天山地震带(中国境内)震源机制一致性参数的时空特征

李 金 周龙泉 龙海英 聂晓红 郭 寅

1)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011

2)中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

地震是地下介质受到应力作用产生破裂的自然现象，震源机制解是研究构造应力场的基本资料，反映了震源断层的力学特征，可以揭示地震破裂的力学机制，反映出地震等效释放应力场，震源机制一致性参数可作为判别强震发生的新参数(陈颙，1978)。研究表明，强震受到构造应力场的制约，一般情况下震源机制与应力场的方向吻合(李钦祖等，1982)。陈颙(1978)研究一些强震震例时发现，强震前震源机制解趋于一致的现象也时有发生，提出可用前震震源机制的一致性来描述地震活动性。Ellsworth等(1980)研究了从震源机制解确定应力张量的方法，Gephart等(1984)通过研究San Fernando地震序列提出了利用震源机制参数联合求解应力场的方法。许忠淮等(1984)利用滑动矢量反演了新疆富蕴地震的构造应力场，之后又应用此方法研究了唐山震源区应力场(许忠淮，1985)。

震源机制一致性参数是衡量地震震源释放应力场与区域应力场一致性程度的定量指标。国内外学者(陈颙，1978;刁桂苓等，2004;王俊国等，2005;程万正等，2006;泽仁志玛等，2009)认为基于震源机制解反演应力场的时空变化能够捕捉到强震前的震兆信息，震源机制一致性参数是判断地震危险性的1个有用判据。以往的研究(赵英萍等，2004;刁桂苓等，2004)将单个地震震源机制解的P，T，B轴和构造应力场的3个正交的应力主轴在3维空间的夹角之和称为一致性参数。本研究采用Michael等(1990)提出的Misfit角度来表征震源机制一致性，其定义为单个地震的滑动矢量与在平均剪切应力作用下产生的滑动矢量之间的夹角。

1 数据资料和研究方法

1.1 数据资料

利用天山地震带2003—2014年的306个MS3.5以上的震源机制解资料，其中3.0～3.9级地震124次，4.0～4.9级地震132次，5.0～5.9级地震41次，6.0～6.9级地震9次(图1)。2003—2013年的264个震源机制解由高国英等(2010，2012)、龙海英等(2008a，b)、聂晓红等(2012)利用P波初动法求解得到。2013年以后的42个震源机制，采用最近10多年国际上不断发展和完善的CAP波形反演方法(Zhao et al.，1994;Zhu et al.，1996;吕坚等，2008)计算得到，其综合利用了近震中体波和面波信息，将宽频带数字地震波形记录分解为体波Pnl和面波2部分，计算并搜索理论地震波形与真实地震波形之间拟合误差函数最小的机制解。

图1 天山地震带的震源机制解分布图Fig.1 The distribution of focal mechanism in Tianshan seismic zone.

1.2 应力张量及Misfit角度计算

采用Michael等(1984，1987)提出的应力张量反演方法来反演整个研究区的应力张量和Misfit角度。计算过程中，由于无法区分震源机制解的断层面和辅助面，因此在反演应力张量时将2个节面等同看待，通过节面与假定应力张量的拟合函数关系来选取其中拟合误差较小的节面作为震源机制断层面，随后基于研究区域每个网格节点及其周围一定范围内的多个震源机制解，采用每个震源机制解给激发断层运动的应力张量1个限制，通过若干个解的逼近则可以取得作用在该节点的应力张量解的方向。在应力张量结果的基础上进一步求取Misfit角度。

2 结果分析与讨论

2.1 天山地震带主应力轴分布特征

利用ZMAP程序(Max Wyss and Stefan Wiemer)反演了天山地震带应力场。将天山地震带按照0.3°×0.3°进行网格化，选取每个网格节点及其周围至少15个地震的震源机制解进行反演。得到了2003—2014年天山地震带的最大主应力分布(图2)，总体来看研究区主应力方位整体以SN向为主，垂直于北天山内部的博罗科努断裂，仅有局部区域主应力方位比较错乱，这与以往的研究结果较为一致(高国英等，1998;龙海英等，2007)。同时还反演了该区域应力主轴球面投影图，其中黑色较大的方形、三角和圆圈分别代表S1(最大)、S2(中等)、S3(最小)主应力轴。黑色小方形代表最大主应力轴的投影位置，红色小三角形为中等主应力轴的投影位置，蓝色小圆圈则代表最小主应力轴的投影位置。

图2 2003—2014年天山地震带最大主应力S1方位及分段应力主轴球面投影图Fig.2 The direction of maximum principal stress S1 and spherical projection of stress axis in Tianshan seismic zone from 2003-2014.

