基金项目:青海省地震科学基金(2006-98-A05)、中国地震台网中心(120302-0957-03)、中国地震局地震科学联合基金(104001)资助.
(1.青海省地震局,西宁 810001; 2.新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011; 3.中国地震局地震预测研究所,北京 100036; 4.中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地,兰州 730000; 5.宁夏回族自治区地震局,银川 750001)
(1.Earthquake Administration of Qinghai Province,Xining 810001,China)(2.Earthquake Administration of Xinjang Weiwuer Autonomous Region,Urumq 830011,China)(3.Institute of Earthquake Science,CEA,Beijing 100036,China)(4.Lanzhou Base of Institute of Earthquake Science,CEA,Lanzhou 730000,China)(5.Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region,Yinchuan 750001,China)
Body wave of long period; inversion of seismic moment tensor; reliability analysis; Xinjiang Jiashi
备注
基金项目:青海省地震科学基金(2006-98-A05)、中国地震台网中心(120302-0957-03)、中国地震局地震科学联合基金(104001)资助.
选用了喀什和乌什两个数字地震台站所记录的数字波形资料,对2003年2月24日新疆伽师6.8级强震及其前后发生的一系列中小地震(2001~2004年发生的108个地震)的矩张量解进行了反演,计算出了其中67个地震的震源机制解,与哈佛大学及USGS给出的结果较一致。对结果分析发现:强震发生之前,中小地震分布比较分散,强震发生之后地震分布主要集中在主震的周围; 中小地震地震断层性质在强震发生之前以走滑和正断层为主,在强震发生之后以走滑和逆断层为主; 强震之后该区域主要仍受着南面块体的近南北向水平挤压。
M6.8 strong earthquake took place in Xinjiang Jiashi on February 24 of 2003.The digital wave form data recorded in Kashi and Wushi stations are selected to inverse the moment tensor solutions for the strong earthquake and the mid-small earthquakes before and after the event(108 earthquakes in 2001-2004).67 focal mechanism solutions have been calculated,which is agreed with the ones of Harvard University and USGS.The analysis discovers that before the strong earthquake,the mid-small earthquake distribution is disperse,and after the event the distribution of the earthquakes mainly concentrated around the main shock.Before the strong earthquake the property of the mid-small seismic fault takes strike-slip and normal fault and after the event it takes strike-slip and thrust fault.After the strong earthquake this region is mainly squeezed by near NS horizontal force from the southern block.
引言
