新疆拜城连续两次5级地震发震构造浅析①

陈建波, 黄帅堂, 马 建, 吴国栋, 赵江涛

(新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011)

据中国地震台网测定,在南天山库车坳陷西段2020年和2021年曾先后两次在同一构造位置发生两次5级地震,分别为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),两次地震时间间隔为一年,震中距仅5.5 km,构造归属上都处于库车坳陷拜城盆地北缘的吐孜玛扎逆断裂—背斜带西倾伏端。地震序列显示,2020年3 月 23 日拜城MS5.0 地震余震较少,截至2020年5月23日,共记录ML≥1.0余震2次,序列主震与最大余震的震级差为2.9,主震释放能量占序列的比例为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,共记录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,最大为3月24日ML4.0地震,序列主震与最大余震的震级差为 0.5,也是一次孤立型事件[2]。据统计,自1900年以来,震中100 km 范围内曾发生5级以上地震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地震与2021年拜城MS5.4地震是所有同级别地震中发震时间间隔最小,且震中距离最近的地震。两次地震震源机制解显示[2-3](表1),地震的断错性质基本相同,均属于走滑型地震,其断错性质与地震震中发现的同震地表破裂带运动性质高度一致。

表1 拜城两次5级以上地震震源机制解参数

库车坳陷是发育在南天山山前的挤压逆断裂—褶皱带,构造变形表现以近南北向的挤压为主[4-5],中强地震多为逆冲型,这与拜城这两次5级以上地震的震源破裂方式差异较大。对震中附近的活动褶皱和地表断层调查,2020年拜城MS5.0和2021年拜城MS5.4地震震中均位于吐孜玛扎逆断裂—背斜带西倾伏端,空间位置恰好处于吐孜玛扎逆断裂西延伸线附近(图1),而吐孜玛扎断裂主要发育在背斜南翼及核部,断层最新活动断错山前洪积扇和河流阶地,性质主要以逆冲推覆为主,是一条晚更新世以来活动强烈的断层。震后调查显示,2021年拜城MS5.4地震在宏观震中产生了一条长约4 km的同震地表破裂,出现地表破裂的位置并未有已知的活动断层。短时间内,同一位置先后两次发生5级以上破坏性的地震,其构造破裂模式和发震构造是否相同或存在一定的关联,这些科学问题尚不清楚。通过两次地震现场调查,确定地震的同震地表破裂组合样式和运动学特征,并对两次地震的地震构造成因进行了探讨,这对进一步研究前陆盆地内部含盐构造的现今构造变形及未来地震危险性具有一定的科学意义。

1 区域构造背景

近年来,随着石油天然气的开发和深部地震技术的不断改进,在库车坳陷内发现有大量的逆断裂—背斜带伴生有盐构造地层,这些盐构造和晚新生代背斜共同组成了库车前陆冲断带[14-15]。库车坳陷内的盐构造形成于天山山前重力滑脱扩展环境, 盐构造从北往南迁移, 分为盐岩沉积、低幅度盐枕和盐背斜持续隆升3个演化阶段, 盐岩厚度、盐上覆层沉积物厚度、盐下古隆起和断裂是影响库车盐构造的主要因素[16-18]。震中附近的吐孜玛扎逆断裂—背斜带就是一个典型的挤压型盐构造背斜(图2)[19-20]。盐构造的特点是在快速挤压作用可使原来相对软弱的盐岩具有较强的摩擦力,形成上覆层和基底耦合的非对称构造变形特征,导致原本相对软弱的塑性层表现出较强的脆性特征,发生脆性破裂,从而产生地震[21-22]。在重力、浮力和挤压应力的联合作用下,挤压盐构造的埋深通常较浅[23-24],这也使得他能够产生浅源、超浅源的地震,造成小范围的地表破裂和灾害损失[25]。而2021年拜城MS5.4地震的震中发现长约4 km的同震地表破裂带,而新疆境内以往出现如此规模地震地表破裂的震级一般都在6.5级以上[26]。因此,拜城这两次5级地震很可能与盆地内盐构造的挤压脆性破裂有关。

