金 花，李越帥，曹昌軍，閆新義

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

新疆南天山主要分為東西兩段，庫爾勒以東至阿克蘇為東段，烏什至阿圖什一帶為西段，本文中主要以南天山西段為研究對象，此區(qū)域的地震活動強(qiáng)度大、頻度高，地震主要沿逆沖斷裂發(fā)生，地震活動主要發(fā)生在普昌斷裂、柯坪斷裂、喀拉鐵克斷裂、奧依布拉克斷裂和邁丹—沙依拉姆斷裂上[1]。自21世紀(jì)以來,研究區(qū)內(nèi)就發(fā)生過多次MS≥5.0、MS≥6.0地震，如2018年9月4日新疆喀什地區(qū)伽師縣MS5.5地震，2019年1月12日新疆疏附縣MS5.1地震，2020年1月19日伽師縣MS6.5地震等。構(gòu)造應(yīng)力場是地殼內(nèi)部一定范圍內(nèi)瞬時的應(yīng)力狀態(tài)，可造成地殼巖體構(gòu)造變形和構(gòu)造斷裂[2]。學(xué)者對構(gòu)造應(yīng)力場的變化現(xiàn)象做了許多研究，以新疆區(qū)域為例，李艷永等[3]計算了2010～2018年北天山地區(qū)地震的震源機(jī)制解，得出該地區(qū)應(yīng)力場中西部近NS向，東部近NNE向，主要受水平擠壓作用。高國英等[4]對1955～2003年伽師及周邊中強(qiáng)地震的應(yīng)力場進(jìn)行反演，得出該區(qū)域最大主壓應(yīng)力方向近NS向，并發(fā)現(xiàn)不同構(gòu)造下的主壓應(yīng)力方向存在較明顯差異。張志斌等[5]利用2009～2018年天山中段震源機(jī)制解，得出天山中段主要以逆沖型為主，最大主壓應(yīng)力場方向從西向東由NW向轉(zhuǎn)為NE向，呈扇形旋轉(zhuǎn)。通過計算2010～2020年南天山西段周邊MS≥3.0地震震源機(jī)制解，利用區(qū)域應(yīng)力張量阻尼反演法得出此區(qū)域的空間構(gòu)造應(yīng)力場變化特征，并根據(jù)震源機(jī)制解類型分析構(gòu)造應(yīng)力場，對后期探索新疆區(qū)域活動構(gòu)造具有重要理論意義。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

選取新疆南天山西段2010～2020年記錄的MS≥3.0地震事件235個(圖1)，其中MS3.0～3.4地震132個，MS≥3.5地震103個。計算震源機(jī)制解時均采用Crust2.0地殼模型，MS3.0～3.4地震由Focmec方法處理，MS≥3.5的地震由CAP方法反演震源機(jī)制解，最后再利用區(qū)域應(yīng)力張量阻尼反演方法獲取南天山西段的空間構(gòu)造應(yīng)力場變化特征,表1列出MS≥5.0 震源機(jī)制解參數(shù)以供參考。結(jié)合圖1，可看出南天山西段的地震主要集中在普昌斷裂、柯坪斷裂、喀拉鐵克斷裂、奧依布拉克斷裂和邁丹—沙依拉姆斷裂(圖2)。普昌斷裂又稱皮羌斷裂，它將柯坪推覆構(gòu)造分為東西兩段，斷裂走向為NNW向，傾角為80°，長度為125 km,呈壓扭性質(zhì)?？缕簲嗔盐挥诳缕和聘矘?gòu)造的前緣，是柯坪斷塊與塔里木盆地的分界，斷裂走向為NEE向，傾向NNW向，傾角為30°～80°，為左旋走滑性質(zhì)的逆沖斷裂?？F克大斷裂為NEE走向，傾向為NNW向，傾角為70°～80°，呈壓扭性質(zhì)。奧依布拉克斷裂為壓性斷裂，走向為NEE向，傾向為NW向，傾角為30°～50°。邁丹—沙依拉姆斷裂走向為NEE向，傾角為60°～80°，為左行走滑逆斷層[6-7]。

