2019, Vol. 62
2. 宁夏回族自治区地震局, 银川 750001
2. Earthquake Agency of NinxiaHuiAotonomous Region, Yinchuan 750001, China
喀喇昆仑断裂带位于我国新疆、西藏区域和阿富汗、克什米尔之间，是亚洲大陆中部的一条巨型的右旋走滑断裂带.受印度板块的北向推挤作用，喀喇昆仑断裂带和阿尔金断裂带形成了一个巨大的挤出构造，并在与塔里木地盾以及天山构造带的相互作用下，使得青藏高原向东运动，而使帕米尔至兴都库什地区成为西昆仑造山带的一个重要的构造转折区域，区域断层主要以逆冲性质为主，从南到北依次有主前缘逆冲断裂(MFT)、赫拉特断裂(HRF)、喀喇昆仑主逆冲断裂(KKF)、喀喇昆仑断裂(ATF)、达沃兹—卡拉库尔断裂(GKF)等逆冲性质为主的大型断裂(滕吉文等，1980；环文林等，1980；郑剑东等，1993；肖文交等，1998；李强等，1994；吴传勇等，2008；张浪平等，2014).该区域地处印度板块和欧亚板块碰撞带的西缘，是大陆内部中源地震最为活跃的区域，各种数据均表明在兴都库什邻近区域的地震展现出十分特殊的现象，如图 1所示，除地震分布明显集中外，震源深度也明显与周边区域不同，很多震源深度达到200 km以下，形成独特的地震现象和地质构造形态.近百年以来有数百次中强以上地震在此发生，如1900年以来记录到Mb≥7.0的地震16次，但地震目录显示1990年以后这种大震级的地震明显减少而中强震活动仍然频繁(杜品仁，1996；徐道一等，1999).早在20世纪50年代，Gutenberg和Richter等就发现了帕米尔—至兴都库什地区存在中深源地震.很多专家学者对该区域的地震活动现象地质构造特征做了相应的研究并取得了一系列的进展.环文林等(1980)从板块运动等角度考虑认为中深源地震可能由深部体积突然变化或深大断裂的切割以及岩石层消减带引起；宁杰远等(1990)对该区域地震的特征分析认为印度板块对欧亚板块的推挤是该区域的主要动力，引入中深源地震可能是由于地壳物质在更高温压的条件下再次脆化引起的想法，进而认为该区域中源地震应与俯冲带有密切联系；杜品仁等在1997年提出了18.6a周期的现象，徐道一等1999年提出了该区域具有时间有序性及沙罗周期；马淑田等(1997)利用最早到达地震台的地幔Rayleigh波包的波形拟合方法估计1996年伽师6.9级地震震源机制解，得出地震形成于近南北向压应力的作用，唐兰兰等(2012)在做2008年乌恰6.8级地震序列特征时也对帕米尔东北缘的应力场进行了分析.Owen L A等(2012)利用遥感、野外测绘、地貌、沉积地貌等方法对帕米尔高原南部进行了地貌分析.这一系列的研究均表明兴都库什俯冲带与帕米尔俯冲带有相互作用.
|
图 1 地震时空分布及不同震源频度特征 Fig. 1 Time and space distribution of earthquakes and frequency characteristics of different sources |
截至目前，尚鲜见学者对该区域不同深度的应力场等相关的研究做进一步分析.故本文拟结合地质构造背景、参考前人研究结果并运用哈佛大学及USGS等研究机构提供的1977年以来该区域的震源机制解，选取东经66°—76°北纬34°—43°作为研究区，对该区域进行应力场变化分析，并试图探索该区域深震的意义.
1 区域地震概况自1977年以来，哈佛大学在本研究区域共给出了约420个MW≥4.8的震源机制解，为研究该区域的应力场状况提供了有意义的资料信息.如图 1所示，通过地震频次统计，表明年平均发生率为8~13次，其中1980、1989、1996、1997年稍低于年平均发生率，而2005年受巴基斯坦7.8级地震的影响，地震频次为50余次，随后地震活动频度显示有上升趋势.在空间上显示有分时段主题活动区域有所变化的特点，中源地震在北纬35.5°—37°东经69°—73°集中分布，即在塔什库尔干、杜尚别、坎布尔三个城市围绕的靠近坎布尔区域的范围.这个区域震源深度明显异于其他区域，最深达280 km，而且地震活动频率及空间密度均十分高，显示了这个区域的特殊性.而通过地震时空分布分析，表明整个区域的地震基本上均是以上述的三个点为中心近乎均匀时空分布.表明该区域地震活动范围基本稳定，活动频次也基本稳定.
