0 引言

拜城及其邻区位于新疆西部，地处天山中段，构造上位于塔里木盆地和伊犁盆地之间的南天山造山带及其前陆推覆构造(库车坳陷、昭苏盆地)。1995年1月—2024年5月期间拜城及其邻区共发生3.0级以上地震345次，其中M_S3.0~3.9地震275次，M_S4.0~4.9地震61次，M_S5.0~5.9地震7次，M_S6.0~6.9地震2次，最大地震为2013年1月29日哈萨克斯坦6.1级地震(图 1(a))。尤其是2020年以来，该地区共发生5.0级以上地震5次，4.0级以上地震25次，最大地震为2024年4月10日拜城5.6级地震(图 1(b))。这些地震主要集中在与南天山造山带南北两侧相接的库车坳陷和昭苏盆地，表明拜城及其邻区近期中小地震活动仍处于较为活跃的阶段。目前，基于地震震源机制解反演应力场特征的方法已较为成熟，其有助于深入研究区域地震活动性及发震构造与应力场之间的关系(张志斌等，2020；盛书中等，2022；师涵博等，2022；李欣蔚等，2022)。然而专门针对拜城及其邻区中小地震震源机制及应力场的研究相对较少，加之2020年以来该地区地震活动性逐步增强，可能显示了区域应力场增强，因此厘清拜城及其邻区地震的震源破裂形式及区域主应力场特征，对未来该地区地震活动性分析有着积极的意义。

本文首先使用CAP方法补充计算2003年11月—2024年5月拜城及其邻区M_S≥3.0地震的震源机制解，其次采用MSTASI方法将研究区划分为不同区域分别进行应力场反演，获得了主应力方向及应力形因子R的分布特征，然后结合近两年GPS速度场特征分析研究区应力场时空演化特征。本研究能为拜城及其邻区后续地震震源机制解计算和应力场分析提供一定参考，并为南天山中段两侧前陆盆地区域地震趋势判定提供依据。

1 区域地质构造背景及地震活动特征

天山山脉是中亚最大的陆内造山带之一，EW向绵延约2500km，这条晚古生代造山带的隆升是由于新生代印度板块和欧亚板块碰撞引起的陆内变形(Li et al，2023)。此种变形不断扩展到造山带周缘的前陆盆地，在南部形成了一系列的褶皱推覆带(如库车坳陷)，在北部形成了断陷盆地(如昭苏盆地)(邓起东等，2000)。其中，山前盆地库车坳陷北侧发育的北轮台断裂控制着坳陷的早期发展，形成北断南坳的压陷构造，坳陷内部发育着喀桑托开背斜和秋里塔格背斜，底部为相应的逆冲断裂，沉积厚度达10km，基底位于10km以下(邓起东等，2000；赵孟军等，2015)。昭苏盆地同样属于断陷盆地，整体呈NE向展布，其现今构造格局呈现南北两翼突起、中部凹陷、东高西低的“簸箕状”盆地，盆内发育着昭苏盆地南缘断裂(马小平等，2015)。

新生代时期受印度板块和亚洲板块碰撞的远程效应影响，在南天山中段北部和南部地区山前前陆盆地内发育着活动逆断裂-褶皱带，如秋里塔格断裂带、喀桑托开断裂、昭苏盆地南缘断裂等。区内发生了一些低倾角逆冲性质地震，如1999年3月库车M_S5.9、2003年12月昭苏M_S6.0地震，表明这些活动断裂与中强地震有着紧密的关系。在区域应力场方面，郝平等(2012)反演了中国西部及邻区构造应力场，获得南天山造山带边缘最大主压应力σ₁轴以水平向为主，且方向为近SN向。而南天山与塔里木盆地之间的应变速率以挤压应变为主，挤压速率为4~6mm/a(Wang et al，2020)，表明南天山中段现今的地壳形变十分强烈。

从现今南天山中段南北两侧发育的一系列逆冲性质活动断裂来看，其是否与近期该地区发生的中强地震破裂方式相一致？依托一定数量地震震源机制解结果反演出的现今应力场分布特征与地壳表面GPS速度场是否存在一致性？基于上述两点问题，本研究以CAP方法反演的中强地震震源深度及震源机制解为基础，结合应力场反演与GNSS资料，尝试从发震机理和应力场特征展开讨论。

