2008年3月21日新疆于田MS7.3地震破裂过程研究*

冀战波 赵翠萍 王 琼 李志海 王海涛

1) 中国兰州730000中国地震局兰州地震研究所 2) 中国北京100036中国地震局地震预测研究所 3) 中国乌鲁木齐830011新疆维吾尔自治区地震局

2008年3月21日新疆于田MS7.3地震破裂过程研究*

1) 中国兰州730000中国地震局兰州地震研究所 2) 中国北京100036中国地震局地震预测研究所 3) 中国乌鲁木齐830011新疆维吾尔自治区地震局

利用IRIS全球地震台网30°—90°的长周期P波记录,反演了2008年3月21日新疆于田MS7.3地震的破裂过程,得到了此次地震的破裂时空图像,并初步分析了余震分布与主震断层滑动量分布的关系． 结果表明,此次地震是一个破裂尺度长100 km、 宽20 km的破裂过程； 破裂持续时间约为40 s,在第13 s时地震矩释放速率达到峰值,断层面上一次大的破裂行为几乎构成了整个地震的破裂过程． 地震所释放的标量地震矩为4.23×1019N·m,其矩震级为MW7.02． 由主震断层静态滑动量分布图可以看出,整个破裂区以正断左旋走滑为主,显示出双侧破裂特征,最大滑动量为151 cm,位于初始破裂点沿断层出露地表处． 精定位后的余震在断层面上的投影结果显示,80%以上ML4.0—4.9余震和全部ML≥5.0余震均发生在初始破裂点附近区域及其南西方向,位于主震破裂滑动位移量迅速减小的区域,反映了震源区介质强度的不均匀性．

2008年于田MS7.3地震 震源破裂过程 矩张量反演 余震分布

引言

北京时间2008年3月21日06时33分,新疆于田县境内发生MS7.3地震． 中国地震台网测定该震震中位置为81.6°E、 35.6°N,震源深度33 km． 该震震中位于于田、 策勒与西藏交界的西昆仑造山带内,和田、 喀什等地有强烈震感,震中烈度达Ⅶ度. 这次地震造成部分建筑物损毁,但无人员伤亡． 截止到2008年8月31日,新疆地震局共测定到于田地震序列MS≥4.0余震60次,其中MS4.0—4.9地震50次,MS5.0—5.9地震10次,无MS6.0以上余震．MS≥4.0余震沿NE向展布,长轴约100 km(李志海等,2009)．

ISC、 USGS、 中国地震台网中心和新疆地震局等相关机构均给出了此次于田地震的基本参数(表1)． 可以看出,由于震源区地震监测能力较差,各个机构关于此次地震的震中位置和震源深度存在较大偏差(图1)．

表1 不同机构给出的2008年于田MS7.3地震的基本参数

对于此次地震,一些学者也从不同学科角度进行了研究． 尹光华等(2008)分析了于田MS7.3地震的构造背景,认为此次地震的可能发震构造为阿尔金断裂西南延伸分支断裂． 李志海等(2009)讨论了此次地震的发震构造和震前地震活动特征,认为阿尔金断裂南部的郭扎错断裂是这次地震的发震构造,并对震前空区和“信号震”进行了分析． 王琼等(2009)从区域地震活动和中等地震震源机制特征的角度,初步研究了该地震震前区域地震活动和

图1 各机构给出的于田MS7.3地震震中位置及余震分布图

右上角图为于田MS7.3地震震中区域的地质构造图； 红色方框为图1所示的研究区． 断裂缩写如下：F1： 焉耆盆地南缘断裂；F2： 兴地断裂；F3： 北轮台断裂；F4： 柯坪断裂；F5： 卡兹克阿尔特断裂；F6： 米牙断裂；F7： 西昆仑断裂；F8： 康西瓦断裂；F9： 喀喇昆仑断裂；F10： 普鲁断裂；F11： 贡嘎错断裂；F12： 阿尔金断裂；F13： 龙木错—邦达错断裂

Fig.1 Epicenters given by different institutions and distribution of aftershocks of YutianMS7.3 earthquake

The upper-right corner is regional tectonic setting. The faults are as follows.F1: Yanqi basin southern fringe fault;F2: Xingdi fault;F3: North Luntai fault;F4: Kalpin fault;F5: Stewart Katz Yasar fault;F6: Miya fault;F7: West Kunlun fault;F8: Kangxiwar fault;F9: Karakorum fault;F10: Pulu fault;F11: Gonggar Co fault;F12: Altyn Tagh fault;F13: Lungmu Co--Bangdag Co fault

