張文婷 季靈運* 朱良玉 蔣鋒云 徐曉雪

1)中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054 2)國家遙感中心地質災害研究部，北京 100036

圖1 伽師地震區(qū)域構造Fig.1 Tectonic setting map of the Jiashi earthquake.a 黑色細線表示斷層(F1柯坪斷裂；F2奧茲格爾他烏斷裂；F3托克散阿塔能拜勒褶皺-逆斷裂帶；F4科克布克三山褶皺-逆斷裂帶；F5奧依布拉克褶皺-逆斷裂帶；F6喀拉鐵克斷裂；F7邁丹斷裂；F8皮羌斷裂；F9巴什托普斷裂)，灰色粗線表示二級塊體劃分，白色方框為升、降軌SAR數(shù)據(jù)覆蓋范圍，震源機制解數(shù)據(jù)來自GCMT(1976—2020年)(1)https: ∥www.globalcmt.org/。和USGS(2020年)(2)https: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/。，藍色箭頭表示GPS水平速度場；b 黑色實線表示二級塊體劃分，紅色圓圈表示1900年以來發(fā)生的7級以上地震，紅色方框表示圖a的位置

表 1 不同機構提供的震源機制解Table 1 Focal mechanism solutions of Jiashi MS6.4 earthquake

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2020年1月19日21時27分新疆喀什地區(qū)伽師縣(39.83°N，77.21°E)發(fā)生了6.4級地震，震中位于南天山西段的柯坪推覆體附近(圖1)，距離伽師縣56km，震源深度約為16km(孟令媛等，2020；聶曉紅等，2020)，此次地震是自1997—2003年伽師6～7級震群事件以來發(fā)生的又一次強烈地震。多家機構對此次地震的震源機制解進行了解算，得到的結果均顯示此次地震為一次逆沖型地震(表1)。目前已有學者基于InSAR技術獲取了此次地震的同震形變場(溫少妍等，2020)，并反演了斷層面滑動分布(李成龍等，2020)。本文在此基礎上優(yōu)化了斷層面幾何構形及滑動分布反演方法，獲取了此次地震更精細的斷層面滑動分布，然后對區(qū)域GPS面應變率、構造動力背景和區(qū)域深淺部構造進行了綜合分析，探討了2020年新疆伽師6.4級地震與1997—2003年伽師6～7級震群的相互關系。

1 區(qū)域構造背景

2020年新疆伽師6.4級地震的震中位于南天山前陸褶皺沖斷帶，其北部為天山褶皺帶，西南為西昆侖-帕米爾高原，東部和南部為剛性的塔里木盆地(喬學軍等，2007)(圖1)。受印度板塊與歐亞板塊持續(xù)碰撞的影響，該區(qū)域的構造活動主要表現(xiàn)為天山地塊逆沖于塔里木地塊之上(田勤儉等，2006)，GPS觀測到該區(qū)域的地殼縮短率為6～8mm/a(王琪等，2001)。在這樣的逆沖環(huán)境下，伽師地區(qū)中強地震頻發(fā)，僅過去的50a內(nèi)，距此次震中50km的范圍內(nèi)就發(fā)生了13次具有多種震源機制類型的6級以上地震(周仕勇等，2006；張竹琪等，2008)。

