2020年1月19日新疆伽師MS6.4地震序列的活動特征和發(fā)震構(gòu)造

崔仁勝 趙翠萍 周連慶 陳 陽

1)中國地震局地球物理研究所，北京 100081 2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2020年1月18日新疆喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生MS5.7地震，1月19日21時27分再次發(fā)生MS6.4地震，MS6.4地震的震中位于(39.8°N，77.2°E)，震源深度為16km，這是繼2003年MS6.8地震之后伽師地區(qū)發(fā)生的又一次6級地震。本次地震的最大烈度為Ⅷ度，地震造成1人死亡，2人輕傷，部分房屋在地震中開裂和倒塌等。主震后1h和2月21日分別發(fā)生了MS5.2和MS5.1強余震。

圖1 區(qū)域構(gòu)造與歷史地震分布Fig.1 The regional tectonic map and the distribution of historical earthquakes.五角星為伽師MS6.4地震震中，紅色圓圈為1996年至今的伽師及周邊6級以上地震震中，三角形為地震臺站，其中L6505和L6513為主震后增加的流動臺站，黑色圓圈為主要城市。F1 柯坪斷裂；F2 奧茲格爾他烏斷層；F3 皮羌斷裂；F4 八盤 水磨斷裂；F5 衣木干它烏斷裂；F6 喀拉鐵克斷裂；F7 邁丹斷裂；F8 塔拉斯-費爾干納斷裂；F9 西昆侖北緣斷裂

本次伽師MS6.4地震發(fā)生在塔里木盆地和南天山交會的區(qū)域，該區(qū)域受南天山、塔里木和帕米爾構(gòu)造塊體共同作用。塔里木塊體與南天山相向?qū)_，在山前形成一系列N傾、EW向延伸的逆沖斷層和數(shù)排背斜褶皺組成呈弧形的柯坪塔格推覆構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運動強烈(徐錫偉等，2006)。如圖1 所示，該區(qū)域內(nèi)的主要構(gòu)造有EW走向的柯坪斷裂(F1)、奧茲格爾他烏斷裂(F2)、八盤水磨斷裂(F4)、NE向的邁丹斷裂(F7)以及NNW向的皮羌斷裂(F3)?？缕簲嗔押蛫W茲格爾他烏斷裂為2條近EW向的平行斷裂，南側(cè)的柯坪斷裂為傾向NW、傾角約30°的逆沖斷裂，北側(cè)的奧茲格爾他烏斷裂為傾向NNE、傾角約50°的逆沖斷裂(何文淵等，2002)。以右旋走滑的皮羌斷裂為界，在皮羌斷裂以東斷裂多呈走滑性質(zhì)，走向以NE為主；皮羌斷裂以西斷裂以逆沖為主，多為EW走向(沈軍等，2006)。楊曉平等(2006)的研究表明柯坪塔格推覆褶皺帶是一種薄皮構(gòu)造，其滑脫面具有東淺西深的特點，皮羌斷裂西側(cè)滑脫面的深度為7～9km，東側(cè)約為5km。Li等(2020)的研究表明柯坪塔格斷層分段變形從西向東急劇減少，皮羌斷裂以西的縮短率為2.5～2.7mm/a，以東約為0.3mm/a。該區(qū)域現(xiàn)今的構(gòu)造格局是新生代時期印度板塊與歐亞板塊碰撞的產(chǎn)物，其強震活動多受控于較為年輕的柯坪斷裂。獨特的地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力使得該區(qū)域成為中強地震(群)頻發(fā)區(qū)域，歷史上發(fā)生過數(shù)次中強地震，僅1997年1—4月就在伽師地區(qū)很小的范圍內(nèi)發(fā)生了7次6級強震群活動，1998年伽師地區(qū)發(fā)生了2次6級地震和阿圖什6.0級地震，2003年2月24日巴楚-伽師再次發(fā)生MS6.8地震，前人對這幾次強震開展了一系列研究(劉啟元等，2000；周仕勇等，2001；郭飆等，2002；王衛(wèi)民等，2005；黃媛等，2006；趙翠萍等，2008a，b)。與前幾次強震發(fā)生在盆山交界區(qū)域的塔里木盆地一側(cè)不同，此次MS6.4地震及其序列發(fā)生在塔里木盆地北側(cè)的柯坪塔格山前，暫未發(fā)現(xiàn)伽師MS6.4地震同震導(dǎo)致的地表破裂，此次伽師地震的發(fā)震斷層究竟與哪條斷裂有關(guān)等科學(xué)問題目前尚無定論。

