2022年新疆皮山5級(jí)震群活動(dòng)的復(fù)雜性探討

李 金 史勇軍 孫昭杰

1）中國(guó)烏魯木齊 830011 新疆帕米爾陸內(nèi)俯沖國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站

2）中國(guó)烏魯木齊 830011 新疆維吾爾自治區(qū)地震局

3）中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū) 830011 中國(guó)地震局烏魯木齊中亞地震研究所

4）中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū) 844000 新疆維吾爾自治區(qū)地震局喀什地震監(jiān)測(cè)中心站

0 引言

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心（CENC）測(cè)定，2022 年3 月17 日21 時(shí)41 分新疆維吾爾自治區(qū)皮山縣發(fā)生MS5.2 地震，震源深度10 km，微觀震中為（36.02°N，77.83°E）。此次地震震中位于高山無人區(qū)，新疆和田地區(qū)部分網(wǎng)友反映地震時(shí)有震感。該地震發(fā)生后，新疆維吾爾自治區(qū)地震局立即啟動(dòng)地震應(yīng)急響應(yīng)，并在三十里營(yíng)房地震臺(tái)附近架設(shè)流動(dòng)臺(tái)L6513，密切跟蹤該局部區(qū)域小震活動(dòng)。2022 年6 月8 日14 時(shí)52 分，皮山縣再次發(fā)生MS5.0 地震，震源深度7 km，2 次地震震中相距約9 km，時(shí)間間隔83 天，構(gòu)成震群型地震序列。2022 年皮山5 級(jí)震群發(fā)生在西昆侖地震帶東段，位于天神達(dá)坂斷裂附近，震中100 km 范圍內(nèi)1970 年以來曾發(fā)生14 次5 級(jí)以上地震，其中7 級(jí)地震1 次，即1996 年11 月19 日喀喇昆侖山MS7.1 地震，距此次皮山震群約87 km。基于2022 年皮山5 級(jí)震群序列特征及2 次主要地震事件的破裂方式，結(jié)合震中附近構(gòu)造特征，探討了此次震群活動(dòng)的構(gòu)造復(fù)雜性。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

2022年新疆皮山5級(jí)震群位于西昆侖造山帶與塔里木盆地的結(jié)合地帶。印度板塊NE向的擠壓碰撞，遇到穩(wěn)定的塔里木盆地阻擋，青藏高原西北緣呈現(xiàn)出逐漸隆升的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征，該地區(qū)為中國(guó)重力最大值部位，布格重力異常值達(dá)-525×10-5m/s2，重力梯度達(dá)每千米-0.6×10-5m/s2（殷秀華等，1989；高銳等，2000）。

皮山震群中2 次5 級(jí)地震震中均位于甜水海地體內(nèi)部（圖1），即喀喇昆侖斷裂（F3）、康西瓦斷裂（F2）以及龍木措（F4）—郭扎錯(cuò)斷裂（F5）所圍區(qū)域（李海兵等，2006）。天神達(dá)坂斷裂（F1）距皮山震群較近，是一條全新世右旋走滑逆斷層，為喀喇昆侖斷裂帶的一支，1996年11月19日喀喇昆侖山MS7.1地震即發(fā)生于此；康西瓦斷裂為青藏高原西北部邊界，總體走向近EW，長(zhǎng)度約700 km，是一條大型左旋走滑斷裂帶（Tapponnier et al，1977；Peltzer et al，1989；付碧宏等，2006）；喀喇昆侖斷裂與毗鄰的阿爾金斷裂構(gòu)成一組巨大的共軛斷裂帶，控制了青藏高原西北緣新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)展方向（李海兵等，2006）。

圖1 皮山MS 5.2、MS 5.0 地震震中附近歷史地震及主要斷裂分布Fig.1 Major faults and historical earthquakes around the Pishan MS 5.2 and MS 5.0 earthquakes