圖1 研究區(qū)域地震的震中分布圖

圖2 研究區(qū)域主要斷層分布圖

表1 南天山西段15次MS≥5.0地震的震源機(jī)制解

FOCMEC方法主要是利用3個初動(P、SV、SH)和3個振幅比(SV/P、SH/P、SV/SH)，通過對比理論計算與實際觀測得到的P波、SV波、SH波的初動符號和振幅比矛盾數(shù)最小的方式得到震源機(jī)制解，充分提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，能有效避免過度依賴臺站分布等缺點，在計算中小地震震源機(jī)制解時應(yīng)用效果良好[8-10]。

CAP(Cut-and-Paste)方法是聯(lián)合體波和面波反演，對二者分別賦予不同權(quán)重，允許它們在適當(dāng)時間變化范圍內(nèi)相對移動，搜索出理論地震波形與真實波形差異最小的震源機(jī)制解[11-12]。該方法優(yōu)勢在于能夠減少由于速度模型及震中位置定位不準(zhǔn)造成的誤差，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[13-15]。

Michael[16]提出最佳擬合單個應(yīng)力張量的測定，主要使用一組震源機(jī)制解的斷層參數(shù)與應(yīng)力張量參數(shù)。Hardebeck等[17]在此方法上引入了可調(diào)整阻尼參數(shù)，用來抑制相鄰單元之間的應(yīng)力模式突變，提出區(qū)域應(yīng)力張量阻尼反演方法。此法用線性反演方式來減少相鄰區(qū)的應(yīng)力差異，減小人為劃分區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場帶來的誤差，能夠更精準(zhǔn)的反映不同區(qū)域范圍內(nèi)的應(yīng)力場變化[18-20]。

反演應(yīng)力場時得到應(yīng)力形因子R值和3個最佳主應(yīng)力軸σ1，σ2，σ3的相關(guān)參數(shù)。其中，σ1，σ2，σ3分別表示最大主壓應(yīng)力、中間主壓應(yīng)力及最小主壓應(yīng)力，以拉張為正，它們的關(guān)系滿足σ1≤σ2≤σ3[21]。應(yīng)力形因子R值定義，

(1)

根據(jù)李天覺等[22]的不同形態(tài)的主應(yīng)力空間分布，紅色代表壓應(yīng)力狀態(tài)，藍(lán)色代表張應(yīng)力狀態(tài)(圖3)。當(dāng)R值趨于0或1兩個端點值時，不能夠分辨應(yīng)力狀態(tài)為壓縮還是拉張；當(dāng)R趨于0.5時，可以清楚分辨出3個應(yīng)力主軸方位：R<0.5時應(yīng)力狀態(tài)偏拉張性質(zhì)，R>0.5時應(yīng)力狀態(tài)偏壓縮性質(zhì)[23]。

圖3 主應(yīng)力空間分布圖

2 震源機(jī)制解反演

按震源機(jī)制解的分類標(biāo)準(zhǔn)[24]，對反演的結(jié)果進(jìn)行分析(表2)。預(yù)選取的新疆南天山西段279個地震事件，通過計算后，發(fā)現(xiàn)一些不滿足計算條件的地震事件，如最終計算結(jié)果中出現(xiàn)臺站最大張角大于180°，清晰初動的臺站個數(shù)不足5個等現(xiàn)象，這些均排除在外后，最后實際使用地震事件為235個。此外，為豐富地震事件，搜集Global CMT提供的2000年后的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)30個[25]，共同參與構(gòu)造應(yīng)力場的計算(圖4)。

圖4 新疆西南天山地區(qū)震源機(jī)制解分布圖

表2 震源機(jī)制解分類標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)果表明：①MS3.0～4.0地震中，具有一定走滑分量的逆斷型占51%，純正斷型占19%，走滑型地震占15%，純逆斷型占5%，帶一定走滑分量的正斷型占1%，無法確定型占9%。

②MS4.0～5.0地震中，帶一定走滑的逆斷型占45%,其次，走滑型占36%,純正斷型占8%,純逆斷型占7%，帶走滑分量的正斷型與無法確定型均占2%。③MS≥5.0地震，帶有一定走滑分量的逆斷型占48%，其次走滑型占28%，純逆斷型占10%，純正斷型占7%，無法確定型占7%。由分類結(jié)果可以看出近10年此區(qū)域的地震主要以逆沖斷層兼走滑斷層為主。

