2017年精河MS 6.6地震序列及震源特征初步分析

姜祥華 韓顏顏 楊文 孟令媛

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

0 引言

北京時(shí)間2017年8月9日7時(shí)27分，新疆博爾塔拉州精河縣發(fā)生MS6.6地震，震中44.3°N、82.9°E，震源深度 11km（http：//10.5.160.59/netoffice/moduleinfoportal/custom/dzj/dzj＿news＿display.jsp？GeneralID=17676）。震中距精河縣城約37km，距博爾塔拉蒙古自治州博樂(lè)市約95km，距伊犁哈薩克自治州伊寧市約130km，距烏魯木齊市約380km，石河子、昌吉、烏魯木齊等多地有震感。截至8月9日11時(shí)，地震共造成精河縣32人受傷，其中，重傷2人。地震還造成精河縣142間房屋倒塌，1060間房屋受損，61處院墻、26座畜圈倒塌，4條牧道受損，縣城62棟樓房裂縫；伊犁州2間房屋、1座畜圈倒塌，544間房屋、36座畜圈受損。

精河MS6.6地震發(fā)生在庫(kù)松木契克山前斷裂附近，該區(qū)域地震活動(dòng)水平較高，有歷史記錄以來(lái)，震中附近100km范圍內(nèi)共發(fā)生5.0級(jí)以上地震27次，其中，6.0級(jí)以上地震9次，6.5級(jí)以上地震5次，分別為1765年2月9日精河6.5級(jí)地震，1812年3月8日尼勒克東8.0級(jí)地震，1944年3月10日新源東北6.5級(jí)、7.2級(jí)地震和1955年4月24日烏蘇西南6.5級(jí)地震。5次6.5級(jí)以上地震中，距離最近的為1765年2月9日精河6.5級(jí)地震，震中位于此次震中正北方向約48km處；時(shí)間最近的為1955年4月24日烏蘇西南6.5級(jí)地震，震中距此次震中約56km；震級(jí)最大的為1812年3月8日尼勒克東8.0級(jí)地震，震中距此次震中約80km（圖 1）。

圖1 精河MS 6.6地震震中、震源機(jī)制、ML≥2.0余震分布以及距此次震中100km范圍內(nèi)6.5級(jí)以上地震分布

根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心數(shù)據(jù)，截至2017年8月20日23時(shí)59分，精河MS6.6地震序列共記錄到余震324次，其中，MS3.0～3.9地震16次，MS4.0～4.9地震6次，最大余震為 8月9日7時(shí)44分發(fā)生的MS4.7地震（表1）。根據(jù)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所給出的發(fā)震構(gòu)造，此次地震的發(fā)震斷層未出露至地表，震中位置靠近庫(kù)松木契克山前斷裂附近，該斷裂為全新世右旋逆斷層，斷層走向 290°～300°，斷層傾向 SSW，斷層傾角 40°～60°（http：//www.csi.ac.cn/manage/eqDown/05 LargeEQ/201708090727M 6.6/zonghe.html）。中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心（CENC）基于遠(yuǎn)震波形記錄給出該地震的震源機(jī)制，結(jié)果顯示精河地震為逆沖型，震源機(jī)制所顯示的節(jié)面方向與斷層走向基本符合，余震空間分布呈近EW向特征，與附近發(fā)震斷層走向及震源機(jī)制解節(jié)面方向相對(duì)一致（圖1、表2）。

本文主要研究精河MS6.6地震序列及震源參數(shù)特征。首先，利用余震精定位結(jié)果分析序列的空間分布特征；然后，基于M-t圖分析序列隨時(shí)間的衰減特征，并計(jì)算b值、h值等參數(shù)；再結(jié)合已知的主震震源參數(shù)反演結(jié)果，利用波形資料計(jì)算序列中顯著余震的視應(yīng)力等參數(shù)，通過(guò)分析余震視應(yīng)力隨時(shí)間及震級(jí)的變化特征，進(jìn)一步明確該地震序列的震源參數(shù)特征和序列類(lèi)型。

表1 精河MS 6.6地震、MS≥3.0余震及視應(yīng)力

表 2 精河MS 6.6地震主震震源參數(shù)

