2020年5月9日柯坪Ms5.2地震前阿克蘇區(qū)域地球物理觀測(cè)異常分析

馮英，劉海洋,南芳芳,蔣志英,饒文

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局阿克蘇中心地震臺(tái)，新疆 阿克蘇 843000)

0 引 言

據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)正式測(cè)定，北京時(shí)間2020年5月9日23時(shí)35分59秒，在新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)柯坪縣(40.77°N，78.86°E)發(fā)生5.2級(jí)地震，震源深度15 km。距離阿合奇縣城31 km，柯坪縣38 km，烏什縣63 km，阿克蘇市132 km。據(jù)了解，柯坪縣、阿拉爾市、阿克蘇市、巴楚縣等地有震感。應(yīng)用阿克蘇中心地震臺(tái)管轄的地球物理觀測(cè)資料，采用形態(tài)法對(duì)資料進(jìn)行震前異常分析和討論，這些對(duì)積累地震前兆異常資料和認(rèn)識(shí)地震前兆特征具有參考意義。

1 地震附近臺(tái)站前兆監(jiān)測(cè)概況

阿克蘇中心地震臺(tái)臺(tái)管轄的地震臺(tái)站有烏什地震臺(tái)、阿合奇地震臺(tái)、阿克蘇西大橋觀測(cè)站(以下分別簡(jiǎn)稱“烏什臺(tái)”“阿合奇臺(tái)”“阿克蘇觀測(cè)站”)和柯坪地電阻率觀測(cè)站，觀測(cè)儀器集中分布在烏什臺(tái)和阿合奇臺(tái)(圖1)。

圖1 柯坪5.2級(jí)地震震中附近臺(tái)站(測(cè)項(xiàng))分布

本次地震發(fā)生前烏什臺(tái)、阿合奇臺(tái)、阿克蘇觀測(cè)站的部分儀器出現(xiàn)了短臨異常，震前異常特征情況如表1所示。

表1 柯坪5.2級(jí)地震前阿克蘇中心站管轄前兆監(jiān)測(cè)異常特征

2 震前前兆異常分析

2.1 阿合奇臺(tái)地傾斜異常分析

阿合奇臺(tái)地傾斜架設(shè)時(shí)采用模擬相紙記錄，經(jīng)2007年9月改造后，現(xiàn)為數(shù)字化觀測(cè)，儀器記錄穩(wěn)定，能清晰地記錄到固體潮日變，觀測(cè)資料連續(xù)、可靠[1]。改造后東西分量長趨勢(shì)保持持續(xù)西傾變化，年變形態(tài)清晰，每年的1～2月轉(zhuǎn)向西傾，7～8月份轉(zhuǎn)向東傾。在2014年前南北分量無年變形態(tài)，呈現(xiàn)持續(xù)北傾變化，2014年后轉(zhuǎn)為趨勢(shì)南傾，顯示一定的年變形態(tài)，每年的2月轉(zhuǎn)向南傾，9月轉(zhuǎn)向北傾。2019年8月山洞標(biāo)準(zhǔn)化施工改造后南北分量呈現(xiàn)加速北傾，梳理已往的干擾因素，分析總結(jié)認(rèn)為山洞施工后資料的加速北傾變化是受到施工改造后觀測(cè)環(huán)境變化的影響，由于施工的工期長、改造全面，造成地傾斜資料受影響時(shí)間較長、儀器穩(wěn)定緩慢(圖2)，至2020年儀器才基本穩(wěn)定、恢復(fù)正常。

圖2 阿合奇臺(tái)地傾斜南北分量日均值曲線

阿合奇地傾斜觀測(cè)資料對(duì)臺(tái)站附近發(fā)生的中強(qiáng)以上地震有不同程度的短臨異常反映，例如1991年柯坪6.5級(jí)、1996年阿圖什6.9級(jí)及2003年巴楚一伽師6.8級(jí)地震前8～60天內(nèi)，都曾出現(xiàn)過不同程度的異常[2]。異常表現(xiàn)為打破年變形態(tài)，加速變化或轉(zhuǎn)向變化。

