新疆拜城連續兩次5級地震發震構造淺析①

陳建波, 黃帥堂, 馬 建, 吳國棟, 趙江濤

(新疆維吾爾自治區地震局,新疆 烏魯木齊 830011)

據中國地震臺網測定,在南天山庫車坳陷西段2020年和2021年曾先后兩次在同一構造位置發生兩次5級地震,分別為2020年3月23日拜城MS5.0 地震(41.75°N,81.11°E)和 2021年3月24日拜城MS5.4地震 (41.70°N, 81.11°E),兩次地震時間間隔為一年,震中距僅5.5 km,構造歸屬上都處于庫車坳陷拜城盆地北緣的吐孜瑪扎逆斷裂—背斜帶西傾伏端。地震序列顯示,2020年3 月 23 日拜城MS5.0 地震余震較少,截至2020年5月23日,共記錄ML≥1.0余震2次,序列主震與最大余震的震級差為2.9,主震釋放能量占序列的比例為99.99%,是一次孤立型事件[1];而2021年3月24日拜城MS5.4地震,截至2021年4月30日,共記錄ML≥1.0余震27 次,其中ML1.0～1.9地震13次,ML2.0～2.9 地震 8 次,ML3.0～3.9 地震5 次,ML4.0～4.9 地震1次,最大為3月24日ML4.0地震,序列主震與最大余震的震級差為 0.5,也是一次孤立型事件[2]。據統計,自1900年以來,震中100 km 范圍內曾發生5級以上地震12次(含余震),其中:MS5.0～5.9 地震10 次,MS6.0～6.9 地震2 次。在以上地震中,2020年3月23日新疆拜城MS5.0地震與2021年拜城MS5.4地震是所有同級別地震中發震時間間隔最小,且震中距離最近的地震。兩次地震震源機制解顯示[2-3](表1),地震的斷錯性質基本相同,均屬于走滑型地震,其斷錯性質與地震震中發現的同震地表破裂帶運動性質高度一致。

表1 拜城兩次5級以上地震震源機制解參數

庫車坳陷是發育在南天山山前的擠壓逆斷裂—褶皺帶,構造變形表現以近南北向的擠壓為主[4-5],中強地震多為逆沖型,這與拜城這兩次5級以上地震的震源破裂方式差異較大。對震中附近的活動褶皺和地表斷層調查,2020年拜城MS5.0和2021年拜城MS5.4地震震中均位于吐孜瑪扎逆斷裂—背斜帶西傾伏端,空間位置恰好處于吐孜瑪扎逆斷裂西延伸線附近(圖1),而吐孜瑪扎斷裂主要發育在背斜南翼及核部,斷層最新活動斷錯山前洪積扇和河流階地,性質主要以逆沖推覆為主,是一條晚更新世以來活動強烈的斷層。震后調查顯示,2021年拜城MS5.4地震在宏觀震中產生了一條長約4 km的同震地表破裂,出現地表破裂的位置并未有已知的活動斷層。短時間內,同一位置先后兩次發生5級以上破壞性的地震,其構造破裂模式和發震構造是否相同或存在一定的關聯,這些科學問題尚不清楚。通過兩次地震現場調查,確定地震的同震地表破裂組合樣式和運動學特征,并對兩次地震的地震構造成因進行了探討,這對進一步研究前陸盆地內部含鹽構造的現今構造變形及未來地震危險性具有一定的科學意義。

1 區域構造背景

近年來,隨著石油天然氣的開發和深部地震技術的不斷改進,在庫車坳陷內發現有大量的逆斷裂—背斜帶伴生有鹽構造地層,這些鹽構造和晚新生代背斜共同組成了庫車前陸沖斷帶[14-15]。庫車坳陷內的鹽構造形成于天山山前重力滑脫擴展環境, 鹽構造從北往南遷移, 分為鹽巖沉積、低幅度鹽枕和鹽背斜持續隆升3個演化階段, 鹽巖厚度、鹽上覆層沉積物厚度、鹽下古隆起和斷裂是影響庫車鹽構造的主要因素[16-18]。震中附近的吐孜瑪扎逆斷裂—背斜帶就是一個典型的擠壓型鹽構造背斜(圖2)[19-20]。鹽構造的特點是在快速擠壓作用可使原來相對軟弱的鹽巖具有較強的摩擦力,形成上覆層和基底耦合的非對稱構造變形特征,導致原本相對軟弱的塑性層表現出較強的脆性特征,發生脆性破裂,從而產生地震[21-22]。在重力、浮力和擠壓應力的聯合作用下,擠壓鹽構造的埋深通常較淺[23-24],這也使得他能夠產生淺源、超淺源的地震,造成小范圍的地表破裂和災害損失[25]。而2021年拜城MS5.4地震的震中發現長約4 km的同震地表破裂帶,而新疆境內以往出現如此規模地震地表破裂的震級一般都在6.5級以上[26]。因此,拜城這兩次5級地震很可能與盆地內鹽構造的擠壓脆性破裂有關。

