2020 年1 月16 日庫車MS5.6 地震前庫爾勒地震臺部分資料異常特征

段紹鑫， 張 森， 鄧明文， 劉青山， 張小飛， 李?yuàn)檴?/p>

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫爾勒地震臺， 新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定， 2020 年01 月16 日16 時(shí) 32 分 38 秒（北京時(shí)間）在新疆阿克蘇地區(qū)庫車縣發(fā)生5.6 級地震， 微觀震中位置為41.21°N、83.60°E， 震中深度 16 km； 震中距離沙雅縣城 69 km， 庫車縣城 78 km， 烏魯木齊市 438 km。 震源區(qū)周圍200 km 范圍內(nèi)近5 年來發(fā)生3 級以上地震共 141 次（圖 1）， 最大地震為 2017 年 9 月 16 日庫車5.7 級地震， 這些地震集中分布在震中北側(cè)， 震中南側(cè)為塔克拉瑪干沙漠， 地震活動(dòng)較弱。

從地震發(fā)生位置來看， 震中位于南天山中東段， 塔里木盆地北緣， 發(fā)震構(gòu)造為近東西向的早更新世斷層—尉犁隱伏斷層， 震中北側(cè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜， 有牙哈隱伏斷裂、 東卻勒塔格斷裂、秋里塔格斷裂等， 斷層性質(zhì)多為逆斷[1]（圖 1）。 根據(jù)新疆臺網(wǎng)60 個(gè)臺站記錄到的清晰P 波初動(dòng)結(jié)果， 計(jì)算得到庫車MS5.6 地震震源機(jī)制解， 表1 給出來源不同的震源機(jī)制解結(jié)果， 結(jié)果一致均為走滑型斷裂。 庫車MS5.6 地震為主震—余震型， 最大余震為 1 月 19 日 ML3.9 地震， ML≥1.0 余震主要分布在震源區(qū)15 km 范圍內(nèi)， 總體呈近東西向展布，與發(fā)震構(gòu)造尉犁隱伏斷裂走向基本一致。 本文主要對庫車5.6 級地震前部分測震學(xué)異常進(jìn)行分析，總結(jié)中強(qiáng)地震前的異常特征， 以期為今后地震預(yù)測提供震兆信息。

表1 2020 年1 月16 日庫車Ms5.6 地震震源機(jī)制解Table 1 Focal mechanism solution of the Kuche Ms5.6 earthquake on January 16th， 2020

圖1 庫車地震區(qū)域構(gòu)造及震源機(jī)制解Fig.1 Regional structure and focal mechanism solution of Kuche earthquake

1 數(shù)據(jù)選取

庫爾勒501 測震臺自2007 年12 月架設(shè)開始觀測， 儀器狀態(tài)良好， 基本無斷記情況； 庫米什測震臺自2008 年以來使用數(shù)字化地震儀記錄數(shù)據(jù)， 儀器運(yùn)行穩(wěn)定。 運(yùn)用單臺小震優(yōu)勢分布法、logN-M 法和b 值計(jì)算法對庫爾勒501 測點(diǎn)和庫米什測點(diǎn)進(jìn)行單臺控震能力計(jì)算， 并用M-Δ 法驗(yàn)證結(jié)果， 得到庫爾勒 501 測震臺 0～100 km、 101～200 km、 201 ～300 km 內(nèi) 的 監(jiān) 測 能 力 分 別 為 ML1.2、ML1.7、 ML2.1； 庫米什測震臺 0～100 km、 101～200 km、 201 ～300 km 內(nèi) 的 監(jiān) 測 能 力 分 別 為 ML0.6、ML1.3、 ML1.7[2]。