2 研究思路和分析方法鉴于研究区域地震在时空上的特殊性及样本的数量，本文分析和讨论了该区域的地震应力场状态及分区域特征.运用震源机制解求取区域应力场是双力偶地震位错模型得到广泛认可后的又一大应用(万永革等，2008)，这样得到的应力场方向从理论上讲比由极个别的钻孔获得的应力变化更具有代表性，因为很少有钻孔可以达到震源的深度.换句话说就是如果一个区域有了一定数量的地震及求取的震源机制解，那么这个区域在一定时间段内的应力场方向将基本确定.研究发现小区域的地震应力场有时候存在明显的转向现象，并对后续地震的发展趋势研究存在重要影响.例如新疆伽师附近区域就发生过相应的变化，随着时段的不同，同一区域震源机制就发生了逆断层走滑断层—正断层走滑断层—逆断层走滑断层的一个轮回的变化过程，这个过程的开始或结束都伴随着一个较大的地震事件(刁桂苓等，2005；屠泓为等，2008；邵志刚等，2015；季灵运等，2017).而本研究区域更为特殊，在图 1b中，1977年以来有震源机制解的地震达到420次，而在深震源区域的不到12平方度的范围内地震发生了230余次相关地震.充分表明了该区域地震分布区域集中、频度高等特征.本文试图对该区域不同深度的震源机制和应力场变化状态进行分析，构建孕震模型，以探索相关地震的形成机理.
根据震源深度的优势分布，见图 1b、c可以明显地看出：震源深度160 km以下的地震明显聚集于一个很小红色的范围，而震源深度50~160 km范围的地震可以看到以一个北东—南西向的形态展布，主要分布于HRF断裂与KKF断裂、MKT断裂西部区域的交汇处；图 1d震源深度频次特征显示出地震分布于3个区域，这表明了不同深度范围内地震的破裂形态和空间展布规律存在明显的不同.根据这三个深度区域将地震分为0~50 km，51~160 km，160~280 km三个不同的深度段.震源深度0~50 km范围的地震分布在外围区域.为此，本文从震源机制、震源分布、震源应力场特征方面进行分析研究，以期得到合理的解释.
3 分析及计算 3.1 震源机制解类型分析根据地震性质为依据进行主成分划分，图 2为不同性质的震源机制解分类展布图，在该区域收集的230个震源机制解中(图 2a)，其中逆断层性质地震170个(图 2b)，走滑断层性质地震42个(图 2c)，正断层性质地震21个(图 2d)，地震主要以逆断层型为主，占到了73%，正断层型仅占9%，走滑型地震18%.在观察图 2不同类型地震分布中，可以见到一个有趣的现象：正断层性质地震沿着北东向呈线性分布，且震源主要分布在100±30 km深度范围；走滑断层主要分布在逆断层集聚区域的外围，可以粗略分为南北两条北东向的线性分布，震源也主要分布在100±30km深度范围；而逆断层地震分布更为特殊，主要分布在如图 2c所示的一个不到2平方度的狭小区域，震源深度主要在100 km以下，而其周边的逆断层地震的震源深度比较浅，仅20 km左右.
|
图 2 研究区震源机制解空间分布特征 Fig. 2 Spatial distribution characteristics of seismic mechanisms in the study area |
不同类型震源机制解与震源深度关系的分布特征显示(图 3)，邻近研究区域外围的震源深度多小于30 km，而研究区域内部随深度明显分为两个集中区域，尤其是逆断层性质地震的这种密集分布特征表现更为明显.正断层、走滑断层分布相对零散一些，表明了该区域受挤压作用明显，应该是在巨大的挤压作用下，地层在插入过程中发生褶皱进而产生倒转破裂，因而形成几个主要的破裂区域.根据震源分布特征分析，可推断地层发生了至少两次褶皱破裂，例如，在50~60 km及150~170 km存在破裂插入现象，因而在这几个区域的上下方均产生大量的逆断层性质地震.
|
图 3 震源机制解随深度的分布特征 Fig. 3 Distribution characteristics of focal mechanism solution with depth |
对上述现象研究和分析认为，该区域的逆断层性质地震主要是底部水平挤压而形成的，当底部力源作用达到一定程度后，周围出现受力不均匀引起不同层面的块体破裂，图 2d的正断层线性分布就是例证，走滑性质地震的分布在这个过程中表明了挤压力(主压力)方向并非非常一致，进而造成破裂面两盘在水平方向发生错动，这种断层性质主要分布在逆断性质地震集聚区域的外围，表明了本区域的主要力源为近似轴压方向的北北西向挤压力.
