新疆南天山西段震源机制解与构造应力场特征分析①

金 花，李越帅，曹昌军，闫新义

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

新疆南天山主要分为东西两段，库尔勒以东至阿克苏为东段，乌什至阿图什一带为西段，本文中主要以南天山西段为研究对象，此区域的地震活动强度大、频度高，地震主要沿逆冲断裂发生，地震活动主要发生在普昌断裂、柯坪断裂、喀拉铁克断裂、奥依布拉克断裂和迈丹—沙依拉姆断裂上[1]。自21世纪以来,研究区内就发生过多次MS≥5.0、MS≥6.0地震，如2018年9月4日新疆喀什地区伽师县MS5.5地震，2019年1月12日新疆疏附县MS5.1地震，2020年1月19日伽师县MS6.5地震等。构造应力场是地壳内部一定范围内瞬时的应力状态，可造成地壳岩体构造变形和构造断裂[2]。学者对构造应力场的变化现象做了许多研究，以新疆区域为例，李艳永等[3]计算了2010～2018年北天山地区地震的震源机制解，得出该地区应力场中西部近NS向，东部近NNE向，主要受水平挤压作用。高国英等[4]对1955～2003年伽师及周边中强地震的应力场进行反演，得出该区域最大主压应力方向近NS向，并发现不同构造下的主压应力方向存在较明显差异。张志斌等[5]利用2009～2018年天山中段震源机制解，得出天山中段主要以逆冲型为主，最大主压应力场方向从西向东由NW向转为NE向，呈扇形旋转。通过计算2010～2020年南天山西段周边MS≥3.0地震震源机制解，利用区域应力张量阻尼反演法得出此区域的空间构造应力场变化特征，并根据震源机制解类型分析构造应力场，对后期探索新疆区域活动构造具有重要理论意义。

1 数据资料与研究方法

选取新疆南天山西段2010～2020年记录的MS≥3.0地震事件235个(图1)，其中MS3.0～3.4地震132个，MS≥3.5地震103个。计算震源机制解时均采用Crust2.0地壳模型，MS3.0～3.4地震由Focmec方法处理，MS≥3.5的地震由CAP方法反演震源机制解，最后再利用区域应力张量阻尼反演方法获取南天山西段的空间构造应力场变化特征,表1列出MS≥5.0 震源机制解参数以供参考。结合图1，可看出南天山西段的地震主要集中在普昌断裂、柯坪断裂、喀拉铁克断裂、奥依布拉克断裂和迈丹—沙依拉姆断裂(图2)。普昌断裂又称皮羌断裂，它将柯坪推覆构造分为东西两段，断裂走向为NNW向，倾角为80°，长度为125 km,呈压扭性质。柯坪断裂位于柯坪推覆构造的前缘，是柯坪断块与塔里木盆地的分界，断裂走向为NEE向，倾向NNW向，倾角为30°～80°，为左旋走滑性质的逆冲断裂。喀拉铁克大断裂为NEE走向，倾向为NNW向，倾角为70°～80°，呈压扭性质。奥依布拉克断裂为压性断裂，走向为NEE向，倾向为NW向，倾角为30°～50°。迈丹—沙依拉姆断裂走向为NEE向，倾角为60°～80°，为左行走滑逆断层[6-7]。

图1 研究区域地震的震中分布图

图2 研究区域主要断层分布图

表1 南天山西段15次MS≥5.0地震的震源机制解

FOCMEC方法主要是利用3个初动(P、SV、SH)和3个振幅比(SV/P、SH/P、SV/SH)，通过对比理论计算与实际观测得到的P波、SV波、SH波的初动符号和振幅比矛盾数最小的方式得到震源机制解，充分提高计算结果的准确性和稳定性，能有效避免过度依赖台站分布等缺点，在计算中小地震震源机制解时应用效果良好[8-10]。

CAP(Cut-and-Paste)方法是联合体波和面波反演，对二者分别赋予不同权重，允许它们在适当时间变化范围内相对移动，搜索出理论地震波形与真实波形差异最小的震源机制解[11-12]。该方法优势在于能够减少由于速度模型及震中位置定位不准造成的误差，在国内外得到广泛应用[13-15]。

