李 金 周龍泉 龍海英 聶曉紅 郭 寅

1)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

地震是地下介質(zhì)受到應(yīng)力作用產(chǎn)生破裂的自然現(xiàn)象，震源機制解是研究構(gòu)造應(yīng)力場的基本資料，反映了震源斷層的力學特征，可以揭示地震破裂的力學機制，反映出地震等效釋放應(yīng)力場，震源機制一致性參數(shù)可作為判別強震發(fā)生的新參數(shù)(陳颙，1978)。研究表明，強震受到構(gòu)造應(yīng)力場的制約，一般情況下震源機制與應(yīng)力場的方向吻合(李欽祖等，1982)。陳颙(1978)研究一些強震震例時發(fā)現(xiàn)，強震前震源機制解趨于一致的現(xiàn)象也時有發(fā)生，提出可用前震震源機制的一致性來描述地震活動性。Ellsworth等(1980)研究了從震源機制解確定應(yīng)力張量的方法，Gephart等(1984)通過研究San Fernando地震序列提出了利用震源機制參數(shù)聯(lián)合求解應(yīng)力場的方法。許忠淮等(1984)利用滑動矢量反演了新疆富蘊地震的構(gòu)造應(yīng)力場，之后又應(yīng)用此方法研究了唐山震源區(qū)應(yīng)力場(許忠淮，1985)。

震源機制一致性參數(shù)是衡量地震震源釋放應(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場一致性程度的定量指標。國內(nèi)外學者(陳颙，1978;刁桂苓等，2004;王俊國等，2005;程萬正等，2006;澤仁志瑪?shù)龋?009)認為基于震源機制解反演應(yīng)力場的時空變化能夠捕捉到強震前的震兆信息，震源機制一致性參數(shù)是判斷地震危險性的1個有用判據(jù)。以往的研究(趙英萍等，2004;刁桂苓等，2004)將單個地震震源機制解的P，T，B軸和構(gòu)造應(yīng)力場的3個正交的應(yīng)力主軸在3維空間的夾角之和稱為一致性參數(shù)。本研究采用Michael等(1990)提出的Misfit角度來表征震源機制一致性，其定義為單個地震的滑動矢量與在平均剪切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的滑動矢量之間的夾角。

1 數(shù)據(jù)資料和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

利用天山地震帶2003—2014年的306個MS3.5以上的震源機制解資料，其中3.0～3.9級地震124次，4.0～4.9級地震132次，5.0～5.9級地震41次，6.0～6.9級地震9次(圖1)。2003—2013年的264個震源機制解由高國英等(2010，2012)、龍海英等(2008a，b)、聶曉紅等(2012)利用P波初動法求解得到。2013年以后的42個震源機制，采用最近10多年國際上不斷發(fā)展和完善的CAP波形反演方法(Zhao et al.，1994;Zhu et al.，1996;呂堅等，2008)計算得到，其綜合利用了近震中體波和面波信息，將寬頻帶數(shù)字地震波形記錄分解為體波Pnl和面波2部分，計算并搜索理論地震波形與真實地震波形之間擬合誤差函數(shù)最小的機制解。

圖1 天山地震帶的震源機制解分布圖Fig.1 The distribution of focal mechanism in Tianshan seismic zone.

1.2 應(yīng)力張量及Misfit角度計算

采用Michael等(1984，1987)提出的應(yīng)力張量反演方法來反演整個研究區(qū)的應(yīng)力張量和Misfit角度。計算過程中，由于無法區(qū)分震源機制解的斷層面和輔助面，因此在反演應(yīng)力張量時將2個節(jié)面等同看待，通過節(jié)面與假定應(yīng)力張量的擬合函數(shù)關(guān)系來選取其中擬合誤差較小的節(jié)面作為震源機制斷層面，隨后基于研究區(qū)域每個網(wǎng)格節(jié)點及其周圍一定范圍內(nèi)的多個震源機制解，采用每個震源機制解給激發(fā)斷層運動的應(yīng)力張量1個限制，通過若干個解的逼近則可以取得作用在該節(jié)點的應(yīng)力張量解的方向。在應(yīng)力張量結(jié)果的基礎(chǔ)上進一步求取Misfit角度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 天山地震帶主應(yīng)力軸分布特征

