断层复杂性对地震余震衰减的影响

摘要：地震余震活动及其衰减过程与区域构造环境密切相关。以2024年1月23日新疆乌什县MS7.1地震为例，基于精定位结果，采用断层网络重构（FNR）方法探究该区域复杂断层构造对余震序列特征的影响。研究发现，乌什地震主震区存在错综复杂的断层系统，除SN向主断层带外，还伴生多条次级断层分支，形成网状断裂结构。余震沿主断层西南段呈线性展布，同时次级断裂带上也分布有大量散射态余震簇。这种复杂的几何形态和多向滑移行为，使得地震应力在各断层面间有效传递，导致余震活动持续发育。利用贝叶斯框架下的Omori模型，对余震序列进行参数反演。结果显示，该地震序列的p值高达0.74，K值为599.73，表征其衰减极为缓慢、持续时间长、活跃度高的特点。

关键词：乌什地震; 地震精定位; 大森定律; 断层重构; 余震序列衰减

中图分类号： P315文献标志码：A文章编号： 1000-0844（2024）04-0965-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240309001

Impact of fault complexity on aftershock decay：

a case study of the Wushi MS7.1 earthquake， 2024YIN Xinxin WANG Shuwang LIANG Xiaonan MA Guanyu

（1. Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Institute of Geophysics， CEA， Beijing 100081， China;

3. Key Laboratory of Sanjiang Metallogeny and Resources Exploration and Utilization，

Ministry of Natural Resources， Kunming 650051， Yunnan， China）Abstract：

The aftershock activity of an earthquake is closely related to the regional tectonic environment. In this paper， by considering the reference example of the MS7.1 earthquake in Wushi， Xinjiang， which occurred on January 23， the impact of complex fault structure on the characteristics of the aftershock sequence in this area was explored based on the relocation results derived using the fault network reconstruction method. The findings reveal that the mainshock area of Wushi is characterized by a complicated fault system， which comprises not only the primary NS-trending fault zone but also numerous secondary fault branches. This further yields a mesh-like fracture structure. The aftershocks exhibit a linear distribution along the southwestern segment of the main fault. A large number of scattered aftershock clusters are observed along the secondary fault zones. The complex geometry and multidirectional slip behavior facilitate an effective stress transfer across various fault planes， resulting in sustained development of aftershock activity. The parameter inversion of the aftershock sequence was implemented using the Omori model under the Bayesian framework. The results indicate that the earthquake sequence exhibits a high p-value of 0.74 and a K-value of 599.73， indicating an extremely slow decay rate， prolonged duration， and high aftershock productivity.

Keywords：Wushi earthquake; precise location of earthquake; Omori's law; fault reconstruction; aftershock sequence decay

0引言

余震是由于地震主震造成的应力状态剧烈扰动而引发的全球性应力松弛过程中最显著的表现。Omori［1］提供了余震衰减率的首次定量描述，记录了1891年10月18日本州野毫M8地震所触发的地震数目。为了更准确地模拟后来报导的多种余震衰减率，Utsu ［2］将Omori［1］观测到的双曲线行为转化为所谓的修正Omori定律（MOL）：

λ（t）=K/（t+c）p （1）

式中：λ为给定震级范围内的余震频率;t为从触发事件（即主震）开始的时间;K为余震的生产率;c和p为其他描述参数。

通过这种修正，能够更好地拟合实际观测到的余震序列衰减情况。尽管学者们提出了其他模型［3-7］，但MOL仍然是检验余震序列主要时间属性最简单、使用最广泛的公式。余震序列的时空分布特征可以为研究地震破裂过程、应力传递以及区域构造环境提供重要信息。Woo等［8］重新分析了2016年韩国庆州地震序列，研究了余震在复杂断层系统中的相互作用，同时发现余震分布受断层系统的几何形状和连通性的强烈影响，余震不仅发生在主断层，也发生在邻近的断层上;Miller ［9］提出余震是由流体驱动的，其衰减率受渗透率动力学控制，该研究表明流体流动在余震生成中起着关键作用，主震和后续余震引起的渗透率变化影响了余震衰减率;Ozawa等［10］开发了数值模型来模拟形态复杂断层区域的主震和余震序列。这种模型结合了真实的断层几何形状和非均匀应力分布，能更准确地描述复杂断层系统中的余震模式;Goebel等［11］通过室内实验研究了断层粗糙度对余震集中的影响，从中发现断层粗糙度有利于余震呈现地震的集中分布，余震倾向于发生在较粗糙的断层段，这些区域受到更高的应力集中。强震发生后，及时开展余震序列的时空分布特征分析十分必要。一方面，这种分析可以揭示余震活动的动力学机制，如破裂扩展、应力传递等过程，加深对于震后构造应力场调整的认识;另一方面，余震分布对于刻画发震断层几何形态、理解区域构造背景也有重要价值。因此，余震研究的结果可以直接服务于震后应急响应和未来地震危险性评估工作。

