地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (8): 1778-1783   PDF    
以震源机制类型划分汶川、玉树地震构造块体归属
刁桂苓1 , 王晓山1 , 高国英2 , 聂晓红2 , 冯向东1     
1. 河北省地震局, 石家庄 050021;
2. 新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011
摘要: 2001年11月14日昆仑山口7.8级地震、2008年3月21日于田7.1级和5月12日的汶川7.9级地震, 全部发生在青藏高原中部, 构成新的地震活动组.昆仑山口和汶川地震分别位于巴颜喀拉活动地块的北部和东部边界, 于田地震发生在该地块的西端.GPS的观测资料分析表明该块体整体向东运动.发生在块体不同部位的昆仑山口、于田和汶川3次大地震震源机制类型体现了巴颜喀拉块体活动力学的一致性.汶川主震和强余震发生之前, 出现于田序列余震的强度和频度显著增高, 进一步证实同一活动地块地震之间的内在联系.2010年4月14日玉树发生6.9级地震, 连同1996年11月19日的喀喇昆仑山口6.9级地震和1997年11月18日玛尼7.5级地震, 都发生在巴颜喀拉活动地块的南部边界上, 震源机制表现为一致的左旋走向滑动, 证实它们属于羌塘块体向东运动的结果.事实表明活动块体具有整体运动的性质, 而整体运动也是两组各自3次大地震成组活动的原因.
关键词: 汶川地震      玉树地震      震源机制      构造块体归属      成组活动      块体整体活动     
Tectonic block attribution of Wenchuan and Yushu earthquakes distinguished by focal mechanism type
DIAO Gui-Ling1, WANG Xiao-Shan1, GAO Guo-Ying2, NIE Xiao-Hong2, FENG Xiang-Dong1     
1. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;
2. Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
Abstract: The November 14, 2001 Mw7.8 Kunlun Mountain Pass earthquake, the March 21, 2008 Mw7.1 Yutian earthquake and the May 12, 2008 Mw7.9 Wenchuan earthquake all occurred in the middle of Tibet Plateau and formed a new seismicity group. The epicenter of Kunlun Mountain Pass Earthquake and Wenchuan Earthquake was located at the northern and eastern boundary of Bayankala Block respectively and the Yutian earthquake on the western end of it. GPS observational data indicate that this block moves to east. The rupture characteristics of the three large earthquakes in different parts of the block suggest the mechanical consistency of the Bayankala block motion. The intensity and frequency of Yutian aftershocks significantly increased before the main shock and the stronger aftershock of Wenchuan earthquake, which proves that there is an internal relation between the three large earthquakes. The April 14, 2010 Mw6.9 Yushu earthquake, the November 19, 1996 Mw6.9 Karakorum mountain earthquake and the November 18, 1997 Mw7.5 Mani earthquake all occurred on the southern boundary of Bayankala block, and their focal mechanisms are consistently left-lateral strike slip, which were caused by the eastward motion of Qiangtang block and formed a new strong earthquake group. The results show that the block has the character of rigid body motion which is the common origin of the two large earthquake groups..
Key words: Wenchuan earthquake      Yushu earthquake      Focal mechanism      Tectonic block attribution      Group activity      Rigid body motion     
1 引言

华北地区自公元前780年至1978年发生的6级以上地震存在时间相近、地点集中、成组发生的现象,成组地震占全部地震的比例达到73%[1].同样,中国大陆西部自公元前193年至1991年的7级以上地震,以成组活动的概率也达到70%[2].青藏高原的变形和构造活动是当今地学研究的热点之一,大地震则是构造最新活动的表现.自2001年11月14日昆仑山口7.8级地震起,2008年3月21日于田7.1级和5月12日的汶川7.9级地震,全部发生在青藏高原中部.根据中国大陆形成于晚新生代、晚第四纪至现今强烈活动的构造带所分割和围限、具有相对统一运动的地质单元划分出活动地块[3],青藏高原是一级活动地块,进一步将青藏高原由南向北分别划分为6个二级活动地块:喜玛拉雅、拉萨、羌塘、巴颜喀拉、柴达木和祁连.昆仑山口地震和汶川地震都位于巴颜喀拉活动地块的边界上,于田地震发生在该地块的西端,构成一个强震成组活动.2010年4月14日玉树发生6.9级地震,连同1996年11月19日的喀喇昆仑山口6.9级地震和1997年11月18日玛尼7.5级地震,都发生在巴颜喀拉活动地块的南部边界上,也形成一个强震成组活动.因此许多人认为这些都属于巴颜喀拉地块的活动.但是后一组强震活动从破裂类型上看都是左旋走向滑动,与巴颜喀拉块体向东的运动方式矛盾.本文将从震源机制解的类型出发,探讨这两组强震活动的构造块体归属,进而分析这两组强震活动的动力学成因.