研究区域内的T，N，P应力轴数据在乌尔夫网上的投影表明不同深度地震的相关参数是明显不同的.0~50 km范围内的数据显示：如图 4(a1)所示，P轴分布比较零散，结合图 5(a1)可以看出以北西-南东向排列为主；如图 4(b1)所示，N轴分布也是比较零散，但有北北西-南南东向的展布形态；如图 4(c1)所示，T轴的仰角存在低角度和高角度两种形态，结合图 5(a2)可以看出有以北东东向分布的态势.51~160 km的范围内的数据显示：如图 4(a2)所示，P轴分布主要以低角度分布为主，有个别的高角度现象，结合图 5(b1)分析，主压应力方向为北西至南北向；如图 4(b2)所示，N轴分布比较零散；如图 4(c2)所示，T轴分布以高角度为主，结合图 5(b2)分析认为其主张应力方向较分散，但优势方向为北东-南西向.161~300 km范围内的数据显示：如图 4(a3)所示，P轴以低角度分布为主，仰角多在45°以下，结合图 5(c1)分析，主压应力轴优势方向为近南北向；如图 4(b3)所示，这个深度范围内的N轴的仰角十分低，绝大部分在20°以下，但分布方向比较分散；如图 4(c3)所示，T轴在这个深度区间也表现出了明显的高仰角特征，大多数的仰角大于45°，在方向上显示主要以近南北和近东西向为主.
|
图 4 不同震源深度P、N、T轴散点分布 Fig. 4 Scatter distribution of P, N and T axes at different focal depths |
|
图 5 不同深度范围P、T轴方位角直方图及玫瑰图分布 Fig. 5 Distribution of azimuth histograms and roses in P and T axes in different depth ranges |
根据震源深度分布将地震分为3个分析单元进行聚类分析的结果，如图 6及表 1，在0~50 km范围内的P轴聚类平均结果为305°∠19°(注：方位角及仰角的一种表示方法)及141°∠13°，T轴为256°∠75°及71°∠27°.51~160 km范围内P轴聚类结果为157°∠16°及318°∠18°，T轴为239°∠51°和63°∠47°.200~300 km范围内，P轴聚类平均结果为108°∠22°及193°∠23°，T轴为282°∠63°及32°∠63°.聚类结果表明P轴的优势方向有由近地面向下逐渐由北西-南东向向北西北-南东南向乃至南北向转变趋势，而且T轴的优势方向也有由西南西-东北东向向近东西向方向转变.这种现象可能显示了在受力不均匀状态下的构造相互作用过程.
|
图 6 考虑方位角和仰角关系的聚类分析 Fig. 6 Cluster analysis of relationship between position angle and elevation angle |
|
表 1 对不同深度P、T轴的方位角和仰角的聚类分析结果 Table 1 The results of clustering analysis of the square and elevation angles of P and T axes at different depths |
表 2对不同类型的震源机制解应力场计算表明，本章节主要讨论P轴的变化，T，N轴只作为参考：①走滑型地震的P轴方位角优势变化范围为342.5°~348.0°，仰角基本处于水平状态；②正断层型地震的P轴方位角变化范围比较大，为84.7°~172.5°，其仰角变化范围为63.5°~81.5°；③逆断层型地震P轴方位角变化范围为129.0°~153.0°，展示出由北西-南东向向北西北-南东南向乃至南北向分布的范围，而其P轴仰角处于水平向.总体表明三类断层性质的地震的主压应力轴存在较大的不同.结合前面的统计及图 6表明，本区域的地震以逆断层为主，因此选用逆断层性质地震分析该区域的应力变化状态.
|
|
表 2 根据不同类型地震计算的应力场方向 Table 2 Direction of stress field based on different types of earthquakes |
图 7及表 3为不同深度分布范围的逆断层计算的应力场方向，显示了一个特别值得关注的现象：①在0~50 km范围内P轴优势方向为西北西向，方位角变化范围为35°；②在51~160km范围内P轴优势方向为北西向，方位角变化范围为13°；③在161~300 km范围内P轴优势方向显示西北西向，但其方位角变化范围为近70°.这一现象表明在不同深度主要力源方向有所不同，分析认为这种现象应为在构造相互作用下，形成不同层位发生拖曳、推挤、同时伴随着地幔隆起现象，造成不同区域受力不均匀，显示出主要应力方向有所不同.在这种复杂的动力学作用下，形成了S型或复杂的多S型地壳褶皱，从而显示了这一独特的地震成层发生的特性.