2022 年新疆皮山5 級(jí)震群地處高山無人區(qū)，未進(jìn)行宏觀地震考察，震中所處的西昆侖東段地震活動(dòng)強(qiáng)度不大，活動(dòng)水平低于西段但略高于中段，余震集中分布在主震附近，可用于分析研究的資料有限。文中根據(jù)皮山5 級(jí)震群序列特征、序列中震級(jí)較高地震的破裂特征，結(jié)合震群附近區(qū)域構(gòu)造特征，探討此次震群活動(dòng)的構(gòu)造復(fù)雜性。

2 皮山震群序列特征

2022 年3 月17 日新疆皮山發(fā)生MS5.2 地震，據(jù)新疆區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，截至2022 年8 月1 日，皮山震群序列共記錄地震782 次，其中ML0.0—0.9 地震11 次，ML1.0—1.9地震495 次，ML2.0—2.9 地震223 次，ML3.0—3.9 地震43 次，ML4.0—4.9 地震8 次，ML5.0—5.9 地震2 次，序列中ML3.0—4.0 地震活動(dòng)較為活躍。

此次皮山5 級(jí)震群序列活動(dòng)具有以下特征：3 月17 日皮山MS5.2 地震發(fā)生后，余震序列衰減較慢，于3 月29 日、3 月30 日、4 月3 日各發(fā)生1 次ML4.0 以上地震，此后序列衰減加快，僅在5 月上旬出現(xiàn)一組地震增強(qiáng)活動(dòng)，震級(jí)水平在3—4 級(jí)左右，之后余震活動(dòng)趨于結(jié)束[圖2（a）、（b）]；至6 月8 日，距MS5.2 地震震中約9 km 處發(fā)生MS5.0 地震（震前10 天震源區(qū)附近未監(jiān)測(cè)到地震活動(dòng)），震后序列衰減仍較緩慢，ML2.0—3.0 余震活動(dòng)持續(xù)不斷，后于7 月7 日—15 日出現(xiàn)一次時(shí)長(zhǎng)8 天的地震平靜，之后再次出現(xiàn)ML2.0—3.0 余震活動(dòng)[圖2（c）]。

圖2 皮山5 級(jí)震群序列M—t、頻次N—t、發(fā)震時(shí)間間隔圖（2022 年3 月1 日—8 月1 日）Fig.2 M-t map,frequency histogram and time interval curve of Pishan earthquake swarm（2022.3.1-2022.8.1）

值得注意的是，2022年3月17日皮山MS5.2地震發(fā)生前10天，震區(qū)附近出現(xiàn)前震活動(dòng)，位于震中附近的三十里營(yíng)房地震臺(tái)記錄地震671 次，其中ML0.0—0.9 地震230 次，ML1.0—1.9 地震288 次，ML2.0—2.9 地震71 次，ML3.0—3.9 地震12 次，ML4.0—4.9 地震2 次，最大地震為3月16日ML4.2地震[圖3（a）]。該組前震活動(dòng)中，初動(dòng)清晰可辨的地震有234次，其中12 次初動(dòng)向上、222 次初動(dòng)向下，初動(dòng)符號(hào)顯示出較好的一致性，且260 次地震走時(shí)差ΔTS-P≤0.5 s，顯示出一定的空間集中度，較為符合前震序列特征[圖3（b）、（c）]。

圖3 皮山5 級(jí)震群早期序列M—t 圖（a）、走時(shí)差TS-P（b）、初動(dòng)符號(hào)一致性（c）分布（2022 年3 月1 日—28 日）初動(dòng)符號(hào)1 代表向上，-1 代表向下，0 代表初動(dòng)不清楚Fig.3 M-t map,travel-time difference,initial motion symbol consistency of Pishan earthquake swarm

3 皮山震群序列震源機(jī)制特征

皮山5 級(jí)震群地處西昆侖地區(qū)，地震監(jiān)測(cè)能力薄弱，周邊臺(tái)站有三十里營(yíng)房臺(tái)（SSL）、瑪扎臺(tái)（MAZ）、阿卡孜臺(tái)（AKZ）、葉城臺(tái)（YCH）、康克爾臺(tái)（KKE）、杜瓦臺(tái)（DUW）、和田臺(tái)（HTA）、阿其克臺(tái)（AQK）、恰哈臺(tái)（QHA）、塔什庫(kù)爾干臺(tái)（TAG）等，均分布在震群北部（圖4），而震中距100 km 范圍內(nèi)僅分布三十里營(yíng)房、瑪扎2 個(gè)地震臺(tái)，其中三十里營(yíng)房臺(tái)距離最近，約43 km。

