2018年9月4日新疆伽師MS5.5地震序列及發(fā)震構(gòu)造討論

宋春燕 高榮 劉建明 劉萍 郭寅 溫少妍

新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

0 引言

2018年9月4日新疆伽師縣發(fā)生MS5.5地震，震中位于1997～1998年伽師強震群震區(qū)內(nèi)，具體區(qū)域為塔里木盆地西北的伽師縣東北部，該處地表有12～13km的沉積層，未見斷層出露。距震中最近的斷裂是伽師隱伏斷裂，伽師斷裂為塔里木盆地內(nèi)部斷裂，性質(zhì)為逆走滑型，全長約55km，為全新世活動斷裂。在震區(qū)外圍，北部有阿圖什斷裂、托特拱拜孜斷裂和柯坪斷裂，西部有卡茲克阿爾特斷裂，南部為塔里木盆地，東部有皮羌斷裂（圖1）。

伽師地震震中所在區(qū)域受印度洋板塊向歐亞板塊擠壓的影響，以2mm／a的速率環(huán)塔里木盆地西緣隆起（彭樹森，1993）。伽師地區(qū)相對于吉爾吉斯斯坦比什凱克市的近NS向水平擠壓速率達19mm／a。該區(qū)域?qū)傩陆貐^(qū)南天山地震帶西段，為極其活躍的地震帶，地震頻度高、強度大，是新疆6級以上地震活動最頻繁的地區(qū)，1900年以來發(fā)生57次6級以上地震，其中包括1902年阿圖什8.2級地震、1961年巴楚6級震群、1997～1998年伽師強震群。

1997～1998年伽師強震群前，震區(qū)歷史上未發(fā)生過5級以上地震，其后，震區(qū)2000年3月27日發(fā)生5.3級地震，2003年1月4日發(fā)生5.4級地震，隨后2003年2月24日巴楚發(fā)生6.8級地震（圖1）。此次地震與之前強震群的關(guān)系及其發(fā)生的背景和未來地震趨勢備受關(guān)注，為此，本文討論了伽師MS5.5地震的序列特征和震區(qū)的地震趨勢。

圖1 2018年9月4日伽師MS5.5地震區(qū)域構(gòu)造與MS≥5歷史地震分布

1 伽師MS5.5地震序列概述

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心（CENC）測定，2018年9月4日5時52分56秒，在新疆喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生MS5.5地震，震中位于39.51°N、76.98°E，震源深度8km。此次地震前1min發(fā)生了MS4.7前震。表1為伽師MS5.5地震及其前震的基本參數(shù)。

表1 CENC、USGS給出的伽師MS5.5地震及其前震的震源參數(shù)

據(jù)新疆區(qū)域地震臺網(wǎng)測定，截至2018年9月9日24時，共記錄到ML≥1.0地震445次，其中，ML1.0～1.9地震239次，ML2.0～2.9地震160次，ML3.0～3.9地震39次，ML4.0～4.9地震4次，ML5.0～5.9地震3次，即9月4日ML5.1（MS4.7）前震、ML5.7（MS5.5）主震和ML5.0（MS4.6）最大余震。序列M-t和N-t圖（圖2）顯示：1級以上余震最大日頻次出現(xiàn)在主震發(fā)生當(dāng)日，達222次（其中，3級以上30次），其后余震活動處于起伏衰減狀態(tài)，9日1級以上余震日頻次僅為13。

圖2 2018年9月4～9日伽師MS5.5地震序列中ML≥1.0地震M-t圖（a）、小時頻次N-t圖（b）

圖3為1997、2018年伽師地震及余震分布。由圖3可見，2018年伽師MS5.5地震的余震位于1997年伽師強震群震區(qū)內(nèi)。陳棋福（2003）研究表明，1997年伽師強震群余震區(qū)長軸和等震線長軸均呈NE方向，強震群可能是發(fā)生在無預(yù)存斷裂區(qū)的地下新破裂。此次地震發(fā)生在伽師隱伏斷裂的東南端部，距1997年4月6日伽師6.4級地震震中約3km，余震走向與伽師斷裂走向不符，初步認為是伽師強震群震區(qū)的再次活動。

