2024年1月23日新疆阿克苏地区乌什县MS7.1地震对周围断层的应力影响及对余震的触发作用

摘要：为研究2024年新疆阿克苏地区乌什县MS7.1大震对周边区域应力的影响，基于美国地质调查局（USGS）给出的主震破裂模型，计算此次地震对周边地区产生的同震位移场及应变场，结果发现：体应变在震源西北侧呈现拉张，东南侧呈现挤压;面应变的分布与体应变的形态基本相似。为研究该地震对余震的触发情况，首先需要确定接收断层的断层面参数，对中国地震台网发布的2024年1月23日到2024年4月10日的余震震源机制节面聚类分析，得到两簇结果，选择标准差较小的二簇节面进行平均，得到走向为243.91°，倾角为64.97°;将乌什地震震源区的构造应力场投影到该发震断层上，得到滑动角为61.02°。将这些参数作为余震接收断层的断层面参数，同样基于USGS给出的主震断层破裂模型，计算主震产生的静态库仑应力，研究发现：区内库仑应力均超过0.01 MPa阈值，且库仑破裂应力最大值达0.3 MPa，大多数余震处于库仑应力变化的高值区;表明主震产生的静态库仑应力促进了余震的发生。为研究该地震发生对周围断层的影响，根据前人给出的周边断层的几何和滑动特性，计算在周边断裂上沿滑动方向上的库仑破裂应力变化，研究发现：本次地震对迈丹—沙依拉姆断裂库仑应力最大增加量达到0.22 MPa，喀拉铁克断裂、衣木干他乌断裂、塔塔埃尔塔格断裂、奥兹格尔他乌断裂、柯坪断裂的库仑应力变化并不明显，迈丹—沙依拉姆断裂库仑应力增加最大，应注意该断层的地震活动性。

关键词：2024年乌什县MS7.1地震; 发震断层面; 位移场; 应变场; 静态库仑应力

中图分类号： P319文献标志码：A文章编号： 1000-0844（2024）04-0982-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240504001

Stress changes on surrounding faults and triggering of aftershocks

induced by the MS7.1 earthquake in Wushi County， Aksu

Prefecture， Xinjiang， on January 23， 2024SONG Zeyao WAN Yongge GUAN Zhaoxuan GU Peiyuan WANG Runyan

（1.Institute of Disaster Prevention， Sanhe 065201， Hebei， China;

2. Hebei Key Laboratory of Earthquake Dynamics， Sanhe 065201， Hebei， China;

3. Hebei Hongshan Giant Thick Sediments and Earthquake Disasters National Field

Scientific Observation and Research Station， Longyao 055350， Hebei， China）Abstract：

To assess the stress impact of the 2024 MS7.1 earthquake in Wushi County， Aksu Prefecture， Xinjiang， on the surrounding areas， this study utilized the mainshock rupture model proposed by the United States Geological Survey （USGS）. The coseismic displacement and strain fields generated by the earthquake in the surrounding areas were calculated on this model. The volume strain was found to manifest as tension on the northwest side of the source and compression on the southeast side. The distribution of the areal strain closely mirrored the morphology of the volume strain. To study the triggering of aftershocks by the MS7.1 mainshock， the fault plane parameters of the receiving fault were determined. The focal mechanisms of aftershocks from January 23 to April 10， 2024， released by the China Earthquake Networks Center， were analyzed， resulting in two clusters of nodal planes. The second cluster， which had a small standard deviation， was selected， revealing an average strike and dip angle of 243.91° and 64.97°， respectively. The tectonic stress field of the earthquake source area was projected onto the seismogenic fault， resulting in a slip angle of 61.02°. Utilizing the mainshock rupture model proposed by USGS， the static Coulomb failure stress （CFS） generated by the mainshock was calculated using the determined parameters. The CFS in the study region exceeded the threshold of 0.01 MPa， with the maximum value reaching 0.3 MPa. Most aftershocks were located in high-value areas of CFS， indicating that the CFS generated by the mainshock promoted aftershock occurrence. To study the impact of the MS7.1 earthquake on surrounding faults， the CFS changes along the sliding direction of the faults were calculated based on their geometric and sliding characteristics. The results showed a maximum increase in CFS of 0.22 MPa on the Maidan-Shayiram fault， highlighting the need for increased attention to seismic activity in this area in the future. Conversely， the CFS changes on the Karatek fault， Yimugantau fault， Tataertag fault， Ozgeltau fault， and Keping fault were not significant.

