2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
2. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
帕米尔东北侧是天山褶皱带、西昆仑造山带和塔里木块体3个地质构造单元的交接带,在印度板块和欧亚板块的碰撞和持续汇聚作用下,作为中国大陆受印度板块动力作用最强烈的地区之一,帕米尔的陆内俯冲和变形作用非常强烈[1-2].地质学及地球物理观测数据表明欧亚大陆岩石圈深部向帕米尔俯冲至少有200km,使帕米尔的地壳比正常的地壳增厚了大约2倍[3-4].帕米尔构造带则沿其前缘的帕米尔北缘推覆构造带向北仰冲到欧亚大陆的稳定地块之上,南天山也因受到来自印度板块和欧亚板块碰撞的影响,向南仰冲到稳定的塔里木板块北缘之上,该地区现今的缩短速率达到19~20 mm/a[5-6],几乎占去印度板块向北推移速率的一半[1].印度板块由南向北强烈的推挤,在位于印度板块向欧亚板块推挤前缘的帕米尔东北缘,形成了一系列壮观的向北凸出的弧型推覆构造,这些弧型推覆构造在东西两侧由正向逆冲渐变为斜冲-走滑大断裂,显示出东侧右旋、西侧左旋的断层活动特征.弧型推覆构造的东侧、NW 走向的逆断层与斜切天山NW 向的塔拉斯-费尔干那深大右旋走滑逆冲断裂带、NW 向的西昆仑北缘走滑断裂构造在新疆乌恰地区交汇,这里发生的1985年乌恰7.3级强震破裂机制复杂,显示出上述几条断裂的影响[7].
上述向北凸出的帕米尔北缘弧形推覆构造带,由艾卡尔特弧形活动褶皱-逆断裂带(简称艾卡尔特弧)与卡兹克阿尔特弧形活动褶皱-逆断裂带(简称卡兹克阿尔特弧)南、北两条巨型边缘弧形构造带及其间的推覆构造构成.频繁发生的中强地震沿这两个活动褶皱-逆断裂带形成了南北两条极为显着的深、浅源地震带(图 1).其中卡兹克阿尔特弧形活动褶皱-逆断裂带自西向南东由近东西走向的卡巴加特弧和NW 走向的乌帕尔两个次级弧型构造构成,是6 级以上地震频繁发生的场所.2008 年10 月5日新疆乌恰MS6.8 地震(图 1 中5 号地震)位于卡兹克阿尔特断裂的中西段,在1974年8月11日乌恰西南MS7.4 地震(图 1 中1 号地震)以东20km左右,其主要余震沿该断裂呈北北东向分布.而1985年乌恰MS7.3强震(图 1中3号地震)则发生在断裂东端的NW 走向的乌帕尔弧,这里还发生了1983年2月13日MS6.7地震(图 1中2号地震)、1990年4月17日疏附MS6.4地震(图 1中4号地震).
独特的构造环境使得帕米尔东北缘成为地球动力学研究的典型地区[2, 7, 8-16].然而,前人对研究区域或其附近开展的应力场研究,都是基于Harvard大学的矩张量解[17]或者利用初动解[18],前者只有1970年以来4.8级以上地震,后者的质量受观测条件的局限.本文利用“十五”以来新建的新疆区域台网中宽频带台站记录的三分量地震波形数据,在时间域反演了乌恰MS6.8 地震震源区及其附近区域2006年以来的52次MS3.7 以上地震的矩张量解.在结合Harvard大学的矩张量解基础上,研究了帕米尔东北缘这个典型构造区域近年来的震源机制类型及局部应力场特征.
2 研究方法获取地震的震源机制解是认识地震发震断层及破裂特征的主要手段.地震的震源应力场携带着区域构造应力场及构造运动的信息,因此震源机制解还为构造应力场的研究提供了基础数据.由于中等地震的能量相对较小,通常难以利用远场波形反演地震矩张量解.利用P 波初动求震源机制解,当近场没有足够的台站分布时,观测所能提供的初动资料数量以及这些初动点在震源球上分布的均匀程度对结果有相当大的影响,因此获得的机制解常常可靠性较差.随着新建的“十五”国家和区域数字地震台网的运行,利用区域震源宽频带记录进行中小地震的震源参数的研究,成为近年来一个活跃的研究领域[19-21].许多研究表明,由于区域长周期地震波对速度结构的横向变化及密度的非均匀性相对不敏感,如果震源位置比较准确,地震满足震源的同步假设,波形信噪比高,则用区域范围稀疏台站记录的三分量长周期波形就足以反演得到稳定的矩张量解.另外,由P 波初动得到的机制解仅仅是初始破裂面,由波形反演结果得到的则是整个破裂过程的信息,由于初始破裂方向并不一定与地震的断层错动完全一致,因此矩张量解得到的震源机制结果相对更加完整和可靠[22-26].