利用ZMAP程序(Max Wyss and Stefan Wiemer)反演了天山地震帶應(yīng)力場。將天山地震帶按照0.3°×0.3°進行網(wǎng)格化，選取每個網(wǎng)格節(jié)點及其周圍至少15個地震的震源機制解進行反演。得到了2003—2014年天山地震帶的最大主應(yīng)力分布(圖2)，總體來看研究區(qū)主應(yīng)力方位整體以SN向為主，垂直于北天山內(nèi)部的博羅科努斷裂，僅有局部區(qū)域主應(yīng)力方位比較錯亂，這與以往的研究結(jié)果較為一致(高國英等，1998;龍海英等，2007)。同時還反演了該區(qū)域應(yīng)力主軸球面投影圖，其中黑色較大的方形、三角和圓圈分別代表S1(最大)、S2(中等)、S3(最小)主應(yīng)力軸。黑色小方形代表最大主應(yīng)力軸的投影位置，紅色小三角形為中等主應(yīng)力軸的投影位置，藍色小圓圈則代表最小主應(yīng)力軸的投影位置。

圖2 2003—2014年天山地震帶最大主應(yīng)力S1方位及分段應(yīng)力主軸球面投影圖Fig.2 The direction of maximum principal stress S1 and spherical projection of stress axis in Tianshan seismic zone from 2003-2014.

為細化研究，將天山地震帶分為4段，分別為T1、T2、T3與T4(圖2)。從圖2可見，天山地震帶東部(T1)，最大主應(yīng)力方位S1總體較為單一，以NNE向為主，局部地區(qū)呈現(xiàn)SN向或NNW向，基于T1段震源機制反演獲得的最大主應(yīng)力軸的方位為208.3°。天山中段及柯坪塊體北部(T2)最大主應(yīng)力方位以SN向居多，局部地區(qū)出現(xiàn)NNW或NNE向，該段(T2)最大主應(yīng)力軸方位為355.2°。柯坪塊體南部(T3)最大主應(yīng)力呈現(xiàn)2種方位，北部以NW向為主，南部以SN向為主，最大主應(yīng)力軸方位為344.6°?？κ?烏恰交會區(qū)(T4)最大主應(yīng)力軸南部以SN向為主，西北部為NE向，東北部為NW向，該區(qū)(T4)最大主應(yīng)力軸方位為340.6°。

自1992年蘇薩梅爾7.3級地震后，天山地震帶7級地震已平靜22a。2003年伽師-巴楚6.8級等1組強烈地震發(fā)生后，新疆地震活動水平持續(xù)偏低，至2008年3月之前，新疆3a內(nèi)未發(fā)生6級以上地震，在此期間平均每年僅發(fā)生1次5級地震(高國英等，2009)。2008年10月5日烏恰6.9級地震是天山地震帶自2003年伽師-巴楚6.8級地震后的又1次強震。因此以2008年烏恰6.9級強震為界，分別反演了2003年伽師-巴楚6.8級地震后至2008年烏恰6.9級強震之前以及2008年烏恰6.9級強震之后天山地震帶最大主應(yīng)力分布特征。

對天山地震帶進行時間分段后，每個時間段的地震數(shù)量相對減少，因此將天山地震帶按照0.5°×0.5°進行網(wǎng)格化，選取每個網(wǎng)格節(jié)點及其周圍至少15個地震的震源機制解進行反演。得到了時段I:2003年2月24日—2008年10月5日(2003年伽師-巴楚6.8級地震至2008年烏恰6.9級強震)(圖3a)以及時段Ⅱ:2008年烏恰6.9級強震—2014年(圖3b)天山地震帶的最大主應(yīng)力分布。從圖3可以看出，天山中東段地區(qū)最大主應(yīng)力方位在2個時段內(nèi)變化不大，自西向東變化越來越小，在北天山西部地區(qū)由NNE轉(zhuǎn)為SN向。庫車凹陷附近區(qū)域最大主應(yīng)力方位由時段Ⅰ較為紊亂的分布變?yōu)闀r段Ⅱ的NE向。柯坪塊體東側(cè)最大主應(yīng)力方位則由時段Ⅰ的近SN向轉(zhuǎn)變?yōu)闀r段Ⅱ的NW向，而柯坪塊體西側(cè)的最大主應(yīng)力方位由時段Ⅰ的近SN向和NW向轉(zhuǎn)變?yōu)闀r段Ⅱ的NW向。喀什-烏恰交會區(qū)的最大主應(yīng)力方位由時段Ⅰ的NNE向轉(zhuǎn)變?yōu)闀r段Ⅱ的近SN向或NNW向。