從區(qū)域相對較小空間尺度的構造背景分析，2020年新疆伽師6.4級地震的震源區(qū)位于南天山山前的柯坪推覆體。新生代期間，特別是第四紀以來，天山地區(qū)強烈而持久的再生造山作用不僅形成了分布式逆斷裂作用的格局，使地殼近SN向縮短和垂向隆升，還在天山南北麓形成逆斷裂-褶皺帶或背馱式逆斷裂推覆體系，引起天山山脈不斷地向外側擴展，逆斷裂-褶皺帶的主體活動期也從山體一側的中新世早期向前陸盆地逐漸變新(鄧起東等，2000)?？缕和聘搀w的形成及擴展也與滑脫面的伸展有關，天山主體沿高角度逆斷裂向南、北兩側前陸盆地推擠的過程中，在盆地下順寒武系底界面形成了低角度滑脫斷裂，該滑脫斷裂的形成和不斷向盆地方向的伸展，導致之上多排褶皺-逆斷裂帶的逐步形成與推覆體的擴展形成了柯坪推覆體(宋方敏等，2006)。推覆體由一系列近NEE-SWW走向、向S逆沖的薄皮式?jīng)_斷帶組成(Allenetal.，1994)，EW長約300km，SN寬60～140km，北以邁丹斷裂與南天山晚古生代造山帶為界，南以柯坪斷裂與塔里木盆地為界，在新生代天山造山帶變形向盆地擴展的過程中扮演著極其重要的角色(張耀，2019)?？缈缕簲鄩K的人工地震剖線揭示位于基底及其蓋層間存在一個總體向天山傾斜的滑脫層，具有上陡下緩的 “犁式”特點(楊曉平等，2008)，塔里木盆地的基底沿滑脫面自北向南逆沖推覆，推覆體南淺北深，滑脫面上部發(fā)育高角度斷坡斷層，這些斷層或出露地表或隱伏其下，與滑脫層形成多排近EW向的疊瓦狀鏟式斷層(李杰等，2015)。受地殼橫向縮短不均勻性的影響，柯坪推覆體被NNW向的皮羌 “類轉換斷層”(F8)分割為東、西2段，此次地震就發(fā)生在柯坪推覆體的西段，該段由多排走向NEE—近EW向的倒轉背斜褶皺、褶皺前緣斷裂及其間背馱式盆地或谷地等組成，且具有明顯的構造分段性特征，從南到北依次由柯坪塔格逆斷裂-背斜(F1)、奧茲格爾他烏逆斷裂-背斜(F2)、托克散阿塔能拜勒逆斷裂-背斜(F3)、科克布克三山逆斷裂-背斜(F4)和奧依布拉克逆斷裂-背斜(F5)等組成(徐錫偉等，2006)，每個逆斷裂-背斜以單面山的形式出現(xiàn)，自新生代晚期向塔里木盆地逆沖推覆，地殼縮短量約為45km，地殼縮短率為37%(楊曉平等，2006)，其中早期形成的褶皺-逆斷裂帶在北側，晚期形成的褶皺-逆斷裂帶在南側，反映推覆體由北向南的擴展(宋方敏等，2006)。地貌測量結果顯示，柯坪推覆體西段的逆斷裂-褶皺帶活動性從北向南逐漸增強，表現(xiàn)出南天山多排逆斷層在前展模式中的活動強度由后排構造向前排構造轉移的特點。從區(qū)域地層厚度分析，認為柯坪逆斷裂-褶皺帶西段滑脫層的埋深約為9km，東段滑脫層的埋深約為5km(楊曉平等，2008)，向N緩傾的滑脫面在天山根部會聚到邁丹斷裂上(吳傳勇等，2014)。2020年伽師6.4級地震的發(fā)生為深入理解柯坪推覆體的動力學過程帶來了新的啟示。

2 2020年新疆伽師6.4級地震的InSAR同震形變場

此次新疆伽師6.4級地震的震中區(qū)域人口稀少，傳統(tǒng)大地測量觀測站點分布稀疏，難以獲得高分辨率的同震形變場(圖1)。InSAR技術作為常用的影像大地測量方法，已被廣泛應用于同震形變場的獲取及發(fā)震斷層幾何參數(shù)及其滑動分布的反演(Massonnetetal.，1998；喬學軍等，2007；單新建等，2009；張國宏等，2010；宋小剛等，2015；季靈運等，2017；屈春燕等，2017)?；诖?，本文利用InSAR技術獲取了2020年伽師6.4級地震的同震形變場，并以此為約束反演其發(fā)震斷層的幾何參數(shù)及斷層面的滑動分布特征。

本文利用升、降軌Sentinel-1 SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取了伽師6.4級地震的同震形變場(表2)。InSAR數(shù)據(jù)處理在GAMMA商業(yè)軟件平臺上進行，首先基于美國NASA發(fā)布的30m空間分辨率的SRTM DEM地形數(shù)據(jù)模擬并消除地形相位，得到研究區(qū)的InSAR同震干涉圖(圖2)，然后基于Delaunay三角網(wǎng)的最小費用網(wǎng)絡流算法對差分干涉圖進行相位解纏，解纏起始點選取在遠離震中的穩(wěn)定點。使用遠場數(shù)據(jù)進行二次多項式擬合去除形變場中的殘余軌道誤差(Fialkoetal.，2006)，基于地形相關法估計并去除大氣相位延遲誤差，最后根據(jù)SAR衛(wèi)星參數(shù)將相位轉化為位移，得到此次地震的升、降軌LOS向同震形變場(圖3a，d)。

