2022年新疆皮山5级震群活动的复杂性探讨

李 金 史勇军 孙昭杰

1）中国乌鲁木齐 830011 新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站

2）中国乌鲁木齐 830011 新疆维吾尔自治区地震局

3）中国新疆维吾尔自治区 830011 中国地震局乌鲁木齐中亚地震研究所

4）中国新疆维吾尔自治区 844000 新疆维吾尔自治区地震局喀什地震监测中心站

0 引言

中国地震台网中心（CENC）测定，2022 年3 月17 日21 时41 分新疆维吾尔自治区皮山县发生MS5.2 地震，震源深度10 km，微观震中为（36.02°N，77.83°E）。此次地震震中位于高山无人区，新疆和田地区部分网友反映地震时有震感。该地震发生后，新疆维吾尔自治区地震局立即启动地震应急响应，并在三十里营房地震台附近架设流动台L6513，密切跟踪该局部区域小震活动。2022 年6 月8 日14 时52 分，皮山县再次发生MS5.0 地震，震源深度7 km，2 次地震震中相距约9 km，时间间隔83 天，构成震群型地震序列。2022 年皮山5 级震群发生在西昆仑地震带东段，位于天神达坂断裂附近，震中100 km 范围内1970 年以来曾发生14 次5 级以上地震，其中7 级地震1 次，即1996 年11 月19 日喀喇昆仑山MS7.1 地震，距此次皮山震群约87 km。基于2022 年皮山5 级震群序列特征及2 次主要地震事件的破裂方式，结合震中附近构造特征，探讨了此次震群活动的构造复杂性。

1 地质构造背景

2022年新疆皮山5级震群位于西昆仑造山带与塔里木盆地的结合地带。印度板块NE向的挤压碰撞，遇到稳定的塔里木盆地阻挡，青藏高原西北缘呈现出逐渐隆升的构造运动特征，该地区为中国重力最大值部位，布格重力异常值达-525×10-5m/s2，重力梯度达每千米-0.6×10-5m/s2（殷秀华等，1989；高锐等，2000）。

皮山震群中2 次5 级地震震中均位于甜水海地体内部（图1），即喀喇昆仑断裂（F3）、康西瓦断裂（F2）以及龙木措（F4）—郭扎错断裂（F5）所围区域（李海兵等，2006）。天神达坂断裂（F1）距皮山震群较近，是一条全新世右旋走滑逆断层，为喀喇昆仑断裂带的一支，1996年11月19日喀喇昆仑山MS7.1地震即发生于此；康西瓦断裂为青藏高原西北部边界，总体走向近EW，长度约700 km，是一条大型左旋走滑断裂带（Tapponnier et al，1977；Peltzer et al，1989；付碧宏等，2006）；喀喇昆仑断裂与毗邻的阿尔金断裂构成一组巨大的共轭断裂带，控制了青藏高原西北缘新构造运动的发展方向（李海兵等，2006）。

图1 皮山MS 5.2、MS 5.0 地震震中附近历史地震及主要断裂分布Fig.1 Major faults and historical earthquakes around the Pishan MS 5.2 and MS 5.0 earthquakes

2022 年新疆皮山5 级震群地处高山无人区，未进行宏观地震考察，震中所处的西昆仑东段地震活动强度不大，活动水平低于西段但略高于中段，余震集中分布在主震附近，可用于分析研究的资料有限。文中根据皮山5 级震群序列特征、序列中震级较高地震的破裂特征，结合震群附近区域构造特征，探讨此次震群活动的构造复杂性。

2 皮山震群序列特征

2022 年3 月17 日新疆皮山发生MS5.2 地震，据新疆区域地震台网测定，截至2022 年8 月1 日，皮山震群序列共记录地震782 次，其中ML0.0—0.9 地震11 次，ML1.0—1.9地震495 次，ML2.0—2.9 地震223 次，ML3.0—3.9 地震43 次，ML4.0—4.9 地震8 次，ML5.0—5.9 地震2 次，序列中ML3.0—4.0 地震活动较为活跃。

此次皮山5 级震群序列活动具有以下特征：3 月17 日皮山MS5.2 地震发生后，余震序列衰减较慢，于3 月29 日、3 月30 日、4 月3 日各发生1 次ML4.0 以上地震，此后序列衰减加快，仅在5 月上旬出现一组地震增强活动，震级水平在3—4 级左右，之后余震活动趋于结束[图2（a）、（b）]；至6 月8 日，距MS5.2 地震震中约9 km 处发生MS5.0 地震（震前10 天震源区附近未监测到地震活动），震后序列衰减仍较缓慢，ML2.0—3.0 余震活动持续不断，后于7 月7 日—15 日出现一次时长8 天的地震平静，之后再次出现ML2.0—3.0 余震活动[图2（c）]。

