2015年新疆皮山6.5级地震序列震源机制特征分析

孙昭杰 李金 黄瑜 桂荣

1）喀什基准台，新疆喀什市慕士塔格东路7号 844000

2）新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011

0 引言

据中国地震台网测定，2015年7月3日9时7分新疆和田地区皮山县发生MS6.5地震（简称皮山6.5级地震），此次地震震中 37.6°N，78.2°E，震源深度 10km，震中距皮山县城仅7km，震害现象严重，南疆大部分地区有强烈震感。通过灾区震害调查和遥感震害解译等方式，确定此次地震灾区极震区烈度为Ⅷ度①http：／／www.csi.ac.cn／publish／main／1／734／101168／101169／20160420155417658697648／index.html。，部分老旧房屋遭到不同程度的破坏。Ⅵ区及以上灾区总面积达到14580km2，地震造成6人死亡②http：／／news.qq.com／a／20150703／014732.html及较为严重的经济损失。

1900年以来，该地区100km范围内曾发生2次6级以上地震，分别是1902年8月31日新疆皮山6.8级、1998年5月29日新疆皮山MS6.2地震。此次皮山6.5级地震震中附近区域监测能力较弱，台站相对较少，距离最近的固定台站为叶城台（YCH），距震中约73km。地震发生后，新疆维吾尔自治区地震局监测中心第一时间赶往震区架设流动台（LD1、LD2），为后续的研究工作提供了宝贵的资料。

1 地质构造背景

研究区地处青藏高原西北部、塔里木盆地与西昆仑造山带的过渡部位——塔里木盆地西南凹陷边缘的山前地带。西昆仑山前带变形时间发生在上新世-第四纪，变形强度由山体向盆地逐渐减弱（刘胜等，2004）。塔西南山前构造带EW向可划分4段，即帕米尔弧形逆冲构造段、齐姆根弧形构造段、甫沙-克里阳三角带构造段和和田冲断推覆体构造段（胡建中等，2008）。此次地震发生在甫沙-克里阳三角带构造段内，该带构造线总体呈近 EW向，发育前列式的挤压变形，与区域逆冲推覆方向直交。震源区附近由南向北发育康西瓦断裂、铁克里克南-北缘断裂、柯克亚背斜、克里阳潜伏背斜、合什塔克背斜（曲国胜等，2005）。克里阳-甫沙构造发育基底卷入型逆冲断层，克里阳-甫沙断层贯穿西昆仑山前的克里阳-甫沙构造。铁克里克断裂是一条近EW走向弯折逆冲断裂，断裂前端构造复杂（梁瀚等，2012）。由于塔西南地区以强韧性剪切构造变形为特色，深部发育多期次倾向南的逆冲断层，在剖面上形成叠瓦扇构造（刘胜等，2004），西昆仑山前冲断带表现出强烈的隆升作用，对地震发生有重要的影响（潘家伟等，2007）。深地震反射剖面（高锐等，2002）揭示了塔里木刚性岩石圈与青藏高原西北缘岩石圈在西昆仑山下存在相向倾斜碰撞的深地震反射证据。王有学等（2006）的层析成像研究发现，青藏高原板块岩石圈发生拆沉作用，地壳浅部物质逆冲于塔里木盆地前陆之上，形成了西昆仑北部构造带，促进了塔里木前陆盆地的发育。根据深地震测深结果可知，塔西南凹陷和西昆仑造山带之间SN向构造挤压作用仍在持续（李秋生等，2000）。

中国地震局地质研究所网站公布的皮山6.5级地震区域地震构造图显示，该地震发生在泽普隐伏断裂附近。地震现场科考发现，皮山6.5级地震没有产生明显的地表破裂带，但在地表出现多处地裂缝及喷砂现象（姚远等，2016），研究发现这些张性裂缝多沿皮山背斜核部线性分布。吴传勇等（2017）研究认为，此次地震发震构造为皮山逆断裂-背斜带，在背斜北翼，逆断裂尚未出露地表，属于典型的褶皱型地震。