“庫米什地震窗” 以庫米什測震臺為中心， 選取2008 年以來100 km 范圍內(nèi)ML≥1.0 地震作為研究資料， 分析 S-P≤10 s 范圍內(nèi)ML≥1.0 小震的月頻次； 庫爾勒單臺地震波參數(shù)以庫爾勒501 測震臺為中心， 選取 2012 年 1 月 1 日至 2020 年 2 月29 日期間距離臺站 80～250 km 范圍內(nèi) ML≥2.0 且震相清晰、 干擾較小的地震作為研究資料； 庫爾勒臺地震學(xué)參數(shù)時(shí)間掃描計(jì)算以庫爾勒501 測震臺為中心， 選取 2012 年 1 月 1 日至 2020 年 2 月29 日期間距離臺站 0～250 km 范圍內(nèi) ML≥2.0 且震相清晰、 干擾較小的地震作為研究資料； 計(jì)算中數(shù)據(jù)選擇的具體范圍如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)選取范圍及庫爾勒501 測震臺250 km 范圍內(nèi)中強(qiáng)地震空間分布Fig.2 Data selection range and spatial distribution of moderate and strong earthquakes within 250 km of Korla 501 Seismic Station

2 “庫米什地震窗” 異常特征

“地震窗” 的地震活動(dòng)可用來表征區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場， 即主要通過弱震活動(dòng)形式來反映區(qū)域應(yīng)力場變化的特殊構(gòu)造部位。

“庫米什地震窗” 位于北天山地震帶， 歷史活動(dòng)水平較高， 1600 年以來， 史料記載該區(qū)曾發(fā)生過 32 次 6 級以上地震， 其中 6 級地震 25 次； 7 級地震 6 次； 8 級地震 1 次。 2008 年以來， 發(fā)現(xiàn)該區(qū)域微震， 小震活動(dòng)頻繁， 并且這些小震活動(dòng)與北天山地區(qū)中強(qiáng)地震間具有一定的相關(guān)性。 “庫米什地震窗” 構(gòu)造區(qū)主要位于博羅科努—阿其克庫都克斷裂、 伊犁盆地北緣、 包爾圖斷裂和焉耆斷裂等交匯區(qū)， 這些斷層性質(zhì)主要以右旋走滑和逆沖為主（圖3）， 周圍地下構(gòu)造背景復(fù)雜[3]。

張琳琳、 敖雪明等人通過普查與系統(tǒng)研究，根據(jù)歷史震例和異常最佳對應(yīng)原則， 定義小震月頻次≥54 次為 “庫米什地震窗” 的異常標(biāo)準(zhǔn)， 優(yōu)勢對應(yīng)區(qū)域?yàn)樘焐街胁康貐^(qū)， 優(yōu)勢發(fā)震時(shí)間為6個(gè)月， 地震震級≥5.5， “庫米什地震窗” 對應(yīng)中強(qiáng)地震效果好， 通過R 值評分統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)， 具有較高的短期預(yù)報(bào)效能[3]。

2008 年以來， “庫米什地震窗” 小震月頻次共出現(xiàn)10 次高值異常， 在其后6 個(gè)月內(nèi)對應(yīng)了8次中強(qiáng)地震（表2）， 異常對應(yīng)比例80%， 由此可見“庫米什地震窗” 的映震效果比較好。 2019 年9 月份， “庫米什地震窗” 小震月頻度為61 次， 超過了異常標(biāo)準(zhǔn)值， 出現(xiàn)高值異常， 在間隔3.5 個(gè)月后于2020 年 1 月 16 日發(fā)生庫車5.6 級地震， 此次高值異常很好的對應(yīng)了庫車5.6 級地震， 異常形態(tài)為“高值—低值—發(fā)震”（圖 4）。

圖3 北天山地震帶及震情窗口位置分布Fig.3 North Tianshan seismic belt and location distribution of seismic window

表2 “庫米什地震窗” 小震月頻次異常與地震間的對應(yīng)關(guān)系Table 2 The corresponding relationship between the monthly frequency anomalies of small earthquakes in the " kumishi seismic window" and earthquakes

圖4 9 庫米什地震窗”小震月頻次與中強(qiáng)地震間的對應(yīng)關(guān)系Fig.4 The corresponding relationship between the monthly frequency of small earthquakes in "kumishi seismic window" and moderate and strong earthquakes