圖4 皮山5 級(jí)震群周圍臺(tái)站分布Fig.4 Distribution of stations around the epicenter of the Pishan earthquake swarms

本次震群活動(dòng)區(qū)域處于地震臺(tái)站分布稀疏地段，可參考研究成果較少，故選擇目前廣泛使用的CRUST2.0 速度結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算該震群序列的震源機(jī)制解，得到震區(qū)一維地殼速度結(jié)構(gòu)模型，具體參數(shù)見表1。

表1 地殼速度結(jié)構(gòu)模型Table 1 Crustal velocity model

采用Zhao和Helmberger（1994）提出的基于波形擬合的CAP（Cut and Paste）方法，反演皮山MS5.2、MS5.0 地震的震源機(jī)制解、矩心深度和矩震級(jí)。CAP 方法將寬頻帶數(shù)字地震波形記錄分為體波Pnl 與面波2 部分，分別對(duì)Pnl 波、面波進(jìn)行帶通濾波，計(jì)算理論地震波形與觀測(cè)波形之間的誤差函數(shù)，通過網(wǎng)格搜索，獲取給定參數(shù)空間中誤差函數(shù)達(dá)最小的最佳解。與求解震源機(jī)制的其他方法相比，CAP 方法具有所需臺(tái)站少、反演結(jié)果對(duì)地殼橫向變化不敏感、對(duì)地殼速度結(jié)構(gòu)模型依賴性相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)（Tan et al，2006；韓立波等，2012；易桂喜等，2017，2019；祁玉萍等，2018；李金等，2021）。此外，CAP方法在波形反演過程中通過深度震相以及體波與面波的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行深度約束（羅艷等，2015），所獲得的震源深度相對(duì)準(zhǔn)確。

利用震中600 km 范圍內(nèi)臺(tái)站記錄的波形資料，對(duì)挑選出的寬頻帶數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾斜、除儀器響應(yīng)等處理，并旋轉(zhuǎn)至大圓路徑。對(duì)皮山MS5.2 地震波形中的Pnl 波部分使用帶寬為0.04—0.12 Hz、面波部分使用帶寬為0.05—0.1 Hz 的帶通濾波器進(jìn)行濾波，破裂時(shí)間設(shè)為1.0 s，計(jì)算3～16km 間14 個(gè)震源深度下各臺(tái)站格林函數(shù)，在參數(shù)全空間范圍內(nèi)搜索最佳震源機(jī)制解、震源深度和矩震級(jí)結(jié)果。得到MS5.2 地震的最佳矩心深度為9 km[圖5（a）]；最佳雙力偶機(jī)制解節(jié)面Ⅰ：走向306°/傾角35°/滑動(dòng)角113°，節(jié)面Ⅱ：走向98°/傾角58°/滑動(dòng)角74°（圖6，表2）；矩震級(jí)為4.90，P軸方位為200°。震源機(jī)制解顯示此次地震破裂類型為逆沖型。

圖5 皮山MS 5.2、MS 5.0 地震矩張量反演中波形擬合誤差隨深度的變化（a）MS 5.2 地震；（b）MS 5.0 地震Fig.5 Waveform misfit variation with depth of the MS 5.2 and MS 5.0 Pishan earthquakes

圖6 皮山MS 5.2 地震矩張量反演理論地震波形（紅色）與實(shí)際觀測(cè)地震波形（黑色）Fig.6 Moment tensor inversion theoretical seismic waveform (red) and actual seismic waveform (black) of the Pishan MS 5.2 earthquake

