新疆天山中段的震源机制解与构造应力场特征分析
张志斌, 赵晓成, 任林
新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011

作者简介:张志斌, 男, 1988年生, 2011年于中国地质大学(武汉)获地球物理专业学士学位, 工程师, 从事数字地震学方面的研究, 电话: 13699371303, E-mail: 306920839@qq.com

摘要

文中收集了新疆测震台网2009-2018年记录的492个 MS2.5以上的地震事件, 以 MS=3.5为界, 分别用CAP方法和FOCEMEC程序计算其震源机制解, 并收集了GCMT记录的该区域历史地震事件的震源机制解结果。 按照全球应力图分类标准对计算得到的震源机制解数据进行分类, 发现区域内中强地震主要以逆冲型为主, 兼有一定的走滑分量。 采用阻尼区域应力场反演方法获取新疆天山中段的构造应力场空间分布特征, 结果表明研究区内最大主压应力轴由西向东呈扇形旋转, 自西段的NW向逐渐转为NE向, 仰角近水平, 最大主张应力轴近EW向, 仰角近直立。 受喀什河断裂、 那拉提断裂、 博阿断裂、 准噶尔南缘断裂和北轮台断裂等大型断裂带的影响, 局部区域应力场呈现出复杂的多样性。 在帕米尔和塔里木块体持续向N挤压的影响下, 天山整体被挤压缩短, 但由南向北、 由西向东缩短速率逐渐降低, 应力形因子自西向东逐渐增大, 且中间主压应力轴由偏压缩成分转为偏拉张成分。 研究区南侧最大主压应力轴方向为N15°E, 而北侧则为近SN向, 这与塔里木块体的顺时针旋转有直接关联。 区内近期发生的2次 MS6.6地震均造成区域应力场的逆时针旋转, 震后应力场与主震震源机制解趋于一致。

关键词: 新疆天山中段; 震源机制解; 构造应力场; 盆山结合带
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)03-0595-17
FOCAL MECHANISM SOLUTION AND TECTONIC STRESS FIELD CHARACTERISTICS OF THE MIDDLE TIANSHAN MOUNTAINS, XINJIANG
ZHANG Zhi-bin, ZHAO Xiao-cheng, REN Lin
Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
Abstract

The middle part of the Tianshan Mountains in Xinjiang is located in the north-central part of the Tianshan orogenic belt, between the rigid Tarim Basin and Junggar Basin. It is one of the regions with frequent deformation and strong earthquake activities. In this paper, 492 MS>2.5 earthquake events recorded by Xinjiang seismograph network from 2009 to 2018 were collected. The MS3.5 earthquake was taken as the boundary, the focal mechanism solutions of the earthquake events in this region were calculated by CAP method and FOCEMEC method respectively. At the same time the focal mechanism solutions of GCMT recorded historical earthquake events in this region were also collected. According to the global stress map classification standard, the moderate-strong earthquakes in the region are mainly dominated by thrust with a certain slip component, which are distributed near the combined belts of the Tarim Basin, Junggar Basin, Turpan Basin and Yili Basin with Tianshan Mountains. The thrust component decreases from south to north, while the strike-slip component increases. The spatial distribution characteristics of the tectonic stress field in the middle section of the Tianshan Mountains in Xinjiang are obtained by using the damped regional-scale stress field inversion method. The maximum principal compressive stress in axis the study area rotated in a fan shape from west to east, the NW direction in the western section gradually shifted to NE direction, its elevation angle is nearly horizontal, in the state of near horizontal compression. The minimum principal compressive stress axis is nearly EW, and the elevation angle is nearly vertical. Influenced by large fault zones such as Kashi River, Bolhinur, Nalati, Fukang, the southern margin of the Junggar and the north Beiluntai, the local regional stress field presents complex diversity. Under the influence of the northward extrusion of Pamir and Tarim blocks, the whole Tianshan is shortened by compression, but its shortening rate decreases from south to north and from west to east, the stress shape factor increases gradually from west to east, the intermediate principal compressive stress axis exhibits a change in compression to extension. There are some differences in the characteristics of tectonic stress field between the north and south of Tianshan Mountains. The regional maximum principal compressive stress axis is 15° north by east on the south side, while it is nearly NS on the north side. The deformation of the Tianshan Mountains and the two basins on both sides is obviously larger than that in the inside of the mountain. Changes in the crustal shortening rate caused by the rotation of the rigid Tarim block and Junggar block to the relatively soft Tianshan block, as well as the uplifts of Borokonu and Bogda Mountains, the comprehensive influence of the material westward expansion constitute the stress field distribution characteristics of the north and south sides of the middle section of Tianshan Mountains. The recent two MS6.6 earthquakes in the region caused the regional stress field to rotate counterclockwise. The post-earthquake stress field and the main source focal mechanism solution tend to be consistent. The seismic activity in the study area is week in the south and strong in the north. The focal depth is about 20km. Most strike-slip earthquakes occur near the junction belt of the Tianshan and Junggar Basin.

