2015年新疆皮山6.5級地震序列震源機制特征分析

孫昭杰 李金 黃瑜 桂榮

1）喀什基準臺，新疆喀什市慕士塔格東路7號 844000

2）新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊 830011

0 引言

據中國地震臺網測定，2015年7月3日9時7分新疆和田地區皮山縣發生MS6.5地震（簡稱皮山6.5級地震），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，震害現象嚴重，南疆大部分地區有強烈震感。通過災區震害調查和遙感震害解譯等方式，確定此次地震災區極震區烈度為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區及以上災區總面積達到14580km2，地震造成6人死亡②http：／／news.qq.com／a／20150703／014732.html及較為嚴重的經濟損失。

1900年以來，該地區100km范圍內曾發生2次6級以上地震，分別是1902年8月31日新疆皮山6.8級、1998年5月29日新疆皮山MS6.2地震。此次皮山6.5級地震震中附近區域監測能力較弱，臺站相對較少，距離最近的固定臺站為葉城臺（YCH），距震中約73km。地震發生后，新疆維吾爾自治區地震局監測中心第一時間趕往震區架設流動臺（LD1、LD2），為后續的研究工作提供了寶貴的資料。

1 地質構造背景

研究區地處青藏高原西北部、塔里木盆地與西昆侖造山帶的過渡部位——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間發生在上新世-第四紀，變形強度由山體向盆地逐漸減弱（劉勝等，2004）。塔西南山前構造帶EW向可劃分4段，即帕米爾弧形逆沖構造段、齊姆根弧形構造段、甫沙-克里陽三角帶構造段和和田沖斷推覆體構造段（胡建中等，2008）。此次地震發生在甫沙-克里陽三角帶構造段內，該帶構造線總體呈近 EW向，發育前列式的擠壓變形，與區域逆沖推覆方向直交。震源區附近由南向北發育康西瓦斷裂、鐵克里克南-北緣斷裂、柯克亞背斜、克里陽潛伏背斜、合什塔克背斜（曲國勝等，2005）。克里陽-甫沙構造發育基底卷入型逆沖斷層，克里陽-甫沙斷層貫穿西昆侖山前的克里陽-甫沙構造。鐵克里克斷裂是一條近EW走向彎折逆沖斷裂，斷裂前端構造復雜（梁瀚等，2012）。由于塔西南地區以強韌性剪切構造變形為特色，深部發育多期次傾向南的逆沖斷層，在剖面上形成疊瓦扇構造（劉勝等，2004），西昆侖山前沖斷帶表現出強烈的隆升作用，對地震發生有重要的影響（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。王有學等（2006）的層析成像研究發現，青藏高原板塊巖石圈發生拆沉作用，地殼淺部物質逆沖于塔里木盆地前陸之上，形成了西昆侖北部構造帶，促進了塔里木前陸盆地的發育。根據深地震測深結果可知，塔西南凹陷和西昆侖造山帶之間SN向構造擠壓作用仍在持續（李秋生等，2000）。

中國地震局地質研究所網站公布的皮山6.5級地震區域地震構造圖顯示，該地震發生在澤普隱伏斷裂附近。地震現場科考發現，皮山6.5級地震沒有產生明顯的地表破裂帶，但在地表出現多處地裂縫及噴砂現象（姚遠等，2016），研究發現這些張性裂縫多沿皮山背斜核部線性分布。吳傳勇等（2017）研究認為，此次地震發震構造為皮山逆斷裂-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

震源機制解是探究地震發震構造的重要參數，能表示地震發生時震源區的力學過程和震源處斷層的運動模型，主要用來研究應力場（王強等，2014）。前人已積累了多種震源機制研究方法，例如基于P波初動（高國英等，2003）、P／S振幅比（于海英等，2003）、長周期面波（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）采用近震全波場反演方法，利用體波、面波信息，通過理論波形與實際波形的對比，研究了震源機制。

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行聯合反演，將地震圖分成較短周期的Pnl波（P波及其后續震相）和長周期的面波兩部分，分別對Pnl和面波賦予不同的權重進行擬合。

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

其中，i＝1、2、3時分別對應震中距和深度上3種基本斷層面（垂直走滑、垂直傾滑和傾角為45°的傾滑）；Gi為對應各個方向的格林函數；Ai為輻射系數；φ為臺站方位角；M0為標量地震矩；θ、δ、λ依次為震源機制解斷層的走向、傾角、滑動角。

在反演過程中，以合成地震位移s（t）與觀測地震位移u（t）一致性作為判斷標準，用下式估計走向、傾角、滑動角以及標量地震矩M0

其中，u（t）、s（t）分別為實際地震記錄和理論地震圖。反演過程中在適當的時間變化范圍內相對移動，一定程度上避免了因為地殼模型不準確而引起的震相到時的誤差因素。

由于要求的震源機制解的未知參數不多，且 0°≤θ≤360°，0°≤δ≤90°，-180°≤λ≤180°，考慮到波形隨震中距的衰減，定義一個目標誤差函數來衡量s（t）與u（t）間的差異，直接采用網格搜索的方法在震源參數空間（θ，δ，λ）中進行搜索，在搜索時，當誤差函數達到最小時，則認為震源參數最接近真實情況（Zhu et al，1996）。使用的目標誤差函數為

