Strong ground motion simulation for the 2014 MW6.1 Ludian，Yunnan earthquake
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摘要:
基于震源运动学模型，采用宽频带混合模拟方法，对2014年鲁甸MW6.1地震开展了考虑复杂震源破裂过程的地震动模拟，将代表性场点的模拟结果与实际观测的强震记录进行对比，分析了不同震源模型对场点强地面运动特征影响的差异。结果表明：就震源尺度有限的中等地震而言，地震矩相近的不同震源破裂模型对震中距稍远场点的地震动影响差异相对较小，而对近震源区场点的地震动特征影响差异则较为明显。此外，不同震源模型模拟的地震动参数空间分布结果显示，不同震源模型对地震动的空间分布形态具有显著影响。
Abstract:Based on the intensity and aftershock distribution, researchers unanimously agree that the rupture of the 2014 MW6.1 Ludian, Yunnan earthquake exhibits a certain degree of complexity. Zhang et al （2015） used broadband strong motion records within a 250 km range from the epicenter, along with full waveform data of near-field and far-field broadband body wave data, to invert the rupture process of the Ludian MW6.1 earthquake base on both a single fault model and two intersecting conjugate fault models. Their results indicate that the Ludian MW6.1 earthquake was a complex seismic event, characterized by the successive rupture of two conjugate faults in the northwest and northeast directions. Significant progress has been made in studying the characteristics of strong ground motion related to the Ludian earthquake and associated issues. The existing conclusions about the distribution of seismic parameters in affected region are directly inferred or indirectly synthesized from existing data, yet the seismic characteristics caused by complex seismic source ruptures have not been considered.
To investigate the influence of different rupture process models on ground motion simulation of the MW6.1 Ludian earthquake, a hybrid broadband ground motion simulation method known as the GP method （Graves, Pitraka, 2010） was applied to synthesize acceleration, velocity waveforms, and acceleration response spectra in the near-field area based on kinematic source models. The source models used for comparison in this study are derived from Zhang et al （2015）, which includes two single fault rupture models and one intersecting conjugate fault model. The study adopted the crustal velocity structure model of the Yunnan region to calculate the Green’s function.
The GP method combines a deterministic approach in the low-frequency range （ f＜1 Hz） with a semi-stochastic approach in the high-frequency range （ f ＞1 Hz）. For f＜1 Hz, this methodology allows for a theoretically rigorous representation of fault rupture and wave propagation effects, to generate ground motion waveforms and amplitudes. In contrast, high-frequency （ f ＞1 Hz） ground motions are modeled through random source radiation, simplified theoretical wave propagation, and scattering effects.Simulation results for representative sites were compared with observed strong motion recordings, and the impacts of three different source rupture models on strong ground motions were analyzed. The results demonstrate that for moderate earthquakes with limited fault dimensions, differences in strong ground motion characoncernedcteristics among different source rupture models with similar seismic moments are not pronounced in far fields but are distinct in near-fields. Additionally, the distributions of intensity measurements of ground motions are provided, and it is found that the simulation results based on the conjugate fault model are more consistent with the field-surveyed macroseismic intensity of MW6.1 Ludian earthquake, Yunnan in 2014. This indicates that the source rupture model plays a crucial role in the spatial distribution pattern of strong ground motions and their characteristics. Therefore, elaborate source rupture models are of great value for reasonably estimating the peak ground acceleration, peak ground velocity, frequency spectrum, duration, and time history of seismic motion in the near-source area, as well as assessing seismic hazard in area.
This article reveals the influence of complex focal rupture processes on the characteristics and spatial distribution of strong ground motion.
