2020年7月13日霍城MS5.0地震前兆異常初步分析①

錢 才， 張 森, 孫 瓊， 張 翼， 高 榮

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.新疆維吾爾自治區(qū)呼圖壁縣地震辦(臺(tái))，新疆 呼圖壁 831200)

根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2020年7月13日9時(shí)28分新疆維吾爾自治區(qū)霍城縣發(fā)生MS5.0 地震，震中位置為44.42°N、80.82°E，震源深度15 km。此次地震序列為孤立型?；舫荕S5.0地震發(fā)生在伊犁盆地西北緣，新近紀(jì)以來印度板塊向歐亞板塊的擠壓，使伊犁盆地的構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為近東西向和北西西向的斷塊隆起與下陷，幅度達(dá)數(shù)千米之多。本次地震采用CAP方法解算震源機(jī)制，斷層節(jié)面Ⅰ走向290°、傾角88°、滑動(dòng)角-138°；節(jié)面II走向198°、傾角48°、滑動(dòng)角-2°，震源區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造主體喀什河斷裂帶西段(圖1)走向?yàn)镹WW向，節(jié)面I較為符合發(fā)震斷層面，故認(rèn)為節(jié)面I可能是霍城MS5.0地震的發(fā)震斷層面，即霍城MS5.0地震破裂以走滑為主。

圖1 霍城MS5.0地震附近主要活動(dòng)斷裂Fig.1 Distribution of active faults around Huocheng MS5.0 earthquake

地震形成的過程中，孕震區(qū)介質(zhì)發(fā)生物質(zhì)能量交換[1]，前兆儀器能從地球內(nèi)部變化信息中獲取地震前兆，反映了地震孕育到破裂過程中地下介質(zhì)力學(xué)變化信息等[2]。前兆儀器架設(shè)在地表淺層，難免受到淺表圈層諸如氣象、荷載的干擾影響。觀測(cè)數(shù)據(jù)中混雜了干擾信號(hào)是普遍存在的[3]，干擾因素種類較多，影響機(jī)制復(fù)雜，增加了識(shí)別前兆異常的難度[4]。邱澤華和車用太等人提出識(shí)別地震前兆異常自然判據(jù)中一條即為非干擾性異常[5-6]。許多研究者在研究新疆北天山地震前兆信息時(shí)也取得了一些研究成果[7-12]，值得借鑒。

2020年1月以來，新疆MS≥5.0地震呈連發(fā)態(tài)勢(shì)，在7個(gè)月內(nèi)發(fā)生MS≥5.0地震8次，本次霍城MS5.0地震處于連發(fā)過程。本文中對(duì)霍城地震前定點(diǎn)形變異常變化特征進(jìn)行梳理和分析，歸納其演化規(guī)律，以便為該地區(qū)未來的地震預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 震前異常概況

霍城MS5.0地震震中200 km范圍內(nèi)共有定點(diǎn)地球物理觀測(cè)臺(tái)站11個(gè)，包括地傾斜、應(yīng)變、地電、地磁、水位、水溫、氫氣和氣氡等共33個(gè)觀測(cè)臺(tái)項(xiàng)。震中100 km范圍內(nèi)有5個(gè)地球物理定點(diǎn)觀測(cè)臺(tái)，分別是霍爾果斯臺(tái)、伊寧巴彥岱2井、伊寧巴彥岱1井、溫泉臺(tái)和伊寧喀鄉(xiāng)觀測(cè)站的共17個(gè)觀測(cè)臺(tái)項(xiàng)。100～200 km范圍內(nèi)有察縣加尕斯臺(tái)、博樂新32井、尼勒克、鞏留、精河、特克斯杰里蘇6個(gè)地球物理定點(diǎn)觀測(cè)臺(tái)，共有16個(gè)觀測(cè)臺(tái)項(xiàng)(圖2)。根據(jù)判定異常的原則[5-6]，提取霍城MS5.0地震前背景異常3項(xiàng)，中期異常3項(xiàng)。定點(diǎn)前兆觀測(cè)異常臺(tái)站及觀測(cè)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)見表1。

圖2 霍城MS5.0地震附近定點(diǎn)前兆臺(tái)站分布圖Fig.2 Distribution of precursory-monitoring stations around Huocheng MS5.0 earthquake

表1 霍城MS5.0地震定點(diǎn)前兆異常統(tǒng)計(jì)表

2 震前定點(diǎn)形變異常特征分析

霍城MS5.0地震前識(shí)別的背景異常有溫泉水平擺、精河水平擺和伊寧GNSS。其中，溫泉水平擺、精河水平擺背景異常表現(xiàn)為趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，伊寧GNSS表現(xiàn)為年變幅偏小變化。中期異常有尼勒克分量鉆孔應(yīng)變，表現(xiàn)為反向拉張異常。短期異常有鞏留鉆孔傾斜和果子溝鉆孔傾斜，表現(xiàn)為傾斜速率加快和反向變化。

