基于波形反演研究新疆天山中段震源深度分布特征①

张志斌

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

震源深度是地震3要素参数中1个基本参数，因震源深度和发震时刻存在耦合性，使其成为最不易测准的参数之一。目前，对震源深度的测定主要采用走时和波形反演这2种方式[1]，基于波形反演主要依赖于地表反射波一类的深度震相(sPg、sPn、sPL等)、瑞利面波与体波振幅比、瑞利面波振幅谱等[2-4]。随着宽频带地震仪的大面积使用，在台站方位角分布较好地区，利用波形反演震源机制解的同时，可以得到较为准确的震源深度，比较有代表性的是“裁剪-黏贴”(cut and paste，CAP)方法[5-6]。

新疆天山中段夹持于准噶尔和塔里木两大盆地间，区域山前分布有多排活动逆断裂-褶皱带，同时内部还发育由活动逆断裂控制的压陷盆地，近年来强震频发。自2009年以来，该区域已发生11次MS≥5.0的地震。限于台网布局、定位方法和区域地壳速度结构的影响，该区域震源深度的精确定位目前仍是难题[7],以往的研究成果主要集中在地震活动性与活动构造的关系[8]，就震源深度进行专门探讨较少。准确测定震源深度对于探索地震的起源、孕育机制及地壳内部构造变形等有重要意义[9]。张国民等[9]对中国大陆的震源深度进行了系统研究，并以此讨论了地壳力学行为、变形属性及破坏方式。李莹甄等[10]对乌鲁木齐地区震源深度分布特征与断层关系进行研究，得出其平均震源深度空间分布与断层展布的密切相关。孔祥艳等[11]对新疆测震台网“十五”与“九五”期间产出的震源深度对比分析，发现“十五”期间产出的震源深度普遍偏浅。

本文中以天山中段为研究区域，收集该区域2009～2017年MS≥3.0地震，对上述地震震源深度采用CAP方法进行重测。研究区域内MS≥3.0地震活动及震源机制解分布特征，结合该研究区地震地质资料，分析新疆天山中段地震活动空间分布与区域地震构造的关系。

1 资料与方法

新疆测震台网在2009年数字化观测改造后，各站点基本改造为宽频带数字化观测，台站密度提高，监测能力得到大幅提升。本研究在选取新疆天山中段MS≥3.0地震时，剔除了部分受到强震尾波干扰而无法计算的余震事件，共计得到273个地震事件。震中水平位置采用了中国地震台网中心统一编目的结果，研究区区域及CAP方法使用台站分布(图1)。

图1 研究区概况及台站分布图Fig.1 Study area and station distribution

Zhao and Helmberger 在1994年提出了CAP方法，并在1996年进行了改进，其主要原理为将区域范围观测波形分解成体波和面波两部分并分别进行拟合，使理论波形与观测波形互相关最高，该方法已在多地区得到了应用[12-14]。该方法假设震源为双力偶点源模型，将自由表面距离震源r处的位移分别表示为由3个方向的矩张量产生的位移。其理论地震图可表示为

(1)

式中，M0代表标量地震矩；Gi代表格林函数；Ai为震源辐射花样；θ为台站方位角；断层走向、倾角和滑动角对应为φ、δ、λ。

理论地震图的计算，采用了频率-波数法(F-K)计算不同震中距(深度)的格林函数[15]，速度模型采用Crust2.0速度结构和Zhao等人[16]沿阿勒泰—奎屯—库车一线利用人工爆破获得剖线附近P波速度结构的资料，研究区采用的速度模型(表1)。

