2016 年12 月8日13 时15 分(北京时间), 新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州呼图壁县发生M_S6.2地震(简称呼图壁6.2级地震), 震中位于43.83° N, 86.35° E, 震源深度6km(http: ∥www.csndmc.ac.cn/newweb/qq_events/qq_20161208_1315031_62332.html)。此次地震距离玛纳斯县约55km, 呼图壁、 玛纳斯和石河子等地震感强烈。据新疆区域数字地震台网测定, 截至2016年12月12日, 震源区共记录余震854次, 其中M_S3.0~3.9余震11次, M_S4.0~4.9余震2次, 最大余震为M_S4.0。1900年以来, 震中200km范围内发生8次6级以上地震, 最大地震为1906年玛纳斯M_S7.7地震, 距本次地震114km; 时间上最近的6级地震为2012年新源、 和静交界处的6.6级地震。地震发生后, 新疆地震局迅速启动应急响应, 前往震区架设了2个流动台站, 其波形数据在12月8日21时汇入数据库, 为后续的震情跟踪和研究工作提供了宝贵的资料。

此次呼图壁6.2级地震位于北天山山前逆断裂-褶皱带(图1)。自新生代以来, 印度板块向N与欧亚大陆碰撞和推挤, 导致天山造山带不断隆起, 并在其南北缘形成了一系列冲断推覆构造(冯先岳等, 1991)。深地震反射探测揭示北天山山前地壳的薄皮构造特征, 表现为北天山山前自山麓向盆地由南向北依次发育3排新生代不同时期的逆断裂-褶皱带(张培震等, 1994; 邓起东等, 2000; 杨晓平等, 2008, 2012), 依次为齐古山麓逆断裂-褶皱带、 霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁活动逆断裂-褶皱带和独山子-哈拉安德-安集海活动逆断裂-褶皱带。这些逆断裂-褶皱带在第四纪时期具有强烈的活动性, 且伴随着强震发生, 该区1906年发生的玛纳斯7.7级地震就是1个典型的褶皱型地震(张培震等, 1994; 王椿镛等, 2001)。

图 1

Fig. 1

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	图 1 重定位台站(a)与流动台站(b)分布图Fig. 1 a Distribution of stations and b mobile stations involved in the relocation.

地震发生后, 国内外多家研究机构迅速开展相关研究工作, 对满足抗震救灾需求和开展后续科学研究有着重要意义。在现有的研究成果中, 此次呼图壁6.2级地震震源机制为逆冲型地震, 震源矩心深度存在略微的差别。中国地震局地球物理研究所给出了12月8— 9日的地震序列重定位结果, 深度剖面显示发震断层面N倾。然而, 此次地震震中附近2条断裂的发震断层面均为S倾, 与野外地质调查结果显示的断层类型不一致, 这给理解此次地震的发震构造带来了一定的难度。因此, 有必要重新确定本次地震序列的空间分布和震源机制, 以探讨其可能的发震构造。

本文基于新疆区域数字地震台网震相观测报告, 采用HypoDD方法对呼图壁6.2级地震早期序列进行重新定位, 采用CAP方法反演主震和余震序列中M_L≥ 4.0地震的震源机制解和矩心深度。在此基础上, 结合前人在北天山山前的地质构造情况, 讨论了呼图壁地震序列的空间分布特征、 震源机制解和可能的发震构造。

呼图壁6.2级地震位于新疆地震监测能力较强的区域; 地震发生后, 新疆地震局又迅速在震中西北 10km范围内架设了2个流动台站(图1b)。本研究采用距呼图壁6.2级地震震中300km范围内的18个固定台(图1)和2 个流动台对此次地震序列进行重定位。由于天山和准噶尔盆地的地壳速度结构相差较大, 因而在地震定位过程中对准噶尔盆地内部的台站不予选取。

本研究选取2016年12月8— 12日, 具有3个以上台站记录和6个以上震相数的354次M_L≥ 1.0地震进行重新定位。其中, P波到时资料4i100 个、 S波到时资料2i694个, 平均每次地震有19个震相数据。为检查观测报告中震相数据的可靠性, 绘制了P波和S波的震相走时曲线(图2)。可清楚地区别Pg(Pn)和Sg(Sn)震相的走时曲线, 且震相走时的离散度小, 因此认为原始震相观测报告的可靠性较高。

图 2

Fig. 2

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	图 2 Sn(Sg)和Pn(Pg)震相的走时曲线Fig. 2 Travel time curves of Sn(Sg)and Pn(Pg)phases .