圖3 2008年10月5日烏恰6.9級地震前、后天山地震帶最大主應(yīng)力方位分布Fig.3 The direction of maximum principal stress before and after Wuqia M S6.9 earthquake on October 5，2008.a 2003-02-24—2008-10-04(烏恰6.9級地震前);b 2008-10-05—2014-01-01(烏恰6.9級地震后)

總體來看，2008年烏恰6.9級強震前后，天山地震帶最大主應(yīng)力方位存在顯著差異，但是未打破主應(yīng)力方位近SN的趨勢。天山中東段地區(qū)最大主應(yīng)力方位在2008年烏恰6.9級強震前后變化不大，相比之下南天山西段地區(qū)最大主應(yīng)力方位變化較為顯著。

2.2 天山地震帶震源機制一致性參數(shù)的空間演化特征

計算了天山地震帶各節(jié)點震源機制一致性參數(shù)(Misfit)，繪圖時采用應(yīng)力張量方差(variance)來表征應(yīng)力場的非均勻性(圖4)。震源機制一致性參數(shù)或應(yīng)力張量方差的低值均能反映應(yīng)力場的均勻性(一致性)，而相反高值則反映應(yīng)力場的非均勻性(Michael et al.，1990)。為了分析研究區(qū)應(yīng)力場非均勻性空間分布與中強震的關(guān)系，將2003年以來天山地震帶發(fā)生的MS≥5.5地震投影到應(yīng)力場空間分布圖上。結(jié)果顯示，伊犁河谷地區(qū)、南天山部分區(qū)域以及喀什-烏恰交會區(qū)應(yīng)力張量方差相對較高，達到0.3～0.35，Lu等(1997)的研究表明:當variance＞0.2時，說明該區(qū)域的應(yīng)力場在時間上和空間上都是非均勻的。而在新源以西區(qū)域，新源、和靜交界處6.6級地震震中位置附近區(qū)域東天山部分區(qū)域，應(yīng)力張量方差相對較低，部分區(qū)域的應(yīng)力張量方差值甚至＜0.1。而Lu等(1997)的研究結(jié)果顯示:當variance＜0.1時，意味著可以用該區(qū)域統(tǒng)一的應(yīng)力張量來解釋觀測到的震源機制解，也可以被理解為該研究區(qū)域的應(yīng)力場是均勻的。

圖4 天山地震帶應(yīng)力場及2003年以來M S≥5.5地震震中分布圖Fig.4 Stress field and the epicenter distribution with M S≥5.5 from 2003 in Tianshan seismic zone.

從圖4可以看出，2003年以來天山中東段地區(qū)的MS≥5.5地震大多數(shù)發(fā)生于應(yīng)力張量方差相對較低的區(qū)域，尤其是新源、和靜交界處的6.6級地震位于其應(yīng)力張量方差低值中心，反映出該區(qū)應(yīng)力場對此次地震的發(fā)生起到了決定性的作用。此外，在吐魯番盆地附近地區(qū)，應(yīng)力張量方差相對較低，2003年以來沒有5.5級以上的強震發(fā)生;而從震源機制一致性空間分布(圖4)來看，南天山西段地區(qū)MS≥5.5地震與該區(qū)域中震源機制一致性相對較高的地區(qū)對應(yīng)相對較差，在應(yīng)力張量方差相對較低的阿圖什以北地區(qū)，2003年以來，未曾發(fā)生5.5級以上的強震。

2.3 天山地震帶震源機制一致性參數(shù)的時間演化特征

從震源機制一致性參數(shù)的空間分布(圖4)來看，天山中東段地區(qū)中強地震多發(fā)生于震源機制一致性參數(shù)低值分布區(qū)或其邊緣附近。2011年6月以來，新疆地區(qū)中強地震活躍，截至2014年2月12日于田7.3級地震，已連續(xù)發(fā)生24次5級以上地震。與此同時，天山地震帶地震活動水平也相對較高，尤其是天山中東段地區(qū)相繼發(fā)生了2011年11月1日尼勒克6.0級地震和2012年6月30日新源、和靜交界處的6.6級地震。下面將通過時間變化來研究該地區(qū)強震活動與震源機制一致性參數(shù)之間的關(guān)系。選取15個地震作為窗長，5個地震為步長進行滑動反演，獲得了2003年以來天山中東段地區(qū)震源機制一致性參數(shù)隨時間的變化(圖5)。

圖5 天山中東段地區(qū)Misfit角隨時間的變化曲線Fig.5 Curves of misfit angle changing with time in middle section of the Tianshan area.