2020年阿合奇臺(tái)地傾斜兩分量均正常春季轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時(shí)間與往年基本一致。南北分量轉(zhuǎn)向南傾后，于4月11日出現(xiàn)加速南傾變化，15日后南傾速率變緩，基本恢復(fù)到之前的變化速率，此次加速南傾幅度已達(dá)到0.341″，異常變化顯著(圖3)。在異常持續(xù)的過程中，臺(tái)站人員14日去現(xiàn)場(chǎng)開展了異常落實(shí)工作。經(jīng)過對(duì)儀器運(yùn)行和環(huán)境干擾等情況的現(xiàn)場(chǎng)檢查、觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為阿合奇臺(tái)地傾斜南北分量2020年4月11日開始的加速南傾變化存在短期地震前兆異常，存在發(fā)生5級(jí)以上地震的可能。2020年5月9日在柯坪縣發(fā)生了5.2級(jí)地震，地震發(fā)生于異常結(jié)束后的24天，綜上分析認(rèn)為，南北分量出現(xiàn)的加速南傾變化是該地震的短臨異常。

圖3 阿合奇臺(tái)地傾斜南北分量分鐘值曲線

2.2 烏什臺(tái)洞體應(yīng)變儀異常特征分析

烏什臺(tái)洞體應(yīng)變儀于2006年10月開始觀測(cè)，2007年1月后資料穩(wěn)定，觀測(cè)精度達(dá)到了國家Ⅰ類臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)[3]。觀測(cè)以來兩分量有清晰的年變形態(tài)，但東西分量自2012年底至今轉(zhuǎn)向持續(xù)拉張變化，無年變形態(tài)。2018年11月12至22日，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，改造后兩分量精度都有所提高，尤其是東西分量的精度明顯得到提升。

烏什臺(tái)洞體應(yīng)變儀觀測(cè)以來，所處的柯坪塊體及相鄰區(qū)域先后發(fā)生了多次5級(jí)以上地震。震前趨勢(shì)異常表現(xiàn)為趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折，短期異常特征為加速拉張，臨震異常特征為震前2～8天原始觀測(cè)曲線“畸變”，并伴隨高頻成份增多的異常變化[4]。其異常變化與南天山西段中強(qiáng)地震有較好地對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]。例如在2014年7月9日麥蓋提5.1級(jí)地震、2016年7月19日烏什4.5級(jí)地震前均出現(xiàn)了快速拉張的短期異常。

2020年2月19日東西分量開始出現(xiàn)加速拉張變化，4月20日調(diào)零、標(biāo)定后，東西分量拉張變緩轉(zhuǎn)為壓縮變化(圖4)。之前也存在因調(diào)零、標(biāo)定后拉張速率變緩的情況，但短期內(nèi)會(huì)恢復(fù)拉張狀態(tài)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表2)，調(diào)零、標(biāo)定并不會(huì)造成數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)長時(shí)間速率改變。針對(duì)此異常5月9日臺(tái)站派人進(jìn)行了異常核實(shí)，經(jīng)過異常核實(shí)認(rèn)為：烏什洞體應(yīng)變儀東西分量出現(xiàn)由加速拉張的變化轉(zhuǎn)為壓縮的異常變化存在前兆異常，根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定5月9日23時(shí)35分59秒在距觀測(cè)點(diǎn)60 km的柯坪縣發(fā)生5.2級(jí)地震，此異常變化認(rèn)定為該地震的短臨異常。震后，東西分量速率變化平穩(wěn)，逐漸恢復(fù)拉張變化。

表2 烏什洞體應(yīng)變儀東西分量調(diào)零、標(biāo)定后影響統(tǒng)計(jì)