应力场的应力状态特征．唐明帅等(2010)利用和田地震台阵数据及新疆数字台网数据,应用宽频f-k分析方法,对此次地震余震序列进行了重新定位． 万永革等(2010)计算了此次地震对周围断层的影响,并给出了该地震正断层机制的区域构造解释． 王凡等(2011)通过处理、 分析GPS数据,得到了破裂断层北侧100 km附近的同震位移及震后形变信息． Elliott等(2010)、 张国宏等(2011)及Shan等(2011)分别利用InSAR资料对此次地震的震源断层破裂信息进行了研究． 徐锡伟等(2011)通过高分辨率卫星影像解译和野外考察,得到了此次地震地表破裂带的特征,并对其构造属性进行了讨论．

上述学者从不同学科角度对于田地震进行了研究,尽管有的研究也得到了此次地震的静态滑动分布,但均未给出于田地震的震源时间函数及动态时空破裂过程信息． 为了进一步探讨强震破裂机理,本文利用远震体波记录对于田MS7.3地震的破裂过程进行解算研究． 地震破裂过程是指初始破裂点破裂开始后破裂行为在震源区的传播过程． 通过破裂过程反演,有助于了解发震断层如何在力的作用下破裂与传播,并获得断层破裂位移分布,这对于理解青藏高原的动力学模型有重要意义． 而且,震源破裂过程的研究对于更好地把握地震发生发展的演化过程,尤其对于预测震情发展趋势具有很现实的意义(毛燕等,2008)． 同时,主震后短期内发生的余震与主震破裂的时空过程密切相关,因此认识余震及其震源机制与主震破裂图像的关系,将有助于判断强余震发生的位置． 另外,断层面上的应力和位错分布也将为强地面运动模拟提供震源模型．

本文采用日本东京大学Kikuchi教授的体波反演程序(Kikuchi,Kanamori,1982,1991; Kikuchietal,1993),对于田MS7.3地震震源的破裂过程进行反演,得到此次地震的时空破裂过程及断层破裂位移分布,并初步分析余震分布与主震断层滑动量分布的关系．

1 构造背景

2008年3月21日于田MS7.3地震发生在距印度板块与欧亚板块碰撞带数百千米的青藏高原北缘,位于东北向的阿尔金断裂与东西向的普鲁断裂交汇区,地质构造较为复杂． 万永革等(2010)认为,于田地震发生区域由北部的康西瓦左旋走滑断裂、 东南方向贡嘎错左旋兼正断断裂、 南部的龙木错—邦达错左旋走滑断裂西段和西南方向的喀喇昆仑右旋断裂所围限,该区域自1976年以来发生了很多正断层机制的地震． 所围限区域的西部跨喀喇昆仑断裂右旋走滑速率为(1±3) mm/a (Wrightetal,2004),表明兴都库什块体相对于青藏块体西北缘向西北方向运动,而沿阿尔金断裂的左旋走滑速率较大(在东部远场,阿尔金断裂中段滑移达9 mm/a (Shenetal,2001)),两个运动方向的合成使得贡嘎错断裂呈现左旋张扭的运动模式,与喀喇昆仑右旋走滑断裂模式形成对比,致使该地震震源区域处于东西向拉张的应力状态． 从更大尺度的运动学构造背景看,此次地震仍是印度板块与欧亚板块碰撞造成的青藏高原东西向扩张的结果.

2 方法及原理

震源时空破裂过程的反演研究始于20世纪80年代,如今已发展出多种反演方法. 当地震震源尺度远小于所产生的地震波波长及震中距时,可采用点源位错模型表述位移场(Aki,Richards,1980)． 设震源坐标位于原点,远场点源位移可近似为

(1)

式中,Ui(r, t)为t时刻r处的位移在i方向的分量； Gij,k(r, t)为反映介质传播效应的格林函数； Mjk(t)为地震矩张量,由于地震震源的角动量守恒,实际上矩张量只有6个独立分量．

在进行平面有限断层的震源破裂过程反演时,通常将断层划分为N个子断层,每个子断层都视为一个点源,某一观测点在某一时刻的理论位移为所有子断层在此观测点产生的位移的叠加. 运用线性叠加原理,并在等式两边同时与台站的仪器响应进行褶积，则得到台站i的远场地震位移表达式为

(2)

(3)

式中,xj与yj分别为子断层j到参考位置的距离,pij为子断层j到台站i的射线参数,φij为台站i的方位角与断层走向之差,δ为断层倾角,Vr为破裂传播速度,v为P波速度．

