2023年12月18日中国甘肃省积石山6.2级地震序列的震源机制的时空演化

时间:2026年3月27日
来源:Tectonophysics

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本文利用密集地震观测网分析2023年积石山Ms6.2地震序列,通过双差定位和震源机制反演确定249个事件震中及89个高质量震源机制解,揭示主震逆冲机制(节面295°, 坡度52°, 滑动角50°)及破裂方向时空异质性,挑战传统认为该区“地震静”的认知。

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罗军|左克振|赵翠萍|龙峰
中国地震局地震预报研究所,北京100036

摘要

分析强地震的主震和余震的震源机制对于约束地震断层的几何形状及其破裂演化至关重要。在这项研究中,我们通过整合来自多网络地震阵列的近场波形数据,对2023年鸡石山6.2级地震序列进行了研究。利用双差定位和震源机制反演方法,我们确定了249个地震事件(震级范围为1.0至6.2级)的精确震中位置,并获得了89个震级在1.5至6.2级之间的高质量震源机制解。此外,还使用了Kagan角分析来量化破裂方向的变化。
研究结果表明,该地震序列以逆冲机制为主(占64.19%)。主震是一个走向NW的逆冲事件(震级Mw 5.99;深度10.5公里),其节点平面参数为走向295°、倾角52°、滑动角50°,表明震源区域处于NE-SE方向的压缩应力作用下。结合余震定位结果,该地震断层被解释为一个具有沿走向分段特征的NE-倾斜逆冲结构,这与已知的北拉脊山断层特征一致——这与野外观测结果相符。
时间演化分析显示,主震附近以及刘集镇地区的震源机制以逆冲为主,随后转变为混合型断层作用,最后再次回到以逆冲为主。相比之下,大屯地区在整个地震序列中始终以逆冲作用为主。Kagan角分析证实了主震与余震之间的破裂异质性,大屯地区浅层和深层部分的破裂方向一致性存在显著差异。这项研究展示了密集地震网络在详细震源机制研究中的实用性,并为强大陆地震的破裂过程提供了新的见解。

引言

大地震在塑造地壳结构和动态信息方面起着关键作用,然而往往正是那些意外的地震事件为地壳演化和地质动力学过程提供了最重要的见解。青藏高原东北边缘是一个地震活跃区域,容易发生大地震。例如,1920年的海原8.5级地震在该地区的构造演化史上留下了深刻的印记。几十年来,研究人员对诸如祁连-海原断层带等断层系统进行了广泛研究,旨在揭示这些断层的地震生成和灾害成因机制。然而,青藏高原东北边缘的拉脊山地区长期以来研究不足。根据中国地震台网中心(CENC)超过一个世纪的历史地震记录,该地区仅发生过中小型地震(震级<6.0级),这使得大多数研究人员认为拉脊山的边缘断层不具备生成破坏性地震的能力。然而,2023年12月18日,甘肃省鸡石山地区发生了6.2级地震,打破了这一观点。该地震的震中位于拉脊山南部边缘断层与北部边缘断层的交汇处(东经102.79°,北纬35.70°)。
尽管这次地震的震级仅为6.2级,但它造成了严重的人道主义和地质灾害后果:127人死亡,734人受伤,住宅建筑和交通基础设施遭到大规模破坏,原因包括山体滑坡、泥石流等次生灾害(Han等人,2024年)。这使这次地震成为自1900年以来拉脊山地区记录中最具破坏性的地震(Guo等人,2025年),从而提出了挑战先前理解的关键科学问题:是什么构造因素导致了这次破坏性地震的发生?是记录详尽的北拉脊山断层,还是一个之前未被识别、未绘制的断层?此外,这次地震相关的断层滑动如何适应青藏高原地壳压缩和变形的更广泛构造框架?
初步调查试图回答这些科学问题,但研究结果之间存在不一致性。多个研究团队利用远程地震仪和区域常规地震监测站的数据来推断负责地震的断层的几何特征。他们的分析表明,这次地震是由北拉脊山断层的南部段引发的,该断层为逆冲断层,其特征是地壳抬升(Liu等人,2024a;Liu等人,2024b;Xu和Guo,2025;Wang等人,2025)。进一步对该断层的运动学行为的研究揭示了额外的特征:断层破裂发生在离散的段上,而不是连续的结构;在接近地表的地方,断层滑动幅度明显低于预测值——这种现象被称为“滑动亏损”(Wang等人,2025)。然而,其他研究小组的野外调查得出了相反的观察结果:识别出三个总长度为8.2公里的地表破裂带,这些破裂带与推断的北拉脊山断层段没有结构上的关联(Guo等人,2025)。这一新发现的结构被命名为“刘集村断层”,是一个之前未被识别和未绘制的断层系统。这些矛盾结果的核心限制在于观测数据的固有局限性:远程地震仪数据无法捕捉到震中附近的精细结构细节,而常规地震站(站间距为20-50公里)缺乏准确描述实际断层破裂过程的空间分辨率。因此,关于地震断层的真实几何配置、地震破裂的时空演化以及区域地壳应力场条件,仍存在关键不确定性。
为了解决上述研究空白,本研究采用了与传统数据源相比具有更明确洞察力的技术研究方法,即高密度近源地震网络。与远震记录或区域永久地震站不同,近源地震网络在地震震中附近的分辨率方面具有显著优势,从而显著提高了断层几何和运动学属性的反演精度。
本研究使用了上述网络提供的数据集,这些数据集整合了三种类型的地震站:(1)区域永久地震站,(2)地震预警站,以及(3)专门为地震后科学调查部署的临时站。基于这个综合数据集,构建了整个鸡石山地震序列的全面且高精度的震源机制解目录。
随后,将该目录与两个关键补充信息结合使用:超高精度震中位置和定量Kagan角分析。这些技术方法共同促进了两个核心研究目标的实现:(1)确定地震断层的几何配置;(2)揭示整个地震序列中破裂过程的时空演化特征。
这项研究具有重要意义,原因有二。首先,它颠覆了之前对拉脊山地区“地震平静”的认识,从而需要重新评估青藏高原内小规模断层的地震活动模型。其次,它展示了密集地震阵列如何有效弥合远震数据与野外调查之间的差距,为评估其他仪器不足地区的地震潜力建立了方法论框架。最终,这项工作为理解青藏高原的构造演化提供了关键约束,不仅增进了我们对这一特定事件的认识,也扩展了我们对大陆内部地震动力学的理解。对于鸡石山地区及类似区域,这项研究将提高地震灾害评估的精度,为未来的灾害风险减少策略提供更坚实的科学基础。