2 方法和原理

震源机制解是探究地震发震构造的重要参数，能表示地震发生时震源区的力学过程和震源处断层的运动模型，主要用来研究应力场（王强等，2014）。前人已积累了多种震源机制研究方法，例如基于P波初动（高国英等，2003）、P／S振幅比（于海英等，2003）、长周期面波（马淑田等，1997、1998）、体波记录反演（许力生等，1997）和近震记录反演等方法（刁桂苓等，1994）。Dreger等（1990、1993）采用近震全波场反演方法，利用体波、面波信息，通过理论波形与实际波形的对比，研究了震源机制。

目前较为流行的CAP方法，最早由Zhao等（1994）提出，该方法将体波和面波进行联合反演，将地震图分成较短周期的Pnl波（P波及其后续震相）和长周期的面波两部分，分别对Pnl和面波赋予不同的权重进行拟合。

反演原理：设u（t）是台站记录到的去除仪器响应后的地震波形，s（t）是相应的理论计算出的波形，则有等式

其中，i＝1、2、3时分别对应震中距和深度上3种基本断层面（垂直走滑、垂直倾滑和倾角为45°的倾滑）；Gi为对应各个方向的格林函数；Ai为辐射系数；φ为台站方位角；M0为标量地震矩；θ、δ、λ依次为震源机制解断层的走向、倾角、滑动角。

在反演过程中，以合成地震位移s（t）与观测地震位移u（t）一致性作为判断标准，用下式估计走向、倾角、滑动角以及标量地震矩M0

其中，u（t）、s（t）分别为实际地震记录和理论地震图。反演过程中在适当的时间变化范围内相对移动，一定程度上避免了因为地壳模型不准确而引起的震相到时的误差因素。

由于要求的震源机制解的未知参数不多，且 0°≤θ≤360°，0°≤δ≤90°，-180°≤λ≤180°，考虑到波形随震中距的衰减，定义一个目标误差函数来衡量s（t）与u（t）间的差异，直接采用网格搜索的方法在震源参数空间（θ，δ，λ）中进行搜索，在搜索时，当误差函数达到最小时，则认为震源参数最接近真实情况（Zhu et al，1996）。使用的目标误差函数为

式中，r为震中距；r0为选定的参考震中距；P为距离影响因子，一般而言，体波P＝1，面波P＝0.5（郑勇等，2009）。

该方法的优点是对Pnl波和面波在拟合的时候分别作时间平移，以将速度模型的不确定性降到最低，且相对提高了Pnl波的权重，对震源深度测定有较好的约束，同时引入距离影响因子，以充分考虑因距离的衰减对波形的改造。前人的研究结果（郑勇等，2009；吕坚等，2008、2013；韩立波等，2012；李金等，2015；杨军等，2014；郑建常等，2015；张致伟等，2015；刘建明等，2016）表明，CAP方法在反演震源机制解和确定震源参数方面的优势较为明显。

3 资料和地壳模型选取

本文使用新疆区域地震台网的宽频带数字地震波形资料，选择距震中500km范围内20个方位角较好、信噪比较高的台站波形资料（图1），计算震源机制解。

该区域台站稀疏，对其研究相对较少，距震中200km范围内仅有5个固定台站（不包括LD1、LD2、HTTZ），因此，研究中利用 CRUST2.0（http：／／igppweb.ucsd.edu／-gabi／crust2.htm l）得到该区域的一维速度结构模型（表1），在该速度模型中地壳厚度约53km，分为5层。

4 计算结果分析

图1 地震震中与周围的台站分布

采用CAP方法，利用距震中500km范围内的20个台站的波形资料反演了皮山6.5级地震主震的震源机制解。先将原始速度记录扣除仪器响应后积分得到位移记录，再将位移记录从UD-NS-EW分量旋转至大圆路径的Z-R-T坐标，皮山6.5级地震主震Pnl波使用带宽0.04～0.12Hz、面波使用带宽0.05～0.10Hz，分别进行 Butterworth滤波。Pnl波和面波的相对权重取为2：1，这样有效避免了面波在反演中权重过大的影响。前人的研究（韩立波等，2012；吕坚等，2013；李金等，2015；张广伟等，2016）表明，选择相应的滤波参数对计算得到的理论地震图进行滤波，既可以滤掉地脉动和由速度转换至位移所造成的长周期漂移，也可以有效避免地下介质小尺度带来的影响，研究结果较好。在计算理论地震图时我们采用频率-波数方法（F-K）计算格林函数。

