2020年1月19日新疆伽师M6.4地震的重定位及震源机制

郭 志 高 星 路 珍

1)中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室，新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站，北京 100029 2)中国科学院地理科学与资源研究所，资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101 3)中国地震局第二监测中心，西安 710054

0 引言

2020年1月19日21点27分55秒，新疆喀什地区伽师县发生强烈地震，造成1人死亡、2人轻伤，当地部分房屋、输电线路和交通设施受损，震中附近沿途铁路紧急叫停。中国地震台网的观测结果显示，震中位于天山山脉南麓柯坪塔格断裂带西段(39.83°N，77.21°E)，震源深度16km，震级为M6.4。22时23分，在主震震中区域NE侧(39.89°N，77.36°E)发生了M5.2余震。此外，2020年1月18日在伽师M6.4地震震中南侧附近(39.83°N，77.18°E)曾发生M5.4前震(图1)。2020年1月19日伽师地震震中所处的柯坪塔格断裂带位于喀什-阿图什地区、天山山脉南麓与塔里木盆地的交会处。柯坪塔格断裂长约220km，被SN走向的皮羌断裂带分割为东、西2段；柯坪塔格断裂的地震活动性较强，发生于柯坪塔格断裂带的古地震使得冲积扇断裂，并在柯坪塔格山脚下形成多个断层陡坎，使震中区域呈现出复杂的地形地貌，地形相对高差达数km(图1)。喀什-阿图什地区历史上频繁发生中强地震，在与本次地震震中距离250km范围内，过去50a中发生了13次震级达6级的地震，例如1996年阿图什地震、1998年伽师震群和2003年伽师-巴楚地震等。另外，1902年在本次伽师地震西北部曾经发生震级达M7.7的喀什地震。地球物理研究结果显示，由于受到印度板块与欧亚大陆板块碰撞产生的巨大挤压应力远程作用的影响，塔里木岩石圈向天山下方俯冲(Zhaoetal.，2003；Leietal.，2007；Lei，2011；Gaoetal.，2014；Lüetal.，2019)，促使了天山的隆升。喀什-阿图什地区的高地震活动性与塔里木岩石圈向天山下方俯冲引起的地壳应力在该地区的持续累积—释放有关。

图1 2020年1月19日新疆伽师地震序列及附近区域的地质构造Fig.1 Regional tectonic settings and location of epicenters of 19 January 2020 Jiashi，Xinjiang earthquake sequence.黑色虚线为主要断层线(邓起东等，2002)；红色方块表示主要城市，黑色十字表示原始地震序列的空间位置；前震及主震的震源参数来自于本文，M5.2余震的震源参数来自于GCMT

为了深入了解本次伽师地震的发震机制，我们收集了2020年1月1日—5月1日伽师地震序列的地震目录，采用双差定位法对地震序列进行了重定位。此外，还收集了伽师地震序列中M>5.0地震事件的波形资料，采用W震相反演方法获取了伽师地震主震及前震的震源机制解。本文在综合分析地震重定位结果及震源机制解的基础上，对2020年新疆伽师地震的发震机制及构造进行初步探讨。

1 地震序列重定位

1.1 方法与数据

本文采用双差定位法(Waldhauseretal.，2000)对伽师地震序列进行重定位。双差定位法已在地震重定位相关工作中被广泛采用，并取得了不少具有意义的研究成果(张广伟等，2014；韦伟等，2018)。双差定位法是一种相对地震定位方法，通过寻找位置相近的地震事件对的相对位置，使同一个地震台站的实际观测走时与理论走时的残差最小，从而对地震事件进行重定位。由于其利用观测和理论走时的残差作为目标函数，故被称作双差定位法。双差定位法将相邻的2个地震事件组成为1个事件对，当地震事件对与台站距离足够远时，可认为地震事件到台站的射线路径相同，因此双差定位法具有对地壳速度模型误差及震相到时拾取误差不敏感的特性(Waldhauseretal.，2000)。

本研究使用震中距≤300km的13个固定地震台站的震相数据对伽师地震序列进行重新定位。从图2a中可以看出，地震台站的方位分布相对比较均匀，对震中位置形成了较好地包围，为地震序列重定位提供了较好的观测数据。

图2 a 重定位所使用地震台站(黑色三角形)的空间分布及伽师M6.4地震震中(紫色五角星)；b P波及S波的观测走时曲线Fig.2 Distribution of seismic stations used in relocation and epicenter of the Jiashi M6.4 earthquake(a)，and travel time curve of P and S waves(b).