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）。

該方法的優點是對Pnl波和面波在擬合的時候分別作時間平移，以將速度模型的不確定性降到最低，且相對提高了Pnl波的權重，對震源深度測定有較好的約束，同時引入距離影響因子，以充分考慮因距離的衰減對波形的改造。前人的研究結果（鄭勇等，2009；呂堅等，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方法在反演震源機制解和確定震源參數方面的優勢較為明顯。

3 資料和地殼模型選取

本文使用新疆區域地震臺網的寬頻帶數字地震波形資料，選擇距震中500km范圍內20個方位角較好、信噪比較高的臺站波形資料（圖1），計算震源機制解。

該區域臺站稀疏，對其研究相對較少，距震中200km范圍內僅有5個固定臺站（不包括LD1、LD2、HTTZ），因此，研究中利用 CRUST2.0（http：／／igppweb.ucsd.edu／-gabi／crust2.htm l）得到該區域的一維速度結構模型（表1），在該速度模型中地殼厚度約53km，分為5層。

4 計算結果分析

圖1 地震震中與周圍的臺站分布

采用CAP方法，利用距震中500km范圍內的20個臺站的波形資料反演了皮山6.5級地震主震的震源機制解。先將原始速度記錄扣除儀器響應后積分得到位移記錄，再將位移記錄從UD-NS-EW分量旋轉至大圓路徑的Z-R-T坐標，皮山6.5級地震主震Pnl波使用帶寬0.04～0.12Hz、面波使用帶寬0.05～0.10Hz，分別進行 Butterworth濾波。Pnl波和面波的相對權重取為2：1，這樣有效避免了面波在反演中權重過大的影響。前人的研究（韓立波等，2012；呂堅等，2013；李金等，2015；張廣偉等，2016）表明，選擇相應的濾波參數對計算得到的理論地震圖進行濾波，既可以濾掉地脈動和由速度轉換至位移所造成的長周期漂移，也可以有效避免地下介質小尺度帶來的影響，研究結果較好。在計算理論地震圖時我們采用頻率-波數方法（F-K）計算格林函數。

通過計算各深度下的格林函數，搜索出合成地震圖和觀測地震圖全局差異最小的震源機制解（圖2），繪出誤差隨深度分布圖（圖3），得到最佳矩心深度為19km，主震的矩震級為MW6.2，P軸方位 16°，最佳雙力偶機制解節面 I：走向 286°、傾角 52°、滑動角 91°，節面Ⅱ：走向105°、傾角38°、滑動角89°。在反演中，對皮山 6.5級地震主震破裂上升時間選擇 5～10s進行測試，并選取合理的震源破裂持續時間進行反演。研究發現，震源破裂持續時間選取6s時，理論波形與實際觀測波形擬合結果最好，更接近真實的發震機制，但震源破裂持續時間對矩心深度影響不大（Xie et al，2018）。

此外，收集了國內外不同研究機構和學者給出的此次皮山6.5級地震的震源機制解（表2），進行對比分析。本文計算得到的震源機制與其他機構和學者得到的結果均較接近。本文研究得到的矩心深度與李金等（2016）給出的結果相同，介于美國地質調查局（USGS）和中國地震臺網中心（表2）給出的結果之間。

表1 地殼速度模型

圖2 皮山6.5級地震矩張量反演理論波形（紅色）與實際觀測地震波形（黑色）

圖3 皮山6.5級地震矩張量反演擬合誤差隨深度的變化

通過CAP方法反演得到皮山6.5級地震主震的震源錯動性質為逆沖型。李金等（2016）利用雙差定位方法對皮山6.5級地震序列進行了重新定位，其中垂直震中分布的優勢長軸走向剖面反映了沿斷層傾向的震源分布特征，并較為清晰地揭示出S傾的可能發震斷層（西南為上盤），傾角大致為40°，其利用小震分布和區域應力場擬合得到發震斷層參數為走向104°／傾角34°／滑動角94°。張廣偉等（2016）采用雙差法對皮山6.5級地震余震序列進行精確定位，結果顯示，余震序列沿NWW向單側破裂，深部剖面顯示發震斷層面向SW傾斜，但斷層面的傾角沿NWW方向有逐漸增大的趨勢。綜合前人的研究結果，并結合發震構造，判斷此次地震為低角度逆沖型，節面Ⅱ為皮山6.5級地震主震的破裂面。

