2020年1月19日新疆伽師M6.4地震的重定位及震源機制

郭 志 高 星 路 珍

1)中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學國家重點實驗室，新疆帕米爾陸內(nèi)俯沖國家野外科學觀測研究站，北京 100029 2)中國科學院地理科學與資源研究所，資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101 3)中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054

0 引言

2020年1月19日21點27分55秒，新疆喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生強烈地震，造成1人死亡、2人輕傷，當?shù)夭糠址课荨⑤旊娋€路和交通設(shè)施受損，震中附近沿途鐵路緊急叫停。中國地震臺網(wǎng)的觀測結(jié)果顯示，震中位于天山山脈南麓柯坪塔格斷裂帶西段(39.83°N，77.21°E)，震源深度16km，震級為M6.4。22時23分，在主震震中區(qū)域NE側(cè)(39.89°N，77.36°E)發(fā)生了M5.2余震。此外，2020年1月18日在伽師M6.4地震震中南側(cè)附近(39.83°N，77.18°E)曾發(fā)生M5.4前震(圖1)。2020年1月19日伽師地震震中所處的柯坪塔格斷裂帶位于喀什-阿圖什地區(qū)、天山山脈南麓與塔里木盆地的交會處?？缕核駭嗔验L約220km，被SN走向的皮羌斷裂帶分割為東、西2段；柯坪塔格斷裂的地震活動性較強，發(fā)生于柯坪塔格斷裂帶的古地震使得沖積扇斷裂，并在柯坪塔格山腳下形成多個斷層陡坎，使震中區(qū)域呈現(xiàn)出復雜的地形地貌，地形相對高差達數(shù)km(圖1)?？κ?阿圖什地區(qū)歷史上頻繁發(fā)生中強地震，在與本次地震震中距離250km范圍內(nèi)，過去50a中發(fā)生了13次震級達6級的地震，例如1996年阿圖什地震、1998年伽師震群和2003年伽師-巴楚地震等。另外，1902年在本次伽師地震西北部曾經(jīng)發(fā)生震級達M7.7的喀什地震。地球物理研究結(jié)果顯示，由于受到印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞產(chǎn)生的巨大擠壓應(yīng)力遠程作用的影響，塔里木巖石圈向天山下方俯沖(Zhaoetal.，2003；Leietal.，2007；Lei，2011；Gaoetal.，2014；Lüetal.，2019)，促使了天山的隆升。喀什-阿圖什地區(qū)的高地震活動性與塔里木巖石圈向天山下方俯沖引起的地殼應(yīng)力在該地區(qū)的持續(xù)累積—釋放有關(guān)。

圖1 2020年1月19日新疆伽師地震序列及附近區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Regional tectonic settings and location of epicenters of 19 January 2020 Jiashi，Xinjiang earthquake sequence.黑色虛線為主要斷層線(鄧起東等，2002)；紅色方塊表示主要城市，黑色十字表示原始地震序列的空間位置；前震及主震的震源參數(shù)來自于本文，M5.2余震的震源參數(shù)來自于GCMT

為了深入了解本次伽師地震的發(fā)震機制，我們收集了2020年1月1日—5月1日伽師地震序列的地震目錄，采用雙差定位法對地震序列進行了重定位。此外，還收集了伽師地震序列中M>5.0地震事件的波形資料，采用W震相反演方法獲取了伽師地震主震及前震的震源機制解。本文在綜合分析地震重定位結(jié)果及震源機制解的基礎(chǔ)上，對2020年新疆伽師地震的發(fā)震機制及構(gòu)造進行初步探討。

1 地震序列重定位

1.1 方法與數(shù)據(jù)

本文采用雙差定位法(Waldhauseretal.，2000)對伽師地震序列進行重定位。雙差定位法已在地震重定位相關(guān)工作中被廣泛采用，并取得了不少具有意義的研究成果(張廣偉等，2014；韋偉等，2018)。雙差定位法是一種相對地震定位方法，通過尋找位置相近的地震事件對的相對位置，使同一個地震臺站的實際觀測走時與理論走時的殘差最小，從而對地震事件進行重定位。由于其利用觀測和理論走時的殘差作為目標函數(shù)，故被稱作雙差定位法。雙差定位法將相鄰的2個地震事件組成為1個事件對，當?shù)卣鹗录εc臺站距離足夠遠時，可認為地震事件到臺站的射線路徑相同，因此雙差定位法具有對地殼速度模型誤差及震相到時拾取誤差不敏感的特性(Waldhauseretal.，2000)。