我们采用Kikuchi和Kanamori (1982,1991)提出的非负最小二乘法来反演破裂过程． 为使反演结果稳定,除全部解非负(Mj>0)的条件外,还增加了解的光滑性约束条件,即使相邻子断层的滑动率之差在同一时刻不超过一个预先给定的常数．

3 数据分析处理

根据精定位的余震分布,本文以ISC确定的震源位置为起始破裂点位置(81.43°E,35.43°N),震源深度经多次反演试算取为12 km． 哈佛大学与USGS给出的震源机制解显示,此次地震的震源机制是正断型并有一定左旋走滑分量． 其中哈佛大学给出的震源机制解(图1)的节面Ⅰ走向、 倾角、 滑动角分别为354°,47°,-113°; 节面Ⅱ分别为 206°,48°,-67°. 根据余震分布及震源机制解反演结果,本文取节面Ⅱ为此次地震的破裂面,进行平面有限断层的破裂过程反演．

表2 震源附近的分层地壳模型(Crust 2.0)

表3 接收台站附近的分层地壳模型

选取走向206°、 倾角48°、 长和宽分别为140 km和60 km的平面断层为发震断层,并把它划分为14×6个单位面积为10 km×10 km的子断层． 采用IRIS全球台网30°—90°范围内记录清晰、 信噪比高的35个长周期台站的P波记录． 在计算过程中,对个别台站波形进行加权以调整此台站记录数据参与计算的权重．

由于未搜集到前人关于震源区附近精确地壳结构模型,本文在反演过程中采用Crust2.0地壳模型,震源下方分层速度结构见表2； 接收台站附近分层地壳模型如表3所列． 破裂速度经2.5—3.1 km/s之间多次数值试算,最终取为3.0 km/s． 计算过程中使用的波形时间长度取P波初至后的60 s． 将速度记录谱除以仪器响应谱以消除仪器的影响； 将速度记录积分成位移后,考虑到震源破裂过程的细节信息包含在高于拐角频率的波形里,故进行了0.02—0.2 Hz滤波．

4 反演结果及分析

于田MS7.3地震破裂过程的反演结果如图2所示． 所选用数据的台站及震中分布如图2a所示,台站分布均匀． 观测波形与理论波形的拟合方差为0.24,最佳拟合波形见图2c．

最终确定震源时间函数如图2b所示,破裂持续时间约40 s,断层在破裂开始后即迅速加速破裂,到达第13 s时地震矩释放速率达到峰值,随后释放速率下降,分别在第22 s与第28 s时略有上升． 结合图2e断层面累积破裂过程快照,推测破裂传播时在初始破裂点北东方向遇到两个微弱障碍体,并在第22 s与第28 s克服． 此次MS7.3地震所释放的标量地震矩为4.23×1019N·m,其矩震级为MW7.02,略小于USGS测定的MW7.1和哈佛大学的MW7.2.

图2 2008年于田MS7.3地震震源破裂过程的反演结果 (a) 震中(星形)及台站(三角形)分布； (b) 归一化震源时间函数； (c) P波观测波形(黑色)与理论波形(红色),图中字母为台站名称； (d) 断层面上滑动量的静态分布

图2 2008年于田MS7.3地震震源破裂过程的反演结果 (e) 断层面累积滑动量快照

图2d为断层面上滑动量的静态分布. 由该图可见破裂主要发生在长100 km、 宽20 km的断层上,主要滑移集中在自地表向下15 km区域,此结果与Elliott等(2010)利用InSAR数据干涉得到的同震断层位错分布结果一致． 破裂由初始破裂点12 km深处开始向上传播,可以看到此次地震的发震断层错动为正断兼左旋走滑性质． 断层面上滑动量的静态分布与Elliott等(2010)得到的同震断层位错分布相似． Shan等(2010)利用InSAR数据反演了此次地震的滑动分布,得到模拟形变区域长100 km,滑动集中在0—14 km深度,最大相对垂直位错达4.1 m,距离初始破裂点10 km． 本文得到的最大位错位于初始破裂点沿断层出露地表处,为1.51 m,小于野外考察时在地表破裂带测量的最大左旋走滑位移1.8 m、 最大垂直位移2.0 m (徐锡伟等,2011),也小于张国宏等(2011)最大滑动量3.2 m的结论； 最大滑移位置(81.549°E,35.449°N)与徐锡伟等(2011)野外考察结果(81.532°E,35.517°N)相近． 分析其原因,认为此次地震野外考察结果将于田地震地表破裂带分为3个基本段: 北段为35.53°N以北,主要由NW向张剪切破裂组合而成; 中段位于35.53°—35.45°N,主要由NNW--NS向张剪切破裂等组成; 南段位于35.45°N以南,由不连续的NNE--NE向张剪切破裂组成,大部分位于5600 m左右的冰川覆盖区(徐锡伟等,2011)． 实际发震断层结构复杂,附近介质强度不均匀． 而本研究采用平面断层模型,与实际断层存在差别是导致上述不一致的主要原因．

