引用本文
李金, 蒋海昆, 魏芸芸, 孙昭杰. 2020年1月19日伽师6.4级地震发震构造的初步研究[J]. 地震地质, 2021,43(2): 357-376.
LI Jin, JIANG Hai-kun, WEI Yun-yun, SUN Zhao-jie. PRELIMINARY STUDY FOR SEISMOGENIC STRUCTURE OF THE MS6.4 JIASHI EARTHQUAKE ON JANUARY 19, 2020 [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2021,43(2): 357-376.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2021.02.007
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2020年1月19日伽师6.4级地震发震构造的初步研究
李金1,2,3), 蒋海昆4),*, 魏芸芸2), 孙昭杰5)
1)新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站, 乌鲁木齐 830011
2)新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011
3)中国地震局乌鲁木齐中亚地震研究所, 乌鲁木齐 830011
4)中国地震台网中心, 北京 100045
5)喀什基准台, 喀什 844000
*通讯作者: 蒋海昆, 男, 1964年生, 研究员, 现主要从事余震序列及相关研究, E-mail: jianghaikun@sohu.com。

〔作者简介〕 李金, 男, 1986年生, 2012年于中国地震局地震预测研究所获固体地球物理专业硕士学位, 高级工程师, 主要从事数字地震学及地震预测研究工作, 电话: 15299475246, E-mail: lijin6205@163.com。

收稿日期: 2020-09-04 修回日期: 2021-02-22
基金项目: 新疆维吾尔自治区自然科学基金(2020D01A83)、 国家重点研发计划项目(2018YFC1503305, 2018YFC1503206)、 中国地震局地震科技星火计划项目(XH21042)和新疆地震局科技创新团队计划(XJDZCXTD2020-3)共同资助
摘要

文中基于新疆区域数字地震台网观测资料, 采用CAP方法反演了2020年1月19日伽师 MS6.4主震、 前震和部分 MS≥3.6余震的震源机制解和震源深度, 利用多阶段定位方法对本次伽师6.4级地震序列进行了重新定位, 并在此基础上分析了伽师6.4级地震序列的震源深度、 震源机制和震源破裂面特征, 探讨可能的发震构造。 初步结果显示, 利用CAP方法得到6.4级地震的最佳双力偶机制解为: 节面Ⅰ, 走向190°, 倾角32°, 滑动角31°; 节面Ⅱ, 走向74°, 倾角73°, 滑动角118°, 震源深度为12.1km, 表明其为一次逆冲型地震事件。 而5.4级前震为一次走滑型地震事件, 震源深度为17.1km, 震源机制解为: 节面Ⅰ, 走向83°, 倾角78°, 滑动角173°; 节面Ⅱ, 走向174°, 倾角83°, 滑动角12°。 根据重新定位结果, 结合震源区附近构造地质背景推断, 5.4级前震的发震构造为NNW向高倾角走滑断裂L0, 其可能为1997—1998年伽师震群NNW向发震构造体系的分支断裂。 由于绝大多数余震分布在L0断裂东侧, 判断L0及相关断层对余震分布可能具有一定的控制作用。 根据主震的位置和余震的空间分布特征及震源区断裂的产状特征推测, 伽师6.4级主震的发震构造为SN向的缓倾角破裂, 其滑动可能主要集中在柯坪塔格推覆构造滑脱面附近的区域, 但伽师6.4级地震可能引起了柯坪塔格推覆构造多条断裂同时活动。

关键词: 伽师6.4级地震; 震源位置; 震源机制解; 多阶段定位方法
中图分类号:P315.20 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2021)02-0357-20
PRELIMINARY STUDY FOR SEISMOGENIC STRUCTURE OF THE MS6.4 JIASHI EARTHQUAKE ON JANUARY 19, 2020
LI Jin1,2,3), JIANG Hai-kun4), WEI Yun-yun2), SUN Zhao-jie5)
1)Xinjiang Pamir Intracontinental Subduction National Field Observation and Research Station, Urumqi 844000, China
2)Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
3)Urumqi Institute of Central Asia Earthquake, China Earthquake Administration, Urumqi 830011, China
4)China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
5)Kashi Standard Seismic Station of Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Kashi 844000, China
Abstract