为细化研究，将天山地震带分为4段，分别为T1、T2、T3与T4(图2)。从图2可见，天山地震带东部(T1)，最大主应力方位S1总体较为单一，以NNE向为主，局部地区呈现SN向或NNW向，基于T1段震源机制反演获得的最大主应力轴的方位为208.3°。天山中段及柯坪块体北部(T2)最大主应力方位以SN向居多，局部地区出现NNW或NNE向，该段(T2)最大主应力轴方位为355.2°。柯坪块体南部(T3)最大主应力呈现2种方位，北部以NW向为主，南部以SN向为主，最大主应力轴方位为344.6°。喀什-乌恰交会区(T4)最大主应力轴南部以SN向为主，西北部为NE向，东北部为NW向，该区(T4)最大主应力轴方位为340.6°。

自1992年苏萨梅尔7.3级地震后，天山地震带7级地震已平静22a。2003年伽师-巴楚6.8级等1组强烈地震发生后，新疆地震活动水平持续偏低，至2008年3月之前，新疆3a内未发生6级以上地震，在此期间平均每年仅发生1次5级地震(高国英等，2009)。2008年10月5日乌恰6.9级地震是天山地震带自2003年伽师-巴楚6.8级地震后的又1次强震。因此以2008年乌恰6.9级强震为界，分别反演了2003年伽师-巴楚6.8级地震后至2008年乌恰6.9级强震之前以及2008年乌恰6.9级强震之后天山地震带最大主应力分布特征。

对天山地震带进行时间分段后，每个时间段的地震数量相对减少，因此将天山地震带按照0.5°×0.5°进行网格化，选取每个网格节点及其周围至少15个地震的震源机制解进行反演。得到了时段I:2003年2月24日—2008年10月5日(2003年伽师-巴楚6.8级地震至2008年乌恰6.9级强震)(图3a)以及时段Ⅱ:2008年乌恰6.9级强震—2014年(图3b)天山地震带的最大主应力分布。从图3可以看出，天山中东段地区最大主应力方位在2个时段内变化不大，自西向东变化越来越小，在北天山西部地区由NNE转为SN向。库车凹陷附近区域最大主应力方位由时段Ⅰ较为紊乱的分布变为时段Ⅱ的NE向。柯坪块体东侧最大主应力方位则由时段Ⅰ的近SN向转变为时段Ⅱ的NW向，而柯坪块体西侧的最大主应力方位由时段Ⅰ的近SN向和NW向转变为时段Ⅱ的NW向。喀什-乌恰交会区的最大主应力方位由时段Ⅰ的NNE向转变为时段Ⅱ的近SN向或NNW向。

图3 2008年10月5日乌恰6.9级地震前、后天山地震带最大主应力方位分布Fig.3 The direction of maximum principal stress before and after Wuqia M S6.9 earthquake on October 5，2008.a 2003-02-24—2008-10-04(乌恰6.9级地震前);b 2008-10-05—2014-01-01(乌恰6.9级地震后)

总体来看，2008年乌恰6.9级强震前后，天山地震带最大主应力方位存在显著差异，但是未打破主应力方位近SN的趋势。天山中东段地区最大主应力方位在2008年乌恰6.9级强震前后变化不大，相比之下南天山西段地区最大主应力方位变化较为显著。

2.2 天山地震带震源机制一致性参数的空间演化特征

计算了天山地震带各节点震源机制一致性参数(Misfit)，绘图时采用应力张量方差(variance)来表征应力场的非均匀性(图4)。震源机制一致性参数或应力张量方差的低值均能反映应力场的均匀性(一致性)，而相反高值则反映应力场的非均匀性(Michael et al.，1990)。为了分析研究区应力场非均匀性空间分布与中强震的关系，将2003年以来天山地震带发生的MS≥5.5地震投影到应力场空间分布图上。结果显示，伊犁河谷地区、南天山部分区域以及喀什-乌恰交会区应力张量方差相对较高，达到0.3～0.35，Lu等(1997)的研究表明:当variance＞0.2时，说明该区域的应力场在时间上和空间上都是非均匀的。而在新源以西区域，新源、和静交界处6.6级地震震中位置附近区域东天山部分区域，应力张量方差相对较低，部分区域的应力张量方差值甚至＜0.1。而Lu等(1997)的研究结果显示:当variance＜0.1时，意味着可以用该区域统一的应力张量来解释观测到的震源机制解，也可以被理解为该研究区域的应力场是均匀的。

图4 天山地震带应力场及2003年以来M S≥5.5地震震中分布图Fig.4 Stress field and the epicenter distribution with M S≥5.5 from 2003 in Tianshan seismic zone.