本文使用中国地震台网中心 “地震编目系统”发布的2020年1月1日—5月1日新疆伽师地区的震相观测报告，对具有3个以上台站记录和5个以上震相数的2i604次地震进行了重新定位。下载的震相观测报告包括P波走时资料29i863个、S波走时资料26i293个，平均每次地震具有8个以上震相数据。为了更直观地了解震相观测报告中走时信息的可靠性，我们绘制了P波及S波的震相走时曲线(图2b)。在图2b中，可以清晰地区分出P波和S波震相的走时曲线，且震相走时数据的离散程度也较小，表明本文使用的观测报告中震相走时数据具有较高的可靠性。

为了获取可信的震相走时数据用于重定位，首先对原始数据进行质量控制，在此过程中设置最小连接数(MINLNK)和最小观测数(MINOBS)均为6，地震事件对(MAXSEP)的最大距离为15km，地震事件到地震台站的最大距离(MAXDIST)为200km。经过筛选，最终获得2i008个地震事件用于重定位。在重定位过程中，设置P波和S波的到时权重为1.0和0.5，地震事件对之间的最大距离(WDCT)为8km。

表 1 2020年新疆伽师M6.4地震序列重定位采用的地震波速度模型Table 1 The seismic velocity model used to relocate the 2020 Xinjiang Jiashi M6.4 earthquake sequence

尽管双差定位法具有对地壳速度结构不确定性不敏感的特性，但为了尽可能地消除地壳速度结构不确定性(Michelinietal.，2004)对最终定位结果的影响，综合前人对天山及塔里木地区的地震学研究成果(Gaoetal.，2014)，构建了重定位中所使用的地壳速度结构模型(表1)。

1.2 地震重定位结果

由于本次重定位使用的地震目录涉及时间较长，为了更为深入地了解地震序列的空间分布随时间的演化特征，我们将下载的地震目录划分为前震、主震及余震3个时间段，其范围分别为2020年1月1—18日、1月19—26日和1月27日—5月1日，并在相应的时间段内进行地震序列重定位。图3 给出了重定位后新疆伽师地震序列在不同时间段的空间分布。对比图1 与图3 可发现，重新定位后地震序列的空间分布更为集中、紧密，离散程度减小，线性条带状分布的特征更为明显。图3a显示，1月1—18日柯坪塔格断裂带的地震活动性较低，地震基本上都是1月18日M5.4地震之后的余震，且呈NNW向优势展布。图3b给出了伽师M6.4主震及之后一周内的余震重定位结果，从图中可用看出余震序列呈NWW的优势分布方向和NNW的次级优势方向分布，其中M6.4主震发生在次级NNW向展布区域的南端，而M5.2余震则发生在NWW向展布区域的东南端。图3c给出了1月26日—5月1日重定位后的余震分布，可以看出该时段内的余震空间展布与M6.4主震后一周内的地震序列空间展布较为类似，大部分余震呈NWW向展布，而一部分余震则呈NNW向展布。总体而言，重定位后伽师地震序列沿NWW优势方向和NNW次级优势方向展布于柯坪塔格断裂带北侧附近的区域；其中NNW向与NWW向展布区域的交会处集中了大部分余震，余震分布较为集中，频度及强度均较高，余震的空间优势展布区域与柯坪塔格断裂带平行。1月18日M5.4前震及1月19日M6.4主震发生在NNW次级分支的东南端；随着时间的流逝，前震到主震呈现出从南向北迁移的特征；M6.4主震及M5.2余震呈向NE迁移的特征。

图3 重定位后新疆伽师地震序列不同时间段的空间展布Fig.3 The spatial distribution of relocated earthquake sequence in different time periods.a 2020年1月1—18日地震序列的空间展布；b 2020年1月19—26日地震序列的空间展布；c 2020年1月27日—5月1日地震序列的空间展布

