• 首页关于本刊投稿须知期刊订阅编委会期刊合作查询检索English
2016年阿克陶MS6.7地震地表破裂特征和帕米尔现代构造应力场初步分析
2016年阿克陶MS6.7地震地表破裂特征和帕米尔现代构造应力场初步分析
胡伟华*1) 刘培玄2) 杨新红3) 陈建波1)
1)新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011;
2)地壳运动监测工程研究中心,北京 100036;
3)中国地震应急搜救中心,北京 100049
 [收稿日期]: 2017-01-04
摘要

帕米尔高原位于地中海-喜马拉雅地震带上,晚新生代以来随着印度板块向欧亚板块持续不断地挤压汇聚,其构造运动是欧亚大陆最强烈的地区。高原腹地发育一系列近SN向正断层,包括近SN向的塔什库尔干正断层所处的帕米尔中部现代区域的构造应力场以EW向水平拉张为主。2016年11月25日发生的阿克陶MS 6.7级地震的发震构造为塔什库尔干断层分支的NWW向木吉盆地北缘断层,其具有右旋走滑兼正断性质。地震在震中附近产生同震地表形变带,全长约1km,呈近SN-NNE向水平拉伸,发育近EW—NWW向的张裂缝,为地震破裂的产物,张裂缝的最大水平拉伸位移量和最大垂直位移量分别为46cm和16cm。地表破裂带中的NE和NW向张剪裂缝只是连接贯通这些雁列的张裂缝,其水平相对位移量取决于张裂缝的水平拉伸量和张裂缝之间的几何关系。地表形变带表现的拉张性质与帕米尔高原腹地区域现代应力场最大主压应力为垂直向基本一致,可能与深部热物质上涌造成的上地壳拉伸有关。而地表形变带呈近SN向水平拉张,与区域近EW向拉张应力场之间存在显著差异,这可能是木吉盆地北缘右旋走滑正断层阶区局部应力场调整的结果。



引言

2016年11月25日22时24分,新疆阿克陶县发生MS 6.7级地震(39.27°N,74.04°E),震源深度10km。震中位于海拔3000m以上的帕米尔高原腹地。根据中国地震局地球物理研究所得到的震源机制解(http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/275080.shtml),发震断层面走向303°,倾角74°,滑动角-162°,断层为右旋走滑型。参照美国哈佛大学给出的快速震源机制解(http://www.csndmc.ac.cn/csndmc/data/hrv_qcmt.jsp),本次地震矩震级为MW 6.6级,发震断层面走向289°,倾向87°,滑动角177°,断层为右旋走滑性质。帕米尔高原位于地中海-喜马拉雅地震带上,新生代以来印度板块持续不断地向欧亚板块挤压汇聚,导致其成为欧亚大陆构造运动最强烈的地区。帕米尔高原北部由西向东分布有阿赖山褶皱断裂带(吉尔吉斯斯坦境内)和西昆仑山褶皱断裂带,后者曾发生过1955年乌恰7级双震、1985年乌恰7.1级地震和2008年乌恰6.8级地震,表明现今帕米尔造山带不断向天山造山带俯冲消减;其东南部发育有康西瓦和喀喇昆仑大型走滑断层,在其西南部的阿富汗、巴基斯坦境内发育有赫拉特、查曼和基尔达-苏来曼大型走滑断层,南部的巴基斯坦、印度境内分布有喜马拉雅大型挤压推覆构造。历史地震、古地震和地表破裂带等研究表明,这些大型活动构造都曾经发生过7级甚至8级地震。本次地震发生在帕米尔高原的中部,该区域发育有塔什库尔干正断层和喀拉库尔正断层等(Blisniuk等,1997),前者曾发生过1895年7级地震,后者发生了2015年12月7日塔吉克斯坦7.4级地震。总体来看,帕米尔高原及周边发育了不同走向(EW、SN、NW和NE)和不同性质(逆断层、正断层、右旋走滑和左旋走滑断层)的大型现代活动断层,是大陆活动构造最复杂的地区之一。

震后中国地震局和新疆维吾尔自治区地震局立即成立地震现场工作队,于地震发生的次日到达灾区,将发震构造和地表破裂带调查作为地震烈度调查、灾害损失评估和科学考察中一项重要的工作内容。参考以往历史地震的调查统计结果,一般情况下新疆及其周边地区发生6.5级以上的地震才会产生地表破裂带,地震地表破裂带可以对比验证地震宏观震中的位置、发震断层、地表破裂组合特征和运动学性质等(徐锡伟等,2011)。经现场调查,极震区烈度为Ⅷ度,本次地震的发震构造为塔什库尔干断层系的分支——木吉盆地北缘断层,在震中附近发现长约1km的地表破裂带。