圖2 吐孜瑪扎逆斷裂—褶皺帶深部地震剖面解譯圖TQ1x—第四紀;TN2k—新第三紀庫車組;TN1-2k—新第三紀康昆組;TN1j—新第三紀組;TE2-3s—古近紀素威組;TE1-2km—古近紀組;TK—白堊紀;TJ—侏羅紀;TT—三疊紀;GS—生長地層Fig.2 Interpretation of Deep Seismic Profile of Tuzimaza Reverse Fault Fold Belt

2 地震地表破裂調查

2020—2021年曾先后兩次在同一位置發生5級以上地震,震后在2021年3月24日拜城MS5.4地震極震區內發現有地震同震破裂現象[27],而2020年的拜城MS5.0地震卻未見明顯的地表形變跡象。為精確測量地表形變的幾何展布及活動特性,在拜城MS5.4地震發生后利用大疆M300無人機(XT2云臺)對拜城MS5.4地震地表破裂進行航拍。根據航拍區域地形,航高設置為50 m,航向重疊率為60%,旁向重疊率為60%,在室內利用Agisoft Metashape Professional軟件對航拍區域的照片進行處理,生成高分辨率正射鑲嵌圖(分辨率3.5～10.3 cm)和數字高程模型(分辨率14～77 cm),在ArcGIS軟件中基于正射鑲嵌圖對地表破裂帶進行詳細解譯和地表形變測量(圖3)。

通過解譯高分辨率正射影像獲得的地震地表破裂展布圖顯示, 2021年拜城MS5.4地震在吐孜瑪扎逆斷裂—背斜的西傾伏端前緣的洪積扇上(海拔為1 500～1 700 m,目前被改造為農田)上產生了同震地表破裂帶,破裂帶全長約4 km,優勢走向為N50°～70°E。實地調查發現,地表破裂雖然總體上呈線性的展布特征,但在階區的分隔下呈現明顯的左行左階雁列狀分布特征(圖4和5),破裂性質為左旋走滑兼正斷,其中主破裂帶以走向為N50°～70°E的左旋走滑為主。在破裂帶的2.6km處發育一組近南北走向的拉張裂縫,構成一個S125°～135°E的地塹。為了更好地描述破裂帶的幾何學特征,以由西向東約1.6 km為界,將破裂帶分為a、b兩段(圖3a)。據此發現2個較為明顯的特點:(1)a段破裂呈線性展布,走向為N30°E,而b段破裂則呈雁列狀展布,破裂帶的走向為N17°E,并且在2.6 km(c區)處還分布著N45°W走向的拉張性質的地表破裂帶;(2)雖然最大的走滑位移位于b段,但是其余的走滑位移均測量于a段,破裂寬度具有明顯向東、西兩端減小的趨勢,整體在1.6 km處達到峰值。將其劃分為4段分別為S1(0.25～0.5 km)、S2(0.75～1.25 km)、S3(1.6～1.75 km)和S4(2.75～2.9 km)。S4段為左旋位錯量最大的區域,平均為0.6m,最大為0.79m(圖4a)。S2段也有明顯的左旋位錯,平均約為0.3 m,最大值為0.55 m(圖4b)。S1和S3段左旋走滑位移量明顯小于其他兩段,平均位移量為0.25±0.05 m(圖4c)。針對地表破裂的寬度,共統計274個數據點,發現破裂的平均寬度為0.1～0.2 m(圖5),最大寬度為0.7 m(圖4d)。破裂寬度具有明顯向東、西兩端減小的趨勢,整體在1.6 km處達到峰值。值得一提的是,地表破裂的左旋走滑位移量和寬度的變化趨勢是同步的,即走滑位移量較大的段落,裂縫的寬度普遍較小,如S2段和S4段(圖3b)。反之裂縫寬度普遍較大的段落,走滑位移量較小,如S3段。地表破裂總的位移量沿走向基本恒定,但以階區為界,其運動特征在左旋走滑和拉張之間轉變。