为了详细展示地震序列的震源深度结构特征，我们沿着地震序列的2个优势展布方向截取了震源深度剖面AA′和BB′，其中AA′为沿NWW向展布的震源深度剖面，BB′为沿NNW向展布的震源深度剖面(图3)。从图3 中可用看出，重定位后地震序列的震源深度集中分布于10～20km，这与前人给出的新疆西南地区平均震源深度约为20km(张国民等，2002)的结果比较接近。AA′剖面显示，M5.4前震始于深约18.6km处，然后余震逐渐向地表浅层扩展(图3a)；而M6.4主震始于浅部(16.4km)，余震则逐渐向深部扩展(图3b，c)。余震密集分布区域的下边界显示，沿NWW向优势分布的震源深度呈现从西向东逐渐变浅的趋势。BB′剖面揭示了发震断层倾向的震源分布特征： 伽师地震序列余震密集区域的下边界显示，断层浅部的倾角较为陡峭，近垂直于地面，而深部的倾角略缓，表现为S倾的铲状断层特征(图3c)。

2 前震及主震的震源机制

为了加深对伽师地震发震机制的了解，本文基于新疆、青海、西藏及吉尔吉斯斯坦、阿富汗地震台网记录的区域三分量地震波形数据，采用W震相反演方法获取了2020年1月18日伽师M5.4前震及M6.4主震的震源参数。

2.1 数据和方法

W震相矩张量反演中使用的三分量地震波形数据来自郑秀芬等(2009)、国家测震台网数据备份中心(国家测震台网数据备份中心，2017)和IRIS数据中心。下载数据后，首先对原始数据进行预处理，包括去除仪器响应、去均值、去趋势、带通滤波和旋转三分量数据等，最终得到垂向、径向和切向波形数据。随后截取P波及之后180s时窗长度的数据用于W震相地震矩张量反演。

所谓的W震相是指能量集中于100～1￣￣000s超长周期、在上地幔以4.5～9.0km/s(速度大于S波群速度)速度传播的地震波，因其具有明显的斜坡状波形特征，故被命名为W震相(Kanamori，1993)。W震相集中在上地幔内传播，较少受到地壳浅层结构不均匀性的影响；此外，W震相的传播速度较快，可用来快速获取可靠的震源参数。近年来，W震相反演方法已经在震源机制相关研究中得到了广泛应用，所得结果也与采用其他波形资料获得的结果存在较好的一致性(Kanamorietal.，2008；Duputeletal.，2012；郭志等，2018)。

由于W震相具有长周期特性，我们不能直接在频率域使用地震仪的零极点信息去除原始波形资料中的仪器响应信息，而是需要将地震仪仪器响应的零极点信息转换为在时间域表示的机械地震仪响应二阶微分方程的常系数(Zhuetal.，1996)：

(1)

(2)

其中，Δt表示原始资料采样间隔。

获取地面加速度之后，使用四阶巴特沃斯滤波器对得到的波形进行带通滤波，根据地震震级的大小选择带通滤波器的频段(Duputeletal.，2012)，最后，对滤波之后的加速度v进行2次积分可得到地面位移。通过拟合给定频率范围零极点信息所表示的仪器幅度响应与二阶微分方程(式(1))所表示的仪器幅度响应，可获取可靠的递归滤波器的参数(Kanamorietal.，2008)。对于部分地震台站，有可能无法在要求的频率范围之内找到满足精度需求的递归滤波器参数，在求取递归滤波器参数的过程中直接去除这类台站的波形资料。

(3)

获取观测波形资料与地震矩张量的线性方程组之后，使用雅可比迭代方法求解线性方程，从而获得地震矩。在进行雅可比迭代反演时，首先把组成格林函数的矩阵分解为用对角矩阵D、严格下三角矩阵L和严格上三角矩阵U表示的等式：

(4)

然后，将式(4)带入式(3)，整理可得迭代公式：

(5)

之后，给定1组初始的地震矩张量数值，带入式(5)进行迭代，直到得到满足收敛条件的1组地震矩张量。最后，对得到的矩张量进行换算即可得到地震的震源参数，包括发震断层的走向、倾向、滑动角及标量地震矩。

