2021年3月24日新疆拜城MS5.4 地震震源机制解及发震构造探讨①

龚固斌， 冉慧敏, 黄帅堂， 南芳芳

(1．新疆地震局阿克苏地震监测中心站，新疆 阿克苏 843000； 2．新疆地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

据中国地震台网测定，2021年3月24日5时14分新疆阿克苏地区拜城县(41.70°N， 81.11°E)发生MS5.4地震。截止至2021年4月6日共记录余震49个，最大余震MS3.4。1970年以来，震源区100 km范围内共计发生12次MS5.0～5.9地震，其中MS5.0～5.5地震10次，呈现出以MS5.0～5.5中强地震为主的特点[1]。2020年3月23日拜城MS5.0地震是空间上距离本次地震最近的一次中强地震，震中距约4 km，同时也是时间上最近的一次，发震时间间隔364 d，发生在喀桑托开构造带库木格热木断裂西侧端部，存在MS4.6前震，地震序列为震群型①。震源机制解是地震学研究的重要组成部分，对研究地震孕育发生、地壳应力场、强地面运动模拟、地震灾害评估等方面有着重要的意义[2]。目前，国内学者研究地震震源机制解通常所用的方法有P波初动法[3-6]、P波和S波的最大振幅比方法[7-10]、联合初动振幅比法[11-15]及CAP方法等。P波初动法要求震中被包围较好，且不同方位均有台站分布，但无法求解震源深度和震级方面的参数。P波和S波的最大振幅比方法和联合初动振幅比法对横波和纵波震相的清晰度要求较高，对于震中距相对较远的地震台记录到的P、S震相不明显，造成识别困难[16]，那么对于台站分布稀疏的地区(如青藏高原)可用资料就相对较少，于是很大程度上限制了该方法的使用。近些年，许多专家和学者在运用体波[17-20]、长周期面波[21-24]和近震记录[25-26]等资料进行波形反演方面做了大量研究，积累了宝贵经验。随着CAP(Cut and Paste)方法[27-28]的建立和发展，郑勇等[29]通过实验充分证实了CAP方法的可靠性和对模型的适应性，同时且能够得到较准确的震源深度。另外，CAP方法反演计算时所需的台站少、反演结果对速度模型依赖性也小[29-31]，许多学者将CAP方法应用到新疆区域中强地震的研究中，对地震震源机制解与矩心深度方面的有效性和可靠性进行了充分的论证[32-41]。本文中利用新疆地震台网记录的宽频带波形，采用CAP方法反演此次地震的震源机制解和震源深度，结合地震震源区地质构造背景，进一步推测此次地震的发震构造和震源区应力特征。

1 构造背景

伴随着天山的晚新生代造山隆起，天山南、北山前及山间发育了多个沉降盆地。库车坳陷就是天山地区典型的堆积有巨厚中、新生代沉积的前陆盆地。盆地内中、新生代地层中广泛发育薄皮构造，表现为多排逆断裂—褶皱带[42-45]。这些褶皱的演化受控于深部滑脱面、逆断裂的形态及滑动量的变化，形成了断展褶皱、断弯褶皱、滑脱褶皱及多种组合类型[46-48]。由北部山麓地带向南延伸至塔里木盆地北缘地区，分别发育有库木格热木、喀桑托开、却勒塔格逆断裂—背斜带等，北部的喀桑托开逆断裂—背斜带和南部的却勒塔格逆断裂—背斜带共同夹持着拜城盆地。却勒塔格背斜带位于褶皱冲断带的最前(南)缘，有历史记载以来，该地区发生过多次MS≥7.0地震，通常认为具有更强的活动性[44,49-51]。然而，2021年3月24日拜城MS5.4 地震表明，北部逆冲推覆构造的活动性也不容忽视。此次地震科考发现地震在地表形成了长约5 km的地震地表破裂带，破裂呈右阶斜列，按照地表破裂几何展布将该地震发震构造确定为天山南麓的老虎台断层，断层走向近EW，倾向S，性质为左旋兼具逆冲性质。

