2021年玛多<i>M</i><sub>W</sub>7.4地震强震加载及其对周围地区应力扰动的影响

王帅鹏; 徐克科; 王小怡

doi:10.11939/jass.20220203

2021年玛多M_W7.4地震强震加载及其对周围地区应力扰动的影响

中国河南焦作 454003 河南理工大学测绘与国土信息工程学院

基金项目: 国家自然科学基金（41774041）资助

详细信息

作者简介:
王帅鹏，在读硕士研究生，主要从事卫星大地测量与地壳形变方面的研究，e-mail：212104010015@home.hpu.edu.cn

通讯作者:
徐克科，博士，教授，主要从事卫星大地测量与地壳形变研究. e-mail：xkk@hpu.edu.cn

中图分类号: P315.2
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出版历程
- 收稿日期: 2022-10-31
- 修回日期: 2023-02-27
- 网络出版日期: 2023-09-09
- 刊出日期: 2023-10-29

Strong earthquakes loading of the 2021 Madoi M_W7.4 earthquake and its effects on stress disturbances in surrounding area

School of Surveying and Land Information Engineering，Henan Polytechnic University，Henan Jiaozuo 454003，China

摘要

摘要:
2021年5月22日在青海玛多发生M_W7.4地震，为了探究玛多地震的不同滑动模型对周围地区及断层应力的加卸载作用，本文首先以GNSS数据为约束，结合中国地震局地质研究所公布的玛多地震同震滑动模型（模型A）断层面几何结构反演获得同震滑动模型（模型C），再分别利用模型A、模型B（USGS）、模型C计算玛多地震对周围地区及断层的应力加卸载作用。结果显示：① 模型C矩震级为M_W7.46，最大滑动量为3.39 m，主体破裂位于0—10 km深度范围，整体破裂东侧大于西侧，滑动分布相对于模型A也更加均匀平滑，反演效果较好；② 不同模型计算的应力分布基本相同，沿破裂段同震库仑应力加载区域面积随着深度的增加而增加，且在发震断裂带西端、东端分别各有两处明显的库仑应力加载区域，在昆仑山口—江错断裂东、西段、甘孜—玉树断裂、东昆仑断裂东段、玛多—甘德断裂、清水河断裂中、西段、达日断裂西段均产生了明显的应力加载，但模型B计算结果有所差异，昆仑山口—江错断裂中段处于应力卸载状态，震后10年断层应力状态变化不大，但清水河断裂东段在震后应力调整中卸载作用较为明显，地震危险性降低；③ 为了探究强震对玛多地震的影响，本文分别计算了2008年汶川地震以后巴颜喀拉地块M≥7.0强震同震及震后效应对玛多地震的应力加卸载，结果表明所有强震均对玛多地震有应力加载作用，但累积库仑应力并未超过触发阈值。
- 玛多M_W7.4地震 /
- 位错反演 /
- 应力扰动 /
- 强震应力加载
Abstract:
On May 22, 2021, the M_W7.4 earthquake occurred in Madoi, Qinghai. In order to explore the loading and unloading effects of different sliding models of Madoi earthquake on the surrounding areas and fault stresses, in this paper, the co-seismic sliding model （Model C） is obtained by taking GNSS data as a constraint combining the inversion of the geometric structure of the fault plane of Model A （Institute of Geology, China Earthquake Administration）, and then the loading and unloading effects of Madoi earthquake on the surrounding areas and fault stresses are calculated by using Model A, Model B （USGS）, and Model C respectively. The results show that: ① The moment magnitude of Model C is M_W7.46, the maximum slip is 3.39 m, the main fracture is located in the depth range of 0−10 km, the east side of the overall fracture is larger than the west side, the slip distribution is more uniform and smoother than Model A, and the inversion effect is good. ② The stress distributions calculated by different models are basically the same. The area of co-seismic Coulomb stress loading along the fracture segment increases with the depth, and there are both two distinct Coulomb stress loading areas at the west and east ends of the seismogenic fault zone. Significant stress loading occurs in the east and west sections of Kunlunshankou-Jiangcuo fault, Garze-Yushu fault, east section of the East Kunlun fault, Madoi-Gander fault, middle and west sections of Qingshuihe fault and west section of Dari fault. However, the Model B calculations differ, with the middle section of the Kunlunshankou-Jiangcuo fault in a state of stress unloading at the location. The fault stress state did not change much in the 10 post-seismic years, but the eastern section of the Qingshuihe fault had more significant stress unloading in the post-seismic stress adjustment, and the seismic hazard was reduced. ③ In order to explore the impact of strong earthquakes on Madoi earthquake, this paper calculated the co-seismic and post-seismic effects of the M≥7.0 strong earthquakes in Bayan Hara block after the 2008 Wenchuan earthquake on the stress loading and unloading of Madoi earthquake respectively. The results show that the Madoi earthquake is subject to strong earthquake loading, but it does not exceed the trigger threshold.
- Madoi M_W7.4 earthquake /
- dislocation inversion /
- stress disturbances /
- strong seismic stress loading

