张文婷 季灵运* 朱良玉 蒋锋云 徐晓雪

1)中国地震局第二监测中心，西安 710054 2)国家遥感中心地质灾害研究部，北京 100036

图1 伽师地震区域构造Fig.1 Tectonic setting map of the Jiashi earthquake.a 黑色细线表示断层(F1柯坪断裂；F2奥兹格尔他乌断裂；F3托克散阿塔能拜勒褶皱-逆断裂带；F4科克布克三山褶皱-逆断裂带；F5奥依布拉克褶皱-逆断裂带；F6喀拉铁克断裂；F7迈丹断裂；F8皮羌断裂；F9巴什托普断裂)，灰色粗线表示二级块体划分，白色方框为升、降轨SAR数据覆盖范围，震源机制解数据来自GCMT(1976—2020年)(1)https: ∥www.globalcmt.org/。和USGS(2020年)(2)https: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/。，蓝色箭头表示GPS水平速度场；b 黑色实线表示二级块体划分，红色圆圈表示1900年以来发生的7级以上地震，红色方框表示图a的位置

表 1 不同机构提供的震源机制解Table 1 Focal mechanism solutions of Jiashi MS6.4 earthquake

0 引言

据中国地震台网测定，2020年1月19日21时27分新疆喀什地区伽师县(39.83°N，77.21°E)发生了6.4级地震，震中位于南天山西段的柯坪推覆体附近(图1)，距离伽师县56km，震源深度约为16km(孟令媛等，2020；聂晓红等，2020)，此次地震是自1997—2003年伽师6～7级震群事件以来发生的又一次强烈地震。多家机构对此次地震的震源机制解进行了解算，得到的结果均显示此次地震为一次逆冲型地震(表1)。目前已有学者基于InSAR技术获取了此次地震的同震形变场(温少妍等，2020)，并反演了断层面滑动分布(李成龙等，2020)。本文在此基础上优化了断层面几何构形及滑动分布反演方法，获取了此次地震更精细的断层面滑动分布，然后对区域GPS面应变率、构造动力背景和区域深浅部构造进行了综合分析，探讨了2020年新疆伽师6.4级地震与1997—2003年伽师6～7级震群的相互关系。

1 区域构造背景

2020年新疆伽师6.4级地震的震中位于南天山前陆褶皱冲断带，其北部为天山褶皱带，西南为西昆仑-帕米尔高原，东部和南部为刚性的塔里木盆地(乔学军等，2007)(图1)。受印度板块与欧亚板块持续碰撞的影响，该区域的构造活动主要表现为天山地块逆冲于塔里木地块之上(田勤俭等，2006)，GPS观测到该区域的地壳缩短率为6～8mm/a(王琪等，2001)。在这样的逆冲环境下，伽师地区中强地震频发，仅过去的50a内，距此次震中50km的范围内就发生了13次具有多种震源机制类型的6级以上地震(周仕勇等，2006；张竹琪等，2008)。