Keyword: middle section of Tianshan Mountains; focal mechanism solution; tectonic stress field; basin-range junction belt
0 引言

新疆天山中段位于天山造山带的中北部, 展布于刚性的塔里木盆地和准噶尔盆地之间。 受印度大陆和欧亚大陆碰撞远程效应的影响, 区内分布着数条近EW向的逆冲-褶皱活动构造带, 是大陆内部变形和强震活动频繁的地区之一。 该区历史上曾发生11次6.5级以上强震, 其中7级以上地震4次, 分别为1716年特克斯7.5级地震、 1786年霍城7.5级地震、 1906年玛纳斯7.7级地震和1994年乌苏7.2级地震。 该区较强的地震活动性为研究盆山地区的结构及活动大陆构造学提供了丰富的数字地震资料, 一直以来都是国内外地震研究学者重点关注的地区之一。

地震的孕育和发生与区域内应力的长期积累和释放有直接的联系, 大地震的发生也会引起地壳应力的变化。 地壳应力也是地震的直接驱动力, 研究区域内地壳应力的时间和空间变化可更加深入地了解发震机制、 构造加载和地震与应力间的相互作用(Hardebeck et al., 2006)。 目前, 测定地壳应力场的主要依据为地震的震源机制解、 实地应力测量和地质资料等(断层擦痕、 微构造取向等)(谢富仁等, 1999), 而震源机制解是目前研究地壳深部应力状态的主要途径。

近年来, 相关学者对新疆区域构造应力场进行了大量研究工作。 高国英等(2010)利用2003-2008年新疆境内74次MS≥ 4.5地震的震源机制解, 分析了该时段内新疆的区域应力场特征; 李金等(2015)基于天山地震带2003-2014年306个MS3.5以上的震源机制解资料, 将天山地震带划分为一定的网格, 对网格节点内多个震源机制解进行应力场反演; 刘兆才等(2019)搜集了1976年1月1日-2017年4月30日全球矩心矩张量目录(GCMT)中253个新疆及其周边的震源机制解, 分析了天山现代构造应力场的基本特征。 李艳永等(2018)针对新疆境内发生的中强地震, 利用主震和余震序列的震源机制解信息对地震发震断层的力学性质进行了相关研究。

虽然前人的研究成果给出了研究区域范围内大致的应力场特征, 但震源机制解在计算过程中自身会产生约25° 的不确定度(Hardebeck et al., 2006), 单纯地将震源机制解的PT轴优势分布方向近似为构造应力场的方向开展讨论, 需对大量地震进行分析, 即此方法受限于区域内震源机制解的数量。 已有的相关研究表明, 天山中段南、 北两侧在莫霍面深度、 地壳结构和物性上都存在一定的对称性。 天山中段南、 北两侧的构造应力场分布是否也存在一定的对称性, 近几次天山中段发生的强震对该区域的构造应力场分布产生了怎样的影响等, 都是值得深入研究的问题。 本文通过计算研究区内2009-2019年MS2.5以上地震的震源机制解, 利用阻尼区域应力反演法反演构造应力场, 得到研究区域高分辨率的空间构造应力场分布特征, 并结合震源机制解类型分析研究区构造应力场的分布特征, 所得结果可为该区域地震危险性和活动构造研究提供基础资料。