圖3 1997、2018年伽師地震及余震分布

2 伽師地震序列重新定位

2.1 方法與資料

采用雙差定位（HypoDD）方法（Waldhauser et al，2000）對伽師MS5.5地震序列的震源位置進行重新定位。雙差定位法可以較好地解決速度模型引起的誤差。該方法在國內(nèi)外許多中強地震的余震序列定位中得到了廣泛的應(yīng)用，如2008年汶川8.0級地震、2013年蘆山7.0級地震、2014年于田7.4級地震等（黃媛等，2008；鄭勇等，2009；房立華等，2015）。

本文定位所采用的速度模型為利用轉(zhuǎn)換波測深方法（邵學(xué)鐘等，2013）得到的伽師附近的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)，由于S波震相精度比P波震相低，故對P波數(shù)據(jù)權(quán)重設(shè)為1，對S波數(shù)據(jù)設(shè)為0.5；選取距伽師MS5.5地震序列400km范圍內(nèi)的臺站，設(shè)定地震對之間的最大距離不超過10km，OBSCT設(shè)為6（即每個地震對聯(lián)系在一起形成“震群”的最少震相數(shù)為6）。在計算過程中，采用共軛梯度法求解方程，經(jīng)過2組共4次迭代后得到阻尼最小二乘法解，震源位置在水平向的平均估算誤差為0.5～1.0km，在垂直向的大多小于1km。

2018年9月4～9日伽師MS5.5地震序列中，滿足具有4個以上臺站記錄重新定位條件的地震有228個，多數(shù)震相數(shù)據(jù)的震中距小于200km。同時，因采用VELEST方法反演區(qū)域速度模型對資料具有較高要求，且伽師MS5.5地震序列中滿足具有6個以上臺站記錄和方位角間隙小于150°的地震較少，為了獲得更合理的伽師地區(qū)一維速度模型，在重新定位過程中，我們加入了伽師MS5.5地震震源區(qū)自2009年以來滿足上述條件的歷史地震參與反演。反演得到的伽師地區(qū)一維速度模型見表2（S波速度按vP／vS波速比為1.75時獲得）。

表2 伽師地區(qū)速度模型

2.2 結(jié)果分析

最終獲得了伽師MS5.5地震序列199個ML≥1.0地震的重新定位結(jié)果，圖4為此次伽師MS5.5地震序列精定位后的震中分布圖。由圖4可見，伽師地震序列發(fā)生在伽師隱伏斷裂東南端，余震區(qū)長軸近NE向，與Ⅵ度區(qū)等震線長軸走向（圖5）基本一致，與利用CAP方法得到的震源機制解節(jié)面Ⅰ的走向亦基本一致（表3）。

圖4 2018年9月4～9日伽師MS5.5地震序列ML≥1.0地震震中分布

圖5 2018年9月4日伽師MS5.5地震烈度分布

表3 2018年9月4日伽師MS5.5地震序列MS≥3.5地震的震源機制解

由震源深度剖面圖（圖6）可以看出，沿著震中分布的優(yōu)勢長軸走向（A-A′剖面），余震集中分布在30km范圍內(nèi)。垂直震中分布的優(yōu)勢長軸走向剖面（B-B′剖面）反映了沿斷層傾向的震源分布特征，余震主要分布在5～35km的深度，ML≥3.0較大余震則集中分布在15～35km的深度，發(fā)震斷層陡立，傾角幾乎為90°，利用雙差定位得到的主震震源深度為20km，與1997年伽師強震群震源深度一致（陳棋福，2003）。

圖6 沿A-A′（a）、B-B′（b）剖面的地震震源深度分布

3 伽師MS5.5地震序列主要地震震源機制

3.1 資料與方法

計算震源機制解的方法有多種，考慮到此次伽師MS5.5地震發(fā)生在測震臺站分布較稀疏區(qū)，因此，我們選用CAP方法（Zhao et al，1994；Zhu et al，1996）反演此次伽師地震序列中MS≥3.5地震的震源機制解、震源矩心深度與矩震級。

CAP方法將寬頻帶數(shù)字地震波形記錄分為體波Pnl與面波2部分，我們分別對Pnl波、面波進行帶通濾波，計算理論地震波形與觀測波形之間的誤差函數(shù)，通過網(wǎng)格搜索，獲取給定參數(shù)空間中誤差函數(shù)達到最小的最佳解。與求解震源機制解的其他方法相比，CAP方法具有所需臺站少、反演結(jié)果對地殼橫向變化不敏感、對速度模型依賴性相對較小等優(yōu)點（Tan et al，2006；鄭勇等，2009；龍鋒等，2010；羅艷等，2015；易桂喜等，2012、2016），可保證震源機制計算結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性。