节选内容

构造背景

拉脊山地区位于北祁连断层带和南祁连断层带之间,是青藏高原东北边缘的一个关键构造过渡带(Hou等人,2005;Yuan等人,2011;Zhang等人,2003)。从地质学上看,它属于秦岭-祁连山脉系统中的东西向加里东造山带(Weiran等人,2002;Cui等人,2019),使其成为研究青藏高原向东北方向扩张的理想区域。

观测数据和网络分布

鸡石山6.2级地震震源区域的地震网络包括三种类型的站点(图1),形成了“区域覆盖——震中附近密集”的监测模式。(1)由中国地震台网中心运营的永久区域站,平均间距约为100公里。它们提供长期连续的宽带速度记录(采样率:100 Hz),覆盖震源区域及其周边地区;(2)临时

序列重定位

对于2023年12月18日15:59:30 UTC至12月28日13:04:16 UTC的鸡石山6.2级地震序列,重定位结果显示,在垂直、E-W和Ssingle bondN方向上的平均位置误差分别为0.8公里、0.6公里和0.5公里(补充图S1),这种精度足以用于后续分析。
在平面图中,余震表现出显著的空间聚集特征,主要集中在主震的西部和西北部。

地震断层属性及其构造意义

为了明确鸡石山6.2级地震的地震生成结构属性,本研究依赖密集的地震站网络和多源数据进行了震源机制反演。共获得了89个高精度的震源机制解,涵盖了主震、强余震(震级≥3.4)和小震级余震(震级1.5–3.4),占研究期间余震序列的53.47%。

结论

利用来自密集网络的近场地震数据,我们分析了2023年鸡石山6.2级地震序列中89个事件的震源机制和余震破裂的时空演化。我们的主要发现如下:
余震主要聚集在主震的西北部,形成了与区域构造走向一致的NW-SE方向分布。地震断层是一个具有明显分段几何特征的逆冲结构:在主震震中和大屯(西北部)附近

CRediT作者贡献声明

罗军:写作——审稿与编辑,原始草稿撰写,软件使用,方法论制定,数据分析,概念化。左克振:软件使用,数据管理。赵翠萍:监督,资金获取,概念化。龙峰:软件使用,资源提供。

未引用参考文献

Ou等人,2022
Peizhen等人,2013
Wang等人,2020
Yan等人,2019
Yingcai和Xiangyun,2025
Yuan等人,1999

利益冲突声明

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。没有任何资金来源或机构影响本研究的设计、数据收集、结果分析或手稿的撰写。
所有作者都已阅读并批准了手稿的最终版本,并同意将其提交给《Tectonophysics》。

致谢

本研究使用的数据由中国地震台网中心(CENC)提供。我们感谢亥姆霍兹地球科学中心(GFZ)的G.M. Petersen博士和中国地震局地球物理研究所的Xu Zhang博士在准备手稿过程中提供的慷慨帮助。

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