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2012年6月30日新疆新源、和静交界MS6.6地震的破裂过程

2015-10-12冀战波赵翠萍王海涛聂晓红李志海

地震地质 2015年1期
关键词:新源主震右旋

王 琼 冀战波 赵翠萍 王海涛 聂晓红 李志海

1)新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011

2)中国地震局地震预测研究所,北京 100036

3)中国地震局兰州地震局研究所,兰州 730000

2012年6月30日新疆新源、和静交界MS6.6地震的破裂过程

王琼1)冀战波1,3)赵翠萍2)王海涛1)聂晓红1)李志海1)

1)新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐830011

2)中国地震局地震预测研究所,北京100036

3)中国地震局兰州地震局研究所,兰州730000

利用IRIS全球台网记录到的远场波形对2012年新源、和静交界MS6.6地震的破裂过程进行了反演,同时,结合发震构造喀什河断裂东段的构造特征和MS6.6地震前天山中段区域应力场状态,对MS6.6地震的可能发生机理进行了讨论。结果表明:1)MS6.6地震破裂持续时间约35s,地震能量主要在前16s内释放。整个破裂过程由2次子事件组成,第1次破裂强度大于第2次。此次地震破裂过程相对简单,具有双侧破裂特征,最大滑移量为45cm。MS6.6地震初始破裂点位于高滑动量区域的边缘,深部主体破裂区以逆冲兼右旋走滑错动为主,浅部以右旋走滑错动为主;2)MS6.6地震的3级以上余震主要分布在主震破裂大滑动量区域的外围或滑动量变化梯度较大的区域,主震发生后短期内余震的震源机制特征与主震破裂面在断层面上产生的滑动矢量分布较为一致;3)新源、和静交界MS6.6地震前,新疆地区逆冲类型的中强地震明显增多,尤其是天山中段,且这些地震的震源机制与区域应力场的状态较为一致。显示了天山中段受构造应力场控制作用增强,进而有利于具有右旋扭错性质的喀什河断裂东段发生右旋走滑运动,这可能是6.6级地震发生的直接原因。

新源、和静交界6.6级地震震源破裂过程波形反演震源机制

0 引言

地震震源破裂过程是指初始破裂点破裂开始后破裂行为在震源区的传播过程,断层破裂从震源处开始沿断层面向外扩展,由于断层面上介质物理性质的变化,破裂向外扩展过程并不均匀(王卫民,2005)。通过对地震破裂过程的反演研究,可以得到地震破裂的持续时间、断层面上的滑动矢量分布等破裂过程的详细信息,从而有助于认识地震破裂的方式、断层错动方式和震源区介质性质的非均匀性;同时,通过分析破裂造成的位移分布、余震的震源机制及其分布特征与主震破裂图像的关系,有助于判断未来强余震的发展趋势(李娟等,2005;赵翠萍等,2005,2008;郭志等,2008)。

2012年6月30日5时7分在新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州新源县、巴音郭楞蒙古自治州和静县交界(43.4°N,84.8°E)发生MS6.6地震,震源深度28km。地震宏观震中位置为43°24′N,84°48′E,极震区烈度为Ⅷ度,等震线长轴呈NWW向,该烈度区长半轴25km、短半轴13km,面积1 129km2。

新源、和静交界MS6.6地震震中周围历史地震活动频度低、强度大,100km范围内自公元1900年以来发生过1906年玛纳斯7.7级和1944年新源7.2级地震。MS6.6地震位于北天山构造区,发震构造为喀什河断裂东段,该断裂中段1812年曾发生尼勒克8.0级地震。

北天山构造区历史地震活动频度高、强度大,但1973年精河6.0级地震后该区无6级以上地震,2011年11月1日尼勒克、巩留交界6.0级和2012年6月30日新源、和静交界MS6.6地震打破了该构造区6级地震平静38a的状态。研究MS6.6地震的破裂时空成像过程,不仅可以获得对MS6.6地震破裂过程的认识,而且有助于进一步了解发震断层的错动方式及其近期活动性。

首先采用Kikuchi(1982,1991)的体波反演程序,应用远场波形反演方法对新源、和静交界MS6.6地震的震源破裂时空过程进行了反演计算,获得了MS6.6地震的震源时间函数和断层面上滑动量静态分布。其次,讨论了MS6.6地震后短期内发生的后续中等以上余震震源机制及其分布与MS6.6地震破裂发展的关系。最后,基于MS6.6地震在断层面上的产生滑动分布,结合MS6.6地震的构造背景和MS6.6地震前天山中段区域应力场状态,对MS6.6地震的可能发生机理进行了讨论。