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引言
据中国地震台网测定，北京时间2023年1月30日7时49分39秒，新疆阿克苏地区沙雅县发生MS6.1地震，震中（40.01°N，82.29°E）位于塔里木盆地北部（图1），该地震打破了震中100 km范围内无MS6.0以上地震的记录，距离最近的强震为2012年3月9日6时50分9秒新疆和田地区洛浦县MS6.0地震（39.40°N，81.20°E），且两次地震震中相距约115 km，均属于孤立型地震，震后无显著余震活动。沙雅和洛浦地震均位于塔里木盆地内部，地震活动性资料显示该区域M6.0以上强震十分稀少，为此对于沙雅和洛浦地震震源机制、发震构造和震源区的应力特征，以及这两次地震异同等，都是值得关注的问题。
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图 1 2023年沙雅MS6.1地震和2012年洛浦MS6.0地震震中、本文矩张量结果及其震中周缘M≥6.0地震分布Figure 1. Epicenters of the 2023 MS6.1 Shaya earthquake and the 2012 MS6.0 Luopu earthquake，this paper results and the distribution of M≥6.0 earthquakes在地质构造上，沙雅和洛浦地震均发生在巴楚隆起—阿瓦提凹陷构造带。震中所在的塔里木盆地为典型的稳定克拉通盆地（瞿辰等，2013；曹厚臻等，2019），自形成以来其背景热流不断降低，呈现长期冷却加厚的热演化模式，平均莫霍面深度和温度分别约为50 km和550 ℃。由于印度板块与欧亚板块陆-陆碰撞的远程效应（李涛，王宗秀，2005；Zhao et al，2008；周铭，2014），新生代以来塔里木克拉通地块长期作北西向相对运动，由于受到南天山构造带的阻挡，该地块深部产生了俯冲作用使得该区域的岩石圈发生拆离解耦，从而形成了塔里木盆地北部以NW向断层为主的横向区域构造，并主要呈现为右行走滑及挤压逆冲运动的特征，其中隆起区和凹陷区两侧下切至地壳的深大断裂较为发育（邵学钟，张家茹，1994；孟庆强等，2011），最深可达50—60 km。巴楚隆起和阿瓦提凹陷之间的分界阿恰—吐木休克—巴东断裂带可能为规模较大的深大断裂（刘志宏等，2001；周慧等，2021），整体呈现为北西方向展开且向南东方向收敛的扇状构造，其中吐木休克断裂属于塔里木盆地一级断裂。作为巴楚断裂构造系的一部分，该断裂可能至少已经到达深约40—50 km的莫霍面，且为复合性构造，其EW向的北段为右行走滑，NW向的南段为南倾逆冲特征，倾角下缓上陡，使得巴楚隆起逆冲断块上盘向阿瓦提凹陷下盘逆冲运动；喀拉玉尔滚断裂和库车河断裂带均具有显著的右行走滑性质，且剖面呈正花状构造。巴楚—阿瓦提逆冲体系属于塔里木盆地内部特殊的局部构造，由印度板块向欧亚板块俯冲所致（何文渊等，2000）。在巴楚隆起—阿瓦提凹陷带区域，中地壳和下地壳之间可能存在大范围的滑脱构造（Song et al，2021），其平均深度约为30 km，在岩石圈对中地壳拆离解耦作用下，塔里木北部约85%的地震发生在20—30 km深度范围的中地壳内（李涛，王宗秀，2005，2006），只有15%的少数地震发生在深约0—20 km的上地壳及30—50 km的下地壳区域，且中地壳存在层状高导低速体，地震平面分布密度及布格重力异常发现塔里木北部巴楚—阿瓦提—沙雅—库车一带可识别出四个中地壳断条及莫霍面断条，且断条之间至少存在四个NW走向为主的中地壳捩断层和莫霍面捩断层，这些捩断层主要为塔里木克拉通地块内部NW 向断条之间产生差异运动所产生的撕裂走滑断层，其动力学原因为塔里木盆地整体向南天山的深部俯冲，同时又受到南天山的阻挡作用，从而导致塔里木北部形成了大范围的横向构造。
震源机制作为分析发震断层构造和震源区应力特征的主要手段之一，尤其有助于快速了解地震断层的可能产状及运动方式等震源信息。本文通过gCAP方法（Zhu，Helmberger，1996a；Zhu，Ben-Zion，2013）对2023年沙雅MS6.1地震和2012年洛浦MS6.0地震进行矩张量反演，然后基于震源机制与应力体系关系数值模拟方法（万永革，2020）分析区域应力场与沙雅MS6.1地震及洛浦MS6.0地震震源机制的关系，并结合已有研究，讨论此两次地震的异同，初步探讨其可能的发震构造，从而为塔里木盆地内部的强震少震区补充地震学资料，这对进一步认识和完善塔里木克拉通地块的发震构造及断层性质具有重要意义。
1. 沙雅MS6.1地震和洛浦MS6.0地震的矩张量解
1.1 方法与速度模型
gCAP方法（Zhu，Helmberger，1996a；Zhu，Ben-Zion，2013）由CAP方法发展而来，是一种全矩张量反演方法。国外有些机构在矩张量反演时将各向同性源（isotropic）约束为0，得到的是偏矩张量解，譬如时间域全波形矩张量反演方法（TDMT-INV），而gCAP方法得到的矩张量解包括各向同性源（isotropic）、双力偶部分（double couple）和补偿线性矢量偶极（compensated linear vector dipole）。该方法的优势在于将观测波形分解成Pnl和面波部分并赋以不同权重，综合利用地震的体波、面波信息，对地震深度及机制解有更好的约束；引入距离影响因子，避免反演受近距离台站记录的影响；在误差定义中使用绝对振幅而不是归一化振幅，能更好地识别震相的节面，避免振幅归一化带来的其它局部最小值解，能够获取更准确的机制解。由于反演过程使用了深度震相（罗艳等，2013；张广伟，雷建设，2015），使得震源深度相对准确。gCAP方法已经成功应用于浅、中及深源地震矩张量及震源深度方面的研究（Zhu，Helmberger，1996b；韦生吉等，2009；李圣强等，2013；易桂喜等，2021）。