从图4可以看出，2003年以来天山中东段地区的MS≥5.5地震大多数发生于应力张量方差相对较低的区域，尤其是新源、和静交界处的6.6级地震位于其应力张量方差低值中心，反映出该区应力场对此次地震的发生起到了决定性的作用。此外，在吐鲁番盆地附近地区，应力张量方差相对较低，2003年以来没有5.5级以上的强震发生;而从震源机制一致性空间分布(图4)来看，南天山西段地区MS≥5.5地震与该区域中震源机制一致性相对较高的地区对应相对较差，在应力张量方差相对较低的阿图什以北地区，2003年以来，未曾发生5.5级以上的强震。

2.3 天山地震带震源机制一致性参数的时间演化特征

从震源机制一致性参数的空间分布(图4)来看，天山中东段地区中强地震多发生于震源机制一致性参数低值分布区或其边缘附近。2011年6月以来，新疆地区中强地震活跃，截至2014年2月12日于田7.3级地震，已连续发生24次5级以上地震。与此同时，天山地震带地震活动水平也相对较高，尤其是天山中东段地区相继发生了2011年11月1日尼勒克6.0级地震和2012年6月30日新源、和静交界处的6.6级地震。下面将通过时间变化来研究该地区强震活动与震源机制一致性参数之间的关系。选取15个地震作为窗长，5个地震为步长进行滑动反演，获得了2003年以来天山中东段地区震源机制一致性参数随时间的变化(图5)。

图5 天山中东段地区Misfit角随时间的变化曲线Fig.5 Curves of misfit angle changing with time in middle section of the Tianshan area.

天山中东段地区震源机制一致性参数Misfit自2003年以来大体经历了2个相对较低的过程。第1段为2006年初至2007年底，天山中东段地区Misfit角度缓慢降低，至2007年9月24日降至最低30°，在Misfit低值期间及其后一段时间内天山中东段地区发生了5次5级以上地震，其中最大地震为2007年7月20日特克斯5.9级地震。第2段为2010年下半年至今，2010年之前，天山中东段地区，震源机制一致性总体相对较差，Misfit＞40°，同时，反演获得的应力张量方差也相对较高，多数＞0.3，反映出其震源机制一致性较为紊乱。自2010年起，Misfit值开始下降，至2011年，Misfit＜40°，同时应力张量方差下降至0.17以下;至2012年6月6日Misfit降到最低值23°，同时应力张量方差下降为0.01，时隔24d，发生了新源、和静交界处的6.6级地震。表明在2011年6月开始的这组全疆中强地震连发之前，天山中东段地区应力水平逐渐升高，同时反映了该区域震源机制一致性参数由紊乱到一致的过程;而随后天山中东段地区发生的8次5级以上地震(包含3次6级以上地震)也验证了这一现象。天山中东段地区震源机制一致性参数Misfit自2010年下半年出现低值以来，虽略有回升，但仍然低于40°阈值，因此分析认为天山中东段地区未来一段时间仍有可能发生中强以上地震。国内外学者(Michael et al.，1990;付虹等，2011)认为，可将Misfit=40°作为应力场均匀性与非均匀性的标示，当Misfit≤40°时，可以理解为该区域的应力场是均匀的;当Misfit＞40°时，则反映了该区域应力场的非均匀性。

由图3可以看出，2008年乌恰6.9级强震前后，南天山西段最大主应力方位变化较为显著，乌恰6.9级地震震源区(喀什-乌恰交会区)最大主应力方位由震前的NNE向转变为震后的近SN向。有研究表明，强震前震源区附近的应力场会发生变化，震后恢复该地区的基本应力场，伽师地区的应力场在1997年3月1日至2003年1月4日发生变化，2003年2月24日伽师6.8级地震后该地区应力场又恢复到基本应力场的方向(刁桂苓等，2004)。为了进一步分析乌恰6.9级强震活动与震源机制一致性参数随时间变化的关系。选取12个地震作为窗长，5个地震为步长进行滑动反演，获得了2003年以来南天山西段地区震源机制一致性参数随时间的变化。由图6可以看出，2004年以来，南天山西段震源机制一致性参数Misfit阶梯型上升，2008年7月15日Misfit角度为67°，其后骤降，2008年10月5日乌恰6.9级强震时降至36°;而反演获得的应力张量方差也由之前相对较高的0.33降至0.20，反映了其震源机制一致性参数总体呈现由紊乱到一致的过程。

图6 南天山西段地区Misfit角随时间的变化曲线Fig.6 Curves of misfit angle changing with time in the southern section of Tianshan area.