Keywords：Wushi MS7.1 earthquake in 2024; seismogenic fault plane; displacement field; strain field; static Coulomb stress

0引言

根据中国地震台网中心测定，北京时间2024年1月23日2时9分，新疆阿克苏地区乌什县（41.26°N，78.63°E）发生7.1级地震，震源深度约22 km。震后发生了多次余震，属于典型的“主震-余震型”地震。

震中位于乌什县亚曼苏柯尔克孜族乡境内，属于高山区域，震中5 km内平均海拔约3.048 km。发震区位于南天山地震带，为现今挤压构造活动最强烈的区域之一，属于喜马拉雅地震活动带。天山构造带地处印度—欧亚新生代碰撞挤压构造带内部，为欧亚大陆最大的陆内造山带，其活动构造发育、地震活动频发，6级以上的强震事件大多发生在天山南、北山前的前陆逆冲挤压构造带内［1］（图1）。在青藏高原西缘的南天山地震带，塔里木盆地向北俯冲，形成了一系列的逆冲断裂，从天山一侧向南逆冲。主要活动断层有：迈丹—沙依拉姆断裂、衣木干它乌断裂、喀拉铁克断裂、柯坪断裂、奥兹格尔他乌断裂、皮羌北断裂、塔塔埃尔塔格断裂和那拉提断裂。距离本次乌什地震最近的是迈丹—沙依拉姆断裂，距离为6 km。

本文采用美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）给出的破裂模型，计算主震附近产生的位移场和应变场，采用万永革［2］提出的断裂带震源机制节面聚类法以确定断裂带产状。计算得到余震接收断层的断层面，根据此断层面作为研究主震对余震的触发参数，然后运用前人给出的震中附近断层几何和滑动特性资料，研究此次地震对周边断层的影响。

1乌什MS7.1地震产生的位移场与应变场

为了解乌什MS7.1地震对周围地区的影响，基于弹性半空间位错理论［3］，采用USGS提供的地震破裂模型，计算了新疆阿克苏地区乌什县MS7.1地震在周围区产生的地表同震位移场、地表面应变及各分量应变（图2、图3）。

从图2可以看出，此次地震在地表产生的体应变，在震中附近西侧、东北侧呈现压缩，而在震中南侧呈现拉张；北向应变在震中东侧、西侧压缩，在北侧、南侧拉张；东向应变在震中南侧、西侧呈现压缩，而在震中北侧、东南侧呈现拉张；北东向应变在震中西侧、东南侧呈现压缩，而在震中北侧、南侧呈现拉张。

从图3（a）可以看出，震中近处的位移场具有以下初步特征：从地表的水平位移场来看，震中西北侧和小部分东南侧的物质向外涌出，而东北侧和西南侧的物质涌入震中。与水平位移场相对应，垂直位移场在震中和震中西侧表现为隆升，震中北侧、东侧和南侧表现为略微沉降。从图3（b）可以看出，面应变的分布与体应变的形态基本相似，表现为面应变为体应变的继承。面应变为负（蓝色）区域内，物质的运动方向与主压应变大体一致，而面应变为正（红色）区域内，物质的运动方向与主张应变大体一致［图3（a）］。

2乌什主震对余震的触发

2.1库仑破裂应力

库仑破裂应力是指由于构造活动施加在地壳中某一点上的应力，达到岩石破裂强度时，可能引发断层滑动，导致地震发生。因此，库仑破裂应力经常用来解释地震的发生机制和预测地震活动的可能性。