|
图 7 不同性质地震的震源深度频次分布 Fig. 7 Focal depth frequency distribution of earthquake of different properties |
|
|
表 3 不同深度分布区域的逆断层计算的应力场方向 Table 3 Stress field direction of inverse fault calculation in different depth distribution regions |
|
图 8 不同深度范围逆断层地震主压应力场分布特征 Fig. 8 The main pressure stress field characters of inverse fault earthquakes in different depth ranges |
综合对兴都库什及邻近区域的构造、地震分布、震源机制解、应力场等方面分析，得出如下几方面结论：
(1) 该区域位于印度洋板块与欧亚板块碰撞带的西缘，在强烈的碰撞、推挤、俯冲作用下形成了中源地震非常活跃的区域；
(2) 震源机制解显示该区域地震性质以逆断层性质为主，表明挤压作用十分强烈；走滑断层、正断层分布表明，沿北东向有一条线性拉张破裂区域，可能是挤压过程中造成拖曳作用形成的；
(3) 主压应力轴在0~50 km显示为西北西向，在51~160 km显示为北西向，在161~300 km显示为西北西向，显示了不同深度的受力方向存在较大差异；推测认为该区域地壳在碰撞、推挤、拖曳、俯冲过程中形成了多次褶皱倒转，与印度洋板块连接而未断裂的部分再继续向欧亚大陆内部插入，因而形成了目前这种奇特的地震分布现象(见图 9).
|
图 9 兴都库什区域地层倒转示意图 Fig. 9 Schematic diagram of strata inversion in the region of Hindu Kush |
本文的结论与宁杰远等(1990)、徐道一等(1999)、张浪平等(2014)的研究有类似之处，均为这类中源地震俯冲带有密切的关系.但本文更明确提出了该区域可能存在多次地壳倒转，因而形成了独特的中源地震分布特征.
致谢 在本文修改过程中，审稿专家给予了宝贵的修改意见和建议，编辑老师也给予了耐心的帮助，在此一并表示致谢.
Diao G L, Wang H T, Gao G Y, et al. 2005. A deflection process for the stress field of the Jiashi strong earthquake sequence. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 48(5): 1062-1068. |
Du P R. 1996. 18.6 years cycles of large intermediate and deep focus earthquakes in the world's major seismic regions. Acta Geophysica Sinica (in Chinese), 39(3): 327-335. |
Huan W L, Wang S Y, Shi Z L, et al. 1980. The distribution of earthquakes foci and plate motion in the Qinghai-Xizang Plateau. Acta Geophysica Sinica (in Chinese), 23(3): 269-280. |
Ji L Y, Liu C J, Xu J, et al. 2017. InSAR observation and inversion of the seismogenic fault for the 2017 Jiuzhaigou MS7.0 earthquake in China. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 60(10): 4069-4082. DOI:10.6038/cjg20171032 |
Li Q, Liu R F, Du L A, et al. 1994. Seismic tomography of Xinjiang and adjacent region. Acta Geophysica Sinica (in Chinese), 37(3): 311-320. |
Ma S T, Yao Z X, Ji C. 1997. The focal mechanism solution for march 19, 1996 MS6.9 earthquake in Xin-Jiang, Jia-Shi region and related problems. Acta Geophysica Sinica (in Chinese), 40(6): 782-790. |
Ning J Y, Zang S X. 1990. The distribution of earthquakes and stress state in Pamir-Hindukush regions. Acta Geophysica Sinica (in Chinese), 33(6): 657-669. |
Owen L A, Chen J, Hedrick K A, et al. 2012. Quaternary glaciation of the Tashkurgan Valley, Southeast Pamir. Quaternary Science Reviews, 47: 56-72. DOI:10.1016/j.quascirev.2012.04.027 |
Shao Z G, Zhang L P, Ma H S, et al. 2015. The analysis of the relationship between Japanese MW9.0 earthquake on March 11, 2011 and the fault movement based on the GPS observation. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 58(3): 857-871. DOI:10.6038/cjg20150315 |
Tang L L, Zhao C P, Wang H T. 2012. Study on the source characteristics of the 2008 MS6.8 Wuqia, Xinjiang earthquake sequence and the stress field on the northeastern boundary of Pamir. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 5(4): 1228-1239. DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.018 |
Teng J W, Wang S Z, Yao Z X, et al. 1980. Characteristics of the geophysical fields and plate tectonics of the Qinghai-Xizang plateau and its neighbouring regions. Acta Geophysica Sinica (in Chinese), 23(3): 254-268. |