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根据美国地质调查局（United States Geological Survey，缩写为USGS）国家地震信息中心（National Earthquake Information Centre，缩写为NEIC）的测定，2020年6月23日15时29分04秒（UTC），墨西哥南部瓦哈卡州发生了一次矩震级M_W7.4的地震，NEIC初步确定的震中（preliminary determination epicenter，缩写为PDE）位于（15.916 3°N，95.953 3°W），震源深度为20 km。美国地质调查局（USGS，2020）和全球矩心矩张量组（GCMT，2020）随后发布了这次地震的矩心矩张量解（表1）。根据USGS （2020）发布的地震目录，在该主震发生后的48小时内发生了9次较大余震，其中最大余震震级达到M_W5.4，5次事件深达35 km。

表 1 不同机构所得墨西哥M_W7.4地震矩心矩张量解的比较

Table 1. Comparison of the centroid moment tensor solutions for the M_W7.4 Mexico earthquake obtained by different institutions

机构	矩张量/（10²⁰ N·m）						矩心参数
机构	M_rr	M_tt	M_pp	M_rt	M_rp	M_tp	τ_c/s	北纬/°	西经/°	矩心深度/km
GCMT （2020）	0.729	−0.737	0.008	1.220	−0.712	0.200	7.0	16.04	96.06	20
USGS （2020）（W震相）	0.731	−0.752	0.020	1.104	−0.479	0.168	13.2	15.93	95.90	21.5
USGS （2020）（体波反演）	0.527	−0.544	0.017	0.504	−0.289	0.101	−	16.04	95.90	32
本文	0.700	−0.789	0.089	0.825	−0.491	0.218	8.0	15.96	95.89	22

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类似于上述两个组织的工作（Dziewonski et al，1981；Kanamori，Rivera，2008；Duputel et al，2012；Ekström et al，2012），我们收集了震中距处于32.5°—88.9°范围内全球地震台网（Global Seismograph Network，缩写为GSN）和数字地震台网联盟（International Federation of Digital Seismograph Networks，缩写为FDSN）的42个台站的长周期垂直分量数据，基于AK135模型计算格林函数（Wang，1999），利用我们自主研发的反演软件（张喆，许力生，2020），通过反演0.01—0.05 Hz频带内的P波波形得到了这次地震的矩心矩张量解。根据反演结果（图1），矩心时间为8 s，矩心震中位于（15.96°N，95.89°W），矩心深度为22 km，标量地震矩为1.24×10²⁴ N·m，相当于M_W7.4。基于矩心矩张量解（表1，图2），我们也求得了相应的最佳双力偶解（图2，表2），最佳双力偶成分占97%。最后，我们利用反演结果计算了合成波形，并与观测波形进行了比较，结果如图3所示，可见二者之间的相关系数平均值达到0.93，大多数台站的相关系数在0.90以上，均方根误差达1.33×10⁻⁵ m。

图 1 矩心矩张量反演过程

（a）矩心时间搜索；（b）矩心搜索；（c）矩心深度搜索；（d） PDE位置（灰色）和矩心位置（红色）反演得到的矩张量解

Figure 1. Inversion process of the centroid moment tensor

（a） Search for the centroid time；（b） Search for the centroid；（c） Search for the centroid depth；（d） The moment tensor solutions at the PDE （gray） and centroid （red） locations

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图 2 矩心矩张量反演参数以及台站分布与反演结果

Figure 2. The parameters of the centroid moment tensor inversion，the station distribution and the inversion results

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表 2 不同机构所得墨西哥M_W7.4地震的最佳双偶解

Table 2. The best double-couple solutions for the M_W7.4 Mexico earthquake obtained by different institutes

机构	标量地震矩 /（10²⁰ N·m）	双力偶成分占比	节面Ⅰ			节面Ⅱ
机构	标量地震矩 /（10²⁰ N·m）	双力偶成分占比	走向/°	倾角/°	滑动角/°	走向/°	倾角/°	滑动角/°
GCMT （2020）	1.600	100%	270	16	62	118	76	97
USGS （2020）（W震相）	1.423	96%	271	17	70	112	74	96
USGS （2020）（体波）	0.797	99%	266	24	63	114	69	101
本文	1.236	97%	266	22	60	118	71	101

