2014年新疆于田MS7.3地震序列和震源特征初步分析

孟令媛 周龍泉 張小濤 楊文 姚琪 宋金

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城三里河南橫街5號(hào) 100045

0 引言

2014年2月12日17時(shí)19分，新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)于田縣發(fā)生MS7.3地震，震中位置(36.1°N，82.5°E)，震源深度約為 17km(http://10.5.160.59/netoffice/module/info/portal/custom/dzj/dzj_news_display.jsp?GeneralID=13002)。該地震距離于田縣城約110km，距離民豐縣約100km，距離和田市區(qū)約250km，距離烏魯木齊市超過(guò)900km，最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離震中約50km，震中周?chē)貐^(qū)人口稀少，且周?chē)?0km范圍內(nèi)平均海拔超過(guò)5000m。該地震發(fā)生后于田、民豐縣城均有明顯震感，但無(wú)人員傷亡。2014年于田地震發(fā)生在西昆侖斷裂與阿爾金斷裂交匯區(qū)內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)斷裂帶的地震活動(dòng)水平較高，1600年以來(lái)300km范圍內(nèi)發(fā)生過(guò)MS5.0以上地震32次，MS6.0以上地震6次，MS7.0以上地震4次。MS7.0以上地震分別為1924年民豐MS7.3、MS7.2地震，2008年于田MS7.3地震及本次于田MS7.3 地震 (圖 1，http://10.5.160.59/netoffice/module/info/portal/custom/dzj/dzj_news_display.jsp?GeneralID=13002)。

圖1 2014年2月12日于田MS7.3地震的震中、震源機(jī)制、ML≥2.0余震分布(截至2014年2月23日12時(shí))以及1924年 MS7.3、MS7.2地震，2008年MS7.3地震和2012年MS6.2地震的震中

截至2014年2月23日12時(shí)00分，2014年于田MS7.3地震震后共記錄到余震4937次，其中MS3.0～3.9地震41次，MS4.0～4.9的16次，MS5.0～5.9的1次，截至目前，最大余震為2月12日17時(shí)24分發(fā)生的MS5.7地震(http://10.5.160.59/netoffice/module/info/portal/custom/dzj/dzj_news_display.jsp?GeneralID=13005)。2014年于田MS7.3地震發(fā)生后，張勇等(2014)第一時(shí)間給出了該地震的相關(guān)震源機(jī)制和破裂過(guò)程，他們基于地震的遠(yuǎn)震波形記錄，比較和分析了多種斷層面傾角的破裂過(guò)程模型，確定本次地震的震源機(jī)制為走滑型，且破裂比較集中，滑動(dòng)主要分布在深部，破裂未初露至地表。本次地震的發(fā)震位置為青藏高原北緣昆侖山脈的阿爾金斷裂帶附近，阿爾金斷裂帶位于巴彥喀拉塊體和塔里木塊體之間，為NNE向的左旋走滑斷裂帶(Xu et al，2012)。本文主要分析于田MS7.3地震的序列特征和相關(guān)參數(shù)，在已知震源機(jī)制解和破裂過(guò)程的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，綜合分析于田地震的相關(guān)震源特征。

1 于田MS7.3地震序列

2014年2月12日于田MS7.3地震發(fā)生前，11日10時(shí)14分同一地區(qū)發(fā)生MS5.4地震。該地震震中位于于田MS7.3地震震中西側(cè)約10km處，為于田MS7.3地震序列的前震(程佳等，2014)。根據(jù)全國(guó)地震編目的數(shù)據(jù)，截至2014年2月23日最大余震為MS5.7地震。圖2給出了于田MS7.3地震序列M-t圖，由圖2可見(jiàn)，2月11日MS5.4前震發(fā)生后約31小時(shí)即發(fā)生了MS7.3主震，前震與主震之間的小震并不豐富，僅有一些2、3級(jí)地震發(fā)生。因此，主震前的地震相對(duì)平靜現(xiàn)象較為明顯。2月12日MS7.3主震后余震十分豐富，以2、3級(jí)地震為主整體呈現(xiàn)衰減特征，本文成文時(shí)最后一次4級(jí)地震活動(dòng)為15日20時(shí)32分MS4.6地震(表1)，從16日開(kāi)始于田地震序列的衰減特征更為明顯，且從17日開(kāi)始間斷出現(xiàn)1天左右的3級(jí)地震平靜，表明于田MS7.3地震序列在此階段的發(fā)展程度相較于12～16日有所減弱。

