2020年伽師MS6.4地震前震活動(dòng)研究

鄧世廣，蔣海昆

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2020年1月19日21時(shí)27分在新疆喀什地區(qū)伽師縣(39.83°N，77.21°E)發(fā)生MS6.4地震，震源深度16km.該地震造成1人死亡，2人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失15.26億元，是2020年我國(guó)大陸地區(qū)災(zāi)害最嚴(yán)重的地震.此次地震存在顯著的前震活動(dòng)，在主震發(fā)生前約45 h(2020年1月18日0時(shí)5分)震源區(qū)曾發(fā)生MS5.4地震，構(gòu)成了典型的前-主-余型地震序列.

有關(guān)前震活動(dòng)特征及其判斷的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)(王林瑛等, 2005；Kato et al., 2012；Peng et al., 2013；Kato and Nakagawa, 2014；Ruiz et al., 2014；Wu et al., 2014；鄭建常等, 2015；趙明等, 2021).實(shí)驗(yàn)室的巖石破裂實(shí)驗(yàn)表明，斷層失穩(wěn)前普遍存在類似前震的前兆滑動(dòng)事件(蔣海昆, 2000；Goebel et al., 2013；Johnson et al., 2013；Bolton et al., 2019)，且聲發(fā)射頻次隨時(shí)間明顯增加(蔣海昆等, 2000).地震成核模型以及摩擦滑動(dòng)的速率-狀態(tài)依從等理論也認(rèn)為，前震是主震成核過程的典型表現(xiàn)之一(Dieterich, 1979，1994；Ohnaka, 1992；Dodge et al., 1996；Bouchon et al., 2011).斷層亞失穩(wěn)模型指出, 在臨震亞失穩(wěn)階段中各種物理量存在規(guī)律性的時(shí)空演化特征(馬瑾等, 2012；馬瑾和郭彥雙, 2014；Ren et al., 2018；李世念等，2021)，而前震活動(dòng)則是野外觀測(cè)到的能夠反映失穩(wěn)前斷層狀態(tài)的重要地震學(xué)資料.精確且可靠的前震活動(dòng)觀測(cè)結(jié)果，能為研究地震孕育物理過程提供重要的基礎(chǔ)信息.然而類似余震和震群活動(dòng)，前震活動(dòng)通常在時(shí)間和空間上相對(duì)叢集，短時(shí)間內(nèi)發(fā)生多次地震會(huì)造成低震級(jí)地震可能被其他地震的尾波所淹沒.另外，震中附近臺(tái)站覆蓋不足也會(huì)導(dǎo)致一些小地震因無法定位而在地震目錄里缺失.根據(jù)常規(guī)的地震目錄，不同學(xué)者在全球不同區(qū)域的研究結(jié)果顯示，大約僅有10%～40%的中強(qiáng)地震存在前震(陳颙, 1978；Jones and Molnar, 1979；朱傳鎮(zhèn)和王琳瑛, 1996；Reasenberg, 1999；李振和王輝, 2011；薛艷等, 2012；周少輝和蔣海昆, 2016)，這一比例與實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)結(jié)果存在較大差距(蔣海昆和周少輝, 2020).

基于波形互相關(guān)技術(shù)的模板匹配方法能夠有效檢測(cè)遺漏地震(Peng and Zhao, 2009；譚毅培等, 2014；Zhang and Wen, 2015；Liu et al., 2020)，該方法已在前震活動(dòng)研究中得到了有效的應(yīng)用.Kato等(2012)基于模板匹配方法檢測(cè)分析了2011年日本東北MW9.0地震前震活動(dòng)的遷移現(xiàn)象.王同利等(2019)利用匹配定位(Match & Locate，簡(jiǎn)稱M&L)方法研究了阿拉善左旗MS5.8地震前后的地震活動(dòng)性.Ross等(2019)利用模板匹配方法對(duì)南加州地區(qū)的遺漏地震進(jìn)行檢測(cè)，識(shí)別了近10倍于南加州地震臺(tái)網(wǎng)(SCSN)目錄的地震.Trugman和Ross(2019)利用這套目錄發(fā)現(xiàn)，70%多的4級(jí)以上地震存在前震，前震檢出率比基于 SCSN 目錄的前震檢出率高出 20%.這項(xiàng)研究結(jié)果究表明，以往的許多地震可能因監(jiān)測(cè)能力不足而沒有發(fā)現(xiàn)前震，同時(shí)也意味著前震活動(dòng)可能具有一定的普遍性(蔣海昆和周少輝, 2020).Yao等(2020)對(duì)El Mayor-CucapahMW7.2地震序列的遺漏地震進(jìn)行了檢測(cè)與定位，分析發(fā)現(xiàn)前震活動(dòng)存在向主震位置遷移的現(xiàn)象.現(xiàn)有研究表明，利用波形互相關(guān)技術(shù)識(shí)別更豐富的地震事件，能夠?yàn)槲覀冞M(jìn)一步認(rèn)識(shí)強(qiáng)震孕育過程提供重要的信息.

