李奎 刘立霞 曹昌军 张青远

摘要：为探究北天山中段主要发震构造，进一步明确重点监视区域。利用双差定位法对2010年6月至2021年12月期间在北天山中段发生的M_S≥1.5的1 439个地震事件进行重定位。得到结果：① 走时残差均值由-0.22 s变为0.006 6 s，震源位置测定误差在东西向上平均为1.1 km，在南北向上平均为1.4 km，在垂直深度上平均为2.0 km。② 地震主要分布在乌鲁木齐山前坳陷及南部区域，并未向准噶尔盆地延伸；局部地震震中向构造带趋近，呈现出一条走向近280°、一条近300°的地震活动带，分别与准噶尔南缘断裂带、亚马特断裂带走向基本一致。③ 由深度剖面显示，震源深度分散程度增加，0～50 km均有分布。以乌鲁木齐为界，东西两侧地震震源深度存在明显的差异，呈现出东深西浅的现象。通过对该区域精定位研究，初步探明准噶尔南缘断裂带、亚马特断裂带为该区域主要发震构造，盆山结合部地震较为活跃，因此准噶尔南缘断裂带及乌鲁木齐山前坳陷区将作为今后震情跟踪工作的重点监视区域。

关键词：北天山中段；双差定位；走时残差；重定位

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.01.010

地震定位是地震学中最经典、最基础的问题之一^［1］。准确的地震定位不仅可以探究地震震源机制与活动构造的关系，还能为地震应急、地震预测提供可靠的依据^［2］。目前常用的定位方法有绝对定位法、相对定位法、联合定位法等^［3］。双差定位法作为一种相对定位方法，与传统的定位方法相比具有较高的精度，能更好地描述发震断层的平面空间展布，同时也能得到较为精确的深度分布特征^［4］。因此，双差定位法被广泛用于地震精定位研究。冉慧敏^［5］等利用双差定位法对2020年新疆于田 M_S6.4地震及其余震序列進行了重定位研究，得出于田 M_S6.4地震是一次单侧破裂事件，震源深度主要集中在8～18 km，破裂由深到浅扩展。尹战军等^［6］利用双差定位法对内蒙古中部地区中小地震进行震源深度研究，得出该地区地震震源深度较浅（6～10 km），主要位于上、中地壳内。

本文中选取43°～44.7°N，84.5°～89.5°E作为研究区。研究区包含乌鲁木齐周边区域及乌鲁木齐以西至乌苏以东区域。横跨准噶尔盆地、乌鲁木齐山前坳陷、北天山中段部分山区。该区域作为新疆人口最为密集的区域，深入研究其区域构造特征及破坏性地震发震机制极其重要。以往，受限于台网分布密度，对该区域地震精定位研究较少，震情跟踪地震定位数据仅采用新疆测震台网初步定位结果，对区域发震构造认识不深。近年来，随着新疆测震台网数字化建设的完成及震后流动台网的架设，此区域的监测能力得到了一定的提高，为提高地震定位精度提供了较好可靠的数据基础。本文中采用研究区内台站的近震走时数据，利用双差定位法进行重定位，结合该区域地震地质构造背景，分析地震分布与断层断裂带之间的空间展布关系，为探究该区域主要发震构造及震情跟踪重点监视区域的确定提供一定的依据。

