祁連—海原斷裂帶刻畫了青藏高原的東北邊界（圖1），調(diào)節(jié)著高原的北東擠壓和阿拉善地塊的東西運(yùn)動(dòng)（Tapponnier et al., 2001; Tapponnier and Molnar, 1977）。青藏高原東北緣晚第四紀(jì)的變形主要被祁連—海原斷裂帶的左旋剪切和跨越祁連褶皺沖斷帶的地殼縮短和增厚吸收。

斷層彎曲作為一種典型的幾何不連續(xù)，在調(diào)節(jié)斷層應(yīng)變分配和影響地震破裂的傳播中扮演著重要的角色。2022 年 1 月 8 日，在連接托萊山斷層和冷龍嶺斷裂的“門源彎曲”處發(fā)生了左旋走滑主導(dǎo)的MS 6.9地震（圖1）。值得注意的是，1986年和2016年在冷龍嶺斷裂北部發(fā)生了兩次MS 6.4逆沖型地震，與冷龍嶺斷裂的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征相矛盾（Guo et al., 2019）。為什么這些地震發(fā)生的距離如此之近，卻表現(xiàn)出不同的震源機(jī)制？“門源彎曲”附近活動(dòng)斷裂的現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)學(xué)對于評(píng)估區(qū)域地震危險(xiǎn)性起著至關(guān)重要的作用。然而，現(xiàn)有的地質(zhì)觀測資料過于稀疏，無法描述連續(xù)的斷層滑移。此外，人們對青藏高原東北部地塊和戈壁-阿拉善地塊之間的斜向匯聚如何分解到復(fù)雜斷層系仍知之甚少。

圖1. （a）區(qū)域構(gòu)造和（b）斷層滑動(dòng)速率觀測

TLSF:拖萊山斷裂；LLLF:冷龍嶺斷裂；NLLLF：北冷龍嶺斷裂；MDF：民樂-大馬營斷裂；HSF：皇城-雙塔斷裂；JHQF：金強(qiáng)河斷裂。

為了回應(yīng)上述問題，中國地震局地球物理研究所黃祿淵副研究員考慮活動(dòng)斷層的摩擦行為，建立包含托萊山斷層和冷龍嶺斷裂的三維粘彈塑性有限元模型。采用GPS速度場和斷層滑動(dòng)速率聯(lián)合約束，計(jì)算塊體斜向匯聚背景下的斷層滑動(dòng)速率分配和孕震應(yīng)力積累，并嘗試建立應(yīng)力積累和地震類型之間的聯(lián)系。

研究表明，塊體斜向匯聚框架下的變形分配導(dǎo)致了復(fù)雜斷裂系滑動(dòng)速率的空間非均勻分布。數(shù)值模型估計(jì)的托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂的走滑速率分別約為2-4 毫米/年和4-7 毫米/年（圖2）。冷龍嶺斷層的滑動(dòng)行為呈現(xiàn)出空間過渡的特征，其西段走滑分量占主導(dǎo)，東段兼具逆沖和走滑分量。數(shù)值模擬揭示了祁連—海原斷裂帶上的應(yīng)力積累表現(xiàn)出走滑型主導(dǎo)，而北冷龍嶺斷裂附近的孕震應(yīng)力為逆沖擠壓占優(yōu)（圖3），解釋了三次門源地震震源機(jī)制解的差異。本研究提出鏟狀的北冷龍嶺斷裂在深部地殼與冷龍嶺斷裂匯聚，形成了有利于擠壓應(yīng)力積累的正花狀結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖2. 數(shù)值模型刻畫的斷層（a）走向和（b）傾向的滑動(dòng)速率

圖3.  數(shù)值模擬的斷裂附近三維應(yīng)力狀態(tài)

綠色沙灘球代表2009年1月至2017年12月震級(jí)ML≥3.5的震源機(jī)制解。藍(lán)色沙灘球代表15公里深度模擬所得應(yīng)力狀態(tài)。

圖4.  祁連-海原斷裂帶西北段及鄰區(qū)的斷層滑動(dòng)分配卡通圖

本研究基于運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的數(shù)值模型，刻畫門源彎曲附近斷裂系的連續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)圖像，建立斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)和孕震應(yīng)力積累之間的橋梁—揭示了距離相近的3次門源地震震源機(jī)制差異的動(dòng)力學(xué)成因。為探索滑動(dòng)分配、斷層幾何和區(qū)域應(yīng)力之間的關(guān)系提供了有價(jià)值的視角，模型給出的斷層連續(xù)滑動(dòng)速率和孕震應(yīng)力積累為區(qū)域地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

成果于2023年發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Tectonophysics》 （Luyuan Huang, Shi Chen, Slip partitioning and seismogenic stress buildup adjacent to the junction of the Lenglongling fault and the Tuolaishan fault: Insights from kinematically constrained numerical simulations, Tectonophysics,2023,230106,https://doi.org/10.1016/j.tecto.2023.230106.），受國家自然基金（批準(zhǔn)號(hào)：42074111, 42174120, 41941017, U1939205）、中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（批準(zhǔn)號(hào)：DQJB22K43）以及國家留學(xué)基金委“地震英才項(xiàng)目”的共同資助。

【作者簡介】

黃祿淵（第一作者），重力與地殼變形研究室副研究員，主要從事計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)研究工作。Email: luyuanhuang@cea-igp.ac.cn

陳石（通訊作者），重力與地殼變形研究室研究員，主要從事重磁位場方法與地球動(dòng)力學(xué)研究工作。Email: chenshi@cea-igp.ac.cn