据中国地震台网中心正式测定，2024年1月23日2时9分（北京时间），新疆阿克苏地区乌什县发生了MS7.1地震（78.63°E，41.26°N），地震的震源深度约为22 km，极震区烈度达到了修订麦加利式烈度表中的Ⅸ级。地震导致阿合奇县3人遇难、4人受伤，并造成了多处房屋倒塌以及公共设施破坏（https：//new.qq.com/rain/a/2024 0123A09YH200）。乌什MS7.1地震序列非常发育，截至1月23日16时0分就已经记录了3.0级及以上余震70次，且空间拓展体现了一定的复杂性，为后续地震危险性分析造成了很大困难。为明晰其余震活动特征，使用地震台网中心给出的地震观测报告，基于双差定位方法（HypoDD）［12］进行了精定位处理，并使用了断层重构方法对精定位结果进行重构分析，最后使用MOL定律基于最大似然估计（MLE）的Ogata模型和基于贝叶斯框架的Holschneider模型［13］，估计了余震序列衰减参数，利用马尔科夫链蒙特卡洛方法（Markov Chain Monte Carlo，MCMC）参数采样，获得参数的置信区间。

1研究区和研究所用数据

本文开展余震序列时空分布特性研究的区域范围设定为77°～80°E、40°～42°N（以下简称研究区）。研究使用的地震目录和地震观测报告是由中国地震台网中心地震编目系统提供的《统一正式目录》和《正式观测报告》中国地震台网中心地震编目系统正式观测报告下载地址：http：//10.5.160.18/console/index.action，最后查阅时间2024-04-23T20：00：00.。数据时间跨度为2024-01-23—03-23，起止时间分别对应主震发生以及发生后的60天。为保证地震数据质量，选取了震中距lt;500 km且同时满足被最少4个台站记录的地震事件。最终下载了满足上述遴选条件的初始定位地震事件合计7 865个，震级范围为ML1.1～ML7.0（其中ML7.0为主震的里氏震级），涉及的地震台站数为34个。

此次地震发生于天山山脉褶皱和逆冲断层形成的褶皱带。震中附近有由印度洋板块和亚欧板块碰撞产生的大量NE向逆断层、左旋断层和山地盆地。根据USGS提供的震源机制解，这是一次NE—SW走向的带有走滑性质的倾斜逆冲地震。这种规模的地震在该地区是罕见的，过去100年里，在震源250 km范围内只有3次M6.5以上的地震。其中一次是发生于1978年3月，现处吉尔吉斯斯坦境内的MS7.1地震，距离这次地震以北约200 km;另外一次发生在1911年1月，位于吉尔吉斯斯坦和哈萨克斯坦现代边界附近的MS8.0地震，并在该地区造成了严重的破坏［14］。

研究区位于天山造山带西段，属于印度—欧亚板块碰撞的前缘变形区。该区构造变形强烈，地震活动频繁，是中亚地区地震活动性最高的区域之一［15］（图1）。天山造山带形成于古生代晚期，随后经历了中生代和新生代的多期构造运动，形成了复杂的褶皱冲断构造［16］。从构造位置上看，研究区位于南天山断裂带与库车坳陷的交汇部位。南天山断裂带是一条大型的左旋走滑断裂，全长约1 200 km，是天山造山带最主要的构造边界之一［17］，该断裂带控制了天山造山带新生代隆升和变形。库车坳陷位于南天山断裂带以南，是塔里木盆地北缘的新生代前陆盆地。坳陷内发育有多套前陆褶皱冲断构造，指示了天山造山带对盆地的强烈挤压作用。研究区内发育有多条近EW走向的逆冲断层和褶皱构造，它们主要形成于新生代印度—欧亚板块碰撞的背景下［18-19］。NW向的塔拉斯—费尔干纳断裂是一条规模巨大的活动性断裂带，发育在费尔干纳盆地北缘的NE向断裂规模较小［20］。塔什干断裂带由北向南发育一系列逆冲断层，地表断层主要为NE走向，断层面倾向NW。剖面总体发育一系列不协调褶皱、断层等构造，显示由NW向SE的运动学特征，局部地层发生倒转［16］。温宿北断裂是指发育在温宿凸起北侧边缘的南倾逆冲断层，具有限定凸起与凹陷范围的作用，是温宿凸起、乌什凹陷的分界断裂。断裂东端与喀拉玉尔滚横向断裂斜接，西部延入柯坪断隆后消失，整体呈近NE走向，全长约 160 km。断面S倾、高陡，倾角可达 60°～80°［21］。自新生代以来，印度板块以每年约46 mm的速率向北挤压欧亚板块，这一持续的远程作用使天山成为中国地震活跃程度最高的区域之一［14］。其中，迈丹—沙依拉姆断裂带是一组全新世时期形成并活动的大断裂，由多条近似平行的次级断层组成，整体宽度15～17 km。该断裂带主要表现为逆冲运动，同时伴有左行走滑分量，断层面倾向NW，倾角在30°～80°之间。沿ENE走向延伸超过400 km，在地貌上构成了西南天山中高山与低山丘陵的界线。利用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）测量数据，研究发现跨越迈丹—沙依拉姆断裂带的地壳平均缩短速率为（1.19±0.25） mm/a［22］。

