2017年精河6.6級(jí)地震余震序列重新定位和發(fā)震構(gòu)造

白蘭淑 劉杰 張瑩瑩 吳清 安艷茹

1）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

2）中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2017年8月9日7時(shí)27分52秒，新疆博爾塔拉州精河縣發(fā)生6.6級(jí)地震，震中位于44.27°N、82.89°E，震源深度為11km（數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心）。此次地震震中距精河縣城約37km，地震共造成32人受傷，其中，2人重傷①http：//www.cea.gov.cn/publish/dizhenj/464/515/20170811155854958700643/index.html。

圖1 精河6.6級(jí)地震的區(qū)域構(gòu)造背景（據(jù)鄧啟東（2007））、庫(kù)松木契克斷裂信息（據(jù)陳劍波等（2012a））和歷史強(qiáng)震分布

此次地震發(fā)生在天山北脈博羅科努山北沿、準(zhǔn)噶爾盆地西南端的庫(kù)松木契克山前斷裂的東段附近（圖1），該地區(qū)處于準(zhǔn)噶爾板塊與塔里木-天山板塊之間的逆沖-褶皺構(gòu)造活動(dòng)帶。古生代時(shí)期的碰撞造山作用形成了早期的天山雛形，中生代構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)不活躍。到了新生代以后，歐亞板塊與印度板塊的碰撞擠壓作用通過(guò)從青藏高原到天山的寬達(dá)幾千千米的地殼縮短和青藏高原東部地殼塊體向東的擠出得到釋放和分解，從而天山再次經(jīng)歷強(qiáng)烈的構(gòu)造變形和地殼縮短，形成天山新的構(gòu)造格局。天山南北兩側(cè)發(fā)育山前褶皺-逆斷裂帶，由山前向盆地?cái)U(kuò)展，是控制本區(qū)強(qiáng)烈地震孕育和發(fā)生的主要構(gòu)造（陶鈞政等，1982；馮先岳，1985；胡軍等，1985；張培震等，1996；馮先岳等，1991；李志海等，2006；沈軍等，2008、2011；楊少敏等，2008；李杰等，2016）。準(zhǔn)噶爾-北天山過(guò)渡帶 NWW走向（近 EW向）（漆家福等，2008），主壓應(yīng)力P軸方位近NS向，構(gòu)造走向與主應(yīng)力方向近乎正交（龍海英等，2008；鮑子文等，2017）。庫(kù)松木契克山前斷裂是發(fā)育在天山推覆體前緣的褶皺-逆斷裂帶上的一條新生活動(dòng)斷層（陳建波等，2007）。陳建波等（2007）通過(guò)野外考察獲得了該地區(qū)地層、構(gòu)造的資料，發(fā)現(xiàn)庫(kù)松木契克山前斷裂的東段主要由4條走向280°～290°、長(zhǎng)約160km、向南傾斜的斷層斜列組成，傾角40°～60°，表現(xiàn)為逆斷層性質(zhì)，地表存在地表變形帶，晚更新世-全新世仍在強(qiáng)烈活動(dòng)（陳劍波等，2012a、2012b），晚更新世以來(lái)的垂直活動(dòng)速率為0.23～0.33mm/a（陳劍波等，2007）。庫(kù)松木契克斷裂是2011年新疆精河5.0級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造。該斷層所在地區(qū)斷裂和褶皺發(fā)育，構(gòu)造活動(dòng)非?；钴S，屬中強(qiáng)地震多發(fā)地帶。

1900年以來(lái)，距震中200km范圍內(nèi)共發(fā)生6級(jí)以上地震6次，最大震級(jí)地震為1944年3月10日新源7.2級(jí)地震，距此次地震震中127km（國(guó)家地震局震害防御司，1995；中國(guó)地震局震害防御司，1999）。精河縣境內(nèi)最近一次大地震為2011年10月16日5.0級(jí)地震（陳建波，2012a、2012b），其震中與此次地震相距約 21km②http：//data.earthquake.cn。

地震發(fā)生后，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心迅速產(chǎn)出此次地震的震源機(jī)制解，具體為節(jié)面Ⅰ：76°/44°/80°、節(jié)面Ⅱ：269°/47°/99°。國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)給出的震源機(jī)制解如表 1所示③http：//geofon.gfz-potsdam.de/eqinfo/event.php？id=gfz2017plxq④https：//earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us2000a65e＃moment-tensor。

