斷層復雜性對地震余震衰減的影響

摘要：地震余震活動及其衰減過程與區(qū)域構(gòu)造環(huán)境密切相關。以2024年1月23日新疆烏什縣MS7.1地震為例，基于精定位結(jié)果，采用斷層網(wǎng)絡重構(gòu)（FNR）方法探究該區(qū)域復雜斷層構(gòu)造對余震序列特征的影響。研究發(fā)現(xiàn)，烏什地震主震區(qū)存在錯綜復雜的斷層系統(tǒng)，除SN向主斷層帶外，還伴生多條次級斷層分支，形成網(wǎng)狀斷裂結(jié)構(gòu)。余震沿主斷層西南段呈線性展布，同時次級斷裂帶上也分布有大量散射態(tài)余震簇。這種復雜的幾何形態(tài)和多向滑移行為，使得地震應力在各斷層面間有效傳遞，導致余震活動持續(xù)發(fā)育。利用貝葉斯框架下的Omori模型，對余震序列進行參數(shù)反演。結(jié)果顯示，該地震序列的p值高達0.74，K值為599.73，表征其衰減極為緩慢、持續(xù)時間長、活躍度高的特點。

關鍵詞：烏什地震; 地震精定位; 大森定律; 斷層重構(gòu); 余震序列衰減

中圖分類號： P315文獻標志碼：A文章編號： 1000-0844（2024）04-0965-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240309001

Impact of fault complexity on aftershock decay：

a case study of the Wushi MS7.1 earthquake， 2024YIN Xinxin WANG Shuwang LIANG Xiaonan MA Guanyu

（1. Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Institute of Geophysics， CEA， Beijing 100081， China;

3. Key Laboratory of Sanjiang Metallogeny and Resources Exploration and Utilization，

Ministry of Natural Resources， Kunming 650051， Yunnan， China）Abstract：

The aftershock activity of an earthquake is closely related to the regional tectonic environment. In this paper， by considering the reference example of the MS7.1 earthquake in Wushi， Xinjiang， which occurred on January 23， the impact of complex fault structure on the characteristics of the aftershock sequence in this area was explored based on the relocation results derived using the fault network reconstruction method. The findings reveal that the mainshock area of Wushi is characterized by a complicated fault system， which comprises not only the primary NS-trending fault zone but also numerous secondary fault branches. This further yields a mesh-like fracture structure. The aftershocks exhibit a linear distribution along the southwestern segment of the main fault. A large number of scattered aftershock clusters are observed along the secondary fault zones. The complex geometry and multidirectional slip behavior facilitate an effective stress transfer across various fault planes， resulting in sustained development of aftershock activity. The parameter inversion of the aftershock sequence was implemented using the Omori model under the Bayesian framework. The results indicate that the earthquake sequence exhibits a high p-value of 0.74 and a K-value of 599.73， indicating an extremely slow decay rate， prolonged duration， and high aftershock productivity.

Keywords：Wushi earthquake; precise location of earthquake; Omori's law; fault reconstruction; aftershock sequence decay

0引言

余震是由于地震主震造成的應力狀態(tài)劇烈擾動而引發(fā)的全球性應力松弛過程中最顯著的表現(xiàn)。Omori［1］提供了余震衰減率的首次定量描述，記錄了1891年10月18日本州野毫M8地震所觸發(fā)的地震數(shù)目。為了更準確地模擬后來報導的多種余震衰減率，Utsu ［2］將Omori［1］觀測到的雙曲線行為轉(zhuǎn)化為所謂的修正Omori定律（MOL）：