1 余震精定位的空間分布特征

地震活動(dòng)與構(gòu)造密切相關(guān)，分析小震時(shí)空特征有助于推斷斷層幾何形態(tài)及地殼內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)（陳佳維等，2017），因此，準(zhǔn)確地確定余震的位置，尤其是深度，對(duì)判斷序列發(fā)展趨勢(shì)具有重要作用（鄭勇等，2017）。為了更好地考察余震在空間上的分布情況，本研究對(duì)精河MS6.6地震序列采用雙差定位方法進(jìn)行重新定位，到時(shí)數(shù)據(jù)基于2017年8月9～20日ML≥2.0地震事件相應(yīng)的新疆地震臺(tái)網(wǎng)震相觀測(cè)報(bào)告（Waldhauser et al，2000；朱艾斕等，2005；楊文等，2017）。選擇震中距300km以內(nèi)臺(tái)站記錄到的Pg、Sg波震相資料，共計(jì)1039條，一般情況下，P波震相為初至波，讀數(shù)精度高于S波，故在計(jì)算過(guò)程中對(duì)P波讀數(shù)賦予1.0的權(quán)重，對(duì)S波讀數(shù)賦予0.5的權(quán)重，并采用Crust1.0模型作為地殼速度模型。

共重新定位出53個(gè)地震事件，重新定位后的余震分布如圖2（a）所示，與前文所述的余震分布基本一致，也明顯地沿近EW向分布，與庫(kù)松木契克山前斷裂的走向基本一致。圖2（a）中AA′、BB′為2條測(cè)線，圖2（b）、2（c）給出了余震在相應(yīng)剖面上的分布情況。余震的深度主要集中在5～15km，BB′剖面上余震主體分布較窄，集中在主震附近，其中，ML≥3.0地震分布整體呈向北傾斜狀，與庫(kù)松木契克山前斷裂的傾向大體吻合。AA′剖面顯示，余震均位于主震西側(cè)，A′至A由東至西呈現(xiàn)明顯的單側(cè)破裂特征，表明此次地震沿走向的破裂比較充分。

圖2 精河MS 6.6地震及余震重新定位后震中分布及其不同方向深度剖面

2 余震序列隨時(shí)間的衰減特征

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，精河MS6.6地震的最大震級(jí)余震為8月9日7時(shí)44分MS4.7地震，其發(fā)生在主震之后約17min。圖3給出了精河MS6.6地震序列的M-t圖。由圖3可見(jiàn)，主震之后2、3級(jí)余震相對(duì)豐富，余震整體呈現(xiàn)明顯的隨時(shí)間衰減特征。8月10日8時(shí)之后，余震活動(dòng)明顯地減弱，ML≥3.0地震活動(dòng)的時(shí)間間隔明顯變大，且在13～16日出現(xiàn)了超過(guò)2天的ML≥3.0地震平靜。自8月9日13時(shí)22分MS4.6地震之后直到8月20日23時(shí)59分，其間再無(wú)MS≥4.0地震活動(dòng)，震級(jí)最大的余震為8月18日17時(shí)19分的MS3.4地震（表1、圖3）。

圖3 2017年8月9～20日精河 MS 6.6地震序列M-t圖

由蔣海昆等（2006b、2006c）對(duì)中國(guó)大陸中強(qiáng)地震序列類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果可知，1970年以來(lái)記錄相對(duì)完整的294次5.0級(jí)以上地震序列中，絕大多數(shù)為主-余型或孤立型，約占82.3%，1970年以來(lái)新疆地區(qū)可明確判定序列類(lèi)型的10次6.5級(jí)以上地震全部都為主-余型。最大震級(jí)地震與次大震級(jí)地震的震級(jí)差也可用來(lái)進(jìn)行序列分類(lèi)，ΔM≥2.5且余震次數(shù)較少的為孤立型地震，0.6≤ΔM≤2.4為主-余型地震，ΔM＜0.6為多震型地震（蔣海昆等，2006a）。參照表1，截至2017年8月20日最大余震震級(jí)為MS4.7，與主震的震級(jí)差為1.9級(jí)，小于2.4，因此，可以排除序列為孤立型的可能，進(jìn)一步結(jié)合前文關(guān)于歷史地震的統(tǒng)計(jì)結(jié)果及圖2、3余震的空間、時(shí)間分布初步判定，此次精河MS6.6地震序列為主-余型的可能性較大。

G-R關(guān)系lgN=a－bM是古登堡和里克特在研究全球地震活動(dòng)性時(shí)提出的經(jīng)驗(yàn)公式，它表明地震頻度的對(duì)數(shù)與震級(jí)之間存在線性關(guān)系，其中，b值為直線斜率，b值的大小直接反映了不同震級(jí)地震之間的比例關(guān)系。h值則是判斷在較短時(shí)間、較小區(qū)域內(nèi)發(fā)生的一群地震是否為前震的參數(shù)（張國(guó)民等，2001；劉正榮等，1986）。圖4、5分別為精河MS6.6地震余震序列的G-R關(guān)系和衰減系數(shù)h值擬合圖。由圖4、5可見(jiàn)，序列的b值為0.54，反映出較小震級(jí)地震所占比例較小，外推最大余震震級(jí)約為MS5.6（ML5.9），與主震震級(jí)差大于0.6且小于2.4，h值為2.17，明顯大于1，以上參數(shù)結(jié)果均呈現(xiàn)主-余型地震序列的特征。