本文利用伽師MS6.4主震周邊100km范圍內(nèi)新疆區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，以重新定位后的余震序列目錄(李金等，2021a)作為模板事件，采用基于GPU加速的M&L方法對(duì)2020年伽師6.4級(jí)地震序列開展遺漏地震檢測(cè)與定位.在此基礎(chǔ)上利用更加完備的地震目錄研究前震活動(dòng)過程.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

收集了李金等(2021a)利用多階段定位方法對(duì)2020年1月至7月期間ML1.5以上地震重新定位的序列目錄(以下簡(jiǎn)稱重定位目錄)，以及主震周邊100 km范圍內(nèi)6個(gè)地震臺(tái)站2019年12月1日至2020年7月31日的連續(xù)波形數(shù)據(jù)(圖1).由于本文重點(diǎn)研究研究前震活動(dòng)，因此未收集震后布設(shè)的流動(dòng)臺(tái)站的連續(xù)波形數(shù)據(jù).為提高地震定位精度，在地震重新定位過程中使用了包括流動(dòng)臺(tái)站在內(nèi)的全部震相資料(李金等，2021a).為分析更長(zhǎng)時(shí)間的前震活動(dòng)，另外收集了中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.earthquake.cn)發(fā)布的統(tǒng)一正式目錄(以下簡(jiǎn)稱臺(tái)網(wǎng)目錄)作為重定位目錄的補(bǔ)充.

圖1 2020年1月18—31日伽師MS6.4地震序列與周邊臺(tái)站分布黃色五角星為主震震中位置，冷色圓圈為前震震中位置，暖色圓圈為余震震中位置，三角形為臺(tái)站位置，紅色曲線為區(qū)域主要斷層(F1柯坪斷裂；F2奧茲格爾它烏斷裂)，T1表示柯坪塔格推覆構(gòu)造帶，地震位置采用李金等(2021a)重定位序列目錄繪制.Fig.1 Epicenter and station distribution of Jiashi MS6.4 earthquake sequence from January 18 to 31, 2020Yellow stardenotes the main shock, cool color circles denote the foreshocks, warm color circles denote the aftershocks, black triangles denote stations, red lines indicate main faults in the study area (F1 Kalpin Fault; F2 Aozigeertawu Fault), T1 denotes Kalpintage thrust belt, the earthquakes are mapped based on the sequence catalogue relocated by Li et al. (2021a).

1.2 地震檢測(cè)與定位

采用基于GPU加速的M&L方法開展地震檢測(cè)與定位工作，該方法利用地震模板事件波形與可能的微震信號(hào)做互相關(guān)疊加來探測(cè)微震事件.在疊加之前，需要對(duì)模板地震周圍的三維空間進(jìn)行掃描搜索，計(jì)算可能的地震位置與參考位置之間在同一個(gè)臺(tái)站上的相對(duì)走時(shí)差，根據(jù)走時(shí)差來對(duì)互相關(guān)波形進(jìn)行校正疊加.M&L方法可以檢測(cè)到更小震級(jí)的地震事件，并且在檢測(cè)的同時(shí)能夠給出微震的空間位置信息(Zhang and Wen, 2015).參考前人研究工作(王同利等, 2019；Liu et al., 2020)，本文采用如下步驟進(jìn)行地震檢測(cè)與定位：

(1)選取重定位地震目錄2020年1月1日至2020年7月31日期間的全部地震事件作為模板，共計(jì)791個(gè)ML1.5以上地震，其中33個(gè)事件發(fā)生在伽師MS6.4地震之前.