1 震地表形变带的基本特征

位于震中附近的阿克陶县木吉乡维日麻的一条冲沟谷地内可见呈波状起伏的近EW向同震地表形变带,其全长约1km(图 1),地表形成多条宽1—46cm的张性破裂,多数破裂因SN向扩张形成,少数破裂形成南高北低的顺坡向低坎,垂直高差3—16cm。此外,地表形变带穿过一居民点,造成居民点内土木结构房屋全部倒塌。


1.木吉盆地北缘断层;2.地表破裂带;3.微观震中;4.破裂分段
图 1 阿克陶地震地表破裂带展布 Fig. 1 Distribution of the surface ruptures of the Akto earthquake

根据同震地表形变带展布特征和裂缝性质,可将其分为3段,分述如下:

西段呈“S”型波状起伏,近东西展布,全长320m。由40°—60°走向的张剪裂缝和90°—120°走向的张裂缝构成。张裂缝壁面凹凸不平,张剪裂缝壁面平直陡立,而且这些走向不同的裂缝能够首尾相连,在地表形成“Z”字型折线延伸。张裂缝宽5—20cm,张剪裂缝宽1—5cm,两者都以水平向位移为主,几乎没有垂直落差。裂缝地表延伸多笔直,切割沟坡而不受地形影响。

从一组张裂缝与张剪裂缝的几何分布可见(图 2),走向290°的张裂缝a壁面粗糙不平,走向205°的张剪裂缝b壁面陡立光滑,裂缝a拉张5cm,使得裂缝b产生5cm的右旋走滑位移,两者交角85°。走向125°的张裂缝c水平拉张3cm,造成两端走向40°的张剪裂缝d和e右旋走滑3cm。


图 2 地表破裂带西段几何分布 Fig. 2 The geometric distribution in the western segment of the surface rupture zone

中段由多条NW向雁列展布的张裂缝组成,走向285°—310°,累计长度280m,水平向拉张5—21cm,局部发育南高北低的正向陡坎,垂直位移2—13cm。这些构造裂缝穿过牧民居住点,造成土木结构房屋倒塌(图 3)。


图 3 地表破裂带中段地裂缝穿过居民点造成土木结构房屋倒塌 Fig. 3 Collapse of civil structures caused by ground ruptures in the middle segment of surface rupture through the residential area

东段呈近东西向展布,走向75°—95°,累计长度约400m,由张裂缝组成,水平向拉伸2—46cm(图 4),南高北低的垂直向位错量为1—16cm。


图 4 地表破裂带东段地裂缝水平和垂直拉张位移量 Fig. 4 Horizontal and vertical tensile displacements in the east segment of surface rupture
2 构造组合关系的初步分析

根据地表形变带张裂缝与张剪裂缝的组合关系,我们提出了简化模型(图 5),AB为EW向张裂缝,水平拉伸量为x,AD为NE向张剪裂缝,与AB夹角为α;BC为NW向张剪裂缝,与AB之间夹角为β,AA’为AD右旋水平位移,位移量记为m,BB’为BC左旋水平位移,位移量记为n。拉伸量与平移量关系为:

$ m=\frac{x}{\rm{sin}\alpha }, \ \ n=\frac{x}{\rm{sin}\beta } $

图 5 地表破裂带张裂缝与张剪裂缝简化几何关系 Fig. 5 Simplified geometric relationship between tensile and shear cracks in surface rupture zone

图 2图 3显示的张裂缝与张剪裂缝之间的夹角均为85°,近直角,则计算得到的水平位移量与拉伸量基本相同,与野外测量结果一致。

调查分析结果表明,地表破裂带中张裂缝是主要的地震地表破裂产物,而NE和NW向的张剪裂缝只是连接贯通这些雁列的张裂缝,其水平相对位移量取决于张裂缝水平拉伸量和张裂缝之间的几何关系。因此本次地震破裂带构造运动性质是近SN—NNE向水平拉伸,并由此判定本次地震的最大主应力方向为垂直向,中间水平应力为近EW—NWW向,最小水平张应力为SN—NNE向。