图2 皮山5 级震群序列M—t、频次N—t、发震时间间隔图（2022 年3 月1 日—8 月1 日）Fig.2 M-t map,frequency histogram and time interval curve of Pishan earthquake swarm（2022.3.1-2022.8.1）

值得注意的是，2022年3月17日皮山MS5.2地震发生前10天，震区附近出现前震活动，位于震中附近的三十里营房地震台记录地震671 次，其中ML0.0—0.9 地震230 次，ML1.0—1.9 地震288 次，ML2.0—2.9 地震71 次，ML3.0—3.9 地震12 次，ML4.0—4.9 地震2 次，最大地震为3月16日ML4.2地震[图3（a）]。该组前震活动中，初动清晰可辨的地震有234次，其中12 次初动向上、222 次初动向下，初动符号显示出较好的一致性，且260 次地震走时差ΔTS-P≤0.5 s，显示出一定的空间集中度，较为符合前震序列特征[图3（b）、（c）]。

图3 皮山5 级震群早期序列M—t 图（a）、走时差TS-P（b）、初动符号一致性（c）分布（2022 年3 月1 日—28 日）初动符号1 代表向上，-1 代表向下，0 代表初动不清楚Fig.3 M-t map,travel-time difference,initial motion symbol consistency of Pishan earthquake swarm

3 皮山震群序列震源机制特征

皮山5 级震群地处西昆仑地区，地震监测能力薄弱，周边台站有三十里营房台（SSL）、玛扎台（MAZ）、阿卡孜台（AKZ）、叶城台（YCH）、康克尔台（KKE）、杜瓦台（DUW）、和田台（HTA）、阿其克台（AQK）、恰哈台（QHA）、塔什库尔干台（TAG）等，均分布在震群北部（图4），而震中距100 km 范围内仅分布三十里营房、玛扎2 个地震台，其中三十里营房台距离最近，约43 km。

图4 皮山5 级震群周围台站分布Fig.4 Distribution of stations around the epicenter of the Pishan earthquake swarms

本次震群活动区域处于地震台站分布稀疏地段，可参考研究成果较少，故选择目前广泛使用的CRUST2.0 速度结构模型，计算该震群序列的震源机制解，得到震区一维地壳速度结构模型，具体参数见表1。

表1 地壳速度结构模型Table 1 Crustal velocity model

采用Zhao和Helmberger（1994）提出的基于波形拟合的CAP（Cut and Paste）方法，反演皮山MS5.2、MS5.0 地震的震源机制解、矩心深度和矩震级。CAP 方法将宽频带数字地震波形记录分为体波Pnl 与面波2 部分，分别对Pnl 波、面波进行带通滤波，计算理论地震波形与观测波形之间的误差函数，通过网格搜索，获取给定参数空间中误差函数达最小的最佳解。与求解震源机制的其他方法相比，CAP 方法具有所需台站少、反演结果对地壳横向变化不敏感、对地壳速度结构模型依赖性相对较小等优点（Tan et al，2006；韩立波等，2012；易桂喜等，2017，2019；祁玉萍等，2018；李金等，2021）。此外，CAP方法在波形反演过程中通过深度震相以及体波与面波的相对强度进行深度约束（罗艳等，2015），所获得的震源深度相对准确。

利用震中600 km 范围内台站记录的波形资料，对挑选出的宽频带数据进行去倾斜、除仪器响应等处理，并旋转至大圆路径。对皮山MS5.2 地震波形中的Pnl 波部分使用带宽为0.04—0.12 Hz、面波部分使用带宽为0.05—0.1 Hz 的带通滤波器进行滤波，破裂时间设为1.0 s，计算3～16km 间14 个震源深度下各台站格林函数，在参数全空间范围内搜索最佳震源机制解、震源深度和矩震级结果。得到MS5.2 地震的最佳矩心深度为9 km[图5（a）]；最佳双力偶机制解节面Ⅰ：走向306°/倾角35°/滑动角113°，节面Ⅱ：走向98°/倾角58°/滑动角74°（图6，表2）；矩震级为4.90，P轴方位为200°。震源机制解显示此次地震破裂类型为逆冲型。

图5 皮山MS 5.2、MS 5.0 地震矩张量反演中波形拟合误差随深度的变化（a）MS 5.2 地震；（b）MS 5.0 地震Fig.5 Waveform misfit variation with depth of the MS 5.2 and MS 5.0 Pishan earthquakes

图6 皮山MS 5.2 地震矩张量反演理论地震波形（红色）与实际观测地震波形（黑色）Fig.6 Moment tensor inversion theoretical seismic waveform (red) and actual seismic waveform (black) of the Pishan MS 5.2 earthquake