(2)對(duì)連續(xù)波形數(shù)據(jù)去均值、去趨勢(shì)，并采用2～12 Hz四級(jí)雙通道Butterworth帶通濾波器進(jìn)行濾波，從而提高波形數(shù)據(jù)的信噪比.

(3)通過Taup軟件(Crotwell et al., 1999)計(jì)算S波和P波的理論到時(shí)，并通過人工對(duì)到時(shí)做進(jìn)一步校正.將S波到時(shí)前1 s至后5 s作為模板時(shí)窗，P波到時(shí)前3 s至前1 s作為噪聲時(shí)窗，采用Liu等(2020)提出的綜合加權(quán)方法計(jì)算每個(gè)臺(tái)站各個(gè)分量的權(quán)系數(shù)：

(1)

式中的信噪比項(xiàng)Ss,c和走時(shí)項(xiàng)Ds,c具體為

(2)

其中，Ms,c和Ns,c分別為模板地震在s臺(tái)站c分量計(jì)算的信噪比和S波走時(shí).I是所有臺(tái)站分量的總數(shù).

(4)以模板事件所在位置作為中心，設(shè)置搜索網(wǎng)格，計(jì)算格點(diǎn)與模板事件到各臺(tái)站的到時(shí)差，將每個(gè)臺(tái)站各分量的滑動(dòng)互相關(guān)序列所對(duì)應(yīng)的時(shí)間減去其模板所對(duì)應(yīng)的S波走時(shí)，再減去該網(wǎng)格點(diǎn)位置與模板位置到每一個(gè)臺(tái)站的到時(shí)差進(jìn)行位置校正，最后基于上一步驟中計(jì)算得到的加權(quán)系數(shù)，將所有臺(tái)站分量的滑動(dòng)互相關(guān)系數(shù)進(jìn)行加權(quán)疊加，即可獲得該網(wǎng)格點(diǎn)位置的疊加滑動(dòng)互相關(guān)系數(shù)：

(3)

式中T和C分別為模板和連續(xù)波形數(shù)據(jù)，N為模板時(shí)窗內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，n、s和c分別表示采樣點(diǎn)序號(hào)、臺(tái)站和分量，Δt是個(gè)點(diǎn)與模板位置之間的相對(duì)走時(shí)差.對(duì)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行上述運(yùn)算，最終獲得每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上疊加的滑動(dòng)互相關(guān)系數(shù).

由于震中附近的臺(tái)站數(shù)量有限，地震深度不能得到較好的約束，所以在檢測(cè)過程中我們固定震源深度，以模板地震為中心，在周圍水平經(jīng)度和緯度方向0.015°×0.015°區(qū)域進(jìn)行搜索，搜索間隔為0.001°.

(5)將所有模板自檢時(shí)的左右平均相關(guān)系數(shù)(0.0253)作為背景相關(guān)系數(shù)(張淼, 2015)，采用12倍背景相關(guān)系數(shù)(0.3)作為檢測(cè)閾值，當(dāng)計(jì)算的互相關(guān)系數(shù)超過檢測(cè)閾值即認(rèn)為檢測(cè)到了一個(gè)地震.如果檢測(cè)時(shí)間窗口中出現(xiàn)一個(gè)模板檢測(cè)到多個(gè)事件或多個(gè)模板事件檢測(cè)到同一事件，挑選相關(guān)系數(shù)最高的作為探測(cè)到的地震事件.

(6)通過計(jì)算檢測(cè)事件及與其對(duì)應(yīng)的模板事件在各臺(tái)站的水平分量上S波到時(shí)前2 s至后2 s內(nèi)最大振幅的比值，然后求振幅比的平均值來獲得檢測(cè)事件的震級(jí).

根據(jù)以上處理步驟，在2019年12月1日至2020年1月31日期間共檢測(cè)到4664個(gè)地震事件，其中452個(gè)為模板事件的自檢，4212個(gè)為新檢測(cè)到的地震事件.另外將2019年12月1日至31日期間檢測(cè)到的地震事件與臺(tái)網(wǎng)目錄進(jìn)行對(duì)比，臺(tái)網(wǎng)目錄在主震斷裂附近記錄到的18次地震事件均被有效檢測(cè)到，表明檢測(cè)方法有效.圖2展示了利用M&L方法在2019年12月30日3時(shí)38分38.24秒檢測(cè)到的一個(gè)ML1.62地震事件的波形圖及疊加互相關(guān)函數(shù).