2.1 精河水平擺傾斜

精河水平擺EW分量自觀測(cè)以來年變周期規(guī)律，然而2016年9月轉(zhuǎn)向E傾，2017年2～3月未發(fā)生年變W傾，6月出現(xiàn)E傾速率減緩，被認(rèn)定為前兆異常， 8月9日發(fā)生精河MS6.6地震。2018年2～3月EW分量仍未發(fā)生W傾，持續(xù)E傾，8月30日數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，其后發(fā)生精河MS5.4地震。2016年9月以來EW分量保持E傾趨勢(shì)，背景異常明顯(圖3)。

2.2 溫泉水平擺傾斜

溫泉水平擺NS分量自2010年以來年變規(guī)律。2010～2013年呈趨勢(shì)N傾，發(fā)生了尼勒克—鞏留MS6.0地震和新源—和靜MS6.6地震，2014～2016年呈趨勢(shì)S傾，2016年再次轉(zhuǎn)為N傾，期間發(fā)生了精河MS6.6、精河MS5.4等地震。兩次N傾階段地震發(fā)生較為密集，特別是MS≥6.0地震。2016年至今NS分量趨勢(shì)N傾，并發(fā)生3次MS≥5.0地震，背景異常明顯(圖3)。

圖3 精河水平擺EW分量和溫泉水平擺NS日均值曲線Fig.3 Daily mean curves of EW component of Jinghe horizontal pendulum and NS component of Wenquan horizontal pendulum

2.3 伊寧GNSS

從2011～2020年的位移時(shí)間去趨勢(shì)序列來看，2016年開始伊寧GNSS與往年相比，位移時(shí)間序列年變幅度較2013年、2014年偏小，年變形態(tài)基本消失(圖4)。2017年8月9日精河MS6.6地震后，垂直向年變形態(tài)似乎有所恢復(fù)，年變轉(zhuǎn)向時(shí)間與往年基本一致，但年變幅度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2013～2014年的年變幅度。

圖4 伊寧GNSS去趨勢(shì)日均值曲線(a) 東西向 (b) 北南向 (c) 垂直向Fig.4 Daily value curves of Yining GNSS that remove the linear trend

2.4 尼勒克分量鉆孔應(yīng)變

2015年有資料以來，尼勒克分量鉆孔應(yīng)變儀EW、NE分量呈趨勢(shì)壓縮變化，狀態(tài)穩(wěn)定，每年3月份左右存在融雪干擾，表現(xiàn)為快速壓縮變化。2019年10月，尼勒克鉆孔應(yīng)變四分量先后出現(xiàn)反向壓縮、拉張變化，最早出現(xiàn)反向拉張變化的是NE分量,轉(zhuǎn)向時(shí)間為10月1日，拉張幅度為0.69×10-6；EW分量的反向拉張變化發(fā)生在10月23日，拉張幅度為0.19×10-6(圖5)。NE和EW分量，反向時(shí)間發(fā)生在更換數(shù)采之前，異常持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，異?？煽浚?jīng)異常核實(shí)認(rèn)定為前兆異常。EW分量的反向拉張異常于2020年2月13日恢復(fù)，對(duì)應(yīng)此次地震；NE分量反向拉張仍持續(xù)，不能完全對(duì)應(yīng)此次霍城MS5.0地震。

圖5 尼勒克分量鉆孔應(yīng)變?nèi)站登€(a) 北東分量 (b) 東西分量Fig.5 Daily value curves of borehole strain in Nileke

2.5 鞏留鉆孔傾斜

2020年6月15日鞏留鉆孔傾斜NS分量快速S傾，18日轉(zhuǎn)為N傾，之后傾斜速率減緩，異常幅度為0.268″；EW分量快速反向E傾，18日轉(zhuǎn)為W傾后速率較快，異常幅度達(dá)到5.5″，6月20日異常結(jié)束(圖6)。本次快速變化的異常持續(xù)時(shí)間短、異常幅度大，發(fā)生在兩個(gè)分量上，異?？煽啃暂^高。該組快速變化具有短臨預(yù)測(cè)意義，對(duì)應(yīng)霍城MS5.0地震。

圖6 鞏留鉆孔傾斜日均值曲線圖(a) 北南分量 (b) 東西分量Fig.6 Daily value curves of borehole tilt in Gongliu