速度模型方面，选取塔里木盆地目前较新的高分辨率地震层析成像结果（Xin et al，2019），即从USTClitho1.0模型提取了巴楚隆起—阿瓦提凹陷构造带区域的P波和S波速度模型，并根据接收函数结果（瞿辰等，2013）取平均莫霍面深度为50 km，得到该区域分层一维速度模型，如表1所示。然后根据f-k方法（Zhu，Rivera，2002）计算沙雅和洛浦地震不同震中距（图2）下1—60 km深度范围的格林函数，其中深度分层间隔为1 km，得到的格林函数用于合成理论波形。
表 1 巴楚隆起—阿瓦提凹陷带区域一维速度模型Table 1. 1-D velocity structure for the Bachu uplift-Awati depression zone层号 顶层深度/km vP/（km·s−1） vS/（km·s−1） 层号 顶层深度/km vP/（km·s−1） vS/（km·s−1） 1 0 4.69 2.77 6 30 6.59 3.90 2 5 5.38 3.19 7 40 6.97 4.13 3 10 5.29 3.13 8 45 8.06 4.77 4 15 5.43 3.21 9 50 8.19 4.84 5 20 5.80 3.43 ![]()
图 2 用于计算沙雅（a）和洛浦（b）地震震源机制解的台站分布（台站震中距为450 km内）Figure 2. Distribution of the stations used for calculating the focal mechanism solutions of Shaya （a）and Luopu （b） earthquakes （Stations shown are within 450 km to the epicenter）1.2 反演过程与计算结果
选取P波极性清晰、信噪比高的台站三分量记录（图2），对原始观测波形进行去均值、去趋势和去仪器响应等处理，然后将坐标旋转至大圆路径。对于沙雅地震，Pnl波和Surf波的带通滤波范围分别为0.04—0.15 Hz和0.04—0.1 Hz；对于洛浦地震，Pnl波和Surf波的滤波范围分别为0.05—0.2 Hz和0.05—0.1 Hz。gCAP方法反演时，截取Pnl波和Surf波窗长分别为30 s和60 s，将预处理后的观测波形Pnl波、Surf波部分与理论波形进行拟合，残差最小时得到该地震的矩张量解。针对沙雅地震和洛浦地震分别选取了波形记录清晰及波形拟合率相对最好的15个台站和12个台站用于反演。通过上述两次地震反演过程，得到了其矩张量解的结果。
矩张量解及其拟合残差随深度的变化显示，2023年沙雅地震和2012年洛浦地震的矩张量解拟合残差分别在29 km （图3a）和47 km （图3b）深度处最小，表明沙雅和洛浦地震的最佳拟合矩心深度分别为29 km和47 km，两次地震的最佳拟合深度处的观测（黑色）与理论（红色）波形拟合图（图4，5）均显示，除个别波段因数据记录质量等问题未参与反演外，参与反演的波段拟合率大多数均超过70%，表明其理论与观测波形的拟合相对较好。沙雅地震矩张量反演得到的最佳双力偶震源机制解的其中一个节面走向为251°，倾角为68°，滑动角为6°，矩震级为MW5.86，地震矩M0为7.798×1017 N·m，矩张量解Mrr，Mtt，Mpp，Mrt，Mrp，Mtp分别为−0.081，−0.821，0.342，0.064，−0.358，0.685；洛浦地震矩张量反演得到的最佳双力偶震源机制解中的一个节面走向为274°，倾角为61°，滑动角为67°，矩震级为MW5.91，地震矩M0为9.076×1017 N·m，矩张量解Mrr，Mtt，Mpp，Mrt，Mrp，Mtp分别为0.517，−0.910，−0.353，−0.491，−0.180，0.341。根据表2可知，两次地震震源机制解的P轴方位均基本为NE向，即P轴方位较为一致，但震源机制的类型有所不同，其中沙雅地震的震源机制表现为以走滑为主，而洛浦地震的震源机制主要为逆冲型。
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图 3 2023年沙雅MS6.1地震（a）和2012年洛浦MS6.0地震（b）的矩张量解及其拟合残差随深度的变化Figure 3. The moment tensor solutions of the 2023 MS6.1 Shaya earthquake （a） and 2012 MS6.0 Luopu earthquake （b） and the variations of fitting residual errors with focal depths![]()
图 4 2023年沙雅MS6.1地震最佳拟合深度处的矩张量解及其波形拟合情况波形左侧的字母为台站代码，字母下侧数字分别为震中距（km）和相对偏移时间（s），波形下方的两行数字分别为理论波形（红色）相对实际波形（黑色）的移动时间（s）及其相关系数，下同Figure 4. Moment tensor solution and waveforms fitting at the best fitting depth of the 2023 MS6.1 Shaya earthquakeLetters on the left side of the waveforms are station codes. Numbers under the letters are epicenter distance （in kilometer） and relative offset time （in second） ，and the numbers below the waveforms are the time shifts （in second） and cross-correlation coefficients of the theoretical waveforms （red） relative to the observed waveforms （black） respectively，the same below![]()