对皮山MS5.0 地震波形中Pnl 波和面波分别使用带宽为0.04—0.13 Hz、0.05—0.12 Hz的带通滤波器进行滤波，破裂时间设为1.0 s，计算得到此次地震的最佳双力偶机制解，其中节面Ⅰ：走向241°/倾角59°/滑动角-37°，节面Ⅱ：走向352°/倾角59°/滑动角-143°（图7，表2）；矩震级为4.67，P轴方位为207°，最佳矩心深度为8 km[图5（b）]。震源机制解显示皮山MS5.0 地震破裂类型为正断兼走滑型。

图7 皮山MS 5.0 地震矩张量反演理论地震波形（红色）与实际观测地震波形（黑色）Fig.7 Moment tensor inversion theoretical seismic waveform (red)and actual seismic waveform (black) of the Pishan MS 5.0 earthquake

由于震中周边台网分布极不均匀，各研究机构及个人给出的皮山MS5.2、MS5.0 地震的震源机制有一定差异（表2）。本研究计算结果显示，此次皮山MS5.2 地震的震源机制以逆冲型为主，与中国地震台网中心（CENC）给出的结果较为接近，与韩立波等的结果略有差异，而Global CMT 给出的结果为逆冲兼走滑型。鉴于本研究计算结果与其中2 个结果较为接近，故判定皮山MS5.2 地震震源机制为逆冲型。本研究所得6 月8 日皮山MS5.0 地震的震源机制为正断兼走滑型，与韩立波等得到的结果基本一致，而郭祥云给出的结果更接近走滑型，因此在后续分析中认为皮山MS5.0 地震的震源机制为正断兼走滑型。

此外，利用CAP 方法计算震群序列中4 次3.7 级左右地震的震源机制解，其中正断和逆冲型地震各1 次，走滑型地震2 次，表明序列中中等地震的破裂方式亦呈现出较为紊乱的特征（表2）。分析发现，3 月17 日皮山MS5.2 地震和6 月8 日MS5.0 地震以及序列中3.7 级左右中等地震的破裂方式均存在较大差异，这种差异反映了发震构造的复杂性。由于震中附近地区地震监测能力薄弱，尽管已记录到700 余次ML1.0 以上地震活动，但因其定位精度误差较大，无法根据余震活动的三维空间分布等进行发震构造的深入探讨。

表2 皮山MS 5.2、MS 5.0 地震震源机制解及部分中等地震震源机制解Table 2 Focal mechanism solutions of the Pishan 5.2,5.0 earthquake and some MS≥3.7 earthquakes

4 皮山震群活动的构造复杂性

同一序列中出现强震震源机制完全不同的案例并不少见，这种强震破裂性质的差异往往导致对其发震断层、运动方式以及相互作用关系的认识存在较大争议。1988 年11 月6 日云南澜沧发生MS7.6 地震，13 min 后相距63 km 的耿马发生MS7.2 地震，2 次地震的发震断层错动形式具有明显差异（Yu et al，1994；易桂喜等，2014）。2020年1月18日伽师MS5.4前震与19 日伽师MS6.4 主震破裂类型分别为走滑型和逆冲型，后续余震活动大部分延EW向分布，而少部分地震则呈NS 向分布（李金等，2021），此现象与2014 年云南鲁甸MS6.5地震（张广伟等，2014；张勇等，2015）具有一定相似性。通常认为，余震的多优势方向分布可能受多条断层控制（郭志等，2021），孕震环境及发震构造具有一定复杂性。

2022 年新疆皮山震群中2 次5 级地震的震源机制分别为逆冲型和正断兼走滑型，P轴方位分别为200°和206°，均呈NNE 向。李艳永等（2020）采用CAP 方法反演西昆仑东段2010 年1 月至2018 年12 月MS≥3.0 地震震源机制，并分区反演了该区构造应力场，结果显示，研究区以NNE 向的水平挤压和NW—SE 向的水平拉张作用为主，且皮山5 级震群附近区域的最大主应力方位为209°，与本研究计算得到的2 次皮山5 级地震的P轴方位差别不大。

皮山5 级震群附近的天神达坂断裂和康西瓦断裂的破裂性质分别为右旋走滑兼逆冲和左旋走滑，而3月17日皮山MS5.2地震为逆冲型，与上述2个主要断裂的破裂性质存在一定差异，因此将皮山MS5.2 地震归因于2 条大型断裂的直接活动有一定矛盾性。天神达坂断裂附近发生过多次6、7 级地震，康西瓦断裂作为青藏高原的西北部边界断裂，也具备发生强震的潜能（图1）。两条大型走滑断裂在近NS 向挤压应力作用下，极易在其次级断裂产生小型逆冲型错动。此外，受区域构造影响，该地区物质沿喀喇昆仑断裂滑移线向东大规模挤出（李海兵等，2006），由于其东向运动速率的差异，可能产生一些近NS 向的小型拉张型破裂，而2 次皮山5 级地震破裂性质的巨大差异可能由上述构造运动所导致。