本研究使用震中距≤300km的13個固定地震臺站的震相數(shù)據(jù)對伽師地震序列進行重新定位。從圖2a中可以看出，地震臺站的方位分布相對比較均勻，對震中位置形成了較好地包圍，為地震序列重定位提供了較好的觀測數(shù)據(jù)。

圖2 a 重定位所使用地震臺站(黑色三角形)的空間分布及伽師M6.4地震震中(紫色五角星)；b P波及S波的觀測走時曲線Fig.2 Distribution of seismic stations used in relocation and epicenter of the Jiashi M6.4 earthquake(a)，and travel time curve of P and S waves(b).

本文使用中國地震臺網(wǎng)中心 “地震編目系統(tǒng)”發(fā)布的2020年1月1日—5月1日新疆伽師地區(qū)的震相觀測報告，對具有3個以上臺站記錄和5個以上震相數(shù)的2i604次地震進行了重新定位。下載的震相觀測報告包括P波走時資料29i863個、S波走時資料26i293個，平均每次地震具有8個以上震相數(shù)據(jù)。為了更直觀地了解震相觀測報告中走時信息的可靠性，我們繪制了P波及S波的震相走時曲線(圖2b)。在圖2b中，可以清晰地區(qū)分出P波和S波震相的走時曲線，且震相走時數(shù)據(jù)的離散程度也較小，表明本文使用的觀測報告中震相走時數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。

為了獲取可信的震相走時數(shù)據(jù)用于重定位，首先對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，在此過程中設(shè)置最小連接數(shù)(MINLNK)和最小觀測數(shù)(MINOBS)均為6，地震事件對(MAXSEP)的最大距離為15km，地震事件到地震臺站的最大距離(MAXDIST)為200km。經(jīng)過篩選，最終獲得2i008個地震事件用于重定位。在重定位過程中，設(shè)置P波和S波的到時權(quán)重為1.0和0.5，地震事件對之間的最大距離(WDCT)為8km。

表 1 2020年新疆伽師M6.4地震序列重定位采用的地震波速度模型Table 1 The seismic velocity model used to relocate the 2020 Xinjiang Jiashi M6.4 earthquake sequence

盡管雙差定位法具有對地殼速度結(jié)構(gòu)不確定性不敏感的特性，但為了盡可能地消除地殼速度結(jié)構(gòu)不確定性(Michelinietal.，2004)對最終定位結(jié)果的影響，綜合前人對天山及塔里木地區(qū)的地震學研究成果(Gaoetal.，2014)，構(gòu)建了重定位中所使用的地殼速度結(jié)構(gòu)模型(表1)。

