2015年新疆皮山6.5級(jí)地震序列震源機(jī)制特征分析

孫昭杰 李金 黃瑜 桂榮

1）喀什基準(zhǔn)臺(tái)，新疆喀什市慕士塔格東路7號(hào) 844000

2）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2015年7月3日9時(shí)7分新疆和田地區(qū)皮山縣發(fā)生MS6.5地震（簡(jiǎn)稱皮山6.5級(jí)地震），此次地震震中 37.6°N，78.2°E，震源深度 10km，震中距皮山縣城僅7km，震害現(xiàn)象嚴(yán)重，南疆大部分地區(qū)有強(qiáng)烈震感。通過(guò)災(zāi)區(qū)震害調(diào)查和遙感震害解譯等方式，確定此次地震災(zāi)區(qū)極震區(qū)烈度為Ⅷ度①http：／／www.csi.ac.cn／publish／main／1／734／101168／101169／20160420155417658697648／index.html。，部分老舊房屋遭到不同程度的破壞。Ⅵ區(qū)及以上災(zāi)區(qū)總面積達(dá)到14580km2，地震造成6人死亡②http：／／news.qq.com／a／20150703／014732.html及較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1900年以來(lái)，該地區(qū)100km范圍內(nèi)曾發(fā)生2次6級(jí)以上地震，分別是1902年8月31日新疆皮山6.8級(jí)、1998年5月29日新疆皮山MS6.2地震。此次皮山6.5級(jí)地震震中附近區(qū)域監(jiān)測(cè)能力較弱，臺(tái)站相對(duì)較少，距離最近的固定臺(tái)站為葉城臺(tái)（YCH），距震中約73km。地震發(fā)生后，新疆維吾爾自治區(qū)地震局監(jiān)測(cè)中心第一時(shí)間趕往震區(qū)架設(shè)流動(dòng)臺(tái)（LD1、LD2），為后續(xù)的研究工作提供了寶貴的資料。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)地處青藏高原西北部、塔里木盆地與西昆侖造山帶的過(guò)渡部位——塔里木盆地西南凹陷邊緣的山前地帶。西昆侖山前帶變形時(shí)間發(fā)生在上新世-第四紀(jì)，變形強(qiáng)度由山體向盆地逐漸減弱（劉勝等，2004）。塔西南山前構(gòu)造帶EW向可劃分4段，即帕米爾弧形逆沖構(gòu)造段、齊姆根弧形構(gòu)造段、甫沙-克里陽(yáng)三角帶構(gòu)造段和和田沖斷推覆體構(gòu)造段（胡建中等，2008）。此次地震發(fā)生在甫沙-克里陽(yáng)三角帶構(gòu)造段內(nèi)，該帶構(gòu)造線總體呈近 EW向，發(fā)育前列式的擠壓變形，與區(qū)域逆沖推覆方向直交。震源區(qū)附近由南向北發(fā)育康西瓦斷裂、鐵克里克南-北緣斷裂、柯克亞背斜、克里陽(yáng)潛伏背斜、合什塔克背斜（曲國(guó)勝等，2005）?？死镪?yáng)-甫沙構(gòu)造發(fā)育基底卷入型逆沖斷層，克里陽(yáng)-甫沙斷層貫穿西昆侖山前的克里陽(yáng)-甫沙構(gòu)造。鐵克里克斷裂是一條近EW走向彎折逆沖斷裂，斷裂前端構(gòu)造復(fù)雜（梁瀚等，2012）。由于塔西南地區(qū)以強(qiáng)韌性剪切構(gòu)造變形為特色，深部發(fā)育多期次傾向南的逆沖斷層，在剖面上形成疊瓦扇構(gòu)造（劉勝等，2004），西昆侖山前沖斷帶表現(xiàn)出強(qiáng)烈的隆升作用，對(duì)地震發(fā)生有重要的影響（潘家偉等，2007）。深地震反射剖面（高銳等，2002）揭示了塔里木剛性巖石圈與青藏高原西北緣巖石圈在西昆侖山下存在相向傾斜碰撞的深地震反射證據(jù)。王有學(xué)等（2006）的層析成像研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原板塊巖石圈發(fā)生拆沉作用，地殼淺部物質(zhì)逆沖于塔里木盆地前陸之上，形成了西昆侖北部構(gòu)造帶，促進(jìn)了塔里木前陸盆地的發(fā)育。根據(jù)深地震測(cè)深結(jié)果可知，塔西南凹陷和西昆侖造山帶之間SN向構(gòu)造擠壓作用仍在持續(xù)（李秋生等，2000）。

