雷啸宇 刘兆才 赵鹏毕 王伽祺 沙木哈尔·叶尔肯

摘要：收集2020年1月19日新疆伽师M_S6.4地震周围及柯坪逆冲推覆构造附近震源机制解资料，应用MSATSI软件包中阻尼最小二乘法反演该地震震中周围的构造应力场。结果表明，研究区主压应力轴方向呈近NS向且整体一致性较好，西段最大主应力方向为NNW向，东段为NNE向，但西段中的喀什、巴楚等靠近塔里木块体边缘地区主压应力方向为NNE向。柯坪逆冲推覆构造带所在区域的主压应力方向呈NNW向，主张应力方向呈NNE向，与此次地震的震源机制解P、T轴方向相同，表明该地震的发生受区域构造应力场影响。研究区整体张轴的非均匀性明显，方位分布范围较大，但地震震中周围主压应力轴倾伏角一致性特征明显，反映了该区域以逆冲为主的应力特征。

关键词：柯坪逆冲推覆构造； 震源机制解； 构造应力场； 应力场反演；新疆伽师M_S6.4地震

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.01.011

2020年1月19日21时27分，新疆维吾尔自治区喀什地区伽师县发生M_S6.4地震，震中位置为（39.83°N，77.21°E），震源深度为16 km（中国地震台网中心）。震后许多权威科研机构快速产出了该地震的震源机制解结果（表1），表2是哈佛大学矩心矩张量目录（GCMT）提供的该地震矩张量解参数等结果，这些结果对反演构造应力场研究以及理解本次地震的孕震机理提供了基础。

地震震源机制是反映深部应力状态的主要参数，基于震源机制解反演的构造应力场是研究地球动力的主要方法之一。近年来，国内很多学者使用不同方法进行相关研究，为认识构造运动，解释地震孕震机制提供了大量资料。如屠泓为等利用发震断层性质和研究区内多个地震的震源机制解，拟合了伽师地区的应力场特征^［1］；唐兰兰等利用地震台记录到的宽屏带长周期数字波形资料反演地震矩张量解，研究出帕米尔东北缘的应力场特征^［2］；赖院根等利用台阵记录到近震数据研究伽师震群的横波分裂现象，得到了伽师地区的应力场特征^［3］。虽然前人给出了此次地震周围的大致应力场，但未对震源区及周围邻区进行较精细的应力场反演，本文中将选取震源区周围更大范围作为研究区域，以1°×1°划分网格拟对该地区的构造应力环境和孕震背景进行大范围空间分布特征研究，为地震活动性分析提供基础资料。

1 构造与数据资料

1.1 研究区构造背景

伽师M_S6.4地震发生后新疆地震局随即展开余震跟踪工作，截止2020年2月29日共记录到M_S3.0以上地震23次。此次地震序列发生在南天山西段地区，位于塔里木盆地西北缘的柯坪逆冲推覆构造带，该构造带是南天山褶皱带、塔里木块体和帕米尔弧形构造交汇区^［4］。该区由于受到印度洋板块向北推移时造成塔里木块体与南天山相向对冲，在山前形成了一系列性质各异的新生代活动断裂和EW向延伸的数排背斜褶皱组成呈弧形的推覆构造^［5］。1997年1～4月，该地区曾发生7次M_S≥6.0地震，至1998年8月27日再次发生2次M_S≥6.0地震，构成9次M_S6.1～6.8地震的伽师强震群，余震在2000年3月27日M_S5.3地震后趋于平静。但区域地震活动性持续活跃，于2003年2月24日发生巴楚—伽师M_S6.8地震。此次地震是前震—主震—余震型，距离其发震时间最近的地震是2018年9月4日的伽师M_S5.5地震^［6］。因此该地区也成为地震学研究的热点。

柯坪逆冲推覆构造是西南天山前陆构造的一部分，位于塔里木盆地西北缘，东西长约300 km，南北宽度60～140 km，横向上由多排近NE走向的逆冲推覆单斜山或背斜山系组成。向北以喀拉铁克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西南凹陷为界，西界位于八盘水磨一带，东界在阿克苏附近^［7］，该地区活动断裂非常发育，构造变形多以逆断裂—褶皱带为代表，GPS显示该地区滑动速率达10 mm/a^［8］，是强震和中强震成群发生较频繁的地区。

此次地震发生于柯坪逆冲推覆构造带前（南）缘，为准确分析和讨论该地区构造应力场的整体特征，本文中选取天山山脉在新疆境内最西部的西南天山段^［9］、帕米尔弧形构造东端、塔里木块体西段以及中天山部分区域为应力场反演范围。由于该范围内地震多发，尤其在乌什、烏恰、伽师附近地震较为集中，所以得到的震源机制解更加丰富，也使得应力场的反演结果更为准确。