表 2 Sentinel-1衛(wèi)星影像參數(shù)Table 2 Sentinel-1 image parameters

圖2 中的干涉條紋變化范圍顯示此次地震形變場EW向跨度約40km，SN向跨度約20km，圖中1個色周對應2.8cm的位移量，條紋從正變化為負代表地表沿LOS向(雷達視線方向)靠近衛(wèi)星運動，干涉圖的整體相干性較高且震源區(qū)不存在由于形變梯度過大導致的失相干，表明同震破裂未達到地表。形變區(qū)域內(nèi)有柯坪和奧茲格爾他烏2條逆沖活動斷裂，干涉條紋的變化顯示升、降軌形變場在柯坪斷裂以北(斷層上盤)為顯著上升，在奧茲格爾他烏斷裂以有北少量下沉，2條軌道的形變趨勢基本一致，表明此次地震以垂向運動為主導，符合逆沖型破裂引起的形變特征。最終獲取的同震形變(圖3a，d)結果顯示，升軌結果LOS向最大抬升量為5.9cm，最大沉降量為3.7cm；降軌結果LOS向最大抬升量約為6.4cm，最大沉降量約為2cm，與前人的結果較為一致(李成龍等，2020；溫少妍等，2020)。結合InSAR形變場分布及已有斷層的空間分布，認為此次地震為典型的逆沖型地震破裂事件，其發(fā)震斷層為柯坪斷裂。

圖2 InSAR同震差分干涉圖升(a)、降軌(b)Fig.2 Coseismic ascending(a)and descending(b) interferograms from InSAR.

3 2020年新疆伽師6.4級地震的同震滑動分布

3.1 均勻滑動模型

由于缺少此次地震發(fā)震斷層的先驗信息，在反演斷層面精細化滑動分布前，需采用均勻滑動模型對發(fā)震斷層的位置、震源深度、走向、傾角等幾何參數(shù)進行反演。本文采用一種基于貝葉斯方法的均勻滑動反演方法，該反演方法假設地震由單一斷層面滑動引起，發(fā)震斷層面是一個嵌入在介質均勻且各向同性的彈性半空間中的矩形面(Okada，1985)，其滑移量和滑動角都均勻分布。反演時給定較大范圍的上、下界并隨機給出相應的初始值，采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法對參數(shù)空間進行采樣，基于貝葉斯方法構建后驗概率函數(shù)，通過迭代不斷對參數(shù)空間進行優(yōu)化直至收斂，進而計算出最佳擬合參數(shù)(Bagnardietal.，2018)。圖3 所示的藍色矩形為參數(shù)出現(xiàn)的頻數(shù)，紅色豎線為最優(yōu)解。

為提高計算效率，在反演前利用四叉樹分割方法對原始的高分辨率InSAR觀測值進行降采樣，將采樣的形變梯度閾值設為2.8cm，最終得到1i327個升軌觀測值和1i680個降軌觀測值，既保留了形變細節(jié)特征又能減少數(shù)據(jù)冗余。反演得到的發(fā)震斷層參數(shù)如表3 所示，說明此次地震是以傾滑運動為主的逆沖型地震。圖3c、3f為觀測值與模擬值間的差值，可以看出均勻滑動模型反演結果的殘差較小，表明了反演結果的可靠性(圖4)。

圖3 均勻滑動模型參數(shù)直方圖Fig.3 Frequency histograms of uniform slip model parameters.

