天山各构造分区地震破裂方式和地震序列类型的研究[1]

殷 娜 李莹甄 张 博



天山各构造分区地震破裂方式和地震序列类型的研究[1]

殷 娜1）李莹甄1）张 博2）

1）防灾科技学院，三河 065201 2）中国地震局地球物理研究所， 北京 100081

天山作为全球新构造运动和地震活动最为强烈的板内造山带，一直是中外地震学家密切关注的区域之一。本文从天山地区应力场及构造运动特征入手，对天山不同构造分区地震的破裂和地震序列类型分布特征进行研究，结果显示对于天山全区而言，地震破裂类型主要为逆断-走滑型，地震序列类型以主-余型为主，同时试图通过强震发震构造力学性质和地震学参数等方面的对比，揭示构造带内部差异性运动对强震孕育发生的影响，以期为天山地区地震活动性研究与地震预测提供基础性研究支持。

震源机制 地震序列 天山 构造带

引言

天山作为全球新构造运动和地震活动最为强烈的板内造山带，一直是中外地震学家密切关注的区域之一。邓起东等（2000）提出大致自中新世（距今24Ma）以来，天山受到近NS向水平力的挤压而不断隆升，形成新的再生山脉，其主体由南天山、北天山和中天山以及其间夹持的山间盆地组成（图1、图2）。天山现代破裂体系主要由以NE向柯坪推覆体和EW向库车推覆体为代表的逆冲断裂发生的旋扭性破裂和以近NW向博阿断裂、费尔干纳断裂为代表的右旋走滑断裂发生的剪切破裂组成。另外，受印度板块向北推挤的西动力源（帕米尔）的影响，在西昆仑与天山交汇部位形成复杂的构造运动和特殊的受力环境，以及多样的破裂格局。

天山地质发展历史悠久，地质构造十分复杂，强震活动频繁（图1）。据不完全统计，自1700年以来天山地震带发生7级以上地震25次，8级以上地震3次，而强烈地震活动与其特殊的地质区位密切相关，现今天山构造运动继承了新构造以来的活动特征，是自晚始新世至渐新世印度次大陆与欧亚大陆碰撞以来，印度板块继续向北强烈挤压的结果。

地震破裂方式和序列类型是研究地震活动性的主要参数，在区域构造格局的制约下，其不仅是震区介质、应力状态、动力过程和发震断层几何性状的具体体现，而且也能够反映区域构造运动的过程和结果（蒋海昆等，2006）。由于天山内部各区域存在不同构造类型（图2）及不同构造单元的发震模式（李莹甄等，2005），因此有必要对天山构造区进一步细化，深入探讨不同构造段落在不同力源作用下相对独立的孕震过程。

图2 天山断裂略图（据新疆维吾尔自治区地质矿产局，1993，修改） Fig. 2 Tectonic map of the Tianshan area (modified after Xinjiang Geological and Mineral Bureau, 1993) 1：走滑断裂；2：逆冲断裂；3：推覆断裂；4：推覆方向；5：韧性剪切带；6：断裂编号 F1：东天山北缘（二道沟）断裂；F2：博格达南缘断裂；F3：吐鲁番盆地中央断裂；F4：博罗科努-阿其克库都克断裂；F5：伊犁盆地北缘-喀什河断裂；F6：恰克博河断裂；F7：那拉提-包尔图-黑尖山断裂；F8：却勒塔格-拜城盆地-北轮台断裂；F9：塞里克萨依断裂；F10：柯坪断裂；F11：塔纳斯-费尔干纳断裂

1 北天山、中天山、南天山东段和南天山西段构造运动特征

天山山系是塔里木块体与哈萨克斯坦块体碰撞及新生代再造山作用的产物，经历了一个十分复杂的构造动力学过程（赵瑞斌等，2000）。由于天山岩石圈存在低速层，作为地壳内部的韧性滑脱面，在南北方向的水平挤压和地幔形变力的共同作用下，天山上地壳沿该面表现出向南北两侧逆冲的构造现象（胥颐等，2000）。依照地质构造、活动地块（活动断层）空间展布特征作为划分边界的主要依据，本文将天山构造区划分为北天山、中天山、南天山东段和南天山西段4个研究区（图3）。

1.1 北天山构造带

北天山位于天山构造区北部，是自上新世强烈活动以来，沿山前不断扩展的造山带。其北接准噶尔盆地，南沿博罗科努-阿其克库都克断裂、吐鲁番盆地中央断裂和博格达南缘断裂带与中天山、南天山东段相分离（图2）。构造带内断层走向大多为EW向，其活动构造性质主要以走滑逆冲为主，西段逐渐沿NW方向，整体呈WS突起的弧形。据冯先岳等（1991）的研究，北天山山前地区以逆断裂-褶皱带形成的逆冲推覆构造系统为主，强震亦多发于此。而在北天山南界（博罗科努-阿其克库都克断裂），沈军等（2003）提出在晚第四纪期间有强烈的右旋走滑运动。