2 数据资料与计算方法

考虑研究区的地震分布情况，将研究范围确定为东至北轮台断裂附近，西至库车坳陷西端和昭苏盆地以西，北部范围到昭苏盆地，南部到库车坳陷以南地区(图 2)。

本研究收集新疆区域台网宽频带固定台站2003—2024年M_S≥3.0地震波形数据，其中3.0≤M_S＜3.5地震事件波形数据时间段为2023年4月—2024年5月，参与波形反演的台站分布图如2所示。为获得可靠的计算结果，剔除了短周期频带、低信噪比的波形记录。同时，本研究还收集全球矩心矩张量(GCMT)中1995—2021年10个M_S≥5.0地震的震源机制解结果，结合本文反演的94个震源机制解，共计104个震源机制解结果参与了区域应力场计算。

震源机制解计算采用CAP方法(Zhao et al，1994；Zhu et al，1996)，该方法将宽频带数字地震波形记录分解为体波和面波两部分，在给定的参数空间中进行网格搜索，计算并搜索理论地震波形与真实地震波形之间拟合误差函数最小的机制解，以得到最优的震源机制解及其震源深度(韩立波等，2012)，计算过程中允许实际波形与理论波形拟合存在一定时间范围内的滑移，减少了速度模型精度不够带来的影响。考虑到CAP方法对速度模型和地壳横向变化的依赖较小(吕坚等，2008；郑勇等，2009；邓明文等，2024)，且模型中需要密度、S波速度等参数，本文选用了Crust2.0作为CAP方法波形反演的一维速度模型(图 3)。

应力场反演方面，目前，采用SATSI算法对区域应力场阻尼反演应用广泛(Hardebeck et al，2006)，本研究将使用由其发展而来的MSATSI算法(Martínez-Garzón et al，2014；李欣蔚等，2022；盛书中等，2022)。该方法主要是基于阻尼最小二乘法的线性反演，其主要计算过程首先是将震源机制解按照一定精度划分为相邻的若干网格区域，然后对网格内的震源机制解线性化反演，并在反演过程中加入一个能够消除网格边界应力场变化不平滑的阻尼参数，最后通过多次重采样方法，以其中一个节面进行反演，统计在一定置信度下的反演结果，从而获得该区域最佳应力场特征。在研究地震震源机制解和构造应力场之间的关系时，通常引入应力形比例因子R来表征相对应力大小(万永革等，2008)，即

$ R=\frac{\sigma_2-\sigma_1}{\sigma_3-\sigma_1} $

(1)

其中，σ₁、σ₂、σ₃分别为最大、中间和最小主压应力。当R值接近0.5时，3个应力值之间变化值相同，σ₁和σ₃确定；当R值接近1.0时，σ₃和σ₂两者张应力状态一致，两轴不易区分；当R值接近0时，σ₁和σ₂两者压应力状态一致，两轴不易划分(万永革等，2022)。

3 震源机制解结果和分析

对2023年5月—2024年5月研究区M_S≥4.5地震的震源机制解进行反演，共使用12个台站的波形资料，Pnl波滤波频段为0.05~0.12Hz，允许滑动时间为3s，面波滤波频段为0.06~0.10Hz，允许滑动时间为4s。其中，昭苏M_S4.5地震的震源机制解结果为：节面Ⅰ走向290°、倾角37°、滑动角122°，节面Ⅱ走向72°、倾角59°、滑动角68°，矩震级M_W4.23，矩心深度14km(图 4(a))；拜城M_S4.6地震的震源机制解结果为：节面Ⅰ走向304°、倾角24°、滑动角122°，节面Ⅱ走向90°、倾角70°、滑动角77°，矩震级M_W4.46，矩心深度14km(图 4(b))。上述2个地震震源机制解在节面Ⅰ和节面Ⅱ的参数十分接近，但二者位于南天山两侧，均属于逆冲型。从图 4(c)、4(d)波形拟合情况来看，拜城M_S5.4地震约80%的分量拟合相关系数高于70%，拜城M_S5.6地震分量拟合相关系数高于70%的也占77%，表明反演过程中理论与实际波形具有较高质量的拟合关系。从上述4个地震的深度拟合残差情况来看，拟合深度误差分布变化平稳，震源机制解结果稳定，表明在矩心深度反演上具有较高可信度。