2.2 2020年1月19日新疆伽师M6.4地震的震源机制解

为了得到可靠的结果，在W震相反演中需要对数据进行多次质量控制。具体反演步骤为： 首先，以哈佛大学全球中心矩张量解给出的震源信息作为参考开展初步反演，反演开始之前先对原始波形数据进行检查，去除波形数据中最大振幅与最小振幅之间存在的过小和过大的反常间隔数据。然后，使用剩下的数据开展3次反演，每次反演之后分别去除波形拟合均方差>5、3和0.6的台站数据，然后再次使用剩余数据进行反演。经过上述数据筛选，共获得26个台站的28个三分量数据用于震源参数的反演。

图4 a 2020年1月19日新疆伽师M6.4地震的矩张量反演结果；b 部分参加反演台站的波形拟合图及台站分布图Fig.4 Centroid moment tensor solution for the M6.4 Xinjiang Jiashi earthquake on 19 January 2020(a) and comparison of the observed waveform and synthetic ones for moment tensor solution(b).图中黑色实线表示观测波形，红色实线表示理论波形，红色圆点表示当前台站，蓝色六角形表示震中位置

图4a 为所得的最优地震矩张量参数及海滩球示意图。结果显示，2020年1月19日新疆伽师M6.4地震的标量地震矩M0=7.78×1017N·m，折合矩震级MW5.87；6个地震矩张量Mxx、Myy、Mzz、Mxy、Myz和Mxz分别为0.170i7×1018N·m、-0.162i4×1018N·m、-0.008i3×1018N·m、0.683i6×1018N·m、0.215i4×1018N·m和-0.344i0×1018N·m；发震断层面的2个节面解分别为： 节面Ⅰ，走向190°、倾角21°、滑动角26°；节面Ⅱ，走向76°、倾角81°、滑动角109°。

图4b 显示了部分参加反演台站的实际观测波形与理论波形图的拟合情况，可以看出实际观测波形与理论波形的拟合情况较好。在波形对比图中，左侧小地图显示了当前台站(红色)及主震(蓝色六角形)的空间位置分布。可以看出，参加反演的大部分台站分布在震中东侧，西侧及南侧分布相对较少。总体而言，可用的地震台站相对震中的方位角覆盖较为均匀，为获取可靠的反演结果提供了坚实的数据基础。

表 2 给出了2020年1月19日新疆伽师M6.4地震之后国外相关机构公开发表的震源参数。从表中可用看出，本研究得到的震源参数与哈佛大学全球矩张量解(GFZ)发布的震源参数比较接近；而美国地质调查局(USGS)与德国地学研究中心(GFZ)的结果比较接近。W震相反演获取的震源参数表明，伽师M6.4地震是一次以逆断为主、兼具少量走滑分量的破裂事件。虽然各机构给出的伽师M6.4地震的震源深度结果存在一定差异(12～19km)，但总体均表明伽师M6.4地震发生于中下地壳内，该结果与重定位之后伽师M6.4地震序列的优势震源深度分布比较接近。

各机构发布的震源参数存在差异可能与反演方法及使用的数据有关。例如，尽管本研究与USGS都采用W震相反演方法(Hayesetal.，2009)，但本研究主要使用国内地震台站记录的区域波形资料，而USGS主要使用中远场波形资料，导致反演结果出现一定差异。GCMT(Ekströmetal.，2012)与GFZ主要使用长周期体波及面波资料进行反演，但理论地震图的合成方法及反演参数不同，因此反演结果也不尽相同。虽然我们的结果与外国机构发布的结果有一些不同，但与国外机构的结果相比，我们在反演中主要使用了国内地震台网记录的区域波形资料，且可用资料的方位角覆盖也相对较均匀，因此可以确定本文得到的结果具有更高的可信度。此外，震源的复杂性也可能导致反演的震源参数出现差异，伽师M6.4地震的震源是否具有复杂性及其对反演结果的影响还需要进一步深入研究。表2

表 2 国外相关机构公开发布的伽师M6.4地震的震源机制参数Table 2 Focal mechanism parameters of Jiashi M6.4 earthquake published by foreign institutions