1.2 中天山构造带

中天山属于天山构造带中西部，其东北边沿博罗科努-阿其克库都克断层与北天山相分离，南部沿阿特巴什-伊内尔切克断层与南天山相分离，在境内的部分是夹在北天山与南天山之间的三角地带，主要活动构造包括伊犁盆地北缘-喀什河断裂和恰克博河断裂，断层走向由SWW向至NW向，呈鱼尾状汇聚在新源东部（图2）。江丽君等（2010）运用S波分裂进行偏振分析，认为中天山周围地区主压应力方向随一系列走滑逆冲型构造的不同而发生偏转，导致中天山在NS向为主的区域应力作用下向西运动。

1.3 南天山东段构造带

南天山东段位于天山构造带东南部，属南天山东部地区，北边偏西部分沿那拉提-包尔图-黑尖山断裂与中天山相分离，偏东部分沿博罗科努-阿其克库都克断裂与北天山相分离，南端临塔里木盆地，西段由阿克苏附近与南天山西段相分离，其内断层走向多为EW向（图2）。该构造区包括了部分库车坳陷逆冲系统和库尔勒转换构造带。沈军等（2003，2004）对于该区做了大量的研究，研究结果认为库车坳陷由南北两大背斜带构成，北部靠近南天山为一套向南逆冲的逆断裂背斜系统；南部靠近塔里木盆地的是一套向北逆冲的逆断裂背斜系统。构造区内最主要活动断裂有分布在坳陷区的却勒塔格断裂以及转换带附近的北轮台断裂等。北轮台断裂以南发育有4排逆断裂背斜带，晚第四纪以来断裂西段的活动性逐步减弱，但其东段仍属于一条强烈活动断裂，除却勒塔格断裂和塞里克萨依断裂外，区内绝大多数断层的逆断层埋深较浅。

1.4 南天山西段构造带

南天山西段位于新疆境内天山各段的最西部，西南临塔里木盆地，在喀什附近沿乌合沙鲁、膘尔托阔依断层与西昆仑分区相分离，其内断层走向多为NE向。南天山西段是地震多发区，尤其在伽师、乌恰、乌什附近地震较为集中。其中主要由塔纳斯-费尔干纳断裂带和柯坪推覆构造组成其现代破裂格局。塔纳斯-费尔干纳断裂带走向北西，为右旋走滑断裂，西北断裂面倾向北东，东西段断层倾向西南，具有压扭性质，断层倾角30°—75°，该断裂带在早古生代，甚至在前寒武纪形成，新近纪末明显活动，第四纪以来断裂西盘相对东盘抬升。柯坪推覆构造东西长300km，南北宽60—140km，在横向上由多排近东西走向、平行展布的由北向南逆冲推覆的单斜山或背斜山组成。

2 天山不同构造分区地震破裂特征

现代构造应力场是驱动地壳断裂构造活动并孕育发生地震的基本成因，震源机制解是研究区域构造应力场最基础的资料和常用的方法。对震源机制解的统计分析，可以得到区域平均应力场状态，再现区域应力场基本特征及其震源破裂特征等，有助于对发震断层及区域活动构造与应力场之间的关系进行研究。

2.1 资料与方法

依照地质构造、活动地块边界（活动断层）作为划分边界的主要依据，如前所述，本文已将天山构造区划分为北天山、中天山、南天山东段和南天山西段4个构造研究区。

本文的震源机制解资料主要来源于：①天山地区历史中强地震的震源机制解；②2000年以后部分5级左右地震采用P波初动符号和振幅比法求得震源机制解；③哈佛大学CMT目录。共收集到震源机制解127个，图5显示了这些震源机制解的分布，其中北天山16个，中天山18个，南天山东段34个，南天山西段59个。图4、图5分别统计了天山地区震源机制解和主压应力P轴方位分布。

在一个具有均匀应力场的区域，每一次地震都将会沿断层面上的剪切应力的方向产生滑动，采用多次地震的震源机制解就能反演出区域构造应力场，地震的破裂方式则可以通过应力轴倾角的变化加以界定。根据马文涛等（2004）提出的地震类型三角形图解法（图6），将地震破裂类型分为4类：正断型，P轴倾角≥45°；逆断型，T轴倾角≥45°；走滑型，B轴倾角≥45°；过渡型，三个应力轴倾角＜45°。最终统计出了天山构造带地震破裂类型，具体见表1。

