利用凹凸體判斷柯坪塊體地震危險性

祖力卡爾·艾則孜 宋春燕 楊 萍

1）中國新疆維吾爾自治區 843000 新疆維吾爾自治區地震局阿克蘇地震監測中心站

2）中國烏魯木齊 843011 新疆維吾爾自治區地震局

0 引言

凹凸體，又被稱為閉鎖斷層，是地下介質中應力累積水平較高的地方。地殼介質變形過程中圍繞凹凸體或高強度區域可發生微破裂活動，該過程中可釋放已積累的應力進而引發大地震，因此凹凸體被認為是斷裂帶上大地震發生的危險段。對于沿斷裂帶尋找凹凸體，進而判定該斷裂帶地震危險性方面的研究，國內外均有相關報道。Nanjo 等（2012）、Tormann 等（2015）通過研究2004 年印度尼西亞蘇門答臘9 級地震、2011 年日本東北部9 級地震前較長時間尺度的b值，發現大地震前會出現較低b值的異常；李正芳等（2014）對龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶進行b值研究，驗證了利用低b值區識別凹凸體的方法；劉子璇等（2016）對2016 年呼圖壁6.2 級地震前的b值進行了研究，發現呼圖壁6.2 級地震震中位于低b值異常區，斷裂帶上可能存在凹凸體；易桂喜等（2004，2005，2006，2013）利用雙差地震精定位結果得到沿斷裂帶的地震剖面圖，并結合低b值異常區域來尋找凹凸體。

位于新疆維吾爾自治區南天山地震帶西段的柯坪塊體是一個相對獨立的構造單元（潘振生等，2010；南芳芳等，2018），主要包括柯坪斷裂帶、普昌斷裂帶、奧茲格爾他烏斷裂帶、喀拉鐵克斷裂帶、塔塔埃爾塔格斷裂帶等，該區域地震活動頻率較高，震級較大。據中國地震臺網測定，2012 年1 月1 日至2020 年6 月30 日，該區域及周邊發生了14 次5.0 級以上地震，其中包括2020 年1 月19 日伽師MS6.4 地震。本文利用低b值異常區域并結合由精定位結果得到的深度剖面圖尋找沿柯坪塊體斷裂帶的凹凸體，以判斷該區域地震危險性。

1 資料選取

用于計算b值的地震目錄來源于全國統一地震編目，地震目錄起止時間為2009 年1 月1 日至2020 年6 月30 日，研究范圍為39.00°—41.26°N、76.00°—80.51°E，研究時間段內共計14 574 次地震事件，其中，ML1.0—1.9 地震10 125 次；ML2.0—2.9 地震3 797 次；ML3.0—3.9 地震573 次；ML4.0—4.9 地震79 次。利用該數據采用最大似然法進行沿柯坪塊體斷裂帶發生地震的b值計算，并對柯坪塊體上的ML≥1.6 地震進行了重新定位，得到了精定位結果，利用該結果繪制沿斷裂帶剖面圖，尋找可能存在的凹凸體，進而判斷沿斷裂帶的地震危險性。

2 地震b值異常分析

地震b值是Gutenberg 等（1942）得出的震級—頻率經驗公式 中的重要參數，其反映巖石介質累積應力水平及某個地區地下介質的應力分布（劉子璇等，2019）。雙差地震定位法是一種相對地震定位法，該方法能對地震的震源深度進行有效約束，進而可得到較精確的地震深度分布。因此，利用低b值異常特征和由雙差精定位結果所得的震源深度剖面可較準確地識別沿斷裂帶的凹凸體，從而進一步判定該區域地震危險性。

2.1 b值計算方法及參數確定

利用ZMAP 程序及最大似然法進行b值計算。首先，利用地震數據的累積頻度數隨震級的變化關系來確定最小完備震級Mc（圖1）。由圖1 可見，柯坪塊體上ML1.0—4.9地震b值的擬合結果為b=0.772 ± 0.008，Mc=1.6。結合新疆測震臺網在柯坪塊體及周邊區域的監測能力，將最小完備震級確定為ML1.6 較合理。參考已有的分析計算方法（馮建剛等，2016），為了減少計算誤差，提高數據的可信度，要求每個統計單元內地震樣本量不少于50 個，采用經緯度均為0.1°的步長進行網格化，得到計算b值所需半徑為15 km（圖2）。

圖1 柯坪塊體上地震震級—頻度關系Fig.1 The frequency-magnitude distributions for earthquakes of Keping block

圖2 柯坪塊體上地震b值有效半徑的確定Fig.2 Assessment of radius forb-value calculation of the Keping block