2 震源机制类型分析

2001年11月14日昆仑山口7.8级地震的野外考察发现[4]:地震地表破裂带沿N100°±10°E走向线性展布,全长约426km.显示出纯剪切走滑的破裂特征,最大左旋水平位移7.6m.和哈佛大学CMT解近EW向的直立节面纯左旋走滑的运动方式一致(图 1).2008年3月21日于田7.1级地震的CMT解是正断层错动,根据Ms≥4.0余震震中分布区长轴呈NE方向,判断西倾的NE向节面是断层面[5],断层的NW盘下降(图 1).汶川地震形成了长达300km的破裂带,其中240km出露地表,破裂带具有逆冲抬升和右旋走滑双重属性,最大垂直错距和右旋水平错距分别达到6.2m和4.9m[6, 7].破裂显示NW盘仰冲至地表,CMT解也是逆断层错动(图 1).玉树、喀喇昆仑山口和玛尼地震都位于巴颜喀拉地块的南部边界上,但是它们的破裂类型都是左旋走向滑动,与该块体向东的运动方式矛盾.

图 1 近年青藏高原6次强震分布及其错动类型.红色实心圆为震中, 黄色线为一级活动块体边界, 蓝色线为二级活动块体边界, 箭头表示巴颜喀拉块体相对于柴达木块体的运动方向 Fig. 1 Epicenter location and fault type of six strong earthquakes in Tibetan Plateau in the recent years.Red solid circle is epicenter location; yellow line is the first active block boundary; blue line is the second active block boundary; the vector shows the block motion direction of Bayankala block relative to the Qaidam block

汶川地震发生时于田震区仍然有余震活动,根据新疆维吾尔族自治区地震局编制的于田序列目录,取ML2.0级以上地震做震级-时间分布和日频次图(图 2).图 2下方是于田序列地震日频次N,总体看衰减比较快,但在5月份有3次起伏(柱状图填黑);图 2上方将5月10日至30日的资料放大,黑色箭头标示汶川主震和强余震发生的时间,资料取自美国地质调查局(www.usgs.gov[2010-04]),震级Mw≥5.8,并附上哈佛大学CMT解.汶川地震当天余震比较多,为清楚起见只标注主震CMT解.从图中可以看出,5月12日14时28分汶川地震之前,于田序列的余震强度和频度有增高趋势,尤其在18日Mw5.8强余震前24h,于田震区的余震活动频度和强度在快速衰减的背景下出现显著增强.此外,25日的强余震之前重复出现类似现象,但不如前面两次起伏显著,时间间隔也比前两次稍长,可能与震源机制类型有关,前面两次震源机制类型为逆冲,25日地震震源机制类型为走滑.汶川主震和强余震发生前于田震区地震频度强度显著增强不是偶然的巧合,系内在的力学因素所致,表明巴颜喀拉块体存在整体的向东运动,并且是西部显示在先,东部响应在后,可以从2个地震序列中体现出来.

图 2 于田地震序列的日频次和震级-时间分布.箭头标示汶川主震和强余震发生的时间 Fig. 2 Magnitude-time distribution and day frequency of the Yutian earthquake sequence, arrowhead show the occurrence time of the mainshock and strong aftershocks in Wenchuan earthquake sequence in May 2008 75°E

从1976年以来于田震区哈佛矩张量解可以看出(图 3),发生在该地震周围的震源机制以正断层机制为主,走滑断层机制的地震也伴有正断分量.万永革等[8]对于田地震正断层机制的构造解释认为,沿着阿尔金断裂的左旋走滑速率较大,喀喇昆仑断裂右旋走滑的速率较小,且沿北北西方向,两个运动方向合成使得贡嘎错断裂呈现为左旋张扭的运动模式,与喀喇昆仑右旋走滑断裂模式形成对比,致使该地震震源区域呈现东西向拉张的应力状态.王琼等[9]对于田地震前区域地震活动和应力状态进行分析,发现在于田7.3级地震前新疆和于田震区及其附近具有正断层性质的中等地震增多,区域应力场和震源区及其附近局部应力场的应力状态发生了一定程度的改变,拉张作用力相对挤压作用力有所加强.特别是在2007年11月至2008年3月20日于田7.3级地震前,新疆23次3级以上地震中走滑型地震占13次(8次具有拉张分量);逆断型地震1次;正断型地震9次,拉张断错性质的地震明显增多.同时于田地震前组成密集条带和孕震空区的3.5级以上地震中近半数具有拉张分量,也在一定程度表明了于田7.3级地震前震源区应力场受张应力作用有所加强.2001年昆仑山口地震EW向的左旋走滑运动,位于巴颜喀拉活动块体中部北缘的南盘向东,使得巴颜喀拉块体西端受到拉张作用,该地区的应力场主要以拉张为主,也是发生于田正断层地震的原因之一.于田余震的震源机制解主要以正断层类型为主,表明拉张作用一直持续,巴颜喀拉块体的东向运动最终在块体的东边界发生了汶川逆冲型地震.

