2022年12月29日吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震前地球物理觀測中短期異常特征分析

梁卉 趙彬彬 艾薩?伊斯馬伊力 高歌 顏龍

摘要：針對2022年12月29日吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震，對震前地球物理觀測中短期異常和時空演化過程進(jìn)行分析。研究表明，震前地球物理定點(diǎn)觀測異常數(shù)量不多，但存在一定數(shù)量的電磁異常，可能與地震大小和震源區(qū)構(gòu)造的走滑性質(zhì)有關(guān)。震前異常數(shù)量出現(xiàn)階段性變化，異常數(shù)量存在增加過程。異常時空演化存在3個階段的不同變化過程：第1階段表現(xiàn)為近源區(qū)的前兆異常向外擴(kuò)展；第2階段表現(xiàn)為大范圍出現(xiàn)異常；第3階段表現(xiàn)為異常向震中收縮靠近。研究地震孕育過程中前兆異常的時空演化特征，特別是異常的收縮或擴(kuò)散現(xiàn)象，對地震的危險地區(qū)和時間預(yù)測具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：吉爾吉斯斯坦；M_S5.4地震；異常特征；時空演化

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.03.007

2022年12月29日1時16分，吉爾吉斯斯坦發(fā)生M_S5.4地震，微觀震中41.88°N，79.56°E，震源深度約10 km，該地震位于吉爾吉斯斯坦境內(nèi)，距邊境約5 km，距烏什縣79 km，距溫宿縣87 km。本次地震距離最近的斷層為闊克薩勒斷裂，距離約5 km，該斷裂性質(zhì)為左旋走滑型。闊克薩勒活斷層是一條分隔山間盆地的活斷層，位于南天山縱向山間盆地與闊克薩勒山之間，規(guī)模較小^［1］。本次地震震源機(jī)制解結(jié)果顯示為走滑型，與斷裂性質(zhì)基本一致。

孕震體物理化學(xué)性質(zhì)的變化和地殼應(yīng)力狀態(tài)的變化會引起地球物理觀測異常在時間、空間上的不斷變化^［2-11］，隨著地震孕育進(jìn)入短期階段，這些異常在形態(tài)上通常會表現(xiàn)出轉(zhuǎn)折、突變或加速的現(xiàn)象，與此同時也會伴隨異常種類的增減變化^［12］。此次吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震前，震中300 km范圍內(nèi)存在4個地球物理定點(diǎn)觀測異常臺站，10項(xiàng)中短期異常，其中形變3項(xiàng)，流體2項(xiàng)，電磁5項(xiàng)。綜合分析震前地球物理觀測中短期異常，并總結(jié)其演化特征，對地震預(yù)測研究具有一定參考作用。

1 觀測資料及異常概述

2022年吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震震中300 km范圍內(nèi)有24個地球物理定點(diǎn)觀測臺站（圖1），其中新疆境內(nèi)20個，哈薩克斯坦境內(nèi)4個。震前地球物理觀測存在5項(xiàng)定點(diǎn)觀測、5項(xiàng)區(qū)域性地磁電磁中短期異常（表1）。

1.1 烏什重力

烏什臺位于柯坪斷塊的東北部，PET型便攜式固體潮重力儀架設(shè)于2008年1月9日^［13］。使用烏什臺2008—2022年1 Hz頻率的重力固體潮觀測數(shù)據(jù)，利用加速度和垂直位移功率譜密度關(guān)系，以1 024 s為窗長、512 s為滑動步長，逐天用加窗傅里葉方法計算第二類（DF）地脈動信號的垂直位移^［14］。結(jié)合歷史資料分析，烏什重力異常對周邊500 km范圍內(nèi)的M_S≥6.0地震對應(yīng)較好，異常對應(yīng)率為86%。

