强震增加中国青海地区地震危险性

最近的6.6级地震发生在青藏高原东北缘。研究发现这次地震增加了未来在附近发生大地震的可能性。
 

彭志刚(佐治亚理工学院地球与大气科学学院)

刘静(天津大学地球系统科学学院)

邓阳凡(中国科学院深地科学卓越中心)

 远田静次(日本东北大学国际灾害科学研究所)
 

引用:Peng, Z., Liu-Zeng, J., Deng, Y., Toda, S., 2022, Strong earthquake increases seismic hazard in Qinghai, China, Temblor, http://doi.org/10.32858/temblor.230
 

2022年1月7日在中国西部青海省发生了6.6级强地震(图1)。地震震中位于偏远的门源县,这是自 2021 年 5 月该省7.3 级玛多地震以来发生在中国的最大震级地震。门源地震周边地区普遍有感,并导致多条高铁线路临时停运。但由于该地区人烟稀少,仅有少量人员受伤和财产损失的报道。
 

图 1  青藏高原东北缘活动断裂与中国西北地区最近的6.6级门源地震的震源机制解。插图标识该地区在青藏高原的位置。HYF:海原断层;ATF:阿尔金断裂; KF:昆仑断裂;XHF:鲜水河断裂。来源:姚文倩
图 1 青藏高原东北缘活动断裂与中国西北地区最近的6.6级门源地震的震源机制解。插图标识该地区在青藏高原的位置。HYF:海原断层;ATF:阿尔金断裂; KF:昆仑断裂;XHF:鲜水河断裂。来源:姚文倩

构造环境

青藏高原是欧亚板块和印度板块长期持续碰撞挤压而形成。门源地震发生在青藏高原东北缘,区域内构造变形主要由阿尔金断裂、昆仑断裂、海原断裂等左旋走滑断层和多条逆冲断层系统共同承载(图1)。此次门源地震发生在海原断裂带西支的冷龙岭断裂段上。该区构造活动活跃,震中以东40公里范围内分别于1986年和2016发生两次5.9级地震(均为逆冲型,与本次走滑型地震不同)。和2016 年地震一样,这次地震同样在冷龙岭断裂带走向发生拐折所对应的走滑挤压区,但破裂似乎主要沿走滑断层向东西传播,在地面上产生了约 22 公里的地表破裂。在海原断裂带的东部,上世纪还发生了两次8级左右的地震(1920年海原地震和1927年古浪地震),造成重大财产损失和人员伤亡(图2)。1920 年的海原大地震还引发了大量的山体滑坡。夹在这些大地震之间的海原断层有一段 260 公里长的未破裂段。由于过去 1000 年都没有发生过大地震(Liu-Zeng et al., 2007),因此被称为“天祝”地震空区(Gaudemer et al. 1995),是未来可能发生大地震的危险地区。
 

图2 青藏高原东北缘活动构造图与近年发生地震的震中位置/震源机制解。蓝线为与先前大地震有关的地表破裂,红线为“天祝”地震空区。改自Deng et al. (2020)
图2 青藏高原东北缘活动构造图与近年发生地震的震中位置/震源机制解。蓝线为与先前大地震有关的地表破裂,红线为“天祝”地震空区。改自Deng et al. (2020)

主震破裂模式和强度

2022年M 6.6级主震的震源机制解以左旋走滑为主,与冷龙岭断裂的运动性质一致。长周期远震体波的有限断层反演表明,主震为双侧破裂,且以向东侧的破裂为主(图3),而短周期远震P波的反投影结果显示主震破裂主要为西北向延伸(图4),出现上述差异主要是由于所用技术方法和地震波频段的不同,因此结果可能反应不同类型的地震破裂方式,如长周期有限断层反演结果可能对产生大位移量的平滑破裂更加敏感,相比之下,短周期反投影结果更可能反映断层面上相对粗糙部位的破裂,这样的破裂可能产生较强的高频震动。近场强地面运动和烈度记录也显示加速度峰值区域主要分布在主震震中和偏西北方向,和反投影的结果类似。
 