HypoDD方法(Waldhauser et al., 2000)是指通过反演获取一簇地震中每个地震相对于其矩心的相对位置, 该方法不但能减小速度结构模型的不准确性对定位结果的影响, 还能对地震的震源深度进行有效约束。因此, 该方法被国内外研究人员广泛运用, 并取得了诸多有意义的研究成果(吕坚等, 2008; 房立华等, 2011, 2013, 2014; 王未来等, 2014)。采用HypoDD方法对呼图壁6.2级地震序列进行重新定位, 获取了317 个地震的重定位结果。在重定位过程中, 设置最小连接数和最小观测数均为6, 事件对的最大距离设为10km; P波和S波到时的权重分别设为1.0和0.7; 地震定位时分3 组, 10 次反复迭代。重新定位所采用的分层速度结构模型主要参考人工地震测深的研究结果(邵学钟等, 1996)(图3)。

图 3

Fig. 3

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	图 3 P波速度结构模型(引自邵学钟等, 1996)Fig. 3 P-wave velocity structure model(after SHAO Xue-zhong et al., 1996).

在获得精确的震源位置后, 采用CAP方法(Cut and Paste)(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996)反演地震序列中部分可识别M_L≥ 4.0地震的震源机制与震源矩心深度。CAP方法的优势在于对体波和面波分别进行反演, 在很大程度上减小了速度结构模型对反演结果的影响。同时, 由于使用近震拟合, 大大地提高了信噪比和反演精度, 还能减小对台站数量和方位角分布的要求(吕坚等, 2008b; 郑勇等, 2009)。该方法通过对Pnl和S波赋予不同的权重, 计算理论波形与实际波形的拟合误差函数, 采用网络搜索法获取误差最小的最优解。在反演过程中, 选用震中距300km范围内的11个台站波形资料, Pnl和S波滤波范围分别为0.03~0.12Hz和 0.08~0.12Hz; 格林函数采用频率-波数法(F-K方法)计算; 在各深度对断层走向、 倾角、 滑动角以10° 间隔进行最佳双力偶解搜索, 对比不同深度的反演误差, 得到最佳双力偶解和震源矩心深度。

基于上节所述的HypoDD方法及参数设置, 获得了呼图壁6.2级地震序列中317次地震的重定位结果, 其EW、 SN及垂直向定位平均相对误差分别为0.6km、 0.6km和0.8km, 平均走时残差为0.09s。本次呼图壁6.2级地震被重定为2016年12月8日13时15分4秒, 震中位置为(43.775i9° N, 86.363i4° E), 震源初始破裂深度为15.388km, 地震序列震源深度主要分布在5~15km(图4)。

图 4

Fig. 4

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	图 4 呼图壁6.2级地震序列震源深度分布柱状图Fig. 4 Histogram of focal depths of the Hutubi MS6.2 earthquake sequence.

图5a, b分别为呼图壁6.2级地震序列重定位前、 后的结果。可见, 重定位后地震序列分布更加集中, 震中位置明显向内紧缩, 线性条带特征更加清晰。从重定位的地震序列平面分布图(图5b)可见, 呼图壁6.2级地震序列集中分布在清水河子断裂附近, 其优势分布长轴走向为NWW向(285° ); 同时, 在主震NW方向也有较多余震分布。为详细展示本次地震发震断层面的结构特征, 给出了2条震源深度剖面图, 其中1条为沿优势长轴走向分布的A— A'剖面, 另外1条为近垂直于地震序列优势长轴走向的B— B'剖面。 A— A'剖面(图6a)显示, 呼图壁6.2级地震破裂始于深部, 然后向浅部扩展, 展布长度约15km, 且3、 4级地震震源深度往NWW方向有逐渐变浅的趋势(图6a); B— B'剖面反映了沿断层倾向的震源深度分布特征, 清晰地展示出上陡下缓的 “ 铲形” 逆冲断层面。另外, B— B'剖面也揭示出可能的发震构造倾向为N(NNE为上盘); 本次地震主要集中在断层的上盘, 下盘地震较少; 这与逆冲型地震余震分布特点一致(黄媛等, 2008)。

图 5

Fig. 5

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	图 5 呼图壁MS6.2地震序列重定位前(a)、 后(b)地震震中分布图Fig. 5 Epicentral distributions of the Hutubi MS6.2 earthquake sequence before(a)and after(b)relocation.