1 数据资料与研究方法
1.1 数据资料

本研究选取新疆天山中段2009-2019年记录的MS2.5以上地震事件492个, 其中2.5~3.5级地震353个, 3.5~4.5级地震116个, 4.5级以上地震23个(图 1)。 根据新疆天山中段的测震台站布局和地震事件信噪比的约束, 由P波初动和振幅比解算MS2.5~3.4地震的震源机制解, MS> 3.5地震事件的震源机制解由CAP方法计算。 此外, 本文搜集了全球矩心矩张量目录(GCMT)研究区范围内1977-2008年的震源机制解数据12个, 共同参与研究区构造应力场的解算。

图 1 研究区构造背景及台站分布图
黑色实线为断层, 白色虚线为研究区域, 红色圆圈为历史强震, 黄色五角星为乌鲁木齐, 黄色虚线为剖面位置; 主要构造体为: 塔里木盆地、 吐鲁番盆地、 准噶尔盆地、 伊犁盆地、 天山
Fig. 1 The tectonic background and station distribution of the study area.

1.2 研究方法

Cut-and-Paste(CAP)方法通过近十几年的不断发展和完善, 已在很多地区得到了应用(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996), 其核心思想是将区域范围观测波形分解成体波和面波2部分, 对不同波段分别赋予不同的权重, 并分别进行拟合, 通过搜索理论地震波形和真实地震波形之间误差函数的最小值来确定震源机制解。 此方法能减少由于速度模型及震中位置不准确造成的误差, 在国内外已得到广泛的应用(郑勇等, 2009; 张志斌等, 2019)。 本研究中, 利用P波初动与振幅比方法求解震源机制解采用国际上较为流行的focmec程序(Snoke et al., 1984; Snoke, 1989)进行。 此方法联合P波、 SV波和SH波的初动和SV/P、 SH/P或SV/SH的振幅比确定震源机制, 能有效克服过度依赖台站分布等缺点, 在求解中小地震的震源机制解时得到了很好的应用(刘泽民等, 2015; 林向东等, 2017)。

区域构造应力场反演使用Hardebeck等(2006)提出的基于震源机制解反演的方法。 该方法采用线性反演技术, 能最大程度拟合数据, 消除人为影响, 减少相邻区域之间的应力差异。 计算应力场空间分布特征时, 通常将区域划分成不同大小的子区域, 而不同的分区方式和大小都会对反演的应力场结果产生影响(Maury et al., 2013)。 该方法突出的优点是能消除反演中不同区域的划分导致的应力偏转的假象, 凸显全局应力场特征(Wu et al., 2010)。 该方法已在多地区得到广泛应用(祁玉萍等, 2018; Chang et al., 2019; 李天觉等, 2019)。

反演结果最终以应力张量解的特征值S1, S2S3及其对应的特征向量表示。 利用地震震源机制解求解应力场时还可得到相对应力大小--R值(Gephart et al., 1984), 其定义为

R=S2-S1S3-S1(1)

其中, S1S2S3分别为最大主压应力、 中间主压应力和最小主压应力(以拉张为正)。 当R> 0.5时, 获得的应力状态偏压缩性质; 当R< 0.5时, 应力状态偏拉张性质(Guiraud et al., 1989; 万永革等, 2011; 崔华伟等, 2019)。 图 2 展示了应力主轴方位及其量值相对的空间分布, 直观地表达了区域内应力场的变化。

图 2 不同R值对应的主应力空间分布图Fig. 2 Spatial distribution map of principal stresses corresponding to different R-values.