1.2 地震重定位結(jié)果

由于本次重定位使用的地震目錄涉及時間較長，為了更為深入地了解地震序列的空間分布隨時間的演化特征，我們將下載的地震目錄劃分為前震、主震及余震3個時間段，其范圍分別為2020年1月1—18日、1月19—26日和1月27日—5月1日，并在相應(yīng)的時間段內(nèi)進行地震序列重定位。圖3 給出了重定位后新疆伽師地震序列在不同時間段的空間分布。對比圖1 與圖3 可發(fā)現(xiàn)，重新定位后地震序列的空間分布更為集中、緊密，離散程度減小，線性條帶狀分布的特征更為明顯。圖3a顯示，1月1—18日柯坪塔格斷裂帶的地震活動性較低，地震基本上都是1月18日M5.4地震之后的余震，且呈NNW向優(yōu)勢展布。圖3b給出了伽師M6.4主震及之后一周內(nèi)的余震重定位結(jié)果，從圖中可用看出余震序列呈NWW的優(yōu)勢分布方向和NNW的次級優(yōu)勢方向分布，其中M6.4主震發(fā)生在次級NNW向展布區(qū)域的南端，而M5.2余震則發(fā)生在NWW向展布區(qū)域的東南端。圖3c給出了1月26日—5月1日重定位后的余震分布，可以看出該時段內(nèi)的余震空間展布與M6.4主震后一周內(nèi)的地震序列空間展布較為類似，大部分余震呈NWW向展布，而一部分余震則呈NNW向展布?？傮w而言，重定位后伽師地震序列沿NWW優(yōu)勢方向和NNW次級優(yōu)勢方向展布于柯坪塔格斷裂帶北側(cè)附近的區(qū)域；其中NNW向與NWW向展布區(qū)域的交會處集中了大部分余震，余震分布較為集中，頻度及強度均較高，余震的空間優(yōu)勢展布區(qū)域與柯坪塔格斷裂帶平行。1月18日M5.4前震及1月19日M6.4主震發(fā)生在NNW次級分支的東南端；隨著時間的流逝，前震到主震呈現(xiàn)出從南向北遷移的特征；M6.4主震及M5.2余震呈向NE遷移的特征。

圖3 重定位后新疆伽師地震序列不同時間段的空間展布Fig.3 The spatial distribution of relocated earthquake sequence in different time periods.a 2020年1月1—18日地震序列的空間展布；b 2020年1月19—26日地震序列的空間展布；c 2020年1月27日—5月1日地震序列的空間展布

為了詳細展示地震序列的震源深度結(jié)構(gòu)特征，我們沿著地震序列的2個優(yōu)勢展布方向截取了震源深度剖面AA′和BB′，其中AA′為沿NWW向展布的震源深度剖面，BB′為沿NNW向展布的震源深度剖面(圖3)。從圖3 中可用看出，重定位后地震序列的震源深度集中分布于10～20km，這與前人給出的新疆西南地區(qū)平均震源深度約為20km(張國民等，2002)的結(jié)果比較接近。AA′剖面顯示，M5.4前震始于深約18.6km處，然后余震逐漸向地表淺層擴展(圖3a)；而M6.4主震始于淺部(16.4km)，余震則逐漸向深部擴展(圖3b，c)。余震密集分布區(qū)域的下邊界顯示，沿NWW向優(yōu)勢分布的震源深度呈現(xiàn)從西向東逐漸變淺的趨勢。BB′剖面揭示了發(fā)震斷層傾向的震源分布特征： 伽師地震序列余震密集區(qū)域的下邊界顯示，斷層淺部的傾角較為陡峭，近垂直于地面，而深部的傾角略緩，表現(xiàn)為S傾的鏟狀斷層特征(圖3c)。

2 前震及主震的震源機制

為了加深對伽師地震發(fā)震機制的了解，本文基于新疆、青海、西藏及吉爾吉斯斯坦、阿富汗地震臺網(wǎng)記錄的區(qū)域三分量地震波形數(shù)據(jù)，采用W震相反演方法獲取了2020年1月18日伽師M5.4前震及M6.4主震的震源參數(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)和方法

W震相矩張量反演中使用的三分量地震波形數(shù)據(jù)來自鄭秀芬等(2009)、國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心，2017)和IRIS數(shù)據(jù)中心。下載數(shù)據(jù)后，首先對原始數(shù)據(jù)進行預處理，包括去除儀器響應(yīng)、去均值、去趨勢、帶通濾波和旋轉(zhuǎn)三分量數(shù)據(jù)等，最終得到垂向、徑向和切向波形數(shù)據(jù)。隨后截取P波及之后180s時窗長度的數(shù)據(jù)用于W震相地震矩張量反演。

所謂的W震相是指能量集中于100～1￣￣000s超長周期、在上地幔以4.5～9.0km/s(速度大于S波群速度)速度傳播的地震波，因其具有明顯的斜坡狀波形特征，故被命名為W震相(Kanamori，1993)。W震相集中在上地幔內(nèi)傳播，較少受到地殼淺層結(jié)構(gòu)不均勻性的影響；此外，W震相的傳播速度較快，可用來快速獲取可靠的震源參數(shù)。近年來，W震相反演方法已經(jīng)在震源機制相關(guān)研究中得到了廣泛應(yīng)用，所得結(jié)果也與采用其他波形資料獲得的結(jié)果存在較好的一致性(Kanamorietal.，2008；Duputeletal.，2012；郭志等，2018)。