本文使用新疆地震臺網(wǎng)固定臺站和震后布設(shè)的流動臺站觀測數(shù)據(jù)，對伽師MS6.4地震序列進行重新定位，反演了主震及3次5級以上地震的震源機制解，研究了伽師地震序列的活動特征和發(fā)震構(gòu)造。

1 數(shù)據(jù)和方法

由于伽師震源區(qū)的監(jiān)測能力相對較弱，MS6.4地震發(fā)生后，新疆地震局在震中附近架設(shè)了2個流動臺(L6505和L6513)，結(jié)合區(qū)域地震觀測臺站(圖1)分析了2020年1月18日—8月31日的觀測數(shù)據(jù)，共得到3i356個地震事件。伽師地震序列的M-T圖(圖2a)顯示余震活動衰減較慢。為獲得較為可靠的定位結(jié)果，本文選用觀測臺站數(shù)量>7的地震事件參加重定位，經(jīng)篩選得到1i990個地震事件的觀測資料。選擇震中距<250km的到時數(shù)據(jù)，并剔除離散走時數(shù)據(jù)。圖2b是經(jīng)挑選后的P波和S波觀測走時數(shù)據(jù)，其中包括P波數(shù)據(jù)17i752條，S波數(shù)據(jù)16i519條。參與定位的臺站共有15個，對地震序列有較好的空間包圍(圖1)。采用區(qū)域地震臺網(wǎng)的寬頻帶波形資料反演震源機制，選擇震中距<350km的觀測臺站且有效記錄4次5級以上地震事件(含MS6.4主震)的波形資料。本文進行重定位和震源機制解反演所使用的一維速度模型如圖2c所示，該模型綜合了前人的上地殼速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果(劉啟元等，2000；趙翠萍等，2008a)。

圖2 a 伽師地震序列的M-T圖(2020年1月1日—8月31日)；b 經(jīng)挑選后的P波和S波觀測走時曲線；c 本文使用的速度模型Fig.2 The magnitude-time plot of Jiashi earthquake sequence from January 1 to August 31，2020(a)，the selected travel time curves of P and S wave(b)and velocity model used in the study(c).

本文采用雙差定位方法(Waldhauseretal.，2000)對伽師地震序列進行重定位，該方法使用相對走時殘差反演地震震源位置，能夠消除震源到臺站的傳播路徑效應(yīng)，減少地殼速度模型不準確對定位結(jié)果的影響。雙差定位方法在國內(nèi)外中強地震序列重定位研究中有著廣泛的應(yīng)用(黃媛等，2008；張廣偉等，2014；房立華等，2018)。余震序列的高精度定位結(jié)果能較好地勾畫出地震的發(fā)震構(gòu)造。

本文采用CAP方法(Zhuetal.，1996)反演伽師地震序列中4次5級以上地震的震源機制解。CAP方法假定震源模型為雙力偶模型，將觀測波形分為長周期體波和面波2部分，分別與理論波形進行擬合從而得到最佳震源機制解(Zhaoetal.，1994；Zhuetal.，1996)，其中理論地震圖使用頻率-波數(shù)法計算(Saikia，1994；Zhuetal.，1996)。CAP方法已經(jīng)在汶川、蘆山等地震序列震源機制研究中得到廣泛應(yīng)用(鄭勇等，2009；呂堅等，2013；Hanetal.，2014；羅鈞等，2015；羅艷等，2015)。