2 震源机制解反演

参照Zoback(1992)提出的分类标准对震源机制解进行分类(表1), 并对反演的震源机制解数据进行统计分析。

表1 震源机制解分类标准 Table1 Categories of tectonic stress regime for focal mechanism

按照震级分类统计, 4.6~6.6级地震中走滑型占23%, 具有一定走滑分量的逆断型占69%, 纯逆断型占3%, 无法确定类型的占5%; 3.5~4.5级地震中, 走滑型占29%, 具有一定走滑分量的逆断型占39%, 纯逆断型占3%, 具有一定走滑分量的正断型占6%, 纯正断型占4%, 无法确定类型的占19%; 2.5~3.5级地震中, 走滑型占19%, 具有一定走滑分量的逆断型占41%, 纯逆断型占5%, 具有一定走滑分量的正断型占11%, 纯正断型占2%, 无法确定类型的占22%。 分类结果表明, 研究区内的中强地震主要以逆冲为主, 存在一定数量的走滑型地震, 表明区域活动主要以挤压为主, 这与印度板块与欧亚板块碰撞导致天山中段受塔里木盆地和准噶尔盆地的挤压俯冲有直接关联(张红艳等, 2014)。 随着震级的下降, 一些活动断裂对部分中小地震的控制作用更加明显, 因此以逆冲为主的地震事件的比例逐渐下降, 正断型和走滑型地震事件的比例有所提升。 由地震分布的空间位置分析(图 3), 研究区内主要为逆冲兼走滑型地震事件, 分布在塔里木盆地、 准噶尔盆地、 吐鲁番盆地和伊犁盆地与天山的结合带附近, 且由南向北逆冲分量逐渐减少、 走滑分量逐渐增多。 同时, 走滑型地震事件也存在南少北多的现象。 已有的相关研究表明(Abdrakhmatov et al., 1996; 王琪等, 2001; 游新兆等, 2001), 天山地区总体呈SN向挤压缩短的趋势, 但是其北部的形变速率低于南部, 即存在南强北弱的现象, 这与逆冲型地震的分布及其特征相符。 区内以正断型为主的地震事件主要分布在山体内部的断裂带上, 且无较大的地震事件, 说明其发震模式主要受控于发震断层自身的相对运动。

图 3 新疆天山中段震源机制解分布图Fig. 3 Distribution of focal mechanism in the middle section of Tianshan Mountains, Xinjiang.

为研究新疆天山中段构造应力场的分布特征, 图 4 给出了区域内504个地震震源机制解的主压应力P轴和张应力T轴的水平投影分布。 P轴方位整体近SN向, 倾角较小, 由于地震事件的震级跨度范围较大, 区域构造应力场对部分中小地震事件的发震模式控制较弱, 导致P轴的方位分布较乱, 不能准确分析其应力轴的具体方位。 T轴的方位总体呈近EW向, 倾角较大, 个别小地震受区域断层的控制, 方向发生了一定的偏转, 但整体以SN向挤压应力为主。

图 4 新疆天山中段震源机制解P轴和T轴分布图
投影线段长短与P轴和T轴的倾伏角有关; P轴和T轴平行于水平面时投影线段最长, 垂直于水平面时投影为一个点
Fig. 4 Distribution of P-axis and T-axis of focal mechanism solutions in the middle section of Tianshan Mountains, Xinjiang.

