2020年1月16日新疆庫車MS5.6地震序列特征及地震學(xué)異常①

魏蕓蕓， 劉 萍， 聶曉紅， 高 榮， 王 瓊

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

圖1 塔北古隆起劃分[4]

庫車MS5.6地震前新疆6級地震已經(jīng)平靜890 d，2018年9月以來新疆及周邊5級地震在南天山西段—帕米爾形成5級地震條帶，2019年2月2日塔城MS5.2地震后，5級地震平靜267 d被2019年10月27日烏什MS5.0地震打破，2019年9月以來4級地震在輪臺—烏恰地區(qū)和烏什—和田地區(qū)形成了短時(shí)4級地震共軛條帶。2019年12月以來新疆境內(nèi)3級地震顯著增強(qiáng)，庫車MS5.6地震即發(fā)生這種狀態(tài)下，地震后仍有部分地震學(xué)異常仍然持續(xù)。為了進(jìn)一步研究庫車MS5.6地震前后的地震活動(dòng)特征，本文中對2020年1月16日庫車MS5.6地震的序列特征和震前地震學(xué)異常進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 地震基本參數(shù)

據(jù)中國地震臺網(wǎng)(CENC)測定，2020年1月16日16時(shí)32分38秒，新疆庫車市發(fā)生MS5.6 地震，微觀震中位于41.21°N，83.6°E，震源深度16 km。表1為新疆地震臺網(wǎng)、中國地震臺網(wǎng)和USGS的庫車MS5.6地震的基本參數(shù)，除USGS 的震源深度較淺外，其他參數(shù)基本一致。本文中地震基本參數(shù)采用新疆地震臺網(wǎng)資料。

表1 庫車MS5.6地震基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)新疆區(qū)域數(shù)字測震臺網(wǎng)的記錄的波形數(shù)據(jù)，利用距震中500 km范圍內(nèi)16個(gè)臺站的波形資料，采用CAP方法，解算庫車MS5.6主震的震源機(jī)制。得到此次地震的最佳矩心深度為11 km，矩震級為5.3，P軸方位角12°，最佳雙力偶機(jī)制解節(jié)面Ⅰ：走向325°，傾角78°，滑動(dòng)角166°；節(jié)面Ⅱ：走向58°，傾角76°，滑動(dòng)角12°。表2和圖2是國內(nèi)外不同研究機(jī)構(gòu)的庫車MS5.6地震震源機(jī)制解，新疆維吾爾自治區(qū)地震局CAP方法得到的震源機(jī)制解結(jié)果與其他研究機(jī)構(gòu)的結(jié)果一致，均顯示此次地震為走滑型。

表2 庫車MS5.6地震震源機(jī)制解

圖2 庫車MS5.6地震震源機(jī)制解圖

2 庫車MS5.6地震序列特征

2.1 序列概述

根據(jù)新疆地震臺網(wǎng)記錄結(jié)果，截至2020年3月29日24時(shí)，共記錄到余震ML≥1.0地震77次，其中，1.0≤ML≤1.9地震30次，2.0≤ML≤2.9地震40次，3.0≤ML≤3.9地震7次，最大余震為1月19日ML3.9地震。

序列M-t圖顯示(圖3)，本次地震余震活動(dòng)強(qiáng)度較弱、頻度偏低，余震過程中強(qiáng)度無明顯衰減，但頻度衰減較快。余震活動(dòng)呈現(xiàn)明顯的“活動(dòng)—平靜”現(xiàn)象，1月16～21日，ML≥1.0地震平靜間隔時(shí)間為10～13小時(shí)，ML≥2.0地震時(shí)間間隔為13～18小時(shí)；每組活動(dòng)中均有ML≥3.0 地震參與。1月21日后，序列出現(xiàn)成組活動(dòng)，且強(qiáng)度以ML≥1.0地震為主，后續(xù)地震時(shí)間間隔明顯增大，地震活動(dòng)強(qiáng)度表現(xiàn)出階段性衰減特征，2月14日開始序列中無MS≥3.0余震發(fā)生，3月6～18日余震平靜13 d，之后序列活動(dòng)基本恢復(fù)背景活動(dòng)水平。