表 3 均勻滑動反演的斷層參數(shù)Table 3 Fault parameters derived by uniform slip inversion

圖4 均勻滑動模型的反演結果Fig.4 Simulation results of the uniform-slip model.a、d 升軌和降軌的InSAR同震形變場；b、e 相應的模擬同震形變場；c、f 殘差圖

3.2 分布式滑動模型

為了獲取更為精細的斷層面滑動分布，本文以均勻滑動模型反演得到的發(fā)震斷層幾何參數(shù)為基礎，引入基于約束最小二乘的分布式滑動反演方法，計算伽師地震發(fā)震斷層面的精細滑動分布。

考慮到震源區(qū)的構造背景，本文在前人研究的基礎上(李成龍等，2020)，對分布式滑動反演的斷層面幾何構型進行了改進。首先將均勻滑動模型反演得到的斷層長度擴展至40km?？缈缕簲鄩K的人工地震剖面揭示區(qū)域基底及其蓋層間存在一個總體向天山傾斜的滑脫層，具有上陡下緩的 “犁式”特點(楊曉平等，2008)，滑脫面上部發(fā)育高角度斷坡斷層，這些斷層或出露地表或隱伏其下，與滑脫層形成多排近EW向的疊瓦狀鏟式斷層(李杰等，2015)。因此，根據(jù)均勻滑動反演的發(fā)震斷層參數(shù)及柯坪斷裂在地表出露位置間的幾何關系，將斷層面設置為鏟狀，其傾角從地表到地表之下4.25km深處設為57.8°，4.25～8km深處設為10.7°，這樣的斷層幾何參數(shù)設置與深部地球物理結果一致。

最后，將斷層面剖分為930個邊長為2km的等邊三角形單元，基于約束最小二乘方法計算每個三角形單元的滑動量，通過最小化模型和觀測值之間的殘差確定最佳參數(shù)。通過權衡數(shù)據(jù)擬合程度與斷層滑動粗糙度，對相鄰斷層片的滑動量施加平滑約束。

圖5 分布式滑動模型的擬合結果Fig.5 Simulation results of the distributed-slip model.a、d 升軌和降軌的InSAR同震形變場；b、e 相應的模擬同震形變場；c、f 殘差圖

與均勻滑動模型結果相比，分布式滑動模型結果的殘差明顯減小(圖5)。圖6 為獲取的斷層滑動分布圖，結果顯示斷層面的最大傾滑量約為0.29m，位于地下約5km深處，最大走滑量約為0.03m。計算得到同震的累計地震矩為1.73×1018N·m，合矩震級MW6.1。

圖6 伽師地震的同震滑動分布Fig.6 Slip distributions for the Jiashi earthquake.a 走滑分量；b 傾滑分量

4 討論

4.1 基于現(xiàn)今GPS的區(qū)域應變率場分析

南天山前陸褶皺沖斷帶是大陸內(nèi)部典型的逆沖斷裂帶，地質結果和GPS觀測數(shù)據(jù)表明天山南、北兩側以逆斷層-褶皺為代表的薄皮推覆構造自晚第四紀以來活動非常強烈，這些構造帶以水平向的地殼縮短和垂向的構造抬升吸收調節(jié)了天山地區(qū)至少一半的縮短變形(鄭文俊等，2019)。此次伽師地震所處的柯坪推覆體作為塔里木盆地周緣惟一一個以寒武系為滑脫層的薄皮沖斷帶，在新生代天山造山帶變形向盆地內(nèi)部擴展的過程中扮演著極其重要的角色(張耀，2019)。因此，對柯坪推覆體及周邊區(qū)域的形變特征進行研究有助于分析此次地震的發(fā)震背景。

本文基于GPS水平速度場(Wangetal.，2020)和Shen等(2015)提出的應變計算方法，處理并獲取了柯坪地塊及其周邊地區(qū)的面應變率場(圖7)。研究區(qū)域的面應變率整體為負值，說明該區(qū)域以擠壓逆沖變形為主，與區(qū)域所處的逆沖構造背景一致，區(qū)域內(nèi)發(fā)生的中強地震也以逆沖型居多。值得注意的是，在塔里木盆地與天山交界帶西側存在一處面應變率顯著降低的區(qū)域(圖7 中的藍色區(qū)域)，說明此處受到擠壓更為強烈，此次伽師地震的震中位于該區(qū)域中應變率梯度變化較大處。此外，在該低值區(qū)東側，為了調節(jié)由于柯坪推覆體前展變形速率差異較大引起的橫向擠壓縮短不均勻性，派生出NNW向的皮羌 “類轉換斷層”，該斷層由柯坪塔格推覆構造系西段各推覆體前緣逆斷裂東端的NNW向弧形拐彎段串聯(lián)而成，是一條不連續(xù)的、代表兩側不等量地殼縮短的邊界(徐錫偉等，2006)，該斷裂歷史上也發(fā)生過6.8級地震，表明其現(xiàn)今可能處于活動狀態(tài)。

圖7 伽師地震及其鄰近地區(qū)的面應變率分布圖Fig.7 The plane strain rate field around the Jiashi earthquake and its surrounding areas.