图2 吐孜玛扎逆断裂—褶皱带深部地震剖面解译图TQ1x—第四纪;TN2k—新第三纪库车组;TN1-2k—新第三纪康昆组;TN1j—新第三纪组;TE2-3s—古近纪素威组;TE1-2km—古近纪组;TK—白垩纪;TJ—侏罗纪;TT—三叠纪;GS—生长地层Fig.2 Interpretation of Deep Seismic Profile of Tuzimaza Reverse Fault Fold Belt

2 地震地表破裂调查

2020—2021年曾先后两次在同一位置发生5级以上地震,震后在2021年3月24日拜城MS5.4地震极震区内发现有地震同震破裂现象[27],而2020年的拜城MS5.0地震却未见明显的地表形变迹象。为精确测量地表形变的几何展布及活动特性,在拜城MS5.4地震发生后利用大疆M300无人机(XT2云台)对拜城MS5.4地震地表破裂进行航拍。根据航拍区域地形,航高设置为50 m,航向重叠率为60%,旁向重叠率为60%,在室内利用Agisoft Metashape Professional软件对航拍区域的照片进行处理,生成高分辨率正射镶嵌图(分辨率3.5～10.3 cm)和数字高程模型(分辨率14～77 cm),在ArcGIS软件中基于正射镶嵌图对地表破裂带进行详细解译和地表形变测量(图3)。

通过解译高分辨率正射影像获得的地震地表破裂展布图显示, 2021年拜城MS5.4地震在吐孜玛扎逆断裂—背斜的西倾伏端前缘的洪积扇上(海拔为1 500～1 700 m,目前被改造为农田)上产生了同震地表破裂带,破裂带全长约4 km,优势走向为N50°～70°E。实地调查发现,地表破裂虽然总体上呈线性的展布特征,但在阶区的分隔下呈现明显的左行左阶雁列状分布特征(图4和5),破裂性质为左旋走滑兼正断,其中主破裂带以走向为N50°～70°E的左旋走滑为主。在破裂带的2.6km处发育一组近南北走向的拉张裂缝,构成一个S125°～135°E的地堑。为了更好地描述破裂带的几何学特征,以由西向东约1.6 km为界,将破裂带分为a、b两段(图3a)。据此发现2个较为明显的特点:(1)a段破裂呈线性展布,走向为N30°E,而b段破裂则呈雁列状展布,破裂带的走向为N17°E,并且在2.6 km(c区)处还分布着N45°W走向的拉张性质的地表破裂带;(2)虽然最大的走滑位移位于b段,但是其余的走滑位移均测量于a段,破裂宽度具有明显向东、西两端减小的趋势,整体在1.6 km处达到峰值。将其划分为4段分别为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段为左旋位错量最大的区域,平均为0.6m,最大为0.79m(图4a)。S2段也有明显的左旋位错,平均约为0.3 m,最大值为0.55 m(图4b)。S1和S3段左旋走滑位移量明显小于其他两段,平均位移量为0.25±0.05 m(图4c)。针对地表破裂的宽度,共统计274个数据点,发现破裂的平均宽度为0.1～0.2 m(图5),最大宽度为0.7 m(图4d)。破裂宽度具有明显向东、西两端减小的趋势,整体在1.6 km处达到峰值。值得一提的是,地表破裂的左旋走滑位移量和宽度的变化趋势是同步的,即走滑位移量较大的段落,裂缝的宽度普遍较小,如S2段和S4段(图3b)。反之裂缝宽度普遍较大的段落,走滑位移量较小,如S3段。地表破裂总的位移量沿走向基本恒定,但以阶区为界,其运动特征在左旋走滑和拉张之间转变。

图4 无人机航拍地震地表破裂几何展布及运动特性展示 (a) 左行左阶斜裂地表破裂带,最大左旋水平位错为0.79±0.2 m (b) 左行雁列,平均约为0.3 m(b) 左旋位错,平均位移量0.25±0.05 m (d) 斜裂展布,破裂的宽度为0.1～0.2 m,最大宽度0.7 mFig.4 Display of geometric distribution and motion characteristics of earthquake surface rupture in UAV aerial photography

