2020年1月19日新疆伽師MS6.4地震前地球物理定點觀測異常特征分析①

趙彬彬， 高 歌， 艾薩·伊斯馬伊力

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2020年1月19日21時27分55秒，新疆喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生MS6.4 地震，微觀震中位于39.83°N，77.21°E，震源深度約16 km，該地震位于伽師境內(nèi)，距伽師縣55 km，距岳普湖縣76 km，距阿圖什市90 km。震中區(qū)域震感強烈，麥蓋提、葉城、莎車、庫爾勒等地區(qū)有震感。

南天山西段是新疆強震頻發(fā)區(qū)域，歷史上曾發(fā)生過多次MS≥6.0強震，伽師地區(qū)在1997～1998年間連續(xù)發(fā)生9次MS≥6.0地震，是大陸內(nèi)部極為罕見的強震群地震活動[1-9]。本次地震發(fā)生在柯坪塔格推覆構(gòu)造南緣的褶皺—逆沖斷裂帶內(nèi)，與1998年8月27日伽師MS6.4地震相距僅7 km。柯坪推覆構(gòu)造系位于南天山喀什坳陷和庫車坳陷之間的巴楚隱伏隆起附近，是西南天山前陸推覆構(gòu)造的重要組成部分，由5～6排近平行的弧形褶皺帶組成，出露地層為寒武系—第四系。自晚第四紀以來，柯坪推覆構(gòu)造的變形方式以褶皺南翼的低角度(20°～30°)逆斷層位錯變形為主。背斜形態(tài)多為復(fù)式箱狀背斜和不對稱的斜歪背斜，分別與斷層彎曲背斜和斷層擴展背斜的幾何形態(tài)一致。1997年前后的伽師震群發(fā)生在喀什坳陷與巴楚隱伏隆起交接地帶的斜坡帶上，2003年巴楚—伽師地震發(fā)生在柯坪塔格推覆構(gòu)造系西段前緣部位[10-13]。

震源機制解結(jié)果表明，該地震震源錯動方式為逆沖型。自1900年以來距震中200 km范圍內(nèi)共發(fā)生38次MS≥6.0地震(其中MS≥7.0地震2次)，最大地震為1902年8月22日8.3級地震，距此次地震95 km；時間最近的地震為2003年2月24日伽師MS6.8地震，距離為24 km； 距離最近的是1998年8月27日伽師MS6.4地震，距離7 km。

針對此次伽師MS6.4地震發(fā)生前出現(xiàn)的地球物理定點觀測異常進行分析，發(fā)現(xiàn)震中附近地球物理觀測以背景異常為主，存在1項中期異常，無短臨異常。本研究統(tǒng)計了震中300 km范圍內(nèi)臺站測項數(shù)量及異常測項數(shù)量，分析了地球物理定點觀測手段在震前出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，并提取震前異常特征，以期為研究區(qū)未來的地震預(yù)測提供震兆信息。

1 臺站分布及異常統(tǒng)計

南天山西段地球物理定點觀測臺站密度較低，在伽師MS6.4地震震中300 km范圍內(nèi)有12個地球物理定點觀測臺站(圖1)，包括地傾斜、應(yīng)變、重力、地電阻率、地磁、水位、水溫、斷層氫等26個觀測項目(表1)。震中0～100 km范圍，僅有3個觀測臺站，4個觀測項目，分別是：哈拉峻鉆孔傾斜；阿圖什鉆孔傾斜；伽師55井水位；深層水溫。100～200 km范圍，有5個觀測臺站，9個觀測項目(喀什鉆孔傾斜，馬場鉆孔傾斜、分量鉆孔應(yīng)變，阿合奇水平擺傾斜、垂直擺傾斜，烏恰鉆孔傾斜，柯坪鉆孔傾斜，喀什地磁，柯坪地電阻率)。200～300 km范圍，主要有4個觀測臺站，13個觀測項(烏什水管傾斜、垂直擺傾斜、洞體應(yīng)變、體應(yīng)變、分量式鉆孔應(yīng)變、水位、水溫、地電、地磁、重力，阿克蘇斷層氫，塔干60泉淺層水溫，阿瓦提電磁波)。

圖1 臺站及活動斷層位置示意圖Fig.1 Distribution of seismic stations and active faults

表1 觀測儀器統(tǒng)計表

根據(jù)中國地震局日常震情跟蹤資料，本次伽師MS6.4地震前地球物理定點觀測共有4個臺站，4套儀器出現(xiàn)不同程度的異常，3項背景異常及1項中期異常，背景異常測項分別是喀什地磁垂直分量擬合差值、柯坪地電阻率、烏什洞體應(yīng)變。中期異常測項是烏恰鉆孔傾斜(表2)。本文中主要針對這些異常特征開展分析，以期建立異常與地震較為確定的關(guān)聯(lián)性。