图1 区域地震构造图Fig.1 Structure of regional earthquake

2 数据与方法

拜城MS5.4地震距中国边境约87 km，100 km范围内仅拜城台，震中距约45 km，东南方向为塔里木盆地，无台站分布。地震发生后，新疆地震局于当日在震中东北方向16 km处架设临时台L6514，数据及时汇入新疆地震台网。中国地震局地质研究所于3月26日又相继在震中周围架设了6个临时台(AKU01、AKU02、AKU03、AKU04、AKU05、AKU06)，均为短周期地震计，数据于29日汇入新疆地震台网。这些临时台数据的陆续汇入，为地震序列跟踪和研究工作提供了宝贵的波形资料。本研究采用CAP方法反演拜城MS5.4地震震源机制解。

CAP方法最初由Helmberger[27]于1994年提出，后经朱露培和Helmberger[28]进一步发展，于1996年命名为CAP方法。其原理就是将近台宽频带地震计记录到的地震数据分为Pnl波(体波部分)和Sur波(面波部分)，再对其三分量共5部分(其中Pnl波不存在切向分量)给定不同的权重(一般Pnl波与Sur波权重比设为2∶1)，分别计算理论地震波形和实际观测地震波形的目标误差函数，在相关参数空间中搜索得出最优解[52-56]。

图2 震中及台站分布图Fig.2 Epicenter and station distribution

选取新疆地震台网6个台站的宽频带数字地震波形资料来进行反演(图2、表1)，所选资料满足条件：① 震中距在210 km范围之内；② 方位角准确且能够满足最大张角；③ 台站仪器的幅频特性曲线在0.05～20 Hz内都是平直的。对选出的宽频带数据进行预处理：首先去除倾斜，去除仪器响应；然后积分得到位移记录；最后将位移记录旋转至大圆路径。旋转后的记录分成Pnl和Sur两个部分。对波形中的Pnl波用带宽为0.05～0.2 Hz、Sur波用带宽为0.05～0.1 Hz的4阶Butterworth带通滤波器滤波。对于除拜城台以外的其他台都得到了Pnl波的垂向和径向分量，以及面波的垂向、径向和切向分量5个部分[54]。

拜城盆地台站分布密度较低，可参考的研究成果相对较少，因此本研究所在区域的一维速度结构模型参考CRUST 2.0全球地壳速度结构模型，在该速度模型中，地壳厚度约50 km(表2)。

表1 近震台站参数表

表2 CRUST2.0地壳速度结构模型

3 反演结果与数据分析

从震源机制解拟合误差随深度的分布(图3)可以看出，反演结果收敛较好，误差与深度关系呈U形，在深度为11 km时，误差函数达到最小值，此深度即为最佳深度。在不同深度，基于CRUST 2.0全球地壳速度结构模型拟合得到的震源机制解结果变化不大，表明震源深度的变化对震源机制解影响不大，计算得到的结果较为稳定。

图3 震源机制解反演误差随深度变化图Fig.3 The inversion error of focal mechanism of earthquake with the depth

图4是震源深度11 km附近时的位移谱拟合结果和CAP反演得到的震源机制解，节面I：走向79°，倾向79°，滑动角-36°；节面II：走向176.9°，倾向54.8°，滑动角-166.5°；P轴方位角32°，倾角33°，T轴方位角133°，倾角16°；得到矩震级为MW5.2；震源类型是斜滑型；震源矩心深度11 km，属于浅源地震。图4中红线表示理论地震图，黑线为观测地震图，波形左侧台站名下方的数字左边为震中距，右边为该台理论P波初至与观测P波初至的差值；波形下方的两行数字分别表示理论地震图相对观测地震图的移动时间及二者的相关系数。将参与此次地震波形反演的6个地震台站共27个分向的理论合成波形与实测波形相比，相关系数平均值为0.65，大于0.6的有18个，达到了64.4%，属于强度相关，其中相关系数大于0.8的有10个，占强度相关中的55.6%。

图4 拜城MS5.4地震波形拟合结果图Fig.4 Seismic waveform fitting result of Baicheng MS5.4 earthquake

本文中参考万永革等[57]参与的Seismology小组整理此次地震的震源机制解结果(表3)，通过对比发现尽管各研究机构采用反演方法不同、选用地壳速度结构模型不同、选取台站数据不同以及设定反演参数不同都可能导致反演结果存在一定差异，但是所有结果都表明两个节面的走向为一个近EW向，另一个近NS向，除韩立波等[57]的结果中节面I和本文结果节面II外，其余结果均显示为高倾角的特征。无论节面I还是节面II，本文中的反演结果与其他结果的一致性均较好，尤其与韩立波等的结果更为一致。