3 构造应力场反演

由区域应力张量阻尼方法反演研究区构造应力场时, 需确定一个合理的阻尼系数, 使得反演结果中相邻区域的应力张量变化最小。 当阻尼系数过小时, 反演时数据方差的相对权重越大, 模型将更加复杂; 阻尼系数过大时, 模型长度所占的相对权重将增大, 数据方差会相对增大, 各子区域应力张量越平滑(崔子健等, 2019)。 因此, 阻尼参数的选择需达到二者之间的平衡。 将研究区划分为0.5° × 0.5° 的网格, 由于单一地震震源机制解仅可将应力场方向约束在对应的象限内, 并不能确定其具体数值, 故每个网格内的震源机制解数据必须具有一定的多样性, 从而约束应力场的具体方向。 该方法在采用阻尼最小二乘法反演的同时可得到每个网格点的应力张量并进行平滑, 即利用其邻近网格节点及其周围一定范围内的多个震源机制解进行应力张量平滑约束(刘兆才等, 2019), 本研究中每个网格内的震源机制解不少于3个。 由于震源机制解基于双力偶模型解算, 因此存在1个真断层面和1个辅助面(Aki et al., 1980), 反演过程中设置2个节面具有相同的可能性, 即均为0.5。 本次反演中应力场参数的置信水平设为95%, 为得到应力场参数的不确定度, 对所用数据重采样2i000次进行评估, 反演中根据权衡曲线将阻尼系数取为0.7(图 5), 同时计算了无阻尼情况下的应力反演结果, 以对比是否存在过阻尼的情况, 最终的反演结果如图 6 所示。

图 5 每个网格内地震个数统计(a), 模型长度和数据方差之间的折中曲线(b)
最外层数字为划分网格的编号, 网格号按照经度在前、 纬度在后的规则编制
Fig. 5 The statistics of earthquake number in each grid(a)and the trade-off curve between the model length and data variance(b).

图 6 新疆天山中段应力场反演结果
a 阻尼反演结果; b 无阻尼反演结果
Fig. 6 Inversion results of stress field in the middle Tianshan Mountains, Xinjiang.

反演结果显示, 阻尼应力场反演与无阻尼反演相比, 前者既保留了应力场的空间变化, 同时也更加平滑。 若无特别说明, 下文均使用阻尼应力场反演结果开展讨论。 由反演结果可以看出, 本研究得到的最大主压应力轴自西向东发生扇形旋转, 由西段的NW向逐渐转为NE向, 与天山山脉的走向一致, 主压应力轴的仰角均近水平, 处于近水平挤压状态; 主张应力轴近EW向, 仰角在绝大部分区域均近直立。 从大构造区域分析, 新疆天山中段属于中国西部的构造应力区, 其力源主要来自印度板块向N的推挤, 表现为近SN-NNE向的挤压(谢富仁等, 2004), 与本文得出的新疆天山地区的主压应力场特征基本一致。 从具体的区域尺度上分析, 研究区属于新疆应力区, 区内最大主压应力方向以SN向为主, 应力结构以逆断型和走滑型为主, 本研究给出的震源机制解类型和应力场方向与区域尺度相符。

为细化研究, 将新疆天山中段分为T1和T2i2段, T1和T2以84.5° E为分界线。 研究区西部(T2)的最大主压应力轴以NNE向为主, 局部区域为NNW向和近SN向, 区内分布有喀什河断裂、 那拉提断裂和博阿断裂带的一部分, 其中喀什河断裂是由多条断层组成的近EW向断裂带, 为右旋逆冲活动断裂(尹光华等, 2003); 那拉提断裂是天山内部一条NEE走向的大型构造带, 主要表现为向S的逆冲, 具有明显的左旋走滑分量, 晚第四纪以来仍有较强活动(吴传勇等, 2014); 博阿断裂为斜贯天山的一条NW走向的大规模活动断裂, 总长度> 1i000km(李杰等, 2016)。 这些断裂带均存在较强的活动, 如博阿断裂在晚新世以来的右旋走滑速率为4~5mm/a, 造成的SN向地壳缩短速率约2.5mm/a(沈军等, 2003; 杨晓平等, 2008); 喀什河断裂造成SN向地壳缩短速率约为2.2mm/a(Avouac et al., 1993), 那拉提断裂则为1mm/a(吴传勇等, 2014)。 这些大型断裂带的活动对区域构造应力场的复杂性有重要作用。 区域内构造应力场沿着这几条大型断裂带发生偏转, 由西段的约N20° W, 变为与博阿断裂交会处的近SN向。 在转变的过程中, 局部应力场出现不一致的现象, 此时其最小主压应力的倾角也较小, 表明部分区域地震事件受控于活动断裂带。

