2021年9月新疆皮山—叶城前震、双震及余震序列的精定位研究①

冉慧敏， 龚固斌

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

2021年9月4日9时54分，新疆维吾尔自治区和田地区皮山县(37.87°N，77.96°E)发生MS5.1地震；间隔近15 h后，9月5日1时52分，喀什地区叶城县(37.79°N，77.85°E)发生MS5.0地震。两次地震发生后，新疆维吾尔自治区地震局均派出地震现场应急工作组赶赴震中，均未发现人员伤亡和群众财产损失。两次地震释放能量相近，震中位于皮山县和叶城县的交界地区(简称皮山—叶城双震)。皮山MS5.1震前10 h内，共发生3次4级地震和10次3级地震；截至2021年9月29日，已经发生360余次地震。此次皮山—叶城地震属于前震-双震-余震型。皮山—叶城双震发生在塔里木盆西南与青藏高原西北交界处的西昆仑山前缘，是青藏高原西北缘向北俯冲与塔里木盆地向南俯冲相碰撞的地区[1-2]，是研究青藏高原隆升历史和印度板块与欧亚板块碰撞的重要地区[3-5]。由于两个块体的双向挤压造成此区域上地壳发生脆性变形，与山体内部大型的剪切变形样式不同，昆仑山前以一些逆冲叠置断层—褶皱构造变形为主[6-7]。青藏高原的强烈隆升作用对地震发生有重要影响[8]，复杂的地质构造使该地区地震频发。1900年以来震中100 km范围内共发生9次5级以上地震和1次6级以上地震；最大、最近的地震为2015年7月3日的皮山MS6.5地震，相距约为50 km，发震断层为同一断层NW—SE走向的泽普隐伏断裂。为获得更可靠的地震定位结果，本文中重新定位分析前震、主震(双主震)和余震序列，并利用双差定位法进行精定位，以得到较为准确的地震活动空间分布图像，研究此次皮山—叶城双震的孕育、发生、发展全过程，为研究塔里木盆地和青藏高原的动力学关系提供可靠的基础数据。

1 台站及资料选取

皮山—叶城双震震源区处于塔里木西南戈壁沙漠和地形起伏强烈的西昆仑山造山带之间，地理环境相对恶劣。随着数字化台网的建成、改造和升级，震源区监测能力得到很大的提高。参与此次地震序列定位的台站包括：3个国家台(BCH、HTA、YUT)、5个区域台(XKR、TAG、YPH、YJS、YCH)、3个背景场台(MGT、SSL、TAZ)和6个青藏高原监测能力提升项目建设台站(AKE、KKE、DUW、AQK、QHA、YAM)共17个日常运行固定地震台站及1个和田台阵。为了更好地监测地震余震的发展态势，在震后紧急架设了3个流动台站L6505、L6506和L6512，考虑震中区域的东北方向为沙漠无人区，结合客观自然和通讯条件，流动台分别在震中区的西南、南和东南方向，震中距分别约20 km、25 km和40 km。上述台站均采用GPS授时，有效削弱钟差，在此次地震序列分析过程中发挥重要作用，并为双差定位研究提供了宝贵的资料。

本文中利用震中距250 km范围内的20个地震台站及流动台站数据重新分析皮山—叶城两个主震及余震(图1)，台站能够较好包围震中。YCH台离震中最近，震中距约60 km，100 km范围内还有KKE和MGT两个台站，最大空隙角约53°；流动台架设后，最小震中距约20 km，最大空隙角约51°。考虑地震余震较密集、多个地震事件波形叠加等情况，为保证定位质量，选取4个及以上台站能够记录清楚的ML≥1.0的258次余震事件，集中分布于(37.7°N～37.9°N，77.7°E～77.9°E)，其中MS3.0～3.9共13次、MS4.0～4.9共4次、MS≥5.0强震2次。震相数据中有2 133个P波到时，1 510个S波到时，平均每次地震事件约有14个震相数据。重新审核地震事件中的每一个震相数据，并使用仿真、滤波、S波转置水平分量等方法，使得Pg读取误差在0.1 s内，Sg读取误差在0.2 s内，以提高每个地震的定位精度，为双差定位提高可靠的震相数据，进而减小定位误差。

图1 地震台站分布图

2 定位方法

自2008年8月起，新疆地震台网进行地震速报和编目时，一直使用单纯形方法结合3 400走时表进行定位[9]。数据处理软件MSDP由广东省地震局研发，已在各个省局广泛应用十余年，定位结果比较可靠[10-14]。

近年来，国内外学者广泛利用双差定位方法研究大震后震中周围余震活动的时空分布特征[15-22]。双差地震定位算法(双差法)由Waldhauser和Ellsworth提出[23-24]，是一种相对定位法，该方法对一定空间范围内的地震进行组对，利用组对地震到台站的到时差确定地震的相对位置，在很大程度上消除介质横向不均匀造成的路径效应，减小速度模型对定位的影响，对地震序列的精确定位，从而可以获得较高精度的相对空间位置分布，研究强震发生的深部构造形态，分析地震的复杂构造成因。