經(jīng)計算，2021年9月13日至2022年3月29日烏什重力出現(xiàn)高值異常，經(jīng)正態(tài)分布檢驗(yàn)，2022年2月超過其95%置信區(qū)間的異常閾值0.257 5。3月29日異常結(jié)束，275天后發(fā)生吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震（圖2）。

1.2 烏什洞體應(yīng)變NS分量

烏什臺位于柯坪斷塊東北部，北東向闊克薩勒深大斷裂的南側(cè)。烏什臺洞體應(yīng)變儀于2006年10月開始觀測^［15］，NS分量在2018年11月升級改造前具有較明顯年變，升級改造后年變不清晰。2022年5月12日開始，NS分量由拉張變化轉(zhuǎn)為快速壓縮變化，壓縮速率較升級改造前同期也明顯較快，異常過程中發(fā)生了阿合奇M_S5.2、巴楚M_S5.1地震，異常開始231天后發(fā)生吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震，累計壓縮幅度為1.35×10^-4，震后異常還在持續(xù)中（圖3a）。

1.3 阿合奇垂直擺傾斜EW分量

阿合奇地震臺位于柯坪構(gòu)造塊區(qū)^［16］。阿合奇垂直擺傾斜儀自2019年9月投入觀測。儀器能清晰地記錄到固體潮日變，觀測資料連續(xù)、可靠。自觀測以來，該測項(xiàng)EW分量具有較好的年變形態(tài)。2022年2月23日至9月13日EW分量W傾幅度達(dá)到了2.54″（是2020年同期年變幅的1.3倍、2021年同期年變幅的1.5倍），2022年9月13日異常結(jié)束，107天后發(fā)生吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震（圖3b）。

1.4扎爾干特—阿拉善井氦氣、氯離子

扎爾干特—阿拉善井位于中國新疆溫泉縣城西南，該監(jiān)測點(diǎn)距中哈邊界約60 km。該井深300 m，水溫背景值為37 ℃左右，經(jīng)水質(zhì)檢驗(yàn)，井水礦化度為0.8 g/L，PH值為8.0，水質(zhì)屬

SO₄-Cl-Na型^［17］。該井交換資料起始時間為1990年1月1日，數(shù)據(jù)為日測值。日常數(shù)據(jù)經(jīng)平滑濾波處理后基本可看出其變化形態(tài)，震前異常特征主要為超二倍均方差異常變化。例如，2003年2月24日巴楚—伽師M_S6.8地震前，氦氣自2002年7月1日起出現(xiàn)超二倍均方差異常變化，7月29日轉(zhuǎn)折上升，8月19日氦氣恢復(fù)到背景值范圍內(nèi)波動變化，異常持續(xù)49天，地震發(fā)生在異常結(jié)束后189天。2014年的8月16日伊塞克湖M_S5.0地震和11月14日吉爾吉斯斯坦M_S5.7地震前氦氣都出現(xiàn)了測值超二倍均方差異常變化。2017年8月9日精河 M_S6.6 地震前氯離子出現(xiàn)了超二倍均方差異常變化。

2022年5月31日，氦氣出現(xiàn)超二倍均方差變化，6月10日開始轉(zhuǎn)折下降，6月22日基本恢復(fù)到背景值范圍內(nèi)，異常持續(xù)22天，短期異常，異常結(jié)束190天后發(fā)生吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震（圖3c）。

2022年9月20日，氯離子出現(xiàn)超二倍均方差的高值變化，之后測值持續(xù)上升，上升幅度約0.035 mg/L，11月29日轉(zhuǎn)折下降，下降約0.017 mg/L后于12月28日再次轉(zhuǎn)折上升，1天后發(fā)生吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震（圖3d）。

1.5 地磁逐日比、地磁垂直強(qiáng)度極化、地磁低點(diǎn)位移

地磁場的垂直分量相比于地磁場的其他成分含有更多的孕震區(qū)地下構(gòu)造活動變化信息^［18-19］，目前地磁逐日比法、地磁垂直強(qiáng)度極化法、地磁低點(diǎn)位移法是近年來常用的地震地磁日變化異常分析研究方法這些方法可有效提取與地震有關(guān)的微小磁異常^［20-22］。地震地磁場異常一般為區(qū)域性中短期異常，地震多位于異常集中區(qū)域或異常分界線及附近區(qū)域^［23-24］。