圖4 精河MS 6.6地震余震G-R關(guān)系擬合圖

圖5 精河MS 6.6地震余震衰減關(guān)系h值擬合圖

谷繼成等（1979）針對(duì)主-余型地震指出，其余震的等待時(shí)間Δt與發(fā)生時(shí)間t遵從雙對(duì)數(shù)線性關(guān)系

其中，等待時(shí)間Δt指余震距上次余震的時(shí)間；發(fā)生時(shí)間t指余震距主震的時(shí)間。圖6對(duì)此次精河MS6.6地震序列中MS≥4.0余震的等待時(shí)間與發(fā)生時(shí)間在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下進(jìn)行了擬合，結(jié)果顯示出較好的線性關(guān)系，同樣符合主-余型地震序列的特征，這進(jìn)一步表明精河MS6.6地震序列為主-余型的可能性較大。

圖6 精河MS 6.6地震序列中MS≥4.0余震的等待時(shí)間法計(jì)算結(jié)果

3 主震震源參數(shù)及余震視應(yīng)力特征

3.1 主震震源參數(shù)

主震的震源機(jī)制解和主要滑動(dòng)量分布對(duì)于確定發(fā)震斷層和孕震機(jī)制具有重要意義（Xie et al，2015）。精河MS6.6地震的矩震級(jí)MW約為6.3。斷層節(jié)面I走向76°，傾角44°，滑動(dòng)角80°；節(jié)面Ⅱ走向269°，傾角47°，滑動(dòng)角99°；其中，節(jié)面Ⅰ為發(fā)震斷層，波形擬合的最佳質(zhì)心深度為 23km（http：//www.csi.ac.cn/manage/eqDown/05 LargeEQ/201708090727M6.6/zonghe.html）。 GCMT（http：//www.globalcm t.org）和 USGS（https：//earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us2000a65e＃moment-tensor）所給出的震源機(jī)制解相關(guān)結(jié)果與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的結(jié)果基本一致，震源機(jī)制所顯示的節(jié)面方向均與庫(kù)松木契克山前斷裂走向基本吻合（表2）。由陳運(yùn)泰院士小組對(duì)精河地震斷層面上靜態(tài)滑動(dòng)量分布的反演結(jié)果可知（圖7）（http：//www.cea-igp.ac.cntpxw275885.html），發(fā)震斷層面上的滑動(dòng)量分布范圍較小，有效破裂面積不大，最大滑動(dòng)量集中在大約沿傾向距離10km處，與主震破裂未出露地表的野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果一致?；瑒?dòng)量較一致的梯度分布反映出主震破裂較為充分，相應(yīng)的后續(xù)小震會(huì)相對(duì)偏少，這可能是前文算得的序列b值偏低的原因。另外，主震的主要滑動(dòng)量分布與余震位置間有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常余震主要分布在主震破裂區(qū)的周?chē)ㄠ嵱碌龋?017）。前文精定位結(jié)果顯示，余震均分布在初始破裂點(diǎn)西側(cè)，此處滑動(dòng)量反演結(jié)果也顯示破裂主要發(fā)生在主震西側(cè)，兩者高度吻合，這都一致表明主震為一次單側(cè)破裂。

圖7 精河MS 6.6地震斷層面上靜態(tài)滑動(dòng)量分布

3.2 余震視應(yīng)力

地震視應(yīng)力作為一種震源參數(shù)，被認(rèn)為能夠反映震源所在區(qū)域的應(yīng)力水平。地震視應(yīng)力越高，震源所在區(qū)域的應(yīng)力水平就越高；反之，震源所在區(qū)域的應(yīng)力水平則低（陳學(xué)忠等，2003）。劉紅桂等（2006、2007）對(duì)云南地區(qū)中小地震視應(yīng)力的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于云南地區(qū)，中小地震的視應(yīng)力超過(guò)某一特定值即可作為預(yù)測(cè)該地區(qū)未來(lái)發(fā)生中強(qiáng)地震的一個(gè)參考指標(biāo)。李艷娥等（2012）研究了2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震前四川地區(qū)視應(yīng)力的空間分布及隨時(shí)間的變化發(fā)現(xiàn)，震前5年的時(shí)間內(nèi)，汶川地震震源區(qū)的視應(yīng)力呈現(xiàn)先上升、后下降的過(guò)程，且在臨震前有一定幅度的上升。