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图 3 观测波形与合成波形的比较

Figure 3. Comparison between the observed （blue） and synthetic （red） waveforms

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与USGS和GCMT的结果相比（图4），我们反演所得矩心位置（15.96°N，95.89°W，深度22 km）、矩心时间、最佳双力偶解均与其非常相近。根据最佳双力解的节面参数、矩心位置、余震分布以及地震所处的构造环境，我们判断走向266°、倾角22°、滑动角60°的节面为真实的发震断层面（图4）。这是一次以逆冲为主、具有相当走滑分量的断层错动，或者说这是一次发生在俯冲带的斜滑事件。

图 4 主震震源机制解与余震分布

不同颜色的沙滩球和正方形代表不同机构确定的震源机制解及其矩心位置，小圆圈表示余震（来自USGS地震目录），大圆圈表示主震的PDE位置，圆圈和正方形的填充色显示了震源深度

Figure 4. The focal mechanism solutions of the mainshock and the aftershock distribution

Colored beach-balls and squares represent the focal mechanism solutions and centroid locations determined by the various institutions，the small circles refer to the aftershocks （from the USGS catalog），and the large circle indicates the PED locations of the mainshock. The colors filled in the circles and squares indicate the focal depths

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本研究使用的数字波形数据均通过地震学联合研究会（Incorporated Research Institutions for Seismology，缩写为IRIS）数据中心获取，震源机制数据分别来自全球矩心矩张量（GCMT）和美国地质调查局（USGS），余震数据来自于美国地质调查局（USGS），作者在此表示感谢！

图 10 强震（同震和震后）引起的库仑应力变化（计算深度为10 km）

Figure 10. Coulomb stress change caused by strong earthquakes （co-seismic and post-seismic）（calculation depth is 10 km）

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图 1 玛多地震附近GNSS站点及强震分布图

Figure 1. Distribution map of GNSS stations and strong earthquakes around Madoi earthquake

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图 2 GNSS观测到的三维水平（a）和垂直（b）同震位移

Figure 2. GNSS observations of three-dimensional horizontal （a） and vertical （b） co-seismic displacement

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图 3 模型A （a）和模型B （b）同震断层滑动分布模型

Figure 3. Co-seismic fault slip distribution models of Model A （a） and Model B （b）

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图 4 同震位移观测值与预测值对比及残差分布

图（c，d）为水平和垂直位移残差

Figure 4. Comparison of observed and predicted co-seismic displacements and residual distribution

Figs. （c，d） represent horizontal and vertical displacement residuals

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图 5 模型粗糙度与数据拟合度折中曲线

Figure 5. The tradeoff curve between model roughness and data misfit

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图 6 模型C （a）和模型A （b）同震滑动分布图

Figure 6. Co-seismic slip distributions of Model C （a） and Model A （b）

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图 7 玛多地震在不同深度产生的库仑应力变化（接收断层为昆仑山口—江错断裂B）

Figure 7. The Coulomb stress changes caused by Madoi earthquake at different depths （the receiving fault is section B at Kunlunshankou-Jiangcuo fault）

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图 8 不同模型在周边断层引起的同震库仑应力变化

计算深度为10 km，断层名称同表3，下同

Figure 8. Variation of coseismic Coulomb stresses induced by different models at peripheral faults

Calculation depth is 10 km，and the fault names are the same as Table 3，the same below

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图 9 不同模型震后10年在周边断层库仑应力扰动

Figure 9. Coulomb stress perturbations in the peripheral fault after 10 years of the earthquake using different models

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表 1 断层滑动模型参数

Table 1 Parameters of fault slip model

断层来源	长度/km	宽度/km	走向/°	倾角/°	滑动角/°	子断层个数	断层块/km
模型A	160	30.0	276	80	4	301	5.0×5.0
模型B	182	31.5	106	76	−9	468	3.5×3.5