考慮到前震和余震分布所反映的伽師MS6.4地震震源過程和發(fā)震構(gòu)造的復(fù)雜性，本文采用ISOLA方法(Zahradniketal.，2005，2014)進一步分析MS6.4地震的震源過程。該方法將此次地震分解為空間和時間上的多個子事件，利用格點搜索求取達到最佳波形擬合的子事件發(fā)生時間、位置和震源機制解，從而探討伽師震源區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境和斷層展布對地震破裂過程的影響。前人使用ISOLA方法對復(fù)雜地震事件進行反演，并取得了較好的結(jié)果(Hicksetal.，2015；Liuetal.，2020)，其中格林函數(shù)使用離散波數(shù)方法計算得到(Bouchon，1981)。

圖3 重定位前后伽師地震序列分布及深度剖面Fig.3 Distribution of initial and relocated earthquake sequences and the vertical cross section of the relocated earthquake sequence.a 重定位前伽師地震序列的平面分布；b 重定位后伽師地震序列的平面分布；c 重定位后伽師地震序列AA′剖面圖；d 重定位后伽師地震序列BB′剖面圖；e 重定位后伽師地震序列CC′剖面圖；f 重定位后伽師地震序列DD′剖面圖；g 重定位后伽師 地震序列EE′剖面圖；h 重定位后伽師地震序列GG′剖面圖

2 重定位和地震活動的時空過程

選擇觀測臺站數(shù)量>7的1i990個地震事件開展重定位研究。圖3a為重定位前伽師地震序列的平面分布圖；利用雙差定位方法進行重定位后最終得到1i460個地震的重定位結(jié)果，圖3b為重定位后伽師地震序列的平面分布圖，其EW向、SN向及深度的平均定位偏差分別為1.14km、1.43km和1.90km；重新定位后的地震走時平均均方根殘差較重定位前顯著降低，由0.838s下降為0.275s。本次伽師MS6.4主震的重定位結(jié)果為(39.835°N，77.148°E)，震源深度為14.9km。由圖3b所示的重定位結(jié)果可以看出，地震呈現(xiàn)2個條帶分布，NNW向地震條帶相對較短，約為20km；近EW向地震條帶為優(yōu)勢分布區(qū)，延展長度約為40km。主震和MS5.7前震的位置相近，分布在NNW向條帶的南側(cè)，NNW向主震南側(cè)僅有少量地震活動，2次5級以上余震分布在近EW向條帶的東側(cè)。由圖3e—h所示的深度剖面可以看出，地震主要分布在5～25km深度范圍，優(yōu)勢分布在10～20km之間。由AA′剖面可以看出，地震深度由西到東逐漸變淺。從BB′剖面可以看出南側(cè)主震及余震深度集中在約15km處，靠近北側(cè)的地震分布在10～20km深度。穿過主震震中垂直于BB′的CC′剖面顯示NNW向的地震活動范圍較窄，發(fā)震構(gòu)造的傾角較大，傾向W。由垂直于AA′剖面的DD′、EE′和GG′深度剖面可以看出，近EW向的地震活動構(gòu)造略微S傾。西側(cè)DD′剖面附近的地震活動分布較窄、傾角較陡，由西向東深度變淺，地震分布也逐漸變寬、傾角變緩。

圖4 不同時間段的地震平面及深度剖面圖Fig.4 Relocated earthquakes in map view and along the section AA′ at different periods of time.a 主震前48h地震活動的平面分布圖；b 主震前48h地震活動的深度剖面圖；c 主震后48h地震活動的平面分布圖；d 主震后48h地震活動的深度剖面圖；e 主震后48～96h地震活動的平面分布圖；f 主震后48～96h地震活動的深度剖面圖