3 庫爾勒臺地震波參數(shù)異常特征

國內(nèi)外許多地震學(xué)者的研究結(jié)果表明： 在地震的孕育過程中， 震源區(qū)及其周圍介質(zhì)會隨應(yīng)力的增強(qiáng)與釋放而發(fā)生一系列相應(yīng)的變化， 如裂隙的增多、 串通與閉合等， 這將導(dǎo)致在該介質(zhì)中傳播的地震波的動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生改變[4]。 馮德益等人的研究表明， 在波速異常期間， 地震波的一些動(dòng)力學(xué)特征如振幅、 周期等均可能發(fā)生變化[4-6]。 王筱榮、 曲延軍、 李志海、 楊欣等研究發(fā)現(xiàn)在中強(qiáng)地震前震區(qū)附近地震的振幅比、 尾波持續(xù)時(shí)間、尾波衰減系數(shù)等地震波參數(shù)出現(xiàn)不同程度的異常，可以利用地震波參數(shù)進(jìn)行短臨跟蹤和短臨預(yù)報(bào)[7-11]。

3.1 尾波持續(xù)時(shí)間比τ 值

松散介質(zhì)對波的吸收率大于塑性介質(zhì)對波的吸收率。 隨著應(yīng)力的增加和孕震區(qū)介質(zhì)性 質(zhì)的改變， 地震波的特性也將發(fā)生變化， 即地震波衰減減弱。 利用 τ 值來表征其變化， 規(guī)定Sˉ初動(dòng)至尾渡衰減到震前幾分鐘最大噪聲的兩倍為尾波持續(xù)時(shí)間， 計(jì)算公式為

式 （1）中 τV為垂直分向上尾波持續(xù)時(shí)間， τEW、 τSN為水平分向上的尾波持續(xù)時(shí)間[12]。

3.2 尾波衰減系數(shù)a 值

當(dāng)?shù)卣鸩惶髸r(shí)， 地震尾波外包絡(luò)線形狀的經(jīng)驗(yàn)公式為[13]：

式 （2）中， A（t）為 t 時(shí)刻尾波的振幅， t 為波的走時(shí)， c為常數(shù)。 a 值越大， 振幅隨時(shí)間的衰減越快。 設(shè)t1時(shí)刻尾波振幅為A1， t2時(shí)刻振幅為A2， 則由上述公式得到

3.3 周期比

庫爾勒單臺地震波參數(shù)以均值作為控制線，優(yōu)勢對應(yīng)501 測震臺250 km 范圍內(nèi)的MS≥5 級地震， 優(yōu)勢發(fā)震時(shí)間為 3 個(gè)月。 2012 年 1 月 1 日至2020 年 2 月 29 日期間庫爾勒 501 測震臺 250 km范圍內(nèi)共發(fā)生 MS≥5 級地震 11 次（圖 2）。

由表 3 和圖 5 可知， 在 2020 年 1 月 16 日庫車5.6 級地震發(fā)生前庫爾勒尾波持續(xù)時(shí)間比、 尾波衰減、 周期比值在大致相同的時(shí)間段出現(xiàn)了低值異常。 尾波持續(xù)時(shí)間比值在 2019 年11 月5 日開始持續(xù)低值， 12 月17 日后數(shù)據(jù)恢復(fù)高值異常結(jié)束， 異常持續(xù)1.5 個(gè)月， 期間在11 月24 日有一次高值突跳， 數(shù)據(jù)恢復(fù)正常后30 天發(fā)生庫車5.6 級地震， 異常表現(xiàn)形態(tài)為 “低值—高值突跳—回返—發(fā)震”； 尾波衰減系數(shù)值在 2019 年10 月 24日開始低值異常， 12 月28 日數(shù)據(jù)恢復(fù)高值異常結(jié)束， 異常持續(xù)2 個(gè)月， 數(shù)據(jù)恢復(fù)正常后19 d 發(fā)生庫車5.6 級地震， 異常形態(tài)表現(xiàn)為 “低值—回返—發(fā)震”； 周期比值在 2019 年 10 月 28 日開始低值異常， 2020 年1 月7 日數(shù)據(jù)恢復(fù)高值異常結(jié)束，異常持續(xù)2.3 個(gè)月， 數(shù)據(jù)恢復(fù)正常后9 d 發(fā)生庫車5.6 級地震， 此次地震距離 501 測點(diǎn) 200 km， 異常形態(tài)表現(xiàn)為 “低值—回返—發(fā)震”。