圖3 庫車MS5.6地震序列M-t圖

震后6 d余震總頻次為26次，占序列總量的51%；之后頻次迅速衰減至每日0～5次；2月14日之后余震日頻次均低于3次，序列頻度總體衰減迅速(圖4)。

圖4 庫車MS5.6地震序列N-t圖

新疆區(qū)域臺網(wǎng)定位空間分布結(jié)果顯示余震主要分布于主震以南地區(qū)(圖5)，余震密集區(qū)整體呈近NS向分布，其長軸為23 km，短軸為7 km。主震后第1個(gè)ML3.0余震位于主震以南13.5 km處，其他多數(shù)ML≥3.0余震位于主震東部5 km范圍內(nèi)。

圖5 新疆臺網(wǎng)記錄庫車MS5.6地震序列空間圖

2.2 序列類型判定

庫車MS5.6地震序列中最大余震為MS3.3地震，與主震MS5.6相差2.3，主震與次大地震的震級差ΔM滿足主余型序列類型判定標(biāo)準(zhǔn)0.6≤ΔM≤2.4[5]，截止2020年3月29日，庫車MS5.6地震釋放的能量EM與整個(gè)序列釋放的能量E總之比為99.89%，因此2020年1月16日庫車MS5.6地震序列屬于主震—余震型[5]。

根據(jù)震級—頻度關(guān)系確定的序列最小完整性震級為ML1.8為起算震級，庫車MS5.6地震序列震級分布不均勻，缺少M(fèi)L≤1.7和ML≥3.3地震(圖6)，時(shí)間步長1 d，計(jì)算序列參數(shù)h值和P值，得到h值為0.4，衰減系數(shù)P值為0.359，由于序列的地震頻次較少，計(jì)算所得h值和P值僅供參考。根據(jù)震級—頻度關(guān)系得到序列b值為0.812 3(圖6)，與王筱榮等研究得到的新疆14次主余型地震序列的b值介于0.46～0.95一致，高于平均值0.68[6]。

圖6 庫車MS5.6地震頻度(a)和序列b值(b)圖

序列類型早期判定參數(shù)計(jì)算結(jié)果為：U值0 ，F(xiàn)值0，P值0.920，K值0.001，b值0.559，均顯示為非前兆序列，結(jié)果顯示本序列不屬于前兆序列。

以序列最小完整性震級為ML1.8為起算震級，根據(jù)震級—頻度關(guān)系得到最大余震期望震級為ML4.1，與最大余震震級ML3.9接近。

2.3 庫車MS5.6地震序列應(yīng)力降

中強(qiáng)地震的發(fā)生時(shí)間與該區(qū)小震應(yīng)力降在時(shí)間進(jìn)程上呈現(xiàn)的連續(xù)高值狀態(tài)有一定的相關(guān)性，大多數(shù)中強(qiáng)震發(fā)生在高值狀態(tài)形成并開始漸衰的過程中[7-8]。采用多臺記錄的波形資料計(jì)算庫車MS5.6地震序列應(yīng)力降值。由于震級對應(yīng)力降的影響較大，計(jì)算時(shí)選用MS≥3.0的余震，截至3月29日，符合計(jì)算條件的有3次3級地震(表3)。主震發(fā)生后最大余震應(yīng)力降值較高，其后迅速衰減，保持在低應(yīng)力狀態(tài)。