图 5 2012 年洛浦MS6.0地震最佳拟合深度处的矩张量解及其波形拟合情况Figure 5. Moment tensor solution and waveforms fitting at the best fitting depth of the 2012 MS6.0 Luopu earthquake表 2 gCAP方法矩张量反演得到的2023年沙雅MS6.1和2012年洛浦MS6.0地震的震源机制解参数Table 2. Focal mechanism solutions of the 2023 MS6.1 Shaya earthquake and the 2012 MS6.0 Luopu earthquake from gCAP inversion method地震事件 节面Ⅰ 节面Ⅱ P轴 T轴 B轴 震源机
制类型走向/° 倾角/° 滑动角/° 走向/° 倾角/° 滑动角/° 方位/° 倾伏角/° 方位/° 倾伏角/° 方位/° 倾伏角/° 2023年沙雅MS6.1 251 68 6 159 84 158 207 11 113 19 325 67 走滑型 2012年洛浦MS6.0 274 61 67 135 36 125 20 13 142 66 286 20 逆冲型 另外，本文计算了沙雅和洛浦地震全矩张量解中双力偶（DC）、各向同性源（ISO）以及补偿线性矢量偶极（CLVD）的占比情况。gCAP方法将全矩张量解中ISO和CLVD成分分别用ζ和χ表示，其DC，ISO及CLVD成分相应的比例分别用ΛISO，ΛDC及ΛCLVD表示，计算方法如式（1）—（4）所示。由图4和图5可知，沙雅和洛浦地震的ζ值分别为−0.23和−0.30，其χ值分别为0.03和−0.07。根据式（1）—（4）得到两次地震的双力偶成分均至少达到了90%以上（表3），反映沙雅和洛浦地震均为典型的天然地震事件。另外，可以发现沙雅和洛浦地震的各向同性源（ISO）分量均为负值，表明该两次地震均可能存在少量体积缩小的内向闭合性破裂成分，直接原因为该区域的球应力张量小于零，并表现为总体挤压应力大于拉张应力的状态，这可能与断层面不是平面结构或震源深度较深等构造原因有关（殷伟伟，张蕙，2021）。
表 3 沙雅MS6.1地震和洛浦MS6.0地震全矩张量解各成分的比例Table 3. The percentage of each component of full moment tensor solution for the MS6.1 Shaya earthquake and the MS6.0 Luopu earthquake地震事件 ζ χ ΛISO ΛCLVD ΛDC 2023年沙雅MS6.1 −0.23 0.03 5.29% 0.09% 94.62% 2012年洛浦MS6.0 −0.30 −0.07 9.00% 0.45% 90.55% 注：ζ 为ISO分量值，χ为CLVD分量值；ΛISO，ΛDC及ΛCLVD分别代表全矩张量解里ISO，DC及CLVD的比例。 $$ {\varLambda ^{{\rm{DC}}}} ＝ （ {1 － {\zeta ^2}} ） （ {1 － {\chi ^2}} ） \text{，} $$ (1) $$ {\varLambda ^{{\rm{CLVD}}}} ＝ {\rm{sgn}} （ \chi ） （ {1 － {\zeta ^2}} ） {\chi ^2} \text{，} $$ (2) $$ {\varLambda ^{{\rm{ISO}}}} ＝ {\rm{sgn}} （ \zeta ） {\zeta ^2} \text{，} $$ (3) $$ \left| {{\varLambda ^{{\rm{DC}}}}} \right| ＋ \left| {{\varLambda ^{{\rm{CLVD}}}}} \right| ＋ \left| {{\varLambda ^{{\rm{ISO}}}}} \right| ＝ 1 {\text{.}} $$ (4) 1.3 误差评估
为进一步了解沙雅和洛浦地震gCAP方法反演结果的准确性，本文采用Bootstrap自助抽样法（Efron，Tibshirani，1986）对震源机制解参数进行评估，该方法是根据有放回的重抽样技术来评估样本统计量的标准差。本文分别选取前述沙雅地震反演的15个台站及洛浦地震反演的12个台站作为原始数据集，然后分别对这两个原始数据集可重复地抽取新的台站组合，基于新的台站随机组合再用gCAP方法反演，重复上述Bootstrap自助抽样及反演过程1 000次，从而得到这1 000次震源机制反演结果。图6显示：沙雅地震走向、倾角、滑动角及最佳矩心深度的标准差分别为4.51°，4.98°，5.67°及0.99 km；洛浦地震走向、倾角、滑动角及最佳矩心深度的标准差分别为6.37°，4.16°，3.63°及2.41 km。正态分布曲线显示：沙雅地震震源机制解参数的走向在245—250°、倾角在60—70°、滑动角在5—10°及矩心深度在29—30 km范围较为集中，非常接近前述沙雅15个台站反演结果的节面Ⅰ参数（即走向251°，倾角68°，滑动角6°及矩心深度29 km）；洛浦地震震源机制解参数的走向在265—270°、倾角在55—60°、滑动角在65—75°及矩心深度在48—50 km范围较为集中，也非常接近前述洛浦12个台站反演结果的节面Ⅰ参数（即走向274°，倾角61°，滑动角67°及矩心深度47 km）。Bootstrap方法评估的两次地震震源机制标准差及正态分布曲线均表明震源机制解参数集中度较好，结果稳定可靠。
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图 6 Bootstrap抽样方法评估的2023年MS6.1沙雅地震（a）和2012年洛浦MS6.0地震（b）震源机制误差Figure 6. Focal mechanism errors of 2023 Shaya MS6.1 earthquake （a） and 2012 Luopu MS6.0 earthquake （b） evaluated by Bootstrap sampling method1.4 本文结果与其它来源震源机制解的比较
