2021年3月24日新疆拜城MS5.4 地震震源機(jī)制解及發(fā)震構(gòu)造探討①

龔固斌， 冉慧敏, 黃帥堂， 南芳芳

(1．新疆地震局阿克蘇地震監(jiān)測中心站，新疆 阿克蘇 843000； 2．新疆地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2021年3月24日5時(shí)14分新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣(41.70°N， 81.11°E)發(fā)生MS5.4地震。截止至2021年4月6日共記錄余震49個(gè)，最大余震MS3.4。1970年以來，震源區(qū)100 km范圍內(nèi)共計(jì)發(fā)生12次MS5.0～5.9地震，其中MS5.0～5.5地震10次，呈現(xiàn)出以MS5.0～5.5中強(qiáng)地震為主的特點(diǎn)[1]。2020年3月23日拜城MS5.0地震是空間上距離本次地震最近的一次中強(qiáng)地震，震中距約4 km，同時(shí)也是時(shí)間上最近的一次，發(fā)震時(shí)間間隔364 d，發(fā)生在喀桑托開構(gòu)造帶庫木格熱木斷裂西側(cè)端部，存在MS4.6前震，地震序列為震群型①。震源機(jī)制解是地震學(xué)研究的重要組成部分，對研究地震孕育發(fā)生、地殼應(yīng)力場、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬、地震災(zāi)害評估等方面有著重要的意義[2]。目前，國內(nèi)學(xué)者研究地震震源機(jī)制解通常所用的方法有P波初動(dòng)法[3-6]、P波和S波的最大振幅比方法[7-10]、聯(lián)合初動(dòng)振幅比法[11-15]及CAP方法等。P波初動(dòng)法要求震中被包圍較好，且不同方位均有臺站分布，但無法求解震源深度和震級方面的參數(shù)。P波和S波的最大振幅比方法和聯(lián)合初動(dòng)振幅比法對橫波和縱波震相的清晰度要求較高，對于震中距相對較遠(yuǎn)的地震臺記錄到的P、S震相不明顯，造成識別困難[16]，那么對于臺站分布稀疏的地區(qū)(如青藏高原)可用資料就相對較少，于是很大程度上限制了該方法的使用。近些年，許多專家和學(xué)者在運(yùn)用體波[17-20]、長周期面波[21-24]和近震記錄[25-26]等資料進(jìn)行波形反演方面做了大量研究，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。隨著CAP(Cut and Paste)方法[27-28]的建立和發(fā)展，鄭勇等[29]通過實(shí)驗(yàn)充分證實(shí)了CAP方法的可靠性和對模型的適應(yīng)性，同時(shí)且能夠得到較準(zhǔn)確的震源深度。另外，CAP方法反演計(jì)算時(shí)所需的臺站少、反演結(jié)果對速度模型依賴性也小[29-31]，許多學(xué)者將CAP方法應(yīng)用到新疆區(qū)域中強(qiáng)地震的研究中，對地震震源機(jī)制解與矩心深度方面的有效性和可靠性進(jìn)行了充分的論證[32-41]。本文中利用新疆地震臺網(wǎng)記錄的寬頻帶波形，采用CAP方法反演此次地震的震源機(jī)制解和震源深度，結(jié)合地震震源區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景，進(jìn)一步推測此次地震的發(fā)震構(gòu)造和震源區(qū)應(yīng)力特征。

1 構(gòu)造背景

伴隨著天山的晚新生代造山隆起，天山南、北山前及山間發(fā)育了多個(gè)沉降盆地。庫車坳陷就是天山地區(qū)典型的堆積有巨厚中、新生代沉積的前陸盆地。盆地內(nèi)中、新生代地層中廣泛發(fā)育薄皮構(gòu)造，表現(xiàn)為多排逆斷裂—褶皺帶[42-45]。這些褶皺的演化受控于深部滑脫面、逆斷裂的形態(tài)及滑動(dòng)量的變化，形成了斷展褶皺、斷彎褶皺、滑脫褶皺及多種組合類型[46-48]。由北部山麓地帶向南延伸至塔里木盆地北緣地區(qū)，分別發(fā)育有庫木格熱木、喀桑托開、卻勒塔格逆斷裂—背斜帶等，北部的喀桑托開逆斷裂—背斜帶和南部的卻勒塔格逆斷裂—背斜帶共同夾持著拜城盆地。卻勒塔格背斜帶位于褶皺沖斷帶的最前(南)緣，有歷史記載以來，該地區(qū)發(fā)生過多次MS≥7.0地震，通常認(rèn)為具有更強(qiáng)的活動(dòng)性[44,49-51]。然而，2021年3月24日拜城MS5.4 地震表明，北部逆沖推覆構(gòu)造的活動(dòng)性也不容忽視。此次地震科考發(fā)現(xiàn)地震在地表形成了長約5 km的地震地表破裂帶，破裂呈右階斜列，按照地表破裂幾何展布將該地震發(fā)震構(gòu)造確定為天山南麓的老虎臺斷層，斷層走向近EW，傾向S，性質(zhì)為左旋兼具逆沖性質(zhì)。