On January 19, 2020, an MS6.4 earthquake occurred in Jiashi county. This earthquake located in the intersection of the three tectonic systems of South Tianshan, Tarim Basin and West Kunlun-Pamir. From 1997~2003 a group of strong earthquake swarms with MS≥6.0 occurred in this area, which constitute an extremely rare Jiashi strong earthquake swarm in mainland China. Based on the digital waveforms of Xinjiang Seismic Network, the best double-couple focal mechanisms of the main shock, foreshock and some aftershocks with MS≥3.6 were determined by CAP method, the Jiashi MS6.4 earthquake sequence was relocated by multi-step locating method. We analyzed the characteristics of focal depth, focal mechanisms and source rupture to determine the seismogenic structure. The nodal plane parameters of the best double-couple focal mechanism by CAP method are: strike 190°, dip 32° and rake 31° for nodal plane Ⅰ, and strike 74°, dip 73° and rake 118° for nodal plane Ⅱ; the centroid depth is 12.1km. The focal mechanism of main shock is thrust type, but the MS5.4 foreshock is a strike-slip event with a focal depth of 17.1km, and the focal mechanism parameters are: strike 83°, dip 78°, rake 173° for nodal plane I and strike 174°, dip 83°, rake 12° for nodal plane Ⅱ. The foreshock and mainshock are very close in space, but the rupture types are quite different, which shows the complexity of the seismogenic structure. The relocated sequence shows two dominant distribution directions, namely, the near EW direction and the near SN direction. Most of the aftershocks in the sequence are distributed in the EW direction, parallel to the strike of the Kepingtage nappe structure. The MS5.4 foreshock and the MS6.4 mainshock are both located near the dominant distribution in the near NS direction, and have a certain spatial distance from the distribution of aftershocks in the near EW direction. This feature may reflect that the mainshock and subsequent aftershocks are located on different fault zones. Combined with the geological structural background near the source area, it is inferred that the seismogenic structure of the MS5.4 foreshock is a strike-slip fault L0 with a high dip angle in NNW direction, and the basic information of the seismogenic fault L0 may be: strike NNW(about 175°), the fault plane is nearly upright, and the fault depth can reach about 15km. L0 may be a branch fault of the NNW-directed seismogenic structural system of the Jiashi earthquake swarm from 1997 to 1998. Since most of the aftershocks distributed on the east side of the Fault L0, we judge that L0 and related faults may have a certain control effect on the distribution of aftershocks. According to the location of the main shock, the spatial distribution of aftershocks and the occurrence characteristics of the fault in the source area, it is inferred that the seismogenic structure of the Jiashi MS6.4 mainshock is a NS-directed gentle-dipping fracture. The main shock caused the simultaneous activity of the Kepingtage nappe structure, resulting in a dense distribution of aftershocks with a certain distance from itself.

Keyword: Jiashi MS6.4 earthquake; focal location; focal mechanism solution; multi-step locating method
0 引言

2020年1月19日21时27分, 新疆伽师县发生MS6.4地震。 此前一天, 即2020年1月18日00时05分, 在6.4级地震震中不远处发生了MS5.4前震。 伽师6.4级地震的震感强、 影响范围广、 震害较为严重, 地震造成1人死亡、 2人受轻伤。 喀什地区、 克孜勒苏柯尔克孜自治州的震感强烈, 和田、 阿克苏地区也有震感, 地震造成的直接经济损失高达15.26亿元①(①孙静, 姚远, 李帅, 等, 2020, 新疆伽师6.4级地震灾害损失评估报告。)。 截至2020年8月10日, 伽师6.4级地震序列共包括MS≥ 1.0地震598次, 其中MS1.0~1.9地震477次, MS2.0~2.9地震84次, MS3.0~3.9地震27次, MS4.0~4.9地震6次, MS5.0~5.9地震3次, MS6.0~6.9地震1次, 最大余震震级为MS5.2。

伽师6.4级地震的震中位于南天山、 塔里木盆地和西昆仑-帕米尔3个构造系统交会区附近。 该区域曾于1997— 2003年发生了1组6级强震群: 1997年1月21日— 4月16日, 伽师发生了7次6级地震, 这些地震构成了中国大陆极为罕见的伽师强震群活动(赵翠萍等, 2008); 1998年8月2日、 27日又分别发生了MS6.0、 MS6.4地震; 2003年2月24日, 在该区东南部的巴楚县境内发生了MS6.8地震。 陈杰等(2001)根据刘启元等(2000)的深部构造研究, 推测南天山山前深部存在“ S” 形的阿图什断裂, 认为1997年伽师中强震群型地震(包括1997年1月17日— 4月17日7次6级以上地震)可能是阿图什断裂中段NW— NNW向断裂活动的结果。 徐锡伟等(2006)根据卫星影像及高分辨折射地震探测剖面成像结果推测, 1997年6级震群的发震断层为NW向隐伏 “ 类转换断层” , 2003年巴楚-伽师6.8级地震的发震构造为尚未出露地表的近EW向盲逆断层系。 但总体来看, 由于伽师震源区未发现断层出露的痕迹, 故迄今为止这一系列强震的具体发震构造尚不十分清晰(刘启元等, 2000; 陈杰等, 2001; 李松林等, 2002; 张先康等, 2002; 周仕勇等, 2006)。 1997年强震群发生后的深部研究结果表明(刘启元等, 2000; 张先康等, 2002), 塔里木与南天山的地壳速度结构差异显著, 伽师震源区的地壳变形明显。 另外, GPS观测资料还揭示了整个天山的缩短存在由西向东逐渐衰减的趋势(王琪等, 2000; 张培震等, 2002)。