為分析主震前后地震活動的時空變化特征，本文按照不同時間段展示地震序列活動的分布情況。如圖4a、b可見，主震發(fā)生前48h，2020年1月18日MS5.7前震序列主要在NNW向發(fā)生，余震很少且沿NNW向形成尺度較小的條帶；直至主震發(fā)生，近EW向沒有明顯的地震活動。主震發(fā)生后48h，大量的余震活動形成近EW向條帶(圖4c，d)，且震源深度由西向東逐漸變淺，并于主震后1h在近EW向破裂的東側(cè)發(fā)生了MS5.2余震。主震發(fā)生后48～96h(圖4e，f)，余震活動較之前有明顯衰減。圖4e顯示這一時期的余震活動主要近EW向展布，NNW向也有少量的地震活動。根據(jù)地震序列活動時空分布特征可以推測MS5.7前震活動主要沿NNW向破裂，當(dāng)主震發(fā)生后，破裂向N延展一段距離后沿近EW向展布。

結(jié)合重定位結(jié)果所展示的地震時空分布特征推測，MS5.7前震的破裂面為NNW向，斷層面傾角較陡，傾向W；MS6.4主震的破裂面由早期的NNW向轉(zhuǎn)為近EW向，近EW向斷層面西側(cè)的傾角較陡，向E逐漸變緩，斷層面略微S傾。推測MS6.4主震的發(fā)生受NNW向W傾斷裂和近EW向S傾高角度斷裂共同控制。

圖5 a 伽師MS6.4主震的震源機制解及波形擬合圖；b 不同深度的震源機制解結(jié)果Fig.5 Focal mechanism and waveform fitting diagram of the Jiashi MS6.4 earthquake(a)and the focal mechanism solutions at each source depth(b).波形擬合圖中黑線為觀測波形，紅線為理論波形；左側(cè)大寫字母為臺站名；波形下方的數(shù)字為理論波形、觀測波形的相對移動時間(s)和擬合相關(guān)系數(shù)(%)

3 震源機制解

基于區(qū)域?qū)掝l帶臺站的三分量波形，本文采用CAP方法反演MS6.4主震的震源機制解。由圖5 所示的波形擬合圖和深度搜索圖可以看出觀測波形和理論波形擬合較好，說明主震的震源機制解較可靠，主震震源機制解的節(jié)面I和節(jié)面Ⅱ的走向、傾角和滑動角分別為84°、67°、111°和220°、31°、50°，矩震級MW5.87，最佳擬合深度為14.5km，具有明顯的逆沖性質(zhì)。本文反演了另外3次5級以上地震的震源機制解，詳細結(jié)果見表1 和圖6。除MS5.7前震為走滑事件外，另外2次余震的震源機制均為逆沖性質(zhì)，與主震較為一致?？梢钥闯觯琈S5.7前震與主震明顯不同，主震與MS5.2、MS5.1余震的震源機制解一致，MS5.2、MS5.1地震是發(fā)生在近EW向構(gòu)造上的強余震?？紤]余震分布的高傾角特征，推測節(jié)面I為MS6.4地震的同震破裂面。

表 1 MS≥5.0地震的震源機制解Table 1 Focal mechanisms of the MS≥5.0 earthquakes

圖6 伽師地震序列MS≥5.0地震的震源機制解Fig.6 Focal mechanisms of the MS≥5.0 earthquakes in Jiashi area.圓圈為3級以上地震震中，顏色代表距主震的時間