λ（t）=K/（t+c）p （1）

式中：λ為給定震級范圍內(nèi)的余震頻率;t為從觸發(fā)事件（即主震）開始的時間;K為余震的生產(chǎn)率;c和p為其他描述參數(shù)。

通過這種修正，能夠更好地擬合實際觀測到的余震序列衰減情況。盡管學者們提出了其他模型［3-7］，但MOL仍然是檢驗余震序列主要時間屬性最簡單、使用最廣泛的公式。余震序列的時空分布特征可以為研究地震破裂過程、應力傳遞以及區(qū)域構(gòu)造環(huán)境提供重要信息。Woo等［8］重新分析了2016年韓國慶州地震序列，研究了余震在復雜斷層系統(tǒng)中的相互作用，同時發(fā)現(xiàn)余震分布受斷層系統(tǒng)的幾何形狀和連通性的強烈影響，余震不僅發(fā)生在主斷層，也發(fā)生在鄰近的斷層上;Miller ［9］提出余震是由流體驅(qū)動的，其衰減率受滲透率動力學控制，該研究表明流體流動在余震生成中起著關鍵作用，主震和后續(xù)余震引起的滲透率變化影響了余震衰減率;Ozawa等［10］開發(fā)了數(shù)值模型來模擬形態(tài)復雜斷層區(qū)域的主震和余震序列。這種模型結(jié)合了真實的斷層幾何形狀和非均勻應力分布，能更準確地描述復雜斷層系統(tǒng)中的余震模式;Goebel等［11］通過室內(nèi)實驗研究了斷層粗糙度對余震集中的影響，從中發(fā)現(xiàn)斷層粗糙度有利于余震呈現(xiàn)地震的集中分布，余震傾向于發(fā)生在較粗糙的斷層段，這些區(qū)域受到更高的應力集中。強震發(fā)生后，及時開展余震序列的時空分布特征分析十分必要。一方面，這種分析可以揭示余震活動的動力學機制，如破裂擴展、應力傳遞等過程，加深對于震后構(gòu)造應力場調(diào)整的認識;另一方面，余震分布對于刻畫發(fā)震斷層幾何形態(tài)、理解區(qū)域構(gòu)造背景也有重要價值。因此，余震研究的結(jié)果可以直接服務于震后應急響應和未來地震危險性評估工作。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心正式測定，2024年1月23日2時9分（北京時間），新疆阿克蘇地區(qū)烏什縣發(fā)生了MS7.1地震（78.63°E，41.26°N），地震的震源深度約為22 km，極震區(qū)烈度達到了修訂麥加利式烈度表中的Ⅸ級。地震導致阿合奇縣3人遇難、4人受傷，并造成了多處房屋倒塌以及公共設施破壞（https：//new.qq.com/rain/a/2024 0123A09YH200）。烏什MS7.1地震序列非常發(fā)育，截至1月23日16時0分就已經(jīng)記錄了3.0級及以上余震70次，且空間拓展體現(xiàn)了一定的復雜性，為后續(xù)地震危險性分析造成了很大困難。為明晰其余震活動特征，使用地震臺網(wǎng)中心給出的地震觀測報告，基于雙差定位方法（HypoDD）［12］進行了精定位處理，并使用了斷層重構(gòu)方法對精定位結(jié)果進行重構(gòu)分析，最后使用MOL定律基于最大似然估計（MLE）的Ogata模型和基于貝葉斯框架的Holschneider模型［13］，估計了余震序列衰減參數(shù)，利用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法（Markov Chain Monte Carlo，MCMC）參數(shù)采樣，獲得參數(shù)的置信區(qū)間。

1研究區(qū)和研究所用數(shù)據(jù)

本文開展余震序列時空分布特性研究的區(qū)域范圍設定為77°～80°E、40°～42°N（以下簡稱研究區(qū)）。研究使用的地震目錄和地震觀測報告是由中國地震臺網(wǎng)中心地震編目系統(tǒng)提供的《統(tǒng)一正式目錄》和《正式觀測報告》中國地震臺網(wǎng)中心地震編目系統(tǒng)正式觀測報告下載地址：http：//10.5.160.18/console/index.action，最后查閱時間2024-04-23T20：00：00.。數(shù)據(jù)時間跨度為2024-01-23—03-23，起止時間分別對應主震發(fā)生以及發(fā)生后的60天。為保證地震數(shù)據(jù)質(zhì)量，選取了震中距l(xiāng)t;500 km且同時滿足被最少4個臺站記錄的地震事件。最終下載了滿足上述遴選條件的初始定位地震事件合計7 865個，震級范圍為ML1.1～ML7.0（其中ML7.0為主震的里氏震級），涉及的地震臺站數(shù)為34個。

此次地震發(fā)生于天山山脈褶皺和逆沖斷層形成的褶皺帶。震中附近有由印度洋板塊和亞歐板塊碰撞產(chǎn)生的大量NE向逆斷層、左旋斷層和山地盆地。根據(jù)USGS提供的震源機制解，這是一次NE—SW走向的帶有走滑性質(zhì)的傾斜逆沖地震。這種規(guī)模的地震在該地區(qū)是罕見的，過去100年里，在震源250 km范圍內(nèi)只有3次M6.5以上的地震。其中一次是發(fā)生于1978年3月，現(xiàn)處吉爾吉斯斯坦境內(nèi)的MS7.1地震，距離這次地震以北約200 km;另外一次發(fā)生在1911年1月，位于吉爾吉斯斯坦和哈薩克斯坦現(xiàn)代邊界附近的MS8.0地震，并在該地區(qū)造成了嚴重的破壞［14］。