本文利用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)，采用雙差定位方法對(duì)精河6.6級(jí)地震的余震序列進(jìn)行了重新定位，并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景、歷史地震和震源機(jī)制解等作了相關(guān)討論，相關(guān)結(jié)果為研究精河地震的發(fā)震構(gòu)造、分析余震活動(dòng)的時(shí)空分布特征以及判定余震活動(dòng)趨勢(shì)等提供了參考信息。

表1 國(guó)際不同地震學(xué)研究機(jī)構(gòu)給出的精河6.6級(jí)地震的斷層面解

1 定位方法和資料選取

1.1 雙差定位方法原理

雙差定位法是一種常用的地震定位方法（Waldhauser et al，2000）。該方法假設(shè)當(dāng)2個(gè)地震之間的距離遠(yuǎn)小于其到觀(guān)測(cè)臺(tái)站的震中距且可忽略這2個(gè)地震附近的速度不均勻性時(shí)，則2個(gè)地震的地震波到達(dá)同一個(gè)臺(tái)站的傳播路徑非常相近。雙差定位法基于射線(xiàn)理論，利用地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)中的地震波走時(shí)信息和已知的區(qū)域速度模型，建立以地震參數(shù)為未知變量的反演問(wèn)題，并通過(guò)求解該反演問(wèn)題得到地震序列重新定位結(jié)果。雙差定位公式為

其中，tik為第i個(gè)地震震源位置到第k個(gè)臺(tái)站的走時(shí)；Δmi=（Δxi，Δyi，Δzi，Δτi），為雙差走時(shí)drijk對(duì)應(yīng)的第i個(gè)地震震源參數(shù)更新量。其中，（x、y、z）、τ分別為地震發(fā)震位置和發(fā)震時(shí)刻。雙差走時(shí)drijk表達(dá)式為

其中，上角標(biāo)obs和cal分別代表實(shí)際觀(guān)測(cè)走時(shí)和理論計(jì)算走時(shí)。式（3）中，等號(hào)右側(cè)第1項(xiàng)是第i個(gè)與第j個(gè)地震事件在第k個(gè)臺(tái)站對(duì)應(yīng)的實(shí)際走時(shí)差，第2項(xiàng)是其理論走時(shí)差。相比于傳統(tǒng)方法只利用單個(gè)事件走時(shí)信息進(jìn)行重新定位，雙差定位基于2個(gè)相近地震事件傳播路徑的相似性，利用2個(gè)地震事件的走時(shí)差進(jìn)行震源參數(shù)更新，其定位精度依賴(lài)于2個(gè)相鄰地震事件附近的速度，不依賴(lài)于整條射線(xiàn)路徑上的介質(zhì)速度。因此，只要震源附近的速度結(jié)構(gòu)精度足夠高就可以獲得準(zhǔn)確、可靠的地震序列重新定位結(jié)果。

1.2 觀(guān)測(cè)報(bào)告選取

本文采用了中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)73個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)，其中，國(guó)家臺(tái)15個(gè)，區(qū)域臺(tái)63個(gè)，精河地震震中附近的臺(tái)站分布情況如圖2所示。我國(guó)西部地震臺(tái)站稀疏，距此次地震震中最近的臺(tái)站為精河臺(tái)，震中距為40km，震中距小于 100km的臺(tái)站僅有2個(gè)，監(jiān)測(cè)能力相對(duì)有限。研究具體選取了自主震發(fā)生至2017年8月14日16時(shí)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的44.00°～44.50°N、82.40°～83.10°E范圍內(nèi)M≥0.1地震作為震后余震序列進(jìn)行重新定位。

1.3 速度模型選取

天山地區(qū)曾發(fā)生多次隆升和夷平，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，北天山、中天山、南天山的地下速度結(jié)構(gòu)存在較大差異。邵學(xué)鐘等（1996）采用貫穿天山造山帶的野外測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震資料處理和解釋?zhuān)岢隽颂焐皆焐綆Р煌貐^(qū)的速度模型。野外測(cè)線(xiàn)大致沿NEE走向長(zhǎng)達(dá)350多千米，測(cè)點(diǎn)間距為 5～10km，因此，對(duì)天山不同地區(qū)的層厚和速度大小解釋得更加精確。該速度模型中北天山地下構(gòu)造分為6層（表2），第1層為表層，第2～5層為結(jié)晶地殼，第6層為上地幔頂部，地殼總厚度為45km。此次地震震中處于北天山的西邊，故本研究采用北天山地區(qū)的P波速度，S波速度由P波速度和縱橫波速度比1.73獲得。