2022年9月28日，天山中段的烏魯木齊臺、克拉瑪依紅淺臺和溫泉臺的地磁逐日比值出現(xiàn)準(zhǔn)同步超閾值異常。歷史震例顯示，異常后3個月內(nèi)，地震多發(fā)生在其閾值線附近區(qū)域，此次異常出現(xiàn)92天后發(fā)生吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震（圖4）。12月9日烏魯木齊臺、克拉瑪依紅淺臺、溫泉臺和烏什臺的地磁逐日比值出現(xiàn)準(zhǔn)同步超閾值異常，異常出現(xiàn)20天后發(fā)生吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震（圖4）。

2022年11月8日，地磁垂直強(qiáng)度極化高值在新疆北天山西段形成異常區(qū)，該區(qū)也是預(yù)測區(qū)域，異常區(qū)面積約12×10⁴km²，達(dá)到了其異常判定指標(biāo)，異常出現(xiàn)51天后發(fā)生吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震（圖4）。2022年11月26日，中國大陸地磁垂直分量低點(diǎn)位移出現(xiàn)異常，地磁低點(diǎn)位移突變分界線大致沿北緯40°～45°線之間近東西向經(jīng)過新疆地區(qū)。2022年12月29日吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震發(fā)生在地磁低點(diǎn)位移突變分界線附近，低點(diǎn)位移預(yù)測時間為12月23日或1月5日前后4天，基本符合該方法預(yù)報地震的規(guī)律（圖4）。

1.6 電磁衛(wèi)星電子密度

張衡一號電磁衛(wèi)星星載朗繆爾探針（LAP）載荷中記錄電子密度數(shù)據(jù)、等離子分析儀（PAP）載荷中記錄氧離子密度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院。研究表明，在2018年印尼M_S7.4地震^［25］、2021年漾濞M_S6.4和瑪多M_S7.4地震^［26］等許多強(qiáng)震前會出現(xiàn)電離層擾動或電磁異常，75%以上的中國大陸及周邊M_S≥6.0地震震前會出現(xiàn)電子密度或氧離子密度異常^［27-28］。地震多發(fā)生在異常開始后15天以內(nèi)、異常區(qū)域邊緣附近200 km范圍內(nèi)。

2022年12月10日至14日，在新疆南天山西段出現(xiàn)電離層電子密度異常（圖4），該異常區(qū)域背景值為6.2×10¹⁰，最大值為1.1×10¹¹，異常幅度比為0.77，達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)。異常出現(xiàn)15天后發(fā)生吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震，地震距異常區(qū)域邊緣最短距離為45 km。

2 中短期異常時空特征分析

2.1 數(shù)量及時間變化特征

2022年吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震震中300 km范圍內(nèi)存在5項(xiàng)形變、流體定點(diǎn)觀測異常和5項(xiàng)區(qū)域性電磁異常，這些異常約占該區(qū)域定點(diǎn)觀測測項(xiàng)總數(shù)的9%。震中100 km范圍內(nèi)定點(diǎn)觀測11項(xiàng)，其中異常2項(xiàng)，均為形變異常，異常測項(xiàng)比為18%；100～200 km范圍內(nèi)定點(diǎn)觀測5項(xiàng)，僅有形變異常1項(xiàng)，異常測項(xiàng)比為20%；200～300 km范圍內(nèi)定點(diǎn)觀測37項(xiàng)，其中異常2項(xiàng)，均為流體異常，異常測項(xiàng)比為5%（圖5）。