Tu H W, Wan X H, Gao G, et al. 2008. Research of the reason for variations of the earthquake fault characters and the stress field in the Jiashi region of Xinjiang from 1977 to 2006. Progress in Geophysics (in Chinese), 23(4): 1038-1044. |
Wan Y G, Shen Z K, Diao G L, et al. 2008. An algorithm of fault parameter determination using distribution of small earthquakes and parameters of regional stress field and its application to Tangshan earthquake sequence. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 51(3): 793-804. |
Wu C Y, Shen J, Li S, et al. 2008. Motion characteristics of Mujihe fault on northern segment of Tashikurgan fault zone. Inland Earthquake (in Chinese), 22(1): 43-47. |
Xiao W J, Li J L, Hou Q L, et al. 1998. Structural styles of the southeastern west Kunlun mountains and their implication to Growing-ARC Orogenesis. Acta Geophysica Sinica (in Chinese), 41(S1): 133-141. |
Xu D Y, Ouchi T. 1999. Temporal ordering of earthquakes in Asia and saros period. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 42(S1): 41-48. |
Zhang L P, Shao Z G, Li Z H. 2014. Dynamic action of mutual subduction between the Indian and the Eurasia plates in Hindu Kush-Pamir region. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 57(02): 459-471. DOI:10.6038/cjg20140212 |
Zheng J D. 1993. Kara Korumfault and Taxkorgan seismic deformation zone. Seismology and Geology (in Chinese), 15(2): 107-116. |
刁桂苓, 王海涛, 高国英, 等. 2005. 伽师强震系列应力场的转向过程. 地球物理学报, 48(5): 1062-1068. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.05.012 |
杜品仁. 1996. 全球主要地震区中源和深源大地震的18.6年轮回. 地球物理学报, 39(3): 327-335. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.1996.03.006 |
环文林, 汪素云, 时振梁, 等. 1980. 青藏高原震源分布与板块运动. 地球物理学报, 23(3): 269-280. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.1980.03.004 |
季灵运, 刘传金, 徐晶, 等. 2017. 九寨沟MS7.0地震的InSAR观测及发震构造分析. 地球物理学报, 60(10): 4069-4082. DOI:10.6038/cjg20171032 |
李强, 刘瑞丰, 杜安陆, 等. 1994. 新疆及其毗邻地区地震层析成像. 地球物理学报, 37(3): 311-320. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.1994.03.005 |
马淑田, 姚振兴, 纪晨. 1997. 1996年3月19日新疆伽师MS6.9地震的震源机制以及相关问题研究. 地球物理学报, 40(6): 782-790. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.1997.06.007 |
宁杰远, 臧绍先. 1990. 帕米尔-兴都库什地区地震空间分布特征及应力场特征. 地球物理学报, 33(6): 657-669. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.1990.06.005 |
邵志刚, 张浪平, 马宏生, 等. 2015. 基于形变观测分析2011年日本9.0级地震与断层运动间关系. 地球物理学报, 58(3): 857-871. DOI:10.6038/cjg20150315 |
唐兰兰, 赵翠萍, 王海涛. 2012. 2008年新疆乌恰6.8级地震序列震源特征及帕米尔东北缘应力场研究. 地球物理学报, 55(4): 1228-1239. DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.018 |
屠泓为, 万秀红, 高歌, 等. 2008. 1977年至2006年新疆伽师地震断层性质及应力场变化原因初探. 地球物理学进展, 23(4): 1038-1044. |
万永革, 沈正康, 刁桂苓, 等. 2008. 利用小震分布和区域应力场确定大震断层面参数方法及其在唐山地震序列中的应用. 地球物理学报, 51(3): 793-804. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.03.020 |
吴传勇, 沈军, 李帅, 等. 2008. 塔什库尔干断裂带北段木吉河断层运动特征. 内陆地震, 22(1): 43-47. DOI:10.3969/j.issn.1001-8956.2008.01.006 |
肖文交, 李继亮, 侯泉林, 等. 1998. 西昆仑东南构造样式及其对增生弧造山作用的意义. 地球物理学报, 41(S1): 133-141. |
徐道一, 大内徹. 1999. 亚洲大地震的时间有序性与沙罗周期. 地球物理学报, 42(S1): 41-48. |
张浪平, 邵志刚, 李志海. 2014. 印度板块与欧亚板块在兴都库什-帕米尔地区相互俯冲的动力作用分析. 地球物理学报, 57(2): 459-471. DOI:10.6038/cjg20140212 |
郑剑东. 1993. 喀喇昆仑断层与塔什库尔干地震形变带. 地震地质, 15(2): 107-116. |
滕吉文, 王绍舟, 姚振兴, 等. 1980. 青藏高原及其邻近地区的地球物理场特征与大陆板块构造. 地球物理学报, 23(3): 254-268. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.1980.03.003 |