圖2 M&L方法對(duì)2019年12月30日ML1.62地震的檢測(cè)結(jié)果(a) 模板地震波形(紅色)與檢測(cè)地震波形(灰色)的對(duì)比圖； (b) 模板地震與檢測(cè)地震的疊加互相關(guān)函數(shù)(藍(lán)色)，最大值為0.4287，超過檢測(cè)閾值0.3(灰色虛線).Fig.2 Detection results of the ML1.62 earthquake on December 30, 2019 using M&L method(a) Comparison of the template earthquake waveform (red) and the detected earthquake waveform (gray)； (b) stacked cross correlation function (blue) of the template earthquake and the detected earthquake, max value is 0.4287, which exceeded the detection threshold 0.3 (gray dashed line).

通過對(duì)已知地震進(jìn)行檢測(cè)的方式驗(yàn)證M&L方法的定位準(zhǔn)確性，并將已知地震位置作為參考位置與檢測(cè)定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.首先我們?cè)谥囟ㄎ荒夸泝?nèi)選取了2020年1月18日的一次ML2.4地震(表1)作為待檢測(cè)地震，利用已移除該地震的其他模板事件對(duì)該地震進(jìn)行檢測(cè)定位，結(jié)果表明M&L方法能夠有效識(shí)別此次地震，檢測(cè)到該地震的模板地震為2020年1月18日的一次ML1.6地震(表1)，疊加相關(guān)系數(shù)約為0.31，檢測(cè)定位結(jié)果與參考位置相差約為312 m(圖3)，而臺(tái)網(wǎng)目錄記錄到此次地震的位置(39.880°N，77.155°E)距參考位置約為2498 m，表明M&L方法對(duì)檢測(cè)地震的定位結(jié)果有較好約束.

圖3 M&L檢測(cè)過程中相關(guān)系數(shù)的空間分布黑色五角星為模板地震，紅色五角星為參考地震，藍(lán)色五角星為檢測(cè)地震(最高相關(guān)系數(shù))，參考地震位于最大相關(guān)系數(shù)73%的置信區(qū)域(白色曲線).Fig.3 The spatial distribution of correlation coefficients during M&L detectionBlack star denotes template earthquake, red star denotes reference earthquake, blue star denotes the detected earthquake (with the maximal CC value), and the reference earthquake is located inside the confidence region with 73% of the maximal CC value (white curve).

表1 地震震源參數(shù)Table 1 Earthquake source parameters

2 結(jié)果分析

2.1 地震檢測(cè)結(jié)果分析

更加完備的地震目錄是正確分析地震活動(dòng)過程的重要基礎(chǔ)，在2019年12月1日至2020年1月31日期間，通過M&L技術(shù)檢測(cè)得到4664個(gè)地震事件，其中261個(gè)事件發(fā)生在伽師MS6.4地震前.從序列的M-t圖可以看出，重定位目錄缺失了大量的微小地震，通過M&L方法補(bǔ)充了豐富的微小地震事件(圖4).此外，我們發(fā)現(xiàn)在夜間能夠檢測(cè)到更多的微小地震，特別是在余震活動(dòng)豐富的時(shí)間內(nèi)小震數(shù)量呈明顯的周期性變化，可能與夜間噪聲水平低有關(guān)(圖5).

圖4 伽師地震序列M-t圖藍(lán)點(diǎn)為檢測(cè)到的地震事件，紅點(diǎn)為原有地震事件.Fig.4 M-t diagram of Jiashi earthquake sequenceBlue dots denote the detected earthquakes, red dots denote the relocated earthquakes.

圖5 伽師MS5.4地震后序列M-t圖藍(lán)點(diǎn)為檢測(cè)到的地震事件，紅點(diǎn)為原有地震事件.Fig.5 M-t diagram of the sequence after Jiashi MS5.4 earthquakeBlue dots denote the detected earthquakes, red dots denote the relocated earthquakes.