应力触发是指地震活动中，一次地震活动对周边地区或断层系统产生的应力变化，可能引发后续地震的现象。该现象通常包括两个主要类型：静态应力触发和动态应力触发［4-7］。其中静态应力触发主要是由能量较大地震的同震位错引起的，会使邻区的应力场发生显著变化。静态库仑破裂应力变化需要达到一定阈值，通常为0.01 MPa，才能对地震产生明显的触发效应［8］。将主震引起的应力变化投影到后续地震断层上，如果库仑破裂应力变化为正，主震可能对后续地震产生促进作用，增加地震发生的概率;反之，如果库仑破裂应力变化为负，可能对后续地震有抑制作用［9］，形成“应力影区”［10］。目前普遍认为，余震多发生在库仑破裂应力增加的区域，而在应力减少区，地震活动性减弱。

在活动断层上，由于板块受到构造力的作用，导致板块之间的相对运动，这种相对运动会引起断层面上的库仑破裂应力的变化。此变化受到剪应力、正应力和摩擦系数的共同影响，可以表示为：

Δσ_f=Δτ+μ′Δσ_n （1）

式中，Δσ_f为库仑破裂应力变化;Δτ为剪切应力变化;Δσ_n为正应力变化;μ′为视摩擦系数，一般而言，μ′取值范围在0.2到0.8之间，本研究借鉴King等［11］和Harris［12］的已有成果，在考虑地下介质可能含有孔隙流体和断层面等因素的影响，取值为0.4。

2.2乌什地震序列余震断层面的确定

本研究从中国地震台网中心收集2024年1月23日到2024年4月10日的主震震源及其邻区（77.5°～79.5°E，40.5°～42.5°N）范围内MS＞3地震序列的47个震源机制解数据。盛书中等［13-14］提出根据大震后的地震震源机制解计算其对后续地震的触发影响，我们也对47个震源机制解数据进行计算，发现17个余震受到了影响而触发。分析其原因是这里的余震大部分发生在主震震源区，在计算库仑应力的变化过程中，在震源处具有异样性，会变得无穷大，这使得震源邻域内的库仑破裂应力变化是不准确的;另外一个原因是在震源附近主震产生的应力变化与背景构造应力共同作用，使得余震（特别是震级较小）的触发情况特别复杂。因此，我们采用聚类分析的方法。

鉴于新疆阿克苏地区乌什县MS7.1地震余震的总体震源机制解尚未明了，难以精确计算新疆阿克苏地区乌什县MS7.1地震对余震的静态应力影响。本研究统计该地震序列的震源机制参数，将聚类得到的离散度较小的一类节面作为余震的发震断层面。

一条断裂带上发生地震的破裂面通常与断裂带的形状相近。在同一地震破裂带，存在大量震源机制节面，这些节面集中于断层面。通过求解这个集合的节面中心，可以得到断裂带的几何形状。基于此，万永革［2］提出了一种断裂带震源机制节面聚类确定断裂带产状的算法，该算法能够把高密度的区域划分为簇，并可以将其噪声筛除。本次地震序列虽然以逆断为主，但也有很多其他类型的震源机制，因此，可以采用这种节面聚类方法给出两类节面，并选择其中一类为可能破裂面。

通过对乌什地震序列的震源机制节面进行聚类分析可以得到两簇聚类中心，如表1所列。第一类和第二类的中心节面夹角为80.01°。噪声节面数据个数为8个，并且在全空间分布，较为随机（图4）。由于第二簇节面聚类结果标准差较小，因此推测其可能为本次地震的发震断层面。本文得到的余震接收断层面结果（走向243.91°，倾角64.97°）与USGS给出的主震破裂模型（https：//earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000lsze/finite-fault）（走向238°，倾角62°）基本一致。说明了该地区的主要破裂与迈丹—沙依拉姆断裂（走向225°，倾角70°）大体一致的。另外，我们收集了采用不同方法和资料得到的该地震的多个震源机制解。选择震源机制中心解的求解算法进行处理，以获得一个中心震源机制解［15］。乌什MS7.1地震的震源机制中心解（走向244.86°，倾角44.04°，滑动角60.20°）与本文求解的发震断层结果相近，差距较小。极大的可能是由于这些余震和主震发生在迈丹—沙依拉姆断裂上，其破裂参数也有极大的相似性，表明主震和余震的震源机制解是相差不大的。