2地震重新定位

由于地震观测报告的初始定位采用简单的一维水平成层的速度模型，且单纯型定位方法的震源深度可靠性较差，为获得新疆乌什地区相对精准的地震震源位置，分两个步骤进行地震重新定位：（1）先采用VELEST方法［23］反演最优一维速度模型，并获得地震的绝对定位结果;（2）以此作为输入的初始速度模型和震相数据，进一步利用HypoDD方法［12］进行了地震的相对定位。

在利用VELEST方法反演最优一维速度模型和获得绝对定位结果时，使用的初始速度模型参照了刘建明等［24］得到的一维走时模型［图2（b）］。经过多次试错计算后确定使用的初始一维速度模型如图2所示。

地震相对定位使用的HypoDD方法目前已得到广泛应用［12，25］，相比常规绝对定位方法可得到更精准的震源位置［26］。在地震定位计算中，设定震中间距20 km作为事件对遴选阈值，单一地震最多可与10个地震组成地震对。对研究区的7 865个地震事件，经过地震配对后得到412 953对P波震相、363 813对S波震相，利用HypoDD重定位后获得6 416个地震事件。相应的震中分布如图2所示。VELEST和HypoDD定位的走时残差平均值分别为0.12 s和0.033 s，走时残差明显变小。

3地震断层网络重构

在地震数据空间分析和断层重构中，定位精度是至关重要的，但地震定位质量受到台网分布、地震信号拾取，以及定位方法使用多个因素的影响。在确定的6 416个地震事件中，由于台网的稀疏性，存在一批定位精度较低的事件，这些事件若不加以处理，会对地震聚类的结果和断层刻画的准确性产生不利影响［27］。针对此类问题，Kamer等［27］提出了一种有效的数据浓缩技术，它能够最优化地编码空间信息，专注于保留定位精度高的地震事件，并已成功应用于对南加州地震活动的多重分形分析中。之后Kamer等［28］又在数据浓缩的基础上提出了断层重构技术（Fault Network Reconstruction，FNR）。通过FNR，可以从地震目录中筛选出定位最可靠的事件，以此作为聚类和断层重构分析的基础。这将显著提高对地震活动模式的理解，增强地震预测的准确性，并为评估地震风险提供更可靠的科学依据。

在这种情况下，使用了FNR方法，旨在利用丰富的余震数据源，以参数化空间地震活动模式的形式提取信息，揭示并重建此次地震序列潜在的断层结构。在做断层重构的过程中，使用了FNR方法中的局部模式，最终获得了45个地震簇。图3展示了水平面和空间3D的断层重构。

4余震序列衰减参数分析

Miller等［9］提出使用贝叶斯框架来分析MOL定律。该方法首先重新参数化该模型，将活动率参数K与形状参数c和p分离;然后给出模型参数的似然函数;最后利用先验知识，给出后验分布公式。这种贝叶斯方法允许定量评估参数不确定性，并表征参数间的后验依赖关系。详细计算出模型参数后验分布的若尔南信息矩阵，据此确定参数估计量的后验方差和协方差。在计算余震序列衰减参数以前，首先使用最大拐角方法计算了最小完整性震级［29］，结果如图4（a）所示，最小完整性震级为ML1.8。得到最小完整性震级之后，使用大于该震级的事件进行下一步计算。为了得到参数的不确定性，使用了Holschneider的方法，最终结果如图5所示。