表1 新疆天山中段地壳速度模型

2 计算结果及分析

采用CAP方法对地震事件的震源深度重新测定，在计算过程中，根据地震震级的大小，面波采取了不同的滤波频带，对于MS≥5.0的地震，采用0.02～0.05 Hz的带通滤波；3.0≤MS<5.0的地震，采取0.05～0.1 Hz的带通滤波，每个地震事件选择震中附近400 km以内的地震台站。为了得到可靠的震源机制解及矩心深度，去除记录信噪比过低及反演结果较差的地震事件，共计得到256个地震事件，其中3.0≤MS<3.5地震142个，3.5≤MS<4.0地震62个，4.0≤MS<5.0地震41个，MS≥5.0地震11个。计算得到的震源深度反演误差全部小于0.1×102， 反演结果较为可靠。图2分别展示了伊宁MS3.1地震和轮台MS5.1地震的反演结果，显示不同震级其面波拟合相对较好，体波部分受浅层结构的影响，拟合度相比面波有细微差别，但整体计算结果较好。

图2 CAP方法地震波形拟合图(a) 2017年3月2日伊宁MS3.1地震 (b) 2016年1月14日轮台MS5.1地震Fig.2 CAP method seismic waveform fitting diagram

将反演得出的震源机制解参照Zoback[17]的分类标准对其进行分类(图3)。研究区中主要以逆断型地震和走滑型地震为主，其中逆断型地震占所有地震的50%，体现了新疆天山中段以挤压为主，这与欧亚板块和印度板块的碰撞，致使天山造山带受塔里木盆地和准噶尔盆地的挤压俯冲有密切联系，符合高国英等[18]对新疆地区整体的应力状态的认识。随着震级的下降，对于3.0≤MS≤4.0的地震，由于其发生有一定的随机性，受区域背景应力场控制较弱，个别地震主要是受局部活动断裂的自身相对运动，因此研究区内存在个别少数的正断层型地震，且震级均为MS≤4.0。

将CAP方法计算出的震源深度与统一编目产出的结果进行对比(图4)。统一编目中研究区内地震事件震源深度主要集中在0～10 km的上地壳，这与MSDP测定出的震源深度普遍偏浅且集中在10 km左右的认识相符[19]，而由CAP方法反演出的震源深度主要集中在15 km左右，且在不同的深度范围内都有一定的分布。李艳永等[20]对北天山中东段呼图壁地区2009年以来MS≥2.0的地震采用PTD方法进行定位，得出重定位后的震源深度优势分布为15～20 km，与本研究结果相一致。以20 km为界，有27%的地震事件是分布在20～30 km，即中下地壳(图4)。根据张国民等[9]对中国大陆地震震源深度的研究表明，新疆地震构造区的地震平均深度为(21±10)km，显然地震目录给出的震源深度不符合这一认识，而本文得出的震源深度值于上述研究结果相同。

为直观的反映新疆天山中段震源分布特征，将研究区内的震源深度按照深浅进行颜色区分，得到震源深度分布平面图(图5)。图5显示，较深的地震事件都发生在新疆天山中段山前部位，即新疆天山中段与塔里木盆地和准噶尔盆地的接触部位，而在天山的中部区域，地震事件分布较少，且震源深度普遍在15 km左右，无较深的地震发生。Alireza等[21]利用深度震相确认了部分天山地区MS≥5.0地震的震源深度，发现在天山山前区域震源深度较天山内部深，在博格达弧形断裂带附近，震源深度甚至能达到下地壳的底部，Mckenzie[22]等在对USGS目录重定位后同样发现了这一现象。由于深度剖面上更能直观反映研究区内震源深度分布特征，为此以博格达弧形断裂附近为起点，横跨天山中段和塔里木盆地作AA′剖面，沿着天山作BB′剖面(图6)。由AA′剖面看，盆山结合部不仅地震活动性高，且震源深度范围大，深地震多发生在盆山结合部前缘。两大盆地与天山中段接触部位地震活动性都比较高，基本呈对称分布。根据杨主恩等人的研究[23]，天山造山带南北两侧的一些结构存在对称性，也存在差异性，即现代地震南强北弱的特点。由AA′剖面可见南北两侧震源深度分布特征相同，但本文中选取时段内，地震活跃度存在南强北弱的现象。由BB′剖面分析，研究区内浅源地震事件较少，震源深度主要集中在10～25 km范围内，比平原地区震源深度更深。张国民等人[9]研究表明塔里木盆地和准噶尔盆地都属于在纵向和横向结构上完整性强，结构单一且稳定的活动地块，但在盆山接触带呈现地震活动性强且深度偏大的特点，这与本研究的结果一致。