研究區(qū)位于天山造山帶西段，屬于印度—歐亞板塊碰撞的前緣變形區(qū)。該區(qū)構(gòu)造變形強烈，地震活動頻繁，是中亞地區(qū)地震活動性最高的區(qū)域之一［15］（圖1）。天山造山帶形成于古生代晚期，隨后經(jīng)歷了中生代和新生代的多期構(gòu)造運動，形成了復雜的褶皺沖斷構(gòu)造［16］。從構(gòu)造位置上看，研究區(qū)位于南天山斷裂帶與庫車坳陷的交匯部位。南天山斷裂帶是一條大型的左旋走滑斷裂，全長約1 200 km，是天山造山帶最主要的構(gòu)造邊界之一［17］，該斷裂帶控制了天山造山帶新生代隆升和變形。庫車坳陷位于南天山斷裂帶以南，是塔里木盆地北緣的新生代前陸盆地。坳陷內(nèi)發(fā)育有多套前陸褶皺沖斷構(gòu)造，指示了天山造山帶對盆地的強烈擠壓作用。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有多條近EW走向的逆沖斷層和褶皺構(gòu)造，它們主要形成于新生代印度—歐亞板塊碰撞的背景下［18-19］。NW向的塔拉斯—費爾干納斷裂是一條規(guī)模巨大的活動性斷裂帶，發(fā)育在費爾干納盆地北緣的NE向斷裂規(guī)模較?。?0］。塔什干斷裂帶由北向南發(fā)育一系列逆沖斷層，地表斷層主要為NE走向，斷層面傾向NW。剖面總體發(fā)育一系列不協(xié)調(diào)褶皺、斷層等構(gòu)造，顯示由NW向SE的運動學特征，局部地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)［16］。溫宿北斷裂是指發(fā)育在溫宿凸起北側(cè)邊緣的南傾逆沖斷層，具有限定凸起與凹陷范圍的作用，是溫宿凸起、烏什凹陷的分界斷裂。斷裂東端與喀拉玉爾滾橫向斷裂斜接，西部延入柯坪斷隆后消失，整體呈近NE走向，全長約 160 km。斷面S傾、高陡，傾角可達 60°～80°［21］。自新生代以來，印度板塊以每年約46 mm的速率向北擠壓歐亞板塊，這一持續(xù)的遠程作用使天山成為中國地震活躍程度最高的區(qū)域之一［14］。其中，邁丹—沙依拉姆斷裂帶是一組全新世時期形成并活動的大斷裂，由多條近似平行的次級斷層組成，整體寬度15～17 km。該斷裂帶主要表現(xiàn)為逆沖運動，同時伴有左行走滑分量，斷層面傾向NW，傾角在30°～80°之間。沿ENE走向延伸超過400 km，在地貌上構(gòu)成了西南天山中高山與低山丘陵的界線。利用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）測量數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)跨越邁丹—沙依拉姆斷裂帶的地殼平均縮短速率為（1.19±0.25） mm/a［22］。

2地震重新定位

由于地震觀測報告的初始定位采用簡單的一維水平成層的速度模型，且單純型定位方法的震源深度可靠性較差，為獲得新疆烏什地區(qū)相對精準的地震震源位置，分兩個步驟進行地震重新定位：（1）先采用VELEST方法［23］反演最優(yōu)一維速度模型，并獲得地震的絕對定位結(jié)果;（2）以此作為輸入的初始速度模型和震相數(shù)據(jù)，進一步利用HypoDD方法［12］進行了地震的相對定位。

在利用VELEST方法反演最優(yōu)一維速度模型和獲得絕對定位結(jié)果時，使用的初始速度模型參照了劉建明等［24］得到的一維走時模型［圖2（b）］。經(jīng)過多次試錯計算后確定使用的初始一維速度模型如圖2所示。

地震相對定位使用的HypoDD方法目前已得到廣泛應用［12，25］，相比常規(guī)絕對定位方法可得到更精準的震源位置［26］。在地震定位計算中，設定震中間距20 km作為事件對遴選閾值，單一地震最多可與10個地震組成地震對。對研究區(qū)的7 865個地震事件，經(jīng)過地震配對后得到412 953對P波震相、363 813對S波震相，利用HypoDD重定位后獲得6 416個地震事件。相應的震中分布如圖2所示。VELEST和HypoDD定位的走時殘差平均值分別為0.12 s和0.033 s，走時殘差明顯變小。