1 新源、和静交界MS6.6地震构造和应力背景

MS6.6地震发震构造为喀什河断裂,是天山内部的一条大型断裂,其总体走向290°,中国境内长约315km,断面北倾,倾角60°~80°(图1)。断裂控制了伊犁盆地北界,北盘上升,南盘下降,属于走滑逆断裂性质。该断裂可分3段,中、西段属于全新世活动断裂,东段晚第四纪以来活动已经趋于微弱。西段分布在伊犁盆地北缘,断裂走向290°左右,长度>150km;中段走向276°,由多条断裂组成,分布在宽约10km范围内,多数为右旋逆冲断层,1812年尼勒克8.0级地震发生在该断裂中段;东段沿喀什河向东延伸,在喀什河源头一带与博罗科努-阿其克库都克断裂相交于乔尔玛以东,走向286°,倾角70°左右。1900年以来该段未记录到6级以上地震,新源、和静交界MS6.6地震发生在该段(图1),距离1812年8.0级地震约150km。

新疆地区是挤压环境下的再生造山断块和盆地断块发育区,以活动逆断裂-褶皱带和压陷盆地为主(邓起东,2003)。在印度板块与欧亚板块碰撞的强烈挤压作用下,准噶尔和塔里木盆地周边的山体沿山前断裂向盆地逆冲,在天山南、北麓发育大型逆冲推覆构造。同时,强烈挤压构造运动产生的不均匀侧向水平剪切作用在天山、昆仑山和阿尔金山内部形成了大型走滑断裂,其中天山构造变形特点较为复杂,不仅山前发育多个逆冲推覆构造,山体内部还发育了大型的逆冲走滑断裂(沈军等,2003)。这样的构造特征控制了新疆的背景应力场状态和主要地震类型。新疆应力场的主要动力来源于印度板块向北的强烈推挤作用,主压应力P轴的优势方位为近SN向,倾角近水平(许忠淮,1989);强震类型主要是逆断型和走滑型(崔效锋,2005)。

王曰风等(2008)研究结果表明,大震或强震往往与大范围的构造活动有关,受控于大范围构造应力场的空间分布状态。新源、和静交界MS6.6地震前,新疆地区逆冲类型的中强地震明显增多,2011年1月至2012年6月发生的15次5级以上地震中10次断错性质为逆断类型,尤其是天山中段发生6次5级以上地震中5次的震源机制为逆断型(图1,震源机制解源于GCMT)。这些中强地震主压应力P轴方位近SN向、倾角接近水平,与区域应力场较为一致,一定程度显示了MS6.6地震前天山中段受SN向水平挤压应力作用明显。MS6.6地震前,新疆大范围应力场应力作用方式呈现出一定程度的一致性,特别是天山中段中强地震震源机制解趋于一致,显示了震源区附近的构造应力场控制作用增强,有利于强震发生(刁桂苓,2004;泽仁志玛,2010),这可能是引发这次地震的直接原因。

图1 2011年6月至2012年6月天山中段5级以上地震震源机制解(GCMT解)和MS6.6地震序列分布图Fig.1 Focal mechanism solutions of MS≥5.0 earthquakes from June 2011 to June 2012 in the central segment of Tianshan Mountains.

2 新源、和静交界MS6.6地震及其余震震源机制特征

北天山地区主要构造为NW走向,历史中强地震震源断错类型以走滑和逆断型地震为主,主压应力P轴方位大致垂直构造走向(高国英等,2005),由西向东呈NNW—NNE向偏转,其俯角平缓,地震断层面倾角较陡。MS6.6地震震区周围历史中强地震主压应力P轴方位以近SN向为主,震源机制以走滑作用为主。

截止到2012年12月,新疆区域台网记录到MS6.6地震的余震中MS≥2.0余震101次,其中MS4.0~4.9地震5次、MS3.0~3.9地震13次、MS2.0~2.9地震93次。6.6级地震序列分布图显示(图1),余震集中分布在主震周围30km×15km的范围内,优势分布方向为NWW向,与NWW向发震构造喀什河断裂较为一致。