本文使用了Dreger等[22]提出的利用区域范围长周期体波三分量波形在时间域反演地震矩张量解的程序,方法原理详见文献[26].该方法目前在南加州台网及全球多个国家台网中运行以提供近实时地震矩张量解,在我国伽师及汶川地震序列研究中也得到了应用[26-27].理论地震图的正演计算使用经Saikia[28]改进的离散波数积分方法.当使用长周期波形资料时,地震满足震源为点源的假设,震源时间函数直接取δ 函数.每个参加反演的台站可以分别使用不同的地壳速度、密度等.由于部分宽频带台站仪器的自身低频噪音较为显着,长周期滤波后观测波形受到影响,本文使用三分量速度波形进行反演.
具体反演过程是:首先对观测波形进行去均值、去倾校正,反褶积仪器传递函数,将记录变为实际速度值(m/s),再旋转到Z、R、T分量.然后对观测资料使用Butterworth带通滤波器滤波到需要的长周期频段,以剔除较低频和较高频噪声而不破坏用于矩张量反演的信息.对计算的Green函数也滤波到与观测数据同样的频率范围.最后采用迭代拟合相关系数的方法对观测波形和理论波形进行拟合.
对于乌恰MS6.8主震,由于该方法对于6级地震要求区域范围的台站在0.01~0.05Hz幅频响应平坦,能满足条件的仅有喀什台,所以本研究采用传统的P波初动方法求解该地震的震源机制解.
本文进一步采用了Gephart和Forsyth[29-30]提出的一种被广泛使用的确定应力场的反演程序FMSI,对研究区域的应力场主轴方向和倾角进行了反演.该方法假设断层面上的剪切应力方向与断层的滑动方向一致,然后利用网格搜索方法寻找一组地震的最佳拟合应力张量.每个地震的残差定义为使两个节面上的滑动角与应力模型预测的滑动角一致的最小旋转角.平均残差表示研究区域内的应力张量的非均匀程度,平均残差小于6°代表研究区域较均匀的应力条件,而大于9°代表应力场有较高的非均匀性[31-32].
3 数据及处理2003年以来,“十五”新疆区域数字地震台网在帕米尔东北缘附近的宽频带数字地震台站有喀什(KSH)、乌恰(WUQ)、阿图什(ATS)、八盘水磨(BPM)、英吉沙(YJS)、叶城(YCH)、塔什库尔干(TAG).本文利用上述7个台站记录的宽频带三分量地震波形数据的长周期波形,反演2006-2010年期间,除2008年10月5日MS6.8地震外的MS3.7以上地震的矩张量解.
近年来,随着我国区域台网仪器布设数量剧增,数字地震观测数据大量产出,应用这些数字地震资料的研究得到了快速发展,也对地震数据的高质量产出提出了要求.Niu等[33]通过对宽频带仪器远场直达P 波三分量的极性分析,检测了全国宽频带地震台在运行期间可能出现的仪器方位角以及初至波极性倒转等问题,该研究结果显示,本研究使用的7个台站未出现极性反转现象,其中的阿图什、喀什、塔什库尔干3个台地震计“BHN ”方向与地理北极方位角偏差分别为10°、11°、-10°,略大于认为可以接受的8°偏差.因此,在进行波形反演前,我们进行了方位角偏差校正实验,发现经过校正后的波形得到的矩张量反演结果与校正前得到的结果差异很小,可以忽略其方位角偏差造成的影响.
