾角等,还有很多争议.另外北冷龙岭断裂19 8 6 年和2 0 16 年发生了两次逆冲型的M6.4地震,与本次的走滑型地震相距仅有约10 km.这两个相距很近的地震,其构造是否有关系及它们之间的关系是什么?这是地学界比较关注的问题。2798确定断层结构的方法有多种:如果断层出露地表,可通过地质考察测量出露断层面的几何形状来推测地球深部断层形态(如Xuetal.,2 0 0 9),然而地表剥蚀、地面生物作用、雨水冲刷等外营力会导致断层地质调查的几何形状
18、的不确定性.如果是隐伏断层,则可以通过挖探槽等地质探测技术来测量(如张培震等,2 0 0 5;冉勇康等,2 0 18),但浅部破裂形态和深部断层可能有很大差异,如张先康等(2 0 0 2)通过深部地震反射发现16 7 9 年三河平谷大地震与浅部构造存在很大差别.万永革(2 0 2 2)采用震源机制节面聚类分析得到漾濞地震序列的断裂面形状,但这类方法必须有大量精确的震源机制解数据进行聚类统计才能得到.人工地震测深确定活动断层几何形态(如刘保金等,2 0 12)虽然有其独特优势,但深部地震剖面探测需要大量的人力物力,且地球物理反演多解性使得资料解释存在很多不确定性.在利用地震波资料反演断层剖面位置
19、和形状方面,Thurber等(2 0 0 6)采用大量地震观测资料发现了圣安德列斯断裂(SAF)的帕克菲尔德(Parkfield)段两盘鲜明的速度差别;Zhang等(2 0 0 9)采用广义Radon变换对加利福尼亚的SAFOD场地进行三维被动地震波形成像,得到了近乎垂直的反射面;Zhao等(2 0 10)采用断层首波资料对SAF的Parkfield段进行研究,发现了Middle Mountain北的SAF蠕滑段的波速降低了5%10%,提供了系列M6的Parkfield地震在此成核的解释;Bennington等(2 0 13)采用P波走时、断层首波等资料给出了与19 6 6 年和2 0 0 4
20、年两次Parkfield地震震源处的对比明显的速度差别,而低速几乎包含了2 0 0 4年的Parkfield地震破裂的峰值区;Li等(2 0 2 0)提出了背景噪声面波逆时偏移断层成像方法.Long等(2 0 19)采用双差层析成像方法得到地震破裂带的速度结构和地震精确位置,通过速度结构信息和地震精确位置综合得到断层面的走向.但通过地震波资料对速度进行成像需要密集精确的资料和先进的方法,即使观测资料特别密集,如加利福尼亚Parkfield地区,确定断层倾角方面还不尽如人意。目前随着地震台网的密集布设和地震定位技术(主事件定位和双差定位)的提高,地球科学工作者可以获得较多的精确地震位置资料,特别
21、是在对大地震之后的余震观测中.由于大地震破裂后的应力调整,大量余震发生在断层面附近,因此通过余震位置拟合断层面可以获得地震所发生断层的形状.万永革等(2 0 0 8)曾经给出了通过小震位置确定断层面地球物理学报(Chinese J.Geophys.)格、合理的选择。(2)得到属于某个断层面的震源点后,就可以采66卷的方法,这些研究是针对断层可拟合为一个平面的情况,然而地球经历复杂的地质动力活动,地震破裂的断层也通常是复杂的.为解决根据地震位置确定多条断层形状的问题,Ouillon等(2 0 0 8)提出了根据小震位置求解多条断层形态的方法,并用于Landers地震中,但该算法较为复杂,计算速度
22、较慢.王福昌等(2 0 12)引进了模糊聚类算法划分出属于某个断层的事件,给出了同时推测多个子断层面的统计方法,提高了计算速度和地震断层面精度.2022年的门源地震的大量余震数据为确定冷龙岭和托莱山断裂的形状提供了丰富的数据,本研究拟对2 0 2 2 年门源地震序列进行精确定位,针对门源地震序列的多个断层面破裂的问题采用模糊聚类方法对属于某个断层面的地震进行聚类的划分,并采用划分后的地震确定每个断层面形状.最后根据当地震源机制资料求得的应力场结果对门源地震的断层面特性进行滑动性质判定.1?求解断层面方法的改进大地震的破裂过程一般涉及多个断层的活动,通常发震断层并非是单一断层平面,而是由多个断层
23、平面组合而成.为采用大量地震位置确定活动断层网络三维空间结构,给出研究区域内所有子断层面的分布及其相应参数,本文按照以下策略确定断层面形状:(1)对属于某个断层面的地震进行归类分析,本文采用Gustafson和Kessel(1978)提出的改进模糊聚类分析方法,这种方法相较于传统模糊聚类方法(FCM)具有避免“类圆形”聚类、而采用归一化后的聚类半径的“椭圆形”分布的优点.由于“椭圆形”的地震分布更有利于找到沿断层走向的长半轴分布,因此更适合应用于采用地震位置分析断层面形状。关于该方法的详细描述参见Gustafson和Kessel(197 8),其中事件之间距离采用欧式距离计算.该方法需要给出聚
24、类个数和猜测的初始类中心,则给出每个震源点属于每个类的概率,然后逐次迭代类的中心位置和属于某个类的概率,直至归一化的属于某个类的所有震源点的距离之和最小.本研究采用属于某个类概率大于50%的震源点作为属于该类事件的标准,这是因为某个事件属于所有类的总概率为1,如果共有两类,则大于50%也是一个比较严7期用万永革等(2 0 0 8)的结合模拟退火法和高斯一牛顿迭代方法求解断层面形状了.然而万永革等(2 0 0 8)所采用的模拟退火算法确定初始断层面参数花费的时间相对较长.为了改进断层面形状初始值的确定,本研究采用这些地震震源点协方差矩阵的主成分分析方法,求解震源点分布空间的三个特征值和特征向量.
25、若协方差矩阵的最大特征值和最小特征值差别较大,则认为该类事件符合平面型分布,内部包含一个子断层面,由最小特征值对应的特征向量(对应于断层面厚度)决定走向角和倾角,其余两个特征值决定断层面的长和宽,结合数据中心可以确定近似矩形断层面的四个顶点.若最小特征值和其余两个差别不大,即数据服从球形分布,则认为震源点内部没有明显的断层面.王福昌等(2 0 12)将该方法用于南加州Landers地震部分余震精确定位数据中,得到的重建结果与已知的研究结果比较吻合,说明了方法的有效性。(3)然而根据地震震源点协方差矩阵的主成分分析方法得到的断层面的上下边界并不一定和地面平行,这跟地质上的断层概念有一定偏差.为了
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