Michael[16]提出最佳拟合单个应力张量的测定，主要使用一组震源机制解的断层参数与应力张量参数。Hardebeck等[17]在此方法上引入了可调整阻尼参数，用来抑制相邻单元之间的应力模式突变，提出区域应力张量阻尼反演方法。此法用线性反演方式来减少相邻区的应力差异，减小人为划分区域构造应力场带来的误差，能够更精准的反映不同区域范围内的应力场变化[18-20]。

反演应力场时得到应力形因子R值和3个最佳主应力轴σ1，σ2，σ3的相关参数。其中，σ1，σ2，σ3分别表示最大主压应力、中间主压应力及最小主压应力，以拉张为正，它们的关系满足σ1≤σ2≤σ3[21]。应力形因子R值定义，

(1)

根据李天觉等[22]的不同形态的主应力空间分布，红色代表压应力状态，蓝色代表张应力状态(图3)。当R值趋于0或1两个端点值时，不能够分辨应力状态为压缩还是拉张；当R趋于0.5时，可以清楚分辨出3个应力主轴方位：R<0.5时应力状态偏拉张性质，R>0.5时应力状态偏压缩性质[23]。

图3 主应力空间分布图

2 震源机制解反演

按震源机制解的分类标准[24]，对反演的结果进行分析(表2)。预选取的新疆南天山西段279个地震事件，通过计算后，发现一些不满足计算条件的地震事件，如最终计算结果中出现台站最大张角大于180°，清晰初动的台站个数不足5个等现象，这些均排除在外后，最后实际使用地震事件为235个。此外，为丰富地震事件，搜集Global CMT提供的2000年后的震源机制解数据30个[25]，共同参与构造应力场的计算(图4)。

图4 新疆西南天山地区震源机制解分布图

表2 震源机制解分类标准

结果表明：①MS3.0～4.0地震中，具有一定走滑分量的逆断型占51%，纯正断型占19%，走滑型地震占15%，纯逆断型占5%，带一定走滑分量的正断型占1%，无法确定型占9%。

②MS4.0～5.0地震中，带一定走滑的逆断型占45%,其次，走滑型占36%,纯正断型占8%,纯逆断型占7%，带走滑分量的正断型与无法确定型均占2%。③MS≥5.0地震，带有一定走滑分量的逆断型占48%，其次走滑型占28%，纯逆断型占10%，纯正断型占7%，无法确定型占7%。由分类结果可以看出近10年此区域的地震主要以逆冲断层兼走滑断层为主。

为获取新疆南天山西段区域的应力场变化情况，计算区域内地震的P,T轴分布。由图5和图6可看出其应力方向和倾角分布，主压应力P轴方位整体近于NNW向，倾角较小，主张应力T轴方向整体近NWW向，可以看出，倾角偏大居多。本研究认为构造应力场整体较为稳定，其中一些中小地震发震模式弱，可能受到大断层或交叉断层的影响，导致方向偏转，受力不均匀，从而使小区域应力场发生改变[26-29]。

图5 研究区P轴(a)、T轴(b)方位角参数统计

图6 研究区P轴(a)、T轴(b)倾角参数统计

3 应力场反演结果

为进一步计算新疆南天山西段区域更精细的应力场空间变化特征，将震源机制资料划分成1°×1°的网格，每个网格内震源机制解大于3个，在应力场置信水平为95%的情况下进行2 000 次重采样。此外,合理的阻尼系数在反演中起到折中调节作用。由于双力偶模型下计算的震源机制解有一个真断层面和一个辅助面，反演时随机选取两节面中其中一组作为真实断层面使用，以捕捉分区内的应力模式。在应用区域应力张量阻尼反演方法时，需设定合理的阻尼系数，当阻尼系数偏小时，模型长度将变得复杂，数据方差在反演中占的相对权重就越大。当阻尼系数变大时，模型长度则相对权重变大，通过数据方差与模型长度的均衡曲线选择最佳阻尼系数，使两者之间得到平衡，取曲线拐点处的值(图7)，本文中最佳阻尼系数为0.8。