本次6.4级地震的震中位于柯坪塔格褶皱-逆断裂带的前缘断裂(柯坪断裂)附近(图 1), 柯坪塔格推覆构造带的西段从南向北由柯坪塔格褶皱带、 奥兹格尔它乌褶皱带、 托克散阿塔能拜勒褶皱带、 科克布克三山褶皱带以及奥依布拉克褶皱带等5排推覆体构成(图 1b)。 自皮羌断裂向W依次出露古生代和新生代岩层, 总体构成向W倾伏的鼻状构造(曲国胜等, 2001, 2003; 杨晓平等, 2006)。 地震勘探资料显示, 各褶皱带前缘的活动逆断裂在深部归并于统一的、 由寒武系中石膏层组成的滑脱面。 该滑脱面的深度具有南浅北深、 东浅西深的特点, 且东、 西两侧地壳的缩短速率不同。 皮羌断裂西侧的滑脱面深度约为9km, 东侧则为5km(杨晓平等, 2006); 西侧的地壳缩短速率为2.5~2.7mm/a, 而东侧则为0.3mm/a(Li et al., 2020)。 晚第四纪以来, 柯坪塔格推覆构造带地表和近地表的几何变形主要表现为2种形式: 一是20° ~40° 低角度逆断层运动, 造成年轻地质体的位错上升和缩短; 二是在成熟褶皱山前的冲、 洪积扇上发育新的小褶皱, 褶皱的弯曲变形是由通过褶皱的冲沟阶地弯曲上升并缩短所致(图 1b), 这些变形主要通过推覆构造上断坪的水平滑动实现(冉勇康等, 2006)。

图 1 a 伽师6.4级地震震中附近的台站分布; b 历史地震活动
T1柯坪塔格褶皱带; T2奥兹格尔它乌褶皱带; T3托克散阿塔能拜勒褶皱带; T4科克布克三山褶皱带; T5奥依布拉克褶皱带Fig. 1 Distribution of stations around the epicenter of the MS6.4 Jiashi earthquake(a) and historical seismic activity(b).

震源机制可以直观地反映地震破裂的几何特征和运动学特征(张勇等, 2009; 郑勇等, 2009), 地震序列的震源机制与震源深度分布可为了解震源区应力状态、 勾画断层形态、 厘清主余震与发震构造的几何特性及活动规律提供重要的地震学依据(万永革等, 2008; 易桂喜等, 2012; 吕坚等, 2013; 吴微微等, 2015; 梁姗姗等, 2018)。 本文利用Long等(2015)发展的多阶段定位方法(Multi-step Locating Method)对本次伽师6.4级地震序列进行重新定位, 同时采用CAP方法反演序列中波形清楚的MS≥ 3.6地震的震源机制解和震源深度, 并在此基础上进一步讨论此次6.4级地震的发震构造。

1 资料与方法

伽师6.4级地震震中周围分布的台站相对较少, 震中距≤ 50km的仅有八盘水磨台(BPM)、 西克尔台(XKR)和哈拉峻台(HLJ)3个台站。 6.4级地震发生后, 新疆地震局立即前往震区架设流动台(L6505和L6513), 流动台的波形数据自1月20日13时起汇入数据库, 为后续研究提供了宝贵的近台波形资料。

CAP方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996)将地震波分为面波和体波部分, 并分别利用相关性方法对这些截取的震相进行拟合, 在给定参数空间中进行网格搜索, 以得到最佳深度和震源机制解(韩立波等, 2012)。 该方法的优势是反演结果对速度模型和地壳横向变化的依赖性相对较小, 已有的可靠性实验表明其在地质构造较复杂的地区使用简单速度模型仍可获得较好的反演结果(郑勇等, 2009)。 目前, 已有很多学者基于该方法对部分中等地震开展了震源机制解研究, 并获得了一些很有意义的结果(Tan et al., 2006; 韦生吉等, 2009; 郑勇等, 2009; Zheng et al., 2010; 吕坚等, 2013; 易桂喜等, 2017, 2019)。