圖8 柯坪推覆體的深、淺部構造剖面圖Fig.8 The shallow and deep tectonic profile of the Kalpin nappe.a 地形與垂直于柯坪斷裂走向的GPS速率剖面；b 小地震剖面與深部構造解譯。AA′剖面的位置見圖1，黑色曲線代表F1、F2、F6、F7 4條斷層和深部滑脫面，小地震數(shù)據(jù)時間范圍為1980—2015年

4.2 2020年新疆伽師6.4級地震的發(fā)震斷層與構造動力背景分析

柯坪推覆體由多條近EW向的逆斷裂-背斜帶組成，沿著統(tǒng)一的滑脫層由北向南逆沖推覆(張耀，2019)，其滑脫面發(fā)育在地下5～9km深處，向N緩傾的滑脫面在天山根部會聚到邁丹斷裂上(吳傳勇等，2014)，推覆體南淺北深，總體向N傾(曲國勝等，2003)。根據(jù)前文分析，此次地震的發(fā)震斷層為鏟型結構，從地表至地下深部由高傾角逐漸過渡為低傾角，震源深度約為5km，印證了柯坪地塊為薄皮推覆運動的地學認識(陳杰等，2001)。

圖8 指示了此次地震的發(fā)震構造動力背景，沿過震中的剖線AA′(位置見圖1)繪制出柯坪推覆體的構造剖面圖(田勤儉等，2006；李杰等，2015)，將剖面線兩側50km范圍內(nèi)的GPS水平向速率(Wangetal.，2020)投影到垂直于柯坪斷裂的方向，同時提取了剖面線兩側10km范圍內(nèi)的小地震精定位數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)(圖8)?？梢钥闯?，垂直于柯坪斷裂的GPS運動速率自北向南呈遞減趨勢，速率的最大差值約為5mm/a，說明柯坪推覆體受SN向擠壓變形較大。因此，此次地震可能是由柯坪地塊向塔里木盆地推覆的過程中前方?jīng)_斷席發(fā)生錯斷所引起的，且發(fā)震斷層位于柯坪推覆體前緣小地震較稀疏的區(qū)域。值得注意的是，西南天山的構造變形不僅分配在推覆體前緣的新生代逆斷裂-褶皺帶上，通過山根處的邁丹斷裂(F7)全新世活動證據(jù)發(fā)現(xiàn)推覆體根部斷裂現(xiàn)在仍強烈活動，吸收了一部分縮短變形(吳傳勇等，2014)，從圖7 可以看出其小地震活動也較為稀疏，該區(qū)的地震危險性不容忽視。

4.3 2020年新疆伽師6.4級地震與1997—2003年伽師6～7級震群相互關系的討論

1997—2003年，南天山前陸環(huán)境不同斷裂帶相繼破裂引發(fā)了3組6～7級強烈地震(圖1)，震群主要位于塔里木盆地邊緣的麥蓋提斜坡帶與喀什凹陷的過渡邊界。由于該區(qū)域位于塔里木盆地西北端、帕米爾弧型構造東北部以及天山褶皺帶柯坪塊體的交會部位，地質構造環(huán)境和受力因素復雜(高國英等，2004)，因此地震的震源機制復雜多變，既有逆沖型，也有走滑和正斷型(趙翠萍等，2008)(圖1)。其中，1997年1月—2003年1月伽師震源區(qū)地震的震源機制解以走滑型為主，且有一定數(shù)量的地震為正斷型，與區(qū)域所處的逆沖環(huán)境不一致。而2003年巴楚-伽師地震的震源機制解則以逆斷型為主，與區(qū)域震源機制解類型較為一致(徐錫偉等，2006)。