图 6

Fig. 6

	Figure Option B— B'剖面的地震震源深度分布图 Fig. 6 Distribution of focal depth of the earthquakes along the profiles A-A’ and B-B’ .'>ViewDownloadNew Window
B— B'剖面的地震震源深度分布图 Fig. 6 Distribution of focal depth of the earthquakes along the profiles A-A’ and B-B’ .'>	图 6 沿A— A'和B— B'剖面的地震震源深度分布图Fig. 6 Distribution of focal depth of the earthquakes along the profiles A-A’ and B-B’ .

采用CAP方法反演呼图壁6.2级地震的最佳双力偶机制解, 图7给出了反演地震矩张量解时的波形拟合图; 图中可见, 理论波形(红色)与实际观测波形(黑色)具有较好的拟合关系。其中, 节面Ⅰ : 走向292° , 倾角62° , 滑动角80° ; 节面Ⅱ : 走向132° , 倾角30° , 滑动角108° 。反演方差减小值随深度的变化图(图8)显示, 呼图壁6.2级地震的最佳拟合震源矩心深度为17km。

图 7

Fig. 7

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	图 7 呼图壁6.2级地震矩张量反演理论地震波形(红色)与实际观测地震波形(黑色) 波形下方数字为理论波形相对于实际波形的移动时间(s)和二者的相关系数(%); 波形左侧字母为台站名, 其下数字分别为台站震中距(km)和相对偏移时间(s); 震源球采用下半球投影, 其震源球红色区域代表压缩区, 白色区域代表拉张区Fig. 7 Comparison between synthetic(red)and observed(black)seismograms of Hutubi MS6.2 earthquake.

图 8

Fig. 8

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	图 8 呼图壁6.2级地震矩张量反演中波形拟合误差随深度的变化Fig. 8 Waveform fitting error with focal depth of the Hutubi MS6.2 earthquake.

为对比结果的可靠性, 收集了国内外不同研究机构给出的呼图壁6.2级地震的震源机制解(表1)。结果显示, 本研究结果与其他几个研究机构给出的结果较为接近。地震破裂类型以逆冲为主, 震源矩心深度主要集中分布在 (18± 1)km间; 考虑到北天山山前地区速度结构比较复杂, 不同机构的结果略有偏差完全可以接受。同时, 与重新定位获得的震源初始破裂深度 (15.388± 0.8)km相近。结合此次地震序列的空间展布特征, 判定节面Ⅰ 为发震真实断层面。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 不同研究给出的呼图壁6.2级地震震源参数 Table1 Source parameters of the Hutubi MS6.2 earthquake from different researches 研究机构 节面Ⅰ 节面Ⅱ 矩震级 MW 深度 /km 走向 /(° ) 倾角 /(° ) 滑动角 /(° ) 走向 /(° ) 倾角 /(° ) 滑动角 /(° ) USGS 269 71 93 80 19 81 6.0 17.6 Global CMT 282 65 102 76 27 66 6.0 19.5 中国地震局地球物理研究所 273 70 108 49 27 50 5.85 18 中国地震局地震预测研究所 290 71 97 90 20 71 5.9 — 中国地震台网中心 277 69 88 103 21 96 6.0 19 CAP 292 62 80 132 30 108 5.96 17

表1 不同研究给出的呼图壁6.2级地震震源参数 Table1 Source parameters of the Hutubi MS6.2 earthquake from different researches