1997— 1998年伽师强震群发生后, 研究者对这一地区的地壳速度结构开展了大量研究。 刘启元等(2000)给出的这一地区靠近塔里木盆地一侧的地壳厚度为40~52km, 并得到了这一区域的速度模型。 徐朝繁等(2006)利用穿过伽师强震群区的1条高分辨折射地震探测剖面, 采用有限差分反演和哈格多恩原理折射波前成像方法得到了该地区上部地壳的精细结构图像。 本文综合上述研究成果, 上地壳采用徐朝繁等(2006)给出的精细速度模型, 中下地壳采用刘启元等(2000)给出的速度模型, 得到了该地区用于开展序列定位的初始速度模型(表1)。

表1 地壳速度结构 Table 1 Crustal velocity model

基于新疆区域地震台网产出的观测报告, 采用Long等(2015)发展的多阶段定位方法对本次伽师6.4级地震序列中被4个以上台站记录到的地震进行重新定位。 该方法将现有的绝对和相对定位方法相结合, 通过修正数据和速度模型以及不同阶段的反复迭代, 可有效地减小定位误差并获得较为理想的定位结果。 具体定位过程包含如下步骤: 1)基于震源区附近的初始速度模型, 利用HYPOINVERSE2000(Klein, 1989)对伽师6.4级地震序列进行初步定位; 2)挑选其中具有6个以上的台站记录且最大方位角间隙< 120° 的事件, 采用VELEST方法①(①Kissling E, Kradolfer U, Maurer H, 1995, VELEST user’ s guide short introduction , Technical Report Institute of Geophysics, Institute of Geophysics, ETH Zurich 。) (Kissling, 1988; Kissling et al., 1994)反演震源区最小一维速度模型和台站校正结果; 3)将反演得到的速度模型和台站校正结果代入HYPOINVERSE2000进行重新定位, 并检测定位精度是否得到改善; 4)最后采用Hypodd方法(Waldhauser et al., 2000)对校正后的震源位置进行相对定位, 获得地震之间的高精度相对位置。

2 地震矩心深度与序列震源机制解

基于表1给出的震源区附近的速度模型, 采用CAP方法中P波初动和波形拟合联合反演的算法, 按照台站的分布情况, 使用震中距≤ 570km范围内11个台站的波形资料和震中距≤ 170km范围内11个清晰的直达波初动信息计算6.4级主震的震源机制。 Pnl部分的滤波参数选为0.06~0.15Hz, 面波部分的滤波参数选为0.05~0.1Hz, 这样的频率范围既可以滤掉长周期地脉动和由速度积分到位移造成的长周期漂移, 也可有效避免介质结构所带来的影响, 既可得到恰当的标量地震矩, 也能较充分地反映地震波携带的震源信息(吕坚等, 2013)。 根据Pnl波和面波的波形特点, 设置两者的相对权重为2︰1, 这样可较好地兼顾Pnl波和面波的优点(吕坚等, 2008; 韩立波等, 2012; 曲均浩等, 2015; 张致伟等, 2015)。 设6.4级地震的破裂时间为6s, 计算6~18km间13个震源深度下各台站的格林函数, 在参数全空间范围内搜索最佳震源机制解、 震源深度和矩震级结果。

表2 伽师6.4级地震震源机制解结果对比 Table 2 The focal mechanism of the MS6.4 Jiashi earthquake

图 2 和图 3 分别给出了6.4级主震观测波形与理论波形的拟合图与拟合误差随深度的分布, 可见震源深度为10km时拟合误差最小, 据此得到此次地震震源深度为10km, 此时对应的双力偶即为最佳双力偶解。 其中, 节面Ⅰ 的走向、 倾角和滑动角为190° 、 32° 和31° ; 节面Ⅱ 的走向、 倾角和滑动角为74° 、 73° 和118° 。 矩震级MW5.93, P轴方位141° 。 上述6.4级主震的震源机制解与Global CMT及中国地震台网中心给出的结果较为接近, 而与USGS结果有一定的差别。 此外, 本文得到的震源深度为10km, 与其他几家机构给出的震源深度相比略浅, 但与Global CMT的震源深度较为接近。

图 2 2020年1月19日伽师6.4级地震矩张量反演的理论地震波形(红色)与实际观测地震波形(黑色)
PV和PR为Pnl的垂向和径向分量, Surf V、 Surf R和SH分别为面波的垂向、 径向和切向分量。 波形图下方第1行数字为各段理论地震波形相对实际观测波形的移动时间(单位: s), 正值表示理论观测波形相对观测波形超前; 第2行数字为理论波形与观测波形的相关系数; 波形图左侧字母为台站代码, 其下数字分别为台站的震中距(单位: km)以及理论地震图相对实际观测数据整体的移动时间(单位: s); 震源球上的黑色区域代表压缩区, 白色区域代表拉张区; 震源球采用下半球投影Fig. 2 Comparison between synthetic(red)and observed(black)seismograms of the January 19, 2020 MS6.4 Jiashi event.