图6 震源深度分布剖面图(a) AA′剖面 (b) BB′剖面Fig.6 Source depth profile

3 震源深度分布及构造意义

地震震源深度与地震灾害、地震成因和动力学环境有着密不可分的联系。由人工地震宽角反射/折射探测结果[24]显示，天山地壳显示出两侧薄，中间厚的特征。本研究结果显示，新疆天山中段发生的MS≥5.0地震都发生在20 km左右，且都发生在地壳相对薄的区域，而地壳较厚的天山中段其震源深度反而较浅，主要为一些中小地震，其孕震机制很可能为其附近的断层自身运动而导致的。

统计研究显示内陆地震绝大多数都发生在15 km以上的地壳中。张国民等[9]认为脆韧性转换带的深度与震源深度有直接关联。杨晓平等[25]认为新疆天山中段脆韧性转换带的形成在15～25 km，本研究结果显示在天山中段与盆地结合部位，震源深度也集中在15～20 km，符合脆韧性转换带的分布特征。

天山中段山前部位为天山与两大刚性盆地的接触部位，其震源深度涉及到中下地壳，有研究表明塔里木盆地和准噶尔盆地对对天山造山带的俯冲已涉及到下地壳[16]。受印度板块向北的推进，刚性的塔里木板块向北俯冲到天山造山带，遇到冷的、稳定的刚性块体准噶尔盆地的阻挡，造成天山造山带被两大刚性块体的俯冲抬升。层析成像结果分析[26]显示天山造山带中下地壳分布有广泛的低速体，该低速体与其深度范围内地震发生有密切联系。此外，相对于天山造山带，两大盆地均为冷盆，两大冷盆向天山造山带的俯冲，造成彼此密度及热流值的差异，对天山造山带山前中下地壳地震事件的发生是否起主导作用，需准确的测量和模拟地壳及上地幔温度梯度，这对理解区域内发震机制有至关重要的作用。

4 结论

利用波形反演的CAP方法反演新疆天山中段MS≥3.0地震震源机制解，研究区内地震类型基本以走滑型地震和逆冲型地震为主，兼有少量的正断型地震。震源深度从4～30 km的范围内都有分布，其中深度在15～25 km范围内地震发生个数占全部地震个数的45.1%，与杨小平等[25]对该地区地震活动性研究结果相符，而MS≥5.0地震震源深度都分布在15 km以下。区域内盆山结合部位地震活动性明显高于山体内部，且盆山结合区域地震震源深度下限更深，甚至达到下地壳的顶部。相比于基于到时类震相由统一编目给出的震源深度，本研究结果给出的震源深度更为可靠。

新疆天山中段震源深度分布显示出天山内部浅，盆山结合部深的分布特征，盆山结合带地震分布多，震源深度由浅到深均有分布，甚至达到中下地壳，而在天山内部其震源深度分布相对较浅。由地震层析成像研究表面[26]，北天山地区的脆韧性转换带分布在15～25 km的范围内。该脆韧性转换带的位置恰好对应天山中段震源深度分布较为集中的区域，且玛纳斯MS7.7 地震也发生在此深度。天山山前部位中下地壳地震事件的发生与其接触部位密度及热流值的差异密切相关，由大地热流研究表明[27]，准噶尔盆地平均大地热流值为49.61 mW·m-2，而天山地区多处热流值达到100 mW·m-2，较高的热流值差异，造成该区域独特的孕震模式。

震源深度分布特征反映了地震活动的动力环境，新疆天山中段由于其独特的构造特征使其对它的研究更有意义。对该地区进一步的研究有助于认识盆山结合部位的俯冲机制，天山山体的隆升，两大板块的碰撞远程效应的影响程度和范围，为区域内地震危险性评价提供相关基础资料。