2008年10月5日乌恰6.9级地震后，南天山西段震源机制一致性参数Misfit起伏变化，2012年底再次降低，2013年7月25日该值为27.5°，低于Misfit=40°的阈值，表明南天山西段目前应力场较为均匀，震源机制一致性相对较高。

2.4 天山地震带b值空间分布与强震的关系

已有研究表明，强震与大地震孕育并发生在活动断裂带的特定段，尤其是在凹凸体部位，其所在的断裂段往往表现出高应力、相对闭锁的习性(Aki，1984;Wiemer et al.，1997;Wyss et al.，2000)，且应力的高低与震级-频度关系中的b值呈反比，低b值反映了较高的应力(Scholz，1968;Urhancic et al.，1992)。基于上述思路，本研究利用天山地震带2003年1月1日—2014年4月30日新疆地震台网记录的地震目录，计算给出了研究区的b值空间分布(图8)，并与上述同样反映应力高低的震源机制一致性空间分布进行对比分析。

图7 天山地震带震级-频度分布Fig.7 The magnitude-frequency distribution in Tianshan seismic zone.

G-R关系log10N=a-bM中参数b值的计算需要“记录完整”的地震目录，最小完整性震级是地震目录品质的体现，定义为某个较小的震级MC，大于MC的所有地震都能记录到。图7给出了天山地震带的震级-频度分布。可见，ML2.0以上的地震基本满足线性关系，即研究时段内ML≥2.0地震的记录是完整的，研究区内该时段的最小完整性震级MC=2.0，略高于李志海等(2011)的研究结果。图7中还给出了震级≥MC地震的震级-频度关系拟合直线，其斜率为0.846 3，该值即为研究区在研究时段内的平均b值。

在获得最小完整性震级MC的基础上，首先将研究区以0.15°×0.15°间距进行网格化，利用最大似然法选取以每个节点为圆心，30km半径范围内且＞MC的地震资料计算b值，每个窗口内至少包含30个地震，同时也将2003年以来MS≥5.0的地震投影到b值空间分布图上(图8)，可以明显看出，MS5.0以上地震较多地发生于低b值(＜0.7)分布区及其邻近地区。而以往的研究同时也表明，新疆地区低b值异常区有可能发生中强地震，低b值异常结束后1a内发生6级地震的概率为65%，2a内这一概率高达92%(王筱荣，2008)。

图8 天山地震带b值与2003年以来5级以上中强地震的空间分布Fig.8 The distribution of b-value and the spatial distribution of strong earthquake with M S≥5.0 from 2003 in Tianshan seismic zone.

综合分析认为，天山地震带(中国境内)震源机制一致性、b值均与应力场有一定的关系，天山地区中强地震多发生于低b值分布区及其邻近地区，同时2003年以来天山中东段地区的MS≥5.5地震大多数发生于应力张量方差相对较低的区域。

3 结论

本研究以天山地震带为研究区域，基于2003—2014年306个MS3.5以上的震源机制解资料，分析了天山地震带主应力空间分布特征，在此基础上研究了天山地震带的应力状态，及震源机制一致性参数时空分布与中强地震活动的关系。结果表明:

(1)研究中反演获得的天山地震带主应力与早期研究结果具有相似性。整个天山地震带主应力轴以SN向为主，局部区域呈现NNE、NNW向。其结果与天山地区整体受到SN向不均匀的构造挤压作用(徐锡伟等，2006)相一致。

(2)从2003年以来天山中东段5.5级以上中强地震的分布来看(图4)，中强地震多分布于应力张量方差相对较低的区域;而南天山西段地区MS≥5.5地震与该区域中震源机制一致性相对较高的地区对应相对较差。

(3)2011年下半年以来，新疆地区中强地震活跃，尼勒克6.0级地震及新源、和静交界处的6.6级地震之前，天山中东段地区震源机制一致性参数总体呈现由紊乱到一致的过程;2008年乌恰6.9级强震前，南天山西段震源机制一致性参数也出现明显下降，反映了震前单个地震震源机制呈现的P轴方向有趋于构造应力场的态势，表明震源区附近应力有逐渐升高的趋势。

(4)利用2003年1月1日—2014年4月30日新疆地震台网记录的ML≥2.0地震目录计算得到的天山地震带b值图像，可以看出2003年以来天山地震带5级以上中强地震多分布于b值相对较低的区域。