地震是新構造運動的表現(xiàn)形式之一，地震發(fā)生的地點、強度與地殼最新的構造變動樣式有著密切的聯(lián)系。已有的地震精確定位、震源機制解、地殼—上地幔三維S波速度結構和各種探測成果顯示，1997年伽師強震群的主體發(fā)震構造為NNW向下蘇洪隱伏斷層，該斷層為右旋走滑的NNW向 “類轉換斷層”，起到分割、調節(jié)西大東小的地殼縮短邊界轉換作用(劉啟元等，2000；徐錫偉等，2006)。而阿圖什1996年6.9級和1998年6.0級地震、2003年巴楚-伽師地震、柯坪塊體發(fā)生的多次6級地震和此次伽師6.4級地震，無論是震源斷錯性質還是主壓應力方向或震源破裂特征都很一致，反映出擠壓環(huán)境條件下的地殼縮短作用，表現(xiàn)出柯坪塊體長期以來的斷層運動特性。

圖9 柯坪推覆體及鄰近區(qū)域的構造背景示意圖Fig.9 Schematic map showing regional tectonic background of the Kalpin nappe and surrounding regions.

從1997—2003年伽師6～7級地震震群與此次伽師6.4級地震所處的構造環(huán)境來看，均發(fā)生在南天山逆沖推覆構造體系的前陸盆地環(huán)境中。對柯坪推覆體的構造動力環(huán)境進行簡化，如圖8 所示?？梢钥闯?，在整體逆沖推覆的構造背景中，存在主逆斷層(柯坪斷裂)以及在前陸盆地下方發(fā)育的隱伏逆沖斷層(F9)，隱伏斷裂帶的形成可能是由塔里木盆地北緣的非均勻變形及現(xiàn)今構造運動所引起(劉啟元等，2000)，隨著逆沖推覆帶向盆地發(fā)展，一些斷層向前伸展到前陸盆地下方，被較厚的新生代沉積層覆蓋，形成隱伏斷層，這些隱伏斷層也具有孕育中強地震的能力(張竹琪等，2008)。在逆沖推覆體上，由于巖石力學屬性存在差異且區(qū)域構造應力場在不同部位也存在一定的差異性，故在大的逆沖推覆背景下可能會伴生發(fā)育規(guī)模相對較小的正斷層，甚至還伴生發(fā)育與主逆斷層走向近垂直的橫向走滑斷層(皮羌斷裂、下蘇洪隱伏斷層)，這些伴生正斷層和走滑斷層也都具備發(fā)生中強地震的能力。因此，根據(jù)區(qū)域構造動力背景及區(qū)域構造分布進行綜合分析，認為1997—2003年伽師6～7級地震震群與此次伽師6.4級地震的發(fā)生機理應為南天山前陸環(huán)境中不同級別、不同性質的斷裂相繼破裂形成不同類型的破裂事件，應為同源事件，共同受控于南天山的逆沖推覆作用。

5 結論

(1)本文利用升、降軌Sentinel-1 SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取了2020年新疆伽師6.4級地震的InSAR同震形變場，并以InSAR形變場為約束，反演獲取了斷層面的精細滑動分布。結果顯示，此次地震的發(fā)震斷層為柯坪斷裂。斷層面最大傾滑量約為0.29m，位于地下約5km深處，通過同震釋放能量計算得到的震級為MW6.1，是一次以逆沖為主兼具少量走滑運動的地震破裂事件。

(2)2020年新疆伽師6.4級地震是發(fā)生在南天山前陸環(huán)境中的一次典型逆沖破裂事件，與1997—2003年在該區(qū)域發(fā)生的多次6～7級地震一起構成系列強震群。從區(qū)域構造動力背景和區(qū)域深淺部構造綜合分析，認為1997—2003年伽師6～7級地震震群與此次伽師6.4級地震的發(fā)生機理應為南天山前陸環(huán)境中不同級別、不同性質的斷裂相繼破裂形成不同類型的破裂事件，共同受控于南天山的逆沖推覆作用。

致謝中國地震局地球物理研究所房立華研究員為本研究提供了小地震數(shù)據(jù)；歐洲航天局提供了Sentinel-1衛(wèi)星影像。在此一并表示感謝!