2.3 M5.4前震的震源机制

除M6.4主震外，我们还下载了2020年1月18日M5.4前震及1月19日M5.2余震的波形数据开展W震相反演。经过筛选，由于M5.2余震没有足够数据可用于反演，故未能获得其震源参数。我们采用与主震类似的方法对M5.4前震进行反演，结果显示其标量地震矩M0=8.71×1016N·m，折合矩震级MW5.23；6个地震矩张量Mxx、Myy、Mzz、Mxy、Myz和Mxz分别为0.045i2×1017N·m、0.254i6×1017N·m、-0.299i8×1017N·m、0.111i6×1017N·m、-0.300i7×1017N·m 和-0.760i4×1017N·m；发震断层的节面解为： 节面Ⅰ，走向171°、倾角86°、滑动角21°；节面Ⅱ，走向79°、倾角69°、滑动角175°。震源参数揭示2020年1月18日新疆伽师M5.4前震是以走滑为主、兼具少量逆断分量的破裂事件；前震的震源特性与主震以逆断为主、兼具少量走滑分量的特征存在明显差异。

3 讨论与结论

本研究采用双差定位方法，基于新疆固定及临时台站提供的具有相对较好方位角覆盖的震相走时资料，获取了2020年新疆伽师地震序列分时段的重定位结果。重定位之后，地震的空间分布更加清晰地显示出伽师地震序列主要沿NWW和次级NNW 2个优势分布方向展布，总体分支与次级分支近垂直共轭。前震及主震位于NNW向长约8km的次级分支南端；以前震震中为起点，主震相对前震向NW少量偏移；随后余震继续向N及向E扩展，呈现以NWW向为主、长约34km的条带状分布。另外，通过图3 还可以看出，大部分余震集中分布于NWW向主分支与NNW向次级分支交会的区域，这可能表明该区域在主震发生时地震破裂滑动位移较小，原始积累的应力没有得到充分释放，震后受到主震破裂引起的应力变化影响而以余震的方式被逐步释放。与本次伽师地震序列类似的共轭分布特征在国内最近几年的中强震中偶尔可以观测到，如2014年云南鲁甸M6.5强震(张广伟等，2014)等，且通常共轭型地震会造成更严重的震灾。一般而言，地震序列的共轭分布受断层控制，特别是一些规模不大的隐伏断层，因此加强针对隐伏断层的探测在未来的防震减灾工作中具有重要作用。

采用W震相方法分析区域波形资料所获取的强震及主震的震源机制解表明，伽师地震序列的前震是以走滑为主、兼具少量逆断分量的破裂事件，而主震则以逆断为主、兼具少量走滑分量。为了更好地进行对比，我们从GCMT获取了M5.2余震的震源参数： 节面Ⅰ，走向268°、倾角22°、滑动角95°；节面Ⅱ，走向84°、倾角68°、滑动角88°。该余震的震源机制参数表明其以逆断为主。综合分析前震、主震、余震及地震序列的空间展布特征，推测伽师M6.4地震的发震断层面为近EW走向的柯坪塔格断裂带的西段。

地震序列的震源深度分布结果揭示，震源优势分布于10～20km深度范围内，10km以浅及20km以深处发生的余震相对较少，其中前震的震源深度约为18.6km，主震的震源深度约为16.4km，地震序列总体呈向深部扩展的趋势。地壳通常可以分为上地壳及下地壳2层。上地壳一般为脆性，为孕震层；随着温度和压力的增加，下地壳的岩石发生从脆性到塑性的转变，地震活动性急剧减弱。余震的震源深度分布特征显示，20km以浅为地震集中发生的区域，而20km以深地震急剧减少，故推测柯坪塔格断裂带上、下地壳的分界面深约20km。此外，20km以深发生的极少数地震也表明，柯坪塔格断裂带下地壳并非完全为塑性，而是保持有一定强度，因此可发生脆性破裂，引发地震。

致谢震相走时数据来自 “地震编目系统”正式观测报告，地震波形数据来自中国地震局地球物理研究所国家测震台数据备份中心和IRIS数据中心；W震相反演软件包来自于法国斯特拉斯堡大学；文中图件使用GMT(Wesseletal.，1991)及Matplotlib(Hunter，2007)软件包绘制。在此一并表示感谢!