3地震斷層網(wǎng)絡重構(gòu)

在地震數(shù)據(jù)空間分析和斷層重構(gòu)中，定位精度是至關重要的，但地震定位質(zhì)量受到臺網(wǎng)分布、地震信號拾取，以及定位方法使用多個因素的影響。在確定的6 416個地震事件中，由于臺網(wǎng)的稀疏性，存在一批定位精度較低的事件，這些事件若不加以處理，會對地震聚類的結(jié)果和斷層刻畫的準確性產(chǎn)生不利影響［27］。針對此類問題，Kamer等［27］提出了一種有效的數(shù)據(jù)濃縮技術(shù)，它能夠最優(yōu)化地編碼空間信息，專注于保留定位精度高的地震事件，并已成功應用于對南加州地震活動的多重分形分析中。之后Kamer等［28］又在數(shù)據(jù)濃縮的基礎上提出了斷層重構(gòu)技術(shù)（Fault Network Reconstruction，F(xiàn)NR）。通過FNR，可以從地震目錄中篩選出定位最可靠的事件，以此作為聚類和斷層重構(gòu)分析的基礎。這將顯著提高對地震活動模式的理解，增強地震預測的準確性，并為評估地震風險提供更可靠的科學依據(jù)。

在這種情況下，使用了FNR方法，旨在利用豐富的余震數(shù)據(jù)源，以參數(shù)化空間地震活動模式的形式提取信息，揭示并重建此次地震序列潛在的斷層結(jié)構(gòu)。在做斷層重構(gòu)的過程中，使用了FNR方法中的局部模式，最終獲得了45個地震簇。圖3展示了水平面和空間3D的斷層重構(gòu)。

4余震序列衰減參數(shù)分析

Miller等［9］提出使用貝葉斯框架來分析MOL定律。該方法首先重新參數(shù)化該模型，將活動率參數(shù)K與形狀參數(shù)c和p分離;然后給出模型參數(shù)的似然函數(shù);最后利用先驗知識，給出后驗分布公式。這種貝葉斯方法允許定量評估參數(shù)不確定性，并表征參數(shù)間的后驗依賴關系。詳細計算出模型參數(shù)后驗分布的若爾南信息矩陣，據(jù)此確定參數(shù)估計量的后驗方差和協(xié)方差。在計算余震序列衰減參數(shù)以前，首先使用最大拐角方法計算了最小完整性震級［29］，結(jié)果如圖4（a）所示，最小完整性震級為ML1.8。得到最小完整性震級之后，使用大于該震級的事件進行下一步計算。為了得到參數(shù)的不確定性，使用了Holschneider的方法，最終結(jié)果如圖5所示。

最終對3 239次滿足震級大于最小完整性震級ML1.8的余震事件進行MOL擬合計算，得到震后60天內(nèi)余震衰減參數(shù)分別為：

5討論

本研究以2024年1月23日新疆烏什7.1級地震為例，對其余震序列進行了詳細的時空分布特征分析。通過使用雙差定位方法，獲得了大部分余震事件的高精度位置，這為后續(xù)斷層結(jié)構(gòu)成像奠定了基礎。利用FNR技術(shù)，成功重構(gòu)了震區(qū)的三維斷層網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)存在多條走向各異的次級斷層。這種復雜的斷層交織模式可能加劇了震后應力調(diào)整過程，導致余震活動的強度大、持續(xù)時間長。與此同時，對余震隨時間的衰減規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，其符合MOL模型，p值為0.74，反映了一個相對緩慢的能量釋放過程。這可能與研究區(qū)的高應力環(huán)境以及發(fā)震斷層的破碎性質(zhì)有關。已有研究表明，構(gòu)造活動強烈、巖體破碎度高的區(qū)域往往表現(xiàn)出較高的p值［30-31］，這與本文的結(jié)果相一致。因此，余震序列的時間衰減特征可以為區(qū)域構(gòu)造應力狀態(tài)提供另一種獨立約束。