图 3 2022 年6.6级门源主震基于远震 P 波的初步有限断层结果。改自王卫民提供的结果
图 3 2022 年6.6级门源主震基于远震 P 波的初步有限断层结果。改自王卫民提供的结果
图 4. 基于欧洲宽频带台站记录的远震 P 波反投影叠加的主震破裂传播结果。图中的每个时间点代表具有最大相关性的叠加时序(圆圈颜色)和幅度(圆圈大小)。红星和蓝星分别代表中国地震台网中心 (CENC) 和美国地质调查局 (USGS) 确定的 2022 年 M 6.6 青海门源地震震中。灰色圆圈表示主震后一天内发生的余震位置(来自中国地震局房立华博士)。红色线代表断层。 来源:王墩
图 4. 基于欧洲宽频带台站记录的远震 P 波反投影叠加的主震破裂传播结果。图中的每个时间点代表具有最大相关性的叠加时序(圆圈颜色)和幅度(圆圈大小)。红星和蓝星分别代表中国地震台网中心 (CENC) 和美国地质调查局 (USGS) 确定的 2022 年 M 6.6 青海门源地震震中。灰色圆圈表示主震后一天内发生的余震位置(来自中国地震局房立华博士)。红色线代表断层。 来源:王墩
图 5 2022年M 6.6 门源地震主震的近场峰值加速度图。改自马强提供的结果
图 5 2022年M 6.6 门源地震主震的近场峰值加速度图。改自马强提供的结果

余震和地表破裂

截至北京时间2022年1月13日上午10点,已发生余震五百多次(图6),最大余震矩震级为5.3级。精定位后的余震主要沿主震震中两侧约40公里分布。在震中西侧,余震位置反映出一条近东西向的断层,与托莱山断层(TLSF)近东西走向一致。在震中东侧,余震主要沿左旋走滑的冷龙岭断裂(LLLF)分布。2022 年 M 6.6 主震的余震与 2016 年 M 5.9 主震的余震之间似乎有几公里的间距。2016 年的地震事件是发生在北冷龙岭断层(NLLLF)上的逆冲事件(Liu et al., 2019),而不是左旋走滑的冷龙岭断层。

图 6. 2022年 M 6.6 和 2016年 M 5.9余震 精定位结果比较。2022年主震后余震位置由房立华提供。LLLF:冷龙岭断层;NLLLF:北冷龙岭断层;TLSF:托莱山断层。2016 年余震位置来自Liu et al. (2019)。来源:邓阳凡
图 6. 2022年 M 6.6 和 2016年 M 5.9余震 精定位结果比较。2022年主震后余震位置由房立华提供。LLLF:冷龙岭断层;NLLLF:北冷龙岭断层;TLSF:托莱山断层。2016 年余震位置来自Liu et al. (2019)。来源:邓阳凡

随后的野外地质调查发现了主震地表破裂(图 7),迄今为止发现的地表破裂总长度约22 公里,和早期余震条带的长度非常一致(图 8)。 图 7b 显示了隧道出口处变形的铁轨,该出口位于穿过隧道的破裂带以北约 500 米处(图 7c)。连接甘肃、青海和新疆三省的兰新高铁因为地震破坏而临时停运。 该隧道为量化断裂带破坏以及断层两侧弥散变形提供了绝佳的机会,同时对目前正在施工的穿过青藏高原多条活动断层的川藏铁路项目具有非常重要的借鉴意义。
 

图 7. (a) 2022年 M 6.6 地震地表破裂的现场照片。图片来源:青海省地震局。(b) 现场照片显示由断层的挤压或地表振动效应(而不是由左旋运动引起的地表破裂)造成的兰新高铁变形。图片来源:中国地震灾害防御中心高洁。(c) 进一步放大的照片显示受损的铁路和左旋走滑造成的地表破裂。 图片来源:门源地震科考队
图 7. (a) 2022年 M 6.6 地震地表破裂的现场照片。图片来源:青海省地震局。(b) 现场照片显示由断层的挤压或地表振动效应(而不是由左旋运动引起的地表破裂)造成的兰新高铁变形。图片来源:中国地震灾害防御中心高洁。(c) 进一步放大的照片显示受损的铁路和左旋走滑造成的地表破裂。 图片来源:门源地震科考队
图 8 早期余震(红点)和地震地表破裂分布图。黄色粗线为地震后第一天现场勘测得到的部分主震地表破裂。根据地震、地质和大地测量学观测结果推测的地表破裂由橙色线标记。来源:刘静
图 8 早期余震(红点)和地震地表破裂分布图。黄色粗线为地震后第一天现场勘测得到的部分主震地表破裂。根据地震、地质和大地测量学观测结果推测的地表破裂由橙色线标记。来源:刘静

库仑应力变化和地震危险性评估

由于两次事件间隔较近,我们探讨2016 年 M5.9 事件是否通过静态应力传递触发了 2022 年 M6.6 地震。如图 9 所示,2016 年 M 5.9 地震在 2022 年 M 6.6 主断裂面上加载了高达 0.4 bar(0.04 兆帕)的库仑压力。我们使用 Coulomb 3.3 软件 (Toda et al., 2011) 来计算库仑压力变化,有效摩擦系数定为 0.4。同时,我们还计算了由 2016 年和 2022 年两次地震事件一起在左侧断层和北西向逆冲断层上产生的库仑应力变化(图 10)。结果显示,这两次地震事件在附近的几条断层上均有明显的库仑压力加载,表明这些地区在未来有发生破坏性地震的可能性。特别是2022 年主震在托莱山断层(TLSF)以西和冷龙岭断层以东的未破裂部分有几个bar的库仑压力加载,而目前已发生的5级以上的大余震就主要分布在上述区域,表明这些地区的地震危险性相对较高。
 