圖1 區(qū)域地震構(gòu)造圖Fig.1 Structure of regional earthquake

2 數(shù)據(jù)與方法

拜城MS5.4地震距中國邊境約87 km，100 km范圍內(nèi)僅拜城臺，震中距約45 km，東南方向?yàn)樗锬九璧?，無臺站分布。地震發(fā)生后，新疆地震局于當(dāng)日在震中東北方向16 km處架設(shè)臨時(shí)臺L6514，數(shù)據(jù)及時(shí)匯入新疆地震臺網(wǎng)。中國地震局地質(zhì)研究所于3月26日又相繼在震中周圍架設(shè)了6個(gè)臨時(shí)臺(AKU01、AKU02、AKU03、AKU04、AKU05、AKU06)，均為短周期地震計(jì)，數(shù)據(jù)于29日匯入新疆地震臺網(wǎng)。這些臨時(shí)臺數(shù)據(jù)的陸續(xù)匯入，為地震序列跟蹤和研究工作提供了寶貴的波形資料。本研究采用CAP方法反演拜城MS5.4地震震源機(jī)制解。

CAP方法最初由Helmberger[27]于1994年提出，后經(jīng)朱露培和Helmberger[28]進(jìn)一步發(fā)展，于1996年命名為CAP方法。其原理就是將近臺寬頻帶地震計(jì)記錄到的地震數(shù)據(jù)分為Pnl波(體波部分)和Sur波(面波部分)，再對其三分量共5部分(其中Pnl波不存在切向分量)給定不同的權(quán)重(一般Pnl波與Sur波權(quán)重比設(shè)為2∶1)，分別計(jì)算理論地震波形和實(shí)際觀測地震波形的目標(biāo)誤差函數(shù)，在相關(guān)參數(shù)空間中搜索得出最優(yōu)解[52-56]。

圖2 震中及臺站分布圖Fig.2 Epicenter and station distribution

選取新疆地震臺網(wǎng)6個(gè)臺站的寬頻帶數(shù)字地震波形資料來進(jìn)行反演(圖2、表1)，所選資料滿足條件：① 震中距在210 km范圍之內(nèi)；② 方位角準(zhǔn)確且能夠滿足最大張角；③ 臺站儀器的幅頻特性曲線在0.05～20 Hz內(nèi)都是平直的。對選出的寬頻帶數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：首先去除傾斜，去除儀器響應(yīng)；然后積分得到位移記錄；最后將位移記錄旋轉(zhuǎn)至大圓路徑。旋轉(zhuǎn)后的記錄分成Pnl和Sur兩個(gè)部分。對波形中的Pnl波用帶寬為0.05～0.2 Hz、Sur波用帶寬為0.05～0.1 Hz的4階Butterworth帶通濾波器濾波。對于除拜城臺以外的其他臺都得到了Pnl波的垂向和徑向分量，以及面波的垂向、徑向和切向分量5個(gè)部分[54]。

拜城盆地臺站分布密度較低，可參考的研究成果相對較少，因此本研究所在區(qū)域的一維速度結(jié)構(gòu)模型參考CRUST 2.0全球地殼速度結(jié)構(gòu)模型，在該速度模型中，地殼厚度約50 km(表2)。