表1 天山构造带地震破裂类型统计 Table 1 Statistics of earthquake rupture types in the Tianshan structural belts

王盛泽（1987）认为，天山地区现代构造应力场方向以NS方向为主，辅以NNE、NW方向，呈大扇形分布；高国英等（2005）提出，控制区域地质活动的构造应力场主压应力方向为NNE与NW方向。由图5可见，天山构造区主压应力以NNE、NS向为主，其次为NW向，与前人所得结论基本一致。

2.2 构造分区应力特征和地震破裂方式

相较于中小地震震源破裂的随机性，较大地震的震源机制解能较多反映区域构造应力场的特征，其地震破裂方式也较能反映区域构造的运动特征。本文从127个5级以上地震的震源机制解，采用统计学方法对震源机制参数进行计算，绘制了天山各构造分区震源机制参数归一化玫瑰图（图7），以此讨论北天山、中天山、南天山东段和西段地区构造应力场特征及差异、地震破裂特性及动力学依据。

各构造区平均应力场如图7所示，北天山构造区内发震活动主要在EW向和NW走向的断层上，整体在接近水平的NWW向压应力场作用下做水平错动，从而形成大量左旋走滑和逆冲断层，P轴方位近NS向且倾角较小，说明该区受来自NS方向的挤压作用为主，这与前人研究的结果（高国英等，2005；龙海英等，2008）基本一致；中天山构造区P轴整体优势方向为EW向，主要以左旋走滑和逆冲断层为主，该区断裂受到近水平方向应力作用。南天山东段走向与中天山类似，EW为地震分布的优势方向，NW方向上也有地震分布，与南天山东段断层分布情况相符。南天山西段地震频发，且发震断层走向与区域内断层走向基本相符。

按照各构造分区的地震类型统计分析（表2），北天山地震类型以逆断型和走滑型为主，各约占40%，中天山地区地震类型以走滑型和逆断型为主，分别占50%和39%。南天山东段地区地震类型以逆断型和走滑型为主，分别占44%和38%，并存在少量的正断型，约占1%。南天山西段发震断层走向与区域内断层走向基本相符。南天山西段地区地震类型以走滑型和逆断型为主，分别占49%和36%，同时有部分正断型地震分布，约占12%。

表2 天山构造带不同分区地震破裂类型分析 Table 2 Analysis on earthquake rupture types of different sub-areas in the Tianshan structural belts

根据以上分析可以看出，在印度板块和欧亚板块强烈碰撞影响下，北天山西部、中天山和南天山交汇部位、南天山西段具有构造运动复杂，强震频发，地震破裂方式多样等特点。

3 北天山、中天山、南天山东段和南天山西段地震序列类型

3.1 地震序列资料与判定方法

本文用于地震序列类型研究的地震序列目录，来自于李莹甄收集整理的1978—2014年天山S≥5.0地震序列，共83个。序列类型的判定采用了蒋海昆等（2006）序列判定准则，即统一以序列主震0与3个月内最大余震1之间的震级差D=0－1进行序列类型划分，分为孤立型、主余型及多震型（双震型归并到多震型）三类。具体划分标准为：孤立型，D＞2.4，对于没有余震的单发式中等地震，也命名为孤立型地震；主余型，0.6＜D≤2.4；多震型，D≤0.6。1978年以来天山各构造区S≥5.0级以上地震序列类型分布见图9。考虑到北天山、中天山S≥5.0的地震序列数目较少，为了结论更加可靠，故在这两个区域增加了S≥4.5的地震序列的样本。

从图8可以看出，天山各构造区地震序列类型多样，涵盖了主余型、孤立型和多震型等不同类型的地震（表3）。5级以上中强地震以主余型为主，占据全部序列类型的一半以上，其次是孤立型地震，占18%，多震型地震较少，约占11%。从震级分布看，5.0—5.9级地震中孤立型地震所占比例较大，占到94%；5.0－5.9级地震以主余型较多，占到70%，6.0－6.9级多震型地震较多，占到62.5%，主余型约占28%；7级以上地震以主余型为主。下面对天山各构造区地震序列类型做对比分析。

表3 天山地区地震序列类型统计（MS≥5.0） Table 3 Statistics of earthquake sequence types in the Tianshan area（MS≥5.0）