图 3 2020年1月19日伽师6.4级地震矩张量反演中波形拟合误差随深度的变化Fig. 3 Waveform misfit variation with depth of the MS6.4 Jiashi earthquake on January 19, 2020.

6.4级主震前45h, 在主震几乎同一位置曾发生5.4级前震。 5.4级前震为走滑型地震(图 4), 与6.4级主震的破裂类型有较大差异。 前震和主震破裂类型的差异在一定程度上反映了此次6.4级地震序列成因上的复杂性。 6.4级地震发生后, 震源区附近发生多次中等以上地震, 利用CAP方法计算了序列中17次MS≥ 3.6余震的震源机制解(表3, 图 5)。 这些地震的震源机制大多为逆冲型, 仅有2次为走滑型、 1次为正断型。 余震序列的P轴优势方位以NW向为主, 与6.4级主震基本一致, 也与震源区附近NW向的区域应力场特征(李金等, 2015)相符。 绝大多数余震的逆冲性质与其附近呈EW向展布的柯坪塔格褶皱-逆断裂带由北向南逆冲的特性具有一定的匹配度, 该推覆构造在皮羌断裂西侧的滑脱面深度为8~10km(曲国胜等, 2003), CAP方法计算得到的序列震源深度集中在10~12km, 两者大体相当或略深于柯坪塔格褶皱带的滑脱面深度。

图 4 伽师6.4级地震主震、 前震及部分MS≥ 3.6地震的震源机制解平面图Fig. 4 The focal mechanism of the MS6.4 Jiashi main shock, foreshock and some MS≥ 3.6 aftershocks.

表3 伽师6.4级地震主震、 前震及部分MS≥ 3.6地震的震源机制解 Table 3 List of focal mechanisms of the MS6.4 Jiashi main shock, foreshock and some MS≥ 3.6 aftershocks

图 5 重新定位后伽师MS6.4地震序列的震中分布(2020年1月18日— 8月10日, ML≥ 1.5)Fig. 5 Distributions of the seismic epicenter after precise relocation of the MS6.4 Jiashi earthquake sequence.

关于伽师震区附近基底面及其下部断裂的研究, 段永红等(2002)根据人工地震探测剖面得到的柯坪断裂附近的基底深度为8~10km, 并认为伽师震区基底之下存在隐伏断裂; 而张先康等(2002)和刘志等(2003)认为基底的隆起与坳陷之间大多受断裂构造带的控制, 据此推断伽师附近下方15~45km的深度存在一条深部断裂, 杨卓欣等(2006)认为这是一条高倾角的深部断层, 具有走滑性质, 且该断层与伽师震群的发生密切相关, 可能为1997年伽师强震群的发震构造。 此外, 徐朝繁等(2006)根据高分辨折射剖面的研究结果, 分析认为伽师震区上地壳存在3条断裂, 分别对应麦盖提断裂和下苏洪-麦盖提断裂带东、 西2个分支, 通过对反射时间剖面进行反射波组对比追踪的结果也支持存在上述断裂(杨卓欣等, 2006)。 而下苏洪-麦盖提断裂带西侧分支正好位于伽师强震群发震构造的正上方, 前者可能为后者活动的产物(杨卓欣等, 2006)。 但上述研究结果均认为下苏洪-麦盖提断裂带的深度为4~8km, 即未发现这条隐伏断裂穿过基底和延伸至地表的地壳结构特征(徐朝繁等, 2006, 2007; 杨卓欣等, 2006)。 根据以上针对伽师震源区附近地壳结构、 基底深度及基底面以下断裂的研究成果, 并与本文利用CAP方法计算得到的序列震源深度分布进行对比, 推测本次6.4级地震可能由柯坪塔格褶皱带滑脱面附近基底断裂的活动所致。

3 序列重新定位结果

为确保震相数据的可靠性, 我们对2020年1月18日— 8月10日的震相观测报告数据进行筛选, 从中挑选出符合要求的地震事件(参与定位的台站数量≥ 4个, ML≥ 1.5), 共选取9 925条地震震相资料。 在此基础上, 采用Long等(2015)发展的多阶段定位方法进行地震重定位, 要求震相数量≥ 6个(符合此条件的地震个数为949)。 重新定位后的序列震中分布如图 5 所示, 5.4级前震和6.4级主震的震源深度分别为17.1km和12.1km, 均略深于此前得到的CAP深度。 其原因可能是基于到时类方法(如此处采用的HYPOINVERSE2000和Hypodd方法)反演得到的深度结果通常为起始破裂深度(Spence, 1980; Waldhauser et al., 2000), 而基于波形的反演方法(如CAP方法)得到的深度为地震质心深度(Zhao et al., 1994), 不同方法得到的深度本身会存在一定的差异。 在后续对发震构造的分析中将以反映破裂起始点深度的重新定位深度为准进行讨论。