中國(guó)地震局地質(zhì)研究所網(wǎng)站公布的皮山6.5級(jí)地震區(qū)域地震構(gòu)造圖顯示，該地震發(fā)生在澤普隱伏斷裂附近。地震現(xiàn)場(chǎng)科考發(fā)現(xiàn)，皮山6.5級(jí)地震沒有產(chǎn)生明顯的地表破裂帶，但在地表出現(xiàn)多處地裂縫及噴砂現(xiàn)象（姚遠(yuǎn)等，2016），研究發(fā)現(xiàn)這些張性裂縫多沿皮山背斜核部線性分布。吳傳勇等（2017）研究認(rèn)為，此次地震發(fā)震構(gòu)造為皮山逆斷裂-背斜帶，在背斜北翼，逆斷裂尚未出露地表，屬于典型的褶皺型地震。

2 方法和原理

震源機(jī)制解是探究地震發(fā)震構(gòu)造的重要參數(shù)，能表示地震發(fā)生時(shí)震源區(qū)的力學(xué)過(guò)程和震源處斷層的運(yùn)動(dòng)模型，主要用來(lái)研究應(yīng)力場(chǎng)（王強(qiáng)等，2014）。前人已積累了多種震源機(jī)制研究方法，例如基于P波初動(dòng)（高國(guó)英等，2003）、P／S振幅比（于海英等，2003）、長(zhǎng)周期面波（馬淑田等，1997、1998）、體波記錄反演（許力生等，1997）和近震記錄反演等方法（刁桂苓等，1994）。Dreger等（1990、1993）采用近震全波場(chǎng)反演方法，利用體波、面波信息，通過(guò)理論波形與實(shí)際波形的對(duì)比，研究了震源機(jī)制。

目前較為流行的CAP方法，最早由Zhao等（1994）提出，該方法將體波和面波進(jìn)行聯(lián)合反演，將地震圖分成較短周期的Pnl波（P波及其后續(xù)震相）和長(zhǎng)周期的面波兩部分，分別對(duì)Pnl和面波賦予不同的權(quán)重進(jìn)行擬合。

反演原理：設(shè)u（t）是臺(tái)站記錄到的去除儀器響應(yīng)后的地震波形，s（t）是相應(yīng)的理論計(jì)算出的波形，則有等式

其中，i＝1、2、3時(shí)分別對(duì)應(yīng)震中距和深度上3種基本斷層面（垂直走滑、垂直傾滑和傾角為45°的傾滑）；Gi為對(duì)應(yīng)各個(gè)方向的格林函數(shù)；Ai為輻射系數(shù)；φ為臺(tái)站方位角；M0為標(biāo)量地震矩；θ、δ、λ依次為震源機(jī)制解斷層的走向、傾角、滑動(dòng)角。

在反演過(guò)程中，以合成地震位移s（t）與觀測(cè)地震位移u（t）一致性作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，用下式估計(jì)走向、傾角、滑動(dòng)角以及標(biāo)量地震矩M0

其中，u（t）、s（t）分別為實(shí)際地震記錄和理論地震圖。反演過(guò)程中在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間變化范圍內(nèi)相對(duì)移動(dòng)，一定程度上避免了因?yàn)榈貧つＰ筒粶?zhǔn)確而引起的震相到時(shí)的誤差因素。

由于要求的震源機(jī)制解的未知參數(shù)不多，且 0°≤θ≤360°，0°≤δ≤90°，-180°≤λ≤180°，考慮到波形隨震中距的衰減，定義一個(gè)目標(biāo)誤差函數(shù)來(lái)衡量s（t）與u（t）間的差異，直接采用網(wǎng)格搜索的方法在震源參數(shù)空間（θ，δ，λ）中進(jìn)行搜索，在搜索時(shí)，當(dāng)誤差函數(shù)達(dá)到最小時(shí)，則認(rèn)為震源參數(shù)最接近真實(shí)情況（Zhu et al，1996）。使用的目標(biāo)誤差函數(shù)為

式中，r為震中距；r0為選定的參考震中距；P為距離影響因子，一般而言，體波P＝1，面波P＝0.5（鄭勇等，2009）。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)Pnl波和面波在擬合的時(shí)候分別作時(shí)間平移，以將速度模型的不確定性降到最低，且相對(duì)提高了Pnl波的權(quán)重，對(duì)震源深度測(cè)定有較好的約束，同時(shí)引入距離影響因子，以充分考慮因距離的衰減對(duì)波形的改造。前人的研究結(jié)果（鄭勇等，2009；呂堅(jiān)等，2008、2013；韓立波等，2012；李金等，2015；楊軍等，2014；鄭建常等，2015；張致偉等，2015；劉建明等，2016）表明，CAP方法在反演震源機(jī)制解和確定震源參數(shù)方面的優(yōu)勢(shì)較為明顯。