圖2 震中附近臺(tái)站分布

表2 北天山地殼水平層狀速度模型

2 余震序列重新定位

本研究采用255個(gè)余震數(shù)據(jù)進(jìn)行重新定位，其中，參與定位的臺(tái)站共73個(gè)。定位計(jì)算共使用25次迭代，事件對(duì)間的最大間距閾值從第1次迭代的50km降至最后一次迭代的6km，其中，大部分迭代的閾值都控制在20km以?xún)?nèi)。重新定位后最終獲得209個(gè)重新定位結(jié)果，SN向、EN向和垂直向定位誤差分別為0.9、0.7、1.1km。重新定位前后的地震序列分布分別如圖3（a）、3（b）所示。由圖3可見(jiàn)，余震序列分布在重新定位前比較離散，無(wú)明顯的分布特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)展布方向。重新定位后余震震中分布變得更加集中，余震區(qū)沿庫(kù)松木契克斷裂附近呈近EW向或NWW向延伸，長(zhǎng)約50km，寬約17km。余震幾乎都分布于主震震中西側(cè)，可以認(rèn)為，此次地震破裂是由主震震中位置向西邊延伸的單側(cè)破裂。重新定位后余震分布圖（圖3（b））中可見(jiàn)1個(gè)主要優(yōu)勢(shì)分布區(qū)域和1個(gè)次優(yōu)的分布區(qū)域。圖4為次級(jí)優(yōu)勢(shì)分布區(qū)的余震分布圖。主要優(yōu)勢(shì)分布區(qū)以82.72°N、44.28°E點(diǎn)為中心，呈近EW向展布；次優(yōu)勢(shì)區(qū)以82.59°N、44.26°E為中心，呈 NWW向展布，即圖4中 CC′直線(xiàn)附近。其中，圖3（b）中AA′直線(xiàn)走向?yàn)?6°，參考了中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的震源機(jī)制解中的節(jié)面Ⅰ走向；圖4中CC′直線(xiàn)走向?yàn)?97°，該方向通過(guò)求解次優(yōu)分布區(qū)域所有余震的發(fā)震位置到該直線(xiàn)的距離總和的最小化問(wèn)題獲得。

圖3 精河6.6級(jí)地震序列余震重新定位前、后分布（截至2017年8月14日16時(shí)）

圖4 精河6.6級(jí)地震序列次級(jí)優(yōu)勢(shì)分布區(qū)的余震分布（截至2017年8月14日16時(shí)）

圖5 2017年8月余震序列在經(jīng)度、時(shí)間上的分布

圖5為余震在經(jīng)度、時(shí)間上的分布。由圖5可見(jiàn)，主震后2天內(nèi)余震震級(jí)較大，地震活動(dòng)較活躍，分布范圍廣。隨后，大部分區(qū)域余震活動(dòng)衰減較快，但余震區(qū)中西部 82.60°～82.78°E范圍內(nèi)地震活動(dòng)仍較為活躍，震后2～5天內(nèi)該范圍內(nèi)分布的余震占比高達(dá)84.7%。主震破裂過(guò)程顯示，主震破裂后余震區(qū)東側(cè)的破裂強(qiáng)度大（82.8°～82.9°E），西側(cè)相對(duì)較?、輍ttp：//www.cea-igp.ac.cn/tpxw/275885.html。因此，余震區(qū)東側(cè)的應(yīng)力得到了較為充分的釋放，中西部構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)東部活躍，東側(cè)余震分布要少于中西側(cè)。但在震后5天后，余震區(qū)東部（82.85°E附近）地震活動(dòng)再次開(kāi)始活躍。

