2023年12月18日甘肅積石山6.2級地震震源參數和破裂特征

郭祥云　韓立波　張旭　張喆　房立華　陳鯤　劉瑞豐　王永哲

[摘要]? ? 2023年12月18日23時59分（北京時間）甘肅積石山發生6.2地震。中國地震局地球物理研究所在震后啟動快速響應，組織相關領域研究人員對此次地震的震源參數、震源機制、破裂過程和地震輻射能量等進行了估計，余震序列進行了重定位，基于震源模型進行了震動圖模擬、同震形變場模擬。結果表明，此次地震發生在拉脊山東側，以逆沖機制為主，能量集中在前約8 s內釋放；極震區震動烈度可能達Ⅷ度以上，可能的受災范圍近6000 km2；此次地震引起了顯著的同震位移，最大水平向位移達到7.8 cm、垂直向位移達到15.8 cm。

[關鍵詞] 震源參數; 破裂過程; 余震重定位; 地震動強度預測; 地震輻射能量; 同震形變場

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-197

0? 引言

據中國地震臺網正式測定，北京時間2023年12月18日23時59分在甘肅積石山發生6.2級地震，震源深度10 km，震中位于（35.7°N，102. 79°E）。此次地震發生在拉基山北緣斷裂帶東支。周邊地震活動較弱，1900年以來震中附近50 km內僅發生這一次6級以上地震，100 km范圍內發生2次6級以上地震，這次和1936年2月7日的甘肅康樂西南6?級地震震中相距64 km（圖1）。拉脊山斷裂帶地處中國南北地震帶的北部，是青藏高原東北緣的一個重要組成區域，該地區由于青藏高原的隆起，加上歐亞板塊與印度板塊的長期擠壓作用，是我國構造變形和地震活動最為強烈的地區之一。

準確估計精定位、震源特征以及地震動強度和地表形變，對于發震構造的厘定以及此次地震可能造成的震害等具有重要的意義。2023年12月18日甘肅積石山地震發生后，中國地震局地球物理研究所啟動快速響應機制，組織相關研究人員，產出了震源破裂過程、震源參數、余震序列精定位、地震動強度預測、地震輻射能量估計、三維及InSAR同震形變場模擬等科技支撐產品。

1? 震源破裂過程

采用的遠震體波波形數據來自于IRIS數據中心震中距在30°～90°范圍內GSN臺網和FDSN臺網的寬頻帶地震儀。根據波形數據的信噪比水平和臺站空間分布的均勻性，選取了其中22個臺站的垂直向記錄。并采用ak135全球一維速度模型[1]和正交歸一化方法[2]來計算理論格林函數。此外，本文還采用了Zhang等[3]發展的滑動角可變的時間域反演方法來反演震源破裂過程。該反演方法不需要預先給定子斷層震源時間函數形狀，而是通過共軛梯度法[4]迭代反演子斷層震源時間函數，從而避免了先驗假定給反演結果帶來的影響，同時該反演方法允許子斷層的滑動方向在給定的滑動角附近（± 45°）發生變化。

另外，為了穩定反演結果以使其具有可接受的物理意義，本文還引入了時間域和空間域光滑約束[3， 5]以及標量地震矩最小約束[3， 6-7]。時間域光滑約束用于抑制子斷層震源時間函數相鄰時刻的不連續性，空間域光滑約束用于消除相鄰子斷層間位錯的不連續性，而標量地震矩最小約束則用于壓制較弱的過低頻滑動。

初步反演結果（圖2）表明，此次地震以逆沖機制為主，破裂持續時間約8 s，似乎并未造成明顯的地表破裂。

2? 震源參數

積石山地震的震源參數，研究所有3位同志用不同的方法進行了反演。

2.1? 方法一：矩心矩張量+同步源反演

矩心矩張量+同步源[8-9]反演采用了震中距在7.81°～89.88°之間的59道寬頻帶垂直分量體波數據作為觀測資料，濾波頻帶為0.015～0.040 Hz。矩張量與震源時間函數的最優模型結果表明，此次地震的標量地震矩為1.0759×1018 N·m、換算為矩震級MW6.0，矩率函數的峰值時刻為3.4 s，矩心坐標為（35.7023°N，102.8120°E），矩心深度12.0 km。斷層面解為節面Ⅰ：走向307°、傾角50°、滑動角70°；節面Ⅱ：走向156°、傾角44°、滑動角112°。雙力偶成分占比96%，觀測數據與合成數據整體相關度為0.94（圖3—圖5）。

