天山活動(dòng)地塊地震的震源機(jī)制

丁 亮，高爾根，孫守才，鄧曉果，劉 驍

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201;2.中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002）

天山活動(dòng)地塊地震的震源機(jī)制

丁 亮1，高爾根1，孫守才1，鄧曉果2，劉 驍1

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201;2.中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002）

利用天山地塊的地震震源機(jī)制解，并結(jié)合Google Earth遙感影像驗(yàn)證了柯坪地區(qū)內(nèi)逆沖推覆構(gòu)造帶發(fā)震斷裂的走向。討論了喀什地區(qū)地震空區(qū)的形變特征和區(qū)域應(yīng)力場，同時(shí)根據(jù)Google Earth遙感影像中地震空區(qū)的地貌類型，分析了地震空區(qū)周圍的形變特征，推斷地震空區(qū)附近薄弱介質(zhì)區(qū)域的地震危險(xiǎn)性較高。此外，還根據(jù)天山地區(qū)的地震震源機(jī)制在Google Earth遙感影像上的分布規(guī)律，并結(jié)合地質(zhì)信息分析了震源機(jī)制分區(qū)差異性的形成原因和造成這種差異的背景應(yīng)力場。

活動(dòng)地塊；震源機(jī)制；Google Earth圖像；天山

0 引言

天山活動(dòng)地塊［1-2］位于西域活動(dòng)地塊中，屬于Ⅱ級(jí)地塊。在印度板塊與歐亞大陸自晚新生代以來碰撞的背景下，天山活動(dòng)地塊受到由南向北的強(qiáng)烈擠壓［3］而發(fā)育有 17條規(guī)模較大的斷裂［4］。天山地塊中地殼介質(zhì)的不均勻［5-6］使得其內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力分布不均，造成局部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，形成了天山地區(qū)地貌上的差異。郭飚［7］等利用地震層析成像的方法研究了天山地塊區(qū)地殼和上地幔介質(zhì)的不均勻性。劉代芹［8］利用天山中部重力場的時(shí)空變化特征研究了局部地區(qū)在應(yīng)力集中情況下介質(zhì)的物理特性。胥頤［9］認(rèn)為天山地區(qū)正負(fù)磁異常帶與地震活動(dòng)區(qū)域有關(guān)。天山地震帶的低速帶內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生的形變是由帕米爾、南天山和塔里木之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的［10］。物性結(jié)構(gòu)、形變速率、升降幅度等方面的差異造成伽師、烏恰、喀什一帶發(fā)生強(qiáng)烈地震［10］。持續(xù)的應(yīng)力作用下，地殼介質(zhì)會(huì)發(fā)生形變和強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，這種變形可以通過分析GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，從而可以將大地測量學(xué)的方法用來研究天山地塊地殼運(yùn)動(dòng)和推斷地殼應(yīng)力場。馬宗晉［12］利用GPS測量的數(shù)據(jù)給出了天山地塊區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下的地殼位移速率。Abdrakhmatov K Y［11］利用GPS觀測資料反演出了中國大陸地地殼水平運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一速度場。利用GPS的觀測數(shù)據(jù)能推測出天山地塊應(yīng)力分布。應(yīng)力的作用形式?jīng)Q定了發(fā)震斷裂的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，利用震源機(jī)制反演天山地區(qū)地殼應(yīng)力場成為可行的方法。龍海英［13］等利用天山地區(qū)中強(qiáng)地震的震源機(jī)制給出了天山地區(qū)區(qū)域應(yīng)力背景場的力學(xué)參數(shù)，分析了北天山地區(qū)中強(qiáng)地震的發(fā)震斷裂主要以傾滑逆斷層為主。李瑩甄［14］等利用天山中段的地震震源機(jī)制給出烏魯木齊地區(qū)震源機(jī)制解與區(qū)域應(yīng)力場特征，并分析了烏魯木齊地區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場應(yīng)力的方向性質(zhì)。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用航空影像研究地殼斷裂活動(dòng)性質(zhì)成為可能，InSAR技術(shù)已應(yīng)用于提取地殼形變信息和分析地震前后地表的位移量［15］。并在分析汶川地震地面位移效應(yīng)和地質(zhì)災(zāi)害方面取得較好的效果［16］。作為較易獲取的遙感影像，Google Earth遙感影像已經(jīng)用于地震應(yīng)急研究［17］和地震勘探［18］。 我們利用天山地塊中矩震級(jí)大于5.0的地震資料獲取發(fā)震斷裂的位置，并通過這些地震的震源機(jī)制解推斷斷裂的應(yīng)力性質(zhì)和地震的力學(xué)特征，地震震源機(jī)制解包含主節(jié)面和輔節(jié)面，結(jié)合Google Earth影像所反映的地貌特征可以分析發(fā)震斷層真實(shí)的破裂面，同樣基于Google Earth圖像中所顯示的發(fā)震構(gòu)造，可以評(píng)價(jià)相同類型的構(gòu)造區(qū)域的地震危險(xiǎn)性，對(duì)地震危險(xiǎn)區(qū)的劃定具有參考價(jià)值。