伽师强震群北部和西部地区是新疆中强震高发区。据记载,1900~1996年震区及周围地区共发生256次5级以上的中强地震,其频度之高,强度之大都是十分罕见的。1997年1月21日09时47分和48分,位于塔里木盆地西部的新疆伽师县境内连续发生6.0、6.2级两次强烈地震。在随后不到3个月的时间内,又在同一区域内接连发生了5次6级地震,这就是令人瞩目的1997年伽师震群。在这个区域经过一年多的平静后,又于1998年8月接连发生了2次6级地震,4年之后的2003年2月24日在这一地区再次发生了6.8级地震。从1997年1月至2003年2月的6年时间内,在这一地区方圆40 km范围内共发生10次6级强烈地震。
这一特殊现象引起了学者们的广泛关注,吕桂林等(1997)对新疆南天山环境应力场特征进行了研究; 周仕勇等(2000,2001a,2001b,2006)对伽师强震群的生成机理及震源特征等方面作了深入研究; 赵翠萍等(2001)、刁桂苓等(2005)、高国英等(2001)、屠泓为等(2006a,2006b)对伽师震源区的应力场变化特征进行了分析; 赵俊猛等(2006)研究认为伽师震群有着特殊的深部构造背景; 杨卓欣等(2006)运用穿过伽师强震群的深地震反射剖面研究了该区从地表直至莫霍界面的地壳精细结构,认为存在于上地壳上部的两条高仰角的浅部断层可能对应于地质推测的麦盖提—下苏洪断裂带,并与其下方的地壳深断裂构成了伽师强震群可能的深、浅构造关系; 乔学军等人(2006)对伽师强震群通过InSAR观测研究认为该区域及地壳形变主要受到东西向和北东东向断层的影响。
对于十几千米以下岩层的变化情况是很难直接观测到的,我们只有通过地面状况及地震波来进行推测。对于地震错断性质的分析,震源机制解无疑为比较理想的分析方式。震源机制解(断层面解)是研究构造运动的主要手段,利用地震矩张量解容易求得震源机制解,而全面系统的获得全球各个地区的震源机制解,无疑对研究各个地区直至全球的构造运动起重要作用(郑秀芬等,1997)。震源机制解可以利用P波初动或通过体波及面波波型反演矩张量等方法得到。
Dreger和Helmberger(1993)提出了在时间域利用区域Pnl波进行地震矩张量反演的方法。2002年Dreger又对这种方法进行了改进,他使用Saikia(1994)改进的离散波数积分法计算理论地震图。笔者采用该方法,选用了震区附近的喀什和乌什两个数字地震台站所记录的数字波形资料,反演了2003年2月24日新疆伽师6.8级地震及其前后的系列中小地震的矩张量解,并将结果与哈佛大学及USGS给出的结果进行了比较。
1 反演原理概述
Gilbert在1970年首先提出了地震矩张量的概念,定义矩张量为等效力的一阶矩。由于在一级近似下,矩张量能够定量的描述震源性质和规模,比较客观的描述最一般性质点源的等效力,而且震源的矩张量可以直接从地震记录中获得,不必事先对震源做先验假定,这些优点使得矩张量反演迅速成为震源研究的重要方法。
根据地震震源的表示原理,可将弹性动力学方程的解用广义Green函数积分表示:
Ui(r,t)=∫∞-∞dt'VGij(r,t; r',t')fi(r',t')dV'.(1)
式中,Ui(r,t)是t时刻r处的位移在i方向的分量; Gij(r,t; r',t')是反应了介质传播效应的Green函数,它表示t'时刻作用于r'处j方向的单位脉冲力在r处、t时刻产生的位移在i方向的分量; fi(r',t')是物理上真实的体力和等效力的总和,V(r')是震源体积。上式服从哑指标求和约定。
根据变换震源可以被简单化表示为空间点源和时间点源:
Un(x,t)=Mij·Gni,j(x,z,t).(2)
式中Un表示第n个质点的位移分量,Gni,j表示传播效应的格林函数的分量,Mij是常数,描述了矢量偶极力的强度。双力偶表示的矩张量可以用三种基本的断层来划分,即走滑断层、倾滑断层以及倾角为45°的断层。
VR表示观测波形和理论波形的拟合程度,由以下方程式计算: VR[%]=100×∑iwi(∫(si(t)-oi(t)2)dt)/(∫o2i(t)dt).(3)
式中si(t)和oi(t)分别表示理论波形和观测波形,i表示第i个台站,wi表示台站的综合和权重,与震中距成反比列。根据拟合程度可以将反演结果划分为5个等级:0、1、2、3、4级,其中0级最差,4级最好。一般来说,我们选取的反演结果拟合程度要大于3级。
地层速度模型参照赵金仁、张先康等(2002)于1998年由国家科技部、中国地震局联合主持下,在塔里木西北缘地区分别沿塔石库尔干—伽师—阿合奇方向和麦盖堤—阿图什—托运方向做出的地壳深部构造背景的研究结果。
由于Green函数受震源深度的影响很大,故在反演过程中通过计算多个不同深度的Green函数,比较其理论波形与观测波形拟合的好坏来确定最为合理的矩张量解。