1.2 震源机制解数据

本文中搜集了全球矩心矩张量目录（GCMT）中伽师M_S6.4地震震源区及周围（74°～82°E，36°～45°N）范围内，2020年1月19日以来4.0≤M_W≤7.0、震源深度≤70 km的震源机制解数据共205个，作为反演的基础资料。Zoback^［10］根据震源机制的P、T、B轴的倾伏角得到一个震源机制类型的划分表格（表3），我们将符合要求的震源机制解以此进行统计后发现，如图1所示，研究区内逆冲型及逆冲兼走滑型地震共97个，占总比例最大，达到整体的47%，该类型地震大致分为两块，一块分布于南天山西段及柯坪逆冲推覆构造带附近，这些地震以走滑和逆冲破裂为主，且多与NEE向的柯坪断裂构造性质一致；另一块沿帕米尔接连南天山的弧形构造和阿尔金断裂及阿尔金北缘断裂分布。此外正断型及正断兼走滑型地震共48个，过渡型（不确定型）地震共23个，走滑型地震共37个，占总比分别为24%、11%、和18%。

2 应力场反演

2.1 反演方法

应力分区方法不同，得到的应力场反演结果也可能不同。本文中采用Hardebeck和Michael基于震源机制解反演应力场的方法^［11］，使用MSATSI软件反演各网格内的最佳应力拟合张量。应力场求解存在多个假设，如根据震源机制或地质擦痕求解应力场，由于这些地质活动仅是应力场小的变动，无法获得其绝对大小，需要采用应力张量对角线元素之和为零进行约束，但仍然不能确定应力张量偏量的大小，通常又会规定八面体上的剪应力满足条件。所以本文中方法以前人提出的成熟反演方法^［12］为基础，将研究区域的应力场假定为均匀的，从而求解空间上不同方向的应力场。

程序中符合要求的震源机制解在反演之前被分配到许多网格，然后采用阻尼最小二乘进行反演，同时对网格内的应力张量进行整体平滑。由于不可避免的人为因素在传统应力反演方法中会造成应力旋转，所以我们在反演过程中加入合理的阻尼系数，既可以消除人为影响又能够减少相邻网格间的应力差异，而达到观测值与理论值的最佳拟合^［11-12］。当阻尼系数选取过小时，模型复杂程度提高，反演误差有所改善，但是观测值和理论值匹配度急剧降低；系数选取过大时，随着模型的简化，反演误差会急剧加大。因此选取合适的阻尼系数尤为重要，本文中在曲线的拐点处（e=1）取得了最佳阻尼系数（图2），能更好的在反演过程中分配观测值与理论值的相对权重。

将研究区以1°×1°的网格划分为28个应力单元格，再由程序采用阻尼最小二乘法，利用网格周围多个震源机制解对网格内的应力张量进行平滑约束，所以落入网格内的震源机制解不会少于一个。根据地震双力偶源模型的概念，存在两个可能的断层面：真正的断层面和辅助断层面，两个节面具有相同的可能性^［11］。由于随机采用一个节面进行反演，则应力场方向的不确定性通过2 000次抽样评估得到，值得注意的是，重采样的迭代次数对于解的不确定度很重要，次数过少可信度降低，次数过多计算量增大。所以本文中置信度设置为95%并选取折中次数2 000次。经过计算得到最优状态下3个轴的方向，以及应力形因子R值。R=（σ₂-σ₁）/（σ₃-σ₁），能够表示应力的空间形态，其中σ₁、σ₂、σ₃分别为最大、中间、最小主压应力轴。当R值接近于1.0时，表示最小主压应力（σ₃）和中间主应力（σ₂）大小接近，即中间主应力也表现出一定的拉张成分，处于双轴拉张状态；当R值接近于0时，表示最大主压应力（σ₁）和中间主应力（σ₂）大小接近，处于双轴压缩状态^［11-12］。

2.2 结果

由上述反演方法得到的应力场最优方向可以看出，研究区应力场主压应力轴σ₁的方向由西向东呈NNW—NS—NNE的渐变过程，整个区域主压应力场倾伏角普遍较小，在0.04°～46.69° 之间变化，处于近水平挤压状态，这与前人李金等运用震源机制解进行应力张量反演得到的结果一致^［13］。主压应力方向的稳定性也与该区域长期处于印度洋板块向欧亚板块碰撞的动力学背景一致。研究区R值除个别小区域以外都大于0.5，尤其东西两部分更是接近1，说明中间应力轴表现出一定的张性成分。