3.2 伽師MS5.5地震震源機制

基于重新定位方法獲得的伽師地區(qū)一維速度模型（表2），選取震中周圍500km范圍內(nèi)的新疆區(qū)域地震臺網(wǎng)記錄的波形資料，考慮到數(shù)據(jù)質(zhì)量，尤其是體波數(shù)據(jù)信噪比，挑選出寬頻帶地震臺的數(shù)據(jù)進行處理。對挑選出的寬頻帶數(shù)據(jù)去傾斜、除儀器響應(yīng)并旋轉(zhuǎn)至大圓路徑。對伽師MS5.5地震波形中的Pnl波部分使用帶寬為0.05～0.12Hz、面波部分使用帶寬為0.04～0.10Hz的帶通濾波器進行濾波。Pnl波和面波的相對權(quán)重取為2：1，一些研究結(jié)果表明（韓立波等，2012；呂堅等，2008；曲均浩等，2015），這樣的權(quán)重可以較好地兼顧Pnl波和面波的優(yōu)點。相應(yīng)地，采用相同的濾波參數(shù)對計算得到的理論地震圖進行濾波。

采用CAP方法中P波初動和波形擬合聯(lián)合反演的算法，利用距震中500km范圍內(nèi)8個臺站的波形資料，得到了伽師MS5.5地震的震源機制。圖7為MS5.5地震反演誤差隨深度的分布圖。由圖7可見，誤差最小的最佳擬合深度為8km。此次伽師地震矩震級為5.02，P軸方位為244°，最佳雙力偶機制解節(jié)面I：走向197°，傾角80°，滑動角162°；節(jié)面Ⅱ：走向290°，傾角73°，滑動角10°。

圖7 伽師MS5.5地震矩張量反演中波形擬合誤差隨深度的變化

3.3 伽師MS5.5地震序列中MS≥3.5地震震源機制

此次伽師MS5.5地震前，2018年9月4日5時51分44秒發(fā)生了伽師MS4.7地震，利用CAP方法計算了此次前震的震源機制解：最佳矩心深度為10km，矩震級為4.15，P軸方位169°，最佳雙力偶機制解節(jié)面I：走向63°，傾角72°，滑動角68°；節(jié)面Ⅱ：走向295°，傾角28°，滑動角139°。MS≥3.5的余震有4個，利用CAP方法計算所得震源機制解結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，余震均為走滑型，與主震的震源機制解較為一致。

上述結(jié)果表明，伽師MS4.7前震震源機制解為逆斷型，伽師MS5.5地震與其MS≥3.5余震具有相似的震源機制解（圖8），均為走滑型。由圖8可見，節(jié)面走向NNE-NE向；P軸方位近NNE向，與該區(qū)域歷史地震P軸方位（表4）及構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向基本一致。

4 伽師MS5.5地震序列類型及后續(xù)地震趨勢分析

4.1 序列類型早期判定

伽師地震序列中最大震級為MS5.5，與最大余震震級MS4.6間的震級差為0.9，該震級差處于主-余型地震序列的判別標準0.6≤ΔМ≤2.4內(nèi)；截至2018年9月9日，最大震級的MS5.5地震能量占序列能量的92.8%，MS5.5地震前發(fā)生MS4.7前震，因此此次伽師MS5.5地震序列為前-主-余型（蔣海昆等，2006）。

根據(jù)區(qū)域地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力和此次序列的震級-頻度關(guān)系（圖9），取序列最小完整性震級ML1.7為起算震級，時間步長1天，利用2018年9月4～9日序列資料，計算伽師地震序列早期參數(shù)p值和h值，結(jié)果顯示p值為1.462（圖10），表明序列衰減迅速；h值為2.1（圖9），表明伽師MS5.5地震序列震區(qū)后續(xù)發(fā)生更大地震的可能性較小（劉正榮等，1979）。