1 資料選取

地震震源位錯(cuò)理論［19，20］和活動(dòng)地塊理論［2］認(rèn)為斷層發(fā)生的快速位錯(cuò)是導(dǎo)致地震的主要原因，斷裂帶的分布與地震震中的位置有較大的相關(guān)性，地震震中分布特征能直接反應(yīng)活動(dòng)斷裂的展布規(guī)律，并且地震的震源機(jī)制能反映出斷層的運(yùn)動(dòng)形式。為了結(jié)合Google Earth圖像驗(yàn)證天山活動(dòng)地塊中幾個(gè)較大的斷裂的走向和地球動(dòng)力學(xué)信息，我們選取了1980年1月1日至2013年1月1日時(shí)間段內(nèi)38°～48°N，70°～90°E范圍內(nèi)，矩震級(jí)大于5.0的183個(gè)地震，通過分析地震震中位置確定近期發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)斷裂帶的空間位置。

我們利用哈佛全球矩心矩張量解數(shù)據(jù)，下載了上述183個(gè)地震的震源機(jī)制解進(jìn)行分析。由于矩震級(jí)能反應(yīng)出地震破裂過程中釋放的能量的量級(jí)，矩震級(jí)與震源區(qū)的破裂范圍大小和介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)［21］：

M0為地震矩，單位N·m，μ為剪切模量，D是震源斷裂面積上的平均位錯(cuò)，S是斷裂面積。由于震源機(jī)制解包含主節(jié)面和輔節(jié)面，因此在分析震源機(jī)制解時(shí)結(jié)合Google Earth遙感影像，從地貌上大致分辨出發(fā)震斷裂真實(shí)的破裂面。

Google Earth是Google公司發(fā)布的一款具有全球定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）功能的軟件。我們下載了Google Earth所提供的遙感影像，經(jīng)過坐標(biāo)校正后將遙感圖進(jìn)行構(gòu)造解譯，并將地震的震中投影到遙感影像上，同時(shí)，我們將地震的震源機(jī)制圖像添加在遙感影像中，并根據(jù)震源機(jī)制的差異將天山地塊的進(jìn)行分區(qū)研究，這便于結(jié)合地貌特征分析斷層性質(zhì)和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場。

2 研究分析

圖1所示為天山地塊中矩震級(jí)大于5.0的183個(gè)地震的震中位置。天山地區(qū)地震分布不均勻，整體呈現(xiàn)南天山地震多，北天山地震少，震級(jí)較大的地震主要集中在天山南部地區(qū)。天山地塊處于印度板塊與歐亞板塊的縫合帶上，自南向北的擠壓應(yīng)力使得天山南部的構(gòu)造薄弱的地區(qū)易形成應(yīng)力集中區(qū)域，進(jìn)而發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造形變，造成天山南部地區(qū)地震頻繁，同時(shí)震級(jí)較大。在40°N附近能觀測到方位為NEE向地震條帶，在39°31′16.45″N，74°16′03.46″E位置處可見地震空區(qū)。

圖1 天山地塊地震震中Fig.1 Epicenters in Tianshan Block Earthquakes

圖2給出了喀什地區(qū)西南側(cè)地震空區(qū)附近的震級(jí)大于5.0的地震震中和震源機(jī)制。該地震空區(qū)發(fā)生過強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和介質(zhì)形變，地貌上表現(xiàn)為褶皺帶，反應(yīng)出該區(qū)域的運(yùn)動(dòng)形式以擠壓形變?yōu)橹?，地震空區(qū)附近以逆斷層震源機(jī)制為主，空區(qū)東北側(cè)的地震主要發(fā)生在構(gòu)造不連續(xù)處。結(jié)合表1中給出的震源機(jī)制參數(shù)可推斷空區(qū)東北側(cè)的應(yīng)力方向?yàn)楸北睎|方向，而西側(cè)的應(yīng)力沿著北西方向?？諈^(qū)東北側(cè)與西側(cè)的震源機(jī)制有明顯的差異，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在擠壓應(yīng)力作用下地震空區(qū)內(nèi)的介質(zhì)將應(yīng)力沿著弱彈性介質(zhì)傳遞，造成區(qū)域應(yīng)力集中進(jìn)而誘發(fā)地震。地殼介質(zhì)的物性差異和擠壓應(yīng)力的非均勻分布造成了地震空區(qū)東北側(cè)與西側(cè)震源機(jī)制的差別。擠壓應(yīng)力沿著地殼介質(zhì)的薄弱區(qū)發(fā)生積累造成緩慢的地殼形變并進(jìn)而發(fā)展形成強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。由此可得出，地震空區(qū)附近的薄弱介質(zhì)區(qū)域地震危險(xiǎn)性較高。