3.2 北天山、中天山、南天山东段和南天山西段地震序列类型

北天山得到5级以上地震序列9个，中天山6个，南天山东段19个，南天山西段41个。对比北天山、中天山、南天山东段和南天山西段地震序列类型可以看出，大部分构造区主余型地震所占的比例较高，孤立型地震排行其次。主余型地震以南天山西段最高，可达到69%，孤立型地震在本区所占比例以南天山东段和中天山较高，可以达到53%和33%（加入4.5级以上地震则比例相当）；南天山西段最低，仅为17.6%。四个构造区多震型地震所占比例较低，约为9%，且较为集中分布在南天山西段（表4）。

表4 天山各构造分区地震序列类型分析 Table 4 Analysis on earthquake sequence types of different sub-areas in the Tianshan structural belts

注：由于北天山、中天山S≥5.0的地震序列数目较少，为了结论更加可靠，故括号内增加了S≥4.5的地震序列得出的结果。

一些学者认为，地震序列类型的空间分布特征与很多因素有关。Mogi（1958，1974）认为，主余型地震更可能在中等预应力和破裂强度的条件下出现；多震型地震更可能出现在低预应力和（或）高破裂强度的情况；孤立型地震由于受总的应力水平和不均匀性控制，高预应力和（或）低破裂强度的情况下发生概率较高。Aki（1977，1975）提出主余型地震能够在各类形式的构造运动中产生，特别是在先存断层内部闭锁单元或障碍体的破裂、或新生的相互分离的断裂段的破裂中出现；当构造应力相对很高时，更可能出现孤立型且地震序列前、余震均较少。蒋海昆等（2007）则提出，主余型地震大多发生在上地壳高速区或高、低速过渡带内；震群型往往与共轭构造或多组构造交汇相联系，且较多地发生在上地壳低速区内，从震级及历史地震活动来看新疆多震型地震序列大多分布在历史大震震中区附近（现代构造运动强烈地区）。

4 天山各构造分区地震类型及形成机制的讨论

地震类型特征研究对于地震趋势及区域地震活动性判定是一项重要的基础研究工作。本文结合天山地区地球动力背景、震源机制和地震序列的研究结果，并考虑地震破裂类型和序列类型的影响因素，对其形成机制进行了以下讨论。

天山总体构造表现为水平挤压下的地壳垂向缩短、斜向剪切转换变形和向两侧盆地的横向扩展变形，形成了主脉根部的高角度逆断层控制的厚皮推覆构造和前陆盆地内低角度逆掩断裂控制的薄皮推覆构造，以及调节纵向不均匀缩短并传递变形的大型剪切断裂。活动断层多为具有旋性特征的逆断层和走滑断层。

天山地壳结构相当复杂，其非均匀性主要表现在地震波的传播速度和介质的导电性方面。地震往往发生在高速块体和低速块体之间的过渡带附近，或者是壳内高导层的顶、底面周围（胥颐等，1995；李强等，1995；梅世蓉，1995）。在近NS向区域构造应力和复杂地壳结构环境下，天山断层走向和扩展形式多样，部分区域地震破裂方式具有一定的复杂性，走滑型和逆断型地震占据相当的数量（分别占46%和39%），过渡型和正断型地震也皆有一定分布（分别占9%和7%）。这又进一步影响到天山地区地震序列类型的复杂多样，主余型地震序列占一半，孤立型地震约占18%，多震型地震约占9%，6级以上强震多为主余型。天山各分区地震类型的差异性主要表现为以下特征。

4.1 北天山（逆断型、走滑型、主余型）

北天山地震破裂以逆断型和走滑型为主，地震序列以主余型为主，其次为孤立型和多震型。北天山和准噶尔盆地南缘一带上地慢岩石圈物质的P波速度较高，结构稳定，相应位置下地壳的P波速度也很高，在地壳的中部形成速度变化较快的梯度层（胥颐等，1995）。从而易形成高角度逆冲型地震，在1906年12月23日该区域曾发生过玛纳斯7.7级地震，其内部的高角度逆冲断裂的构造变形和孕震模型如图9所示（杨晓平等，2002），地震造成的位移量沿高角度断裂带向地表传递，山前的薄皮推覆构造发震模型较为复杂，此类构造地震孕育一般位于推覆构造的根部断裂上，但根部断裂第四纪以来的活动性趋于微弱，错动量往往沿低角度的滑脱面向前传递，在推覆构造前缘新生的逆断裂背斜上发生地表破裂（邓起东等，2000）。