5 结论

根据2022 年皮山5 级震群序列特征、序列中2 次5 级地震破裂方式的差异以及震中附近构造特征等，探讨此次震群活动的构造复杂性，得出以下结论：

（1）2022年皮山5级震群活动持续时间较长，自2022年3月7日震区出现小震活动以来，先后发生2022 年3 月17 日MS5.2 地震和6 月8 日MS5.0 地震，且2 次5 级地震后，序列衰减较慢，呈现出间歇性起伏活动的特征。在震群序列的发展过程中，震区出现2 次较为明显的地震平静期，随后均出现地震活动增强现象，尤其是在6 月8 日皮山MS5.0 地震前震源区近10 天未记录到地震活动。在震群序列发展演化过程中，这种短时间的平静现象可能反映了其应力积累导致局部闭锁，随后达到破裂阈值而发生地震释放应力的过程。

（2）3 月17 日皮山MS5.2 地震前，震区地震活动较为频繁，三十里营房（SSL）单台共记录671 次小震活动，且记录到多次3—4 级地震，在可识别的较为清晰的小震中，初动方向向下占比94.8%（222/234），且260 次地震的走时差ΔTS-P≤0.5 s，较为符合前震序列特征。

（3）2021 年9 月以来，西昆仑地区5 级地震活动较为活跃，先后发生2021 年9 月4日皮山MS5.1、9月5日叶城MS5.0地震、2022年3月17日皮山MS5.2、6月8日皮山MS5.0、7 月2 日皮山MS5.1 地震，其中3 次地震发生在西昆仑山前皮山逆断裂—背斜带（无地表出露，属典型盲逆断裂—背斜带）附近，距2015 年皮山MS6.5 地震不远，且震源机制均显示为逆冲型。西昆仑造山带持续推覆挤压，使得深部应力不断增加，是西昆仑山前推覆带多排褶皱或冲断推覆发生强震的主要原因（李金等，2015）。而2021 年西昆仑地区的多次5 级地震活动表明，帕米尔持续的N 向挤压运动可能有所增强，2022 年皮山5 级震群活动即发生在该应力增强背景下。

6 讨论

Mogi（1963）基于实验室观测和日本的地震活动模式，认为主—余型地震序列出现在均匀介质地区，而震群型地震则发生在介质性质极不均匀的地区。也有观点认为，断层交会区域介质相对破碎，裂隙密度较高、间距较小，在应力增强的条件下，易产生级联形式的破裂，形成间歇性的震群活动（许绍燮等，1981）。基于上述分析以及2022 年皮山5 级震群序列特征，推断皮山震群发生在天神达坂断裂和康西瓦断裂之间的次级断裂上。在印度板块向北的推挤作用下，青藏高原西北缘岩石圈向北俯冲，并与向南俯冲的塔里木岩石圈在西昆仑山下相碰撞（高锐等，2000）。在这种挤压作用下，更多的构造运动是物质沿喀喇昆仑断裂滑移线向东大规模的挤出（李海兵等，2006）。康西瓦断裂的左旋滑移速率约为10 mm/a（李海兵等，2003；Wright et al，2004；付碧宏等，2006），这种走滑量易被帕米尔前缘逆冲断裂系所吸收（Burtman et al，1993；Strecker et al，1995；Robinson et al，2007），从而产生逆冲型地震。康西瓦断裂南侧的物质相对北侧向东逃逸，由于构造方式的差异及应力分配的不均匀，其EW 向运动速率在不同区段存在一定差异，在局部地区形成近EW 向的差应力，进而产生了一些拉张性质的破裂，其破裂方向可能较为接近NS 向。由该震群序列中3.7 级左右地震紊乱的破裂机制也可以看出，震源区附近的构造特征及应力分布均较为复杂，介质及应力场呈现不均一的特点。

由于震区地震监测能力较为薄弱，关于2022 年皮山5 级震群序列发震机制的探讨尚需更多观测资料予以证明。

本文撰写得到刘杰研究员的指导和鼓励，蒋海昆研究员和孟令媛研究员亦给予帮助。中国地震台网中心国家地震科学数据中心（https://data.earthquake.cn）提供数据支撑，新疆维吾尔自治区地震局监测台网提供了三十里营房单台序列信息，文中部分图件采用GMT绘制，在此一并表示衷心感谢。