天山中東段地區(qū)震源機制一致性參數(shù)Misfit自2003年以來大體經(jīng)歷了2個相對較低的過程。第1段為2006年初至2007年底，天山中東段地區(qū)Misfit角度緩慢降低，至2007年9月24日降至最低30°，在Misfit低值期間及其后一段時間內(nèi)天山中東段地區(qū)發(fā)生了5次5級以上地震，其中最大地震為2007年7月20日特克斯5.9級地震。第2段為2010年下半年至今，2010年之前，天山中東段地區(qū)，震源機制一致性總體相對較差，Misfit＞40°，同時，反演獲得的應(yīng)力張量方差也相對較高，多數(shù)＞0.3，反映出其震源機制一致性較為紊亂。自2010年起，Misfit值開始下降，至2011年，Misfit＜40°，同時應(yīng)力張量方差下降至0.17以下;至2012年6月6日Misfit降到最低值23°，同時應(yīng)力張量方差下降為0.01，時隔24d，發(fā)生了新源、和靜交界處的6.6級地震。表明在2011年6月開始的這組全疆中強地震連發(fā)之前，天山中東段地區(qū)應(yīng)力水平逐漸升高，同時反映了該區(qū)域震源機制一致性參數(shù)由紊亂到一致的過程;而隨后天山中東段地區(qū)發(fā)生的8次5級以上地震(包含3次6級以上地震)也驗證了這一現(xiàn)象。天山中東段地區(qū)震源機制一致性參數(shù)Misfit自2010年下半年出現(xiàn)低值以來，雖略有回升，但仍然低于40°閾值，因此分析認為天山中東段地區(qū)未來一段時間仍有可能發(fā)生中強以上地震。國內(nèi)外學者(Michael et al.，1990;付虹等，2011)認為，可將Misfit=40°作為應(yīng)力場均勻性與非均勻性的標示，當Misfit≤40°時，可以理解為該區(qū)域的應(yīng)力場是均勻的;當Misfit＞40°時，則反映了該區(qū)域應(yīng)力場的非均勻性。

由圖3可以看出，2008年烏恰6.9級強震前后，南天山西段最大主應(yīng)力方位變化較為顯著，烏恰6.9級地震震源區(qū)(喀什-烏恰交會區(qū))最大主應(yīng)力方位由震前的NNE向轉(zhuǎn)變?yōu)檎鸷蟮慕黃N向。有研究表明，強震前震源區(qū)附近的應(yīng)力場會發(fā)生變化，震后恢復該地區(qū)的基本應(yīng)力場，伽師地區(qū)的應(yīng)力場在1997年3月1日至2003年1月4日發(fā)生變化，2003年2月24日伽師6.8級地震后該地區(qū)應(yīng)力場又恢復到基本應(yīng)力場的方向(刁桂苓等，2004)。為了進一步分析烏恰6.9級強震活動與震源機制一致性參數(shù)隨時間變化的關(guān)系。選取12個地震作為窗長，5個地震為步長進行滑動反演，獲得了2003年以來南天山西段地區(qū)震源機制一致性參數(shù)隨時間的變化。由圖6可以看出，2004年以來，南天山西段震源機制一致性參數(shù)Misfit階梯型上升，2008年7月15日Misfit角度為67°，其后驟降，2008年10月5日烏恰6.9級強震時降至36°;而反演獲得的應(yīng)力張量方差也由之前相對較高的0.33降至0.20，反映了其震源機制一致性參數(shù)總體呈現(xiàn)由紊亂到一致的過程。

圖6 南天山西段地區(qū)Misfit角隨時間的變化曲線Fig.6 Curves of misfit angle changing with time in the southern section of Tianshan area.

2008年10月5日烏恰6.9級地震后，南天山西段震源機制一致性參數(shù)Misfit起伏變化，2012年底再次降低，2013年7月25日該值為27.5°，低于Misfit=40°的閾值，表明南天山西段目前應(yīng)力場較為均勻，震源機制一致性相對較高。

2.4 天山地震帶b值空間分布與強震的關(guān)系

已有研究表明，強震與大地震孕育并發(fā)生在活動斷裂帶的特定段，尤其是在凹凸體部位，其所在的斷裂段往往表現(xiàn)出高應(yīng)力、相對閉鎖的習性(Aki，1984;Wiemer et al.，1997;Wyss et al.，2000)，且應(yīng)力的高低與震級-頻度關(guān)系中的b值呈反比，低b值反映了較高的應(yīng)力(Scholz，1968;Urhancic et al.，1992)。基于上述思路，本研究利用天山地震帶2003年1月1日—2014年4月30日新疆地震臺網(wǎng)記錄的地震目錄，計算給出了研究區(qū)的b值空間分布(圖8)，并與上述同樣反映應(yīng)力高低的震源機制一致性空間分布進行對比分析。

圖7 天山地震帶震級-頻度分布Fig.7 The magnitude-frequency distribution in Tianshan seismic zone.