表2 異常測項統(tǒng)計表

2 異常特征分析

2.1 喀什地磁垂直分量擬合差值

喀什地磁基準臺位于喀什市西北約20 km疏附縣欄桿鄉(xiāng)沙依村，是國家I類地磁基準臺，2001年以來的觀測資料(FHDZ-M15)連續(xù)性較好[14]。

本文中采用地磁垂直分量歸零法進行分析，2017年12月18日開始喀什地磁垂直分量Z日均值與其擬合值(K-L法)之差的時序曲線加速上升(圖2)，2018年7月4日超過2倍均方差。本次異常與以往異常在形態(tài)上有一定差異，以往異常均為低值異常，本次異常為高值異常。自異常開始以來，臺站周邊發(fā)生多次MS5.0地震，2020年1月19日異常持續(xù)過程中發(fā)生伽師MS6.4地震，震中距130 km，震后異常持續(xù)。

圖2 喀什地磁垂直分量日均值歸零法擬合曲線Fig.2 Fitting curve of daily mean value zeroing method of Kashgar geomagnetic vertical component

2.2 烏恰鉆孔傾斜

喀什基準臺烏恰觀測點位于克州地區(qū)烏恰縣北3 km處，烏恰鉆孔傾斜于2008年12月架設(shè)，鉆孔深度為70 m，孔位地層以砂巖為主，巖芯較為完整。儀器型號為CZB-1豎直擺鉆孔傾斜儀，兩分量觀測數(shù)據(jù)相對較穩(wěn)定[15]。

2019年5月12日至11月24日EW分量出現(xiàn)反向E傾異常。5月12日開始烏恰鉆孔傾斜EW分量反向E傾，14日E傾速率加快，7月6～10日出現(xiàn)短暫W傾變化，速率較快；9月16～19日亦出現(xiàn)短暫W傾變化，速率仍較快，兩次短暫W傾變化后均恢復(fù)E傾變化，11月24日曲線恢復(fù)W傾，速率與正常速率相當，異常結(jié)束。異常期間E傾異常幅度達到4.54″。該異常持續(xù)196 d，異常幅度達到4.54″，與之前異常變化相比，異常持續(xù)時間長，幅度大，異常結(jié)束56 d后發(fā)生本次伽師MS6.4地震，震中距170 km(圖3)。綜合分析認為異?？蓪?yīng)本次伽師地震。

圖3 烏恰鉆孔傾斜EW分量時序曲線Fig.3 EW component daily mean value of Wuqia borehole tilt

2.3 柯坪地電阻率

柯坪電阻率臺位于柯坪縣城西偏北約4.5 km，臺站地理坐標為40.10°N、78.50°E，高程1 241 m。 儀器型號為ZD8M地電儀，采樣率為整點值，2013年8月開始觀測，數(shù)據(jù)具有較好的年變形態(tài)。

柯坪地電阻率NS分量觀測曲線年變清晰，測值呈現(xiàn)“夏高冬低”形態(tài)。NS分量于2017年3～8月上升變化速率和往年同期相比變慢，2017年9月至2018年2月下降變化的年變幅度較往年增大，從而形成2017年3月以后趨勢轉(zhuǎn)折下降的背景異常(圖4)。

柯坪地電阻率NS分量自2017年3月形成背景異常以來，觀測點周邊250 km范圍內(nèi)共發(fā)生5次MS≥5.0地震(圖4)，根據(jù)巖石地電阻率觀測實驗，隨著壓應(yīng)力增大，地電阻率觀測值減小。柯坪地電阻率北南分量形成向下趨勢轉(zhuǎn)折的背景異常，反映出觀測場地壓應(yīng)力增大，當時預(yù)測2020年臺站周邊400 km范圍內(nèi)有發(fā)生MS≥6.0地震的可能。本次伽師MS6.4地震符合該項異常的預(yù)期震級水平，震中距為170 km。

圖4 柯坪地電阻率觀測NS分量時序曲線Fig.4 NS component daily mean value of Keping ground resistivity

2.4 烏什洞體應(yīng)變

烏什地震臺位于阿克蘇地區(qū)烏什縣。烏什洞體應(yīng)變架設(shè)于2006年10月，儀器型號為SS-Y洞體應(yīng)變儀，2007年1月之后觀測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)曲線具有一定的日變和年變形態(tài)。