圖2 2014年2月11～22日于田MS7.3地震序列M-t圖(a)ML2.0以上地震;(b)ML3.0以上地震

表1 2014年于田MS7.3地震序列MS≥4.0的余震目錄

圖3和圖4分別為于田MS7.3地震余震G-R關(guān)系圖及衰減系數(shù)h的示意圖。截至2月23日12時(shí)，序列的b、h值分別為0.70、1.29，對(duì)比2008年于田MS7.3地震序列0.81的b值和1.33的h值以及2012年于田MS6.2地震序列0.90的b值和1.39的h值，本次地震序列的b值稍小，但h值相當(dāng)。其中b值為G-R關(guān)系中的直線(xiàn)斜率，線(xiàn)性關(guān)系下斜率取值的大小直接反映了大小地震的比例關(guān)系;h值則是在較短的時(shí)間內(nèi)、在范圍不大的地區(qū)內(nèi)發(fā)生一群地震時(shí)判斷這些地震是否為前震的物理量(張國(guó)民等，2001)。

圖3 于田MS7.3地震余震G-R關(guān)系圖

圖4 于田MS7.3地震余震衰減關(guān)系h值擬合圖

對(duì)于主-余型地震序列，可以利用等待時(shí)間與其強(qiáng)余震發(fā)生時(shí)間(距離主震發(fā)生的時(shí)間)所遵從的對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)線(xiàn)性關(guān)系，來(lái)估算于田地震4.5級(jí)以上強(qiáng)余震的等待時(shí)間與它的發(fā)生時(shí)間之間的關(guān)系(圖5)(谷繼成等，1979)。由圖5可見(jiàn)，于田MS7.3地震的強(qiáng)余震遵從對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)線(xiàn)性關(guān)系，符合主-余型地震序列特征，即本次地震為前-主-余型地震(程佳等，2014)。

2 震源參數(shù)特征

2014年于田MS7.3地震的總標(biāo)量地震矩M0為3.04×1019N·m，對(duì)應(yīng)矩震級(jí)MW為6.92。斷層節(jié)面Ⅰ走向 242°，傾角 78°，滑動(dòng)角 -10°;節(jié)面Ⅱ走向 334°，傾角 80°，滑動(dòng)角-168°;其中節(jié)面Ⅰ為發(fā)震斷層，最佳波形擬合深度為17km(http://10.5.160.59/netoffice/module/info/portal/custom/dzj/dzj_news_display.jsp?GeneralID=13005)。美國(guó) USGS(http://comcat.cr.usgs.gov/earthquakes/eventpage/usc000mnvj#scientific_contributedsolutions)給出的相關(guān)震源機(jī)制解結(jié)果與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的結(jié)果基本一致(表2)。圖6為2014年于田MS7.3地震斷層面上滑動(dòng)位移分布情況的反演結(jié)果(張勇等，2014)。由圖6可見(jiàn)，此次于田地震破裂的滑動(dòng)量分布相對(duì)簡(jiǎn)單且集中，但不同于簡(jiǎn)單的以震源為中心的分布，呈現(xiàn)了一定的方向性，破裂未出露地表。

圖5 于田MS7.3地震的4.5級(jí)以上余震的等待時(shí)間法計(jì)算結(jié)果

表2 2014年于田MS7.3地震主震震源參數(shù)

圖6 于田MS7.3地震斷層面上滑動(dòng)位移分布情況(據(jù)張勇等(2014)的反演結(jié)果)