3 資料和地殼模型選取

本文使用新疆區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的寬頻帶數(shù)字地震波形資料，選擇距震中500km范圍內(nèi)20個(gè)方位角較好、信噪比較高的臺(tái)站波形資料（圖1），計(jì)算震源機(jī)制解。

該區(qū)域臺(tái)站稀疏，對(duì)其研究相對(duì)較少，距震中200km范圍內(nèi)僅有5個(gè)固定臺(tái)站（不包括LD1、LD2、HTTZ），因此，研究中利用 CRUST2.0（http：／／igppweb.ucsd.edu／-gabi／crust2.htm l）得到該區(qū)域的一維速度結(jié)構(gòu)模型（表1），在該速度模型中地殼厚度約53km，分為5層。

4 計(jì)算結(jié)果分析

圖1 地震震中與周圍的臺(tái)站分布

采用CAP方法，利用距震中500km范圍內(nèi)的20個(gè)臺(tái)站的波形資料反演了皮山6.5級(jí)地震主震的震源機(jī)制解。先將原始速度記錄扣除儀器響應(yīng)后積分得到位移記錄，再將位移記錄從UD-NS-EW分量旋轉(zhuǎn)至大圓路徑的Z-R-T坐標(biāo)，皮山6.5級(jí)地震主震Pnl波使用帶寬0.04～0.12Hz、面波使用帶寬0.05～0.10Hz，分別進(jìn)行 Butterworth濾波。Pnl波和面波的相對(duì)權(quán)重取為2：1，這樣有效避免了面波在反演中權(quán)重過(guò)大的影響。前人的研究（韓立波等，2012；呂堅(jiān)等，2013；李金等，2015；張廣偉等，2016）表明，選擇相應(yīng)的濾波參數(shù)對(duì)計(jì)算得到的理論地震圖進(jìn)行濾波，既可以濾掉地脈動(dòng)和由速度轉(zhuǎn)換至位移所造成的長(zhǎng)周期漂移，也可以有效避免地下介質(zhì)小尺度帶來(lái)的影響，研究結(jié)果較好。在計(jì)算理論地震圖時(shí)我們采用頻率-波數(shù)方法（F-K）計(jì)算格林函數(shù)。

通過(guò)計(jì)算各深度下的格林函數(shù)，搜索出合成地震圖和觀測(cè)地震圖全局差異最小的震源機(jī)制解（圖2），繪出誤差隨深度分布圖（圖3），得到最佳矩心深度為19km，主震的矩震級(jí)為MW6.2，P軸方位 16°，最佳雙力偶機(jī)制解節(jié)面 I：走向 286°、傾角 52°、滑動(dòng)角 91°，節(jié)面Ⅱ：走向105°、傾角38°、滑動(dòng)角89°。在反演中，對(duì)皮山 6.5級(jí)地震主震破裂上升時(shí)間選擇 5～10s進(jìn)行測(cè)試，并選取合理的震源破裂持續(xù)時(shí)間進(jìn)行反演。研究發(fā)現(xiàn)，震源破裂持續(xù)時(shí)間選取6s時(shí)，理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形擬合結(jié)果最好，更接近真實(shí)的發(fā)震機(jī)制，但震源破裂持續(xù)時(shí)間對(duì)矩心深度影響不大（Xie et al，2018）。

此外，收集了國(guó)內(nèi)外不同研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者給出的此次皮山6.5級(jí)地震的震源機(jī)制解（表2），進(jìn)行對(duì)比分析。本文計(jì)算得到的震源機(jī)制與其他機(jī)構(gòu)和學(xué)者得到的結(jié)果均較接近。本文研究得到的矩心深度與李金等（2016）給出的結(jié)果相同，介于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）和中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心（表2）給出的結(jié)果之間。