3 皮山—叶城双震重新定位及余震序列重定位

为提高定位精度，首先利用此次皮山—叶城双震序列震相数据，通过震源区走时曲线(图2)得到此区域的初始一维速度模型。然后，使用震中距250 km范围内的20个固定台站和流动台站波形数据，读取准确的到时数据，利用单纯形法进行定位。皮山MS5.1地震的定位结果为37.829°N，77.902°E，震源深度18.6 km，台站的空隙角约为56.8°；叶城MS5.0地震的定位结果为37.818°N，77.856°E，震源深度19.4 km，台站的空隙角约为53.8°；两主震相距5.3 km。采用双差方法中的共轭梯度组队法对余震序列重新定位，考虑到S波震相精度低于P波震相精度，设P波数据权重为1、S波数据权重为0.5；考虑到皮山—叶城双震为5级中强地震，破裂尺度有限，设定地震对之间的最大距离不超过10 km。 最终得到皮山—叶城双震和258次余震的震源位置参数，NS、EW和UD共3个方向的平均相对误差分别为101、76和59 m，走时残差为0.785 s。

图2 震源区Pg、Sg走时曲线

3.1 重新定位前、后的震中分布对比及深度剖面分析

重新定位与原始定位结果对比(图3)，重新定位后的震中分布更加集中。重新定位后皮山MS5.1地震位置为37.812°N，77.834°E，震源深度19.4 km；叶城MS5.0地震的定位结果为37.799°N，77.876°E，震源深度19.2 km；两个主震相距4.8 km。地震整体沿NW—SE断层方向展布；大多数地震在两个主震的周围，且集中在断层的NE方向。

图3 重新定位前(a)、后(b)的皮山—叶城主震和余震分布

分析重新定位后的地震震源深度剖面情况见图3。沿平行区域断层和垂直于断层做2个地震震源深度剖面。震源深度剖面显示：地震震源深度主要集中在10～20 km；发生的地震沿NW—SE断层方向长约10 km，北东方向长约10 km，沿断层方向比NE方向要长，所以认为沿NW—SE断层方向为破裂长轴(走向为140°)、NE方向为破裂短轴；大多数地震位于的两个主震西南方向，且非常丰富；震级较大的地震震源深度较大；在断层面内表现出上陡下缓的铲形逆冲断层特征。

3.2 显著地震序列的空间分布特点

皮山MS5.1发震前10 h至震后25 d，地震活动呈现出明显的时空变化(图4、5、6)。震前10 h内，震源区发生比较集中的多次中小地震：3次4级地震、10次3级地震和一系列微震；可能由于震源区的应力没有得到很好的释放，在先前的震源区深部发生皮山MS5.1地震，随后发生70多次微震，震源区范围逐步变大；间隔15 h，发生叶城MS5.0 地震，位于皮山MS5.1地震的SE方向，地震沿NW—SE向断层向SE方向迁移，此后15 h内发生多次余震，其中包括1次MS4.2地震和1次MS3.4地震；震后30 h至25 d，震源区地震活动性逐渐减弱，无中等强度地震发生，但从9月9日8时50分开始，位于皮山—叶城双震震源区东南，跨过2015年皮山MS6.5地震震源区、相距约120 km处出现一系列中小地震的皮山震群(图5、6)。图5右上角为2021年9月3日23时至7日00时的M-t图。

图4 重新定位后沿AA’(a)、BB’剖面(b)的主、余震深度分布图

图5 2021年皮山—叶城地震序列M-t图

图6 皮山震群(蓝色)与皮山MS6.5地震序列(红色)和皮山—叶城地震序列(绿色)的分布情况

4 结 语

针对皮山MS5.1地震，单纯形法得到绝对定位结果与双差定位得到相对定位结果较大差异进行分析，一是定位方法不同而造成的结果不同，二是皮山MS5.1地震前24.8 s发生ML3.1地震，两个地震波形叠加，使得皮山MS5.1地震初至震相(Pg、Pn)拾取存在一定误差，从而使绝对定位结果存在误差。虽然双差定位后的地震位置存在一些误差，但对分析断层内地震活动空间分布仍有一定的意义。皮山—叶城双震的破裂是非均匀、沿断层向SE方向迁移的。地震整体沿NW—SE断层方向展布；大多数地震在两个主震的周围，且集中在断层的北东方向。震源区破裂长10 km，宽10 km；大多数地震位于两个主震西南方向，且非常丰富，深度剖面显示断层面向西南倾斜；在断层面内表现出上陡下缓的铲形逆冲断层特征。震源区从9月3日23时开始，在一系列的中等地震后发生皮山MS5.1和叶城MS5.0两次强震，从9月9日8时50分开始，位于皮山—叶城双震震源区东南，跨过2015年皮山MS6.5地震震源区、相距约120 km处发生一系列中小地震的皮山新震群，这一区域的库仑应力变化值得进一步深入研究。