以主震位置為中心將震源區(qū)劃分為9×11的步長為5km的水平網(wǎng)格，固定震源深度為15km，使用多源模型(Multi-point source model)進行全波形反演(頻帶范圍為0.02～0.08Hz)。通過格點搜索得到2個相關(guān)系數(shù)較高、時間相距約4s的子事件(圖7， 8)，表明MS6.4主震可能由2個子事件組成。圖7 和表2 顯示子事件1位于起始破裂點北側(cè)25km處，震級MW5.67，該事件具有走滑性質(zhì)，2個節(jié)面均近直立，其中走向近SN向的節(jié)面與NNW向余震的走向一致，也與MS5.7前震的震源機制一致；子事件2位于起始破裂點北側(cè)15km、東側(cè)10km處，震級MW5.80，該事件具有明顯逆沖性質(zhì)，與2次5級強余震的震源機制一致，2個節(jié)面的走向均為近EW向，節(jié)面Ⅰ基本直立，節(jié)面Ⅱ的傾角較緩。2個子事件合成產(chǎn)生的波形擬合情況見圖8，可見多數(shù)臺站的擬合情況較好，KSZ和ATS等臺的部分波形擬合效果不理想可能與南天山復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖7 基于多源模型的MS6.4主震矩張量解反演結(jié)果Fig.7 Moment tensor inversion of the MS6.4 earthquake based on the multi-point-source model.a 子事件1；b 子事件2。五角星為主震震中，等值線為波形擬合相關(guān)系數(shù)，最大的沙灘球為最優(yōu)解

圖8 最優(yōu)解的觀測波形(黑)和理論波形(紅)擬合結(jié)果Fig.8 Observed(black)and synthetic(red)waveforms for the optimum solution.

表 2 2個子事件的震源機制解Table 2 Focal mechanisms of two subevents

4 討論和結(jié)論

本文采用雙差定位方法獲得了伽師MS6.4地震序列1i460個事件的重定位結(jié)果。結(jié)果顯示，伽師MS6.4主震的重定位震中位于(39.835°N，77.148°E)，震源深度為14.9km。伽師地震序列活動呈現(xiàn)2個優(yōu)勢方向，其中NNW向條帶延展約20km，近EW向條帶延展約40km。MS5.7前震至主震發(fā)生前的地震活動主要沿NNW向分布，主震發(fā)生后在NNW和EW方向同時產(chǎn)生大量余震活動。NNW向斷層面的傾角較陡，傾向W；近EW向斷層面西側(cè)的傾角較陡，向E逐漸變緩，斷層面略微S傾。震源深度主要集中在5～25km，優(yōu)勢分布于10～20km，NNW向地震分布較深，在EW走向由西向東呈現(xiàn)震源深度逐漸變淺的特征。

基于CAP方法和ISOLA方法反演的伽師MS6.4主震的震源機制解一致，揭示此次地震是以逆沖錯動為主的機制。主震的矩張量解同時顯示主震具有較大的非雙力偶成分，表明主震的破裂過程較為復(fù)雜。我們進一步對主震開展基于多源模型的矩張量反演，結(jié)果揭示了主震可能是由時間相差約4s的2個子事件組成，第1個子事件為走滑性質(zhì)，機制與MS5.7前震一致，其近SN向節(jié)面與余震活動形成的NNW向條帶吻合，矩震級MW5.67；第2個子事件為逆沖性質(zhì)，與2次強余震的機制一致，其節(jié)面與近EW向余震的優(yōu)勢走向一致，矩震級MW5.80。該破裂過程與主震發(fā)生前、后的地震序列時空分布特征一致。

結(jié)合重定位結(jié)果和震源機制特征，我們推測伽師MS6.4地震的發(fā)震構(gòu)造由相交的2條斷裂構(gòu)成，破裂始于NNW向的斷裂，在向N擴展的過程中與近EW向的斷裂交會，觸發(fā)了近EW向斷裂的活動。2條斷裂共同參與這次地震，導(dǎo)致余震分布也呈現(xiàn)出2個優(yōu)勢方向。由于震中附近并沒有已知的NNW向斷裂，推測存在1條NNW向高傾角走滑性質(zhì)的隱伏斷裂，可能是切穿柯坪逆沖推覆體—中下地殼的基底斷裂，具有與皮羌斷裂類似的 “類轉(zhuǎn)換斷層”性質(zhì)(徐錫偉等，2006)，調(diào)節(jié)柯坪逆沖推覆體褶皺帶的橫向不均勻性。震中附近近EW向的柯坪斷裂為傾向NW、傾角約30°的逆沖斷裂(何文淵等，2002)。由本文的伽師序列重定位結(jié)果可以看出，近EW向逆沖事件的發(fā)震構(gòu)造為S傾的高角度斷裂，與柯坪斷裂的傾向相反；柯坪斷裂為滑脫面深度7～9km的逆沖推覆構(gòu)造，而主震重定位結(jié)果及矩心深度均為14～15km，顯示其孕震深度已到達柯坪逆沖推覆體滑脫面下的中下地殼，可能與深部地殼中的基底斷裂有關(guān)，推測存在1條近EW向的S傾構(gòu)造，伽師MS6.4地震的初始破裂是在NNW向主壓應(yīng)力作用下發(fā)生的。