烏什洞體應(yīng)變EW分量于2012年8月開始由趨勢性壓縮轉(zhuǎn)為拉張，無規(guī)律性年變形態(tài)，至2020年伽師MS6.4地震發(fā)生前，該異常持續(xù)2 700多天，為長趨勢異常，目前異常持續(xù)(圖5)。自2012年8月異常開始以來，周邊多次發(fā)生MS≥5.0、MS≥6.0地震，本次伽師MS6.4地震發(fā)生在EW分量拉張過程中，震中距230 km。

圖5 烏什洞體應(yīng)變EW分量時序曲線Fig.5 EW component daily mean value of Wushi extensometer

3 歷史震例回顧

3.1 喀什地磁垂直分量擬合差值

喀什地磁垂直分量歸零后直線擬合求差值，發(fā)現(xiàn)低值異常與喀什周圍地震有較好的對應(yīng)關(guān)系(圖2)。曲線幾次呈下降—上升過程后，在喀什臺附近均發(fā)生MS≥6.0強震，異常特點為，當?shù)陀诰稻€時間達到1個月以上，持續(xù)至恢復(fù)到均值線后較短時間內(nèi)可能發(fā)生6級左右地震[14,16](表3)。

表3 喀什地磁垂直分量擬合差值震例統(tǒng)計表

3.2 烏恰鉆孔傾斜

烏恰鉆孔傾斜自2008年有觀測數(shù)據(jù)以來，周邊300 km范圍內(nèi)共發(fā)生了21次MS≥5.0地震[15]，該觀測測項主要出現(xiàn)“反向”或“加速”的異常變化[17]，共出現(xiàn)5次中短期異常，其中有3次均在異常結(jié)束后2個月左右發(fā)生地震(表4)。從目前震例來看，異常持續(xù)時間越長，后續(xù)對應(yīng)地震越大；地震一般發(fā)生在異常結(jié)束后2個月左右。

表4 烏恰鉆孔傾斜異常特征表

4 討論與結(jié)論

本次伽師MS6.4地震發(fā)震地點在空間上位于烏什臺、柯坪臺、烏恰臺和喀什臺4個異常測項臺站的中間位置(圖1)，其中烏什臺、柯坪臺位于本次地震的NE方向，臺站附近斷層均為NEE走向的逆沖斷層；烏恰臺、喀什臺分別位于本次地震的正W方向和SWW方向，臺站附近斷層為NW走向的右旋走滑斷層。烏恰鉆孔傾斜異常作為本次地震前唯一的中期異常，對本次地震預(yù)測的意義是非常重要的。理論研究認為[18-19]，在地震孕震過程中，地殼形變方向和速率都將發(fā)生較大改變，微觀前兆異常是監(jiān)視區(qū)地殼應(yīng)力增強作用下地殼介質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力集中并達到一定量的結(jié)果和傳遞出的信息?！败洶w模型”可以解釋短臨前兆異常的共性特征，地震包體是一個處于斷裂帶中的斷裂系統(tǒng)，當所積聚的內(nèi)壓力在某些局部達到臨界應(yīng)力時，在外力作用下將產(chǎn)生破裂流，形成破裂波。討論分析認為，在本次伽師MS6.4地震前，震前異常臺站分布在地震東西兩側(cè)，與本次地震呈“U”型分布，可能符合“軟包體模型”的理論。

(1) 伽師MS6.4地震震中300 km范圍內(nèi)共有12個地球物理定點觀測臺站，26個觀測項目。震前共有4個臺站的4套儀器出現(xiàn)不同程度的前兆異常。其中有3項背景異常和1項中期異常，分別是喀什地磁垂直分量擬合差值、柯坪地電阻率、烏什洞體應(yīng)變背景異常和烏恰鉆孔傾斜中期異常。

(2) 本次地震前出現(xiàn)的背景異常由于地震發(fā)生后異常持續(xù)，故未完全對應(yīng)給本次伽師MS6.4地震；烏恰鉆孔傾斜中期異常對應(yīng)本次地震。

(3) 回顧歷史震例，喀什地磁垂直分量擬合差值在出現(xiàn)多次“下降—上升”變化之后發(fā)生地震，在本次地震前，首次出現(xiàn)超過2倍均方差的背景異常，異常出現(xiàn)后，臺站周邊發(fā)生多次MS≥5.0地震。烏恰鉆孔傾斜異常震例均發(fā)生在異常結(jié)束后2個月左右，且異常持續(xù)時間越長，對應(yīng)地震的震級越大。