完備震級(jí)(Magnitude of completeness，MC)是評(píng)估地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力的一個(gè)定量標(biāo)準(zhǔn)(李智超和黃清華, 2014)，也是地震活動(dòng)性分析中的重要參數(shù)(Wiemer and Wyss, 2000).計(jì)算并確定地震目錄的最小完備震級(jí)，是研究地震活動(dòng)特征的基礎(chǔ).本文利用最大曲率法，通過計(jì)算震級(jí)頻度曲線一階導(dǎo)數(shù)最大值求取地震目錄的完備震級(jí)(侯金欣和王寶善, 2017).分別對(duì)檢測(cè)目錄和重定位目錄進(jìn)行完備震級(jí)分析表明，通過補(bǔ)充檢測(cè)到的遺漏地震，序列的完備震級(jí)從ML1.6降低到ML1.0，說明通過M&L方法在很大程度上有效減輕了目錄缺失問題(圖6).

圖6 檢測(cè)目錄(圓圈)與重定位目錄(三角)的震級(jí)與頻度分布對(duì)比(a) 非累積頻度； (b) 累積頻度.通過補(bǔ)充檢測(cè)地震，目錄的完備震級(jí)由ML1.6降低到ML1.0.Fig.6 Magnitude-frequency distribution of earthquake sequence catalog before (triangle) and after detection (circle)(a)Noncumulative frequency; (b) Cumulative frequency. Magnitude of completeness decreased from ML1.6 to ML1.0.

2.2 前震時(shí)空演化分析

由地震空間分布可以看出，伽師序列的地震分別沿NNW、EW兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向展布(圖7a)，其中大部分余震在EW方向沿柯坪塔格推覆構(gòu)造(T1)走向平行展布，震源機(jī)制以逆沖為主(李金等，2021a)，深度主要集中在10 km以淺的范圍內(nèi)(圖7b)，與柯坪塔格推覆系統(tǒng)基底滑脫面的深度吻合(楊曉平等，2006)，據(jù)此認(rèn)為沿EW向分布的地震與柯坪塔格推覆構(gòu)造具有密切關(guān)系.而MS5.4前震序列及MS6.4主震均位于NNW方向，且震源深度較深，結(jié)合MS5.4地震的震源機(jī)制解為走滑型破裂，認(rèn)為該位置可能存在一條近NNW向高傾角走滑性質(zhì)的隱伏斷裂(李金等，2021a；崔仁勝等，2021).根據(jù)地震成核理論，嚴(yán)格的前震應(yīng)是主震之前不長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，在緊鄰主震破裂起始點(diǎn)區(qū)域發(fā)生的小地震(蔣海昆和周少輝, 2020).因此將主震所在的NNW向斷裂附近區(qū)域(圖7a內(nèi)S1區(qū)域)作為粗略的前震活動(dòng)范圍，主震前發(fā)生的261個(gè)地震中，有170個(gè)地震位于該區(qū)域，約占總數(shù)的65.1%，并且主震前最大的MS5.4地震也發(fā)生在該處.根據(jù)震源機(jī)制解和地震重定位結(jié)果，認(rèn)為伽師MS6.4地震屬于多條斷裂的同時(shí)活動(dòng)(李金等，2021a)，地震檢測(cè)結(jié)果表明余震活動(dòng)豐富的EW向斷裂在主震發(fā)生前也存在地震活動(dòng)，特別是余震區(qū)東段在主震前有65次地震活動(dòng)，空間位置相對(duì)集中，因此選取該區(qū)域(圖7a中S2區(qū)域)與S1區(qū)域的前震活動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析.

圖7 補(bǔ)充遺漏地震后伽師MS6.4地震前后序列震中位置(a)與深度剖面(b)黃色五角星為主震震中位置，冷色圓圈為前震震中位置，暖色圓圈為余震震中位置，黑色三角形為臺(tái)站位置，紅色曲線為區(qū)域主要斷層(F1柯坪斷裂；F2奧茲格爾它烏斷裂)，T1表示柯坪塔格推覆構(gòu)造帶.Fig.7 Epicenter distribution (a) and depth profile (b) of Jiashi MS6.4 earthquake sequence after detectionYellow stardenotes the main shock, cool color circles denote the foreshocks, warm color circles denote the aftershocks, black triangles denote stations, red lines indicate the main faults in the study area (F1 Kalpin Fault; F2 Aozigeertawu Fault), T1 denotes Kalpintage thrust belt.