根據(jù)哈佛大學(xué)提供的1996—2003年6級以上地震震源機制解(圖1)，塔里木盆地內(nèi)的1997年伽師震群和1998年2次6級地震的震源機制解多為走滑或正斷型，而同樣發(fā)生在盆地內(nèi)的2003年的巴楚-伽師MS6.8地震為逆沖型，表明該區(qū)域存在擠壓與拉張并存的構(gòu)造背景(胥頤等，2000)。周仕勇等(2001)根據(jù)震源精確定位結(jié)果推測1997年的伽師強震群可能存在NNW走向的發(fā)震構(gòu)造；趙翠萍(2006)根據(jù)1997年震群活動特征推測該強震群序列總體上呈現(xiàn)NE和NNW向的斷層活動。相對于1997年的強震群，1998年2次強震向NE遷移，余震分布呈2條平行的NE向條帶展布。2003年的巴楚-伽師MS6.8地震發(fā)生在柯坪塔格推覆構(gòu)造南緣一條近EW走向尚未出露的逆斷層上(徐錫偉等，2006)；伽師北部1996年和1998年的2次阿圖什6級地震靠近柯坪斷裂，為純逆沖型，斷層面走向近EW，與柯坪斷裂的走向一致。可見，2020年1月19日伽師MS6.4地震與1997—1998年伽師震群以及2003年巴楚-伽師MS6.8地震的發(fā)震斷裂明顯不同，此次地震是由NNW向高角度W傾的隱伏斷裂和近EW向S傾的次級斷裂先后破裂所構(gòu)成的。

深地震測深資料表明，塔里木盆地的結(jié)晶基底界面埋深為10～12km，而康拉德界面的埋深為22～25km，這2個界面由塔里木盆地向南天山急劇變淺(張先康等，2002)，中下地殼界面起伏不穩(wěn)定。本文的重定位結(jié)果表明，伽師MS6.4地震的震源正是位于地殼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的過渡帶，伽師地震序列的深度主要集中在10～20km，地震活動深度上受到結(jié)晶基底界面和康拉德界面限制，主要分布在兩者之間，表明地殼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定可能是該區(qū)域地震多發(fā)的影響因素。塔里木塊體向N插入南天山，兩者交會區(qū)域的地殼出現(xiàn)強烈的不均勻變形，巖石物性和地震波速都存在著明顯差異(胥頤等，2000)，與主要斷裂構(gòu)成了復(fù)雜的耦合關(guān)系，形成該區(qū)域中強地震頻繁發(fā)生的構(gòu)造環(huán)境。本次伽師MS6.4地震的發(fā)生是南天山與塔里木兩大塊體作用的產(chǎn)物，近EW向分布的余震序列震源深度逐漸變淺的原因可能是中下地殼界面急劇變淺導(dǎo)致的，NNW向主震南側(cè)余震活動較少，推測可能是受到堅硬的塔里木盆地物質(zhì)阻擋所致。

致謝本研究使用了新疆地震臺網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)、Waldhauser的雙差定位程序、朱露培教授的CAP程序和Zahradník的ISOLA程序；審稿專家和主編對本文提出了寶貴的修改意見。在此一并表示感謝!