最终对3 239次满足震级大于最小完整性震级ML1.8的余震事件进行MOL拟合计算，得到震后60天内余震衰减参数分别为：

5讨论

本研究以2024年1月23日新疆乌什7.1级地震为例，对其余震序列进行了详细的时空分布特征分析。通过使用双差定位方法，获得了大部分余震事件的高精度位置，这为后续断层结构成像奠定了基础。利用FNR技术，成功重构了震区的三维断层网络，发现存在多条走向各异的次级断层。这种复杂的断层交织模式可能加剧了震后应力调整过程，导致余震活动的强度大、持续时间长。与此同时，对余震随时间的衰减规律分析发现，其符合MOL模型，p值为0.74，反映了一个相对缓慢的能量释放过程。这可能与研究区的高应力环境以及发震断层的破碎性质有关。已有研究表明，构造活动强烈、岩体破碎度高的区域往往表现出较高的p值［30-31］，这与本文的结果相一致。因此，余震序列的时间衰减特征可以为区域构造应力状态提供另一种独立约束。

天山造山带是欧亚大陆最为活跃的地震带之一。在印度板块与欧亚板块持续碰撞的远程效应下，天山地区经历了强烈的挤压缩短和陆内变形，形成了一系列逆冲-走滑断层［15，32］。这些断层错综交织，加之高应力积累，为大地震的频繁发生提供了有利的构造环境。有研究指出，天山西段断层带全新世以来的平均滑动速率可达5～10 mm/a［19］，远高于全球陆内断层的平均水平。因此，乌什7.1级地震及其强余震活动可以视为该区高应变能释放的结果，这也预示着未来该区仍可能发生类似的破坏性地震。

除了耦合区域大地构造背景外，发震断层的性质也是影响余震活动的关键因素。通过FNR重构，发现此次地震的破裂面呈现出明显的分段特征，主要由多条不同走向的次级断层组成。这些次级断层在地震时的协同活动很可能加剧了震后应力的调整过程。一些研究表明，由多条断层组成的复杂破裂面往往比单一平面状破裂面释放更多的能量，并伴随更强烈的余震活动［33-34］。这可能是由于多断层的链式触发效应，以及破裂尖端应力集中效应等因素所致。因此，发震断层的复杂性也是理解乌什地震余震序列的一个重要视角。

本研究采用的方法学在其他地震案例中也有广泛的适用性。双差定位和FNR重构技术可以有效揭示震源区的精细结构，有助于认识复杂构造背景下的地震成因机制。MOL模型已在全球多个地震事例中得到成功应用［35-36］，证实了其在描述余震衰减特征方面的普适性。从乌什地震余震序列时空演化特征中，识别出了其与区域构造环境和发震断层性质的密切关联。这一认识不仅加深了对该区地震活动性的理解，也为周边地区地震危险性评估提供了重要的科学依据。后续研究还需要综合利用多学科观测数据，开展震源破裂动力学的精细刻画，也是深化认识地震发生机理的重要途径。随着观测资料的不断积累以及研究方法的创新发展，对大陆内部强震的发生环境和孕育过程的理解必将不断深入。

6结论

本文基于2024年1月23日新疆乌什MS7.1地震的余震序列数据，通过地震精定位、断层成像以及余震衰减特征分析，获得了如下主要认识：

（1） 通过双差精定位方法得到本次地震余震序列的时空分布图像，清晰地反映了新疆西南部复杂的现今构造变形样式，提高了余震事件的定位精度，揭示了其在空间上的密集分布特征。这为开展精细的震源过程分析提供了高质量的数据基础。

（2） 利用FNR方法成功重构了乌什地震的三维发震断层网络。结果表明，余震发生区存在多条走向各异的次级断层。这些都反映了复杂的区域构造背景。这种断层交织模式可能加剧了震后应力调整，导致了余震的强烈活动。

（3） 基于MOL模型计算得到此次地震的余震衰减参数p值为0.74，表征了一个相对缓慢的能量释放过程。这可能与该区的高应力环境以及发震断层的破碎性质有关。

高精度的地震重定位和断层重构结果为余震序列活跃性及其衰减缓慢过程提供了直观的解释，即复杂的构造环境和多向断层滑移行为共同造就了这种余震特征。余震参数的异常高值进一步验证了上述推论，充分说明断裂带复杂性是控制余震序列强度和持续时间的重要因素。本研究不仅对探讨地震余震序列的发育机制提供了新视角，也为未来开展地震危险性评估提供了有益借鉴。

致谢：感谢新疆测震站网提供的震相报告资料，另外本文作图使用了GMT绘图软件（Wessel等，2019）［37］，在此深表感谢。本文得到的新疆乌什地震精定位目录可以访问https：//github.com/20041170036/Xinjiang-Wushi/tree/main下载。

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（本文编辑：张向红）