對(duì)皮山MS5.0 地震波形中Pnl 波和面波分別使用帶寬為0.04—0.13 Hz、0.05—0.12 Hz的帶通濾波器進(jìn)行濾波，破裂時(shí)間設(shè)為1.0 s，計(jì)算得到此次地震的最佳雙力偶機(jī)制解，其中節(jié)面Ⅰ：走向241°/傾角59°/滑動(dòng)角-37°，節(jié)面Ⅱ：走向352°/傾角59°/滑動(dòng)角-143°（圖7，表2）；矩震級(jí)為4.67，P軸方位為207°，最佳矩心深度為8 km[圖5（b）]。震源機(jī)制解顯示皮山MS5.0 地震破裂類型為正斷兼走滑型。

圖7 皮山MS 5.0 地震矩張量反演理論地震波形（紅色）與實(shí)際觀測(cè)地震波形（黑色）Fig.7 Moment tensor inversion theoretical seismic waveform (red)and actual seismic waveform (black) of the Pishan MS 5.0 earthquake

由于震中周邊臺(tái)網(wǎng)分布極不均勻，各研究機(jī)構(gòu)及個(gè)人給出的皮山MS5.2、MS5.0 地震的震源機(jī)制有一定差異（表2）。本研究計(jì)算結(jié)果顯示，此次皮山MS5.2 地震的震源機(jī)制以逆沖型為主，與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心（CENC）給出的結(jié)果較為接近，與韓立波等的結(jié)果略有差異，而Global CMT 給出的結(jié)果為逆沖兼走滑型。鑒于本研究計(jì)算結(jié)果與其中2 個(gè)結(jié)果較為接近，故判定皮山MS5.2 地震震源機(jī)制為逆沖型。本研究所得6 月8 日皮山MS5.0 地震的震源機(jī)制為正斷兼走滑型，與韓立波等得到的結(jié)果基本一致，而郭祥云給出的結(jié)果更接近走滑型，因此在后續(xù)分析中認(rèn)為皮山MS5.0 地震的震源機(jī)制為正斷兼走滑型。

此外，利用CAP 方法計(jì)算震群序列中4 次3.7 級(jí)左右地震的震源機(jī)制解，其中正斷和逆沖型地震各1 次，走滑型地震2 次，表明序列中中等地震的破裂方式亦呈現(xiàn)出較為紊亂的特征（表2）。分析發(fā)現(xiàn)，3 月17 日皮山MS5.2 地震和6 月8 日MS5.0 地震以及序列中3.7 級(jí)左右中等地震的破裂方式均存在較大差異，這種差異反映了發(fā)震構(gòu)造的復(fù)雜性。由于震中附近地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力薄弱，盡管已記錄到700 余次ML1.0 以上地震活動(dòng)，但因其定位精度誤差較大，無法根據(jù)余震活動(dòng)的三維空間分布等進(jìn)行發(fā)震構(gòu)造的深入探討。

表2 皮山MS 5.2、MS 5.0 地震震源機(jī)制解及部分中等地震震源機(jī)制解Table 2 Focal mechanism solutions of the Pishan 5.2,5.0 earthquake and some MS≥3.7 earthquakes

4 皮山震群活動(dòng)的構(gòu)造復(fù)雜性

同一序列中出現(xiàn)強(qiáng)震震源機(jī)制完全不同的案例并不少見，這種強(qiáng)震破裂性質(zhì)的差異往往導(dǎo)致對(duì)其發(fā)震斷層、運(yùn)動(dòng)方式以及相互作用關(guān)系的認(rèn)識(shí)存在較大爭(zhēng)議。1988 年11 月6 日云南瀾滄發(fā)生MS7.6 地震，13 min 后相距63 km 的耿馬發(fā)生MS7.2 地震，2 次地震的發(fā)震斷層錯(cuò)動(dòng)形式具有明顯差異（Yu et al，1994；易桂喜等，2014）。2020年1月18日伽師MS5.4前震與19 日伽師MS6.4 主震破裂類型分別為走滑型和逆沖型，后續(xù)余震活動(dòng)大部分延EW向分布，而少部分地震則呈NS 向分布（李金等，2021），此現(xiàn)象與2014 年云南魯?shù)镸S6.5地震（張廣偉等，2014；張勇等，2015）具有一定相似性。通常認(rèn)為，余震的多優(yōu)勢(shì)方向分布可能受多條斷層控制（郭志等，2021），孕震環(huán)境及發(fā)震構(gòu)造具有一定復(fù)雜性。