反演地震矩张量的重要步骤之一是计算格林函数,其计算结果在很大程度上影响反演结果的可靠性,因此速度模型的建立是一件非常基础而关键的工作.本文计算理论地震图使用了Crust2.0的2°×2°分层的速度和密度结构模型,Crust2.0 模型是一个被广泛使用的模型,分辨率2°×2°.作者将该模型与研究区已有的速度结构进行了对比,差别不大.同时由于反演方法使用区域范围长周期的波形数据,反演结果对结构的依赖性不强.研究中根据各个台站的位置,最终使用了3种速度模型:乌恰(WUQ)、喀什(KSH)、阿图什(ATS)使用一种速度模型,英吉沙(YJS)、八盘水磨(BPM)使用一种速度模型,叶城(YCH)、塔什库尔干(TAG)使用一种速度模型.
本研究中,受区域台网仪器观测频带的限制,未能反演2008年10月5日MS6.8地震的矩张量解.但我们自IRIS台网的台站及新疆区域台网中,仔细读取了具有清晰初动的133个台站的P 波初动,弥补了新疆台网均分布于震源东侧的缺陷,采用初动方法确定了其机制解.台站分布情况如图 2所示.
图 3a为利用133 个初动数据得到的乌恰6.8级地震的震源机制解.Harvard大学在震后即给出了2008年10 月5 日MS6.8 地震的矩心矩张量解(图 3b).由图 3 可见,哈佛的解存在一定的走滑分量,两个结果断层走向和震源应力场的P、T轴一致,均表明此次地震是逆断层性质的地震.在南倾的节面附近出现了矛盾符号的台站,其中的一个节面与余震分布及发震位置所处的断层几何参数一致,表明是卡兹克阿尔特断裂带中西段发生破裂的结果.根据6.8 级地震后的余震分布情况,判断走向75°、倾角70°、滑动角90°的节面为此次地震的发震断层面.
研究中得到2006年以来乌恰6.8级地震余震序列及其周缘共52 次地震的矩张量解,在52 次地震中,多数解是由2 个以上台站记录的三分量速度波形数据反演得到,理论地震图与观测地震图的相关系数大于0.7的有46个,占86.8%;附表 1给出了最佳双力偶分解得到的双力偶机制解,图 4 给出了三次地震的矩张量解及使用台站的三分量波形拟合情况.全球很多研究机构对地震矩张量进行反演研究,其中哈佛大学在此方面被公认为最权威的研究机构,他们对全球绝大部分Mw>4.8地震矩张量作了反演.为了进一步分析本文矩张量反演结果的可靠性,本文选取哈佛大学在该地区和时间段内也做出结果的8个地震进行了对比(图 5),图 5 中仅绘制了矩张量反演得到的最佳双力偶分解得到的双力偶机制解的两个截面和P、T轴,结果显示本文的计算结果和哈佛大学的结果较为一致,尤其是断层走向和震源应力场的P、T轴.
本研究计算的53次地震中,有31次地震为乌恰6.8 级地震的余震,图 6 中给出了包括乌恰6.8级地震在内的53次地震震中分布及双力偶震源机制解的下半球投影,由图 6可见,这些余震基本沿卡兹克阿尔特断裂的中西段向西展布.余震序列震源机制解结果显示出以与主震一致的逆冲型为主,伴有走滑破裂类型.
由图 6可见,本文研究的地震在空间上分为三丛,北面的2丛沿卡兹克阿尔特弧分布,分别位于卡兹克阿尔特断裂的中西段(卡巴加特逆断裂带)及东段前缘的乌帕尔弧段,前者是此次6.8 级地震余震区,后者是1985年乌恰7.3级地震的震源区;南边的一丛位于中帕米尔中深源地震带的东段.我们将Harvard大学给出的1976-2008年MS≥5.0以上49个地震的矩张量震源机制解一起进行统计分析,发现2008年10月5日乌恰6.8级地震震源附近的地震大都是逆冲和走滑性质,45 个机制解中,逆断层占60%,走滑占36% ;1985年乌恰7.3级地震震源区的地震逆断类型比走滑类型稍多,30个地震中逆断层占57%,走滑占40%;而南部的地震以走滑为主,22 个深震中走滑地震占54.5%,逆断、正断层各占约23%.由附表 1 可见,西区断层节面的倾角优势分布于30°~60°之间,而东区的则更加直立,优势分布于60°~90°之间,显示出沿卡兹克阿尔特弧形断裂中西部到东端部,断面倾角逐渐增大且趋于直立的特征,与地质考察结果基本一致[7].