从区域相对较小空间尺度的构造背景分析，2020年新疆伽师6.4级地震的震源区位于南天山山前的柯坪推覆体。新生代期间，特别是第四纪以来，天山地区强烈而持久的再生造山作用不仅形成了分布式逆断裂作用的格局，使地壳近SN向缩短和垂向隆升，还在天山南北麓形成逆断裂-褶皱带或背驮式逆断裂推覆体系，引起天山山脉不断地向外侧扩展，逆断裂-褶皱带的主体活动期也从山体一侧的中新世早期向前陆盆地逐渐变新(邓起东等，2000)。柯坪推覆体的形成及扩展也与滑脱面的伸展有关，天山主体沿高角度逆断裂向南、北两侧前陆盆地推挤的过程中，在盆地下顺寒武系底界面形成了低角度滑脱断裂，该滑脱断裂的形成和不断向盆地方向的伸展，导致之上多排褶皱-逆断裂带的逐步形成与推覆体的扩展形成了柯坪推覆体(宋方敏等，2006)。推覆体由一系列近NEE-SWW走向、向S逆冲的薄皮式冲断带组成(Allenetal.，1994)，EW长约300km，SN宽60～140km，北以迈丹断裂与南天山晚古生代造山带为界，南以柯坪断裂与塔里木盆地为界，在新生代天山造山带变形向盆地扩展的过程中扮演着极其重要的角色(张耀，2019)。跨柯坪断块的人工地震剖线揭示位于基底及其盖层间存在一个总体向天山倾斜的滑脱层，具有上陡下缓的 “犁式”特点(杨晓平等，2008)，塔里木盆地的基底沿滑脱面自北向南逆冲推覆，推覆体南浅北深，滑脱面上部发育高角度断坡断层，这些断层或出露地表或隐伏其下，与滑脱层形成多排近EW向的叠瓦状铲式断层(李杰等，2015)。受地壳横向缩短不均匀性的影响，柯坪推覆体被NNW向的皮羌 “类转换断层”(F8)分割为东、西2段，此次地震就发生在柯坪推覆体的西段，该段由多排走向NEE—近EW向的倒转背斜褶皱、褶皱前缘断裂及其间背驮式盆地或谷地等组成，且具有明显的构造分段性特征，从南到北依次由柯坪塔格逆断裂-背斜(F1)、奥兹格尔他乌逆断裂-背斜(F2)、托克散阿塔能拜勒逆断裂-背斜(F3)、科克布克三山逆断裂-背斜(F4)和奥依布拉克逆断裂-背斜(F5)等组成(徐锡伟等，2006)，每个逆断裂-背斜以单面山的形式出现，自新生代晚期向塔里木盆地逆冲推覆，地壳缩短量约为45km，地壳缩短率为37%(杨晓平等，2006)，其中早期形成的褶皱-逆断裂带在北侧，晚期形成的褶皱-逆断裂带在南侧，反映推覆体由北向南的扩展(宋方敏等，2006)。地貌测量结果显示，柯坪推覆体西段的逆断裂-褶皱带活动性从北向南逐渐增强，表现出南天山多排逆断层在前展模式中的活动强度由后排构造向前排构造转移的特点。从区域地层厚度分析，认为柯坪逆断裂-褶皱带西段滑脱层的埋深约为9km，东段滑脱层的埋深约为5km(杨晓平等，2008)，向N缓倾的滑脱面在天山根部会聚到迈丹断裂上(吴传勇等，2014)。2020年伽师6.4级地震的发生为深入理解柯坪推覆体的动力学过程带来了新的启示。

2 2020年新疆伽师6.4级地震的InSAR同震形变场

此次新疆伽师6.4级地震的震中区域人口稀少，传统大地测量观测站点分布稀疏，难以获得高分辨率的同震形变场(图1)。InSAR技术作为常用的影像大地测量方法，已被广泛应用于同震形变场的获取及发震断层几何参数及其滑动分布的反演(Massonnetetal.，1998；乔学军等，2007；单新建等，2009；张国宏等，2010；宋小刚等，2015；季灵运等，2017；屈春燕等，2017)。基于此，本文利用InSAR技术获取了2020年伽师6.4级地震的同震形变场，并以此为约束反演其发震断层的几何参数及断层面的滑动分布特征。

本文利用升、降轨Sentinel-1 SAR卫星数据获取了伽师6.4级地震的同震形变场(表2)。InSAR数据处理在GAMMA商业软件平台上进行，首先基于美国NASA发布的30m空间分辨率的SRTM DEM地形数据模拟并消除地形相位，得到研究区的InSAR同震干涉图(图2)，然后基于Delaunay三角网的最小费用网络流算法对差分干涉图进行相位解缠，解缠起始点选取在远离震中的稳定点。使用远场数据进行二次多项式拟合去除形变场中的残余轨道误差(Fialkoetal.，2006)，基于地形相关法估计并去除大气相位延迟误差，最后根据SAR卫星参数将相位转化为位移，得到此次地震的升、降轨LOS向同震形变场(图3a，d)。

表 2 Sentinel-1卫星影像参数Table 2 Sentinel-1 image parameters

图2 中的干涉条纹变化范围显示此次地震形变场EW向跨度约40km，SN向跨度约20km，图中1个色周对应2.8cm的位移量，条纹从正变化为负代表地表沿LOS向(雷达视线方向)靠近卫星运动，干涉图的整体相干性较高且震源区不存在由于形变梯度过大导致的失相干，表明同震破裂未达到地表。形变区域内有柯坪和奥兹格尔他乌2条逆冲活动断裂，干涉条纹的变化显示升、降轨形变场在柯坪断裂以北(断层上盘)为显著上升，在奥兹格尔他乌断裂以有北少量下沉，2条轨道的形变趋势基本一致，表明此次地震以垂向运动为主导，符合逆冲型破裂引起的形变特征。最终获取的同震形变(图3a，d)结果显示，升轨结果LOS向最大抬升量为5.9cm，最大沉降量为3.7cm；降轨结果LOS向最大抬升量约为6.4cm，最大沉降量约为2cm，与前人的结果较为一致(李成龙等，2020；温少妍等，2020)。结合InSAR形变场分布及已有断层的空间分布，认为此次地震为典型的逆冲型地震破裂事件，其发震断层为柯坪断裂。

图2 InSAR同震差分干涉图升(a)、降轨(b)Fig.2 Coseismic ascending(a)and descending(b) interferograms from InSAR.