圖2 地震空區(qū)周圍地震震源機(jī)制Fig.2 Earthquake Focal M echanism around the Seism ic Gap

表1 地震空區(qū)周圍地震及其震源機(jī)制解參數(shù)Tab.1 Ear thquake Focal M echanism Param eters around Seism ic Gap

表1中給出了空區(qū)周圍地震的震源機(jī)制解參數(shù)，結(jié)合Google Earth圖像，可以從震源參數(shù)中所給出的兩個(gè)節(jié)面中確定出真實(shí)發(fā)震斷裂的走向，地震空區(qū)東北側(cè)斷裂走向?yàn)?06°—122°之間，斷裂傾角在44°—63°之間?？諈^(qū)西側(cè)斷裂走向?yàn)?3°—128°之間，斷裂傾角為53°—88°之間。地震空區(qū)東側(cè)編號(hào)為10—15的地震及震源機(jī)制表明斷裂以逆斷層和斜滑逆沖斷層為主。

發(fā)震斷裂的力學(xué)性質(zhì)受到外部應(yīng)力和地殼介質(zhì)性質(zhì)的影響，在圖3給出了區(qū)域Ⅱ中地震震源機(jī)制，在區(qū)域Ⅱ（39°0′0″N，76°15′00″E—39°45′0″N，78°00′00″E）中，地震的震中分布不均勻，部分地區(qū)較為集中。這反映了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的差異，同時(shí)也表明該區(qū)域中地殼介質(zhì)的不均勻性和區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的差異，能觀測到地震震源機(jī)制的分區(qū)差異性。

結(jié)合表2所給定的震源機(jī)制參數(shù)，在77°00′00″E以東，地震震源機(jī)制以逆斷層為主，而在39° 30′00″N，76°55′00″E附近地震震源機(jī)制表現(xiàn)為正斷層，震源機(jī)制的轉(zhuǎn)變顯示了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，在擠壓應(yīng)力的作用下，地殼介質(zhì)發(fā)生構(gòu)造形變造成局部應(yīng)力集中發(fā)生錯(cuò)斷形成逆沖斷層，在正斷層由于擠壓變形造成局部地區(qū)產(chǎn)生張性斷裂，張性斷裂屬于被動(dòng)形變，其所造成的地面形變量較小，故在Google Earth遙感影像中不能有效地識(shí)別。

圖3 區(qū)域Ⅱ地震震源機(jī)制解Fig.3 Earthquake Focal M echanism s in A reaⅡ

震源機(jī)制的分區(qū)差異反映了天山地塊內(nèi)部應(yīng)力的不均勻分布，應(yīng)力的這種分布形式與天山地塊中介質(zhì)的非均勻性有關(guān)。認(rèn)為正斷層的震源機(jī)制存在于背斜轉(zhuǎn)折端，而逆斷層的震源機(jī)制則存在于兩翼根部的擠壓型區(qū)域。并且，在外部擠壓應(yīng)力的作用下，地震發(fā)生的位置主要集中于正斷層震源機(jī)制區(qū)域和逆斷層震源機(jī)制區(qū)域，而這兩個(gè)區(qū)域之間的過度區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定，地震危險(xiǎn)性較小。圖4給出了柯坪推覆構(gòu)造帶（區(qū)域Ⅲ（39°35′48.12″～40°49′12.32″N，76°35′48.12″～78°50′55.46″E））內(nèi)發(fā)生的地震的震源機(jī)制。區(qū)域中擠壓褶皺發(fā)育，并有較大規(guī)模的斷層。結(jié)合該地區(qū)的地震的震源機(jī)制和遙感影像圖，可推斷出發(fā)震斷裂的走向和區(qū)域應(yīng)力場。

褶皺的走向反應(yīng)了區(qū)域形變特征，圖4所示地貌特征和表3給定的參數(shù)能推斷出區(qū)域中斷裂走向呈北北東向或北東向，斷裂走向在38°～82°范圍內(nèi)，并且可推測出區(qū)域應(yīng)力場呈北北西向。