1 地震构造背景

天山造山带经历了较为复杂的构造演化阶段，是多次隆起和夷平的产物。它形成于古生代晚期古亚洲洋的闭合，变形一直持续到中生代，新生代期间受印度板块和亚欧板块碰撞的远程效应影响，南侧坚硬的塔里木板块向北俯冲到天山造山带，遇到冷的、稳定的刚性块体准噶尔盆地的阻挡，已被夷为平地的天山造山带被两大刚性块体的俯冲抬升，成为复活性陆内造山带，在两侧山前形成不同类型的挤压性构造，并延续至今^［7-8］。研究区位于天山造山带北侧的挤压构造范围内（图1），近年来，强震频发。通过统计分析，研究区内地震活动较为活跃，自1970年以来共发生M_S≥4.0地震89次，M_S≥5.0地震11次，M_S≥6.0地震2次。其中M_S≥6.0地震分别为2012年和静—新源M_S6.6地震、2016年呼图壁M_S6.2地震。该区内发育一条长约500 km，总体走向近280°～290°，南倾（倾角为70°）的准噶尔南缘断裂，该断裂将北天山与准噶尔盆地隔开，两地块挤压区形成乌鲁木齐山前坳陷。区内发育多条活动断裂带，由南向北为亚马特断裂带、准噶尔南缘断裂带、齐古山麓断裂带、霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带和独山子—哈拉安德—安集海断裂带、博格达弧形断裂带、阜康断裂带。此外，在独山子背斜西北、吐谷鲁背斜东北还发育了较新的西湖隆起和呼图壁背斜等构造单元^［9］。

2 理论方法与数据

2.1 双差定位理论方法

双差定位法是一种相对定位方法，该方法通过将一定空间范围内的地震进行两两组对，根据组对事件之间走时差及相同震相走时差来确定事件的位置。双差定位法基本理论原理是：假设2个地震事件i、j在空间距离上相近，且都能够被同一台站k清晰的记录到，则可将2个地震进行组对，则2个地震事件到台站的走时差观测值与理论计算值的残差称之为双差，用dr^ij_k表示^［10］。因为2个地震震源之间的距离小于事件到台站的距离和速度不均匀的尺度，因此可以认为震源区和这个台站之间的整个射线路径几乎相同，2个事件的走时差均来自于事件之间的空间偏移。dr^ij_k可表示为

dr^ij_k=（tⁱ_k-t^j_k）^obs-（tⁱ_k-t^j_k）^cal.

式中，（tⁱ_k-t^j_k）^obs是实际观测走时差，（tⁱ_k-t^j_k）^cal为理论计算走时差。

双差定位法是一种定位精度比较高的定位方法。李志海、王海涛等利用双差定位法对北天山不同区域不同时间段内发生的M_S≥2.0地震进行了重定位，重定位后地震震中有向构造带趋近移动的变化，在地震震源深度变化上与发震构造的倾向相吻合，即沿着断层倾向方向震源深度变深，逆着断层倾向方向震源深度变浅^［11-12］。有研究表明，双差定位法与传统的定位方法相比，给出的相对定位位置能够更好地描述发震断层的空间展布^［13］。因此，本文中采用双差定位法对研究区内地震进行重定位，进一步分析地震与活动断裂带之间的空间展布关系，确定该区域地壳的发震层厚度及活动地块的下部边界，为震情跟踪工作提供一定的依据。

2.2 数据及速度模型

新疆测震台网在经过数字化网络改造后，对乌鲁木齐周边地区的监测能力得到了一定的提升^［9］。该区域内共分布了18个地震台站（包括呼图壁M_S6.2地震后架设的（L6504、L6505）两套流动台），为研究提供了丰富的到时数据。本文中选取2010年6月至2021年12月期间发生在新疆境内北天山中段M_S≥1.5的地震事件，结合新疆台网观测报告中的到時数据，到时数据由MSDP处理软件产生，该软件已在各省局广泛应用了十余年，定位结果比较可靠。在绝对定位的基础上，再利用双差定位法进行重定位。通过剔除爆破及塌陷等非天然地震，共计得到了1 535个天然地震。筛选出至少同时被5个地震台站记录到的地震事件，并利用时距曲线剔除初始数据中离散程度较大的走时信息（图2），最终获得符合条件的地震共计1 439个。利用ph2dt程序对数据进行初步处理，形成事件对5 831对，提取P波绝对走时数据13 831条，S波绝对走时数据12 095条。在使用双差定位程序时设定的主要参数如下：事件对到台站的最大距离为400 km；事件对之间最大距离为10 km、最小距离为0.1 km；每个事件的最大邻居数为10；一个事件成为另一个事件的邻居，那么该事件对所需要的相同震相数的最小值8；每个事件对所需要的震相数的最小值为8、最大值为40。