考虑到新疆台网密度偏低和余震序列震级偏小,其他震源机制解算方法存在对资料的约束条件,故本文采用P波初动方法解算6.6级部分余震的震源机制。“十五”数字化改造后,新疆测震台网监测能力逐步改善和提高,P波初动解算的中小地震震源机制解矛盾比明显减小(平均值0.1)。表1列出了新源、和静交界MS6.6主震(GCMT解)及其后13次3.0级以上地震由P波初动解算的震源机制解结果,其中震中位置和震级采用新疆区域台网重新定位结果。表1显示,多数余震震源机制解的矛盾比<0.1,较为可靠。该次MS6.6地震断错方式为右旋走滑性质,P轴方位近NNW向。地震极震区长轴方向与NWW向的喀什河断裂走向较为一致,确定节面I(表1)为此次地震的破裂面。序列中3.0级以上余震P轴方位优势分布方向为近SN向,余震序列断错性质以走滑为主,13次3.0级以上余震中10次断错类型为走滑断层,其他3次为倾滑断层。MS6.6地震中等以上余震的优势分布方向与NWW向发震构造喀什河断裂较为一致,其震源错动方式与主震较为一致,也与具有走滑逆断裂性质的喀什河断裂较为一致。

表1 新源、和静交界MS6.6地震及其MS≥3.0余震序列震源机制解Table1 FocalmechanismsolutionsofMS≥3.0aftershocksequenceoftheMS6.6earthquakeintheborderareaofXinyuanandHejingcounties

3 新源、和静交界MS6.6地震破裂过程

本文采用Kikuchi等(1982,1991)的反演方法,基于平面有限断层模型开展新源、和静交界MS6.6地震的破裂过程反演研究。

3.1数据及处理

新源、和静交界MS6.6地震震中位置、震源深度采用新疆地震局的定位结果。波形数据采用IRIS全球台网中30°~90°范围内记录清晰、信噪比较好的29个长周期台站P波记录,参加反演的台站位置和MS6.6地震震中分布见图2。

图2 台站及震中分布Fig.2 Distribution of stations and epicenters.

根据MS6.6地震发震构造、烈度等值线及其余震分布结果,本文以GCMT矩心矩张量解确定的走向为298°、倾角为60°的节面I为破裂面。取长、宽分别为90km、60km的平面断层,并把它分为14×12个单位面积为5km×5km的子断层;破裂起始深度采用新疆地震局重新定位的结果,为28km。

反演中震源下方的介质模型采用Crust 2.0地壳模型,破裂速度取2.5km/s至3.1km/s之间多个值进行试算,最终取为3.0km/s。计算过程中使用的波形时间长度取P波初动之后的50s。将速度记录谱除以仪器响应谱以消除仪器的影响,将速度记录积分为位移后,考虑到震源破裂过程的细节信息包含在高于拐角频率的波形里,进行0.02~0.2Hz滤波。

3.2反演结果分析

图3给出了反演得到的29个台站的观测波形与最佳拟合的理论波形结果,波形拟合方差最小为0.426 6。反演得到的标量地震矩为2.55×1018N·m,矩震级为MW6.2。矩震级与面波震级MS6.6相差0.4级,其主要原因在于矩震级标度是从地震矩换算过来的,二者的换算关系是通过采用全球或区域平均值对应力降和剪切模量作近似得到的。由于应力降与剪切模量的估算不准确会对矩震级标度产生很大的影响,这种影响完全有可能使得矩震级与其他传统的震级标度不一致。戴志阳等(2008)的研究结果表明,中国采用的面波震级普遍大于国际上采用的矩震级,两者的差值平均达到0.3级。尽管矩震级标度结果应该更可信,但是应力降与剪切模量的估算不准确使得矩震级标度的误差很容易达到0.3级。因此,对于具体某个地震而言,很难说面波震级和矩震级哪一个更准确、更可靠一些。

图3 观测波形与最佳拟合的理论波形结果Fig.3 Observed waveform and best-fitting theoretical waveform.

反演得到的震源时间函数显示(图4),MS6.6地震破裂持续时间约35s,地震能量主要在前16s内释放。整个破裂过程由2次子事件组成,第1次子事件发生在0~16s,是这次地震最主要的1次子事件,第2次子事件发生在16~35s,两次子事件分别在8s和28s地震矩释放达到峰值。

图4 归一化震源时间函数Fig.4 Normalized source time-function.

图5 断层面上滑动量的静态分布和部分MS≥3.0余震在断层面上的投影位置及其震源机制解图Fig.5 Map for static distribution of slip amount and projection positions of MS≥3.0 aftershocks on the fault plane and focal mechanism solutions.