研究区(T2)即为两侧盆地与天山的接触区域, 主要的断裂系为南天山和塔里木盆地的分界逆断裂--北轮台断裂和北天山与准噶尔地块的分界线--准噶尔盆地南缘断裂, 最大主压应力轴以近SN向为主, 在北轮台断裂附近约为N15° E, 而在准噶尔南缘断裂系附近则表现为近SN向(± 5° ), 两者之间的应力场方向呈现出约10° 的偏差。 根据GPS数据可知, 区内的速度场表现为由南往北速度矢量逐渐递减的特征(杨少敏等, 2008)。 88° E附近GPS的速度矢量为4~5mm/a, 而在83° E附近增加至10~12mm/a, 至77° E处附近增加到18~19mm/a, 地壳缩短速率由西向东衰减(Avouac et al., 1993)。 同时, 对北轮台断裂的探测表明, 其SN向地壳速断速率由西向东呈逐渐递减的特征(姚远等, 2018)。 天山新生代的构造变形被认为是帕米尔和塔里木块体共同推挤作用的结果, 而塔里木盆地相对天山的运动可以分解为N向平动和顺时针旋转, 而塔里木盆地的旋转导致其对天山的挤压强度由西向东逐渐减弱(Chen et al., 1991), 最大主压应力轴也呈现由西向东逐渐转至近SN向的特征, 即天山中段构造应力场的变化特征与塔里木块体的旋转推挤有密不可分的联系。

从应力形因子分析, 研究区R值均约0.5, 自西向东由小到大变化, 无明显的极大值和极小值。 反演构造应力场时断层面的选取对应力方位影响较小, 但会对应力形因子产生显著影响。 表2给出本研究应力形因子的统计分析结果, 研究区内R值的不确定度集中在[-0.25, 0.25]的置信区间内, 个别区域的置信区间较大, 不确定度并无明显随空间变化的规律。 研究区西段(T2)较小的应力形因子表明, 这里主压应力值与中间应力值较为接近, 使得EW向的扩展量较小, 主要表现为物质的隆升; 天山中东段(T1)R> 0.5, 表明这里主张应力值和中间应力值较为接近, 中间应力轴有一定拉张成分, 以EW向扩展为主, 走滑型地震事件的数量增多。

表2 0.5° × 0.5° 网格划分反演得到的R值及其在95%置信度的不确定范围 Table2 Inverted stress field parameters R-value on grid of 0.5° × 0.5° and its uncertainty range at 95% confidence

在乌鲁木齐坳陷附近R< 0.5, 同时其主张应力轴近SN向, 倾角较陡。 由于乌鲁木齐坳陷位于准噶尔盆地和天山的接触带上, 两者之间的相对运动在此区域形成了山前坳陷, 万永革(2015)研究表明, 博罗科努山和博格达山的隆起使得物质向乌鲁木齐山前坳陷扩展, 在该地区也存在一定的近EW向压应力作用。 由于该区域受2种不同方向的挤压应力作用, 乌鲁木齐山前坳陷处于挤压隆升状态。 结合研究区的应力形因子变化和GPS资料分析, 天山地区自西向东地壳缩短速率逐渐降低, 最西边为20mm/a, 而最东边的哈密一带则约0mm/a。 地壳缩短速率高的区域(T2)的中间主应力表现为压缩, 而地壳缩短速率低的区域(T1)的中间主压应力表现为拉张。

4 讨论

近年来, 新疆天山中段中强地震频发, 先后发生了2003年新源和静MS6.6地震、 2016年呼图壁MS6.2地震和2017年精河MS6.6地震。 已有研究表明, 大地震的孕育和发生常常伴随着应力的积累与释放, 分析大地震前后不同尺度的应力场特征对了解大地震的孕震机制具有非常重要的意义(祁玉萍等, 2018; 杨佳佳等, 2018)。 本文以区域内2次MS6.6地震为界, 分别反演了自2009年起至2013年新源和静MS6.6地震发生, 新源和静MS6.6地震至2017年精河MS6.6地震和精河MS6.6地震至今的应力场分布特征。 由于将新疆天山中段按时间尺度分段后各时间段内的地震数量相对减少, 故将研究区的网格划分为1° × 1° , 其它参数与前文一致, 分别反演得到各时间段内的应力场分布特征, 如图 7 所示。

图 7 新疆天山中段2次MS6.6地震前后的应力场分布Fig. 7 Stress field distribution before and after two MS6.6 earthquakes in the middle Tianshan Mountains, Xinjiang.