表1 近震臺站參數(shù)表

表2 CRUST2.0地殼速度結(jié)構(gòu)模型

3 反演結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

從震源機(jī)制解擬合誤差隨深度的分布(圖3)可以看出，反演結(jié)果收斂較好，誤差與深度關(guān)系呈U形，在深度為11 km時(shí)，誤差函數(shù)達(dá)到最小值，此深度即為最佳深度。在不同深度，基于CRUST 2.0全球地殼速度結(jié)構(gòu)模型擬合得到的震源機(jī)制解結(jié)果變化不大，表明震源深度的變化對震源機(jī)制解影響不大，計(jì)算得到的結(jié)果較為穩(wěn)定。

圖3 震源機(jī)制解反演誤差隨深度變化圖Fig.3 The inversion error of focal mechanism of earthquake with the depth

圖4是震源深度11 km附近時(shí)的位移譜擬合結(jié)果和CAP反演得到的震源機(jī)制解，節(jié)面I：走向79°，傾向79°，滑動(dòng)角-36°；節(jié)面II：走向176.9°，傾向54.8°，滑動(dòng)角-166.5°；P軸方位角32°，傾角33°，T軸方位角133°，傾角16°；得到矩震級為MW5.2；震源類型是斜滑型；震源矩心深度11 km，屬于淺源地震。圖4中紅線表示理論地震圖，黑線為觀測地震圖，波形左側(cè)臺站名下方的數(shù)字左邊為震中距，右邊為該臺理論P(yáng)波初至與觀測P波初至的差值；波形下方的兩行數(shù)字分別表示理論地震圖相對觀測地震圖的移動(dòng)時(shí)間及二者的相關(guān)系數(shù)。將參與此次地震波形反演的6個(gè)地震臺站共27個(gè)分向的理論合成波形與實(shí)測波形相比，相關(guān)系數(shù)平均值為0.65，大于0.6的有18個(gè)，達(dá)到了64.4%，屬于強(qiáng)度相關(guān)，其中相關(guān)系數(shù)大于0.8的有10個(gè)，占強(qiáng)度相關(guān)中的55.6%。

圖4 拜城MS5.4地震波形擬合結(jié)果圖Fig.4 Seismic waveform fitting result of Baicheng MS5.4 earthquake

本文中參考萬永革等[57]參與的Seismology小組整理此次地震的震源機(jī)制解結(jié)果(表3)，通過對比發(fā)現(xiàn)盡管各研究機(jī)構(gòu)采用反演方法不同、選用地殼速度結(jié)構(gòu)模型不同、選取臺站數(shù)據(jù)不同以及設(shè)定反演參數(shù)不同都可能導(dǎo)致反演結(jié)果存在一定差異，但是所有結(jié)果都表明兩個(gè)節(jié)面的走向?yàn)橐粋€(gè)近EW向，另一個(gè)近NS向，除韓立波等[57]的結(jié)果中節(jié)面I和本文結(jié)果節(jié)面II外，其余結(jié)果均顯示為高傾角的特征。無論節(jié)面I還是節(jié)面II，本文中的反演結(jié)果與其他結(jié)果的一致性均較好，尤其與韓立波等的結(jié)果更為一致。

表3 不同機(jī)構(gòu)的拜城MS5.4地震震源機(jī)制解結(jié)果

震源機(jī)制解的兩組可能節(jié)面參數(shù)，具體的發(fā)震構(gòu)造需要結(jié)合震源區(qū)域的構(gòu)造特征進(jìn)行推測。地表破裂帶沿近EW向展布，為老虎臺斷裂，因此初步判定節(jié)面I代表了主震的發(fā)震斷層面，即此次地震以左旋傾滑為主，發(fā)震構(gòu)造為老虎臺斷裂，與南天山東段表現(xiàn)出較為明顯的逆沖性質(zhì)[58]稍有不同。沈軍等[50]認(rèn)為庫車凹陷南北兩側(cè)的褶皺作用均受蓋層與基底之間的滑脫斷層控制，屬于山前的薄皮構(gòu)造，滑脫面的深度可達(dá)10 km，在此基底滑脫面之上還發(fā)育了次級滑脫面，其深度在6 km左右，地表所見活動(dòng)背斜的褶皺地層主要為上滑脫面以上的地層，深部發(fā)震斷層所產(chǎn)生的變形和錯(cuò)位，經(jīng)過推覆體內(nèi)部復(fù)雜的變形之后到達(dá)地表[50]。因此，地表所見的活斷層和褶皺與深部發(fā)震構(gòu)造之間的關(guān)系是比較復(fù)雜的。