表1 地殼速度模型

圖2 皮山6.5級(jí)地震矩張量反演理論波形（紅色）與實(shí)際觀測(cè)地震波形（黑色）

圖3 皮山6.5級(jí)地震矩張量反演擬合誤差隨深度的變化

通過(guò)CAP方法反演得到皮山6.5級(jí)地震主震的震源錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)為逆沖型。李金等（2016）利用雙差定位方法對(duì)皮山6.5級(jí)地震序列進(jìn)行了重新定位，其中垂直震中分布的優(yōu)勢(shì)長(zhǎng)軸走向剖面反映了沿?cái)鄬觾A向的震源分布特征，并較為清晰地揭示出S傾的可能發(fā)震斷層（西南為上盤），傾角大致為40°，其利用小震分布和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)擬合得到發(fā)震斷層參數(shù)為走向104°／傾角34°／滑動(dòng)角94°。張廣偉等（2016）采用雙差法對(duì)皮山6.5級(jí)地震余震序列進(jìn)行精確定位，結(jié)果顯示，余震序列沿NWW向單側(cè)破裂，深部剖面顯示發(fā)震斷層面向SW傾斜，但斷層面的傾角沿NWW方向有逐漸增大的趨勢(shì)。綜合前人的研究結(jié)果，并結(jié)合發(fā)震構(gòu)造，判斷此次地震為低角度逆沖型，節(jié)面Ⅱ?yàn)槠ど?.5級(jí)地震主震的破裂面。

表2 不同研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者給出的2015年皮山M S 6.5地震震源機(jī)制解

此外，利用CAP方法反演了皮山6.5級(jí)地震序列中部分MS≥3.6余震的震源機(jī)制解（表3），共反演了22次余震，其中，15次逆沖型地震，2次正斷型地震，5次走滑型地震。余震序列反演時(shí)濾波參數(shù) Pnl波使用帶寬范圍為0.04～0.15Hz、面波部分使用帶寬范圍為0.05～0.10Hz，地震破裂時(shí)間設(shè)定為0.1s，對(duì)地震破裂持續(xù)時(shí)間選擇0.1～1.0s進(jìn)行測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)，地震破裂持續(xù)時(shí)間的改變對(duì)3～4級(jí)地震震源機(jī)制解和矩心深度反演結(jié)果影響不大。主震發(fā)生后，從余震序列震源機(jī)制隨時(shí)間的變化（圖4）來(lái)看，早期余震大部分與主震的破裂類型相同，大多為逆沖型，說(shuō)明其破裂方式受到主震制約，后期序列中出現(xiàn)走滑及正斷型地震，可能是由于震后震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)一定程度的調(diào)整所致。余震的矩心深度大部分為10～20km，與主震的矩心深度較為一致（圖5）。統(tǒng)計(jì)皮山6.5級(jí)地震序列的主壓應(yīng)力P軸方位的分布情況（圖6），發(fā)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)方位為NNE向，塔西南西昆侖山前發(fā)育多條走向近NNW、高角度向WS傾斜的逆沖斷層，高銳等（2000）深地震反射剖面探測(cè)反映出西昆侖下地殼由南向北傾斜，傾角約為35°的結(jié)構(gòu)特征。此前梁瀚等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，西昆侖山前東段區(qū)域擠壓應(yīng)力方向?yàn)镹20°E，故皮山6.5級(jí)地震序列的主壓應(yīng)力與該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)較為一致。

此次皮山6.5級(jí)地震是典型的褶皺型地震（吳傳勇等，2017）。皮山6.5級(jí)地震科考工作發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)并未產(chǎn)生明顯的破裂帶，張性裂縫多沿背斜核部線性分布，在背斜頂部發(fā)現(xiàn)了一系列的彎矩?cái)鄬樱乇沓霈F(xiàn)噴砂冒水及地裂縫現(xiàn)象（姚遠(yuǎn)等，2016）。褶皺型地震的特征是震源深部的斷裂位移向上快速衰減，在接近地表處衰減趨于零，不引起或只形成很小的地表斷裂位移，地震時(shí)地表變形以褶皺隆起為主。新疆西昆侖山前構(gòu)造帶與北天山地區(qū)較相似，均是典型的大陸內(nèi)部褶皺和逆斷裂活動(dòng)帶，在新疆天山北麓發(fā)生的1906年瑪納斯7.7級(jí)地震就屬于這種類型的地震（張培震等，1994）。

5 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)反演皮山6.5級(jí)地震主震及余震序列震源機(jī)制解，得到如下結(jié)論：