2.6 果子溝鉆孔傾斜

果子溝鉆孔傾斜2020年4月16日曲線NS分量反向加速S傾變化，EW分量速率加快，兩分量 5月1日恢復(fù)，NS分量異常幅度達(dá)到0.099″，EW分量異常幅度達(dá)到0.164″(圖7)?，F(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)結(jié)果顯示，果子溝鉆孔傾斜2020年4月16日以來出現(xiàn)的兩分量反向、速率變化屬實(shí)，雖然可能受到連續(xù)強(qiáng)降雨引起地面載荷變化的影響，異常信度受到一定降低，但是異常變化真實(shí)，對(duì)應(yīng)此次地震。

圖7 果子溝鉆孔傾斜日均值曲線圖(a) 北南分量 (b) 東西分量Fig.7 Daily value curves of borehole tilt in Guozigou

霍城MS5.0地震前觀測(cè)到異常共6項(xiàng)，從空間分布上異常臺(tái)站較為分散(圖2)，短期異常首先出現(xiàn)在震中的附近，隨后向外圍遷移。從時(shí)間進(jìn)程上，中短期異常出現(xiàn)時(shí)間較為集中。異常數(shù)量在震前1～2個(gè)月增加明顯，地震發(fā)生在異常數(shù)目減少的過程中(圖8)。

圖8 霍城MS5.0地震前異常數(shù)量時(shí)間進(jìn)程演化Fig.8 Evolution of anomaly quantity process before Huocheng MS5.0 earthquake

3 討論與結(jié)論

通過對(duì)2020年7月13日霍城MS5.0地震的定點(diǎn)形變異常進(jìn)行分析，初步得出以下結(jié)論。

(1) 霍城MS5.0地震震中100 km范圍內(nèi)有5個(gè)地球物理定點(diǎn)觀測(cè)臺(tái)，有17個(gè)觀測(cè)臺(tái)項(xiàng)，僅有溫泉水平擺和果子溝鉆孔傾斜出現(xiàn)異常。100～200 km范圍內(nèi)有6個(gè)前兆臺(tái)站，共16個(gè)觀測(cè)臺(tái)項(xiàng)，僅有精河水平擺、尼勒克分量鉆孔應(yīng)變和鞏留鉆孔傾斜出現(xiàn)異常。異常占比為15.2%，比例偏低(圖2)。

(2) 霍城MS5.0地震前觀測(cè)到中期異常1項(xiàng)，短期異常2項(xiàng)，異常形態(tài)均為反向加速變化。本次地震的前兆異?？臻g分布比較分散。中短期異常在震前出現(xiàn)時(shí)間較為集中，異常幅度較大，主要表現(xiàn)為方向突變、速率加快，持續(xù)時(shí)間較短。在距地震1～2個(gè)月前，前兆異常數(shù)目增加，而地震發(fā)生在短期異常結(jié)束、異常數(shù)目減少的階段。前人總結(jié)北天山地震前兆特征時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象[13-14]，可以作為判斷發(fā)震緊迫性的依據(jù)。

(3) 鞏留鉆孔傾斜和尼勒克鉆孔應(yīng)變相距約39 km，尼勒克鉆孔應(yīng)變出現(xiàn)異常的時(shí)間要早于鞏留鉆孔傾斜。這可能是因?yàn)槟崂湛算@孔應(yīng)變位于阿吾拉勒山北坡斷裂南側(cè)，靠近本次發(fā)震的伊犁盆地北緣(喀什河)斷裂，而鞏留鉆孔傾斜位于鞏留南斷裂附近(圖1)，距離本次發(fā)震斷裂相對(duì)較遠(yuǎn)，在孕育地震過程中，應(yīng)力從震源區(qū)向外圍、不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)擴(kuò)散導(dǎo)致的。梅世蓉在解釋前兆場(chǎng)時(shí)認(rèn)為，短臨異常具有震中外圍向震中遷移特征[15]，高麗娟等人在總結(jié)2013年哈薩克MS6.1地震異常時(shí)，發(fā)現(xiàn)異常在空間上存在有規(guī)律的由外圍區(qū)域向震中遷移的動(dòng)態(tài)特征[16]。宋治平等在研究地震前兆時(shí)空階段特時(shí)發(fā)現(xiàn)在γ階段(相當(dāng)于地震短臨階段)，前兆具有從外圍向震中收縮(γ1)和從震中向外圍擴(kuò)散(γ2)特征[17]，本次霍城MS5.0地震前中短異常時(shí)空分布具有“遠(yuǎn)-近-遠(yuǎn)”的特點(diǎn)，較為符合這種規(guī)律。伊犁州的觀測(cè)手段大多于2015～2016年架設(shè)，2016年以后數(shù)據(jù)才趨于穩(wěn)定，觀測(cè)資料積累較短。本次地震前，沒有識(shí)別出流體、重力和GPS類前兆異常，可能與震源區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、孕震環(huán)境、臺(tái)站分布等因素相關(guān)，也表明產(chǎn)生前兆異常根源的復(fù)雜性[18]，仍需要我們不斷探索與研究。