断层面上最终滑动量的静态分布(图5)及断层面上时间间隔为3s的破裂过程快照(图6)显示,MS6.6地震主体破裂尺度为长20km、宽20km,最大滑移量为45.0cm。破裂由初始破裂点28km处开始向左上方传播,推测在15km处受到上部坚硬地层阻挡转为横向传播。初始破裂点位于高滑动量区域的边缘,在初始破裂点附近,断层错动以走滑为主;在20~25km左右,滑动矢量方向表现为较大的逆冲兼右旋走滑分量;在15km左右的浅部,断层错动以右旋走滑为主。

由图6可见,破裂主要发生在初始破裂点上方,优势破裂方向是向上,整个破裂过程比较简单。结合震源时间函数,可知破裂开始后迅速向周围发展,第8s时矩张量释放达到最大,在16s时完成第1次主破裂。随后在主破裂区SE边缘开始第2次规模较小的破裂,至第35s破裂过程基本完成。

图6 MS6.6地震破裂过程快照Fig.6 Snapshot of rupture process of the MS6.6 earthquake.

MS6.6地震产生的滑动量在地表的投影及MS6.6地震序列中3级以上地震震中分布图显示(图7),主震和3级以上余震主要分布在高滑动量外缘区域,MS6.6地震产生的优势破裂方向为SEE向。

图7 MS6.6地震破裂滑动过程在地表的投影图Fig.7 Map for the projection of rupture sliding process of the MS6.6 earthquake on the earth’surface.

4 讨论与结论

基于新源、和静交界MS6.6地震的震源破裂时空成像特征,MS6.6地震后短期内发生的后续中等以上余震震源机制及其分布与MS6.6地震破裂发展的关系研究,对于MS6.6地震的破裂过程、较强余震破裂机制及MS6.6地震的可能发生机理得到如下认识:

(1)2012年6月30日新源、和静交界MS6.6地震的震源破裂时空图像显示,MS6.6地震破裂持续时间约35s,地震能量主要在前16s内释放。整个破裂过程由2次子事件组成,2次子事件分别在8s和28s地震矩释放达到峰值,第1次破裂强度大于第2次。

此次地震破裂过程相对简单,具有双侧破裂特征。主体破裂尺度长20km、宽20km,最大滑移量为45cm。初始破裂点位于高滑动量区域的边缘,深部主体破裂区以逆冲兼右旋走滑错动为主,向地表发展的过程中可能受到坚硬物质的阻挡,浅部以右旋走滑错动为主。

(2)新源、和静交界MS6.6地震的3级以上余震在断层面上的投影以及滑动位移分布显示(图5),MS≥3.0余震主要发生在主震破裂大滑动量区域的外围或滑动量变化梯度大的区域,6月30日主震之后发生3级以上余震分布在大滑动量区的NW边缘。MS6.6地震的3级以上余震机制解与主震基本一致,多为右旋走滑错动(仅有3次为倾滑类型)。

主震发生后短期内余震的震源机制特征也与主震破裂时在断层面上产生的滑动矢量方向较为一致。位于主震以北的大滑动量区域边缘的余震震源机制类型以走滑为主,与主震破裂时在该区域产生右旋的滑动矢量的方向较为一致;而位于主震破裂区域SE方向的余震带有明显的逆冲分量,与主震破裂时在该区产生的向上、右旋的滑动矢量方向基本一致。总体来说,后续余震优势分布方向与主震产生的向上、向右的优势破裂方向有较好的一致性,余震的震源破裂特征与主震破裂所引起的断层面上的滑动位移矢量方向也较为一致。

本研究的结果与Zobin(2001)和赵翠萍(2008)关于1997年Cape Kronotsky的MW6.8地震和1998—2003年伽师3次6级地震的大多数余震发生在滑动量相对较小的破裂区、1998年伽师的2次6级地震短期内发生的余震震源机制解与断层破裂面上的错动方向一致也是相似的。由此认为,主震的破裂成像结果可为我们判定后续较强余震的发生位置及其破裂机制提供参考依据。

余震发生在滑动量相对较小的破裂区和余震震源机制解与断层破裂面上的错动方向一致性的可能原因是强震的破裂过程造成了应力的重新分布,进而导致了低滑动区域的剪切应力增加,有利于后续余震发生(King,1994;赵翠萍等,2008);同时,应力重新分布也有可能使得主震后短期内发生的余震破裂机制与主震破裂时在断层面上产生的滑动矢量方向一致。

(3)喀什河断裂总体以逆冲活动为主,东段带有右旋扭错性质,其东、中、西3段都存在明显的新活动。尹光华等(2003,2007)研究表明,喀什河断裂带自晚古生代就已开始活动,在新生代仍有多次活动并以垂直运动为主,晚第四纪以来的垂直活动速率为0.9~6mm/a;西段中更新世以来的垂直活动速率为0.75~1.2mm/a,从中更新世到全新世有逐渐降低的趋势,该段历史地震以5、6级地震活动为主;中段在中更新世以来的垂直活动速率为0.9~6.3mm/a,到晚更新世末则明显增强,全新世后期有逐渐降低的趋势,1812年该段曾发生尼勒克8.0级地震;东段5万年以来的垂直活动速率为4.0mm/a,和整个断裂带平均活动速率大致相当,全新世以来喀什河断裂带东段的抬升幅度大于西段,水平位移的分量明显加大,一系列冲沟呈悬谷并发生右旋水平位错,但是错距不是很大。1900年以来该段未记录到6级以上地震,新源、和静交界MS6.6地震的发生显示该段趋于活动。