6.2级地震后, 早期余震波形受主震影响较大, 利用CAP方法计算了序列中部分4次M_L≥ 4.0余震的最佳双力偶解(表2, 图9), 结果显示破裂类型均为逆冲型地震, 表明余震的破裂类型与主震较为一致。其中, 2次余震的P轴方位为NNW向、 1次的P轴方位近SN向、 1次的P轴方位为NNE向。由此可见呼图壁6.2级地震序列中大部分余震具有和主震类似的近NNW向的P轴方位, 也与该区历史中强震主压应力P轴方位较为一致(高国英等, 2010), 反映了本次地震主要受控于区域构造应力场的作用。

图 9

Fig. 9

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	图 9 呼图壁6.2级地震主震及部分ML≥ 4.0地震的震源机制解平面图Fig. 9 Focal mechanisms of the Hutubi MS6.2 main shock and some ML≥ 4.0 aftershocks.

表2

Table2

表2(Table2)

表2 呼图壁6.2级地震序列中部分ML≥ 4.0地震的震源机制解 Table2 Focal mechanism solutions of ML≥ 4.0 earthquakes in the Hutubi MS6.2 earthquake sequence 序号 发震时刻 年-月-日 时:分 震级 ML CAP深度 /km 节面Ⅰ P轴 T轴 N轴 走向 /(° ) 倾角 /(° ) 滑动角 /(° ) 方位 /(° ) 仰角 /(° ) 方位 /(° ) 仰角 /(° ) 方位 /(° ) 仰角 /(° ) 1 2016-12-0813:15 MS6.2 17 292 62 80 29 16 180 71 297 9 2 2016-12-0817:02 4.4 18 283 58 106 2 12 232 72 94 14 3 2016-12-0819:30 4.3 19 278 62 129 341 9 239 55 77 34 4 2016-12-0823:23 4.5 17 267 87 106 342 40 193 46 86 16 5 2016-12-0823:57 4.5 17 289 63 74 31 17 168 68 296 14

表2 呼图壁6.2级地震序列中部分ML≥ 4.0地震的震源机制解 Table2 Focal mechanism solutions of ML≥ 4.0 earthquakes in the Hutubi MS6.2 earthquake sequence

呼图壁6.2级地震序列精定位和震源机制解表明, 本次6.2级地震的发震断层特征为走向NWW, 倾向N, 倾角约45° ~60° , 运动性质主要以逆冲运动为主。呼图壁6.2级地震位于清水河子断裂附近, 该断裂是北天山山前发育的1条长约280km具有逆冲性质的断裂, 总体走向280° , 断面S倾, 倾角45° ~75° , 多为古生界逆冲于中生界之上, 具长期多次活动的特点(冯先岳, 1997)。呼图壁6.2级地震序列空间展布显示其发震构造具有N倾特征, 与清水河子断裂倾向截然相反。因此, 此次地震发震断层的确定引起了广大学者的关注和兴趣。

近年来, 地震学家研究发现有些地震并不沿地表活动断裂发生, 也无相应的地表破裂带, 其震源位于挤压构造环境之中褶皱之下。Stein等(1989)将此类地震定义为 “ 褶皱地震” , 如1902年新疆阿图什8 14级地震(陈杰等, 2001)、 1906年玛纳斯7.7级地震(张培震等, 1994; Deng et al., 1996; 杨晓平等, 1998)、 1983年美国加利福尼亚州Coalinga 6.5级地震(Stein et al., 1984)以及1994年美国加利福尼亚州Northridge 6.7级地震(Yeats, 2000)等。褶皱地震的研究表明: 1)褶皱地震主要发生于近水平滑脱断层的断坡上(Ekströ m et al., 1989); 2)伴随逆断裂的年轻褶皱带是由于沿断坡重复发生地震所建造起来的(Stein et al., 1989); 3)盆地内部年轻褶皱之下的断坡往往通过近水平的滑脱断层会聚到靠近山前根部1个更深的隐伏活动逆冲断坡上。比如: 1906年玛纳斯7.7级地震微观震中与宏观震中不一致的基本条件为该区地壳内存在滑脱构造, 其发震构造是由准噶尔南缘断裂、 清水河子逆冲断裂、 滑脱面和玛纳斯浅部断坡组成的断层系(王椿镛等, 2001)。