表3 庫車MS5.6地震序列3.0≤MS≤3.9地震應(yīng)力降值

為進(jìn)一步分析震區(qū)應(yīng)力狀態(tài)，圖7為2016年以來，利用多臺聯(lián)合反演方法獲得庫車地震震區(qū)歷史3.0≤MS≤3.9地震應(yīng)力降值曲線圖，地震應(yīng)力降平均值為0.64×105Pa。庫車MS5.6后一周內(nèi)的2次3級余震應(yīng)力降高于區(qū)域背景活動(dòng)水平，同時(shí)逐漸衰減趨于背景活動(dòng)水平，在主震后17 d發(fā)生的3級余震應(yīng)力降低于背景活動(dòng)水平，表明主震應(yīng)力釋放較完全，與后續(xù)未發(fā)生較強(qiáng)余震的特點(diǎn)一致。

圖7 庫車震群地震應(yīng)力降曲線圖

3 庫車MS5.6地震前地震活動(dòng)性異常

3.1 天山中段MS≥4.0地震平靜

地震平靜現(xiàn)象是具有物理意義的地震前兆，并做為地震預(yù)報(bào)的重要依據(jù)[9-10]。2018年4月1日庫爾勒MS4.3地震后新源—庫爾勒地區(qū)出現(xiàn)MS≥4.0地震平靜533 d，2019年9月16和20日發(fā)生輪臺MS4.1和庫車MS4.5地震，打破該平靜，其邊緣2020年1月16日發(fā)生庫車MS5.6地震(圖8)。以404 d為限，對該區(qū)1970年以來MS≥4.0地震平靜進(jìn)行時(shí)間掃描，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表4)，該區(qū)1970年以來MS≥4.0地震平靜時(shí)長超過404 d的情況有10次，其中有8次在其后6個(gè)月內(nèi)平靜區(qū)內(nèi)有MS≥5.0地震發(fā)生，統(tǒng)計(jì)關(guān)系表明該4級地震平靜異常較為可靠。根據(jù)以往震例，2017年9月16日庫車MS5.7地震直接打破該區(qū)域550 d的4級地震平靜，庫車MS5.6地震平靜區(qū)內(nèi)部邊緣，與歷史震例目標(biāo)地震強(qiáng)度相當(dāng)，分析認(rèn)為，庫車MS5.6地震的發(fā)生結(jié)束了該平靜異常。

表4 1970年以來天山中段4級地震平靜歷史統(tǒng)計(jì)表

圖8 庫車MS5.6地震前天山中段4級地震平靜空間分布圖

3.2 異常增強(qiáng)區(qū)

根據(jù)王筱榮的研究結(jié)果，在2°×2°范圍內(nèi)，3個(gè)月內(nèi)發(fā)生4次以上3級地震，且必須包含1次以上4級地震即構(gòu)成增強(qiáng)異常[11]。2016年以來天山中段多次MS≥5.0地震前均出現(xiàn)異常增強(qiáng)區(qū)[12]，這也為后續(xù)地震地點(diǎn)研究工作提供了依據(jù)。天山中段2018年3～6月、2018年7～9月、2018年10月～2019年1月、2019年1～3月和2019年6～9月分別在昭蘇—拜城—庫爾勒和庫爾勒北—烏魯木齊南地區(qū)形成了8個(gè)異常增強(qiáng)區(qū)，特別是輪臺—庫車地區(qū)疊加4組異常增強(qiáng)(圖9)。根據(jù)以往震例，2014年11月～2015年5月在庫車—庫爾勒形成3、4級地震異常增強(qiáng)區(qū)，2017年8月9日精河MS6.6地震后，2017年5～8月在庫車—輪臺地區(qū)再次形成異常增強(qiáng)區(qū)，其后在異常增強(qiáng)區(qū)的疊加區(qū)域發(fā)生2017年9月16日庫車MS5.7地震。統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果顯示，3、4級地震顯著增強(qiáng)僅對地震發(fā)生地點(diǎn)具有預(yù)測效能，其對應(yīng)時(shí)間尺度較長。

圖9 庫車MS5.6地震前天山中段3、4級地震異常增強(qiáng)區(qū)示意圖

3.3 天山中段3級地震增強(qiáng)