序列類型早期判定參數(shù)計算結(jié)果為：U值0.22、F值0.54、ρ值0.80、K值0.36、b值0.63，均顯示非前兆序列，結(jié)果表明伽師地震序列不屬于前兆序列。

圖8 伽師MS5.5地震序列及震中附近歷史MS≥3.5地震的震源機制解

表4 伽師MS5.5地震震中附近區(qū)域歷史地震震源機制解

以序列最小完整性震級ML1.7為起算震級，伽師地震序列震級-頻度關(guān)系圖（圖9（b））給出的序列最大余震期望震級為ML5.2，與最大余震震級ML5.0接近，可能表明序列最大余震已經(jīng)發(fā)生。

4.2 震后震區(qū)地震趨勢分析

4.2.1 伽師MS5.5地震序列視應(yīng)力分析

視應(yīng)力是表征震源區(qū)應(yīng)力水平的物理量，與發(fā)震過程中釋放的應(yīng)變能有關(guān)，反映了地震通過地震波輻射能量的效率，進而反映地震斷層的應(yīng)力強度；其與引起地震滑動的平均應(yīng)力水平之間通過地震波輻射效率相聯(lián)，為震源區(qū)平均應(yīng)力的下限（Choy et al，1995）。通常認為，地震視應(yīng)力值越大，震源區(qū)的應(yīng)力水平越高；反之，震源區(qū)應(yīng)力水平越低（楊志高等，2009）。

圖9 2018年9月4～9日伽師MS5.5地震序列ML≥1.7地震頻度-震級關(guān)系（a）、（b）與h值圖（c）

圖10 2018年9月4～9日伽師MS5.5地震序列p值圖

有些研究者的研究結(jié)果顯示（鐘羽云等，2004；陳學(xué)忠等，2008），視應(yīng)力可作為震后趨勢判定的有效手段之一。選擇伽師MS5.5地震序列中震中距220km以內(nèi)、記錄清楚、信噪比較高且至少有3個臺站記錄的波形數(shù)據(jù)，計算了截至2018年9月9日該序列中45個地震的視應(yīng)力（圖11），由圖11可以看出，該序列的視應(yīng)力與震級間存在一定的正相關(guān)關(guān)系。

圖11 伽師MS5.5地震序列震級與視應(yīng)力間的關(guān)系

圖12 伽師MS5.5地震余震序列中ML 3.0～3.9地震視應(yīng)力的時序圖

圖12為伽師地震余震序列中ML3.0～3.9地震視應(yīng)力的時序圖。由圖12可見，2018年9月4日主震發(fā)生后，ML3.0～3.9地震視應(yīng)力在整個序列中相對較高，在高值過程中發(fā)生了此次地震序列的最大余震，9月5日視應(yīng)力出現(xiàn)的1組高值與震級相關(guān)，高視應(yīng)力的地震震級為ML3.8、ML3.9，9月6日之后視應(yīng)力處于低值狀態(tài)。表5為伽師MS5.5地震及余震序列ML≥4.0地震視應(yīng)力。由表5可以看出，MS4.6（ML5.0）最大余震前，ML4.3地震視應(yīng)力大于最大余震后的ML4.0地震視應(yīng)力，最大余震之后ML≥4.0余震視應(yīng)力變化平穩(wěn)。該序列視應(yīng)力特征與新疆其它中強地震序列視應(yīng)力變化特征相似，因此分析認為后續(xù)發(fā)生強余震的可能性較小。

表5 伽師MS5.5地震余震序列ML≥4.0地震視應(yīng)力

4.2.2 伽師MS5.5地震序列應(yīng)力降

以往的研究表明（秦嘉政等，2004；劉建明等，2016；周少輝等，2017），中強地震的發(fā)生時間與該區(qū)域小震應(yīng)力降在時間進程上呈現(xiàn)的連續(xù)高值狀態(tài)有一定的相關(guān)性，大多數(shù)中強震發(fā)生在高值狀態(tài)形成并漸衰的過程中。采用多臺聯(lián)合反演方法計算了伽師MS5.5地震序列MS≥3.0地震的應(yīng)力降。由于震級對應(yīng)力降的影響較大，計算時選用震級為3.0≤ML≤4.9的余震，截至2018年9月10日，符合計算條件的地震有17個。結(jié)果顯示：①MS4.7前震的應(yīng)力降為60.9bar，較該區(qū)背景應(yīng)力降值明顯偏大（表6），具有一定的前震指示意義；②伽師MS5.5地震序列應(yīng)力降逐漸衰減已趨近區(qū)域背景水平（圖13）。初步分析認為，后續(xù)發(fā)生更大地震的可能性不大。