呼图壁6.2级地震位于齐古背斜以南地区, 尽管针对齐古背斜以南区域深部精细结构的探测没有直接的研究成果, 但诸多研究表明该区存在楔冲构造带(刘和甫等, 1994; 管树巍等, 2007; 吕红华等, 2010)。刘和甫等(1994)的研究表明, 齐古楔冲构造带的地震剖面有1组近水平的波组和1组N倾的波组(60° ~70° 构成1个明显的三角带)。综合地表倾角测量数据、 地震反射剖面、 钻井和倾角测井资料(Guan et al., 2016), 沿齐古背斜至吐谷鲁背斜建立了1条SN向的构造剖面, 显示齐古背斜是由一系列N倾的反转断层组成的S倾结构, 其以南深部存在山前楔形体。

由于地表所见的断层和褶皱与深部发震构造之间的关系比较复杂, 通过所见的地表断层推测深部的发震构造或震源的位置, 具有一定的不确定性。本文尝试将此次呼图壁6.2级地震序列重定位结果投影至给出的构造剖面上(Guan et al., 2016)(图10)。杨晓平等(1998)的研究表明, 北天山山前的地表活动构造、 隐伏活动构造以及活动背斜均受地下深处近水平滑脱断层控制。呼图壁6.2级地震恰位于北天山山前逆断裂-褶皱带齐古背斜前缘, 结合震源机制解以及震源区地质构造情况, 推测本次6.2级地震的发震构造可能为齐古背斜以南深部隐伏逆冲断坡上的1条反冲断层(图10)。

图 10

Fig. 10

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	图 10 呼图壁6.2级地震发震构造示意图(据Guan et al., 2016修改)Fig. 10 The seismogenic structure of Hutubi MS6.2 earthquake(Adapted from Guan et al., 2016).

本文基于新疆区域数字地震台网观测报告, 采用HypoDD方法对呼图壁6.2级地震序列进行了重定位, 最终获得了其中317个地震的重定位结果, 并采用CAP方法反演地震序列中部分M_L≥ 4.0地震的震源机制解, 分析了该组地震序列的空间分布和不同剖面震源深度的变化特征、 震源机制解以及其可能的发震构造, 获得以下结论:

(1)2016年12月8日呼图壁6.2级地震的发震时刻为2016年12月8日13时15分4秒, 震中位置为(43.775i9° N, 86.363i4° E), 震源初始破裂深度为15.388km; CAP方法反演本次地震最佳双力偶解节面Ⅰ : 走向292° , 倾角62° , 滑动角80° , 节面Ⅱ : 走向132° , 倾角30° , 滑动角108° , 最佳拟合震源矩心深度为17km。与重新定位获得的震源初始破裂深度相近, 考虑到北天山山前地区速度结构比较复杂, 不同机构的结果略有偏差完全可以接受。

(2)双差定位结果显示, 本次地震为单侧破裂, 序列分布的优势长轴走向为NWW(285° ), 破裂长度约15km, 震源深度主要分布在5~15km。呼图壁6.2级地震破裂始于深部, 逐步向浅部扩展, 同时, 清晰显示出地震的发震断层面倾向N。

(3)主震震源机制解的结果表明, 节面I为发震真实断层节面, 破裂类型为逆冲型地震, 与该区历史中强地震震源机制解以及其他研究机构给定的结果一致。此外, 序列中部分M_L≥ 4.0余震的破裂类型与主震一致。其中, P轴方位与震区周围中强地震主压应力P轴方位一致, 反映了此次地震主要受控于区域构造应力场的作用。

(4)综合呼图壁6.2级地震序列的空间分布、 震源机制解和震源区地质构造情况, 推测此次6.2级地震的发震构造可能为齐古背斜以南深部隐伏逆冲断坡上的1条反冲断层, 是天山向准噶尔盆地扩展的应力作用下发生的1次 “ 褶皱型” 地震。

致谢 中国地震局地球物理研究所房立华研究员对HypoDD软件的使用给予了悉心的指导; 新疆地震局监测中心为本研究提供了波形资料和观测报告; 新疆地震局聂晓红副研究员、 高荣和向元研究实习员给予了诸多帮助; 审稿专家对本文进行了细致的审阅, 提出了富有建设性的修改意见: 在此一并表示感谢。 本研究部分图件采用GMT软件绘制。