由图 7 可以看出, 震中附近的应力场在地震发生前、 后2个时间段内变化明显, 在新源和静MS6.6地震之前, 最大主压应力轴呈明显的扇状分布特征, 新源和静MS6.6地震改变了原有的分布特征, 震中附近最大主压应力轴由NE向变为NW向, 发生了微弱的逆时针偏转, 应力形因子R> 0.5, 中间主压应力为拉张性质, 新源和静地震的震源机制解以走滑型为主, 带少许逆冲分量。黄骥超等(2015)对鲁甸MS6.5地震前后的应力偏转现象的研究表明, 强震能使震源附近的应力场发生偏转, 应力的释放会导致震后应力场改变, 并与主震震源机制趋于一致。 精河MS6.6地震前后出现了同样的特征, 震区附近的最大主压应力轴由NE向发生逆时针偏转, 变为NW向。 震后区域内R值减小, 由0.64变为0.37, 即中间主压应力由拉张变为逆冲, 而精河MS6.6地震的震源机制解显示该地震以逆冲型为主。

总体而言, 研究区内近2次MS6.6地震震中附近的最大主压应力方位变化显著, 强震的发生均使原有的应力场发生了逆时针偏转, 但未能改变区域内主应力方位整体呈近SN向的趋势。 强震震源类型对区域应力场的应力结构有显著影响。 2次强震既反映了其震源区及其附近的受力状态, 也显示了大区域范围内不同断层构造受控于同一动力源的力学作用。

新疆及其周边范围在较大的区域和时间尺度内的应力作用基本保持均匀和稳定。 与前人的研究结果相比, 本研究中反演资料的使用在年代跨度上体现了一定的继承性, 在震级频次上则体现出了完备性, 如高国英等(2010)采用2003-2008年全新疆及周边地区MS≥ 4.5地震震源机制解数据; 李金等(2015)采用2003-2014年MS> 3.5地震的震源机制解资料; 刘兆才等(2019)采用1976-2017年MS5.0以上震源机制解资料等。 由反演结果分析, 以往的研究都是以整个天山造山带为整体, 划分较大的网格分析南北天山造山带构造应力场的差异。 天山造山带虽整体受帕米尔和塔里木块体向N的挤压, 但各个区域的局部应力场又呈现出一定的多样性, 局部断层的应力状态变化较为明显, 精细的网格划分能更为细致地刻画构造应力场的局部特征, 本研究即揭示了新疆天山中段西区(T1)和东区(T2)应力场分布的差异性, 刻画出乌鲁木齐坳陷区应力形因子的增大趋势, 同时也反映出新疆天山中段整体构造应力场的特征。

图 8 震源机制解沿深度剖面的变化
红色为逆断和逆断为主兼走滑, 绿色为走滑型断层, 黑色为正断和正断为主兼走滑
Fig. 8 Seismic mechanism solution changes along the depth profile.