G-R關(guān)系log10N=a-bM中參數(shù)b值的計算需要“記錄完整”的地震目錄，最小完整性震級是地震目錄品質(zhì)的體現(xiàn)，定義為某個較小的震級MC，大于MC的所有地震都能記錄到。圖7給出了天山地震帶的震級-頻度分布?？梢?，ML2.0以上的地震基本滿足線性關(guān)系，即研究時段內(nèi)ML≥2.0地震的記錄是完整的，研究區(qū)內(nèi)該時段的最小完整性震級MC=2.0，略高于李志海等(2011)的研究結(jié)果。圖7中還給出了震級≥MC地震的震級-頻度關(guān)系擬合直線，其斜率為0.846 3，該值即為研究區(qū)在研究時段內(nèi)的平均b值。

在獲得最小完整性震級MC的基礎(chǔ)上，首先將研究區(qū)以0.15°×0.15°間距進行網(wǎng)格化，利用最大似然法選取以每個節(jié)點為圓心，30km半徑范圍內(nèi)且＞MC的地震資料計算b值，每個窗口內(nèi)至少包含30個地震，同時也將2003年以來MS≥5.0的地震投影到b值空間分布圖上(圖8)，可以明顯看出，MS5.0以上地震較多地發(fā)生于低b值(＜0.7)分布區(qū)及其鄰近地區(qū)。而以往的研究同時也表明，新疆地區(qū)低b值異常區(qū)有可能發(fā)生中強地震，低b值異常結(jié)束后1a內(nèi)發(fā)生6級地震的概率為65%，2a內(nèi)這一概率高達92%(王筱榮，2008)。

圖8 天山地震帶b值與2003年以來5級以上中強地震的空間分布Fig.8 The distribution of b-value and the spatial distribution of strong earthquake with M S≥5.0 from 2003 in Tianshan seismic zone.

綜合分析認為，天山地震帶(中國境內(nèi))震源機制一致性、b值均與應(yīng)力場有一定的關(guān)系，天山地區(qū)中強地震多發(fā)生于低b值分布區(qū)及其鄰近地區(qū)，同時2003年以來天山中東段地區(qū)的MS≥5.5地震大多數(shù)發(fā)生于應(yīng)力張量方差相對較低的區(qū)域。

3 結(jié)論

本研究以天山地震帶為研究區(qū)域，基于2003—2014年306個MS3.5以上的震源機制解資料，分析了天山地震帶主應(yīng)力空間分布特征，在此基礎(chǔ)上研究了天山地震帶的應(yīng)力狀態(tài)，及震源機制一致性參數(shù)時空分布與中強地震活動的關(guān)系。結(jié)果表明:

(1)研究中反演獲得的天山地震帶主應(yīng)力與早期研究結(jié)果具有相似性。整個天山地震帶主應(yīng)力軸以SN向為主，局部區(qū)域呈現(xiàn)NNE、NNW向。其結(jié)果與天山地區(qū)整體受到SN向不均勻的構(gòu)造擠壓作用(徐錫偉等，2006)相一致。

(2)從2003年以來天山中東段5.5級以上中強地震的分布來看(圖4)，中強地震多分布于應(yīng)力張量方差相對較低的區(qū)域;而南天山西段地區(qū)MS≥5.5地震與該區(qū)域中震源機制一致性相對較高的地區(qū)對應(yīng)相對較差。

(3)2011年下半年以來，新疆地區(qū)中強地震活躍，尼勒克6.0級地震及新源、和靜交界處的6.6級地震之前，天山中東段地區(qū)震源機制一致性參數(shù)總體呈現(xiàn)由紊亂到一致的過程;2008年烏恰6.9級強震前，南天山西段震源機制一致性參數(shù)也出現(xiàn)明顯下降，反映了震前單個地震震源機制呈現(xiàn)的P軸方向有趨于構(gòu)造應(yīng)力場的態(tài)勢，表明震源區(qū)附近應(yīng)力有逐漸升高的趨勢。

(4)利用2003年1月1日—2014年4月30日新疆地震臺網(wǎng)記錄的ML≥2.0地震目錄計算得到的天山地震帶b值圖像，可以看出2003年以來天山地震帶5級以上中強地震多分布于b值相對較低的區(qū)域。