MS6.6地震断层面上滑动量的静态分布图和MS6.6地震序列中等以上余震震源机制显示,断层以逆冲兼右旋走滑和走滑错动为主,与喀什河断裂及其东段活动特征较为一致。MS6.6地震产生优势破裂方向为SEE向,与其发震构造喀什河断裂右旋错动性质也较为一致,表明了MS6.6地震可能是由具有右旋扭错性质的喀什河断裂东段活动引发的。

(4)大震或强震往往与大范围的构造活动有关,受控于大范围构造应力场的状态。新源、和静交界MS6.6地震前,天山中段逆冲类型的中强地震明显增多,且这些地震的主压应力P轴方位、倾角与区域应力场的较为一致。一定程度显示了天山中段受构造应力场控制作用增强,有利于喀什河断裂东段发生右旋走滑运动,有可能是引发这次6.6级地震的直接原因。

致谢马宝柱副研究员、魏芸芸助理工程师提供了6.6级地震序列的重新定位和震源机制解部分数据,尹光华研究员在地质构造环境方面给予了指导和帮助,在此表示衷心的感谢。

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Abstract

By using the digital teleseismic seismograms recorded by the global network(IRIS),we studied the rupture process of the MS6.6 earthquake of Jun.30,2012,in the border area between Xinyuan and Hejing Counties.In addition,based on the tectonic feature of the eastern segment of Kashi River Fault and regional stress state in the central segment of Tienshan region before the MS6.6 earthquake,we discussed the possible seismogenic mechanism of the MS6.6 earthquake.The result indicates that the lasting time of the MS6.6 earthquake’s rupture process is about 35s and the main energy release appears in the early 16s.The total rupture process consists of two sub-events,strength of the first rupture is higher than the second one.The rupture process is relatively simple and has bilateral rupture characteristics;the maximum slip amount is 45.0cm.The initial rupture point of the MS6.6 earthquake locates on the verge of high slip amount area,the dislocation mode of main rupture area in the depth is reverse and right-lateral strike-slip type,and the one in the shallow is mainly right-lateral strike-slip type;MS≥3.0 aftershocks are mainly distributed on the verge of high slip amount area or high gradient area of slip amount change;the feature of focal mechanisms of those aftershocks occurring within the short time after the mainshock is consistent with the slip vector distribution on the fault surface;The mid-strong earthquakes with reverse fault type taking place before the MS6.6 earthquake had increased obviously in Xinjiang area,especially in the central segment of Tienshan area,and the azimuth and plunge of P axis of these earthquakes are consistent with the regional stress field.This suggests to a certain extent that the central segment of Tienshan area is more under the control of the tectonic stress field,which may promote the right-lateral strike-slip motion on the right-lateral wrench faulting eastern segment of the Kashi River Fault.And this may be the generating mechanism of the MS6.6 earthquake.

RESEARCH ON SOURCE RUPTURE PROCESS OF MS6.6 EARTHQUAKE OF JUNE 30,2012,IN THE BORDER AREA OF XINYUAN AND HEJING COUNTY,XINJIANG

WANG Qiong1)JI Zhan-bo1,3)ZHAO Cui-ping2)WANG Hai-tao1)NIE Xiao-hong1)LI Zhi-hai1)
1)Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi830011,China
2)Institute of Earthquake Science,China Earthquake Administration,Beijing100036,China
3)Lanzhou Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Lanzhou730000,China

the MS6.6 Xinyuan-Hejing,source rupture process,waveform inversion,focal mechanism

P315.3+3

A文献标识码:0253-4967(2015)01-0033-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2015.01.003

王琼,女,1973年生,2000年在中国地震局兰州地震地震研究所获固体地球物理专业硕士学位,正研级高级工程师,现主要从事地震学、应力触发等方面的研究,电话:0991-3650557,E-mail:wangqio8715@sina.com。

2013-11-14收稿,2014-01-27改回。

地震科技星火计划项目(XH13027)、中国地震局财政专项“新疆新源、和静交界6.6级地震现场科考项目”和新疆地震科学基金项目(201303)共同资助。

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