從震前異常月頻次變化看，異常數(shù)量呈現(xiàn)分段性變化（圖6）。震前471天到308天異常數(shù)量穩(wěn)定在1項(xiàng)，震前308天到212天異常項(xiàng)數(shù)明顯增加，因部分異常結(jié)束進(jìn)入對應(yīng)期，震前107天左右異常項(xiàng)數(shù)出現(xiàn)短期下降，而自震前92天起異常項(xiàng)數(shù)再次出現(xiàn)上升，直至發(fā)震其異常月頻次均維持在相對較高水平。

從時間特征上看（圖7），異常的出現(xiàn)具有明顯的階段性特征，其發(fā)展主要集中在3個時間段。烏什重力異常始于2021年9月，是最早出現(xiàn)在震中附近的異常，隨后阿合奇垂直擺傾斜于2022年2月23日出現(xiàn)異常，這2項(xiàng)異常都出現(xiàn)在震前16～10個月，此為第1階段。2022年5月（即震前7個月）烏什洞體應(yīng)變和扎爾干特—阿拉善井氦氣出現(xiàn)速率突變類異常，此為第2階段。2022年9—12月（即震前100天）先后有6項(xiàng)中短期異常集中出現(xiàn)，以具有短期預(yù)測意義的電磁異常為主，此為第3階段。整個過程呈現(xiàn)出異常數(shù)量由少增多、在震前100天內(nèi)顯著增加的特點(diǎn)。

2.2 空間演化特征

從空間特征上看（圖1、7），震中300 km范圍內(nèi)的地球物理定點(diǎn)觀測測項(xiàng)主要集中在震中東北部200～300 km和西南部100～300 km范圍內(nèi)，共計35項(xiàng)，約占測項(xiàng)總數(shù)的66%，有3項(xiàng)定點(diǎn)觀測異常測項(xiàng)分布在該集中區(qū)，約占定點(diǎn)異?？倲?shù)的60%。震中200 km范圍內(nèi)的異常項(xiàng)數(shù)為7項(xiàng)，約占震前異?？倲?shù)的70%。

震前最早出現(xiàn)的異常為烏什重力，距震中約81 km，之后距震中140 km的阿合奇垂直擺傾斜出現(xiàn)異常，2者位于震中西南地區(qū)，空間上出現(xiàn)由震中向外圍擴(kuò)展，接著烏什洞體應(yīng)變、扎爾干特—阿拉善井氦氣和氯離子、2022年9月28日地磁逐日比異常依次出現(xiàn)，異常分布在震中東北和西南地區(qū)，其距震中的距離分別約為81 km、270 km、320 km，這些異常在空間上表現(xiàn)為大范圍出現(xiàn)異常，隨后在震前2個月集中出現(xiàn)4項(xiàng)電磁異常，其預(yù)測優(yōu)勢區(qū)域大多位于震中東部和西部，距震中的距離依次為110 km、140 km、0 km和45 km，空間上大致呈現(xiàn)出向震中區(qū)收縮的遷移過程。

3 結(jié)論與討論

通過對2022年吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震前中短期異常時空演化特征進(jìn)行分析，具有如下特點(diǎn)：

（1） 吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震前有10項(xiàng)地球物理觀測中短期異常，定點(diǎn)觀測異常占統(tǒng)計區(qū)域定點(diǎn)觀測總項(xiàng)數(shù)的9%。在地震孕育模式中，當(dāng)震源錯斷是走滑類型時，其地震前兆種類、持續(xù)時間會相對少短^［29］。此次吉爾吉斯斯坦M_S5.4地震震源機(jī)制解為走滑型，其震前地球物理定點(diǎn)觀測異常數(shù)量較少，可能與震源區(qū)構(gòu)造的走滑性質(zhì)有關(guān)。形變異常有2項(xiàng)，出現(xiàn)在烏什臺和阿合奇臺，這兩個臺的形變資料在南天山多次中強(qiáng)地震前出現(xiàn)過一定程度的異常^{［15，30］}。例如2003年2月24日巴楚—伽師M_S6.8地震前，烏什地傾斜出現(xiàn)短期異常，阿合奇地傾斜、烏什鉆孔應(yīng)變均出現(xiàn)短期及臨震異常^［14］。震前異常數(shù)量出現(xiàn)分段性變化，異常月頻次在震前的變化形態(tài)為上升-下降-再次上升-發(fā)震，這一形態(tài)反映了震源區(qū)地震孕育、應(yīng)變能積累的過程。