根据关兆萱等［16］对乌什地震震源区的构造应力场的计算，得到主张应力轴的走向为71.63°，倾伏角为78.82°，主压应力轴的走向为171.62°，倾伏角为1.96°。根据发震断层的参数和该应力场数据（文献［16］），通过万永革［17］提出的方法计算得到发震断层节面的滑动角为61.02°。

2.3新疆阿克苏地区乌什县MS7.1地震对余震的触发作用

需要指出的是，地震活动是复杂而多变的，不同的地震事件可能在空间和时间上存在差异。余震的发生是一个动态过程，受到地壳断层和地震事件的相互作用影响。主震释放了一部分的应力，但并未完全释放地壳中的应力，这些未释放完全的应力将会导致产生余震。余震的规模通常较小，但仍能对地震灾害的影响产生重要作用。为了估算主震对余震的静态库仑破裂应力变化，需要获知接收断层面的参数。本文根据上节得到的该地震序列统计断层面作为本次地震余震接收断层面的几何参数和周边应力场在该断层面的投影的剪滑角（面I走向243.91°，倾角64.97°，滑动角61.02°），根据USGS提供的破裂模型和已有的该地震序列的1 108个余震数据，经过对震源深度的统计，将1 108个深度数据分为0～8 km、9～17 km、18～25 km三类，并取平均值作为余震的深度。计算余震在该三个深度（4 km、13 km、21 km）产生的库仑应力变化（图5）。

从图5可以看出，在0～8 km深度范围余震数据有55个，在9～17 km深度范围有953个，18～25 km深度范围余震数据有54个；在9～17 km深度范围余震处在触发区的比例很高，且处于库仑应力变化的高值区;区内库仑应力超过0.01 MPa阈值，且库仑破裂应力最大值达0.3 MPa。结果表明，发震断层产生的静态库仑应力激励了余震的发生，触发的余震比例很高，影响了该地区的地震活动性。在离主震较远的一些余震中，库仑破裂应力变化为0，表示这些余震未受到主震的影响。

3对周边断层的影响

大地震是主要断层的破裂，大地震的发生可能改变震源区的地壳动力学属性，包括断层的性质和库仑应力的分布。为了探究此次乌什县MS7.1地震对周围主要断层的影响，根据USGS提供的破裂模型，计算此次地震产生的库仑应力变化。

在计算库仑应力变化时，需要获取断层的几何形状和滑动性质的数据。由于研究的断层活跃度很高，根据王子韬等［18］、何文渊等［19］、吴传勇等［20］、曲国胜等［21］对断层的描述，以确定断层几何形状和滑动特性。本次乌什地震附近断层有：迈丹—沙依拉姆断裂、喀拉铁克断裂、衣木干他乌断裂、塔塔埃尔塔格断裂、奥兹格尔他乌断裂、柯坪断裂等。主震附近的断裂均表现为逆断层，倾角均在50°～70°范围内，滑动角均在45°～90°范围内，本文根据余震来确定断层面，作为接收断层。计算接受断层的库仑破裂应力变化的深度为13 km，计算结果如表2所列。

由表2可知：本次阿克苏地区乌什县MS7.1地震周围的多个断裂均有不同程度的库仑应力增加：迈丹—沙依拉姆断裂库仑应力达到0.023 MPa，其最大增加量达到0.22 MPa;喀拉铁克断裂应力最大增加量达到0.001 MPa，衣木干他乌断裂达到0.008 MPa，塔塔埃尔塔格断裂达到0.001 MPa，奥兹格尔他乌断裂达到0.000 1 MPa，柯坪断裂达到0.008 MPa，这五条断裂的库仑应力变化并不明显，可见本次地震对这五条断裂带影响很弱，而对于迈丹—沙依拉姆断裂带影响很明显。