基于補(bǔ)充了微小地震的檢測(cè)目錄，分別對(duì)前震活動(dòng)相對(duì)集中的S1和S2兩個(gè)區(qū)域的地震活動(dòng)過程進(jìn)行分析.根據(jù)S1區(qū)域的M-t圖(圖8a)，可見主震前2天發(fā)生的伽師MS5.4地震及其余震是伽師MS6.4地震最顯著的前震活動(dòng).從地震頻次來看，伽師MS5.4地震后第1天余震相對(duì)豐富，震后第2天的余震頻次顯著降低，隨后發(fā)生伽師MS6.4地震.從更長(zhǎng)的時(shí)間尺度來看，在伽師MS6.4地震前26至19天期間S1區(qū)域存在相對(duì)顯著的地震活躍，并且在震前22天ML≥1.0地震日頻次達(dá)到10次，而在該地震活躍時(shí)段之外的時(shí)間內(nèi)，S1區(qū)域地震相對(duì)平靜，地震活動(dòng)過程在時(shí)間上呈現(xiàn)出“活躍-平靜-前震-主震”的過程.對(duì)比來看，S2區(qū)域的日頻次和M-t圖(圖8b)，在MS6.4主震發(fā)生前并沒有發(fā)現(xiàn)明顯偏離背景活動(dòng)水平的地震活躍或平靜現(xiàn)象，因此我們認(rèn)為S2區(qū)域在主震前的地震活動(dòng)屬于正常的背景地震活動(dòng).

圖8 S1區(qū)域(a)及S2區(qū)域(b)地震日頻次與M-t圖灰色柱狀圖為主震前的地震日頻次，黑色圓點(diǎn)為地震事件.Fig.8 Earthquake daily frequency and M-t diagram in S1 region(a) and S2 region (b)Gray histogram indicates the earthquake daily frequency, black dots denote earthquake events.

從圖7a地震空間分布看，主震發(fā)生前S2區(qū)域地震活動(dòng)沒有明顯的展布方向，而S1區(qū)域存在一條明顯的近NNW向的地震分布，與推斷的5.4級(jí)前震發(fā)震斷裂(NNW向高傾角走滑斷裂)相一致.為進(jìn)一步分析主震發(fā)生前發(fā)震斷裂附近的小震時(shí)空活動(dòng)過程，沿NNW向斷裂設(shè)定AA′剖線(圖7a)，并將S1區(qū)域的地震投影到該剖線.

由S1區(qū)域主震前50天至后1天地震投影圖(圖9)可見，主震前26至19天期間的地震活動(dòng)主要集中活動(dòng)在震中附近.

圖9 S1區(qū)域地震在AA′方向投影圖(震前50天至震后1天)Fig.9 Temporal-spatial diagram of the detected events in S1 region (50 days before and 1day after the main shock, earthquakes were projected to Line AA′)

但從主震前5天至后1天的地震投影圖(圖10)來看，地震活動(dòng)沿AA′方向呈現(xiàn)出由兩側(cè)向主震震中位置遷移的現(xiàn)象，由A端向震中遷移的速度約為3.6 km·d-1，由A′端向震中遷移的速度約為2.5 km·d-1.

圖10 S1區(qū)域地震在AA′方向投影圖(震前5天至震后1天)Fig.10 Temporal-spatial diagram of the detected events in S1 region (5 days before and 1day after the main shock, earthquakes were projected to Line AA′)

2.3 前震與余震序列衰減特征對(duì)比分析

大量的觀測(cè)事實(shí)表明，修正的大森公式(Utsu, 1961)能夠有效地對(duì)序列衰減特征進(jìn)行定量表述(宋金和蔣海昆，2009)，其表達(dá)式為

n(t)=K/(t+c)p,

(4)

其中n(t)是單位時(shí)間內(nèi)余震的頻度，K、p、c為常數(shù).K與主震震級(jí)計(jì)算和計(jì)算采用的震級(jí)下限有關(guān).p值表示余震序列衰減的快慢，Utsu等(1995)對(duì)1962—1995年間全球發(fā)表的200多個(gè)序列的p值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，指出p值分布在0.6～2.5之間，均值為1.1.之后許多中強(qiáng)地震序列的p值計(jì)算結(jié)果仍與Utsu的認(rèn)識(shí)相一致(宋金和蔣海昆，2009)，而且p值的計(jì)算結(jié)果與選用的震級(jí)下限無關(guān)(譚毅培等，2015).c值一般認(rèn)為與主震后記錄不完備的時(shí)間有關(guān)(曲均浩和蔣海昆，2012).