本文利用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的數(shù)字波形資料，計(jì)算了精河MS6.6地震余震序列的視應(yīng)力，計(jì)算采用距主震震中300km范圍內(nèi)的17個(gè)臺(tái)站所記錄的波形資料。地震視應(yīng)力的計(jì)算公式為（Wyss，1970）

其中，σapp為地震視應(yīng)力；μ為剪切模量，通常取值為3×1010Pa；ES為地震波輻射能量；M0為地震矩。地震視應(yīng)力的物理意義為發(fā)震斷層單位面積每單位錯(cuò)動(dòng)所釋放的地震波能量。

利用波形資料對(duì)震源譜進(jìn)行反演，可以計(jì)算出地震波輻射能量和地震矩，進(jìn)而利用式（2）求得視應(yīng)力。中小地震的震源譜可用Brune圓盤(pán)模型描述（Brune，1970），震源譜可用下式表示

其中，Ω0為零頻極限值；fc為拐角頻率，利用實(shí)際波形數(shù)據(jù)可計(jì)算得到Ω0和fc，計(jì)算步驟可參見(jiàn)陳學(xué)忠等（2007），進(jìn)一步可用下式求得地震矩M0（李艷娥等，2015）

式中，ρ為地殼介質(zhì)密度（取2.71g/cm3）；v為波速（P波取6.1km/s，S波取3.5km/s）；d為震源距；Rθφ為輻射因子。地震波輻射能量ES可以通過(guò)對(duì)速度譜V（f）的平方積分計(jì)算得到（Andrews，1986）β為S波速度，計(jì)算過(guò)程中需考慮低頻和高頻的補(bǔ)償（陳學(xué)忠等，2007；李艷娥等，2015），則

式中，f1、f3分別為擬合震源譜過(guò)程中選取的最低頻率和最高頻率，具體計(jì)算時(shí)通常采用多個(gè)臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)，采用下面2個(gè)公式（Archuleta et al，1982）對(duì)各臺(tái)站的M0和ES求平均值，再代入式（2）即可求得視應(yīng)力

式中，xi為各臺(tái)站的地震矩或地震波輻射能；N為臺(tái)站數(shù)；Δx為誤差因子。

表1最后1列為第6～21個(gè)地震的視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，第2～5個(gè)地震由于發(fā)震時(shí)間相隔較近，前后波形相互干擾，無(wú)法準(zhǔn)確地算出其視應(yīng)力。第22、23個(gè)地震，由于尚未下載到相應(yīng)的波形資料，故未參與計(jì)算。對(duì)于第11、12個(gè)地震，也存在波形相互干擾的情況，無(wú)法利用波形直接算出可靠結(jié)果，但為了保證序列的連續(xù)性，故采用序列中相同震級(jí)地震視應(yīng)力的平均值替代。由表1可見(jiàn)，余震的視應(yīng)力呈現(xiàn)出按震級(jí)分檔的特征，即3次MS≥4.5地震，視應(yīng)力均大于 3.0MPa；2次 3.5＜MS≤4.0地震，視應(yīng)力為 1.5～2.0MPa；11次MS≤3.5地震，視應(yīng)力幾乎都小于1.0MPa，只有第18個(gè)地震的視應(yīng)力達(dá)到了1.1MPa。整個(gè)余震序列的視應(yīng)力與震級(jí)間存在正相關(guān)性，即余震震級(jí)大時(shí)，視應(yīng)力也較大；余震震級(jí)小時(shí)，視應(yīng)力也較小。王瓊等（2005）、王生文等（2014）研究了1999年11月29日岫巖MS5.4地震序列的視應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)余震視應(yīng)力與震級(jí)間成指數(shù)關(guān)系；郭寅等（2017）對(duì)于新疆幾次6級(jí)地震序列視應(yīng)力特征的研究也發(fā)現(xiàn)，余震視應(yīng)力與震級(jí)間的指數(shù)關(guān)系特征。精河地震余震視應(yīng)力隨震級(jí)的分布如圖8（a）所示，也呈現(xiàn)出指數(shù)變化特征，視應(yīng)力與震級(jí)間的擬合關(guān)系如下