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表 2 地壳结构模型

Table 2 Crustal structure model

序号	深度/km	v_P/（km·s⁻¹）	v_S/（km·s⁻¹）	ρ/（kg·m⁻³）	η_k/（10¹⁸ Pa·s）	η_m/（10¹⁹ Pa·s）
1	0	4.50	2.60	2 600.0	1000.0	1000.0
2	5	5.60	3.30	2 600.0	1000.0	1000.0
3	5	5.60	3.30	2 700.0	1000.0	1000.0
4	10	6.05	3.55	2 700.0	1000.0	1000.0
5	10	6.05	3.55	2 850.0	1000.0	1000.0
6	15	6.05	3.60	2 850.0	1000.0	1000.0
7	15	6.05	3.60	2 850.0	1000.0	1000.0
8	20	5.75	3.40	2 850.0	1000.0	1000.0
9	20	5.75	3.40	2 850.0	20.0	20.0
10	30	5.75	3.40	2 850.0	20.0	20.0
11	30	5.75	3.40	3 000.0	6.3	6.3
12	40	6.10	3.55	3 000.0	6.3	6.3
13	40	6.10	3.55	3 000.0	6.3	6.3
14	50	6.10	3.55	3 000.0	6.3	6.3
15	50	6.10	3.55	3 100.0	6.3	6.3
16	60	7.10	4.05	3 100.0	6.3	6.3
17	60	7.10	4.05	3 100.0	6.3	6.3
18	80	8.00	4.35	3 100.0	6.3	6.3
19	80	8.00	4.35	3 320.0	6.3	6.3
20	100	7.95	4.35	3 320.0	100.0	100.0

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表 3 研究区域主要断层参数

Table 3 Main fault parameters in the studied area

断层序号	断层名称	起点	终点	走向/°	倾角/°	滑动角/°
断层序号	断层名称	东经/°　北纬/°	东经/°　北纬/°	走向/°	倾角/°	滑动角/°
F₁	东昆仑断裂西段	96.71　35.67	96.04　35.74	278	89	0
F₂	东昆仑断裂中段A	98.10　35.46	96.71　35.67	281	89	0
F₃	东昆仑断裂中段B	99.29　34.94	98.10　35.46	298	89	0
F₄	东昆仑断裂中段C	99.68　34.65	99.29　34.94	312	89	0
F₅	东昆仑断裂东段A	100.49　34.34	99.68　34.65	295	89	0
F₆	东昆仑断裂东段B	100.98　34.27	100.49　34.34	280	89	0
F₇	玛多—甘德断裂A	99.18　34.47	98.78　35.15	334	80	0
F₈	玛多—甘德断裂B	100.61　33.12	99.18　34.47	319	80	0
F₉	达日断裂A	98.89　33.96	98.03　34.30	199	80	−12
F₁₀	达日断裂B	99.68　33.25	98.92　33.84	313	80	−12
F₁₁	达日断裂C	100.71　32.55	99.73　33.24	310	80	−12
F₁₂	清水河断裂A	97.11　34.05	96.82　34.45	329	89	0
F₁₃	清水河断裂B	98.62　33.11	97.11　34.05	307	89	0
F₁₄	清水河断裂C	99.30　32.52	98.62　33.11	316	89	0
F₁₅	甘孜—玉树断裂A	97.29　32.75	96.24　33.34	304	88	23
F₁₆	甘孜—玉树断裂B	97.86　32.52	97.29　32.75	290	88	23
F₁₇	昆仑山口—江错断裂A	97.88　34.74	97.45　34.77	275	80	−9
F₁₈	昆仑山口—江错断裂B	98.99　34.50	97.88　34.74	285	80	2
F₁₉	昆仑山口—江错断裂C	99.95　34.54	98.99　34.50	267	80	18

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表 4 强震震源机制解及数据来源

Table 4 Focal mechanism solutions and data source of the strong earthquakes

发震日期	地震名称	北纬 /°	东经 /°	走向 /°	倾角 /°	滑动角 /°	深度/km	M_S	模型来源
年-月-日	地震名称	北纬 /°	东经 /°	走向 /°	倾角 /°	滑动角 /°	深度/km	M_S	模型来源
2008-05-12	汶川地震	30.986	103.364	222.6	28.0	110.0	14.0	8.00	USGS （2008）
2010-04-14	玉树地震	33.160	96.530	298.0	88.0	4.0	13.0	7.10	孟国杰等（2016）
2013-04-20	芦山地震	30.308	102.888	218.0	39.0	103.0	11.0	7.00	Jiang等（2014）
2017-08-08	九寨沟地震	33.193	103.855	246.0	57.0	−173.0	9.0	7.00	单新建等（2017）
2021-05-22	玛多地震	34.590	98.340	101.0	87.0	−7.0	10.0	7.40

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表 5 汶川地震后巴颜喀拉地块内强震同震及震后效应在玛多地震破裂中心产生的库仑应力加载

Table 5 Coulomb stress loading caused by strong earthquake coseismic and post-seismic effects of Bayan Hara block in Madoi earthquake rupture center after Wenchuan earthquake

		库仑应力加载/Pa
	汶川地震	玉树地震	芦山地震	九寨沟地震
同震	870.100	341.900	13.200	3.293
震后	360.900	523.900	3.980	0.505
同震＋震后	1 231.000	865.800	17.180	3.798

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