图 3 于田震区1976年以来的震源机制解.图上方为2001年昆仑山口地震以前震源机制, 下面为于田序列的震源机制 Fig. 3 Focal mechanisms in Yutian hypocenter region since 1976.Up are the focal mechanisms before the 2001 Kunlun Mountain mass earthquake.Down are the focal mechanisms of the Yutian earthquake sequences in 2008

取青藏地块1900年以来6级以上地震的矩张量解投影于图 4[10, 11].总体来看,逆冲类型地震都发生在青藏地块边界地带,如北部的柴达木和南部的喜玛拉雅块体,以及巴颜喀拉块体的东端.正断层发生在各个块体的内部(巴颜喀拉、羌塘、拉萨、川滇).走滑类型地震多数分布在块体的边界带上,如柴达木和巴颜喀拉块体之间、巴颜喀拉和羌塘块体之间、巴颜喀拉和川滇块体之间(鲜水河)

图 4 青藏块体矩张量最佳双力偶解投影(红色-逆冲、蓝色-正断、黑色-走滑) Fig. 4 The projection of the best double-couple solution of the moment tensor in Qinghai-Tibet block.Focal mechanism type is distinguished by color: red is thrust type, blue is normal fault type and black is strike slip type, respectively

根据矩张量解的应力轴空间取向可以得出以下结论:青藏地块受印度板块向NNE向的推挤,其中各个块体表现并不一致.柴达木显示向NE方向推挤;巴颜喀拉向东运动,西部呈EW向拉张,东部SEE向推挤,北部边界带左旋走滑;羌塘北部左旋走滑,中部SEE向拉张,呈向东运动;拉萨EW向拉张;喜马拉雅NNE向推挤.川滇东北边界(鲜水河)左旋走滑,北部SSE向拉张,总体呈SSE向运动.

3 结论与讨论

昆仑山口7.8级地震是EW向构造产生左旋走向滑动,位于巴颜喀拉活动块体中部北缘的南盘向东,使得块体的西部受拉张,东部受挤压,因而先后产生在块体西部于田地震的正断层错动和块体东端的汶川地震逆冲断层错动.同样位于羌塘块体北边界的喀喇昆仑山口、玛尼、玉树3次强震表现为一致的左旋走向滑动.包括汶川、玉树在内近期发生的6次强震,虽然都发生在巴颜喀拉块体边界,分析它们的破裂性质应当分别归属于2个活动块体(巴颜喀拉、羌塘),都表现为向东运动.

两组强震,每组的3个地震同在活动地块的边界相继发生,依据震源机制类型划分了每组地震的构造块体归属,大地震破裂特征提供了块体活动力学一致性的证据.证实块体是作为整体活动的,因此块体整体运动是地震共同的动力成因.地震成组发生,意味着它们是同时孕育、相互关联,因此不宜局限于单一构造分析地震的重复性,或者寻找小范围的前兆现象,只有扩大视野,从块体整体活动的认识出发,才能更客观、全面地了解地震的孕育、发生过程.

利用中国及其邻区近十年的1683个GPS测站的观测资料,建立由31个活动地块组成的大陆变形运动学模型[12].块体内部变形十分有限,说明块体的旋转运动而非连续分布变形是大陆构造的主要活动方式.巴颜喀拉块体存在较大的旋转速度(-0.583°/Ma)和运动速率(16.5 mm/a),方向角为-82.8°,顺时针旋转,块体整体向东运动.羌塘块体东部存在更大的旋转速度(-1.135°/Ma)和运动速率(18.1mm/a),方向角为-82.9°,顺时针旋转,块体也是整体向东运动.

青藏高原的构造变形模式存在侧向逃逸和压缩增厚两种学说,前者强调青藏高原不同级别块体通过大型走滑断裂带的高速滑动实现向东挤出,调节青藏高原近南北向的缩短[13].后者则强调印度板块的向北推挤导致韧性下地壳增厚和上地壳发育大量缓慢滑动断层,发生分布式连续变形[14, 15].高原中北部的岩石圈下方存在剪切变形[16, 17].Zhang等[18]研究表明,现今构造变形以连续变形为特征,印度板块和欧亚板块之间的相对运动主要被青藏周边的地壳缩短和内部的走滑剪切所吸收.Wang等[19]分析给出青藏高原内部活动地块的运动方式是分块的,各块之间或者运动方向不同,或者运动速度不同.近年发生的汶川、于田和昆仑山口3次强震,以及喀喇昆仑山口、玛尼、玉树3次强震的力学联系支持青藏高原内部的变形主要发生在活动块体边界.但是青藏地块内部发生的大量正断层地震显示的拉张性质,上述两种学说尚难以给出满意解释,需要进一步分析研究.

致谢

审稿人提出的修改意见使本文得以很大改进,特此致谢!

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