圖4 無人機航拍地震地表破裂幾何展布及運動特性展示 (a) 左行左階斜裂地表破裂帶,最大左旋水平位錯為0.79±0.2 m (b) 左行雁列,平均約為0.3 m(b) 左旋位錯,平均位移量0.25±0.05 m (d) 斜裂展布,破裂的寬度為0.1～0.2 m,最大寬度0.7 mFig.4 Display of geometric distribution and motion characteristics of earthquake surface rupture in UAV aerial photography

圖5 地震地表破裂幾何展布及斷錯位移量展示(a) 左行左階斜裂地表破裂帶,裂縫寬度為0.1～0.2 m (b) 左行拉張開裂,形成水平位錯0.16 m (c) 地表破裂帶穿越房屋造成嚴重損壞 (d) 地表破裂帶穿越公路,形成寬0.2±0.5 m擠壓破碎帶Fig.5 Geometric distribution of seismic surface fractures and display of displacement of faults and dislocations

3 發震構造討論

2020—2021年拜城兩次5級地震微觀震中位于庫車坳陷第二排喀桑托開逆斷裂—背斜帶西段的吐孜瑪扎逆斷裂—背斜帶西傾伏端。吐孜瑪扎背斜帶是一個晚第四紀活動背斜帶,背斜走向NEE—SWW,與區域擠壓應力方向(N-S)斜交約65°,長度約50 km。野外調查發現沿背斜核部出露有大量的膏巖鹽、鹽珠和鹽脊,鉆井和地震反射剖面資料揭示吐孜瑪扎背斜沿走向具有分段差異變形特征,從西往東可以分為構造樣式不同的3段:西段為隱伏于地下的鹽墻;中段為出露地表的鹽株;東段形成鹽脊和鹽推覆構造[20]。吐孜瑪斷層主要發育在吐孜瑪扎背斜南翼[23],為北傾的逆沖斷層,斷層西段沿背斜核部展布,斷層西端延伸至木扎爾特河附近呈隱伏狀態未出露地表,斷層全長約60 km。在喀普沙良河以西,沿吐孜瑪扎斷層可以觀測到棕紅色的庫姆格列木組膏鹽巖,形成低緩的、寬約幾十米至百余米的帶狀鹽脊,表明鹽底辟現今仍然活動[22]。在吐孜麻扎背斜南翼的吐孜瑪扎村附近,在衛星影像上沿斷層斷錯山前洪積扇形成清晰線性陡坎,陡坎EW長約3.5 km(圖6a)。地貌上,陡坎北高南低,沿陡坎斷錯山前洪積扇和河流T2、T3階地面(圖6c),利用RTK實測T3階地面,垂直位錯高度在11.5～12.5 m(圖6d)。沿斷層追索,在測線b西側附近的沖溝中發現古近系泥巖向南逆沖斷錯河流T2級河流階地卵礫石層(圖6b)。對比張玲等在吐孜瑪扎背斜北翼墩麻扎村附近F6地貌面取DMZ取樣點[13],獲得Be10樣品測年為距今79.9±9.6 ka,F6地貌面是吐孜瑪扎背斜南北向季節性河流沿線保留最為完整的地貌面,向南一直延伸至吐孜瑪扎逆斷裂附近,并被吐孜瑪扎斷裂所斷錯,取樣點與吐孜瑪扎逆斷層相距約10 km(圖1),而F6地貌面相當于本研究區河流T3階地,由此可大致推斷吐孜瑪扎斷層晚第四紀以來活動速率為0.16 mm/a。

圖6 吐孜瑪扎逆斷裂衛星影像及斷錯地質地貌圖(a) 斷層地貌衛星影像圖 (b) 斷層斷錯河流T2級階地面 (c) 斷層陡坎地貌照片 (d) 實測斷層陡坎地形剖面Fig.6 Satellite images and geological and geomorphological maps of Tuzimaza reverse fault