利用補(bǔ)充遺漏地震的地震目錄有助于更加精確地測(cè)定序列參數(shù)(Enescu et al., 2009；譚毅培等，2015)，本文基于補(bǔ)充遺漏地震的地震目錄，利用修正的大森公式分別對(duì)MS5.4前震和MS6.4主震的余震序列的衰減參數(shù)進(jìn)行估算.計(jì)算過程中均選用震后2天內(nèi)震級(jí)大于完備震級(jí)(ML1.1)的地震目錄進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，利用最大似然法(Ogata，1983)計(jì)算得到前震序列的p值為0.84，余震序列的p值為1.15.可見MS6.4主震之后余震序列p值接近全球統(tǒng)計(jì)均值(Utsu et al.，1995).而MS5.4前震序列的p值明顯較低，表明前震序列本身的衰減比余震的衰減明顯偏慢.為便于比較，將MS5.4前震序列與MS6.4主震序列的累積地震頻次及相應(yīng)的擬合曲線做了歸一化處理(圖11)，可見前震序列在早期(1天內(nèi))的累積地震頻次增加速率顯著高于余震序列.

圖11 前震序列與余震序列的歸一化累積頻次圖(虛線為最佳擬合曲線)Fig.11 Normalized cumulative earthquake number of foreshock and aftershock sequence (dashed lines represent the best estimated curve)

3 討論與結(jié)論

(1)2019年12月1日至2020年1月31日期間，通過M&L技術(shù)檢測(cè)得到4664個(gè)地震事件，其中261個(gè)事件發(fā)生在伽師MS6.4地震前.通過補(bǔ)充遺漏地震，伽師MS6.4地震序列目錄的完備震級(jí)由ML1.6降低到ML1.1，目錄的完備性得到有效提升，為研究前震的時(shí)空活動(dòng)過程提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

(2)本次伽師MS6.4地震發(fā)生在塔里木盆地和南天山交匯區(qū)域，受印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞的遠(yuǎn)程作用的影響，塔里木巖石圈向天山下方俯沖(Zhao et al., 2003；Lei and Zhao, 2007；Lü et al., 2019)，在山前形成了一系列北傾、近EW走向的逆沖推覆構(gòu)造(徐錫偉等，2006)，區(qū)域構(gòu)造環(huán)境以擠壓為主(李金等，2021b).而震源機(jī)制解結(jié)果顯示伽師MS5.4地震為走滑型破裂(崔仁勝等，2021；郭志等，2021；李金等，2021a)，前震序列沿NNW向分布，且伽師MS6.4主震也位于該NNW條帶，已有研究表明該處存在一條NNW向高傾角走滑性質(zhì)的隱伏斷裂(李金等，2021a；崔仁勝等，2021).這種在擠壓構(gòu)造環(huán)境中與擠壓應(yīng)力方向平行的走滑斷層具有類似“轉(zhuǎn)換斷層”性質(zhì)(徐錫偉等，2006)，能夠調(diào)節(jié)柯坪逆沖推覆體褶皺帶的橫向不均勻性(崔仁勝等，2021).1997年伽師強(qiáng)震群位于本次地震西南約23 km，震源機(jī)制以走滑為主，發(fā)震斷層同樣為近南北向的隱伏“類轉(zhuǎn)換斷層”(徐錫偉等，2006).周仕勇等(2001)結(jié)合地震重定位及震源機(jī)制解結(jié)果推斷伽師強(qiáng)震群的發(fā)震構(gòu)造為NNW向雁型斷裂.本次地震的NNW向斷裂與1997年伽師強(qiáng)震群的發(fā)震構(gòu)造走向基本一致，且斷層性質(zhì)均為走滑型，但空間上存在間隔，因此推斷本次地震的NNW向斷裂可能屬于NNW向雁型斷裂的分支斷裂.