塔里木盆地作为刚性块体, 其自身在印度板块和欧亚板块碰撞远程效应的影响下向N推挤。 而准噶尔盆地同为刚性块体, 阻挡了天山向N的继续推挤。 已有研究表明, 新疆天山中段由南到北, 无论是地质构造特点还是地震活动性都表现出一定的对称性(杨主恩等, 2005)。 为研究震源机制解在深度方向的变化, 本研究选取由CAP方法计算的MS3.5以上地震的震源机制解, 垂直于天山中段构建AA'剖面, 投影其100km范围内的地震震源机制解, 如图 8 所示。 剖面位置见图 1。

AA'剖面横穿新疆天山中段, 在研究区域内其地震活动性表现为南弱北强的特征, 盆山结合带处的震源机制多以逆冲为主, 震源深度多约20km, 走滑型地震多发生在天山与准噶尔盆地结合带附近。 针对剖面北端准噶尔南缘断裂生长地层的研究表明, 该断裂的活动始于15MaiBP的中新世中期, 主要活动于3~10MaiBP(卢华复等, 2006); 而塔里木盆地西北缘的逆冲断裂活动始于23MaiBP(李杰等, 2016)。 新疆天山中段的构造应力场在空间上表现为由南向北的挤压传递, 其中南天山山前和北天山山前发育的大规模逆冲断层和褶皱带也吸收了部分挤压应力。 横跨准噶尔南缘断裂的GPS剖面揭示准噶尔南缘断裂南盘的运动速率基本处于平稳状态, 山体内部无大幅度的挤压缩短变形, 但断裂北盘结合带附近有明显的地壳缩短趋势, 当深入到准噶尔盆地内部后, 地壳缩短速率已基本为零。 塔里木地块相对稳定的欧亚大陆以0.520i3° /Ma的速率作顺时针旋转, 准噶尔地块相对欧亚大陆以0.299i2° /Ma速率作逆时针旋转(杨少敏等, 2008), 这可以解释北轮台断裂区域的主压应力轴比准噶尔南缘断裂区域更偏东的现象。

5 结论

震源机制解是研究区域构造应力场特征的主要基础资料。 本研究收集并计算了新疆天山中段504个地震的震源机制解数据, 采用区域阻尼构造应力场反演程序分析了新疆天山中段现今地壳应力状态的总体特征与分区域特征, 主要得到以下结论:

(1)新疆天山中段的震源机制解类型主要以逆冲型为主, 震源深度约20km; 走滑型地震主要分布在天山与准噶尔盆地交会的区域, 反映了在帕米尔和塔里木块体向N推挤的过程中, 作用力不断减弱, 且由于准噶尔盆地的阻挡作用, 研究区北侧走滑型地震事件增多, 区内近期发生的中强地震的震源深度普遍约20km。

(2)构造应力场反演结果显示, 新疆天山中段最大主压应力场方向整体近SN向, 大致由西向东呈扇形旋转, 由西段的NW向逐渐顺时针转为NE向, 最大主压应力轴的倾角均近水平。 受喀什河断裂、 那拉提断裂、 博阿断裂、 准噶尔南缘断裂和北轮台断裂等大型活动断裂带影响, 局部区域最大主压应力轴方向呈现一定的多样性。 此外, 哈萨克地台对天山俯冲的影响也不可忽视。 受塔里木块体顺时针旋转的影响, 地壳缩短速率自西向东递减, 应力形因子自西向东由小到大, 中间主压应力由压缩转为扩张分量, 并在乌鲁木齐坳陷区受博格达隆起的影响形成突变。 区域内近期发生的2次强震均造成了区域应力场的逆时针旋转, 震后区域应力场状态与主震震源机制解趋于一致。

(3)新疆天山中段南北两侧构造应力场的分布特征具有一定的差别, 南侧最大主压应力轴为NNE向, 北侧则为近SN向。 区域变形特征表明天山内部的构造应变较均匀, 而天山与南北两侧盆山结合带的变形明显大于山体内部。 刚性的塔里木块体和准噶尔块体相对软弱的天山发生旋转导致地壳缩短速率发生变化, 以及博罗科努山和博格达山的隆起使物质向W扩展的综合影响构成了新疆天山中段南北侧的应力场分布特征。

致谢 本文图件采用GMT绘制; 研究中使用了satsi软件和万永革老师提供的主应力空间图样程序进行相关反演和分析; 审稿专家对本文提出了建设性意见和建议。 在此一并表示感谢!

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