通過無人機航拍和地表破裂測量,2021年拜城MS5.4地震在吐孜瑪扎背斜帶西傾伏端北翼形成長約4 km的同震地表破裂帶,破裂帶平面上呈左行左階的雁列狀展布,具有明顯的分段性和方向性,最大的左旋走滑位移量為0.79 m,最大的拉張分量0.7 m。此次地震宏觀震中位于微觀震中(CENC)以北約10 km,距離吐孜瑪扎逆斷層西延伸線最近距離約5 km。歷史地震顯示,2020年3月拜城MS5.0地震是距離此次拜城MS5.4地震距離最近和時間間隔最小的一次中強地震,雖然2020年3月的MS5.0地震并未發現明顯的地震地表同震破裂,但不排除由于破裂規模較小而有所忽略。對比拜城這兩次中強地震的震源機制解,兩次地震震源破裂類型一致,均屬于走滑型地震。而震后野外地質調查,震中所在的吐孜瑪扎斷裂斷層主要以逆沖推覆為主,無明顯的走滑活動跡象,這與拜城前后兩次5級地震的震源機制解斷錯性質明顯不符。根據兩次地震震中所在的深部地震剖面和InSAR反演結果[3],吐孜瑪扎背斜帶下伏存在厚層的鹽丘和鹽墻,這與在背斜帶地表發現有大量的膏鹽巖出露基本一致,以上證據顯示,吐孜瑪扎背斜的確是一個典型的含鹽構造背斜,而鹽構造的特點是在快速擠壓作用下表現出較強的塑性流動,容易引發膏鹽巖脆性破裂,加上擠壓鹽構造的埋深通常較淺,使得其能夠產生淺源、超淺源的地震,從而形成同震地表破裂現象。2020年拜城MS5.0地震和2021年拜城MS5.4地震很可能都發生在鹽構造背斜內部的膏鹽層中,在南北向擠壓的環境中,膏鹽巖產生強烈塑性流動,引發膏鹽巖內部老斷層再次復活,發生脆性破裂導致,構造成因上應屬于“擠壓鹽構造地震”。同時,由于前后兩次地震震源破裂的深度和位置的不同,導致其能量釋放和地表破裂現象有所差異。

從地表破裂帶的運動性質上看,造成拜城MS5.4地震地表破裂具有明顯的左旋走滑特征,這可能是南天山持續的向南推擠使得庫車褶皺帶內的膏鹽巖被擠壓,快速的應力積累導致背斜帶內部原本軟弱的膏鹽巖發生了脆性破裂,從而產生地震。同時,由于震中下伏的鹽構造規模較小,在南北向的擠壓作用下,又發生側向滑動,這也就解釋了為什么在近南北向主壓應力方向的庫車坳陷內會發生一次近EW走向的左旋走滑型地震。同時,對比新疆近年來的同等級別的地震[28-31],如2007年7月20日新疆特克斯MS5.7地震[28],極震區的烈度為Ⅶ度;2011年新疆阿圖什市、伽師縣交界MS5.8地震[29],極震區的烈度為Ⅶ度;2018新疆伽師MS5.5地震[30],極震區的烈度同樣為Ⅶ度;而最近一次的2020年新疆庫車MS5.6地震[31],極震區烈度僅為VI度;以上地震均未造成人員死亡,也未在震后出現過地震地表破裂現象。對比上述地震事件,拜城這兩次5級地震,雖然震級不高,但在極震區烈度卻達到了VIII度,在地表形成長約4 km的地震破裂帶,并造成3人死亡異常嚴重破壞,由此顯示此次“擠壓鹽構造地震”與以往構造地震存在明顯的區別,這也是拜城兩次5級地震造成異常嚴重破壞的主要原因之一。

4 結 論

通過無人機航拍確定了2021年3月24日拜城MS5.4地震的同震破裂帶的幾何展布和運動特性,破裂帶平面上呈左行左階的雁列狀展布,具有明顯的分段性和方向性,破裂帶長度約4 km,最大的左旋走滑位移量為0.79 m,最大的拉張分量0.7 m。在震中所在的吐孜瑪扎背斜南翼發現一條北傾的晚更新世活動的逆沖斷層,斷層斷錯距今79.9±9.6 ka以來的山前洪積扇和河流階地,形成高約11～12 m的斷層陡坎,晚第四紀以來斷層活動速率為0.16 mm/a。構造分析認為,兩次地震的發生與所處盆地內的擠壓鹽構造關系密切。由于南天山持續的向南推擠使得背斜內的膏鹽巖被擠壓,快速的應力積累導致背斜帶內原本軟弱的膏鹽巖能夠發生脆性破裂,并同時發生了側向滑動,產生2020—2021年兩次破壞性地震事件,構造成因上應屬于“擠壓鹽構造地震”。同時,由于擠壓鹽構造通常埋深較淺,使得它能夠產生淺源、超淺源的地震,這也是拜城兩次5級地震造成了大面積破壞的主要原因之一。兩次地震事件帶來新的啟示,就是在今后評價含鹽盆地的地震危險性時,不僅要重視逆沖推覆帶前緣最活躍的前鋒斷層,也要重視盆地內部的相關擠壓鹽構造,這些構造在強烈的擠壓環境下可能產生淺源或超淺源的中強地震,造成嚴重的財產損失和人員傷亡。