表6 普昌斷裂西區(qū)4級地震應(yīng)力降

圖13 伽師MS5.5地震序列中MS≥3.0地震應(yīng)力降

4.3 伽師地震序列后續(xù)地震趨勢判定

根據(jù)4.1節(jié)中序列類型分析和h值、p值計算結(jié)果可知，此次伽師MS5.5地震序列不是前兆序列，序列類型早期參數(shù)U、K、ρ、F、b值計算結(jié)果也表明該序列不是前兆序列，且序列視應(yīng)力于2018年9月6日之后處于低值狀態(tài)，序列應(yīng)力降逐漸衰減已趨近區(qū)域背景水平，震源區(qū)背景應(yīng)力水平不高，因此，該序列后續(xù)發(fā)生更大地震的可能性較小。從該地震序列震級-頻度關(guān)系圖（圖9（b））可以看出，序列最大余震期望震級為ML5.2，與最大余震震級ML5.0接近，可能表明序列最大余震已經(jīng)發(fā)生。

5 結(jié)論和討論

（1）伽師MS5.5地震震源區(qū)出現(xiàn)MS4.7前震活動，根據(jù)序列最大地震與最大余震的震級差以及最大地震占序列總體釋放能量的比例可知，此次伽師地震序列為前-主-余型。序列早期參數(shù)計算結(jié)果表明，該序列不是前兆序列。該序列地震視應(yīng)力處于低值狀態(tài)，序列應(yīng)力降逐漸衰減至區(qū)域背景水平，反映了震源區(qū)背景應(yīng)力水平不高，初步分析認為，震區(qū)后續(xù)發(fā)生強震的可能性較小。序列震級-頻度關(guān)系圖（圖9（b））顯示，序列最大余震期望震級為ML5.2，與最大余震震級ML5.0接近，可能表明序列最大余震已經(jīng)發(fā)生。

（2）利用雙差定位方法獲得的此次伽師地震序列的余震主要分布在近NE向長約25km、NS向?qū)捈s18km、深度5～35km的區(qū)域范圍內(nèi)。沿NW走向的震源深度剖面顯示發(fā)震斷層面陡立。采用CAP波形反演獲得的MS5.5地震的震源矩心深度為8km，矩震級為5.02，P軸方位244°，最佳雙力偶機制解節(jié)面I：走向197°，傾角80°，滑動角162°；節(jié)面Ⅱ：走向290°，傾角73°，滑動角10°。主震斷層錯動類型為走滑型，節(jié)面走向近NNE向。P軸方位與歷史地震P軸方位、震源所處區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向基本一致。

（3）伽師地震所處區(qū)域未有斷裂出露地表，距震源區(qū)最近的斷裂為伽師隱伏斷裂，其為逆走滑型斷裂，斷層走向NNW，斷層傾角陡立，根據(jù)重新定位后的伽師地震序列的結(jié)果可知，沿NW走向的震源深度剖面展現(xiàn)發(fā)震斷層陡立，震源機制解結(jié)果顯示前震為逆沖型兼有走滑分量，這與伽師隱伏斷裂一致，但序列震源機制節(jié)面走向呈近NNE-NE向、重新定位后的伽師地震序列長軸方向近NE以及Ⅵ度區(qū)等震線長軸近NE向的特征，與伽師隱伏斷裂主要走向不符。此次伽師MS5.5地震余震區(qū)位于1997年伽師震群震區(qū)內(nèi)，震源深度與其一致，1997年4月6日伽師6.4級地震震中距僅3km，1997年伽師震群長軸和等震線長軸均呈NE方向（陳棋福，2003），與此次伽師MS5.5地震序列精定位后的結(jié)果及等震線長軸方向一致；震源機制結(jié)果顯示，主震及較大余震的震源機制解為走滑型，與1997年伽師強震群序列的震源機制結(jié)果相符。初步分析認為，此次伽師MS5.5地震是1997～1998年伽師震群震區(qū)的再次活動；該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，對于其地下構(gòu)造還有待進一步研究。