2018年5月以來天山中段MS≥3.0地震出現(xiàn)明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，2019年10月后累積頻度略有下降，2020年1月16日庫車MS5.6地震發(fā)生在累積頻度逐步恢復(fù)的過程中。截止到庫車MS5.6地震前，增強(qiáng)活動(dòng)持續(xù)8個(gè)月。天山中段2006年以來MS≥3.0地震(1月步長，3月窗長)累積頻度曲線顯示(圖10)，累積頻度超過12次，且存在持續(xù)增強(qiáng)活動(dòng)2個(gè)月以上的現(xiàn)象出現(xiàn)過13組，其中9組增強(qiáng)活動(dòng)后天山中段地區(qū)有MS≥5.0地震發(fā)生，5級地震成組活動(dòng)的有6組。類比2015年2月22日沙灣MS5.0地震前MS≥3.0地震增強(qiáng)活動(dòng)8個(gè)月，其后活動(dòng)減弱，2014年6月開始3級地震累積頻度高于均值線，2015年2月沙灣MS5.0地震發(fā)生在累積頻度逐步恢復(fù)的過程中，2015年5月累積頻度恢復(fù)至均值線附近，其后2015年6月25日又發(fā)生托克遜MS5.4地震，這組活動(dòng)特征與2020年1月16日庫車MS5.6地震前后狀態(tài)相似，這給后續(xù)MS≥5.0地震危險(xiǎn)性判定提供了一定的依據(jù)。天山中段MS≥3.0地震累積頻度超過12次、持續(xù)時(shí)間≥2個(gè)月的增強(qiáng)活動(dòng)具有較好的震兆意義。

圖10 庫車MS5.6地震前天山中段MS≥3.0地震累積頻度圖

3.4 庫米什地震窗

“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[13]。張琳琳等分析庫米什地震窗小震月頻度超過54次為異常判斷標(biāo)準(zhǔn)[13]。圖11為2008年以來庫米什地震窗小震月頻度變化曲線，其中出現(xiàn)了9個(gè)點(diǎn)大于54次/月，其后6個(gè)月內(nèi)天山中段發(fā)生MS≥5.5地震的有6組，包含4組MS≥6.0地震對應(yīng)，此外還有1組是對應(yīng)MS5.4地震，優(yōu)勢發(fā)震區(qū)域?yàn)楸碧焐轿鞫巍?019年9月庫米什地震窗小震月頻度達(dá)61次，超過了54次的閾值，后續(xù)6個(gè)月內(nèi)天山中段存在發(fā)生MS≥5.5地震的危險(xiǎn)性。2020年1月16日庫車MS5.6地震發(fā)生在異常結(jié)束后第4個(gè)月，回顧以往震例，2017年4月出現(xiàn)月頻度為55次的異常現(xiàn)象，2017年8月9日精河發(fā)生MS6.6地震；2017年8月庫米什窗再次出現(xiàn)了54次月頻度異常現(xiàn)象，2017年9月16日庫車MS5.7地震。

圖11 庫米什地震窗小震月頻度與天山中段中強(qiáng)地震(MS≥5.5)地震的對應(yīng)關(guān)系

3.5 天山中段3級地震條帶

地震條帶是大震前諸多小震在空間上的分布由分散轉(zhuǎn)變?yōu)闂l帶，而條帶外圍廣大地區(qū)呈現(xiàn)平靜的異常圖形[14-16]。李瑩甄等研究結(jié)果表明，2011年以前新疆地區(qū)的地震條帶與后續(xù)中強(qiáng)以上地震的相關(guān)性較差[17]；但近些年形成的多次短時(shí)小地震條帶與后續(xù)中強(qiáng)地震具有較好的預(yù)測意義[12，18-20]。2019年12月1日～2020年1月15日，烏蘇—庫車地區(qū)MS≥3.0地震形成了北北東向的地震條帶，長度約640 km，寬度約110 km，2020年1月8日輪臺發(fā)生3級地震，位于條帶外側(cè)，條帶有向外擴(kuò)散的趨勢，其后8 d在條帶內(nèi)部發(fā)生庫車MS5.6地震(圖12)。根據(jù)以往震例，2011年尼勒克、鞏留交界MS6.0地震和2012年新源、和靜交界MS6.6地震以及2013年8月30日烏魯木齊MS5.1地震前均出現(xiàn)了短時(shí)的2、3級地震條帶異常[18-20]。