4.2 中天山（逆断型、孤立型）

中天山地震破裂以逆断型为主，地震序列以孤立型为主。中天山历史上发生过多次强震，包括1716年准噶尔7.5级地震、2003年12月1日昭苏6.1级地震、2012年6月30日伊犁6.6级地震。中天山与准噶尔盆地之间的低速区域深度较大可达莫霍面顶部，在库车坳陷和中天山隆起带之间，上地幔顶部70—150km的深度范围内速度值较低，形成库车坳陷向北插入天山下部的趋势。这两个地区的壳内地震大都发生在上地壳低速带与下地壳高速区之间的梯度带附近，在地表则位于山前的断裂挤压带，深度约20—30km（胥颐等，1995）。

4.3 南天山东段（逆断型、孤立型）

天山东部（石河子－库车以东的地区）地震破裂以逆断型为主，现代5级左右的中等地震几乎都为孤立型，这些地震多分布在扩展断裂的端部，低破裂强度的地区。2009年3月24日该区发生和硕4.2级地震后，地震活动水平不高。

4.4 南天山西段（逆断型、走滑型、主余型）

南天山西段地震破裂以逆断型和走滑型为主，断裂带地震活动频度高、强度大、周期短，尽管分布有许多主余型，但震群型地震活动在该区最为突出，如1955年4月15日乌恰西7.0级双震、1961年巴楚西6级强震群、1997—1998年伽师6级强震群和2008年10月乌恰6级强震群等。其中伽师强震群发生在塔里木盆地西北缘与天山接壤的边缘部位，该区地壳向西南急剧下倾插入西昆仑山下，伽师地区正处于地壳厚度急剧变化的地带（刘志等，2003），莫霍面在伽师下方一定的区域范围之内形成一个明显的、局部性的上地幔隆起，其壳内速度结构也存在着强烈的非均匀性（图10）。

形成这种复杂构造格局的主要力源来自印度板块向北的推挤作用，致使在伽师及其邻区形成了复杂的构造运动和特殊的受力环境（王琪，2000；高国英等，2005），这些因素为该区强震群的孕育或发生提供了动力来源。由于伽师震区处在构造活动强烈的环境之中，其抗剪能力较弱的震源体介质不易积聚较强的应力而发生强度更大的地震（杨卓欣等，2002），从而决定了伽师地区独特的发震特点。另外该构造带由多条次级新生断层组成，呈斜列或共轭展布，共轭构造活动可能是伽师强震群频繁发生的一个重要因素（赵金仁等，2002）。

通过地震序列和强震震源机制研究表明，天山地区几大构造区域具有较明显的地震类型分区特征。就天山全区而言，地震断层基本为逆断走滑型，地震序列以主-余震型为主，这与天山所处的大地构造区位、活动块体以及主要活动断裂的动力学、运动学以及几何学特征相一致。在这种大背景下，不同构造单元还存在受区域构造、介质、深部环境及应力场控制的特殊地震类型，同时显示出在不同力源作用下的相对独立的孕震过程与该区地震活动性是有关联的。

致谢：感谢审稿人提出的宝贵意见。

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Earthquake Rupture Modes and Sequence Types in the Tianshan Tectonic Division

Yin Na1), Li Yingzhen1)and Zhang Bo2)

1) Institute of Disaster Prevention, Langfang 065201, China 2) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China

Tianshan Mountains, as the great neo-tectonic movement and intensive seismic activity in intraplate orogenic belt, has been paid close attention by the foreign and chinese seismologists. From the point of view from stress field and tectonic movement in the Tianshan area, we studied the characteristics of earthquake rupture modes and sequence types in the Tianshan tectonic division. The results show that for the whole area of the Tianshan Mountains, the rupture is dominant by thrust and strike slip, and the sequence is characterized by mainshock and aftershock. Through the comparison of earthquake to seismo-genetic structure and mechanical properties of seismological parameters, we try to reveal the influence of tectonic belt internal differences on occurrence of strong earthquake motion. Our results are significant to provide basic research support for prediction research and earthquake activity in the Tianshan area.

Focal mechanism; Seismic sequence; Tianshan; Tectonic belt

[1] 基金项目 中央高校基本科研业务费专项基金（ZY20140201）、新疆维吾尔自治区自然科学基金课题（2011211A105）和科技部国际合作专项（2012DFR20440K02）联合资助

［收稿日期］2015-06-23

［作者简介］殷娜，女，生于1985年。讲师。主要从事地震预测和地震活动性方面的教学和研究。E-mail：yinnaeq@qq.com

［通讯作者］李莹甄，女，生于1966年。副教授。主要从事自然灾害、地震预测方面的教学和研究工作。E-mail：liyinzheneq @qq.com

殷娜，李莹甄，张博，2016．天山各构造分区地震破裂方式和地震序列类型的研究．震灾防御技术，11（1）：22—34．

doi：10.11899/zzfy20160103