3 2020年新疆伽师6.4级地震的同震滑动分布

3.1 均匀滑动模型

由于缺少此次地震发震断层的先验信息，在反演断层面精细化滑动分布前，需采用均匀滑动模型对发震断层的位置、震源深度、走向、倾角等几何参数进行反演。本文采用一种基于贝叶斯方法的均匀滑动反演方法，该反演方法假设地震由单一断层面滑动引起，发震断层面是一个嵌入在介质均匀且各向同性的弹性半空间中的矩形面(Okada，1985)，其滑移量和滑动角都均匀分布。反演时给定较大范围的上、下界并随机给出相应的初始值，采用马尔科夫链蒙特卡洛方法对参数空间进行采样，基于贝叶斯方法构建后验概率函数，通过迭代不断对参数空间进行优化直至收敛，进而计算出最佳拟合参数(Bagnardietal.，2018)。图3 所示的蓝色矩形为参数出现的频数，红色竖线为最优解。

为提高计算效率，在反演前利用四叉树分割方法对原始的高分辨率InSAR观测值进行降采样，将采样的形变梯度阈值设为2.8cm，最终得到1i327个升轨观测值和1i680个降轨观测值，既保留了形变细节特征又能减少数据冗余。反演得到的发震断层参数如表3 所示，说明此次地震是以倾滑运动为主的逆冲型地震。图3c、3f为观测值与模拟值间的差值，可以看出均匀滑动模型反演结果的残差较小，表明了反演结果的可靠性(图4)。

图3 均匀滑动模型参数直方图Fig.3 Frequency histograms of uniform slip model parameters.

表 3 均匀滑动反演的断层参数Table 3 Fault parameters derived by uniform slip inversion

图4 均匀滑动模型的反演结果Fig.4 Simulation results of the uniform-slip model.a、d 升轨和降轨的InSAR同震形变场；b、e 相应的模拟同震形变场；c、f 残差图

3.2 分布式滑动模型

为了获取更为精细的断层面滑动分布，本文以均匀滑动模型反演得到的发震断层几何参数为基础，引入基于约束最小二乘的分布式滑动反演方法，计算伽师地震发震断层面的精细滑动分布。

考虑到震源区的构造背景，本文在前人研究的基础上(李成龙等，2020)，对分布式滑动反演的断层面几何构型进行了改进。首先将均匀滑动模型反演得到的断层长度扩展至40km。跨柯坪断块的人工地震剖面揭示区域基底及其盖层间存在一个总体向天山倾斜的滑脱层，具有上陡下缓的 “犁式”特点(杨晓平等，2008)，滑脱面上部发育高角度断坡断层，这些断层或出露地表或隐伏其下，与滑脱层形成多排近EW向的叠瓦状铲式断层(李杰等，2015)。因此，根据均匀滑动反演的发震断层参数及柯坪断裂在地表出露位置间的几何关系，将断层面设置为铲状，其倾角从地表到地表之下4.25km深处设为57.8°，4.25～8km深处设为10.7°，这样的断层几何参数设置与深部地球物理结果一致。

最后，将断层面剖分为930个边长为2km的等边三角形单元，基于约束最小二乘方法计算每个三角形单元的滑动量，通过最小化模型和观测值之间的残差确定最佳参数。通过权衡数据拟合程度与断层滑动粗糙度，对相邻断层片的滑动量施加平滑约束。

图5 分布式滑动模型的拟合结果Fig.5 Simulation results of the distributed-slip model.a、d 升轨和降轨的InSAR同震形变场；b、e 相应的模拟同震形变场；c、f 残差图

与均匀滑动模型结果相比，分布式滑动模型结果的残差明显减小(图5)。图6 为获取的断层滑动分布图，结果显示断层面的最大倾滑量约为0.29m，位于地下约5km深处，最大走滑量约为0.03m。计算得到同震的累计地震矩为1.73×1018N·m，合矩震级MW6.1。