結(jié)合以往的幾次震例來看， 在中強(qiáng)地震發(fā)生前庫爾勒臺地震波參數(shù)會有2 個(gè)月甚至更長時(shí)間的低值異常， 在數(shù)據(jù)恢復(fù)高值后的3 個(gè)月內(nèi)發(fā)生地震； 同時(shí)有2 個(gè)參數(shù)出現(xiàn)低值異常時(shí)后續(xù)對應(yīng)中強(qiáng)地震的概率比較高， 自2012 年1 月以來共出現(xiàn)6 次同時(shí)有2 個(gè)參數(shù)低值異常的情況， 其中有4次對應(yīng)了中強(qiáng)地震， 異常對應(yīng)率為66.6%。

表3 庫爾勒臺地震波參數(shù)異常與庫車5.6 級地震對應(yīng)關(guān)系Table 3 Corresponding relationship between seismic wave parameter anomaly at Korla Station and Kuche MS 5.6 earthquake

圖5 庫爾勒臺地震波參數(shù)時(shí)序圖Fig.5 Time series diagram of seismic wave parameters at Korla Station

4 庫爾勒臺地震學(xué)參數(shù)時(shí)間掃描異常特征

地震活動(dòng)性參數(shù)可用于描述區(qū)域地震活動(dòng)性特征[15]。 中強(qiáng)地震發(fā)生前， 地震活動(dòng)會發(fā)生變化， 地震學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常， 這些異常可以作為一種前兆現(xiàn)象， 對后繼大震的發(fā)生起到一定程度的預(yù)測作用[16]。

4.1 地震算法復(fù)雜性AC 值

地震算法復(fù)雜性AC 值是一種描述時(shí)間序列復(fù)雜性的表征量， 可以用來鑒別地震過程究竟是完全隨機(jī)的漲落， 還是受某種決定論動(dòng)力學(xué)規(guī)律支配的過程[17]。

4.2 A（b）值、 P（b）值

A（b）值作為描述各地區(qū)地震活動(dòng)性的定量參數(shù)， 考慮了一個(gè)地區(qū)的地震活動(dòng)性、 震級和頻次各方面的因素， 可以直接定量反映地震活動(dòng)的“增強(qiáng)” 或 “平靜”。 A（b）值的本質(zhì)是一個(gè)地震集合的折合震級， 它的主要成分是該集合中的較大地震震級； P（b）值為小地震動(dòng)態(tài)參數(shù)， 可以綜合表示頻度和平均震級的綜合效應(yīng)[17]。

4.3 b 值

著名震級-頻度關(guān)系式lgN=a-bM 中的系數(shù)b反映了大小地震的比例關(guān)系， b 值是隨空間和時(shí)間而變化的， 進(jìn)行時(shí)間掃描時(shí)一般采用線性最小二乘法[17]。

庫爾勒臺地震學(xué)參數(shù)時(shí)間掃描計(jì)算以1 個(gè)月為步長、 3 個(gè)月為窗長進(jìn)行掃描， 得到2015 年至2020 年2 月的地震學(xué)參數(shù)時(shí)間掃描曲線 （圖6），根據(jù)近9 年來的震例繪制了各參數(shù)的控制線。 在庫車 5.6 級地震發(fā)生前 AC 值、 A（b） 值、 P（b）值、最小二乘法b 值等4 個(gè)參數(shù)均出現(xiàn)了一定程度的超限情況（表 4）， 其中 AC 值在 2019 年 4 月至 7月出現(xiàn)高值異常， A（b）值在 2019 年 4 月至 7 月上旬出現(xiàn)低值異常， P（b）值在 2019 年 4 月至 8 月出現(xiàn)高值異常， 最小二乘法b 值在3 月下旬至9 月上旬出現(xiàn)高值異常； 此次地震前各參數(shù)的異常形態(tài)與之前4 次地震發(fā)生前的異常形態(tài)一致， 但是本次異常結(jié)束至發(fā)震時(shí)間間隔較長在5～6 個(gè)月，而前4 次地震的發(fā)震時(shí)間在3 個(gè)月之內(nèi)。