由于W震相具有長周期特性，我們不能直接在頻率域使用地震儀的零極點信息去除原始波形資料中的儀器響應(yīng)信息，而是需要將地震儀儀器響應(yīng)的零極點信息轉(zhuǎn)換為在時間域表示的機械地震儀響應(yīng)二階微分方程的常系數(shù)(Zhuetal.，1996)：

(1)

(2)

其中，Δt表示原始資料采樣間隔。

獲取地面加速度之后，使用四階巴特沃斯濾波器對得到的波形進行帶通濾波，根據(jù)地震震級的大小選擇帶通濾波器的頻段(Duputeletal.，2012)，最后，對濾波之后的加速度v進行2次積分可得到地面位移。通過擬合給定頻率范圍零極點信息所表示的儀器幅度響應(yīng)與二階微分方程(式(1))所表示的儀器幅度響應(yīng)，可獲取可靠的遞歸濾波器的參數(shù)(Kanamorietal.，2008)。對于部分地震臺站，有可能無法在要求的頻率范圍之內(nèi)找到滿足精度需求的遞歸濾波器參數(shù)，在求取遞歸濾波器參數(shù)的過程中直接去除這類臺站的波形資料。

(3)

獲取觀測波形資料與地震矩張量的線性方程組之后，使用雅可比迭代方法求解線性方程，從而獲得地震矩。在進行雅可比迭代反演時，首先把組成格林函數(shù)的矩陣分解為用對角矩陣D、嚴格下三角矩陣L和嚴格上三角矩陣U表示的等式：

(4)

然后，將式(4)帶入式(3)，整理可得迭代公式：

(5)

之后，給定1組初始的地震矩張量數(shù)值，帶入式(5)進行迭代，直到得到滿足收斂條件的1組地震矩張量。最后，對得到的矩張量進行換算即可得到地震的震源參數(shù)，包括發(fā)震斷層的走向、傾向、滑動角及標量地震矩。

2.2 2020年1月19日新疆伽師M6.4地震的震源機制解

為了得到可靠的結(jié)果，在W震相反演中需要對數(shù)據(jù)進行多次質(zhì)量控制。具體反演步驟為： 首先，以哈佛大學全球中心矩張量解給出的震源信息作為參考開展初步反演，反演開始之前先對原始波形數(shù)據(jù)進行檢查，去除波形數(shù)據(jù)中最大振幅與最小振幅之間存在的過小和過大的反常間隔數(shù)據(jù)。然后，使用剩下的數(shù)據(jù)開展3次反演，每次反演之后分別去除波形擬合均方差>5、3和0.6的臺站數(shù)據(jù)，然后再次使用剩余數(shù)據(jù)進行反演。經(jīng)過上述數(shù)據(jù)篩選，共獲得26個臺站的28個三分量數(shù)據(jù)用于震源參數(shù)的反演。

圖4 a 2020年1月19日新疆伽師M6.4地震的矩張量反演結(jié)果；b 部分參加反演臺站的波形擬合圖及臺站分布圖Fig.4 Centroid moment tensor solution for the M6.4 Xinjiang Jiashi earthquake on 19 January 2020(a) and comparison of the observed waveform and synthetic ones for moment tensor solution(b).圖中黑色實線表示觀測波形，紅色實線表示理論波形，紅色圓點表示當前臺站，藍色六角形表示震中位置

圖4a 為所得的最優(yōu)地震矩張量參數(shù)及海灘球示意圖。結(jié)果顯示，2020年1月19日新疆伽師M6.4地震的標量地震矩M0=7.78×1017N·m，折合矩震級MW5.87；6個地震矩張量Mxx、Myy、Mzz、Mxy、Myz和Mxz分別為0.170i7×1018N·m、-0.162i4×1018N·m、-0.008i3×1018N·m、0.683i6×1018N·m、0.215i4×1018N·m和-0.344i0×1018N·m；發(fā)震斷層面的2個節(jié)面解分別為： 節(jié)面Ⅰ，走向190°、傾角21°、滑動角26°；節(jié)面Ⅱ，走向76°、傾角81°、滑動角109°。