为了进一步分析伽师6.4级地震的发震构造及与震源区断裂可能的空间位置关系, 根据重新定位后的优势震中分布作截面AA'、 BB'、 CC'、 DD'和aa'(图 5)。 其中, 截面AA'包含了余震区所有地震数据, 截面BB'、 CC'、 DD'的剖面宽度均为8km。 aa'截面为横穿伽师6.4级主震, 垂直于BB'的截面, 所选数据为图 5 红色方框中6.4级主震后的地震事件。

从重新定位后的6.4级地震序列震中分布图(图 5)来看, 余震分布有2个优势方向, 分别用AA'、 BB'节面的方位表示。 其中大部分余震呈EW向分布(与AA'节面平行), 沿柯坪塔格推覆构造走向平行展布, 长约45km, 表明这些密集的余震活动可能与该构造带存在内在联系。 但6.4级主震与近EW向的余震密集区域之间存在一定的空间距离, 这种现象与大多数6级以上逆冲型地震及其后续余震的空间分布特征(吕坚等, 2013; 李金等, 2016; 易桂喜等, 2019)有较大差异, 可能意味着主震与后续余震活动分别处于不同的断裂带上(王未来等, 2014)。 这种序列的余震分布呈多个优势展布方向的现象也曾在2003年新疆巴楚6.8级地震和2014年云南鲁甸6.5级地震中发现(黄媛等, 2006; 赵翠萍等, 2008; 房立华等, 2014; 王未来等, 2014), 这些地震的孕育、 发生过程及后续序列的发展往往具有一定的复杂性。 5.4级前震和6.4级主震的空间位置非常接近, 但其SN向破裂面的破裂特征也存在较大差异, 进一步表明伽师6.4级地震序列并非由单一断裂的活动引起, 而是可能由震源区附近相互交错的几条断裂同时活动所致。

由AA'剖面可以看出(图 6a), 余震活动主要集中在0~15km深度范围内, 大多数ML< 3.0的小地震主要集中在0~10km范围内, 还有部分地震(包括6.4级主震及5.4级前震)分布在深度10km以浅的范围内。 柯坪塔格推覆系统基底滑脱面的深度在10km以内(杨晓平等, 2006), 表明深度< 10km的地震与柯坪塔格推覆构造具有密切关系, 可能反映了柯坪塔格推覆构造的活动。 AA'节面反映的震源深度分布呈现出一定特征, 震源深度由东向西(图 6a中A'— A)有逐渐加深的趋势, 这与柯坪塔格推覆系统的基本特征相符。 柯坪塔格弧形推覆系统的5个逆冲断裂在深部均归并于统一的寒武系底部滑脱面, 在近普昌断裂段附近滑脱面的埋深较浅(约6km), 与近巴楚隆起有关; 向W滑脱面的埋深变大, 并出现多组滑脱面。 整个柯坪塔格推覆系统有向W倾伏、 向E抬升的特点(曲国胜等, 2003)。 此外, 穿过伽师强震群的深地震反射剖面提供了研究区从地表直至莫霍界面的地壳精细结构, 地壳范围内由浅至深可见4套反射层系, 各反射界面由NE向SW倾斜, 随着深度的加深, 倾斜程度逐渐加大(杨卓欣等, 2006)。 由伽师附近的S波二维速度结构图可知, 基底之下的速度等值线(10~20km深度)在伽师震源区附近也均呈现出由NE向SW逐渐加深的趋势(张先康等, 2002; 赵金仁等, 2002; 刘志等, 2003)。 大部分余震的震源深度在10km附近及以浅, 可能反映了柯坪塔格推覆系统滑脱面(或称基底)上的地震活动。 由垂直余震区优势分布方向的CC'和DD'剖面(图 6d, 6e)可以看出, 余震大多分布在10km以浅。 CC'深度剖面(图 6d)显示, 发震断层的产状近直立, 深度为2~12km; DD'剖面呈团状分布, 具有多条断裂参与活动的地震分布特征(Long et al., 2019; 易桂喜等, 2019)。

图 6 伽师MS6.4地震序列的优势方向截面特征Fig. 6 Cross-section characteristics along the predominant direction of the MS6.4 Jiashi earthquake sequence.