圖12 庫車MS5.6地震前MS≥3.0地震條帶空間分布圖

4 結(jié)論與討論

(1) 2020年1月16日庫車MS5.6地震震中位于天山山前庫車拗陷南側(cè)的塔里木盆地北部的塔北古隆起，新生代以來該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)特征不明顯，震中附近地表未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)斷裂，距震源區(qū)最近的斷裂為尉犁隱伏斷裂，斷層走向NEE，震源機(jī)制解結(jié)果顯示為走滑型，節(jié)面Ⅱ的走向與尉犁隱伏斷裂比較一致，但序列長軸方向近NS，與尉犁隱伏斷裂主要走向不符，該地震的發(fā)震構(gòu)造還有待進(jìn)一步研究。

(2) 庫車MS5.6地震序列類型為主震—余震型，最大余震震級為2020年1月19日ML3.9地震。地震序列整體強(qiáng)度較弱，余震頻度衰減較快，余震主要發(fā)生在震后6 d，ML≥3.0余震于震后1個(gè)月結(jié)束，序列呈NS方向展布。該序列的應(yīng)力降逐漸衰減趨于區(qū)域背景活動(dòng)水平，且序列的最大余震期望震級ML4.1與最大余震ML3.9接近。

(3) 庫車MS5.6地震前存在中期和短期地震活動(dòng)性異常。中期異常主要有4級地震平靜、3級地震增強(qiáng)和異常增強(qiáng)區(qū)，短期異常有庫米什地震窗和3級地震條帶；天山中段的4級地震平靜和庫米什地震窗自異常結(jié)束已近4個(gè)月，接近預(yù)報(bào)時(shí)限6個(gè)月。2019年12月新疆地區(qū)中等以上地震活動(dòng)顯著增強(qiáng)，為2019年下半年以來MS≥3.0地震活動(dòng)頻度最高的月份，且在天山中段MS≥3.0地震形成有序的條帶分布，近年來這種短時(shí)迅速形成的中小地震條帶對新疆MS≥5.0地震的預(yù)測意義比較好，這在今后震例總結(jié)和震情跟蹤中值得密切關(guān)注。

(4) 該區(qū)域時(shí)間上最近的地震是2017年9月16日庫車MS5.7地震，距此次庫車MS5.6地震104 km。2017年庫車MS5.7地震前天山中段測震學(xué)異常顯著增加，包括4級地震平靜、3級地震圍空、中等地震異常增強(qiáng)、3級地震增強(qiáng)、震群活躍、地震窗超限、小震調(diào)制比等一系列異常，異常時(shí)間上包括了長、中、短期異常，異常特征從地震平靜向地震活動(dòng)活躍發(fā)展，且在異常最為集中的區(qū)域還發(fā)生了2017年8月9日精河MS6.6地震；該地震后，部分異常仍然持續(xù)，然后發(fā)生2017年9月16日的庫車MS5.7地震。對比2020年庫車MS5.6地震前地震活動(dòng)性異常時(shí)間準(zhǔn)同步，但空間分布不集中，異常數(shù)量相對較少。2019年12月以來3級地震明顯增強(qiáng)，且形成了短期的地震條帶。雖然兩次地震均發(fā)生在庫車及周邊，但異常表現(xiàn)卻不同。2017年庫車MS5.7地震前異常時(shí)間和空間演化比較明顯，但2020年庫車MS5.6地震前最為顯著的短期異常為3級地震條帶，可能與這兩次地震所處的構(gòu)造位置有關(guān)，這也為后期該區(qū)域震例總結(jié)和異常跟蹤積累了經(jīng)驗(yàn)。