2.2? 方法二：CAP波形反演

利用國家數字測震臺網數據備份中心[10]提供的青海、甘肅等區域臺網的寬頻帶數字地震波形記錄，按照方位角覆蓋及信噪比的要求，挑選出16個寬頻帶地震臺數據（圖6），采用CAP波形反演方法[11-12] 獲得了甘肅積石山6.2級地震的震源機制解和矩心深度。該方法是利用近震數據，把寬頻帶數字波形記錄分為體波部分（Pnl）和面波部分，分別計算它們的理論地震圖和實際觀測波形的目標誤差函數，在給定參數空間中進行網格搜索，同時反演震源機制解和震源深度。在實際計算中，速度結構模型使用了Crust 2.0（http：//igppweb.ucsd.edu/～gabi/crust2.html），利用頻率—波數法[13]計算格林函數，選取的體波和面波的濾波頻段為0.05～0.1 Hz，采用格點搜索法尋找最適合的走向、傾角、滑動角、震源深度和矩震級。

圖6 給出了本次地震理論波形與觀測波形的擬合情況圖，大部分臺站各震相擬合效果較好。圖7給出了觀測波形與理論波形擬合誤差隨深度的變化分布，據此得到最佳地震震源深度為8 km，主震最佳雙力偶解為節面Ⅰ：走向298°、傾角58°、滑動角61°；節面Ⅱ：走向164°、傾角42°、滑動角127°。此外，反演得到的矩震級為MW6.0。由圖7 還可看出，隨著震源深度的改變，震源機制解變化并不顯著，說明反演得到的震源機制解較為穩定。

2.3? 方法三：貝葉斯自助優化算法反演

采用貝葉斯自助優化BABO（Bayesian Bootstrap Optimisation）算法[14]反演了甘肅積石山6.2級地震序列的矩心矩張量解。在反演過程中，利用來自于國家數字測震臺網數據備份中心提供的青海、甘肅、陜西區域臺網的數字地震波形記錄，選取震中距200～350 km范圍內的固定臺站寬頻帶地震記錄的高信噪比波形。理論波形計算時采用的格林函數是依據積石山地區的Crust 2.0一維速度模型從格林函數庫中直接調用的。波形數據的處理則采用由f1/factor、f1、f2、f2×factor定義的余弦側窗進行非因果帶通濾波，濾波頻段為0.01～0.08 Hz，factor取1.5。圖8給出了矩張量解在Hudson震源類型圖上的投影。從圖中可見，在震源雙力偶區域向-Isotopic（塌陷）偏離，即帶有少量的各向同性成份，表明此次地震的破裂方式以逆沖為主，有微小的體積變化，但基本可以忽略；圖9展示了主震的矩心位置變化，最佳矩心深度為12 km；2個雙力偶節面分別為：節面Ⅰ：走向169°、傾角47°、滑動角127°；節面Ⅱ：走向301°、傾角54°、滑動角57°。

表1列出上述3種方法反演得到的震源參數?？傮w來說，雖然方法不同，但結果有較好的一致性。

3? 余震序列精定位

截止2023年12月23日8時7分（北京時間），采用地震序列精定位自動處理系統[15]，得到了514次余震的位置（圖10）。重定位結果表明，余震主要呈北北西向分布，震源深度集中在6～15 km。

4? 地震動強度預測圖

利用快速生成考慮場地效應的震動圖方法[16]，考慮地震的震中位置以及地震的震源機制解，計算了研究區范圍內均勻網格點（30″×30″）上的基巖峰值加速度值；進一步考慮地震動參數的局部場地效應，將基巖峰值加速度值轉換到地表土層上，獲得了地表土層上的峰值加速度估計值，最后利用反距離權重法進行空間插值，獲得峰值加速度在地表上的空間分布（圖11）。

在計算過程中考慮了地震動的局部場地效應，其宏觀場地分類的VS30數據是利用美國地質調查局地形坡度與VS30的相關關系獲得的[16-20]?；鶐r地震動參數轉換至地表土層，使用了由近地表剪切波速VS30量化的依賴于地震動幅值和頻率的場地放大系數[20]。地震動衰減關系選用的是第四代區劃圖中中國西部長短軸峰值加速度衰減關系的幾何平均值[21]。