通过计算各深度下的格林函数，搜索出合成地震图和观测地震图全局差异最小的震源机制解（图2），绘出误差随深度分布图（图3），得到最佳矩心深度为19km，主震的矩震级为MW6.2，P轴方位 16°，最佳双力偶机制解节面 I：走向 286°、倾角 52°、滑动角 91°，节面Ⅱ：走向105°、倾角38°、滑动角89°。在反演中，对皮山 6.5级地震主震破裂上升时间选择 5～10s进行测试，并选取合理的震源破裂持续时间进行反演。研究发现，震源破裂持续时间选取6s时，理论波形与实际观测波形拟合结果最好，更接近真实的发震机制，但震源破裂持续时间对矩心深度影响不大（Xie et al，2018）。

此外，收集了国内外不同研究机构和学者给出的此次皮山6.5级地震的震源机制解（表2），进行对比分析。本文计算得到的震源机制与其他机构和学者得到的结果均较接近。本文研究得到的矩心深度与李金等（2016）给出的结果相同，介于美国地质调查局（USGS）和中国地震台网中心（表2）给出的结果之间。

表1 地壳速度模型

图2 皮山6.5级地震矩张量反演理论波形（红色）与实际观测地震波形（黑色）

图3 皮山6.5级地震矩张量反演拟合误差随深度的变化

通过CAP方法反演得到皮山6.5级地震主震的震源错动性质为逆冲型。李金等（2016）利用双差定位方法对皮山6.5级地震序列进行了重新定位，其中垂直震中分布的优势长轴走向剖面反映了沿断层倾向的震源分布特征，并较为清晰地揭示出S倾的可能发震断层（西南为上盘），倾角大致为40°，其利用小震分布和区域应力场拟合得到发震断层参数为走向104°／倾角34°／滑动角94°。张广伟等（2016）采用双差法对皮山6.5级地震余震序列进行精确定位，结果显示，余震序列沿NWW向单侧破裂，深部剖面显示发震断层面向SW倾斜，但断层面的倾角沿NWW方向有逐渐增大的趋势。综合前人的研究结果，并结合发震构造，判断此次地震为低角度逆冲型，节面Ⅱ为皮山6.5级地震主震的破裂面。

表2 不同研究机构和学者给出的2015年皮山M S 6.5地震震源机制解

此外，利用CAP方法反演了皮山6.5级地震序列中部分MS≥3.6余震的震源机制解（表3），共反演了22次余震，其中，15次逆冲型地震，2次正断型地震，5次走滑型地震。余震序列反演时滤波参数 Pnl波使用带宽范围为0.04～0.15Hz、面波部分使用带宽范围为0.05～0.10Hz，地震破裂时间设定为0.1s，对地震破裂持续时间选择0.1～1.0s进行测试，研究发现，地震破裂持续时间的改变对3～4级地震震源机制解和矩心深度反演结果影响不大。主震发生后，从余震序列震源机制随时间的变化（图4）来看，早期余震大部分与主震的破裂类型相同，大多为逆冲型，说明其破裂方式受到主震制约，后期序列中出现走滑及正断型地震，可能是由于震后震源区应力场出现一定程度的调整所致。余震的矩心深度大部分为10～20km，与主震的矩心深度较为一致（图5）。统计皮山6.5级地震序列的主压应力P轴方位的分布情况（图6），发现其优势方位为NNE向，塔西南西昆仑山前发育多条走向近NNW、高角度向WS倾斜的逆冲断层，高锐等（2000）深地震反射剖面探测反映出西昆仑下地壳由南向北倾斜，倾角约为35°的结构特征。此前梁瀚等（2012）研究发现，西昆仑山前东段区域挤压应力方向为N20°E，故皮山6.5级地震序列的主压应力与该区域构造应力场较为一致。

此次皮山6.5级地震是典型的褶皱型地震（吴传勇等，2017）。皮山6.5级地震科考工作发现，研究区并未产生明显的破裂带，张性裂缝多沿背斜核部线性分布，在背斜顶部发现了一系列的弯矩断层，地表出现喷砂冒水及地裂缝现象（姚远等，2016）。褶皱型地震的特征是震源深部的断裂位移向上快速衰减，在接近地表处衰减趋于零，不引起或只形成很小的地表断裂位移，地震时地表变形以褶皱隆起为主。新疆西昆仑山前构造带与北天山地区较相似，均是典型的大陆内部褶皱和逆断裂活动带，在新疆天山北麓发生的1906年玛纳斯7.7级地震就属于这种类型的地震（张培震等，1994）。