2022 年新疆皮山震群中2 次5 級(jí)地震的震源機(jī)制分別為逆沖型和正斷兼走滑型，P軸方位分別為200°和206°，均呈NNE 向。李艷永等（2020）采用CAP 方法反演西昆侖東段2010 年1 月至2018 年12 月MS≥3.0 地震震源機(jī)制，并分區(qū)反演了該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果顯示，研究區(qū)以NNE 向的水平擠壓和NW—SE 向的水平拉張作用為主，且皮山5 級(jí)震群附近區(qū)域的最大主應(yīng)力方位為209°，與本研究計(jì)算得到的2 次皮山5 級(jí)地震的P軸方位差別不大。

皮山5 級(jí)震群附近的天神達(dá)坂斷裂和康西瓦斷裂的破裂性質(zhì)分別為右旋走滑兼逆沖和左旋走滑，而3月17日皮山MS5.2地震為逆沖型，與上述2個(gè)主要斷裂的破裂性質(zhì)存在一定差異，因此將皮山MS5.2 地震歸因于2 條大型斷裂的直接活動(dòng)有一定矛盾性。天神達(dá)坂斷裂附近發(fā)生過多次6、7 級(jí)地震，康西瓦斷裂作為青藏高原的西北部邊界斷裂，也具備發(fā)生強(qiáng)震的潛能（圖1）。兩條大型走滑斷裂在近NS 向擠壓應(yīng)力作用下，極易在其次級(jí)斷裂產(chǎn)生小型逆沖型錯(cuò)動(dòng)。此外，受區(qū)域構(gòu)造影響，該地區(qū)物質(zhì)沿喀喇昆侖斷裂滑移線向東大規(guī)模擠出（李海兵等，2006），由于其東向運(yùn)動(dòng)速率的差異，可能產(chǎn)生一些近NS 向的小型拉張型破裂，而2 次皮山5 級(jí)地震破裂性質(zhì)的巨大差異可能由上述構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致。

5 結(jié)論

根據(jù)2022 年皮山5 級(jí)震群序列特征、序列中2 次5 級(jí)地震破裂方式的差異以及震中附近構(gòu)造特征等，探討此次震群活動(dòng)的構(gòu)造復(fù)雜性，得出以下結(jié)論：

（1）2022年皮山5級(jí)震群活動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，自2022年3月7日震區(qū)出現(xiàn)小震活動(dòng)以來，先后發(fā)生2022 年3 月17 日MS5.2 地震和6 月8 日MS5.0 地震，且2 次5 級(jí)地震后，序列衰減較慢，呈現(xiàn)出間歇性起伏活動(dòng)的特征。在震群序列的發(fā)展過程中，震區(qū)出現(xiàn)2 次較為明顯的地震平靜期，隨后均出現(xiàn)地震活動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)象，尤其是在6 月8 日皮山MS5.0 地震前震源區(qū)近10 天未記錄到地震活動(dòng)。在震群序列發(fā)展演化過程中，這種短時(shí)間的平靜現(xiàn)象可能反映了其應(yīng)力積累導(dǎo)致局部閉鎖，隨后達(dá)到破裂閾值而發(fā)生地震釋放應(yīng)力的過程。

（2）3 月17 日皮山MS5.2 地震前，震區(qū)地震活動(dòng)較為頻繁，三十里營(yíng)房（SSL）單臺(tái)共記錄671 次小震活動(dòng)，且記錄到多次3—4 級(jí)地震，在可識(shí)別的較為清晰的小震中，初動(dòng)方向向下占比94.8%（222/234），且260 次地震的走時(shí)差ΔTS-P≤0.5 s，較為符合前震序列特征。