根據對這次地震預測的震動圖分布特征，預計極震區震動烈度可能達Ⅷ度以上，可能的受災范圍近6000 km2。

5? 地震輻射能量估計

利用區域地震臺網提供的寬頻帶記錄，基于震源譜擬合和能流密度法[22]開展了此次積石山地震的震源參數測定工作（圖12—圖13）。結果顯示，本次地震的輻射能量為2.0×1013 J ，折合為能量震級Me為5.9，地震矩為4.7×1017 N·m，折合為矩震級MW為5.8。

6? 三維及InSAR同震形變場模擬

基于均勻彈性半空間位錯理論[23]，將本文震源機制解參數（方法二反演結果的節面Ⅰ）作為輸入，模擬了此次地震的三維同震形變場，并利用Sentinel-1衛星的SAR成像幾何參數分別計算了升、降軌InSAR地表形變干涉圖（圖14）。模擬中所用的SAR成像幾何參數包括衛星的飛行方位角和雷達入射角，升軌成像的參數分別為–12.9°和39.7°，降軌成像的參數分別為–167.0°和39.7°。模擬結果顯示，此次地震引起了明顯的地表同震位移，最大水平向位移達到7.8 cm、垂直向位移達到15.8 cm。形變區主要集成在震源附近。由此可知，在觀測環境條件好以及有SAR數據成像的情況下，可以利用Sentineal-1的SAR數據通過InSAR處理觀測到地表同震形變場。該結果對于震害的評估以及是否可利用InSAR觀測到顯著的地表形變具有參考意義。

7? 結論

中國地震局地球物理研究所針對2023年12月18日23時59分（北京時間）發生于甘肅積石山的6.2級地震啟動了應急快速響應，組織相關領域研究人員進行應急產品快速產出，產品主要包括此次地震的震源破裂過程、震源機制、余震序列精定位和地震輻射能量估計等，以及基于震源模型的震動圖模擬、同震形變場模擬。

此次地震的震源參數、震源機制解、破裂過程模型、地震輻射能量等結果表明，此次地震以逆沖機制為主，能量集中在前約8 s內釋放， 地表沒有明顯的破裂；重定位結果表明此次地震序列主要呈北北西向分布，發生在拉脊山東側，震源深度集中在6～15 km；地震能量震級大于矩震級，視應力高于大陸地震平均水平；震動圖模擬結果顯示，極震區震動烈度可能達Ⅷ度以上，可能的受災范圍近6000 km2；同震形變場模擬結果表明，此次地震引起了地表明顯的同震位移，最大水平向位移達到7.8 cm、垂直向位移達到15.8 cm。

致謝

感謝中國地震局地球物理研究所蔣長勝研究員對稿件修改提出的建設性建議。同時，感謝審稿專家提供的寶貴修改意見和建議。

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Source parameters and rupture characteristics of the M6.2 Jishishan earthquake in Gansu Province on December 18， 2023

Guo Xiangyun*， Han Libo， Zhang Xu， Zhang Zhe， Fang Lihua， Chen Kun， Liu Ruifeng， Wang Yongzhe

Institute of Geophysics， China Earthquake Administration， Beijing 100081， China

[Abstract]? ? ?At 23：59 on December 18， 2023 （Beijing time）， a M6.2 earthquake occurred in the Gansu Province of Jishishan. The Institute of Geophysics， China Earthquake Administration initiated the response mechanism after this earthquake and organized geophysics researchers to estimate the source parameters， focal mechanism， rupture process， earthquake radiation energy and earthquake relocation of this earthquake. Based on the source model， the Shakemap and the coseismic deformation field simulation are carried out. The results demonstrate that the earthquake is of dominant thrusting mechanism. The energy was concentrated and released in the first 8 seconds. The earthquake intensity in the extreme seismic area possibly exceeded Ⅷ， resulting in an estimated disaster range of approximately 6000 km2. This earthquake caused apparent horizontal coseismic displacement with maximum displacements reaching 7.8 cm and 15.8 cm.

[Keywords] source parameters; rupture process; earthquake relocation; Shakemap prediction; earthquake radiation energy; coseismic deformation

*通訊作者： 郭祥云（1975-），女，高級工程師，主要從事震源機制及構造應力場反演方面的研究。E-mail：ldazui@sina.com