重新定位后，余震深度分布也變得更加集中。由沿 AA′、BB′剖面的震源深度分布圖（圖3）和震源深度分布柱狀圖（圖6）可見(jiàn)，余震序列深度為1～25km，尤其是震后1天內(nèi)的較大震級(jí)余震的深度非常相近，為 8～17km。另外，大多數(shù)余震的震源深度小于主震。圖3（b）右下圖中用紅色虛線(xiàn)畫(huà)出了所有余震序列沿BB′方向的深度分布下邊界，紅色虛線(xiàn)向南傾，且其斜率隨著深度的增加由陡變緩，傾角大致范圍為50°±10°。此次地震發(fā)震位置位于庫(kù)松木契克山前斷裂的東段附近，該構(gòu)造為NWW走向，向南傾斜，傾角40°～60°。重新定位后的余震分布與該斷裂具有很好的一致性，可以認(rèn)為，此次地震與庫(kù)松木契克山前斷裂密切相關(guān)。西南部的次優(yōu)分布區(qū)的余震序列沿著DD′剖面的深度分布則相對(duì)比較平均，其分布近乎直立。考慮到該次級(jí)分布區(qū)南側(cè)發(fā)育的NWW向山體與該次優(yōu)分布區(qū)走向基本一致，推斷該局部區(qū)域可能由山體的阻擋作用和NEE向的擠壓作用共同產(chǎn)生了次級(jí)斷裂。

圖6 震源深度分布柱狀圖

3 結(jié)論和討論

2017年8月9日精河6.6級(jí)地震是繼2011年10月16日精河5.0級(jí)地震后，近年來(lái)該地區(qū)發(fā)生的又一次強(qiáng)烈地震。本研究利用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)提供的地震數(shù)據(jù)，通過(guò)雙差定位方法對(duì)精河6.6級(jí)地震的余震序列進(jìn)行了重新定位，最終獲得了209個(gè)余震的重新定位結(jié)果，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)此次地震的發(fā)震構(gòu)造、機(jī)制等提供了可靠的依據(jù)。

重新定位后余震序列分布更加集中，余震區(qū)長(zhǎng)約50km，寬約17km，呈近EW向或NWW向分布，該優(yōu)勢(shì)分布方向與余震區(qū)附近的庫(kù)松木契克山前斷裂走向基本一致。在空間上，余震均分布在主震的西側(cè)，可以認(rèn)為，此次地震破裂是由主震震中位置向西邊延伸的單側(cè)破裂。重新定位后余震序列震源深度為1～25km，較大震級(jí)余震震源深度為8～17km。根據(jù)余震區(qū)空間分布特點(diǎn)初步推斷，該地區(qū)發(fā)育有2條斷層，這2條斷層分別位于余震中心區(qū)和西南部。中心分布區(qū)斷層走向?yàn)榻麰W向，向南傾；西南部斷層走向大致為NWW向，近乎直立。

此次精河地震發(fā)生在庫(kù)松木契克山前斷裂附近，根據(jù)GCMT歷史矩張量分布⑥http：//www.globalcmt.org/CMTsearch.html，精河地震鄰區(qū)的歷史地震震源機(jī)制多為逆沖型（圖7）。庫(kù)松木契克山前斷裂是長(zhǎng)期以來(lái)受歐亞板塊和印度板塊的SN向擠壓應(yīng)力在北天山西段山前形成的全新世活動(dòng)斷層，性質(zhì)為逆斷層。該斷層?xùn)|段由NWW向、向南傾斜的斷層斜列組成，此次地震即位于該斷層?xùn)|段斜列附近。中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的此次地震的矩震級(jí)為MW6.3，波形擬合的質(zhì)心深度為23km，斷層節(jié)面解見(jiàn)表1，由此推斷，此次地震為一次逆沖型為主的事件。根據(jù)余震活動(dòng)的分布情況可以認(rèn)為，此次精河地震與其附近的庫(kù)松木契克山前斷裂密切相關(guān)。此次地震的地震序列深度分布相對(duì)地震質(zhì)心深度較小，這與震中附近無(wú)臺(tái)站分布有關(guān)，真實(shí)的震源深度可能要在參考本研究的重新定位結(jié)果的基礎(chǔ)上再整體向下移。2011年精河5.0級(jí)地震震中在此次地震震中往西約 21km處，其質(zhì)心深度為 4km，震源機(jī)制解為節(jié)面Ⅰ：92°/105°/41°、節(jié)面Ⅱ：252°/77°/51°（陳建波等，2012a、2012b）。2次地震均位于庫(kù)松木契克山前斷裂附近，但此次地震震源更深，震級(jí)更大。綜合考慮余震分布、歷史地震和震源機(jī)制解等，庫(kù)松木契克山前斷裂是此次精河6.6級(jí)地震發(fā)震構(gòu)造的可能性較大，且節(jié)面Ⅰ是發(fā)震構(gòu)造的斷層面。

圖7 精河6.6級(jí)地震及鄰區(qū)GCMT歷史矩張量分布