图6 伽师地震的同震滑动分布Fig.6 Slip distributions for the Jiashi earthquake.a 走滑分量；b 倾滑分量

4 讨论

4.1 基于现今GPS的区域应变率场分析

南天山前陆褶皱冲断带是大陆内部典型的逆冲断裂带，地质结果和GPS观测数据表明天山南、北两侧以逆断层-褶皱为代表的薄皮推覆构造自晚第四纪以来活动非常强烈，这些构造带以水平向的地壳缩短和垂向的构造抬升吸收调节了天山地区至少一半的缩短变形(郑文俊等，2019)。此次伽师地震所处的柯坪推覆体作为塔里木盆地周缘惟一一个以寒武系为滑脱层的薄皮冲断带，在新生代天山造山带变形向盆地内部扩展的过程中扮演着极其重要的角色(张耀，2019)。因此，对柯坪推覆体及周边区域的形变特征进行研究有助于分析此次地震的发震背景。

本文基于GPS水平速度场(Wangetal.，2020)和Shen等(2015)提出的应变计算方法，处理并获取了柯坪地块及其周边地区的面应变率场(图7)。研究区域的面应变率整体为负值，说明该区域以挤压逆冲变形为主，与区域所处的逆冲构造背景一致，区域内发生的中强地震也以逆冲型居多。值得注意的是，在塔里木盆地与天山交界带西侧存在一处面应变率显著降低的区域(图7 中的蓝色区域)，说明此处受到挤压更为强烈，此次伽师地震的震中位于该区域中应变率梯度变化较大处。此外，在该低值区东侧，为了调节由于柯坪推覆体前展变形速率差异较大引起的横向挤压缩短不均匀性，派生出NNW向的皮羌 “类转换断层”，该断层由柯坪塔格推覆构造系西段各推覆体前缘逆断裂东端的NNW向弧形拐弯段串联而成，是一条不连续的、代表两侧不等量地壳缩短的边界(徐锡伟等，2006)，该断裂历史上也发生过6.8级地震，表明其现今可能处于活动状态。

图7 伽师地震及其邻近地区的面应变率分布图Fig.7 The plane strain rate field around the Jiashi earthquake and its surrounding areas.

图8 柯坪推覆体的深、浅部构造剖面图Fig.8 The shallow and deep tectonic profile of the Kalpin nappe.a 地形与垂直于柯坪断裂走向的GPS速率剖面；b 小地震剖面与深部构造解译。AA′剖面的位置见图1，黑色曲线代表F1、F2、F6、F7 4条断层和深部滑脱面，小地震数据时间范围为1980—2015年

4.2 2020年新疆伽师6.4级地震的发震断层与构造动力背景分析

柯坪推覆体由多条近EW向的逆断裂-背斜带组成，沿着统一的滑脱层由北向南逆冲推覆(张耀，2019)，其滑脱面发育在地下5～9km深处，向N缓倾的滑脱面在天山根部会聚到迈丹断裂上(吴传勇等，2014)，推覆体南浅北深，总体向N倾(曲国胜等，2003)。根据前文分析，此次地震的发震断层为铲型结构，从地表至地下深部由高倾角逐渐过渡为低倾角，震源深度约为5km，印证了柯坪地块为薄皮推覆运动的地学认识(陈杰等，2001)。

图8 指示了此次地震的发震构造动力背景，沿过震中的剖线AA′(位置见图1)绘制出柯坪推覆体的构造剖面图(田勤俭等，2006；李杰等，2015)，将剖面线两侧50km范围内的GPS水平向速率(Wangetal.，2020)投影到垂直于柯坪断裂的方向，同时提取了剖面线两侧10km范围内的小地震精定位数据及地形数据(图8)。可以看出，垂直于柯坪断裂的GPS运动速率自北向南呈递减趋势，速率的最大差值约为5mm/a，说明柯坪推覆体受SN向挤压变形较大。因此，此次地震可能是由柯坪地块向塔里木盆地推覆的过程中前方冲断席发生错断所引起的，且发震断层位于柯坪推覆体前缘小地震较稀疏的区域。值得注意的是，西南天山的构造变形不仅分配在推覆体前缘的新生代逆断裂-褶皱带上，通过山根处的迈丹断裂(F7)全新世活动证据发现推覆体根部断裂现在仍强烈活动，吸收了一部分缩短变形(吴传勇等，2014)，从图7 可以看出其小地震活动也较为稀疏，该区的地震危险性不容忽视。