天山造山帶是歐亞大陸最為活躍的地震帶之一。在印度板塊與歐亞板塊持續(xù)碰撞的遠程效應下，天山地區(qū)經(jīng)歷了強烈的擠壓縮短和陸內(nèi)變形，形成了一系列逆沖-走滑斷層［15，32］。這些斷層錯綜交織，加之高應力積累，為大地震的頻繁發(fā)生提供了有利的構(gòu)造環(huán)境。有研究指出，天山西段斷層帶全新世以來的平均滑動速率可達5～10 mm/a［19］，遠高于全球陸內(nèi)斷層的平均水平。因此，烏什7.1級地震及其強余震活動可以視為該區(qū)高應變能釋放的結(jié)果，這也預示著未來該區(qū)仍可能發(fā)生類似的破壞性地震。

除了耦合區(qū)域大地構(gòu)造背景外，發(fā)震斷層的性質(zhì)也是影響余震活動的關鍵因素。通過FNR重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)此次地震的破裂面呈現(xiàn)出明顯的分段特征，主要由多條不同走向的次級斷層組成。這些次級斷層在地震時的協(xié)同活動很可能加劇了震后應力的調(diào)整過程。一些研究表明，由多條斷層組成的復雜破裂面往往比單一平面狀破裂面釋放更多的能量，并伴隨更強烈的余震活動［33-34］。這可能是由于多斷層的鏈式觸發(fā)效應，以及破裂尖端應力集中效應等因素所致。因此，發(fā)震斷層的復雜性也是理解烏什地震余震序列的一個重要視角。

本研究采用的方法學在其他地震案例中也有廣泛的適用性。雙差定位和FNR重構(gòu)技術(shù)可以有效揭示震源區(qū)的精細結(jié)構(gòu)，有助于認識復雜構(gòu)造背景下的地震成因機制。MOL模型已在全球多個地震事例中得到成功應用［35-36］，證實了其在描述余震衰減特征方面的普適性。從烏什地震余震序列時空演化特征中，識別出了其與區(qū)域構(gòu)造環(huán)境和發(fā)震斷層性質(zhì)的密切關聯(lián)。這一認識不僅加深了對該區(qū)地震活動性的理解，也為周邊地區(qū)地震危險性評估提供了重要的科學依據(jù)。后續(xù)研究還需要綜合利用多學科觀測數(shù)據(jù)，開展震源破裂動力學的精細刻畫，也是深化認識地震發(fā)生機理的重要途徑。隨著觀測資料的不斷積累以及研究方法的創(chuàng)新發(fā)展，對大陸內(nèi)部強震的發(fā)生環(huán)境和孕育過程的理解必將不斷深入。

6結(jié)論

本文基于2024年1月23日新疆烏什MS7.1地震的余震序列數(shù)據(jù)，通過地震精定位、斷層成像以及余震衰減特征分析，獲得了如下主要認識：

（1） 通過雙差精定位方法得到本次地震余震序列的時空分布圖像，清晰地反映了新疆西南部復雜的現(xiàn)今構(gòu)造變形樣式，提高了余震事件的定位精度，揭示了其在空間上的密集分布特征。這為開展精細的震源過程分析提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎。

（2） 利用FNR方法成功重構(gòu)了烏什地震的三維發(fā)震斷層網(wǎng)絡。結(jié)果表明，余震發(fā)生區(qū)存在多條走向各異的次級斷層。這些都反映了復雜的區(qū)域構(gòu)造背景。這種斷層交織模式可能加劇了震后應力調(diào)整，導致了余震的強烈活動。

（3） 基于MOL模型計算得到此次地震的余震衰減參數(shù)p值為0.74，表征了一個相對緩慢的能量釋放過程。這可能與該區(qū)的高應力環(huán)境以及發(fā)震斷層的破碎性質(zhì)有關。

高精度的地震重定位和斷層重構(gòu)結(jié)果為余震序列活躍性及其衰減緩慢過程提供了直觀的解釋，即復雜的構(gòu)造環(huán)境和多向斷層滑移行為共同造就了這種余震特征。余震參數(shù)的異常高值進一步驗證了上述推論，充分說明斷裂帶復雜性是控制余震序列強度和持續(xù)時間的重要因素。本研究不僅對探討地震余震序列的發(fā)育機制提供了新視角，也為未來開展地震危險性評估提供了有益借鑒。

致謝：感謝新疆測震站網(wǎng)提供的震相報告資料，另外本文作圖使用了GMT繪圖軟件（Wessel等，2019）［37］，在此深表感謝。本文得到的新疆烏什地震精定位目錄可以訪問https：//github.com/20041170036/Xinjiang-Wushi/tree/main下載。

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（本文編輯：張向紅）