研究区西南部分主压应力整体呈NNW向，但喀什、巴楚等靠近塔里木块体边缘的区域呈现与整体不同的NNE向，表明这些区域在受到NS向挤压的同时，也更多的受到塔里木块体顺时针旋转作用的影响，而发生应力非均匀分布的情况^［14］。研究区东北部主压应力呈NNE向，表明研究区域受到长期稳定的NS向挤压占优势，也显示出在不同应力场作用下最大主压应力轴σ₁方位有分区特点，而这种空间取向代表了这一时期应力场的基本情况^［15］。西南和东北区域较大的R值说明这里的中间应力轴σ₂与主张应力轴相接近，致使该区域挤压造山兼有隆升和向东西方向展扩两种分量，这也与西南天山及中天山山脉的走向一致。

柯坪逆冲推覆构造带所在区域的主压应力方向呈NNW向，主张应力方向呈NNE向，与前人徐锡伟等^［16］研究结果一致。通过分析认为，此次地震的震源机制解P、T轴方向与该区域整体应力场方向相同，表明其孕震过程受到区域构造应力场控制。而该区域最小主压应力轴倾伏角一致性特征明显（图3，图中最大主应力和最小主应力方向为三维空间矢量投影到水平面的结果，红色箭头代表主张应力轴最优方向，黑色箭头代表主压应力轴最优方向，投影线段越长表明该矢量越水平，反之越垂直。），反映出该区域发生的地震多以逆冲为主的应力特征。此外震源区周围R值大于0.5，说明该地震发生在压应力为主的推覆带构造背景应力状态下。本次反演得到的结果与地震发生前该地区早期研究结果^［17］具有相似性，整个区域的主压应力方向并未发生明显变化，从柯坪逆冲推覆构造历史上发生的地震来看，地震的主压应力P轴方位多以NW向或者NNW向为主，表明該区域在较长地质时期内构造应力作用比较稳定，震源区周围统一的孕震应力场的方向可能会与未来主震震源应力场方向基本一致。

3 讨论与结论

選取伽师M_S6.4地震震源区及邻区近年来震源机制解资料，划分均匀网格反演了该地区的构造应力场，分析研究区整体的应力特征和震源区的应力状态，得到较为精细的结果如下。

（1） 由于研究区长期处于印度洋板块向欧亚板块碰撞的动力学背景下，造成其主压应力方向稳定，由西向东呈NNW—NS—NNE的渐变过程，整个区域主压应力场倾伏角普遍较小，处于近水平挤压状态。

（2） 处于塔里木块体边缘的网格多呈现与所在地区不同的应力场方向，表明区域应力场具有非均匀性，能够控制它的因素有板块运动、板内块体间的相互作用以及岩石特性等等，还需要继续研究。

（3） 震源区所在的柯坪逆冲推覆构造带主压应力方向为NNW向，与前人研究结果一致。对比此次地震的震源机制解参数后，发现区域构造应力场影响着其孕震的过程。且该区域最小主压应力轴倾伏角一致性特征明显，反映出该区域发生的地震多以逆冲为主的应力特征。

此外应力场是否有利于地震的发生，我们可以将应力场投影到地震断层面（节面）上，判断地震断层面上的相对正应力和剪应力，这也是今后需要研究的方向。

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CHARACTERISTICS OF SOURCE AND ITS NEIGHBORHOOD

POST-EARTHQUAKE TECTONIC STRESS FIELD OF

JIASHI M_S6.4 EARTHQUAKE IN XINJIANG

ON JANUARY 19， 2020

LEI Xiao-yu¹， LIU Zhao-cai²， ZHAO Peng-bi¹， WANG Jia-qi¹， Shamuhaer Yeerken¹

（1.Xinyuan Seismic Station of Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Xinyuan 835800，Xinjiang，China; 2.Shenzhen Institute of Disaster Prevention and Mitigation Technology，Shenzhen 518003，Guangdong，China）

Abstract： Collect the focal mechanism solution data around the Jiashi M_S6.4 earthquake in Xinjiang on January 19， 2020 and Keping thrust nappe structure， and use the damped least squares in MSATSI software package to invert the tectonic stress field around the epicenter of the earthquake. The results show that the direction of the principal compressive stress axis in the study area is nearly NS and the overall consistency is good. The maximum principal stress direction in the west section is NNW and the east section is NNE， but the main compressive stress direction in Kashgar， Bachu and other areas near the edge of the Tarim block in the west section is NNE. The direction of the principal compressive stress in the area where the Keping thrust nappe structural belt is located is NNW， and the direction of the principal tensile stress is NNE， which is the same as the direction of the P and T axes of the focal mechanism solution of the earthquake， indicating that the occurrence of the earthquake is affected by the regional tectonic stress field. The overall tension axis in the study area has obvious non-uniformity and wide azimuth distribution， but the main compressive stress axis around the earthquake epicenter has obvious dip angle consistency， which reflects the stress characteristics of the region dominated by thrust.

Key words：  Keping thrust nappe structure;  Focal mechanism solution;  Tectonic stress field;  Stress field inversion；Xinjiang Jiashi M_S6.4 earthquake