图2e为断层面上每间隔3 s累积的破裂过程快照,可见破裂主要发生在初始破裂点周围上方,整个破裂过程比较简单． 结合震源时间函数,可知破裂开始后迅速向周围发展; 至第13 s时,矩张量释放速率达到最大,此时破裂主要集中在以初始破裂点为中心的20—30 km长度范围内； 随后释放速率下降,破裂首先向南西方向发展,但规模较小； 随即破裂在初始破裂点北东方向快速发展,直至第40 s时,破裂基本完成． 由此可见破裂事件虽为双侧破裂,但南西方向破裂发展的规模要小于北东方向． 这与Elliott等(2010)利用远震体波数据反演得到的这次地震破裂由南向北发展的结论略有差异．

5 余震分布与主震破裂分布的关系

许多研究(Das,Aki,1977； Aki,1979,1984； Zobin,Levina,2001； 赵翠萍等,2005,2008)均表明,余震倾向于集聚在强震断层面上一部分具有低滑动振幅的地区,强震的破裂过程导致了这些区域的剪切应力增加,从而触发了余震．赵翠萍等(2005,2008)分别研究了2003年中、 俄、 蒙边界MS7.9地震后余震分布、 强余震位置与主震破裂分布的关系和1998年伽师两次M6强震的前震和余震位置及其机制与主震破裂过程的联系． 精确定位的余震分布显示,1998年伽师两次M6强震的余震主要发生在主震破裂大滑动量区域的外围或滑动量变化梯度大的区域,主震发生后短期内余震的震源机制解也与断层破裂面上的错动方向一致,后者进一步表明短期内余震位置及其震源机制与主震所引起的应力重新分布有关．因此,认识主震的破裂过程不但有助于认识强余震的发生位置,而且可以预测短期内发生强余震的破裂机制．Zobin和Levina (2001) 研究了1997年Cape KronotskyMW7.8地震的破裂过程及前、 余震与破裂过程图像的关系,发现大多数余震发生在滑动量相对较小的破裂区,同时所有MW>5.5余震都发生在高滑动量的凹凸体以外．

利用地震台阵可以较为准确地估算出于田地震信号的后方位角和慢度． 唐明帅等(2010)根据和田地震台阵数据,应用宽频f-k分析方法,对2008年于田地震序列(2008年3月21日—8月31日119次ML>4.0余震) 进行了重新定位． 本文将上述余震精定位结果按照震级大小和时间先后有区别地投影到断层面上(图3),以讨论余震位置与主震断层位错量分布之间的关系．

图3 滑动量分布等值线及主余震分布图 图中星形为主震发震位置． 较大圆点、 三角形、 菱形和正方形分别表示主震发生当日内、 一周内、一月内及一月以后ML>5.0余震的位置； 较小圆点、 三角形、 菱形和正方形分别表示主震发生当日内、 一周内、 一月内及一月以后ML4.0—4.9余震的位置

The red star denotes the epicenter of the Yutian earthquake. Large red dot, yellow triangle, green diamond and black square represent the aftershocks withML≥5.0 occurred on the same day, in a week, in a month and after a month of the main shock, respectively; the smaller ones represent the aftershocks with 4.0≤ML≤4.9 occurred on the same day, in a week, in a month and after a month of the main shock, respectively

由图3可见,在空间分布上,余震分布于主震两侧分布,显示出双侧破裂特征． 80%以上的ML4.0—4.9余震和全部ML>5.0余震均发生在主震附近区域及南西方向20 km以内范围,图3中大部分余震尤其是ML>5.0余震均分布在主震破裂滑动位移量迅速减小的区域,推测反映了震源区介质强度的不均匀性． 在MS7.3地震破裂时,此区域由于介质强度较周围区域大,破裂滑移在此区域迅速减小,形成应力积累． 当应力积累超过介质的抗剪切强度时,断层错动引发新的破裂事件． Das和Aki(1977)指出,障碍体不仅导致破裂停止,同时由于障碍体积聚应力,有时也作为新破裂的起始点,导致强余震的发生和破裂的进一步传播． 这种现象对主震发生后强余震的预测具有一定意义．在时间上,66.6%的ML>5.0余震和24.0%的ML4.0余震发生在主震发生当日,另有35.7%的ML>5.0余震和40.3%的ML4.0余震发生在主震发生的一周内． 我们看到,在于田MS7.3地震的余震序列中,较大余震和较强的剩余能量释放集中在前期,并随着时间迅速衰减． 另外从时间和空间上看,此次MS7.3地震的余震相对均匀地分布在余震区域,其发展并没有随时间在空间上有明显的优势方向和趋势． 故推测主震发生后震源区局部应力的积累和调整是余震发生的主要原因．