震源机制中心解的方法（万永革，2019）可以通过同一地震各个震源机制解与中心解的最小旋转角比较各个震源机制解的差异，以检验每一个震源机制解与其余震源机制解的总体偏差，在一定程度上可以判断所使用资料与方法的优劣。依据该方法对比了本文沙雅地震和洛浦地震震源机制解结果与其它国内、外机构或作者的结果（中国地震局地球物理研究所，2023；European-Mediterranean Seismological Centre，2023；防灾科技学院 Seismology小组，2023）之间的离散程度。图7给出了不同来源的震源机制解按最小空间旋转角排序的情况，整体来看本文结果的最小旋转角均较小，即与中心解相差很小，反映了本文两次地震震源机制解计算结果的相对准确性较高。
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图 7 2023年沙雅MS6.1地震（a）和2012年洛浦MS6.0地震（b）不同来源的震源机制解震源机制解按中心解最小空间旋转角排序Figure 7. Focal mechanism solutions from different sources of 2023 Shaya MS6.1 earthquake （a） and 2012 Luopu MS6.0 earthquake （b）Focal mechanism solutions are sorted by the minimum 3-D rotation angles from the central focal mechanism solution2. 沙雅MS6.1地震和洛浦MS6.0地震的震源机制与区域应力场的关系
为研究沙雅和洛浦地震震源机制与应力场之间的关系，本文采用应力体系与震源机制关系数值模拟方法（万永革，2020）进行分析，根据巴楚—阿瓦提凹陷构造带的应力场参数（Wan，2010），主压应力轴走向为10°、倾伏角为5°，张应力轴走向为100°、倾伏角为3°，应力形因子R＝0.80。基于本文gCAP方法得到的两次地震的震源机制解结果，进行了应力体系与震源机制关系的数值模拟。结果显示（表4，图8）：应力张量在沙雅和洛浦地震震源机制解两个节面的相对剪应力介于0.8—0.9之间，剪应力几乎达到了最大值（最大为1）；而相对正应力介于−0.7—0.3之间，正应力均较小，加上震源机制观测滑动角与剪应力的滑动角之差介于9°—26°之间，滑动角差异也均较小。这表明，2023年沙雅MS6.1地震和2012年洛浦MS6.0地震基本均发生在巴楚—阿瓦提凹陷构造带的区域构造应力场最优释放节面上，并主要以剪应力作用体现。图8显示在巴楚—阿瓦提凹陷构造带的应力体系下，网格区域存在两个显著的白色“U”形相对剪应力高值区，两个高值区主要对应的是走滑型和逆断型的震源机制，沙雅和洛浦地震震源机制解均位于白色“U”形区域内，且两次地震震源机制解毗邻区域的震源机制模拟与沙雅、洛浦地震实际的震源机制十分相似，这也证实了两次地震确实是在该区域构造应力作用下发生的。
表 4 应力张量在沙雅MS6.1地震和洛浦MS6.0地震震源机制解的两个节面上产生的相对剪应力和正应力Table 4. Relative shear stress and normal stress generated by the stress tensor on the two nodal planes of the focal mechanism solutions of the MS6.1 Shaya earthquake and the MS6.0 Luopu earthquake地震事件 节面 相对剪应力 相对正应力 剪应力的滑动角/° 震源机制解的滑动角/° 滑动角绝对值之差/° 2023年
沙雅MS6.1地震节面Ⅰ（ENE向） 0.901 −0.475 32.2 6.0 26.2 节面Ⅱ（NNW向） 0.890 0.256 −177.4 157.0 20.4 2012年
洛浦MS6.0地震节面Ⅰ（EW向） 0.756 −0.682 76.1 67.0 9.1 节面Ⅱ（NW向） 0.787 −0.030 143.6 125.0 18.6 ![]()
图 8 巴楚隆起—阿瓦提凹陷带区域应力体系与沙雅、洛浦地震震源机制的关系Figure 8. Relationships between the stress regime in the Bachu uplift-Awati depression zone and the focal mechanisms of the Shaya and Luopu earthquakes图9绘制了巴楚—阿瓦提凹陷构造带的应力体系压轴走向（均为10°）、两次地震震源机制节面走向以及P轴方位示意图。可以看到，两次地震所在区域应力场压轴方向一致的前提下，由于震源机制节面及其形状的不同，两次地震震源机制的P轴方位虽然均以NE向为主，但其方位有着一定的差异。P轴方位、震源机制节面参数均属于震源机制本身的固有属性（陈运泰，刘瑞丰，2021；许英才，曾宪伟，2022），主要受到节面走向及其形状的影响，而相对剪应力的大小与应力方向和应力形因子均有关，描述应力方向有三个角度，由于这三个角度比较抽象，所以通常采用压轴方向来近似分析，为此相对剪应力主要受到地震断层面走向与应力场压轴之间夹角的影响。
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图 9 沙雅MS6.1地震（a）和洛浦MS6.0地震（b）震源机制解节面的相对剪应力、区域主压应力走向及P轴方位Figure 9. The relative shear stress on nodal planes，the azimuth of regional principal compressive stress，and the azimuth of the P axis of focal mechanism solutions for the MS6.1 Shaya earthquake （a） and the MS6.0 Luopu earthquake （b）3. 讨论与结论