地震時(shí)以地震波形式傳播的能量叫做地震波輻射能量(ES)。地震波輻射能量為地震時(shí)釋放的總能量的一部分，ES與地震破裂過(guò)程中產(chǎn)生新的斷層面所消耗的破裂能(ER)和斷層從滑動(dòng)到停止過(guò)程中系統(tǒng)克服摩擦所做的功(Wf)共同構(gòu)成了地震時(shí)產(chǎn)生的總能量(E)。地震波輻射能量與震級(jí)有如下關(guān)系(Choy et al，1995)

式中MS為震級(jí)，ES的單位為J。Wyss等(1968)提出視應(yīng)力σa的概念，認(rèn)為視應(yīng)力是與地震輻射能量直接相關(guān)的物理量，其物理意義在于發(fā)震斷層單位面積輻射的地震波能量的大小。

式中M0為地震矩，單位 N·m;μ為介質(zhì)的剪切模量，通常取值為 3×1011dyn·cm-2。由式(1)、(2)及表2，可以求得于田MS7.3地震的視應(yīng)力σa為2.21～2.57MPa。

在不考慮破裂能(ER)的前提下，可以將震源動(dòng)態(tài)模型過(guò)程分為3種主要的模型:完全應(yīng)力降模型(Brune，1970;Orowan，1960)、應(yīng)力上調(diào)模型(Savage et al，1971)和應(yīng)力下調(diào)模型(Brune，1970、1976;Smith et al，1991;Zú?iga，1993)。這 3 種模型分別對(duì)應(yīng)于摩擦應(yīng)力等于、大于和小于斷層面上的終止剪切應(yīng)力的情況，結(jié)合斷層破裂過(guò)程中靜態(tài)應(yīng)力降(Δσs)，可以如下表示:當(dāng) 2σa=Δσs時(shí)，為完全應(yīng)力降模型;當(dāng) 2σa＜Δσs時(shí)，為應(yīng)力上調(diào)模型;當(dāng) 2σa＞Δσs時(shí)，為應(yīng)力下調(diào)模型。

基于Starr(1928)的泊松體模型，靜態(tài)應(yīng)力降Δσs的計(jì)算公式為

式中D為斷層面上的平均滑動(dòng)位移;W為斷層寬度。結(jié)合表2和圖6，斷層面上平均滑動(dòng)位移取值D①≈ 1.0m，W①=40km，則有Δσs①≈0.64MPa(其中①為標(biāo)注基于張勇等(2014)反演結(jié)果的震源參數(shù)計(jì)算結(jié)果)。

進(jìn)一步，引入地震地表破裂長(zhǎng)度L、地表破裂的平均位錯(cuò)D及矩震級(jí)MW的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(Donald et al，1994)

其中L的單位為km，式(4)、(5)是由大量包括走滑斷層、逆沖斷層和正斷層類(lèi)型的地震實(shí)測(cè)結(jié)果回歸關(guān)系得到的，具有普遍的適用性。結(jié)合表2中給出的矩震級(jí)取值，由式(4)、(5)可以計(jì)算得到，L②≈37～39km和D②≈0.89～0.93m，這里得到的L②較張勇等(2014)給出的結(jié)果明顯偏小(圖6，其中②為標(biāo)注基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算得到的震源參數(shù)估算結(jié)果)。進(jìn)而引入地震矩震級(jí)與斷層破裂面積對(duì)數(shù)之間的雙線(xiàn)性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算發(fā)震斷層破裂面積(Thomas et al，2002)

式中MW為地震矩震級(jí);A為斷層的破裂面積，式(6)在Thomas等(2002)文中原為分段函數(shù)，即以A取537 km2為分段點(diǎn)，當(dāng)A=537 km2時(shí)，MW≈6.71，由于本文涉及的于田地震矩震級(jí)大于6.71(表2)，由此可以得到A②≈720～830km2。對(duì)比張勇等(2014)給出的破裂過(guò)程結(jié)果，A②的取值與其滑動(dòng)位移大于0.3m的有效破裂面積相對(duì)一致性較高，且L②的取值也與滑動(dòng)集中區(qū)的有效破裂長(zhǎng)度(約40km)較為一致。因此，基于以上計(jì)算結(jié)果可以得到W②=A②/L②≈19～22km。將D②和W②的取值帶入式(3)中可以得到，Δσs②≈1.03～1.32MPa。