（3）2021 年9 月以來，西昆侖地區(qū)5 級(jí)地震活動(dòng)較為活躍，先后發(fā)生2021 年9 月4日皮山MS5.1、9月5日葉城MS5.0地震、2022年3月17日皮山MS5.2、6月8日皮山MS5.0、7 月2 日皮山MS5.1 地震，其中3 次地震發(fā)生在西昆侖山前皮山逆斷裂—背斜帶（無地表出露，屬典型盲逆斷裂—背斜帶）附近，距2015 年皮山MS6.5 地震不遠(yuǎn)，且震源機(jī)制均顯示為逆沖型。西昆侖造山帶持續(xù)推覆擠壓，使得深部應(yīng)力不斷增加，是西昆侖山前推覆帶多排褶皺或沖斷推覆發(fā)生強(qiáng)震的主要原因（李金等，2015）。而2021 年西昆侖地區(qū)的多次5 級(jí)地震活動(dòng)表明，帕米爾持續(xù)的N 向擠壓運(yùn)動(dòng)可能有所增強(qiáng)，2022 年皮山5 級(jí)震群活動(dòng)即發(fā)生在該應(yīng)力增強(qiáng)背景下。

6 討論

Mogi（1963）基于實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)和日本的地震活動(dòng)模式，認(rèn)為主—余型地震序列出現(xiàn)在均勻介質(zhì)地區(qū)，而震群型地震則發(fā)生在介質(zhì)性質(zhì)極不均勻的地區(qū)。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，斷層交會(huì)區(qū)域介質(zhì)相對(duì)破碎，裂隙密度較高、間距較小，在應(yīng)力增強(qiáng)的條件下，易產(chǎn)生級(jí)聯(lián)形式的破裂，形成間歇性的震群活動(dòng)（許紹燮等，1981）。基于上述分析以及2022 年皮山5 級(jí)震群序列特征，推斷皮山震群發(fā)生在天神達(dá)坂斷裂和康西瓦斷裂之間的次級(jí)斷裂上。在印度板塊向北的推擠作用下，青藏高原西北緣巖石圈向北俯沖，并與向南俯沖的塔里木巖石圈在西昆侖山下相碰撞（高銳等，2000）。在這種擠壓作用下，更多的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)沿喀喇昆侖斷裂滑移線向東大規(guī)模的擠出（李海兵等，2006）。康西瓦斷裂的左旋滑移速率約為10 mm/a（李海兵等，2003；Wright et al，2004；付碧宏等，2006），這種走滑量易被帕米爾前緣逆沖斷裂系所吸收（Burtman et al，1993；Strecker et al，1995；Robinson et al，2007），從而產(chǎn)生逆沖型地震。康西瓦斷裂南側(cè)的物質(zhì)相對(duì)北側(cè)向東逃逸，由于構(gòu)造方式的差異及應(yīng)力分配的不均勻，其EW 向運(yùn)動(dòng)速率在不同區(qū)段存在一定差異，在局部地區(qū)形成近EW 向的差應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生了一些拉張性質(zhì)的破裂，其破裂方向可能較為接近NS 向。由該震群序列中3.7 級(jí)左右地震紊亂的破裂機(jī)制也可以看出，震源區(qū)附近的構(gòu)造特征及應(yīng)力分布均較為復(fù)雜，介質(zhì)及應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)不均一的特點(diǎn)。

由于震區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力較為薄弱，關(guān)于2022 年皮山5 級(jí)震群序列發(fā)震機(jī)制的探討尚需更多觀測(cè)資料予以證明。

本文撰寫得到劉杰研究員的指導(dǎo)和鼓勵(lì)，蔣海昆研究員和孟令媛研究員亦給予幫助。中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https://data.earthquake.cn）提供數(shù)據(jù)支撐，新疆維吾爾自治區(qū)地震局監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)提供了三十里營(yíng)房單臺(tái)序列信息，文中部分圖件采用GMT繪制，在此一并表示衷心感謝。