2023年沙雅MS6.1地震发生在阿瓦提凹陷带内，而2012年洛浦MS6.0地震则发生在巴楚隆起—阿瓦提凹陷带之间的过渡区域，其中沙雅地震为走滑型而洛浦地震为逆冲型，两次地震的破裂机制截然不同，但P轴方位均表现为以NE向为主的特征，这与巴楚—阿瓦提凹陷构造带NNE向的区域构造应力方向相一致，而且几乎发生在构造应力场最优释放节面上，并以剪应力作用体现，说明两次地震的应力释放还是比较充分的。关于沙雅地震和洛浦地震的可能发震断层归属及地震错动方式等问题，本文初步分析认为北西向的节面Ⅱ为发震断层面的可能性相对较大，即沙雅地震表现为NNW走向断层面的右旋走滑性质，而洛浦地震则表现为NW走向、断层面SW向倾的逆断特征（图10），这是结合已有地质构造等资料和本文的结果进行综合判断的。对于沙雅地震，震中所在区域的阿瓦提凹陷带处于塔里木北部，距离上比巴楚地区离塔里木北缘相对更近，该区域主要受到塔里木克拉通地块整体北西向运动的影响（李涛，王宗秀，2005，2006；Wan，2010；Song et al，2021），在南天山构造带阻挡作用下使得塔里木北部岩石圈产生不同程度的拆离解耦，滑脱构造主要发生在中地壳底部约30 km深处，该区域的大量横向构造即北西向构造带或断裂带被激活，使得北部区域整体的俯冲系统以断条为单位向北西俯冲，在NNE向区域构造应力的作用下，断条之间作差异运动并体现为顺时针剪切滑动，从而在这些断块之间形成撕裂平移断层即捩断层，从而呈现出右旋走滑的破裂特征，沙雅地震震源破裂过程的反演结果（中国地震局地球物理研究所，2023）也显示，断层破裂优势走向大体呈现北西向，这与本文沙雅地震走滑型震源机制及29 km的震源深度结果相符；对于洛浦地震，震中主要位于巴楚隆起的东北缘地区，冯英等（2012）、朱治国和李桂荣（2013）及周慧等（2021）的研究表明，洛浦地震的发震构造为巴楚隆起东北缘的吐木休克深大断裂，巴楚隆起为断层上盘，阿瓦提凹陷为其下盘，由于巴楚隆起区受到印度板块对欧亚板块的推挤影响相对更显著（何文渊等，2000），巴楚整体主要向阿瓦提凹陷逆冲，而且在巴楚隆起下方约45—55 km深度范围内其岩石屈服强度最大（王良书等，1996），这表明55 km以浅的地壳仍具有脆性变形特征，说明其岩石层强度较大，加之塔里木克拉通更冷、更硬的地壳特性（曹厚臻等，2019），巴楚隆起下方45—55 km深度处具备发生强震的孕震条件，这也与本文洛浦地震逆冲型震源机制及47 km的震源深度结果相符。
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图 10 本文初步推测的洛浦MS6.0地震（a）和沙雅MS6.1地震（b）可能的发震断层及其运动方式Figure 10. Possible seismogenic faults and their motion modes for the MS6.0 Luopu earthquake （a） and the MS6.1 Shaya earthquake （b）另外可以看到，本文测定的震源机制解结果与其它大部分机构或作者的结果差异很小，这表明不同资料及方法得到震源机制解结果是相对稳定的，但不同机构测定的震源深度结果尚存较大的差异，这说明震源深度精确测定的难度要大于震源机制的测定，中国地震台网中心（2023）、USGS （2023）、梁姗姗等（2023）、European-Mediterranean Seismological Centre （2023）及本文测定的2023年沙雅地震震源深度分别为50，28，30，（41，20，30，35）及29 km，平均深度为32 km；相应地2012年洛浦地震震源深度分别为30，40，（60，54，44，36）及47 km，平均深度为44 km。本文测定的两次地震深度结果均比国内台网深度更接近所有结果的平均深度。本文认为震源深度所表现出来的较大差异性以及国内台网深度结果的不稳定性是由沙雅和洛浦地震震中100 km内缺少近台这个主要原因导致的，其次为方法不同的原因。罗艳等（2013）系统分析了不同方法测定震源深度的优劣，其中对于国内台网基于走时资料定位的深度非常依赖近台的数量，即这种走时定位测深要求近台震中距小于1—2倍震源深度（Stein，Wiens，1986；Mori，1991），深度结果才可靠，如果按30—50 km深度算，则对应最大震中距为60—100 km，也就是说实际上两次地震震中100 km内并没有符合该震中距范围的台站记录，这也是国内台网定位这两次地震震源深度结果差异较大的根本原因之一，加之与其它机构测定的深度结果差异也较大，表明国内台网测定此两次地震的深度结果可信度低是由缺乏近台资料及使用走时定位测深方法这两个原因共同导致。由于本文使用的是由近震波形拟合反演出的矩心深度，该方法充分利用了深度、震相等信息联合约束，且对近台数量依赖不高，得出的深度结果是可信的。韦生吉等（2009）基于近震波形拟合反演的CAP方法和震中距280—656 km之间的五个台站精确地测定了赤峰下地壳地震的深度，李艳永等（2019）也利用gCAP近震波形拟合反演技术和稀疏台网重新测定了呼图壁地区地震的震源深度，可以看出CAP波形近震拟合反演的深度结果一般是相对可靠的。梁姗姗等（2023）采用ISOLA近震波形反演方法得到2023年沙雅地震矩心深度为30 km，与本文gCAP方法测定的沙雅地震震源深度29 km基本一致，侧面反映了近震波形拟合反演震源深度的可靠性。USGS，GCMT，GFZ等机构虽然用的也是波形拟合反演，但由于主要用的是远场波形，这是与本文用近场波形得出的深度结果存在一定差异的原因，近、远震波形拟合反演之间的这种差异远小于与国内台网走时定位测深之间的差异，本文认为在震中100 km范围内缺少近台且影响到走时定位测深情况下，应该侧重于将近场波形拟合反演的深度作为地震的震源深度。