表4 庫爾勒臺地震學(xué)參數(shù)時(shí)間掃描異常與庫車5.6 級地震對應(yīng)關(guān)系Table 4 Corresponding relationship between time scan anomaly of seismological parameters at Korla station and Kuche Ms5.6 earthquake

圖6 庫爾勒臺地震學(xué)參數(shù)時(shí)間掃描曲線Fig.6 Time scanning curve of seismological parameters at Korla Station

5 結(jié)語

結(jié)合歷史震例以及本次庫車Ms5.6 地震前 “庫米什地震窗”、 庫爾勒臺地震波參數(shù)和地震學(xué)時(shí)間掃描計(jì)算三類參數(shù)的資料變化情況， 總結(jié)得到

（1） “庫米什地震窗” 的異常形態(tài)為 “高值—低值—發(fā)震”， 對應(yīng)的8 次地震中有3 次發(fā)生在異常結(jié)束后3 個(gè)月內(nèi)， 有5 次發(fā)生在異常結(jié)束后3至 6 個(gè)月內(nèi)， 2020 年 1 月 16 日庫車 Ms5.6 地震發(fā)生在異常結(jié)束后3.5 個(gè)月。

（2）庫爾勒臺地震波參數(shù)的異常形態(tài)為 “低值—回返—發(fā)震” 或 “低值—高值突跳—回返—發(fā)震”， 對應(yīng)的中強(qiáng)地震發(fā)生在異常結(jié)束后3 個(gè)月內(nèi)。

（3）庫爾勒臺地震學(xué)參數(shù)時(shí)間掃描計(jì)算的異常形態(tài)為 “超限—回返—發(fā)震”， 對應(yīng)地震發(fā)生前AC 值、 A（b）值、 P（b）值、 最小二乘法 b 值等 4 個(gè)參數(shù)均會出現(xiàn)超限情況， 超限持續(xù)時(shí)間有所差別，2020 年1 月16 日庫車Ms5.6 地震發(fā)生在異常結(jié)束后3 至6 個(gè)月內(nèi)， 之前對應(yīng)的幾次地震均發(fā)生在異常結(jié)束后3 個(gè)月內(nèi)。

（4）本次庫車 Ms5.6 地震前， “庫米什地震窗”、 AC 值、 A（b）值、 P（b）值、 最小二乘法 b 值等5 項(xiàng)異常為中期異常， 庫爾勒單臺尾波持續(xù)時(shí)間比值、 尾波衰減系數(shù)、 周期比值等3 項(xiàng)異常為短期異常。

（5）當(dāng)庫爾勒臺地震波參數(shù)中有≥2 個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異?；虻卣饘W(xué)參數(shù)時(shí)間掃描計(jì)算4 個(gè)參數(shù)同時(shí)出現(xiàn)異常時(shí)， 在異常結(jié)束后3 個(gè)月內(nèi)對應(yīng)庫爾勒501 測震臺 250 km 范圍內(nèi)MS≥5.0 地震的概率很高。 “庫米什地震窗” 出現(xiàn)高值異常后， 后續(xù)6個(gè)月內(nèi)在天山中段很可能發(fā)生MS≥5.5 地震， 如果庫爾勒地震波參數(shù)和地震學(xué)時(shí)間掃描計(jì)算在相同時(shí)間段內(nèi)也出現(xiàn)異常那么目標(biāo)地震的空間范圍可以縮小到庫爾勒501 測震臺250 km 范圍內(nèi)， 發(fā)震時(shí)間縮小為3 個(gè)月左右， “庫米什地震窗” 對應(yīng)的 8 次地震中有 3 次地震（2012 年新源—和靜MS6.6 級地震、 2017 年庫車 MS5.7 級地震、 2020 年庫車MS5.6 級地震）符合這種情況。

（6）臺站資料更新快、 便于追蹤， 充分利用臺站第一手資料， 總結(jié)分析臺站資料的異常變化特征， 找準(zhǔn)中強(qiáng)地震發(fā)生前的中短期異常信息， 爭取在日后的工作中將越來越多的震后總結(jié)變?yōu)檎鹎爱惓ＷR別。