為獲取新疆南天山西段區(qū)域的應(yīng)力場變化情況，計算區(qū)域內(nèi)地震的P,T軸分布。由圖5和圖6可看出其應(yīng)力方向和傾角分布，主壓應(yīng)力P軸方位整體近于NNW向，傾角較小，主張應(yīng)力T軸方向整體近NWW向，可以看出，傾角偏大居多。本研究認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力場整體較為穩(wěn)定，其中一些中小地震發(fā)震模式弱，可能受到大斷層或交叉斷層的影響，導(dǎo)致方向偏轉(zhuǎn)，受力不均勻，從而使小區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生改變[26-29]。

圖5 研究區(qū)P軸(a)、T軸(b)方位角參數(shù)統(tǒng)計

圖6 研究區(qū)P軸(a)、T軸(b)傾角參數(shù)統(tǒng)計

3 應(yīng)力場反演結(jié)果

為進(jìn)一步計算新疆南天山西段區(qū)域更精細(xì)的應(yīng)力場空間變化特征，將震源機(jī)制資料劃分成1°×1°的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格內(nèi)震源機(jī)制解大于3個，在應(yīng)力場置信水平為95%的情況下進(jìn)行2 000 次重采樣。此外,合理的阻尼系數(shù)在反演中起到折中調(diào)節(jié)作用。由于雙力偶模型下計算的震源機(jī)制解有一個真斷層面和一個輔助面，反演時隨機(jī)選取兩節(jié)面中其中一組作為真實斷層面使用，以捕捉分區(qū)內(nèi)的應(yīng)力模式。在應(yīng)用區(qū)域應(yīng)力張量阻尼反演方法時，需設(shè)定合理的阻尼系數(shù)，當(dāng)阻尼系數(shù)偏小時，模型長度將變得復(fù)雜，數(shù)據(jù)方差在反演中占的相對權(quán)重就越大。當(dāng)阻尼系數(shù)變大時，模型長度則相對權(quán)重變大，通過數(shù)據(jù)方差與模型長度的均衡曲線選擇最佳阻尼系數(shù)，使兩者之間得到平衡，取曲線拐點處的值(圖7)，本文中最佳阻尼系數(shù)為0.8。

圖7 模型長度和數(shù)據(jù)方差之間的折中曲線

選取完最佳阻尼系數(shù)后，使用SATSI(spatial and temporal stress inversion)時空應(yīng)力反演程序進(jìn)行區(qū)域應(yīng)力場張量的反演，計算每個網(wǎng)格內(nèi)的最佳擬合構(gòu)造張量，得到研究區(qū)應(yīng)力場空間分布圖。由圖8可直觀地看出南天山西段背景應(yīng)力場的作用方式，阻尼應(yīng)力場與無阻尼應(yīng)力場相比，保留應(yīng)力場空間變化，也更為平滑。下文以阻尼應(yīng)力場計算結(jié)果進(jìn)行討論。由于區(qū)域構(gòu)造運動有較強(qiáng)的方向性，最大水平主應(yīng)力的方向呈現(xiàn)相應(yīng)的分布規(guī)律，與地質(zhì)構(gòu)造和現(xiàn)代地殼運動密切相關(guān)。