6 结论

本文利用IRIS全球地震台网30°—90°的长周期P波记录,反演了2008年3月21日新疆于田MS7.3地震的破裂过程,得到了地震的破裂时空图像． 整个破裂区以正断左旋走滑为主,显示出双侧破裂特征,最大滑动量为151 cm,位于初始破裂点沿断层出露地表处． 本研究中将发震断层划分为单位面积为10 km×10 km的子断层,把每个子断层视作一个点源,用位于中心的点代表每个子断层进行破裂过程的反演． 因此本文断层面上点位错的结果最大分辨率为10 km,波形拟合差为0.2406． 精定位后的余震在断层面上的投影结果显示,80%以上ML4.0—4.9余震和全部ML>5.0余震均发生在初始破裂点附近区域及南西方向,位于主震破裂滑动位移量迅速减小的区域,反映了震源区介质强度的不均匀性．

在于田MS7.3地震的余震序列中,较大余震和较强的剩余能量释放集中在前期,并随着时间迅速衰减． 另外从时间和空间上,此次MS7.3地震的余震相对均匀地分布在余震区域,其发展并没有随时间在空间上有明显的优势方向和趋势． 推测主震发生后震源区局部应力的积累和调整是余震发生的主要原因． “应力触发”常被用来研究一次强震发生所导致的应力变化对其后区域地震活动(包括余震)的影响． 而破裂过程的反演为应力触发研究确定了基本的震源破裂参数,为进一步定量研究主余震的关系提供了基础资料．

万永革等(2010)基于地震发生的地质构造背景和形变模式,分析了该区域发生正断层机制地震的原因,认为青藏高原沿阿尔金断裂的整体东向运动与兴都库什块体的北西向运动共同作用,导致了震源区东西向拉张的形变模式． 本文得到的于田MS7.3地震的动态破裂过程和滑移方向是震源区东西向拉张与左旋张扭作用的结果,在更大尺度上是印度板块北向运动作用于青藏高原内部,造成阿尔金断裂和昆仑断裂左旋走滑的具体体现． 这对于理解青藏高原西北部的形变模式和动力学具有重要意义．

本文撰写过程中得到陈章立研究员及中国地震局地震预测研究所地震观测技术中心周连庆老师和同学的指导和帮助,新疆地震局唐明帅为本文提供余震精定位数据． 作者在此一并表示感谢．

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Source rupture process of Yutian, Xinjiang,MS7.3 earthquake on 21 March 2008

1)LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,China2)InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China3)EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion, Ürümqi830011,China

This paper studied the source rupture process of theMS7.3 earthquake occurred in Yutian, Xinjiang on March 21, 2008, by using digital teleseismic P wave seismograms recorded by long-period seismograph stations of the Global Seismic Network. Then we got the rupture pattern of the earthquake and analyzed the relationship between distribution of aftershocks and fault slip of the main shock. The rupture process inversion result shows that the co-seismic deformation affected a big area (about 100 km×20 km) and that the total rupture duration is about 40 s. One large rupture behavior on the seismogenic fault almost constitutes the whole rupture process of this earthquake； the scalar moment tensor is 4.23×1019N·m and its moment magnitude isMW7.02. The distribution of static slip on the main-shock fault shows that the rupture zone is dominated by sinistral strike-slip normal motion,suggesting a bilateral rupture process. The maximum slip is 151 cm, which is located at the surface above the initial rupture point. The projection results of the relocated aftershocks on the main shock fault plane show that more than 80% of the aftershocks with 4.0≤ML≤4.9 and all ofML≥5.0 aftershocks occurred near the initial rupture point and its southwestern region,where the sliding displacement resulted from the main shock reduces rapidly. It may reflect the heterogeneity of fault medium strength in the source region.

2008 YutianMS7.3 earthquake; source rupture process; moment tensor inversion; distribution of aftershocks

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.001.

国家自然科学基金(41104037)、 “新疆新源—和静6.6级地震科考”项目及地震科技星火计划项目(XH13027)联合资助.

2013-03-15收到初稿,2013-07-03决定采用修改稿.

e-mail: zhaocp@seis.ac.cn

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.001

P315.3+1

A

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