（1）利用CAP方法反演了皮山6.5級(jí)地震主震震源機(jī)制解，得到節(jié)面I走向286°、傾角52°、滑動(dòng)角 91°；節(jié)面Ⅱ走向 105°、傾角 38°、滑動(dòng)角 89°，P軸方位 16°，得到的最佳矩心深度為19km，矩震級(jí)為MW6.22，表明此次地震是一次逆沖型地震。皮山6.5級(jí)地震序列精定位（李金等，2016；張廣偉等，2016；楊文等，2017）結(jié)果顯示，余震序列沿 NWW向線性展布，深部剖面顯示發(fā)震斷層面向SW傾斜，為一次單側(cè)破裂事件。結(jié)合震源區(qū)的活動(dòng)構(gòu)造判定，節(jié)面Ⅱ?yàn)橹髡鸬陌l(fā)震斷層面，與前人對(duì)該區(qū)域的構(gòu)造研究結(jié)果具有較好的一致性。

（2）計(jì)算了余震序列中部分MS≥3.6地震的震源機(jī)制解，時(shí)間截至2016年3月31日。研究發(fā)現(xiàn)，主震發(fā)生后，隨著序列的發(fā)展變化，早期余震震源機(jī)制大部分為逆沖型（圖4），也說(shuō)明早期余震的破裂方式與主震較為一致。隨著時(shí)間推移，序列中出現(xiàn)走滑及正斷型地震，說(shuō)明震源區(qū)應(yīng)力可能出現(xiàn)一定程度的調(diào)整。該研究區(qū)區(qū)域擠壓應(yīng)力方向?yàn)镹NE向（胡建中等，2008），梁瀚（2012）研究認(rèn)為西昆侖山前東段區(qū)域擠壓應(yīng)力方向約為 N20°E，與皮山6.5級(jí)地震序列的P軸方位的優(yōu)勢(shì)方向較為一致（圖6）。

表3皮山M S6.5地震主震及部分M S≥3.6余震的震源機(jī)制解

圖4 2015年7月3日皮山6.5級(jí)地震序列及震源機(jī)制解分布

圖5 地震序列的矩心深度分布

圖6 地震序列主壓應(yīng)力方位玫瑰圖

（3）此次皮山6.5級(jí)地震震源區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，塔西南凹陷發(fā)育薄皮逆沖褶皺，深部發(fā)育錯(cuò)綜復(fù)雜的逆斷裂，上部發(fā)育一系列的褶皺構(gòu)造，古近系阿爾塔什組膏泥巖作為西昆侖山前東段新生代褶皺沖斷帶錐形契的底部滑脫層，塑性軟弱膏巖層分隔了深部和淺層構(gòu)造（梁瀚等，2012；肖安成，1996），此次地震主要受到深部逆沖斷裂構(gòu)造的影響。張瑋等（2010）的研究顯示，從西昆侖山褶皺帶到塔西南凹陷邊緣，其中變質(zhì)基底與古生界之間以大型逆沖斷層分隔，斷層走向NNW-SSE，沿造山帶呈連續(xù)線狀平直延伸。伍秀芳等（2004）通過(guò)對(duì)帕米爾-西昆侖北麓前陸褶皺沖斷帶3條典型地震剖面的構(gòu)造進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)帕米爾-西昆侖山前除山麓地帶發(fā)育高角度斷層外，基本上以低角度逆斷層為主，形成與逆沖推覆構(gòu)造相關(guān)的褶皺變形。吳傳勇等（2017）認(rèn)為此次皮山6.5級(jí)地震發(fā)生在西昆侖山前的逆沖推覆構(gòu)造上，由震后科考得到的余震分布可知，此次地震的發(fā)震構(gòu)造為皮山逆斷裂-背斜帶，屬于褶皺型地震。楊文等（2017）通過(guò)精定位后的余震展布結(jié)果表明，余震序列沿著隱伏的澤普斷裂呈NW向分布。皮山6.5級(jí)地震序列震源機(jī)制顯示，大部分震源機(jī)制以逆沖為主，與附近澤普隱伏逆斷裂活動(dòng)特征較為一致（表3）。結(jié)合前人研究和該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，表明該地區(qū)是西昆侖強(qiáng)震的孕育場(chǎng)所，此次地震受到深部澤普隱伏逆斷裂控制，主震處下覆地層相對(duì)低角度逆沖，造成上覆褶皺構(gòu)造發(fā)生擠壓破裂，有可能是引發(fā)此次皮山6.5級(jí)地震的直接原因。

致謝：新疆地震局監(jiān)測(cè)中心為本文研究提供了波形數(shù)據(jù)。在論文完成過(guò)程中，得到了新疆地震局魏蕓蕓工程師的幫助，同時(shí)也得到了喀什地震臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)及同事的關(guān)心，匿名審稿專家對(duì)論文修改提出了寶貴建議，在此一并感謝。謹(jǐn)以本文悼念皮山地震中的遇難者同胞。本研究部分圖件采用GMT軟件繪制。