本文中双差定位所用的速度结构模型，结合了全球速度Crust1.0模型、邵学钟等^［14］沿乌鲁木齐—冰达板—库尔勒布设的测深剖面、Zhao^［15］等沿阿勒泰—奎屯—库车沿线人工爆炸宽角剖面获取的P波速度结构最终得出（图3）。利用和达直线法拟合走时数据得出研究区的初始波速比为1.706 1（图3） 。

3 重定位结果

通过使用双差定位法，对筛选出的地震进行重定位，共得到1 323个地震的重定位结果，重定位率约为91.9%。重定位后震源位置测定误差在东西向上平均为1.1 km，在南北向上平均为1.4 km，在垂直深度上平均为2.0 km。

（1）对比重定位前后走时残差（图4），可以看出，重定位前走时残差主要分布在（-4）～4 s之间，平均走时残差为-0.22 s，分布范围比较广，并不集中；重定位后走时残差分布在（-1）～1 s之间，平均走时残差为0.006 6 s，分布在（-0.25）～0.25之间的占比达到了68%。

（2） 对比重定位前后震中分布结果（图5），重定位前虽能看出群震事件的分布情况，但整体分布较为分散，与区内活动断裂依附性不高。重定位后群震事件更加集中，线性条带更加明显。通过重定位后地震的平面分布来看，地震主要分布在乌鲁木齐山前坳陷及南部区域，并未向准噶尔盆地延伸，符合张培震院士对该区域块体划分；局部地震震中向构造带趋近，呈现出一条走向近280°、一条近300°的地震活动带，分别与准噶尔南缘断裂带、亚马特断裂带走向基本一致；以乌鲁木齐为界，乌鲁木齐以西地震主要受准噶尔南缘断裂带、亚马特断裂带控制，乌鲁木齐以东地震分布较为分散，没有明显的带状分布情况，表明该区域内地震不是受一两条活动断裂带控制，区域内多级活动构造带都存在一定的地震活动。

（3） 沿着经度方向将区域内地震全部进行震源深度投影，对比重定位前后震源深度分布结果（图6），与原始的深度分布相比，重定位前震源深度分布较为分散，主要分布在5～15 km范围之内，浅源地震居多。重定位后，震源深度分布分散程度增加，在不同深度范围内均有分布，主要集中在5～35 km范围之内，局部出现成簇现象；以乌鲁木齐为界，东西两侧地震震源深度存在明显的差异，乌鲁木齐以西震源深度主要分布在0～25 km范围之内，并伴有成簇现象，这与该区域主要发震构造和地震活动的层位较为吻合。乌鲁木齐以东地震深度明显增加，震源深度在0～50 km范围内均有分布，通过分析乌鲁木齐以东区域的构造特征，该区域位于乌鲁木齐山前坳陷和博格达推覆构造转换区域，由于受准噶尔盆地和吐鲁番盆地相互挤压，使得区域内同时存在南北向和东西向的压应力，造成多条构造活动带都存在一定的地震活动。同时有研究表明坚硬的准噶尔盆地基底与高度变形的天山的俯冲碰撞构造可能涉及到天山造山带的下地壳，是造成该区域深源地震的原因^［16-17］。

（4） 在研究區内设置了AB、CD两条地震剖面，按照剖面延伸方向将剖面20 km范围内的地震进行震源深度投影来研究其分布特性。AB剖面近南北向，与准噶尔南缘断裂带近垂直，由南向北横穿亚马特断裂带、准噶尔南缘断裂带及乌鲁木齐山前坳陷内的三排断裂带至准噶尔盆地南缘结束，根据重定位地震震源深度分布图（图7）可以看出，该区域内地震主要集中分布在准噶尔南缘断裂带附近，震源深度范围为10～25 km，霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁断裂带发生的地震均为浅源地震，震源深度范围为0～7 km。CD剖面东西向分布，由乌苏至博格达峰，基本上横穿整个研究区。剖面两端浅源地震较少，基本分布在20～30 km范围内，而中间