图5 地震地表破裂几何展布及断错位移量展示(a) 左行左阶斜裂地表破裂带,裂缝宽度为0.1～0.2 m (b) 左行拉张开裂,形成水平位错0.16 m (c) 地表破裂带穿越房屋造成严重损坏 (d) 地表破裂带穿越公路,形成宽0.2±0.5 m挤压破碎带Fig.5 Geometric distribution of seismic surface fractures and display of displacement of faults and dislocations

3 发震构造讨论

2020—2021年拜城两次5级地震微观震中位于库车坳陷第二排喀桑托开逆断裂—背斜带西段的吐孜玛扎逆断裂—背斜带西倾伏端。吐孜玛扎背斜带是一个晚第四纪活动背斜带,背斜走向NEE—SWW,与区域挤压应力方向(N-S)斜交约65°,长度约50 km。野外调查发现沿背斜核部出露有大量的膏岩盐、盐珠和盐脊,钻井和地震反射剖面资料揭示吐孜玛扎背斜沿走向具有分段差异变形特征,从西往东可以分为构造样式不同的3段:西段为隐伏于地下的盐墙;中段为出露地表的盐株;东段形成盐脊和盐推覆构造[20]。吐孜玛断层主要发育在吐孜玛扎背斜南翼[23],为北倾的逆冲断层,断层西段沿背斜核部展布,断层西端延伸至木扎尔特河附近呈隐伏状态未出露地表,断层全长约60 km。在喀普沙良河以西,沿吐孜玛扎断层可以观测到棕红色的库姆格列木组膏盐岩,形成低缓的、宽约几十米至百余米的带状盐脊,表明盐底辟现今仍然活动[22]。在吐孜麻扎背斜南翼的吐孜玛扎村附近,在卫星影像上沿断层断错山前洪积扇形成清晰线性陡坎,陡坎EW长约3.5 km(图6a)。地貌上,陡坎北高南低,沿陡坎断错山前洪积扇和河流T2、T3阶地面(图6c),利用RTK实测T3阶地面,垂直位错高度在11.5～12.5 m(图6d)。沿断层追索,在测线b西侧附近的冲沟中发现古近系泥岩向南逆冲断错河流T2级河流阶地卵砾石层(图6b)。对比张玲等在吐孜玛扎背斜北翼墩麻扎村附近F6地貌面取DMZ取样点[13],获得Be10样品测年为距今79.9±9.6 ka,F6地貌面是吐孜玛扎背斜南北向季节性河流沿线保留最为完整的地貌面,向南一直延伸至吐孜玛扎逆断裂附近,并被吐孜玛扎断裂所断错,取样点与吐孜玛扎逆断层相距约10 km(图1),而F6地貌面相当于本研究区河流T3阶地,由此可大致推断吐孜玛扎断层晚第四纪以来活动速率为0.16 mm/a。

图6 吐孜玛扎逆断裂卫星影像及断错地质地貌图(a) 断层地貌卫星影像图 (b) 断层断错河流T2级阶地面 (c) 断层陡坎地貌照片 (d) 实测断层陡坎地形剖面Fig.6 Satellite images and geological and geomorphological maps of Tuzimaza reverse fault