為精細(xì)化研究，將南天山西段以40°為分界線分為N1和N2，其中N1為40°以上區(qū)域，N2為40°以下區(qū)域(圖8a)。研究區(qū)北部N1區(qū)域，最大主壓應(yīng)力整體方向為近NW向，主壓應(yīng)力軸的仰角近水平呈擠壓狀態(tài)。主張應(yīng)力軸近NWW向，仰角近直立的偏多。區(qū)內(nèi)分布有普昌斷裂、柯坪斷裂、喀拉鐵克大斷裂、奧依布拉克斷裂、邁丹—沙依拉姆斷裂等(圖2)，這些斷裂附近都出現(xiàn)了較強(qiáng)的地震活動，對區(qū)域應(yīng)力場的方向變化起著重要作用。此結(jié)果與李方全、高國英等[30-31]計算結(jié)果相吻合，新疆西部部分地區(qū)主壓應(yīng)力方向為NW向，主要受印度板塊向北推擠的影響。研究區(qū)南部N2區(qū)域內(nèi)最大主壓應(yīng)力軸從左向右發(fā)生了明顯的不規(guī)則偏轉(zhuǎn)，由NW向轉(zhuǎn)至近NS向再轉(zhuǎn)至近EW向，仰角近水平偏多。N2區(qū)域內(nèi)有隱伏的NWW向巴楚隆起和由塔西南坳陷形成的NWW向的新元古代裂谷(圖2)，還有剛性的塔里木盆地及復(fù)雜的沙漠地形。引起此種旋轉(zhuǎn)變化初步推斷由于印度板塊向歐亞板塊俯沖擠壓時受到剛性塔里木盆地和復(fù)雜的沙漠地形作用，導(dǎo)致局部應(yīng)力場發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)[32-35]。主張應(yīng)力軸主要集中在NWW向和近EW向，仰角近水平偏多。

圖8 新疆南天山西段應(yīng)力場反演結(jié)果

從應(yīng)力形因子來看，反演結(jié)果顯示各分區(qū)基本靠近中間值0.5，沒有出現(xiàn)接近端點值0或1的現(xiàn)象，說明3個應(yīng)力主軸方位分辨較好。當(dāng)R趨于1時，最小主壓應(yīng)力和中間主應(yīng)力的張應(yīng)力形態(tài)一致，中間主應(yīng)力也體現(xiàn)出一定的拉張，為雙軸拉張性質(zhì)。R值趨于0時，最大主壓應(yīng)力與中間主應(yīng)力的壓應(yīng)力形態(tài)一致，為雙軸壓縮性質(zhì)[36]。由圖可看出研究區(qū)R值自北向南逐漸增大，中間主壓應(yīng)力由壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)張。

4 結(jié) 語

通過計算2010～2020年南天山西段震源機(jī)制解，運用區(qū)域阻尼構(gòu)造應(yīng)力場方法分析該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的分區(qū)特征及總體特征，得出以下結(jié)論：

(1)新疆南天山西段震源機(jī)制類型主要以逆斷型和走滑型為主，地震活動主要集中發(fā)生在普昌斷裂、柯坪斷裂、喀拉鐵克大斷裂、奧依布拉克斷裂、邁丹—沙依拉姆斷裂附近。南天山西段北邊和南邊應(yīng)力場方向變化存在顯著差異，北邊區(qū)域N1最大主壓應(yīng)力整體方向為近NW向，主壓應(yīng)力軸的仰角近水平呈擠壓狀態(tài)。主張應(yīng)力軸近NWW向，仰角近直立的偏多。南邊區(qū)域N2最大主壓應(yīng)力軸從西向東發(fā)生了明顯的不規(guī)則偏轉(zhuǎn)，由NW向轉(zhuǎn)至近NS向再轉(zhuǎn)至近EW向，仰角近水平偏多。主張應(yīng)力軸主要集中在NWW向和近EW向，仰角近水平偏多。

(2)計算結(jié)果顯示，新疆西南天山地區(qū)整體北邊呈現(xiàn)出相對統(tǒng)一的區(qū)域應(yīng)力場，而南邊最大水平主壓應(yīng)力隨著經(jīng)度增大區(qū)域應(yīng)力軸方向呈多樣性，初步推斷由于印度板塊向歐亞板塊俯沖擠壓時受到了剛性塔里木塊體和沙漠地形的影響。從應(yīng)力形因子來看，南天山西段整體應(yīng)力形因子從北向南由小到大，中間主壓應(yīng)力由壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)張。

(3)由于南天山西段部分區(qū)域臺站較為稀疏，分布不好，部分網(wǎng)格僅僅有1、2個震源機(jī)制，在相鄰網(wǎng)格的約束下，結(jié)果的可靠性較差，因此沒有采用。未來隨著高質(zhì)量臺站的架設(shè)，臺站密度變大，數(shù)據(jù)質(zhì)量有更好的提升，可以進(jìn)一步對區(qū)域應(yīng)力場進(jìn)行深入研究。