圖4b 顯示了部分參加反演臺站的實際觀測波形與理論波形圖的擬合情況，可以看出實際觀測波形與理論波形的擬合情況較好。在波形對比圖中，左側(cè)小地圖顯示了當前臺站(紅色)及主震(藍色六角形)的空間位置分布?？梢钥闯觯瑓⒓臃囱莸拇蟛糠峙_站分布在震中東側(cè)，西側(cè)及南側(cè)分布相對較少?？傮w而言，可用的地震臺站相對震中的方位角覆蓋較為均勻，為獲取可靠的反演結(jié)果提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表 2 給出了2020年1月19日新疆伽師M6.4地震之后國外相關(guān)機構(gòu)公開發(fā)表的震源參數(shù)。從表中可用看出，本研究得到的震源參數(shù)與哈佛大學全球矩張量解(GFZ)發(fā)布的震源參數(shù)比較接近；而美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)與德國地學研究中心(GFZ)的結(jié)果比較接近。W震相反演獲取的震源參數(shù)表明，伽師M6.4地震是一次以逆斷為主、兼具少量走滑分量的破裂事件。雖然各機構(gòu)給出的伽師M6.4地震的震源深度結(jié)果存在一定差異(12～19km)，但總體均表明伽師M6.4地震發(fā)生于中下地殼內(nèi)，該結(jié)果與重定位之后伽師M6.4地震序列的優(yōu)勢震源深度分布比較接近。

各機構(gòu)發(fā)布的震源參數(shù)存在差異可能與反演方法及使用的數(shù)據(jù)有關(guān)。例如，盡管本研究與USGS都采用W震相反演方法(Hayesetal.，2009)，但本研究主要使用國內(nèi)地震臺站記錄的區(qū)域波形資料，而USGS主要使用中遠場波形資料，導致反演結(jié)果出現(xiàn)一定差異。GCMT(Ekstr?metal.，2012)與GFZ主要使用長周期體波及面波資料進行反演，但理論地震圖的合成方法及反演參數(shù)不同，因此反演結(jié)果也不盡相同。雖然我們的結(jié)果與外國機構(gòu)發(fā)布的結(jié)果有一些不同，但與國外機構(gòu)的結(jié)果相比，我們在反演中主要使用了國內(nèi)地震臺網(wǎng)記錄的區(qū)域波形資料，且可用資料的方位角覆蓋也相對較均勻，因此可以確定本文得到的結(jié)果具有更高的可信度。此外，震源的復雜性也可能導致反演的震源參數(shù)出現(xiàn)差異，伽師M6.4地震的震源是否具有復雜性及其對反演結(jié)果的影響還需要進一步深入研究。表2

表 2 國外相關(guān)機構(gòu)公開發(fā)布的伽師M6.4地震的震源機制參數(shù)Table 2 Focal mechanism parameters of Jiashi M6.4 earthquake published by foreign institutions

2.3 M5.4前震的震源機制

除M6.4主震外，我們還下載了2020年1月18日M5.4前震及1月19日M5.2余震的波形數(shù)據(jù)開展W震相反演。經(jīng)過篩選，由于M5.2余震沒有足夠數(shù)據(jù)可用于反演，故未能獲得其震源參數(shù)。我們采用與主震類似的方法對M5.4前震進行反演，結(jié)果顯示其標量地震矩M0=8.71×1016N·m，折合矩震級MW5.23；6個地震矩張量Mxx、Myy、Mzz、Mxy、Myz和Mxz分別為0.045i2×1017N·m、0.254i6×1017N·m、-0.299i8×1017N·m、0.111i6×1017N·m、-0.300i7×1017N·m 和-0.760i4×1017N·m；發(fā)震斷層的節(jié)面解為： 節(jié)面Ⅰ，走向171°、傾角86°、滑動角21°；節(jié)面Ⅱ，走向79°、傾角69°、滑動角175°。震源參數(shù)揭示2020年1月18日新疆伽師M5.4前震是以走滑為主、兼具少量逆斷分量的破裂事件；前震的震源特性與主震以逆斷為主、兼具少量走滑分量的特征存在明顯差異。