区域地震深度分布基本在5～25 km范围内。对比发生在准噶尔南缘断裂带附近的地震震源深度分布，可以发现发生在断裂南部的地震震源深度比发生在断裂北部的地震震源深度更深，这与准噶尔南缘断裂整体向南倾相吻合，即沿着倾向方向地震震源深度更深。

4 结论与讨论

通过选取研究区内2010年6月至2021年12月期间发生在新疆境内北天山中段M_S≥1.5的地震事件，结合到时数据，利用双差定位法进行重定位，对地震进行重定位分析和震源深度分析得出以下结论：

（1） 研究区内，地震主要分布在乌鲁木齐山前坳陷及南部区域，并未向准噶尔盆地延伸；受准噶尔南缘断裂构造整体南倾的影响，发生在准噶尔南缘断裂带附近的地震，震源深度呈现出南深北浅的现象。

（2） 由深度剖面显示，震源深度分散程度增加，0～50 km均有分布。以乌鲁木齐为界，东西两侧地震震源深度存在明显的差异，呈现出东深西浅的现象。这主要与乌鲁木齐以东区域主要受南北向应力挤压，乌鲁木齐以西区域同时受南北向和东西向的压应力有关。

（3） 根据张国民等对中国大陆地震震源深度的研究表明，新疆地震构造区的地震平均深度为（21±10） km^［18］。从定位结果来看，重定位后相比于初始定位给出的震源深度，本研究结果给出的震源深度5～35 km范围更为可靠。

通过对北天山中段地震的精定位研究，初步探明准噶尔南缘断裂带、亚马特断裂带为该区域主要发震构造，盆山结合部地震较为活跃，因此准噶尔南缘断裂带及乌鲁木齐山前坳陷区将作为震情跟踪工作的重点监视区域。但是由于受该区域台站间距及地震事件数量的限制，此次研究对乌鲁木齐以东的地质构造揭示的不够准确，仍需要积累大量的地震事件数据。在以后的研究中，可以尝试利用深度学习算法创建高分辨率地震目录，从而更好的揭示地震发生的精细位置分布和更小的地质构造单元。

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STUDY ON PRECISE POSITIONING OF EARTHQUAKES IN

MIDDLE SECTION OF NORTH TIANSHAN MOUNTAINS

LI Kui， LIU Li-xia， CAO Chang-jun， ZHANG Qing-yuan

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

Abstract： In order to explore the main seismogenic structures in the middle section of the North Tianshan Mountains and further define the key monitoring areas， this paper uses the double-difference positioning method to relocate 1 439 seismic events with M_S≥1.5 occurred in the middle section of the North Tianshan Mountains from June 2010 to December 2021. The results are as follows： ① Mean value of traveltime residuals changes from -0.22 s to 0.006 6 s， and the average error of source location determination is 1.1 km in east-west direction， 1.4 km in north-south direction， and 2.0 km in vertical depth. ② Earthquakes were mainly distributed in the Urumqi piedmont depression and the southern region， and did not extend to the Junggar basin; The local earthquake epicenter approaches to the tectonic zone， showing a seismic active zone with a strike of nearly 280° and a strike of nearly 300°， which are basically consistent with the southern margin fault zone of Junggar and the Yamat fault zone. ③ According to the depth profile， the dispersion degree of focal depth increases， and it is distributed from 0 to 50 km. Taking Urumqi as the boundary， there are obvious differences in the focal depths of earthquakes on the east and west sides， showing the phenomenon of deep in the east and shallow in the west. Through the precise positioning study of the region， it is proved that the southern margin fault zone of Junggar and the Yamat fault zone are the main seismologic structures in the region， and the earthquakes in the basin-mountain junction are relatively active. Therefore， the southern margin fault zone of Junggar and the Urumqi piedmont depression area will be the key monitoring areas for the earthquake tracking work.

Key words： Middle section of North Tianshan Mountain; Double difference positioning; Travel time residual; Reposition