通过无人机航拍和地表破裂测量,2021年拜城MS5.4地震在吐孜玛扎背斜带西倾伏端北翼形成长约4 km的同震地表破裂带,破裂带平面上呈左行左阶的雁列状展布,具有明显的分段性和方向性,最大的左旋走滑位移量为0.79 m,最大的拉张分量0.7 m。此次地震宏观震中位于微观震中(CENC)以北约10 km,距离吐孜玛扎逆断层西延伸线最近距离约5 km。历史地震显示,2020年3月拜城MS5.0地震是距离此次拜城MS5.4地震距离最近和时间间隔最小的一次中强地震,虽然2020年3月的MS5.0地震并未发现明显的地震地表同震破裂,但不排除由于破裂规模较小而有所忽略。对比拜城这两次中强地震的震源机制解,两次地震震源破裂类型一致,均属于走滑型地震。而震后野外地质调查,震中所在的吐孜玛扎断裂断层主要以逆冲推覆为主,无明显的走滑活动迹象,这与拜城前后两次5级地震的震源机制解断错性质明显不符。根据两次地震震中所在的深部地震剖面和InSAR反演结果[3],吐孜玛扎背斜带下伏存在厚层的盐丘和盐墙,这与在背斜带地表发现有大量的膏盐岩出露基本一致,以上证据显示,吐孜玛扎背斜的确是一个典型的含盐构造背斜,而盐构造的特点是在快速挤压作用下表现出较强的塑性流动,容易引发膏盐岩脆性破裂,加上挤压盐构造的埋深通常较浅,使得其能够产生浅源、超浅源的地震,从而形成同震地表破裂现象。2020年拜城MS5.0地震和2021年拜城MS5.4地震很可能都发生在盐构造背斜内部的膏盐层中,在南北向挤压的环境中,膏盐岩产生强烈塑性流动,引发膏盐岩内部老断层再次复活,发生脆性破裂导致,构造成因上应属于“挤压盐构造地震”。同时,由于前后两次地震震源破裂的深度和位置的不同,导致其能量释放和地表破裂现象有所差异。

从地表破裂带的运动性质上看,造成拜城MS5.4地震地表破裂具有明显的左旋走滑特征,这可能是南天山持续的向南推挤使得库车褶皱带内的膏盐岩被挤压,快速的应力积累导致背斜带内部原本软弱的膏盐岩发生了脆性破裂,从而产生地震。同时,由于震中下伏的盐构造规模较小,在南北向的挤压作用下,又发生侧向滑动,这也就解释了为什么在近南北向主压应力方向的库车坳陷内会发生一次近EW走向的左旋走滑型地震。同时,对比新疆近年来的同等级别的地震[28-31],如2007年7月20日新疆特克斯MS5.7地震[28],极震区的烈度为Ⅶ度;2011年新疆阿图什市、伽师县交界MS5.8地震[29],极震区的烈度为Ⅶ度;2018新疆伽师MS5.5地震[30],极震区的烈度同样为Ⅶ度;而最近一次的2020年新疆库车MS5.6地震[31],极震区烈度仅为VI度;以上地震均未造成人员死亡,也未在震后出现过地震地表破裂现象。对比上述地震事件,拜城这两次5级地震,虽然震级不高,但在极震区烈度却达到了VIII度,在地表形成长约4 km的地震破裂带,并造成3人死亡异常严重破坏,由此显示此次“挤压盐构造地震”与以往构造地震存在明显的区别,这也是拜城两次5级地震造成异常严重破坏的主要原因之一。

4 结 论

通过无人机航拍确定了2021年3月24日拜城MS5.4地震的同震破裂带的几何展布和运动特性,破裂带平面上呈左行左阶的雁列状展布,具有明显的分段性和方向性,破裂带长度约4 km,最大的左旋走滑位移量为0.79 m,最大的拉张分量0.7 m。在震中所在的吐孜玛扎背斜南翼发现一条北倾的晚更新世活动的逆冲断层,断层断错距今79.9±9.6 ka以来的山前洪积扇和河流阶地,形成高约11～12 m的断层陡坎,晚第四纪以来断层活动速率为0.16 mm/a。构造分析认为,两次地震的发生与所处盆地内的挤压盐构造关系密切。由于南天山持续的向南推挤使得背斜内的膏盐岩被挤压,快速的应力积累导致背斜带内原本软弱的膏盐岩能够发生脆性破裂,并同时发生了侧向滑动,产生2020—2021年两次破坏性地震事件,构造成因上应属于“挤压盐构造地震”。同时,由于挤压盐构造通常埋深较浅,使得它能够产生浅源、超浅源的地震,这也是拜城两次5级地震造成了大面积破坏的主要原因之一。两次地震事件带来新的启示,就是在今后评价含盐盆地的地震危险性时,不仅要重视逆冲推覆带前缘最活跃的前锋断层,也要重视盆地内部的相关挤压盐构造,这些构造在强烈的挤压环境下可能产生浅源或超浅源的中强地震,造成严重的财产损失和人员伤亡。