图7 模型长度和数据方差之间的折中曲线

选取完最佳阻尼系数后，使用SATSI(spatial and temporal stress inversion)时空应力反演程序进行区域应力场张量的反演，计算每个网格内的最佳拟合构造张量，得到研究区应力场空间分布图。由图8可直观地看出南天山西段背景应力场的作用方式，阻尼应力场与无阻尼应力场相比，保留应力场空间变化，也更为平滑。下文以阻尼应力场计算结果进行讨论。由于区域构造运动有较强的方向性，最大水平主应力的方向呈现相应的分布规律，与地质构造和现代地壳运动密切相关。

为精细化研究，将南天山西段以40°为分界线分为N1和N2，其中N1为40°以上区域，N2为40°以下区域(图8a)。研究区北部N1区域，最大主压应力整体方向为近NW向，主压应力轴的仰角近水平呈挤压状态。主张应力轴近NWW向，仰角近直立的偏多。区内分布有普昌断裂、柯坪断裂、喀拉铁克大断裂、奥依布拉克断裂、迈丹—沙依拉姆断裂等(图2)，这些断裂附近都出现了较强的地震活动，对区域应力场的方向变化起着重要作用。此结果与李方全、高国英等[30-31]计算结果相吻合，新疆西部部分地区主压应力方向为NW向，主要受印度板块向北推挤的影响。研究区南部N2区域内最大主压应力轴从左向右发生了明显的不规则偏转，由NW向转至近NS向再转至近EW向，仰角近水平偏多。N2区域内有隐伏的NWW向巴楚隆起和由塔西南坳陷形成的NWW向的新元古代裂谷(图2)，还有刚性的塔里木盆地及复杂的沙漠地形。引起此种旋转变化初步推断由于印度板块向欧亚板块俯冲挤压时受到刚性塔里木盆地和复杂的沙漠地形作用，导致局部应力场发生明显偏转[32-35]。主张应力轴主要集中在NWW向和近EW向，仰角近水平偏多。

图8 新疆南天山西段应力场反演结果

从应力形因子来看，反演结果显示各分区基本靠近中间值0.5，没有出现接近端点值0或1的现象，说明3个应力主轴方位分辨较好。当R趋于1时，最小主压应力和中间主应力的张应力形态一致，中间主应力也体现出一定的拉张，为双轴拉张性质。R值趋于0时，最大主压应力与中间主应力的压应力形态一致，为双轴压缩性质[36]。由图可看出研究区R值自北向南逐渐增大，中间主压应力由压缩转为扩张。

4 结 语

通过计算2010～2020年南天山西段震源机制解，运用区域阻尼构造应力场方法分析该区域应力状态的分区特征及总体特征，得出以下结论：

(1)新疆南天山西段震源机制类型主要以逆断型和走滑型为主，地震活动主要集中发生在普昌断裂、柯坪断裂、喀拉铁克大断裂、奥依布拉克断裂、迈丹—沙依拉姆断裂附近。南天山西段北边和南边应力场方向变化存在显著差异，北边区域N1最大主压应力整体方向为近NW向，主压应力轴的仰角近水平呈挤压状态。主张应力轴近NWW向，仰角近直立的偏多。南边区域N2最大主压应力轴从西向东发生了明显的不规则偏转，由NW向转至近NS向再转至近EW向，仰角近水平偏多。主张应力轴主要集中在NWW向和近EW向，仰角近水平偏多。

(2)计算结果显示，新疆西南天山地区整体北边呈现出相对统一的区域应力场，而南边最大水平主压应力随着经度增大区域应力轴方向呈多样性，初步推断由于印度板块向欧亚板块俯冲挤压时受到了刚性塔里木块体和沙漠地形的影响。从应力形因子来看，南天山西段整体应力形因子从北向南由小到大，中间主压应力由压缩转为扩张。

(3)由于南天山西段部分区域台站较为稀疏，分布不好，部分网格仅仅有1、2个震源机制，在相邻网格的约束下，结果的可靠性较差，因此没有采用。未来随着高质量台站的架设，台站密度变大，数据质量有更好的提升，可以进一步对区域应力场进行深入研究。