表2 不同研究機構和學者給出的2015年皮山M S 6.5地震震源機制解

此外，利用CAP方法反演了皮山6.5級地震序列中部分MS≥3.6余震的震源機制解（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。余震序列反演時濾波參數 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，地震破裂時間設定為0.1s，對地震破裂持續時間選擇0.1～1.0s進行測試，研究發現，地震破裂持續時間的改變對3～4級地震震源機制解和矩心深度反演結果影響不大。主震發生后，從余震序列震源機制隨時間的變化（圖4）來看，早期余震大部分與主震的破裂類型相同，大多為逆沖型，說明其破裂方式受到主震制約，后期序列中出現走滑及正斷型地震，可能是由于震后震源區應力場出現一定程度的調整所致。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）。統計皮山6.5級地震序列的主壓應力P軸方位的分布情況（圖6），發現其優勢方位為NNE向，塔西南西昆侖山前發育多條走向近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反映出西昆侖下地殼由南向北傾斜，傾角約為35°的結構特征。此前梁瀚等（2012）研究發現，西昆侖山前東段區域擠壓應力方向為N20°E，故皮山6.5級地震序列的主壓應力與該區域構造應力場較為一致。

此次皮山6.5級地震是典型的褶皺型地震（吳傳勇等，2017）。皮山6.5級地震科考工作發現，研究區并未產生明顯的破裂帶，張性裂縫多沿背斜核部線性分布，在背斜頂部發現了一系列的彎矩斷層，地表出現噴砂冒水及地裂縫現象（姚遠等，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，地震時地表變形以褶皺隆起為主。新疆西昆侖山前構造帶與北天山地區較相似，均是典型的大陸內部褶皺和逆斷裂活動帶，在新疆天山北麓發生的1906年瑪納斯7.7級地震就屬于這種類型的地震（張培震等，1994）。

5 結論與討論

本研究通過反演皮山6.5級地震主震及余震序列震源機制解，得到如下結論：

（1）利用CAP方法反演了皮山6.5級地震主震震源機制解，得到節面I走向286°、傾角52°、滑動角 91°；節面Ⅱ走向 105°、傾角 38°、滑動角 89°，P軸方位 16°，得到的最佳矩心深度為19km，矩震級為MW6.22，表明此次地震是一次逆沖型地震。皮山6.5級地震序列精定位（李金等，2016；張廣偉等，2016；楊文等，2017）結果顯示，余震序列沿 NWW向線性展布，深部剖面顯示發震斷層面向SW傾斜，為一次單側破裂事件。結合震源區的活動構造判定，節面Ⅱ為主震的發震斷層面，與前人對該區域的構造研究結果具有較好的一致性。

（2）計算了余震序列中部分MS≥3.6地震的震源機制解，時間截至2016年3月31日。研究發現，主震發生后，隨著序列的發展變化，早期余震震源機制大部分為逆沖型（圖4），也說明早期余震的破裂方式與主震較為一致。隨著時間推移，序列中出現走滑及正斷型地震，說明震源區應力可能出現一定程度的調整。該研究區區域擠壓應力方向為NNE向（胡建中等，2008），梁瀚（2012）研究認為西昆侖山前東段區域擠壓應力方向約為 N20°E，與皮山6.5級地震序列的P軸方位的優勢方向較為一致（圖6）。

表3皮山M S6.5地震主震及部分M S≥3.6余震的震源機制解

圖4 2015年7月3日皮山6.5級地震序列及震源機制解分布

圖5 地震序列的矩心深度分布

圖6 地震序列主壓應力方位玫瑰圖

（3）此次皮山6.5級地震震源區構造復雜，塔西南凹陷發育薄皮逆沖褶皺，深部發育錯綜復雜的逆斷裂，上部發育一系列的褶皺構造，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造（梁瀚等，2012；肖安成，1996），此次地震主要受到深部逆沖斷裂構造的影響。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，沿造山帶呈連續線狀平直延伸。伍秀芳等（2004）通過對帕米爾-西昆侖北麓前陸褶皺沖斷帶3條典型地震剖面的構造進行分析，發現帕米爾-西昆侖山前除山麓地帶發育高角度斷層外，基本上以低角度逆斷層為主，形成與逆沖推覆構造相關的褶皺變形。吳傳勇等（2017）認為此次皮山6.5級地震發生在西昆侖山前的逆沖推覆構造上，由震后科考得到的余震分布可知，此次地震的發震構造為皮山逆斷裂-背斜帶，屬于褶皺型地震。楊文等（2017）通過精定位后的余震展布結果表明，余震序列沿著隱伏的澤普斷裂呈NW向分布。皮山6.5級地震序列震源機制顯示，大部分震源機制以逆沖為主，與附近澤普隱伏逆斷裂活動特征較為一致（表3）。結合前人研究和該地區地質構造特征，表明該地區是西昆侖強震的孕育場所，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低角度逆沖，造成上覆褶皺構造發生擠壓破裂，有可能是引發此次皮山6.5級地震的直接原因。

致謝：新疆地震局監測中心為本文研究提供了波形數據。在論文完成過程中，得到了新疆地震局魏蕓蕓工程師的幫助，同時也得到了喀什地震臺領導及同事的關心，匿名審稿專家對論文修改提出了寶貴建議，在此一并感謝。謹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。