3 发震断裂简述

据现场调查,本次地震的发震构造为塔什库尔干断层系。该断层系位于帕米尔高原腹地,总体呈SN向,由多条不连续的近SN向正断层和NW—NWW向正断兼右旋走滑断层构成。断裂带北起乌孜别里山口,向西南经木吉盆地北缘和东缘、布伦口盆地东缘、苏巴什盆地东缘和塔合曼盆地东缘山麓,之后折向西沿塔什库尔干盆地西缘山麓展布,终止于塔什库尔干县巴扎达什牧场,全长300余千米。断裂带均控制着这5个第四纪断陷盆地的一侧边界,断层面倾向这些盆地的中心,即断裂的上盘由盆地第四纪河流和冰川相沉积物所构成,而断裂的下盘山体主要由元古代变质岩系所组成,山盆高差平均在2000m以上,其中下盘附近的山脊包括3座7000m以上的山峰,分别为7595m的公格尔久别峰、7719m的公格尔峰和7546m的幕士塔格峰。塔什库尔干断裂带属于全新世活动断裂,1895年塔什库尔干7级地震同震地表形变带位于塔合曼盆地南段,长度约40km(郑剑东,1993)。除此之外,沿断裂带全线均有古地震地表破裂带或全新世活动痕迹,断裂带沿山盆交界处断错现代洪积扇、河漫滩、低阶地和晚第四纪冰碛物,全新世近EW向拉张,速率为5.4—6.7mm/a(李文巧,2014)。

本次地震地表破裂带位于木吉盆地北缘断层的西段,断裂带沿昆盖山南麓展布,近EW—NWW走向,断层面倾向S,具有正断兼右旋走滑性质(陈杰等,2011)。地表破裂带并没有发生在主断层上(图 1),而是发生在两条NWW向断层构成的右行左阶的阶区部位,阶区EW方向长4.5km,地表破裂带距东侧断层1.3km。阶区附近的构造应力场通常受到两侧走滑断层活动控制,具有局部应力场特征。本次地震的主震和地表破裂带都位于阶区内,最小主张应力发生了局部调整,产生了近SN向的拉张,而与区域近EW向的拉张应力场之间存在显著差异。

4 帕米尔高原现代构造应力场的简要分析

帕米尔地区位于地中海-喜马拉雅地震带上,新生代以来印度板块向欧亚板块持续不断地挤压汇聚,使其成为大陆构造运动最强烈的地区,活动断裂发育,具备发生大地震的大型全新世活动断层有29条之多(图 6),现今强震频发。根据活动断层性质,判定区域构造应力场如下:


(1)塔拉斯—费尔干纳右旋走滑断层;(2)吐尔尕特逆断层;(3)迈丹逆断层;(4)柯坪逆断层;(5)塔里木北缘逆断层;(6)卡兹克阿尔特逆断层;(7)阿赖山山前逆断层;(8)塔什库尔干正断层;(9)朗库里正断层;(10)穆尔加布正断层;(11)喀拉库尔正断层;(12)克孜勒陶-库斯拉普右旋走滑逆断层;(13)康西瓦左旋走滑断层;(14)喀喇昆仑-狮泉河右旋走滑断层;(15)喜马拉雅主中央逆断层;(16)喜马拉雅主边界逆断层;(17)旁遮普逆断层;(18)基尔达-苏来曼左旋走滑断层;(19)查曼左旋走滑断层;(20)贾拉拉巴德-瓦罕左旋走滑断层;(21)赫拉特右旋走滑断层;(22)巴格兰右旋走滑断层;(23)加巴什左旋走滑断层;(24)塔维尔达拉左旋走滑断层;(25)瓦赫什左旋走滑逆断层;(26)苏杨博斯-萨哈图孜逆断层;(27)图尔孙扎德-赛拉布逆断层;(28)纳伦盆地南缘逆断层;(29)加兹利右旋逆断层
图 6 帕米尔高原主要活动断层分布图 Fig. 6 Distribution of the main active faults of Pamir plateau

喜马拉雅俯冲带位于帕米尔高原南缘,包括NW向的喜马拉雅主中央逆断层(15)、喜马拉雅主边界逆断层(16)和近EW向旁遮普逆断层(17),断层面均倾向NE或N,表明欧亚板块推覆于印度板块之上,造成帕米尔高原南部现今强烈的挤压变形,该区域最大水平主压应力为SN向,最小主压应力方向为垂直向。

帕米尔东南部康西瓦左旋走滑断层(13)和喀喇昆仑-狮泉河右旋走滑断层(14)构成的活动边界造成青藏高原西部块体向东南挤出,卫星影像解译这两条走滑断层分别发育长150km和130km的古地震地表形变带,该区域最大水平主压应力为NE向,最小水平主压应力方向为NW向。