3 討論與結(jié)論

本研究采用雙差定位方法，基于新疆固定及臨時臺站提供的具有相對較好方位角覆蓋的震相走時資料，獲取了2020年新疆伽師地震序列分時段的重定位結(jié)果。重定位之后，地震的空間分布更加清晰地顯示出伽師地震序列主要沿NWW和次級NNW 2個優(yōu)勢分布方向展布，總體分支與次級分支近垂直共軛。前震及主震位于NNW向長約8km的次級分支南端；以前震震中為起點，主震相對前震向NW少量偏移；隨后余震繼續(xù)向N及向E擴展，呈現(xiàn)以NWW向為主、長約34km的條帶狀分布。另外，通過圖3 還可以看出，大部分余震集中分布于NWW向主分支與NNW向次級分支交會的區(qū)域，這可能表明該區(qū)域在主震發(fā)生時地震破裂滑動位移較小，原始積累的應(yīng)力沒有得到充分釋放，震后受到主震破裂引起的應(yīng)力變化影響而以余震的方式被逐步釋放。與本次伽師地震序列類似的共軛分布特征在國內(nèi)最近幾年的中強震中偶爾可以觀測到，如2014年云南魯?shù)镸6.5強震(張廣偉等，2014)等，且通常共軛型地震會造成更嚴重的震災。一般而言，地震序列的共軛分布受斷層控制，特別是一些規(guī)模不大的隱伏斷層，因此加強針對隱伏斷層的探測在未來的防震減災工作中具有重要作用。

采用W震相方法分析區(qū)域波形資料所獲取的強震及主震的震源機制解表明，伽師地震序列的前震是以走滑為主、兼具少量逆斷分量的破裂事件，而主震則以逆斷為主、兼具少量走滑分量。為了更好地進行對比，我們從GCMT獲取了M5.2余震的震源參數(shù)： 節(jié)面Ⅰ，走向268°、傾角22°、滑動角95°；節(jié)面Ⅱ，走向84°、傾角68°、滑動角88°。該余震的震源機制參數(shù)表明其以逆斷為主。綜合分析前震、主震、余震及地震序列的空間展布特征，推測伽師M6.4地震的發(fā)震斷層面為近EW走向的柯坪塔格斷裂帶的西段。

地震序列的震源深度分布結(jié)果揭示，震源優(yōu)勢分布于10～20km深度范圍內(nèi)，10km以淺及20km以深處發(fā)生的余震相對較少，其中前震的震源深度約為18.6km，主震的震源深度約為16.4km，地震序列總體呈向深部擴展的趨勢。地殼通?？梢苑譃樯系貧ぜ跋碌貧?層。上地殼一般為脆性，為孕震層；隨著溫度和壓力的增加，下地殼的巖石發(fā)生從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，地震活動性急劇減弱。余震的震源深度分布特征顯示，20km以淺為地震集中發(fā)生的區(qū)域，而20km以深地震急劇減少，故推測柯坪塔格斷裂帶上、下地殼的分界面深約20km。此外，20km以深發(fā)生的極少數(shù)地震也表明，柯坪塔格斷裂帶下地殼并非完全為塑性，而是保持有一定強度，因此可發(fā)生脆性破裂，引發(fā)地震。

致謝震相走時數(shù)據(jù)來自 “地震編目系統(tǒng)”正式觀測報告，地震波形數(shù)據(jù)來自中國地震局地球物理研究所國家測震臺數(shù)據(jù)備份中心和IRIS數(shù)據(jù)中心；W震相反演軟件包來自于法國斯特拉斯堡大學；文中圖件使用GMT(Wesseletal.，1991)及Matplotlib(Hunter，2007)軟件包繪制。在此一并表示感謝!