图 9. 2016 年 M 5.9 地震引起的库仑应力变化加载到(a)与 2022 年M 6.6级地震发震断层方向平行的左旋走滑断层和(b)由王卫民博士提供的2022年M 6.6级地震有限断层模型上(图 3)。我们基于 USGS CMT 和 Wells and Coppersmith(1994) 的经验关系,为 2016 年地震建立了一个简单的北西逆冲均匀滑动断层模型。来源:远田静次
图 9. 2016 年 M 5.9 地震引起的库仑应力变化加载到(a)与 2022 年M 6.6级地震发震断层方向平行的左旋走滑断层和(b)由王卫民博士提供的2022年M 6.6级地震有限断层模型上(图 3)。我们基于 USGS CMT 和 Wells and Coppersmith(1994) 的经验关系,为 2016 年地震建立了一个简单的北西逆冲均匀滑动断层模型。来源:远田静次
图 10. 2016 年和 2022 年地震事件对 (a) 西北西走向的左旋断层和 (b) 北西走向的逆冲断层在 5-15 km 深度范围内施加的最大库仑应力。我们用王卫民提供的2022年地震有限断层模型(图 3)来计算该地震产生的库仑应力变化。来源:远田静次
图 10. 2016 年和 2022 年地震事件对 (a) 西北西走向的左旋断层和 (b) 北西走向的逆冲断层在 5-15 km 深度范围内施加的最大库仑应力。我们用王卫民提供的2022年地震有限断层模型(图 3)来计算该地震产生的库仑应力变化。来源:远田静次

本次地震发生在中国地震局标注的中国大陆 6 级以上高震级地震危险区(Xu 等,2017)。因此本次地震对中国从事中长短期预报的地震科学家们是一种鼓励。
 

致谢

我们感谢中国地震局地球物理研究所房立华博士、中国地质大学(武汉)王敦博士、中国科学院青藏高原研究所王卫民博士、中国地震局工程力学研究所马强博士、中国地震灾害防御中心高洁提供相应的初步研究成果和野外照片。我们还感谢天津大学的姚文倩博士帮忙制作图 1。
 

参考文献

Deng, Y., Peng, Z., & Liu-Zeng, J. (2020), Systematic search for repeating earthquakes along the Haiyuan fault system in Northeastern Tibet, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125(7), e2020JB019583, https://doi.org/10.1029/2020JB019583.

Gaudemer, Y., Tapponnier, P., Meyer, B., Peltzer, G., Shunmin, G., Zhitai, C., et al. (1995). Partitioning of crustal slip between linked, active faults in the eastern Qilian Shan, and evidence for a major seismic gap, the ‘Tianzhu gap’, on the western Haiyuan Fault, Gansu (China). Geophysical Journal International, 120(3), 599–645. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1995.tb01842.x

Liu, M., Li, H., Peng, Z., Ouyang, L., Ma, Y., Ma, J., Liang, Z., & Huang, Y. (2019), Spatial-temporal distribution of early aftershocks following the 2016 Ms 6.4 Menyuan, Qinghai, China Earthquake, Tectonophysics, 766, 469-479, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.06.022.

Liu-Zeng, J., Y. Klinger, X. Xu, C. Lasserre, G. Chen, W. Chen, P. Tapponnier, and B. Zhang, 2007. Millennial Recurrence of Large Earthquakes on the Haiyuan Fault near Songshan, Gansu Province, China, Bulletin of Seismological Society of America, 97 (1B): 14-34

Toda, S. R. S. Stein, V. Sevilgen, and J. Lin (2011) Coulomb 3.3 graphic-rich deformation and stress-change software for earthquake, tectonic, and volcano research and teaching —user guide: U.S. Geological Survey Open-File Report 2011–1060, 63 p., available at https://pubs.usgs.gov/of/2011/1060/.

Wells, D.L. and Coppersmith K.J. (1994), New Empirical Relationships among Magnitude, Rupture Length, Rupture width, Rupture Area, and Surface Displacement. Bulletin of the Seismological Society of America, 84, 974-1002.

徐锡伟, 吴熙彦, 于贵华, 谭锡斌, 李 康 (2017),中国大陆高震级地震危险区判定的 地震地质学标志及其应用, 地 震 地 质, 39(2), doi:10.3969/j.isn.0253-4967.2017.02.001.


来源:地震猫 (seismop)微信公众号
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