2.2 b值異常特征

2.2.1b值空間掃描。利用柯坪塊體上ML1.0—4.9 地震計算了該區域沿主要斷裂帶的b值（圖3）。由圖3 可見，沿柯坪塊體主要斷裂帶的地震b值普遍較低，為0.5—1.6，沿斷裂帶存在多個明顯的低b值異常區域，故可能存在凹凸體。雖然在低b值區域發生了2020 年1 月19 日伽師MS6.4 地震，但是該地震震中附近以及周邊沿多個斷裂帶區域仍處于低b值狀態，因此認為該區域依然處于高應力閉鎖狀態。從圖3 可見，該區域凹凸體尺度較大，結合已有的有關低b值異常的研究結果（馬鴻慶，1978；萬秀紅等，2015；張雙鳳等，2018；曾憲偉等，2020）認為，柯坪塊體沿柯坪塔格斷裂帶2020 年1 月19 日伽師MS6.4 地震震中附近區域依然存在地震的危險。

圖3 沿柯坪塊體主要斷裂帶b值分布Fig.3 Map ofbvalues on the main faults of Keping block

2.2.2b值空間掃描誤差。為了校驗b值空間掃描結果的可靠性，利用下式計算b值誤差

圖4 b值計算誤差分布Fig.4 Distribution ofb-value calculation errors

圖5 b值計算誤差空間分布Fig.5 Map ofb-value calculation errors

3 雙差地震定位法精定位

3.1 資料及方法

選取柯坪塊體上2009 年1 月1 日至2020 年6 月30 日發生的ML≥1.6 地震作為研究對象。由于柯坪塊體地質條件較復雜，不能統一使用一種速度模型進行定位，因此將柯坪塊體沿普昌斷裂東、西側分為2 個區域。對這2 個區域的地震，分別利用新疆測震臺網觀測報告的震相到時資料，采用Hypoinverse 絕對定位方法進行定位，再對該定位結果用Velest 程序反演了地殼速度模型（按P 波速度與S 波速度之比為1.75 得到S 波速度）（表1、2），并在該模型下再采用Hypoinverse 地震定位法進行定位，分析誤差，改善誤差后進而進行雙差地震精定位。

表1 柯坪塊體普昌斷裂以東速度模型Table 1 Velocity model to the east of Puchang fault of Keping block

表2 柯坪塊體普昌斷裂以西速度模型Table 2 Velocity model to the west of Puchang fault of Keping block

3.2 雙差地震精定位結果

用雙差地震定位法進行精定位，得到誤差較小、定位結果較可靠的5 980 個地震的精定位結果（圖6）。由圖6 可見，柯坪塊體上發生的ML≥1.6 地震震中基本沿柯坪塊體上的柯坪斷裂帶、卡拉鐵克斷裂帶、普昌斷裂帶等主要斷裂帶分布。

圖6 柯坪塊體地震精定位結果分布Fig.6 Relocated epicenters of the earthquakes of Keping block

3.3 沿斷裂帶深度剖面

用雙差地震定位法進行精定位后定位精度得到改善，尤其是深度的結果較可靠，因此，利用該地震定位結果沿斷裂帶20 km 范圍的剖面圖上尋找凹凸體（圖7）。由圖7 可見，在畫出多個沿斷裂帶地震深度剖面時，在柯坪斷裂帶位于普昌斷裂西側處2020 年1 月19 日伽師MS6.4 地震震源附近存在2 個地震空區（凹凸體），因此認為，該區域雖然發生了1 次6 級以上地震，但是依然存在地震危險性。

圖7 沿柯坪塔格逆斷裂帶地震深度剖面圖Fig.7 Map of earthquake depth profile along the Kalpingtag thrust tectonic

4 結論

利用最大似然法對柯坪塊體進行b值計算，并利用雙差地震定位法對2009 年1 月1 日至2020 年6 月30 日發生的ML≥1.6 地震進行重定位，并尋找凹凸體，得到以下結果。

（1）從柯坪塊體b值掃描結果來看，柯坪塊體上地震b值普遍較低，為0.5—1.6，其中，低b值區域基本沿柯坪塊體上的主要斷裂帶分布。

（2）沿柯坪塔格逆斷裂帶2020 年1 月19 日伽師MS6.4 地震震源附近區域依然處于低b值狀態，應力水平較高。

（3）通過雙差地震精定位可以發現柯坪塊體上發生的地震，尤其是5 級以上地震主要受柯坪斷裂帶、奧茲格爾他烏斷裂帶、喀拉鐵克斷裂帶控制。

（4）由沿柯坪斷裂帶的地震深度剖面圖可見，2020 年1 月19 日伽師MS6.4 地震震源附近存在地震空區（凹凸體），該凹凸體有可能是引發伽師MS6.4 地震的高應力閉鎖斷層。但伽師地震后該區域依然是地震空區，因此其應力可能未完全釋放。

（5）將地震精定位后的地震深度剖面圖與柯坪塊體上b值異常狀態進行綜合考慮后初步判定，雖然沿柯坪塔格逆斷裂帶發生了伽師MS6.4 地震，應力得到了一定的釋放，但是該區域依然存在地震危險性。