帕米尔西南部近EW向赫拉特右旋走滑断层(21)和NNE向的查曼左旋走滑断层(19)交汇于喀布尔附近(Trifonov,1978),造成阿富汗中部和南部块体向西南滑移,该区域最大水平主压应力为NW向,最小水平主压应力方向为NE向。帕米尔西部的阿富汗兴都库什地区,现今发生过多次7级以上中源地震,震源深度70—260km,震源呈NW走向条带状分布,可能是印度板块下插欧亚板块形成的贝尼奥夫带所引起的(宁杰远等,1990),印度板块在兴都库什地区主动向北俯冲(张浪平等,2014)。

帕米尔北部和东北部受南天山褶皱造山带的阻挡,边缘发育了一系列近EW向逆断层,包括阿赖山山前逆断层(7)、卡兹克阿尔特逆断层(6)和塔里木北缘逆断层(5),这些断层都是南倾的逆断层(伍秀芳等,2004),以背驮式逆冲推覆构造向南天山前陆扩展(宋扬等,2011),此处发生过7级以上地震或古地震,其中塔里木北缘的高角度逆断层是1902年阿图什8¼地震的发震构造(田勤俭等,2006)。而在南天山山前也发育了几条NEE走向的逆断层,由南向北分别为柯坪逆断层(4)、迈丹逆断层(3)和吐尔尕特逆断层(2),这些断层都发育有古地震形变带,且断层面向北倾。该区域最大水平主压应力为SN向,最小主压应力方向为垂直向。

帕米尔中部主要由多组正断层构成,除塔什库尔干正断层(8)外,还有朗库里正断层(9)和穆尔加布正断层(10),卫星影像解译这两条断层具有断错现代洪积扇、全新世冰碛物、河漫滩和低阶地的全新世活动迹象,这3条断层形状相似呈“3”字型,近SN向展布且相互平行,相距40—60km。此外在喀拉库尔湖南侧还发育有NNE向喀拉库尔正断层(11),这些断层构成了帕米尔中部拉张构造体系。该地区地壳厚度已经达到70km(马杏垣,1989),近乎是大陆平均地壳厚度的2倍,与青藏高原地壳结构相类似。研究表明青藏高原热的、软弱的下地壳可能向东、西两个方向流动(Tapponnier等,1981)。而帕米尔中部的拉张构造又与青藏高原南部的近SN向拉张断层系相类似,后者包括当雄-羊八井正断层、越恰错-谢通门正断层和当惹雍错-夏雄正断层等。对比分析帕米尔中部现代区域构造应力场的最大主压应力为垂直向,最小水平张应力为近EW向,这可能与地幔物质上涌有关。

5 讨论和结论

2016年11月25日发生的阿克陶MS 6.7级地震地表形变带属拉张型,与帕米尔中部构造应力场大体一致。但形变带所反映的最小水平张应力方向为SN-NNE向,与区域最小水平张应力方向——近EW向几乎垂直,导致该现象的原因可能包括本次地震地表形变带不在主断层上,而是在两条主断层之间的阶区内;本次地震震级仅为MS 6.7级,属于小尺度构造破裂的能量释放。帕米尔现代造山带的应力场本身就是复杂多变的,不同区域的大型活动断层都有各自的活动特征,但它们组合起来所表现的运动性质就统一表现为帕米尔造山带持续向北挤压隆起。我国境内具有代表性的帕米尔中部的塔什库尔干正断层与帕米尔东北部的卡兹克阿尔特逆断层,两者相互平行,在40—60km范围内应力场却发生了根本性的改变,由垂直正断型转变成水平逆冲型,两者之间的构造联系,即塔什库尔干断层的伸展运动是否与卡兹克阿尔特断层逆冲运动有关,值得我们今后开展进一步的研究工作。

本次地震震中区同震地表形变带全长约1km,构造运动性质是近SN—NNE向水平拉伸,张裂缝最大水平拉伸位移量为46cm,最大垂直位移量为16cm,连接各张裂缝的张剪裂缝,其水平相对位移量取决于张裂缝水平拉伸量和张裂缝之间的几何关系。对比新疆及周边地区以往历史地震的地表断层长度和位错量,比较符合震级大于6.5级才能产生地表形变带这一统计规律。地表形变带表现的拉张性质与帕米尔高原腹地区域现代应力场最大主压应力为垂直向基本一致,这可能与深部热物质上涌造成上地壳拉伸有关。而地表形变带表现为近SN向拉张,这与区域近EW向拉张应力场之间具有显著差异,这可能是木吉盆地北缘右旋走滑正断层的阶区局部应力场调整的结果。