3 結(jié)論與討論

本文利用天山地塊的地震震源機(jī)制解并結(jié)合Google Earth圖像作為約束條件，嘗試驗(yàn)證天山地塊區(qū)中斷裂的走向信息，得到了較好的效果。由于Google Earth圖像容易獲取，且其提供的精度能滿足研究宏觀斷裂位置以及分析區(qū)域構(gòu)造變形特征要求。因而具有較大的優(yōu)勢。但要研究局部地震斷裂的位移量和應(yīng)力變化則需要借助其他測量手段。

表2 區(qū)域Ⅱ的震源機(jī)制參數(shù)Tab.2 Ear thquake Focal M echanism s Param eters in AreaⅡ

圖4 柯坪逆沖推覆構(gòu)造區(qū)震源機(jī)制Fig.4 Earthquake Focal M echanism in Kepin A rea

表3 區(qū)域Ⅲ震源機(jī)制解參數(shù)Tab.3 Earthquake Focal M echanism Param eters in A reaⅢ

分析了喀什地區(qū)地震空區(qū)及其周邊地區(qū)的形變特征?？κ驳貐^(qū)附近的地震空區(qū)發(fā)生過強(qiáng)烈的構(gòu)造變形，在地貌上表現(xiàn)為擠壓褶皺，地震空區(qū)附近的地震震中呈現(xiàn)區(qū)域分布，且震源機(jī)制表現(xiàn)為逆斷層發(fā)震機(jī)制。表明在擠壓應(yīng)力的作用下地震空區(qū)將應(yīng)力傳遞地殼介質(zhì)相對(duì)薄弱的區(qū)域。該類區(qū)域的介質(zhì)在同樣大小的應(yīng)力作用下更容易發(fā)生地殼形變和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，因而，認(rèn)為地震空區(qū)附近薄弱介質(zhì)區(qū)域地震危險(xiǎn)性較高。

分析了喀什-伽師地區(qū)中地震震源機(jī)制解的分片特征，地震斷層的力學(xué)性質(zhì)受到外部應(yīng)力和發(fā)震斷層的性質(zhì)影響，天山地塊受到由南向北的擠壓應(yīng)力作用下，地層形成褶曲和層間滑脫作用，在大規(guī)模隆起的轉(zhuǎn)折端形成一系列的正斷層，同時(shí)在地層邊界區(qū)域由于擠壓應(yīng)力集中，形成逆斷層。這就造成了在喀什-伽師地區(qū)地震震源機(jī)制出現(xiàn)逆斷層-正斷層的變化，與擠壓應(yīng)力相比，拉張型應(yīng)力造成的地殼形變量較小，故很難在Google Earth遙感影像中識(shí)別，區(qū)域上，震源機(jī)制的分片差異性表明天山地塊中地殼介質(zhì)的不均勻性。在逆沖型斷裂與拉張型斷裂之間的過渡區(qū)中大震較少，其原因可能是應(yīng)力在正斷裂和逆斷裂區(qū)耗散，故過渡區(qū)地震危險(xiǎn)性較小。

驗(yàn)證了柯坪斷隆區(qū)斷裂的走向，在壓應(yīng)力作用下，地殼介質(zhì)形成的褶皺帶與斷裂帶的走向有很大的相關(guān)性，結(jié)合Google Earth遙感影像和震源機(jī)制參數(shù)，得出柯坪斷隆區(qū)的斷裂走向在38°～82°范圍內(nèi)，擠壓應(yīng)力為北北西方向，這種結(jié)果與前人［22，23］的研究成果接近，從而證明了結(jié)合Google Earth遙感影像和震源機(jī)制推測斷裂性質(zhì)的方法是有效的。

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Earthquake Focal M echanism of Tianshan Blocks

Ding Liang1，Gao Ergen1，Sun Shoucai1，Deng Xiaoguo2，Liu Xiao1

（1.Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，China；2.Geophysical Exploration Center，China Earthquake Administration，Zhengzhou 450002，China）

Based on Google Earth image and Earthquake focalmechanism solutions of Tianshan active tectonic blocks，we determined the strike of earthquake fault.We also discussed the deformation characteristics and regional stress field of seismic gap.According to Google Earth remote sensing image of earthquake gap area，we believed that nonrigid region holds high-risk of earthquake.Moreover，Google Earth Image with CMT resu lt indicated the difference of structure and media，and we analyzed the stress filed of this situation.

active tectonic block；earthquake focalmechanism；Google Earth Image；Tianshan

P315.3

A

1673-8047（2014）02-0042-07

2014-02-20

國家自然科學(xué)基金 （41174043）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（ZY20120101）

丁亮（1991— ），男，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)榈卣鸨O(jiān)測。