圖4 烏什臺(tái)伸縮儀東西分量日均值曲線

2.3 阿克蘇觀測(cè)站斷層氫異常特征分析

2013年11月9日阿克蘇觀測(cè)站斷層氫開始觀測(cè)，為整點(diǎn)值采樣，儀器自帶有氣溫和氣壓兩個(gè)輔助測(cè)項(xiàng)。供電系統(tǒng)采用交流加UPS的供電模式，確保供電不中斷。其中2015年儀器發(fā)生故障較多導(dǎo)致數(shù)據(jù)連續(xù)率低，2016年8月29日更換儀器后工作穩(wěn)定。阿克蘇觀測(cè)站斷層氫濃度值觀測(cè)具有清晰的年變形態(tài)，每年的春季年轉(zhuǎn)向時(shí)間一般在3月，濃度值由下降轉(zhuǎn)為上升變化，每年的秋季轉(zhuǎn)向時(shí)間一般為7月，濃度值由上升轉(zhuǎn)為下降。氫氣濃度值的變化與氣溫、氣壓有一定的相關(guān)性，經(jīng)相關(guān)分析阿克蘇斷層氫與氣溫呈中—強(qiáng)正相關(guān)，與氣壓呈負(fù)相關(guān)性。

通過黃春玲、范雪芳等人對(duì)山西地震臺(tái)痕量氫典型震例分析總結(jié)，痕量氫觀測(cè)前兆異常以短臨異常為主，異常一般出現(xiàn)在震前數(shù)天至數(shù)十天之間，變化特征表現(xiàn)為“突升—轉(zhuǎn)折下降—地震—恢復(fù)背景值”的變化過程[6-10]，變化幅度達(dá)正常背景值的數(shù)倍至數(shù)十倍，地震前兆異常明顯，易于識(shí)別。阿克蘇觀測(cè)站痕量氫自2013年11月架設(shè)以來，對(duì)周邊發(fā)生的5級(jí)左右地震有很好的映震效果(圖5)。阿克蘇觀測(cè)站斷層氫濃度值快速上升—發(fā)震—下降的這種變化已對(duì)應(yīng)了6次震例(表3)。

圖5 阿克蘇觀測(cè)站斷層氫(a)、輔助觀測(cè)氣壓(b) 和輔助觀測(cè)氣溫(c)整點(diǎn)值曲線

表3 阿克蘇觀測(cè)站斷層氫濃度值在附近4級(jí)以上地震前呈現(xiàn)的異常特征

2020年4月12日18時(shí)起阿克蘇觀測(cè)站斷層氫濃度出現(xiàn)快速上升變化，由2.365 ppm快速上升至4月14日9時(shí)的4.525 ppm，上升幅度達(dá)到2.16 ppm，上升為高值后轉(zhuǎn)為波動(dòng)下降(圖6)，4月14日臺(tái)站工作人員及時(shí)進(jìn)行了異常核實(shí)工作，結(jié)果認(rèn)為存在地震前兆異常。預(yù)測(cè)未來3個(gè)月內(nèi)，在觀測(cè)點(diǎn)周邊300 km范圍內(nèi)有發(fā)生4.5級(jí)以上中強(qiáng)震的可能性，優(yōu)勢(shì)發(fā)震區(qū)域?yàn)榘缕簤K體在內(nèi)的南天山西段。之后在5月9日距離觀測(cè)點(diǎn)126 km的柯坪發(fā)生5.2級(jí)地震，認(rèn)為阿克蘇觀測(cè)站斷層氫4月12日開始的快速上升的異常變化對(duì)應(yīng)該地震。

圖6 阿克蘇觀測(cè)站斷層氫整點(diǎn)值曲線

2.4 烏什臺(tái)水溫儀震前資料變化分析

烏什臺(tái)水溫儀2007年7月架設(shè)至今儀器工作基本正常，觀測(cè)曲線年變形態(tài)清晰，主要干擾因素為同觀測(cè)井每月15日靜水位標(biāo)定影響。2017年11月17日更換烏什新46井水溫儀數(shù)采，完成了水溫儀的升級(jí)改造工作，此次升級(jí)改造由于對(duì)傳感器信號(hào)線等均未更換只對(duì)數(shù)采進(jìn)行了更換，因此對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)無明顯影響。