参考文献
陈杰, 李涛, 李文巧, 等, 2011. 帕米尔构造结及邻区的晚新生代构造与现今变形[J]. 地震地质, 33(2): 241-259.
李文巧, 2014. 帕米尔高原东北部塔什库尔干谷地活动构造与强震[J]. 国际地震动态, (8): 35-41.
马杏垣, 1989. 中国岩石圈动力学地图集. 北京: 中国地图出版社.
宁杰远, 臧绍先, 1990. 帕米尔-兴都库什地区地震空间分布特征及应力场特征[J]. 地球物理学报, 33(6): 657-669.
宋扬, 胡建中, 王瑞江, 等, 2011. 帕米尔弧东段逆冲推覆构造特征[J]. 现代地质, 25(1): 15-21.
伍秀芳, 刘胜, 汪新, 等, 2004. 帕米尔-西昆仑北麓新生代前陆褶皱冲断带构造剖面分析[J]. 地质科学, 39(2): 260-271.
田勤俭, 丁国瑜, 郝平, 等, 2006. 南天山及塔里木北缘构造带西段地震构造研究[J]. 地震地质, 28(2): 213-223.
徐锡伟, 谭锡斌, 吴国栋, 等, 2011. 2008年于田MS 7.3地震地表破裂带特征及其构造属性讨论[J]. 地震地质, 33(2): 462-471.
张浪平, 邵志刚, 李志海, 2014. 印度板块与欧亚板块在兴都库什-帕米尔地区相互俯冲的动力作用分析[J]. 地球物理学报, 57(2): 459-471. DOI:10.6038/cjg20140212
郑剑东, 1993. 喀喇昆仑断层与塔什库尔干地震形变带[J]. 地震地质, 15(2): 107-196.
Blisniuk P. M., Strecker M. R., 1997. Quaternary oblique normal faulting in the Lake Karakul area, northern Pamir (Tajikistan): transfer of lateral escape along the Karakorum and Altyn Tagh faults? Geological Society of America, 29(6): 470.
Tapponnier P., Mercier J. L., Armijo R., et al, 1981. Field evidence for active normal faulting in Tibet[J]. Nature, 294(5840): 410-414. DOI:10.1038/294410a0
Trifonov V. G., 1978. Late Quaternary tectonic movements of western and central Asia[J]. Geological Society of America Bulletin, 89(7): 1059-1072. DOI:10.1130/0016-7606(1978)89<1059:LQTMOW>2.0.CO;2


Surface Rupture Features of the Akto MS6.7 Earthquake in 2016 and Modern Tectonic Stress Field of Pamir
Hu Weihua*1), Liu Peixuan2), Yang Xinhong3), Chen Jianbo1)
1) Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China;
2) National Earthquake Infrastructure Service, Beijing 100036, China;
3) National Earthquake Response Support Service, Beijing 100049, China
Abstract

The Pamir plateau is located in the Mediterranean-Himalayan seismic zones. In late Cenozoic as Indian plate has continuously subducted with the Eurasian plate, its tectonic movement become the strongest in the Eurasian continent. In the interior of the plateau where are series of near S-N-striking normal faults, including near S-N-striking Taxkorgan fault, the modern tectonic stress field in central Pamir suggests mainly E-W directed extension. The seismogenic structure is the N-W-W-striking northern margin of the Muji basin fault, a branch of the Tashkurgan fault,which is the dextral strike-slip and normal active fault. The coseismic surface deformation zone produced by the Akto MS6.7 earthquake is about 1km long, along EW-NWW trending. The horizontally tectonic movement is EW-NWW trending tensile fractures, which are the main earthquake ruptures. The maximum horizontal displacement is 46cm and the maximum vertical displacement is 16cm. The NE and NW trending shear cracks in the surface rupture zone are only connected to these fissures, and the horizontal relative displacement depends on the geometric relationship of the tensile fractures and horizontal tensile displacement. Extension properties of the surface deformation with maximum vertical principal stress are about in consistent with regional stress in the interior of the Pamir plateau, in which related upwelling hot material may result in the upper crust extending. The surface deformation zone has near S-N directed horizontal extension. Compared with near E-W directed extension in the region stress field, the difference is significant, which may be interpreted to adjust the partial stress field of the step between two dextral strike-slip and normal faults of the northern margin of the Muji basin faults.



主办单位:中国地震台网中心
版权所有:《震灾防御技术》编辑部
地址:北京西城区三里河南横街5号,   邮编:100045
邮箱:zzfy2006@126.com   电话:59959251;59959139;59959462
访问人数:1517880
2016年阿克陶MS6.7地震地表破裂特征和帕米尔现代构造应力场初步分析
胡伟华*1) 刘培玄2) 杨新红3) 陈建波1)
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170405