4.3 2020年新疆伽师6.4级地震与1997—2003年伽师6～7级震群相互关系的讨论

1997—2003年，南天山前陆环境不同断裂带相继破裂引发了3组6～7级强烈地震(图1)，震群主要位于塔里木盆地边缘的麦盖提斜坡带与喀什凹陷的过渡边界。由于该区域位于塔里木盆地西北端、帕米尔弧型构造东北部以及天山褶皱带柯坪块体的交会部位，地质构造环境和受力因素复杂(高国英等，2004)，因此地震的震源机制复杂多变，既有逆冲型，也有走滑和正断型(赵翠萍等，2008)(图1)。其中，1997年1月—2003年1月伽师震源区地震的震源机制解以走滑型为主，且有一定数量的地震为正断型，与区域所处的逆冲环境不一致。而2003年巴楚-伽师地震的震源机制解则以逆断型为主，与区域震源机制解类型较为一致(徐锡伟等，2006)。

地震是新构造运动的表现形式之一，地震发生的地点、强度与地壳最新的构造变动样式有着密切的联系。已有的地震精确定位、震源机制解、地壳—上地幔三维S波速度结构和各种探测成果显示，1997年伽师强震群的主体发震构造为NNW向下苏洪隐伏断层，该断层为右旋走滑的NNW向 “类转换断层”，起到分割、调节西大东小的地壳缩短边界转换作用(刘启元等，2000；徐锡伟等，2006)。而阿图什1996年6.9级和1998年6.0级地震、2003年巴楚-伽师地震、柯坪块体发生的多次6级地震和此次伽师6.4级地震，无论是震源断错性质还是主压应力方向或震源破裂特征都很一致，反映出挤压环境条件下的地壳缩短作用，表现出柯坪块体长期以来的断层运动特性。

图9 柯坪推覆体及邻近区域的构造背景示意图Fig.9 Schematic map showing regional tectonic background of the Kalpin nappe and surrounding regions.

从1997—2003年伽师6～7级地震震群与此次伽师6.4级地震所处的构造环境来看，均发生在南天山逆冲推覆构造体系的前陆盆地环境中。对柯坪推覆体的构造动力环境进行简化，如图8 所示。可以看出，在整体逆冲推覆的构造背景中，存在主逆断层(柯坪断裂)以及在前陆盆地下方发育的隐伏逆冲断层(F9)，隐伏断裂带的形成可能是由塔里木盆地北缘的非均匀变形及现今构造运动所引起(刘启元等，2000)，随着逆冲推覆带向盆地发展，一些断层向前伸展到前陆盆地下方，被较厚的新生代沉积层覆盖，形成隐伏断层，这些隐伏断层也具有孕育中强地震的能力(张竹琪等，2008)。在逆冲推覆体上，由于岩石力学属性存在差异且区域构造应力场在不同部位也存在一定的差异性，故在大的逆冲推覆背景下可能会伴生发育规模相对较小的正断层，甚至还伴生发育与主逆断层走向近垂直的横向走滑断层(皮羌断裂、下苏洪隐伏断层)，这些伴生正断层和走滑断层也都具备发生中强地震的能力。因此，根据区域构造动力背景及区域构造分布进行综合分析，认为1997—2003年伽师6～7级地震震群与此次伽师6.4级地震的发生机理应为南天山前陆环境中不同级别、不同性质的断裂相继破裂形成不同类型的破裂事件，应为同源事件，共同受控于南天山的逆冲推覆作用。

5 结论

(1)本文利用升、降轨Sentinel-1 SAR卫星数据获取了2020年新疆伽师6.4级地震的InSAR同震形变场，并以InSAR形变场为约束，反演获取了断层面的精细滑动分布。结果显示，此次地震的发震断层为柯坪断裂。断层面最大倾滑量约为0.29m，位于地下约5km深处，通过同震释放能量计算得到的震级为MW6.1，是一次以逆冲为主兼具少量走滑运动的地震破裂事件。

(2)2020年新疆伽师6.4级地震是发生在南天山前陆环境中的一次典型逆冲破裂事件，与1997—2003年在该区域发生的多次6～7级地震一起构成系列强震群。从区域构造动力背景和区域深浅部构造综合分析，认为1997—2003年伽师6～7级地震震群与此次伽师6.4级地震的发生机理应为南天山前陆环境中不同级别、不同性质的断裂相继破裂形成不同类型的破裂事件，共同受控于南天山的逆冲推覆作用。

致谢中国地震局地球物理研究所房立华研究员为本研究提供了小地震数据；欧洲航天局提供了Sentinel-1卫星影像。在此一并表示感谢!