2020年5月9日水溫出現(xiàn)了快速上升的異常變化，9日15時(shí)51分由10.328 ℃快速下降為15時(shí)54分的10.327 ℃，之后轉(zhuǎn)為快速上升至17時(shí)16分的10.331 ℃，最大變化幅度達(dá)0.04 ℃，然后轉(zhuǎn)為下降變化于5月10日4時(shí)逐漸恢復(fù)至正常背景值，在恢復(fù)過程中9日23時(shí)35分59秒發(fā)生了距觀測(cè)點(diǎn)63 km的柯坪Ms5.2地震。之后進(jìn)行了異常排查，排除了天氣干擾、人為干擾和供電影響，通過對(duì)歷史資料進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，水溫這種呈現(xiàn)快速上升的畸變會(huì)不定時(shí)出現(xiàn)(圖7)。2017年至2020年6月30日出現(xiàn)過變化幅度在0.02 ℃以上的類似畸變達(dá)到6次(表4)，變化幅度在0.02 ℃以下的類似畸變達(dá)到11次之多。因此，認(rèn)為該異常是儀器自身問題所致，不是前兆異?，F(xiàn)象。

圖7 烏什臺(tái)水溫2017-03-15～16(a)、2018-01-24～25(b)和2020-05-09～10(c)分鐘值曲線

表4 烏什臺(tái)水溫儀畸變統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

通過對(duì)柯坪5.2級(jí)地震前地球物理觀測(cè)出現(xiàn)的異常進(jìn)行研究分析，阿克蘇管轄的地球物理觀測(cè)共有3套儀器出現(xiàn)了短臨異常，總結(jié)得出以下初步認(rèn)識(shí)。

(1)本次地震前的短臨異常主要表現(xiàn)為，烏什臺(tái)洞體應(yīng)變東西分量加速拉張后轉(zhuǎn)為壓縮變化；阿合奇臺(tái)地傾斜南北分量加速南傾；阿克蘇觀測(cè)站斷層氫濃度值快速上升—下降恢復(fù)后發(fā)震的異常特征。

(2)形變異常方向與震中方向有一定的聯(lián)系，若震中在觀測(cè)臺(tái)站的以南或以北方向，則分量圖上南北向異常比東西向異常明顯，反之亦然[11]?？缕?.2級(jí)地震震中均在烏什臺(tái)和阿合奇臺(tái)以南方向，阿合奇臺(tái)地傾斜異常出現(xiàn)在南北分量，但烏什洞體應(yīng)變異常項(xiàng)出現(xiàn)在東西分量，并未完全與之對(duì)應(yīng)，分析可能與不同的儀器特性有關(guān)，這有待于進(jìn)一步研究分析。

(3)震中附近的流體資料有烏什臺(tái)靜水位、水溫儀和阿克蘇觀測(cè)站斷層氫，其中只有斷層氫出現(xiàn)了前兆異常變化，濃度值表現(xiàn)為快速上升—下降—發(fā)震的過程，震后緩慢恢復(fù)背景，這種變化符合斷層氫的震前異常特征。烏什臺(tái)水溫儀在震前8小時(shí)出現(xiàn)了快速階躍變化，最大變化幅度達(dá)0.004 ℃，之后轉(zhuǎn)為下降變化于5月10日4時(shí)逐漸恢復(fù)至正常背景值，在恢復(fù)過程中發(fā)生了柯坪5.2級(jí)地震。通過對(duì)歷史資料進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，水溫這種快速上升的畸變會(huì)不定時(shí)出現(xiàn)，變化幅度也基本一致。因此，認(rèn)為該異常是儀器自身問題所致，不是前兆異?，F(xiàn)象。

(4)已有震例總結(jié)表明，斷層氫異常均短時(shí)間內(nèi)大幅度升高，具有明顯的突發(fā)性，即數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式幾乎為震前直線上升與震后快速下降[6-10]。阿克蘇觀測(cè)站斷層氫濃度值快速上升—發(fā)震—下降的這種變化已對(duì)應(yīng)了6次震例，因此認(rèn)為阿克蘇觀測(cè)站斷層氫觀測(cè)的預(yù)報(bào)效能較好。