本文测定了2023年沙雅MS6.1和2012年洛浦MS6.0地震的矩张量解，分析了震源区的应力特征，并结合已有研究成果，初步探讨和推测了可能的发震构造及断层错断方式，而且已有地质构造等其它方面的资料均较好地印证了本文的计算结果，也很好地符合构造地质学原理的解释，为塔里木克拉通内部强震少震区补充了地震学资料，为该区域断层性质和应力特征等研究提供了重要参考。然而由于观测资料限制和已有研究结果分辨率不是很高等原因，对发震构造的判定不是很充分，为此对于两次地震的震源深度及发震断层精细几何形态等仍需更多的后续研究工作进一步证实，譬如震源断层的破裂方向反演等其它方面研究或许会进一步完善对其精细发震构造的认识。总体来看，本文得出的结果以及初步推测的几点认识如下:
1） 通过gCAP方法矩张量反演得到的2023年沙雅MS6.1地震震源机制解节面Ⅰ的走向、倾角、滑动角分别为251°，68°，6°，节面Ⅱ的走向、倾角、滑动角分别为159°，84°，158°，震源机制为走滑型，P轴方位207°，倾伏角为11°；2012年洛浦MS6.0地震震源机制解节面Ⅰ的走向、倾角、滑动角分别为274°，61°，67°，节面Ⅱ的走向、倾角、滑动角分别为135°，36°，125°，震源机制为逆冲型，P轴方位为20°，倾伏角为13°。两次地震震源区的主压应力均为NNE向，这与震源区所在的巴楚隆起—阿瓦提凹陷带区域构造应力场NNE向的主压应力方向一致。
2） 全矩张量解结果显示，沙雅地震地震矩M0为7.798×1017 N·m，矩张量解Mrr，Mtt，Mpp，Mrt，Mrp，Mtp分别为−0.081，−0.821，0.342，0.064，−0.358，0.685；洛浦地震地震矩M0为9.076×1017 N·m，矩张量解Mrr，Mtt，Mpp，Mrt，Mrp，Mtp分别为0.517，−0.910，−0.353，−0.491，−0.180，0.341。两次地震的双力偶成分占比均达到了90%以上，属于典型的天然构造地震事件。其中各向同性源（ISO）成分均为负值可能表明，两次地震除了典型双力偶剪切破裂特征之外，还略带少量的体积缩小的内向闭合性破裂的特征。
3） 沙雅、洛浦地震的震源机制与巴楚隆起—阿瓦提凹陷带区域应力体系关系模拟研究发现，该应力体系在两次地震震源机制节面的相对剪应力介于0.8—0.9之间，几乎达到了最大，而且震源机制解滑动角与剪应力的滑动角之间差异较小，表明两次地震几乎是发生在构造应力场的最优释放节面上，并主要以剪应力作用体现，应力可能得到了充分的释放。
4） 结合本文结果和已有研究，初步推测两次地震震源机制的节面Ⅱ为可能的发震破裂面，2023年沙雅地震发震构造可能为阿瓦提凹陷中地壳约30 km滑脱构造带上方NW走向的高倾角捩断层，地震错动方式为右旋走滑，塔里木克拉通北部整体向南天山深部俯冲，导致塔里木北部内部NW向平移断条之间产生顺时针撕裂错动所致；2012年洛浦地震则可能为巴楚隆起上盘相对于阿瓦提凹陷下盘NE方向逆冲运动产生的破裂，其NW走向的断层面呈SW向倾的特征，缓倾角约为36°，应为塔里木盆地内特殊的局部构造作用所致。
本文图件主要用GMT软件绘制。中国地震局地球物理研究所国家数字测震台网数据备份中心（doi：10.7914/SN/CB）为本文提供了地震波形数据，审稿专家给出了重要的修改建议，作者在此一并表示感谢。
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图 10 三个震源模型模拟的加速度反应谱（PSA）在周期0.5 s （a）和1.5 s （b）时的分布
Figure 10. Distributions of simulated pseudo-spectral acceleration （PSA） at period of 0.5 s （a） and 1.5 s （b） that from three source fault models
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图 1 鲁甸地震研究区域内断层面投影及台站位置
Figure 1. Fault plane projection and station location of Ludian earthquake in the study region
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图 2 断层Ⅰ（a）、断层Ⅱ（b）及共轭复合断层（c）的震源模型（张勇等，2015）
Figure 2. Geometry，source time function and final slip distributions of source faultⅠmodel （a），fault Ⅱ model （b） and conjugated fault model （c）（Zhang et al，2015）
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图 3 鲁甸地区一维速度结构及介质密度模型
Figure 3. One-dimensional velocity structure and medium density model in Ludian region
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图 4 台站53QQC （a）、53LDC （b）和53HYC （c）的加速度记录及基于断层Ⅰ震源模型、断层Ⅱ震源模型和共轭复合震源模型合成的三分量加速度时程（持续时间35 s）
Figure 4. Recordings and simulated three component acceleration time-histories of the representative stations 53QQC （a），53LDC （b） and 53HYC （c） from source faultⅠmodel，fault Ⅱ model and conjugated fault model （duration of 35 s）
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图 5 台站53QJX （a）、51HDQ （b）和53HZX （c）的加速度记录及基于断层Ⅰ震源模型、断层Ⅱ震源模型和共轭复合震源模型合成的三分量加速度时程（持续时间35 s）