2014年于田MS7.3地震對(duì)應(yīng)斷層動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程中的應(yīng)力下調(diào)模式，但由于σa取值為2.21～2.57MPa，仍然能夠反映該地震在震中附近單位斷層面積輻射的地震波能量偏高;結(jié)合其應(yīng)力下調(diào)的斷層錯(cuò)動(dòng)模式，驗(yàn)證了張勇等(2014)給出的結(jié)果，即該地震破裂比較集中，滑動(dòng)主要分布在深部，破裂未初露至地表。參照前文基于式(4)～(6)計(jì)算得到的W②、A②及L②的取值，更加顯現(xiàn)了2014年于田MS7.3地震沿?cái)鄬幼呦蚱屏巡⒉话l(fā)育，這一點(diǎn)與滑動(dòng)位移集中區(qū)(圖6)是趨于一致的。

3 結(jié)論和討論

截至2014年2月23日12時(shí)00分，于田MS7.3地震序列2、3級(jí)地震較為豐富，衰減較為正常，b值約為0.7，h值為1.29，等待時(shí)間法顯示4.5級(jí)以上余震遵從線(xiàn)性關(guān)系，符合以往主-余型地震的特征。震源參數(shù)計(jì)算顯示，于田MS7.3地震的動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程為應(yīng)力下調(diào)模式，即地震能量釋放可能并不十分完全，這與該地震的b值小于2008年于田MS7.3、2012年于田MS6.2地震的b值的特點(diǎn)相符。整體上，2014年于田MS7.3地震為前-主-余型地震序列，該序列主要缺少5～6級(jí)地震的活動(dòng)。

由于2014年于田MS7.3地震主發(fā)震斷層未破裂至地表，且其余震空間展布較現(xiàn)有斷層面反演結(jié)果相對(duì)偏小(張勇等，2014;圖1、6)，且圖6中給出的發(fā)震斷層面的長(zhǎng)度與基于前述式(4)、(5)給出的估算結(jié)果存在一定的差異，顯示了僅應(yīng)用矩震級(jí)單一參數(shù)來(lái)約束計(jì)算斷層的長(zhǎng)度存在一定的局限。盡管如此，前文中基于斷層面上反演結(jié)果和結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式分別給出的斷層動(dòng)態(tài)破裂模式卻是一致的，均為應(yīng)力下調(diào)模式，其對(duì)應(yīng)的破裂過(guò)程突然鎖住即破裂不發(fā)達(dá)與主發(fā)震斷層未破裂至地表是相對(duì)一致的，也就從另一方面證明了本文中所采用的基于震源參數(shù)分析地震動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程方法的合理性。

2013年4月20日蘆山MS7.0地震發(fā)生后，孟令媛等(2013)基于視應(yīng)力 σa、斷層錯(cuò)動(dòng)模式對(duì)其開(kāi)展了相關(guān)研究，指出蘆山地震與汶川地震分別屬于應(yīng)力下調(diào)和應(yīng)力上調(diào)兩種模式，盡管二者均發(fā)生在龍門(mén)山斷裂帶上，且均為逆沖機(jī)制，但二者震源附近破裂方式有所不同，表現(xiàn)在地表上余震的分布形態(tài)也有所不同。因此，針對(duì)2014年于田MS7.3地震周?chē)鷱?qiáng)震的余震分布的差異性(程佳等，2014)，也可以由視應(yīng)力和斷層錯(cuò)動(dòng)模式相結(jié)合的方法進(jìn)行深入研究。未來(lái)的研究工作中，可以針對(duì)2014年于田MS7.3地震周?chē)鷧^(qū)域4次MS7.0及以上強(qiáng)震的震源特征開(kāi)展震源參數(shù)特征的比較研究，以總結(jié)該區(qū)域強(qiáng)震震源動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程的特征。

致謝：本文在成稿過(guò)程中，劉桂萍研究員、劉杰研究員、蔣海昆研究員和張永仙研究員給予了有益的指導(dǎo)與幫助，作者謹(jǐn)表謝意。