相關(guān)系數(shù)為r=0.96。利用上述擬合關(guān)系將所有余震的視應(yīng)力換算成MS4.0震級(jí)的值，得到扣除震級(jí)影響后的余震視應(yīng)力變化如圖8（b）所示，由于前幾個(gè)余震的時(shí)間間隔較短，為了顯示清晰，采用序號(hào)作為橫坐標(biāo)將視應(yīng)力等間隔畫(huà)出。由圖8（b）可見(jiàn)，視應(yīng)力整體上較為一致，只有第14個(gè)地震（MS4.6）的視應(yīng)力相對(duì)偏高，該地震為序列中震級(jí)第2大余震，發(fā)震時(shí)間距主震發(fā)生不到6h，且此后序列中再未有MS≥4.0地震（表1），因此，不排除該視應(yīng)力高值與主震發(fā)生后該區(qū)的應(yīng)力調(diào)整有關(guān)。此后，余震視應(yīng)力雖略有起伏，但并未出現(xiàn)明顯的高值異常。綜上所述，精河地震余震的視應(yīng)力與震級(jí)間呈現(xiàn)良好的指數(shù)關(guān)系，扣除震級(jí)影響后的序列視應(yīng)力未出現(xiàn)顯著高值異常特征，沒(méi)有證據(jù)表明序列會(huì)再次發(fā)生強(qiáng)震，因此，可初步判定精河MS6.6地震序列為主-余型。

圖8 精河地震余震序列的視應(yīng)力-震級(jí)關(guān)系（a）及扣除震級(jí)影響后的序列視應(yīng)力（b）

4 討論和結(jié)論

精河MS6.6地震發(fā)生在庫(kù)松木契克山前斷裂附近，該斷裂為全新世右旋逆斷層，斷層走向近EW向，推測(cè)發(fā)震斷層破裂未出露至地表。余震總體沿近EW向分布，與附近斷層走向基本一致。此次地震所在區(qū)域歷史地震活動(dòng)水平較高，距震中100km范圍內(nèi)據(jù)歷史記載曾發(fā)生過(guò)5次6.5級(jí)以上地震，最大震級(jí)為8.0級(jí)（1812年3月8日尼勒克東8.0級(jí)）。對(duì)歷史地震的統(tǒng)計(jì)顯示，震中附近1970年以來(lái)的強(qiáng)震多為主-余型，如1973年6月3日精河?xùn)|南MS6.0、2011年11月1日尼勒克MS6.0、2012年6月30日新源MS6.6等地震。

小震精定位結(jié)果顯示，精河MS6.6地震的余震分布與庫(kù)松木契克山前斷裂的走向相對(duì)吻合，剖面結(jié)果顯示，余震深度主要集中在5～15km，與主震的震源深度較為一致。余震基本都位于主震西側(cè)，具有明顯的單側(cè)破裂特征，表明此次地震的破裂比較充分。截至2017年8月20日23時(shí)59分，精河MS6.6地震序列中2、3級(jí)余震豐富，序列衰減基本正常，序列的b值為0.54，外推最大余震震級(jí)為MS5.6，h值為2.17，MS≥4.0余震的等待時(shí)間與發(fā)生時(shí)間也較好地滿足主-余型地震序列的雙對(duì)數(shù)線性關(guān)系特征。因此，可判定精河MS6.6地震序列為主-余型。

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心、GCMT和USGS給出的震源機(jī)制解相對(duì)一致，且所給節(jié)面方向均與該處斷層走向吻合；陳運(yùn)泰院士小組反演給出的斷層面靜態(tài)滑動(dòng)量分布相對(duì)單一，最大滑動(dòng)量集中分布在沿傾向10km處附近，與地質(zhì)調(diào)查主震斷層未出露地表的結(jié)果一致，且表明主震破裂較充分；滑動(dòng)量分布與精定位顯示的余震分布高度一致，并且也顯示主震為一次單側(cè)破裂?；跀?shù)字波形資料計(jì)算出的余震視應(yīng)力與震級(jí)間存在正相關(guān)性，且很好地符合指數(shù)分布特征，扣除震級(jí)變化影響后的視應(yīng)力整體上穩(wěn)定，未出現(xiàn)顯著高值特征，未顯示出序列會(huì)再次發(fā)生強(qiáng)震的證據(jù)。綜合分析認(rèn)為，精河MS6.6地震破裂的能量釋放比較徹底。

綜上所述，精河MS6.6地震序列為主-余型，主發(fā)震斷層未破裂至地表，主震破裂所釋放的能量較徹底，地震序列衰減正常。

致謝：感謝李金、郭凱等人為本研究提供的數(shù)據(jù)資料，感謝劉桂萍研究員、蔣海昆研究員、張永仙研究員、周龍泉研究員及中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心預(yù)報(bào)部測(cè)震組全體等對(duì)本文給予的啟發(fā)和幫助，感謝評(píng)審專(zhuān)家對(duì)本文提出了寶貴建議。