（2） 異常的發(fā)展在時間上具有明顯的階段性特征，第1階段以中期定點(diǎn)形變異常為主；第2階段開始出現(xiàn)速率突變類形變、流體異常；第3階段主要以多方法突變類電磁短期異常主。電磁異常通常為區(qū)域性異常，反映了異常所處區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力水平，地點(diǎn)上的預(yù)測范圍較大，多方法異常的綜合分析有利于提高其異常信度，縮小預(yù)測時間、范圍，可作為短期預(yù)測指標(biāo)^{［20，24-25］}。

（3） 隨著時間的推移，震前中短期異常時空演化存在3個階段的不同變化過程。第1階段（震前16～10個月）的異常主要分布在震中西南地區(qū)，表現(xiàn)為近源區(qū)的前兆異常存在向外擴(kuò)展的特點(diǎn)，王新華等^［31］認(rèn)為裂紋的亞臨界擴(kuò)展會造成前兆異常出現(xiàn)從震中向外圍擴(kuò)展的變化，此區(qū)域形變資料在南天山多次中強(qiáng)地震前出現(xiàn)過一定程度的異常，可能為敏感點(diǎn)臺站；第2階段（震前7～3個月）的異常分布在震中東北和西南地區(qū)，表現(xiàn)為大范圍出現(xiàn)異常；第3階段（震前2個月）的異常主要分布在震中東部和西部，表現(xiàn)為異常向震中收縮靠近的過程。這3個階段的不同變化過程是孕震過程的表現(xiàn)，是在孕震體控制下的地震孕育過程中前兆異常普遍存在的特點(diǎn)^［32-35］，2010年玉樹M_S7.1地震前地球物理異常出現(xiàn)時間隨震中距的階段變化也符合3階段發(fā)展^［36］。深入分析地震孕育過程的3階段特點(diǎn)，有利于分析了解地震孕育過程所處的階段，對地震預(yù)測具有一定的參考作用。

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ANALYSIS ON MEDIUM AND SHORT-TERM ANOMALY

CHARACTERISTICS OF GEOPHYSICIAL OBSERVATIONS

BEFORE KYRGYZSTAN M_S5.4 EARTHQUAKE

ON DECEMBER 29，2022 LIANG? Hui， ZHAO Bin-bin， Aisa Yisimayili， GAO Ge， YAN Long

（ Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011， Xinjiang， China）

Abstract： For the M_S5.4 earthquake in Kyrgyzstan on December 29， 2022， the medium and short-term anomalies in geophysical observations before the earthquake were sorted out and their temporal and spatial evolution processes were analyzed. The research shows that the number of geophysical fixed-point observation anomalies before the earthquake is small， but there are a certain number of electromagnetic anomalies， which may be related to the size of the earthquake and the strike slip nature of the structure in the source area. There are periodic changes in the number of anomalies before the earthquake， and there is an increase in the number of anomalies. There are three different stages of anomalous temporal and spatial evolution， namely the first stage， where the precursor anomaly in the near source area expands outward; In the second stage， anomalies appeared on a large scale; The third stage showed an abnormal contraction towards the epicenter. Studying the temporal and spatial evolution characteristics of precursor anomalies during the process of earthquake preparation， especially the phenomenon of abnormal contraction or diffusion， has certain guiding significance for predicting dangerous areas and time of earthquakes.

Key words： Kyrgyzstan；M_S5.4 earthquake; Anomaly characteristics; Temporal and spatial evolution