(3)根據(jù)修正的大森公式計(jì)算伽師MS5.4前震序列的p值為0.84，較主震序列p值(1.15)和全球p值平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果(1.1)偏低，表明前震序列的余震衰減較慢，可能意味著伽師MS5.4地震的發(fā)生并沒有充分釋放斷層累積的應(yīng)力，發(fā)震斷層附近還處于較高的應(yīng)力狀態(tài).已有研究表明影響序列p值的因素較為復(fù)雜(曲均浩，2017)，主要包括應(yīng)力的不均勻性、斷層的不均勻性、斷層的滑移量以及地殼溫度等(侯金欣，2020；Mikumo and Miyatake, 1979).伽師前震序列與主要余震序列發(fā)生在不同斷層，斷層構(gòu)造條件的差異可能是造成伽師前震序列與余震序列p值不同的重要因素.由于伽師地震發(fā)震構(gòu)造的復(fù)雜性以及p值影響因素的復(fù)雜性，我們尚需更多震例來驗(yàn)證低p值是否可以作為判斷前震序列或斷層已進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的標(biāo)志.

(4)伽師MS6.4地震發(fā)生前，在主震附近(S1)以及余震區(qū)東端(S2)兩個(gè)區(qū)域存在相對(duì)集中的地震活動(dòng)，分析認(rèn)為S2區(qū)域的地震活動(dòng)屬于持續(xù)的背景地震活動(dòng)，S1區(qū)域的地震活動(dòng)為典型的前震活動(dòng)，并且在主震發(fā)生前26至19天期間存在相對(duì)顯著的地震活躍現(xiàn)象，隨后地震活動(dòng)出現(xiàn)平靜直到伽師MS5.4地震發(fā)生.伽師MS5.4地震后1天內(nèi)的余震相對(duì)豐富，之后的余震頻次顯著降低，隨后發(fā)生伽師MS6.4地震.巖石變形聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，斷層在臨近失穩(wěn)前的相對(duì)平靜現(xiàn)象是客觀存在的(馬勝利等, 2004；尹賢剛等, 2009)，斷層失穩(wěn)前的地震平靜階段可能表明斷層開始無震蠕滑(馬勝利等, 2004).對(duì)斷層泥樣品的納/微米尺度觀察表明，斷層黏滑前普遍存在蠕滑現(xiàn)象(Chao et al., 2017).無論是伽師MS5.4地震前還是伽師MS6.4地震前，發(fā)震斷層附近都存在由地震活躍轉(zhuǎn)為相對(duì)平靜的過程，與馬勝利等(2004)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的“蠕滑-勻阻化”機(jī)制相一致，可能是斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的一種表現(xiàn)形式.

(5)通過補(bǔ)充遺漏的微小地震能夠進(jìn)一步揭示主震發(fā)生前發(fā)震斷裂附近的小震活動(dòng)過程.根據(jù)地震空間分布，S1區(qū)域的前震活動(dòng)呈近NNW向分布，與伽師MS5.4地震的發(fā)震斷裂相一致.將S1區(qū)域的地震沿?cái)嗔炎呦蜻M(jìn)行投影，可以發(fā)現(xiàn)MS6.4主震前存在小震活動(dòng)向主震位置遷移收縮的現(xiàn)象，這些具有明顯遷移收縮特征的地震活動(dòng)，主要由MS5.4前震序列地震所構(gòu)成，這一前震序列地震空間上向主震位置的遷移收縮現(xiàn)象，表明失穩(wěn)前應(yīng)變釋放區(qū)域的收縮.巖石摩擦試驗(yàn)表明，亞失穩(wěn)階段的一個(gè)顯著特征是斷層附近觀測(cè)到的多種物理量出現(xiàn)規(guī)律性的時(shí)空演化特征，即現(xiàn)協(xié)同化現(xiàn)象(馬瑾等，2012；任雅瓊等，2013；卓燕群等，2013)，伽師前震活動(dòng)向主震位置遷移收縮可能是協(xié)同化的表現(xiàn)形式之一.He等(2021)對(duì)地震成核過程的最新數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在地震成核的最后階段存在弱化區(qū)收縮的過程，與我們觀測(cè)到的地震活動(dòng)遷移收縮現(xiàn)象相吻合.因此，小震活動(dòng)向主震位置遷移收縮的現(xiàn)象可能是主震前斷層已進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的表現(xiàn)形式之一.

致謝感謝審稿專家提出的有益修改建議，感謝新疆維吾爾自治區(qū)地震局李金高級(jí)工程師提供的地震數(shù)據(jù)，感謝中國(guó)地震局地質(zhì)研究所何昌榮研究員的指導(dǎo)和建議.文中部分圖件使用GMT軟件(Wessel and Smith, 1995)繪制.