我们把每个地震的P、T、M轴用线段绘于图 7,线段的方向代表方位角,线段的长短表示倾角,越短表示越直立,越长表示越水平.显然,研究区三丛地震的P、T、M轴分布也显示出显着的空间分区特征.西区地震的P轴走向NNW,倾角接近水平,M轴较缓,T轴方向NNE,多数地震的倾角较陡;东区的地震以走滑为主,P轴走向NNE,倾角较缓,M轴倾角较陡,走向NNW,T轴走向近EW,倾角较缓;南区地震的P轴走向NNW,倾角较缓,T轴走向NNE,倾角接近水平.
根据上述分区特征,我们利用FMSI方法计算了各区的应力场主轴方向(表 2、图 8).从三个区的应力场反演结果(表 2)可以看出,三个研究区的应力场存在差异,西区与南区的最大主压应力方向基本一致(N30°W 左右),但南区的最大主压应力轴存在31°的倾角,而西区最大主压应力轴基本水平,东区的最大主压应力方向为N25°E,最大主压应力轴与最大主张应力轴都具有22°的倾角.可见西区水平挤压作用最为明显,东区水平挤压和拉张作用基本相当,而南区的水平拉张作用强于挤压作用.
本文研究的西区位于卡兹克阿尔特弧形活动褶皱-逆断裂带的中东部,是印度板块向欧亚板块推挤的前缘及向北凸出的弧型构造的中间部位,这里断层走向近东西向;而东区位于卡兹克阿尔特弧形构造向东的转弯处,这里断层方向由其西部的近东西向转为NW 向.东、西区地震的震源深度大多在30km 以内.根据矩张量反演结果,东、西区均有近60%的地震为逆断层,近40% 的地震为走滑性质,基本没有正断层地震.西区最大主压应力轴N36°W,基本水平;东区N25°E,倾角22°.可见在帕米尔北缘卡兹克阿尔特弧形活动褶皱-逆断裂带的中、东部,以逆冲推覆活动为主,并有部分走滑类型的地震,基本不存在正断层类型的地震;在帕米尔东北缘的卡兹克阿尔特弧型构造东、西两侧,局部应力场最大主压应力方向分别为NNE、NW 方向.研究区的东区处于西昆仑造山带、天山褶皱带以及塔里木块体的交汇部位,构造位置特殊,是帕米尔东北缘弧形断裂带与塔拉斯-费尔干那深大断裂、西昆仑断裂带的交界处,我们推断,该区域在承受印度板块向欧亚板块的俯冲作用的同时,也更多地受到了塔里木块体的顺时针旋转作用的影响.
楼小挺等[4]对整个兴都库什-帕米尔中深源地震带开展了研究,本文的南区位于该研究中定义为P带PNE 段的东侧,地震深度达150km 左右,这里的地震分布为NE 向,且再往东,出现了弧形转向.根据本文结果,地震以走滑错动为主,20个深震中走滑地震占一半,逆断、正断层各占约1/4.应力场反演结果显示该区的最大主压应力方向为N28°W,最大主张应力轴方向NE,基本水平.与楼小挺等[4]的研究结果中,PNE 段地震的T轴近水平并沿地震带走向的结论一致.
楼小挺等[4]的研究认为,帕米尔俯冲带的中段俯冲深度浅,东段没有类似于兴都库什俯冲带以及帕米尔西南段的断裂或错动.根据本文结果,南区的最大主压应力方向与其北侧的卡兹克阿尔特弧形推覆构造顶部(西区)一致,由北向南,由最大主压应力轴接近水平,过渡为最大主张应力轴接近水平,在一定程度揭示了板块俯冲的动力学过程.张家声等[15]认为帕米尔中源地震群与帕米尔深俯冲岩板向下由缓倾变陡的深度大体相当,结合南区和西区的地震深度差异及机制解中断层面的倾角,推测在中帕米尔的东部,由北向南的板块俯冲至150~170km 深度,俯冲角度为60°左右.
本文得到的应力场方向与中亚地区重复GPS测量结果得到的位移方向一致[14, 34-35].研究结果显示出,在大尺度的构造运动及动力作用下,局部应力场受所处局部构造影响,尤其是在本文所研究的典型的特殊构造部位.
致谢研究过程中使用了美国伯克利地震实验室的矩张量反演软件、IRIS 的波形数据,大部分图件使用GMT 绘制,特此申明.论文形成过程中,田勤俭研究员、沈军研究员、高国英研究员在地质构造方面提供了帮助,在此一并致谢!
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