表3 不同机构的拜城MS5.4地震震源机制解结果

震源机制解的两组可能节面参数，具体的发震构造需要结合震源区域的构造特征进行推测。地表破裂带沿近EW向展布，为老虎台断裂，因此初步判定节面I代表了主震的发震断层面，即此次地震以左旋倾滑为主，发震构造为老虎台断裂，与南天山东段表现出较为明显的逆冲性质[58]稍有不同。沈军等[50]认为库车凹陷南北两侧的褶皱作用均受盖层与基底之间的滑脱断层控制，属于山前的薄皮构造，滑脱面的深度可达10 km，在此基底滑脱面之上还发育了次级滑脱面，其深度在6 km左右，地表所见活动背斜的褶皱地层主要为上滑脱面以上的地层，深部发震断层所产生的变形和错位，经过推覆体内部复杂的变形之后到达地表[50]。因此，地表所见的活断层和褶皱与深部发震构造之间的关系是比较复杂的。

2020年3月23日拜城MS≥5.0地震距本次地震仅4 km，反演其震源机制解，节面I：走向340°，倾向67°，滑动角170°；节面II：走向73.9°，倾向80.8°，滑动角23.3°；P轴方位角205°，倾角9°，T轴方位角299°，倾角23°。根据构造情况，可以推断节面II为其破裂面，反演得到的断层面走向、倾角与本次地震震源机制解结果极为吻合，这也说明两次地震属同一发震构造。

从最近2次拜城MS≥5.0地震震源机制解反演结果可以看出，该区域主压应力轴P轴为NNE—SSW向，倾角较小，主张应力轴T轴为NWW—SEE向，与P轴的方位角近乎有垂直的现象。李金等[59-60]、雷啸宇等[61]研究结果表明，天山中段最大主应力方向以SN向居多，局部地区出现NNW向或NNE向。

南天山中段发育的背斜带呈近EW向展布，两大背斜系统夹持着拜城盆地。1998年7月28日拜城MS5.5地震烈度圈呈椭圆形，长轴走向为NEE[62]，结合本文中2次拜城MS≥5.0震源机制解结果，以及受到天山南麓拜城盆地构造特征的影响，可以初步推断发生在拜城盆地内的大多数地震，其断层破裂面走向应与该地区一系列近EW走向的背斜方向一致。

此次地震震级虽然不大，但是造成的破坏程度较同等强度的地震大得多，其原因之一是该地区的场地响应具有放大效应[63]。于是反演KUC、BAC台场地响应(图5)，结果显示这2个台在1～6 Hz均有1～2倍的放大效应，初步分析除地基岩性分别为砾岩和第四纪黄土层之外，可能还与它们周围起伏的地形有关。该地区的场地响应对地震动加速度有较为明显的放大效应，从而加重损害程度[64]。

图5 BAC(a)和KUC(b)台场地响应Fig.5 Site response of Baicheng station(a) and Kuche station(b)

4 结 语

采用CAP方法反演2021年3月24日拜城MS5.4地震的震源机制解结果为：节面I：走向79°，倾向79°，滑动角-36°；节面II：走向176.9°，倾向54.8°，滑动角-166.5°；P轴方位角32°，倾角33°，T轴方位角133°，倾角16°；得到矩震级为MW5.2；震源类型是斜滑型；震源矩心深度11 km，属于浅源地震。本文中的反演结果与其他结果均表现出较好的一致性。结合地表破裂方向，判定节面I代表了主震的发震断层面，老虎台断裂为此次地震的发震构造，反演结果也与该断裂的左旋特征相符，不过与南天山东段表现出较为明显的逆冲性质稍有不同，这表明其可能是在震源区应力调整过程中产生的地震事件。1970年以来，拜城地区呈现出中强地震以MS5.0～5.5地震为主的特点，地震强度相对较小，该区域地震台站分布也较为稀疏，所以研究结果相对较少。随着预警项目的不断推进，该区域地震台站密度较小现象将得到大大改善，使用近台波形资料能得到更为精确的震中位置、震源深度，结合震源机制解研究该区域的地震活动成因、应力状态等，有利于今后在该区域开展更为深入的研究。