5 结论与讨论

本研究通过反演皮山6.5级地震主震及余震序列震源机制解，得到如下结论：

（1）利用CAP方法反演了皮山6.5级地震主震震源机制解，得到节面I走向286°、倾角52°、滑动角 91°；节面Ⅱ走向 105°、倾角 38°、滑动角 89°，P轴方位 16°，得到的最佳矩心深度为19km，矩震级为MW6.22，表明此次地震是一次逆冲型地震。皮山6.5级地震序列精定位（李金等，2016；张广伟等，2016；杨文等，2017）结果显示，余震序列沿 NWW向线性展布，深部剖面显示发震断层面向SW倾斜，为一次单侧破裂事件。结合震源区的活动构造判定，节面Ⅱ为主震的发震断层面，与前人对该区域的构造研究结果具有较好的一致性。

（2）计算了余震序列中部分MS≥3.6地震的震源机制解，时间截至2016年3月31日。研究发现，主震发生后，随着序列的发展变化，早期余震震源机制大部分为逆冲型（图4），也说明早期余震的破裂方式与主震较为一致。随着时间推移，序列中出现走滑及正断型地震，说明震源区应力可能出现一定程度的调整。该研究区区域挤压应力方向为NNE向（胡建中等，2008），梁瀚（2012）研究认为西昆仑山前东段区域挤压应力方向约为 N20°E，与皮山6.5级地震序列的P轴方位的优势方向较为一致（图6）。

表3皮山M S6.5地震主震及部分M S≥3.6余震的震源机制解

图4 2015年7月3日皮山6.5级地震序列及震源机制解分布

图5 地震序列的矩心深度分布

图6 地震序列主压应力方位玫瑰图

（3）此次皮山6.5级地震震源区构造复杂，塔西南凹陷发育薄皮逆冲褶皱，深部发育错综复杂的逆断裂，上部发育一系列的褶皱构造，古近系阿尔塔什组膏泥岩作为西昆仑山前东段新生代褶皱冲断带锥形契的底部滑脱层，塑性软弱膏岩层分隔了深部和浅层构造（梁瀚等，2012；肖安成，1996），此次地震主要受到深部逆冲断裂构造的影响。张玮等（2010）的研究显示，从西昆仑山褶皱带到塔西南凹陷边缘，其中变质基底与古生界之间以大型逆冲断层分隔，断层走向NNW-SSE，沿造山带呈连续线状平直延伸。伍秀芳等（2004）通过对帕米尔-西昆仑北麓前陆褶皱冲断带3条典型地震剖面的构造进行分析，发现帕米尔-西昆仑山前除山麓地带发育高角度断层外，基本上以低角度逆断层为主，形成与逆冲推覆构造相关的褶皱变形。吴传勇等（2017）认为此次皮山6.5级地震发生在西昆仑山前的逆冲推覆构造上，由震后科考得到的余震分布可知，此次地震的发震构造为皮山逆断裂-背斜带，属于褶皱型地震。杨文等（2017）通过精定位后的余震展布结果表明，余震序列沿着隐伏的泽普断裂呈NW向分布。皮山6.5级地震序列震源机制显示，大部分震源机制以逆冲为主，与附近泽普隐伏逆断裂活动特征较为一致（表3）。结合前人研究和该地区地质构造特征，表明该地区是西昆仑强震的孕育场所，此次地震受到深部泽普隐伏逆断裂控制，主震处下覆地层相对低角度逆冲，造成上覆褶皱构造发生挤压破裂，有可能是引发此次皮山6.5级地震的直接原因。

致谢：新疆地震局监测中心为本文研究提供了波形数据。在论文完成过程中，得到了新疆地震局魏芸芸工程师的帮助，同时也得到了喀什地震台领导及同事的关心，匿名审稿专家对论文修改提出了宝贵建议，在此一并感谢。谨以本文悼念皮山地震中的遇难者同胞。本研究部分图件采用GMT软件绘制。