通过对阿克苏地区乌什县MS7.1地震产生的库仑应力对周围断裂带的影响（图6）可知，本次地震对周围主要断裂带的影响较大，库仑破裂应力到达触发的阈值（0.01 MPa），增加了该区域的地震危险性。因此，本研究得到的结果对该地区的危险性分析具有一定的参考意义，特别是库仑应力增加较多的迈丹—沙依拉姆断裂。

4结论

本研究结合中国地震台网中心给出的2024年新疆阿克苏地区乌什县MS7.1地震的震源机制解数据，结合USGS提供的地震破裂模型，得到震源区库仑应力变化，计算了新疆阿克苏地区乌什县MS7.1地震在周围区产生的位移场和应变场。根据余震震源机制的节面聚类分析，得到发震断层节面走向和倾角;根据发震断层参数和应力场数据计算得到滑动角;用发震断层作为接收断层，计算得到主要断层面上产生的同震库仑应力变化。

（1） 此次地震近处的位移场具有以下初步特征：从地表的水平位移场来看，震中北西侧和小部分东南侧的物质向外涌出，东北侧和西南侧的物质涌入震中，发震断层附近呈现明显的逆冲机制。与水平位移场相对应，垂直位移场在震中及西侧表现为隆升，震中北侧、东侧和南侧表现为略微沉降，但沉降量量级很小。在地表产生的体应变中，震中附近呈现拉张，震中远处的东北和西南两侧呈现轻微拉张，震中周边呈现压缩，东侧压缩表现更为突出。面应变的分布与体应变的形态基本相似。

（2） 通过对余震序列的震源机制数据进行聚类分析，第二簇节面计算得到的标准差小于第一簇节面，这表明第二簇节面（走向243.91°，倾角64.97°）为发震断层的可能性较大。再通过应力场提供的主压应力和主张应力和发震断层参数计算得到滑动角为61.02°。

（3） 从此次地震对余震的影响中可以看出，在9～17 km深度范围产生的库仑应力变化里大部分余震处于触发区内，且处于库仑应力变化的高值区，区内库仑应力超过0.01 MPa阈值，且库仑破裂应力最大值达0.3 MPa。结果表明余震处在触发区比例很高，主震产生的静态库仑应力促进了余震的发生，影响了该地区的地震活动性。

（4） 通过对新疆阿克苏地区乌什县MS7.1地震产生的库仑应力对周围断裂带的影响可知，喀拉铁克断裂、衣木干他乌断裂、塔塔埃尔塔格断裂、奥兹格尔他乌断裂、柯坪断裂的库仑应力变化并不明显;迈丹—沙依拉姆断裂的库仑应力变化十分明显，尤其是在发震区域周围。由此可见，本次地震对迈丹—沙依拉姆断裂带的影响较大，需要警惕迈丹—沙依拉姆断裂及其附近区域的地震活动性。

5讨论

我们采用的是USGS给出的乌什地震破裂模型计算主震对余震和周围断层的库仑破裂应力，北京大学张勇教授研究组也给出相应的破裂模型（https：//pku-geophysics-source.group/htmls/models.html）（走向254°，倾角47°），从破裂分布和总体特征来看，两者相差不大，我们也尝试了采用该模型，发现结果差别不大。因此，本文采用USGS的模型进行结果展示。

计算库仑破裂应力变化时余震的断层面的选择是个棘手的问题，本研究采用本次地震序列的震源机制节面聚类分析，选择标准差较小一簇地震节面的中心作为本次余震的接收断层面。盛书中等［14］也采用与本研究相同的方法获得了聚类断层面参数，并收集了该地震序列的震源机制解。但本研究收集相较于文献［14］更为完善。随着地震资料的完善和精确，可采用地震分布拟合断层面（文献［22-23］）等资料和措施对其进一步完善，作为后续的研究目标。

致谢：感谢徐晨雨、张勇和USGS提供了此次地震的破裂模型。

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（本文编辑：任栋）