本文将昭苏M_S4.5地震和库车坳陷内的3次拜城5级地震与其他不同研究结果进行比较(表 1)，从16个震源机制解结果来看，整体上均为逆冲型的震源破裂方式，具有较好的一致性。其中，本文给出的昭苏M_S4.5地震震源深度(14km)与梁姗姗等(2023)获取的深度(8km)存在较大差异，这可能与波形数据来源有关，由于震中分布距离国界较近，因此本研究中该地震参与近场反演的台站整体方位角偏小，进一步引起较大的深度误差，这种深度误差情况在近场台站分布均匀的拜城M_S5.1地震反演过程则相对较小。各个机构给出的拜城M_S5.6地震的深度范围相对集中(10~12km)，表明拜城M_S5.6地震可能是一次库车坳陷内逆冲断裂在结晶基底上滑脱导致的破裂事件。基于震源机制中心解的方法(万永革，2019)，本文给出了2024年4月拜城3次5级地震不同机构的最小空间旋转角分布情况(图 5)，从其分布范围来看，拜城M_S5.1地震的最小空间旋转角差异最小，分布在7°左右，且本研究结果获得的角度最小；拜城M_S5.6、M_S5.4地震最小空间旋转角分布范围在6.63°~16.72°和2.89°~15.56°。综上所述，对比不同机构获取的震源深度及节面参数结果较为相近，进一步表明本文反演结果的可靠性。

① https://www.globalcmt.org/CMTsearch.html

② https://geofon.gfz-potsdam.de/eqinfo/list.php

③ https://www.cea-igp.ac.cn/index.html

④ https://www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards

本研究选取2003年11月—2024年5月新疆地震台网波形数据，采用CAP方法反演获得94个震源机制解结果，加上GCMT给出的10个震源机制解结果，共计104个(表 2)。研究区地震的震源深度主要分布在10~20km，从震源机制解节面参数的走向来看，其中一个方向以近NE向为主，这与南天山造山带走向相接近。从震源机制解空间分布(图 6)来看，逆断型结果主要集中在南天山造山带南北两侧的前陆盆地内，走滑型结果主要集中在南天山中部和库车坳陷。2022年12月以来地震事件主要分布于库车坳陷、昭苏盆地，且集中在南天山南部地区，表明近期受塔里木克拉通北缘向南天山造山带的持续推挤，研究区区域应力场有所增强。

依照万永革(2024)提出的震源机制解分类标准对反演的震源机制解进行分类，结果显示这些地震的破裂类型以逆断型为主，包含了逆走滑型和走滑型(图 7(a))，其中走滑型地震有16个，占总数量的15.53%；逆走滑型地震有12个，占总数量的11.65%；逆断型地震有75个，占总数量的72.82%。通过对震源机制解结果的P、T、B参数进行统计(图 7(b))可以看出，主压应力轴(P轴)优势方位集中在NS向，倾伏角集中在0°~30°之间；N轴(B轴)优势方位集中在近EW向，倾伏角主要分布在小于30°范围内；拉张应力轴(T轴)优势方位集中在NW向，倾伏角主要分布在大于60°范围内。统计结果显示了近SN向的水平应力场特征，表明南天山造山带现今应力场主要受到塔里木盆地和昭苏盆地SN向的水平推挤作用。

4 区域应力场结果及分析

结合研究区地震集中在南天山南侧、整体呈NEE向展布的特点，将研究区划分了5个网格(图 2)。在置信度为95%的条件下，对原始数据进行2000次重采样，并根据拟合残差与模型长度相关性的折中曲线，获得最佳阻尼系数为1.1(图 8)，网格内震源机制解个数最小为11个。应力反演结果(图 9(a))显示，研究区最大主压应力轴σ₁的方向以近NS向为主，库车坳陷1~4区和昭苏盆地5区σ₁走向介于-1°~13°之间，σ₁倾角介于6°~27°之间，R值介于0.56~0.86之间，表明该地区最大主压应力轴明确，显示了南天山两侧近水平向挤压的应力场分布格局。图 9(b)为Wang等(2020)利用GPS资料反演获取的研究及周边应力场主压应力轴的分布方向，对比本研究的结果，二者具有较好的一致性，反映了本研究计算结果的可信性。进一步表明拜城及其邻区一定深度(震源机制解矩心深度)的应力场与地表速度场获得的应力场是一致的，与此同时主应力场强度呈现由西向东减弱的变化趋势。4区σ₁倾角为27°，明显高于1~3区的σ₁倾角(6°~13°)，4区位于南天山造山带与塔里木克拉通直接挤压区，1~3区的库车坳陷地区属于前陆盆地，基底呈现出逆冲叠瓦状构造(Li et al，2023)，显示了库车坳陷前端至南天山造山带的主压应力轴倾角逐渐增大，表明不同地区主压应轴倾伏角存在差异。