截面BB'呈近SN向带状展布, 方位约为175° , 与AA'的走向近正交, 余震沿BB'的展布范围长约20km(图 6b)。 由BB'剖面可以看出震源深度主要分布在2~15km范围内。 由横穿6.4级主震的aa'剖面可以看出, 其余震在垂向上近直立分布, 似乎表明沿BB'向存在1条断裂, 5.4级前震及6.4级主震均位于这一余震优势分布区域。 由5.4级前震的震源机制解结果(表3, 图 4)可知该地震为走滑型破裂, 节面Ⅱ 的走向与BB'节面地震分布的优势方向基本一致, 推断其可能为5.4级前震的破裂方向。 节面Ⅱ 的倾角为83° , 近直立(略微W倾), 与aa'剖面显示出的余震垂向分布吻合。 由上述信息推断存在一条走向近SN、 近直立的隐伏断裂(图 7 中的L0)。 L0的基本信息可能为: 走向NNW(约为175° ), 断层面基本直立, 根据5.4级前震和6.4级主震的震源机制及P轴的方位信息初步推断, 该断裂具有左旋特征, 其深度可达15km以深, 与近EW向展布的柯坪塔格褶皱-逆断裂带垂直相交。 L0断层的位置与此前研究提到的下苏洪-麦盖提断裂带(图 7)的东支(徐朝繁等, 2006, 2007; 杨卓欣等, 2006)接近, 但下苏洪-麦盖提断裂带并未穿过基底, 深度为4~8km(徐朝繁等, 2006), 且其东支发育在39.7° N以南。 此外, 周仕勇等(2001)利用主地震法对1997— 1998年伽师震群中MS≥ 3.0的事件进行震源定位后, 推断在伽师震源区可能存在一条NNW向的发震构造, 认为其可能为1997— 1998年伽师震群的发震构造; 利用联合反演技术得到1997— 1998年伽师强震群地震的震源位置和地震区地壳三维速度结构的相关结果也认为在这一地区存在2个深断裂带, 走向分别为NNE和NNW, 并认为这2条断裂带是伽师强震群的发震断层(李松林等, 2002; 张先康等, 2002)。 结合震源深度特征及此前学者的相关研究结果可知, 5.4级前震的发震构造L0位于1997— 1998年伽师震群NNW向发震构造的东侧(图 7), 走向基本一致, 也是高倾角的走滑型断裂, 据此推断L0可能为上述近SN向断裂体系的分支断裂。 根据此次6.4级地震余震定位结果推断, L0断裂在深部可能已向N发展并切穿柯坪塔格推覆构造, 特别是靠近盆地边缘的近EW向的F1断裂。

图 7 伽师6.4级地震的发震构造示意图及沿L0断裂方向的剖面示意图
F1柯坪塔格逆断裂; F2奥兹格尔他乌逆断裂; F3皮羌断裂; F4托克散阿塔能拜勒-阿布拉依布拉克断裂; F5乔喀塔格断裂; F6巴什托普断裂; F7伽师断裂; F8下苏洪-麦盖提断裂带(东、 西2支)示意图; L0推测断裂(伽师5.4级前震的发震构造)Fig. 7 Schematic diagram of the seismogenic structure of the MS6.4 Jiashi earthquake and the sectional schematic along L0 fracture direction.

6.4级主震与余震之间的几何关系较为复杂。 尽管6.4级主震震源机制的节面Ⅱ 走向为74° , 与近EW向的余震密集分布区域特征较为接近, 但由图 5 和图 7 可以看出, 伽师6.4级主震的地表投影位于近EW向余震集中区南侧, 且存在一定空间距离。 由于柯坪推覆构造断面的几何构造特征为N倾(图 7a)(曲国胜等, 2003), 且伽师6.4级主震震源机制的节面Ⅱ 具有一定的S倾特征, 若以近EW向的节面Ⅱ 为破裂面, 则主、 余震的空间位置关系、 节面Ⅱ 的产状等与震源区构造特征之间无法自洽。 考虑到5.4级前震与6.4级主震以及近EW向余震密集区域的空间位置关系, 推断节面Ⅰ 可能为伽师6.4级地震的发震断层面。 节面Ⅰ 的走向近SN, 与前震发震断层L0一致, 但倾角较为平缓(32° )且W倾, 与L0近直立的产状信息仍存在一定差异, 这显示了6.4级主震发震构造的复杂性。 根据6.4级主震与L0、 F1之间的空间位置关系、 节面Ⅰ 产状以及L0、 F1的几何特征推断, 6.4级主震可能发生在近SN向的L0断裂和近EW向的柯坪塔格推覆构造滑脱面附近。 根据以往研究可知, 该区域滑脱面较为平缓且具有东浅西深的几何特点, 与6.4级主震近SN向的节面Ⅰ 较为平缓且W倾的特征相吻合。 滑脱面由寒武系石膏层组成(杨晓平等, 2006), 具有强度较低、 易于滑动但难以产生脆性破裂的特征, 这可能是主震震源机制节面Ⅰ 的W倾特征未能在aa'剖面余震分布中得以体现的原因, 主震的直接余震只能在节面Ⅰ 相对陡立的部分发生。