Figure 5. Recordings and simulated three component acceleration time-histories of the representative stations 53QJX （a），51HDQ （b） and 53HZX （c） from source faultⅠmodel，fault Ⅱ model and conjugated fault model （duration of 35 s）
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图 6 台站51PGD （a）、53DTB （b）和51YBH （c）的加速度记录及基于断层Ⅰ震源模型、断层Ⅱ震源模型和共轭复合震源模型合成的三分量加速度时程（持续时间35 s）
Figure 6. Recordings and simulated three component acceleration time-histories of the representative stations 51PGD （a），53DTB （b） and 51YBH （c） from source faultⅠmodel，fault Ⅱ model and conjugated fault model （duration of 35 s）
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图 7 9个代表性台站的加速度反应谱与基于单断层Ⅰ震源模型、单断层Ⅱ震源模型及共轭复合断层震源模型模拟的加速度反应谱、加速度反应谱衰减模型的对比
Figure 7. Comparison of the recorded acceleration response spectra of 9 representative stations with the simulated acceleration response spectra from source fault Ⅰ model ，fault Ⅱ model and conjugated fault model and NGA-West2 attenuation models
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图 8 台站53QQC （a）、53LDC （b）和53HYC （c）的记录和
Figure 8. The recorded three component velocity time-histories of the stations 53QQC，53LDC and 53HYC and the simulated velocity time-histories of different source models （duration of 40 s）
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图 9 三个震源模型产生的水平向PGA （左）和PVG （右）分布
Figure 9. Distributions of horizontal PGA （left） and PGV （right） generated from three source fault models
表 1 两个单断层模型及共轭复合断层震源模型参数（张勇，2015）
Table 1 Parameters of two single fault plane models and conjugated faults model （Zhang，2015）
震源模型 走向/° 倾向/° 长度/km 宽度/km 子断层尺寸 地震矩/（1018 N·m） MW 断层Ⅰ模型 162 70 21 10 2 km×2 km 1.79 6.13 断层Ⅱ模型 257 77 21 10 2 km×2 km 1.80 6.14 共轭断层模型 复合 复合 复合 复合 2 km×2 km 2.05 6.17 
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表 2 震中距160 km内部分台站相关信息（顺序依震中距排列）
Table 2 List of relevant information of part discussed stations within 160 km of the epicenter （arranged according to the epicenter distance）
台站 东经/° 北纬/° 场地类型 震中距/km 断层Ⅰ断层距/km 断层Ⅱ断层距/km $ {v}_{\mathrm{S}30} $ 53QQC 103.23 26.94 土 19.09 14.77 13.24 527# 53LDC 103.60 27.22 岩 32.54 28.99 13.93 424 53HYC 103.51 26.81 土 38.38 17.26 33.52 497* 53QJX 103.24 35.75 土 39.37 24.44 33.97 527# 51HDQ 102.82 26.67 土 67.47 60.57 49.07 747 53HZX 103.31 26.41 土 76.73 57.60 72.24 318* 51PGD 102.54 27.37 土 80.92 69.31 65.85 688 53DTB 103.04 26.36 岩 86.24 70.21 75.09 760 51YBH 101.92 26.53 土 150.90 147.53 129.68 376 注：标*数据由Boor （2 004）的速度梯度延拓线性模型外推计算而得，标#数据根据邻近场地插值计算得到。
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