5 讨论

利用Wang等(2020)对天山地震带1991—2016年GNSS观测资料计算获得的GPS速度场结果，水平分量速度估算精度优于1.6mm/a，绘制了相应速度场(图 10)，整体上来看，南天山两侧存在明显的运动速率差异，南侧运动速率明显高于北侧。其中，南天山北部地区平均运动速率为5.2mm/a，南部地区平均运动速率为13.8mm/a，表明南天山中段南北两侧存在7.6mm/a地壳缩短量情况，这与杨少敏等(2008)给出的南天山东部总缩短速率在5~10mm/a的结果相符。由图 10可知，研究区及周边地区的地壳运动速率由南向北逐渐减小，由于青藏高原向北推挤受到塔里木克拉通和天山造山带的阻挡，因此越远离碰撞带，其地壳运动速率越小(瞿伟等，2021)，结合2017年以来的地震震中分布图来看，研究区地震活动性也具有同样的变化趋势。库车坳陷中部拜城凹陷的运动速率明显高于其周边北部及东部地区的运动速率，平均运动速率相差4.6mm/a，这种运动速率的差异反映了该地区的构造挤压缩短强烈，而2023年4月以来该地区发生3次M_S5.0~5.9地震、15次M_S4.0~4.9地震和44次M_S3.0~3.9地震，表明山盆带加速推挤是地震活动性增强的主要原因。研究区构造应力场反映了地壳内部一定深度的应力状态，其主压应力轴方向为SN向，这与GPS速度场水平向方向相一致，显示了地壳表面和深部动力学特征相一致，反映出库车坳陷运动具有一定整体性，从而表明应力场反演的可靠性。

考虑本研究所涉及的震源机制解结果主要集中在拜城的库车坳陷，为获得更直观的南天山震源机制解剖面，选取了2条剖面线，其中AA′宽度为240km，BB′宽度为90km(图 6)。从震源机制解剖面图(图 11)来看，南天山中段两侧震源机制结果以逆断型为主，且表现出一定的对称性，中部则以走滑型为主，这与北天山地区震源机制解分布特点相一致(张志斌等，2020)，表明南天山与北天山所处的挤压区域应力场特征相近。跨天山中段人工地震反射剖面显示，山盆过渡带下部结晶基底深度至少在13km(卢德源等，2000)，该地区天山中强地震深度大多在20km左右(张志斌等，2020)，深于近期库车坳陷地区的地震，进一步表明本研究在地震震源深度反演方面的可靠性。胥颐等(2005)利用吉尔吉斯天山地震精定位确定了一条倾角在6°~12°从哈萨克斯坦地台延伸至南天山下部的滑脱构造，若按照南天山中段两侧地震具有一定对称性(胥颐等，2005)，拜城地区的低倾角地震可能发生在塔里木克拉通与天山造山带的滑脱面上。剖面AA′中库车坳陷地区近期地震的矩心深度主要集中在11~14km，这些地震分布在发育大量膏岩层的沉积盖层内部(赵孟军等，2015)，库车坳陷位于塔里木克拉通和南天山造山带挤压的前沿地带，在近水平的SN向应力场作用下，断裂的活动形式以逆冲为主。从BB′剖面来看，库车坳陷东部克拉苏—依奇克里克构造带中的震源深度在11~14km有集中分布，表明这些地震所处在的逆冲推覆构造的底部可能是主要的发震断层。

6 结论

本文采用CAP方法补充计算了拜城及其邻区2003—2024年M_S≥3.0地震的震源机制解，同时收集以往历史地震震源机制解结果，利用MSATSI软件反演了相应的应力场，结合GPS速度场对近期拜城及其邻区的震源机制和应力场特征展开分析，获得了以下几点认识：

(1) 拜城及其邻区的104个地震震源机制解以逆断型为主，并分布于南天山两侧，走向上呈NEE向，与附近断裂走向相近，节面Ⅰ为相应发震断层。震源深度存在局部差异，库车坳陷地区地震深度集中在11km左右，昭苏盆地地区地震深度集中在15~20km，这是地震发震断层处在不同类型构造单元的结果，前者属于盆山结合带的前陆盆地，后者位于造山带内部断裂带上。

(2) 区域应力场以SN向分布的主压应力为主，且主压应力轴以低倾角为主，应力形因子R集中在0.5~1之间，反映出挤压的应力状态。结合GPS速度场，应力场主压应力轴方向与水平运动方向相近，库车坳陷近期地震活动性增强是由其与周边水平运动速率差异增大引起的。

致谢: 审稿专家为本文提出建设性的修改意见，新疆维吾尔自治区地震局为本研究提供原始波形数据，中国地震局地质研究所王敏研究员提供了GPS速度场数据，本文主要图件采用GMT6(Wessel et al，2019)绘制，在此一并表示感谢。