2020年3月23日拜城MS≥5.0地震距本次地震僅4 km，反演其震源機(jī)制解，節(jié)面I：走向340°，傾向67°，滑動(dòng)角170°；節(jié)面II：走向73.9°，傾向80.8°，滑動(dòng)角23.3°；P軸方位角205°，傾角9°，T軸方位角299°，傾角23°。根據(jù)構(gòu)造情況，可以推斷節(jié)面II為其破裂面，反演得到的斷層面走向、傾角與本次地震震源機(jī)制解結(jié)果極為吻合，這也說明兩次地震屬同一發(fā)震構(gòu)造。

從最近2次拜城MS≥5.0地震震源機(jī)制解反演結(jié)果可以看出，該區(qū)域主壓應(yīng)力軸P軸為NNE—SSW向，傾角較小，主張應(yīng)力軸T軸為NWW—SEE向，與P軸的方位角近乎有垂直的現(xiàn)象。李金等[59-60]、雷嘯宇等[61]研究結(jié)果表明，天山中段最大主應(yīng)力方向以SN向居多，局部地區(qū)出現(xiàn)NNW向或NNE向。

南天山中段發(fā)育的背斜帶呈近EW向展布，兩大背斜系統(tǒng)夾持著拜城盆地。1998年7月28日拜城MS5.5地震烈度圈呈橢圓形，長軸走向?yàn)镹EE[62]，結(jié)合本文中2次拜城MS≥5.0震源機(jī)制解結(jié)果，以及受到天山南麓拜城盆地構(gòu)造特征的影響，可以初步推斷發(fā)生在拜城盆地內(nèi)的大多數(shù)地震，其斷層破裂面走向應(yīng)與該地區(qū)一系列近EW走向的背斜方向一致。

此次地震震級雖然不大，但是造成的破壞程度較同等強(qiáng)度的地震大得多，其原因之一是該地區(qū)的場地響應(yīng)具有放大效應(yīng)[63]。于是反演KUC、BAC臺場地響應(yīng)(圖5)，結(jié)果顯示這2個(gè)臺在1～6 Hz均有1～2倍的放大效應(yīng)，初步分析除地基巖性分別為礫巖和第四紀(jì)黃土層之外，可能還與它們周圍起伏的地形有關(guān)。該地區(qū)的場地響應(yīng)對地震動(dòng)加速度有較為明顯的放大效應(yīng)，從而加重?fù)p害程度[64]。

圖5 BAC(a)和KUC(b)臺場地響應(yīng)Fig.5 Site response of Baicheng station(a) and Kuche station(b)

4 結(jié) 語

采用CAP方法反演2021年3月24日拜城MS5.4地震的震源機(jī)制解結(jié)果為：節(jié)面I：走向79°，傾向79°，滑動(dòng)角-36°；節(jié)面II：走向176.9°，傾向54.8°，滑動(dòng)角-166.5°；P軸方位角32°，傾角33°，T軸方位角133°，傾角16°；得到矩震級為MW5.2；震源類型是斜滑型；震源矩心深度11 km，屬于淺源地震。本文中的反演結(jié)果與其他結(jié)果均表現(xiàn)出較好的一致性。結(jié)合地表破裂方向，判定節(jié)面I代表了主震的發(fā)震斷層面，老虎臺斷裂為此次地震的發(fā)震構(gòu)造，反演結(jié)果也與該斷裂的左旋特征相符，不過與南天山東段表現(xiàn)出較為明顯的逆沖性質(zhì)稍有不同，這表明其可能是在震源區(qū)應(yīng)力調(diào)整過程中產(chǎn)生的地震事件。1970年以來，拜城地區(qū)呈現(xiàn)出中強(qiáng)地震以MS5.0～5.5地震為主的特點(diǎn)，地震強(qiáng)度相對較小，該區(qū)域地震臺站分布也較為稀疏，所以研究結(jié)果相對較少。隨著預(yù)警項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，該區(qū)域地震臺站密度較小現(xiàn)象將得到大大改善，使用近臺波形資料能得到更為精確的震中位置、震源深度，結(jié)合震源機(jī)制解研究該區(qū)域的地震活動(dòng)成因、應(yīng)力狀態(tài)等，有利于今后在該區(qū)域開展更為深入的研究。