2 计算结果
通过程序运算,本文对伽师地区2001~2004年间的108个地震作矩张量反演,根据上述规定,共比较好的计算出了其中67个地震的震源机制解(表1)。
3 反演结果的可靠性分析
世界上有很多研究机构对地震矩张量进行反演研究,其中哈佛大学、USGS等被公认为最权威的研究机构,他们对全球绝大部分MW≥4.8地震矩张量作了反演。
为了分析本文矩张量反演结果的可靠性,我们选取了哈佛大学在该地区和时间段内也做出结果的6个地震进行了对比,发现本文的结果和哈佛大学的比较相近,尤其是断层走向和震源应力场的P,T轴方面。研究表明本文的反演结果是比较可信的(表2,图1)。哈佛大学主要运用的是地幔波资料作结果(高原等,1997); 而本文运用的是长周期体波资料作出的结果,所以有一定程度的差别,但总体上是比较一致的,表明了我们的结果还是相对可靠的。
注:表中方位、仰角、滑动角、走向均为“°”; 深度为“km”。
注:表中方位、仰角、滑动角、走向均为“°”; 深度为“km”。
4 地震类型分析及应力场变化研究
用本文的计算结果,可以做断层性质及应力场变化等方面分析。图2为本文做出的的震源机制解结果,研究分析图2,可以发现在2003年2月24日MS6.8地震之前(图2a),中小地震比较分散,地震性质以走滑为主,其中有8次以走滑性质为主(有4次在图框外面),2次以正断层性质为主,1次以逆断层性质为主。当强震发生之后(图2b),余震都较为集中的分布在主震周围,地震以走滑和逆冲性质为主,其中以逆冲性质为主的18次,以走滑性质为主的39次,正断层性质为主的3次。通过统计和研究表明,在强震前地震序列的断层性质以走滑为主,强震后的地震断层性质的趋势是以走滑及逆冲为主的。
图3 2001~2004年伽师震区MS≥3.5地震
断层面及应力轴玫瑰图 图3a、b及c、d分别为两组可能断层的走向和倾角,对其分析认为:两组可能的断层面主要为北东向和北西向,其倾角都比较大,各平均为67°左右。图3e、f分别为P轴的方位角和仰角,图3g、h分别为T轴的方位角和仰角。分析得出:主压应力以北北西向为主,平均353°; 主张应力方向以北东东向为主,平均260°; 主压应力轴的倾角小于45°的有59个,平均7.3°; 大于45°的有8个,平均66.4°; 主张应力轴的仰角小于45°的有44个,平均14.6°; 大于45°的有23个,平均68°。
根据前人研究的成果(周仕勇等2000,2001a,2001b,2006; 赵翠萍等,2001; 刁桂苓等,2005; 高国英等,2005),可知该区域的背景应力场也是主压应力方向为近南北向,主张应力场方向为近东西向。表明了本文的结论是可信的。
统计表明,2001~2004年伽师地区MS≥3.5地震走滑型占65.7%,倾滑型占34.3%,正断层占11.9%,逆断层占34.3%,走滑断层占53.8%。
图4 2003年伽师6.8级强震前后应力场变化玫瑰图(a)P轴方位角;(b)P轴仰角;(c)T轴仰角; (d)T轴方位角;(e)P轴方位角;(f)P轴仰角; (g)T轴仰角;(h)T轴方位角。其中:a、b、c、d为强震前的玫瑰图; e、f、g、h为强震后的玫瑰图
由图4可以看出,在6.8级强震发生之前P轴(图4a)平均方位角为230°,其仰角变化也较大(图4b); T轴(图4c)平均方位角为350°,但其仰角比较小并较稳定(图4d); P轴的方位角主要为北偏东,T轴的方位角比较紊乱,主要为北偏西向。而强震之后P轴的方位角为171°(图4e),仰角较小并比较稳定(图4f); T轴的方位角为256°(图4g),而其仰角有一定的变化(图4h),但仍以小角度为主。对比之下震后应力场的P、T轴几乎与震前互换了方向,这是一个很值得关注的现象。
5 结论与讨论
(1)通过与哈佛大学的反演结果对比,表明本文的反演结果是相对可靠的。
(2)对强震前后的中小地震分布的观察和分析,表明在强震发生之前,中小地震分布比较分散,在强震发生之后地震分布主要集中在主震的周围。
(3)根据反演出的67个MS≥3.5地震矩张量解的计算和分析,中小地震断层性质在强震发生之前以走滑和正断层为主,在强震发生之后以走滑和逆断层为主。这印证了刁桂苓等(2005)提出的伽师区域应力变化的结论。在强震发生之前,应力场及断层破裂走向成紊乱状态,这可能是在强震临界状态之前由于小区域构造和岩性的不均匀造成不规则小破裂。
(4)在强震之后P轴、T轴的仰角都近于水平,主压应力轴P的平均方位角表明该区域主要仍受着南面块体的近南北向水平挤压。
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