2016年12月8日呼图壁M6.2地震发生在北天山前陆盆地的褶皱逆断层带上,其发震构造对于理解天山构造带变形模式至关重要。由于受到近场观测资料较少及发震构造复杂性的限制(Lu et al,2018; Yang et al,2019),尽管地震发生已超过3年,对于此次地震的发震断层仍存在争议,存在断层面为向南倾斜的低角度逆冲断层和向北倾斜的高角度反冲断层两种认识(Liu et al,2017; Lu et al,2018; Wang et al,2019; 刘建明等,2018; 徐志国等,2019; 杨文等,2018)。

地震的发生会引起断层附近应力场扰动,表现为形变观测资料的同震变化(Nykolaishen et al,2015; Vigny et al,2005)。钻孔应变观测记录到丰富的同震形变信息,为研究同震应力应变阶跃的张、压性特征提供基础资料(Asai et al,2005; Gladwin et al,1994; Johnston et al,2006; Qiu et al,2013)。邱泽华和石耀霖(2003)基于昌平台钻孔四分量应变观测资料,分析了2次张北地震引起的同震应变阶跃,并估算相应的应力阶跃; Barbour 等(2015)利用板块边界计划在南加州地区9个钻孔应变观测点资料,分析不同震级、不同震中距的地震所引起的同震阶变特征; 基于北天山地区的钻孔应变观测资料,Gong 等(2019)分析呼图壁M6.2地震的同震应变特征及其对北天山地区构造变形模式的指示。上述研究丰富了人们对同震应变阶跃张、压性特征的认识,同时也为研究发震断层的几何特征提供了重要约束。

本文利用北天山地区新建的4个钻孔应变观测台资料,分析呼图壁M6.2地震同震应变阶跃的张、压性特征; 结合余震精定位方法等给出的震源参数,基于弹性位错理论(Okada,1985),模拟不同震源参数下地震发生所引起的同震应力应变场变化。通过对钻孔应变张、压性的模拟值与实测值进行对比分析,研究呼图壁M6.2地震的发震断层。

作为亚洲大陆内部最大的造山带之一,天山构造带由多期板块俯冲和碰撞作用形成(Charvet et al,2011; Xiao et al,2004; 陈科等,2014)。新生代以来,受欧亚板块与印度板块持续碰撞的影响,天山构造带经历了强烈的缩短和隆升作用(Allen et al,1999; Molnar,Tapponnier,1975)。深地震反射剖面揭示北天山山前地壳的薄皮构造特征,表现为由南向北依次发育有齐古逆断裂-褶皱带、霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁活动逆断裂-褶皱带和独山子—哈拉安德—安集海活动逆断裂-褶皱带(Gong et al,2019; 杨晓平等,2012; 张培震等,1994)。这些逆断裂-褶皱带第四纪以来具有强烈的活动性,控制着区域内频繁的中强地震活动(Avouac et al,1993; Wang et al,2004)。

2016年呼图壁M6.2地震发生在天山前陆盆地的褶皱逆断裂带上,该区域吸收约50%印度板块与欧亚板块碰撞的缩短量(Yang et al,2019; Yin et al,1998; Zubovich et al,2010)。人工地震反射剖面认为,呼图壁M6.2地震的发震断层可能与霍尔果斯—玛纳斯—呼图壁断裂相关(Lu et al,2018),主震的发震断层倾向南(杨文等,2018); 而余震精定位结果显示,该地震可能为齐古背斜以南隐伏逆冲断坡的1条北倾的反冲断层,与1906年玛纳斯地震主滑动面呈“y”型分布(Lu et al,2018),是天山向准噶尔盆地扩展的应力作用下发生的1次“褶皱型”地震(刘建明等,2018)。

三十多年的发展和实践证明,RZB型四分量钻孔应变仪实现了观测自洽,观测数据质量精度较高,精度达10^-10,能够精确记录到地震导致的动、静态应变(欧阳祖熙等,2004; 邱泽华,石耀霖,2003)。为更好地监测北天山地区现今地壳运动特征,自2015年开始,中国地震局地壳应力研究所陆续在北天山地区布设11个RZB型四分量钻孔应变观测台站(图1),获得丰富的连续观测资料(高丽娟等,2018),为研究钻孔同震应变阶跃特征及其与强震的关系提供基础资料。

图1 北天山地区地质构造背景与钻孔应变观测台站分布
Fig.1 Tectonic setting and distribution of the borehole strainmeter observations in the North Tianshan Mountain

本文选取呼图壁地震震中附近的呼图壁、石场、巴伦、榆树沟4个观测台站(石梯子观测台站于2017年正式运行,故未选取),分析钻孔同震应变阶跃的张、压性特征。4台应变仪全部安装在基岩中,深度为35～157 m,分布在准噶尔南缘逆断裂、博罗科努走滑断裂和博格达北缘逆断裂。笔者根据四分量钻孔应变观测的自洽原理(Qiu et al,2013; 唐磊,吕品姬,2015),分析观测数据的可信度,再利用四分量钻孔应变观测的实地相对标定方法进行校正(邱泽华等,2005),获得4个观测台站记录的2组面应变曲线和4个分量记录的呼图壁M6.2地震的同震应变阶跃观测曲线(图2)。

从图2可以看出,4个观测台站的两组面应变曲线几乎重合,说明观测点的仪器自检性能较好,符合观测原理。从原始分量应变数据记录的同震应变阶跃来看,4个观测台站均能记录到同震应变阶跃,可识别出同震阶跃的张、压性变化。其中,对于张、压性的判定,以呼图壁台分量1为例,定义同震应变变化Δε>0时为张性。呼图壁、石场、巴伦台记录的同震应变阶跃较为明显,张、压性变化最大值分别达2.5×10^-8和-3.4×10^-8。各观测台站同震应变阶跃特征具体见表1。

图2 4个观测台站四分量钻孔应变阶跃观测曲线
Fig.2 Observation curves of the step of four-component borehole strainmeters at four observation stations

表1 4个观测台站钻孔应变观测的同震应变阶跃特征
Tab.1 Coseismic strain step characteristics observed by borehole strainmeter at four observation stations

本文基于北天山地区的钻孔应变观测资料,分析2016年呼图壁M6.2地震的同震应变阶跃的张、压性特征; 基于弹性位错理论,分析3组震源参数下的应力应变场特征; 通过与实际观测资料所反映的同震应变阶跃的张、压性特征的对比分析,给出呼图壁M6.2地震的可能发震断层。研究结果表明:

(1)震中附近4个四分量钻孔应变观测台站2组面应变相关性高、数据自检性能较好,且均记录到地震的同震应变阶跃。其中,呼图壁、石场、巴伦台记录到的应变阶跃较为明显,应变阶跃的张、压性变化最大值分别达2.5×10^-8和-3.4×10^-8。

(2)应力场模拟结果表明,在地震震源参数为293°/64°/90°(走向/倾角/滑动角)、发震断层面倾向北时,同震主应力场控制下的应变阶跃的张、压性与钻孔应变实际观测资料所反映的同震应变阶跃的张、压性具有较高的吻合度,呼图壁地震的发震断层极有可能是准噶尔盆地南缘附近的一条断层面倾向北的高角度逆冲型盲断层。该结果为认识呼图壁M6.2地震的发震构造以及北天山山前地区新生代构造变形模式提供理论依据。

中国地震局地质研究所鲁人齐研究员提供地质构造模型,所有图件使用GMT绘制(Wessel et al,2013),在此一并表示感谢。