由于绝大多数余震分布在L0断裂东侧且以逆冲为主, 同时如前文所述5.4级前震和6.4级主震具有左旋特征(图 4, 5), 判断L0及相关断层对余震分布具有一定的控制作用。 6.4级主震对L0东侧近EW向的逆冲推覆构造具有进一步的挤压增强作用, 导致其破裂滑动主要集中在L0断裂东侧, 即余震密集分布的区域。 6.4级主震近SN向的破裂导致L0东侧近EW向的柯坪塔格推覆构造, 尤其是距离主震较近的F1断层产生活动。 尽管余震的地表投影靠近F2断裂, 但根据已知的近EW向推覆构造体系断层的产状信息(图 7a), 余震可能发生在F1断裂深部。 但根据余震平面分布(图 5)及深度分布剖面CC'(图 6d), 考虑到深度定位以及以往研究对构造深度几何形态推测的不确定性, 也不能完全排除F2同时活动的可能。

4 结论与讨论

(1)本文利用CAP方法计算了伽师6.4级地震的震源机制, 得到的最佳双力偶机制解节面Ⅰ 的走向为190° 、 倾角为32° 、 滑动角为31° , 节面Ⅱ 的走向为74° 、 倾角为73° 、 滑动角为118° , 震源深度为10km。 伽师5.4级前震的震源机制解节面Ⅰ 的走向为83° 、 倾角为78° 、 滑动角为173° , 节面Ⅱ 的走向为174° 、 倾角为83° 、 滑动角为12° , 震源深度为13km。 5.4级前震和6.4级主震震源的空间位置非常接近, 但破裂类型有较大差异, 显示其发震构造的复杂性。 同时, 计算了序列中部分MS≥ 3.6余震的震源机制解, 发现其大多具有逆冲型破裂特征。

(2)重新定位后的序列呈现2个优势分布方向, 分别为近EW向和近SN向。 序列中大部分余震分布在EW向(图 5), 与柯坪塔格推覆构造的走向平行展布。 而5.4级前震和6.4级主震均位于近SN向的余震优势分布区附近, 与近EW向的余震分布有一定空间距离, 这一特征可能反映了主震与后续余震活动处于不同的断裂带上。

(3)结合5.4级前震的震中位置及近SN向的余震空间分布判断, 近SN向的节面为其发震断层面, 余震深度集中分布于2~15km。 发震断层L0的基本信息可能为: 走向NNW(约175° ), 断层面近直立, 断裂深度约为15km。 L0断裂在空间上位于1997— 1998年伽师震群NNW向发震构造的东部(图 7), 两者走向基本一致, 均为高倾角的走滑型断裂, 推断其可能为上述断裂体系的分支断裂。 L0断裂与近EW向展布的柯坪塔格褶皱-逆断裂带大体上垂直相交, 并在深处可能已向N发展并切穿柯坪塔格褶皱-逆断裂带。

(4)根据6.4级主震与余震密集区域的空间位置关系以及震源区断裂的产状特征推测, 6.4级主震可能发生在近SN向的L0断裂和近EW向的柯坪塔格推覆构造滑脱面附近, 近SN向的缓倾角节面可能为主破裂面。 该区域滑脱面较为平缓且东浅西深, 与6.4级主震近SN向节面Ⅰ 的较为平缓且W倾的特征吻合。 伽师6.4级地震引起柯坪塔格推覆构造的同时活动, 导致产生与6.4级主震有一定距离的、 近EW向密集分布的余震。

(5)根据绝大多数余震分布在L0断裂东侧、 以逆冲为主, 及前述5.4级前震和6.4级主震的左旋特征(图 4, 5)判断, L0及相关断层对余震的分布可能具有一定的控制作用, 具有左旋特征的6.4级主震对其东侧近EW向逆冲推覆构造具有进一步的挤压增强作用, 这可能是余震密集区域主要位于L0断裂东侧的主要原因。

(6)目前仍有许多问题尚未得到很好的解释, 例如5.4级前震和6.4级主震破裂类型差异的原因, 6.4级主震近SN向缓倾角的破裂面与近直立的L0断裂之间的关系, 此次伽师6.4级地震与1997— 1998年伽师强震群之间的关系等。 上述问题仍需更多的观测资料及更深入的研究才可得到确切的答案。

致谢 四川省地震局龙锋高级工程师对多阶段定位方法进行了指导; 审稿专家提出了重要修改意见; 文中部分图件采用GMT绘制。 在此一并表示感谢!

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