2021年3月24日新疆拜城MS5.4地震震前異常分析①

高 榮， 聶曉紅， 劉建明， 向 元， 張琳琳

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

2018年以來(lái)新疆及周邊地區(qū)的地震活動(dòng)呈現(xiàn)出“活躍—平靜—活躍—平靜”的狀態(tài)，2018年9月～2019年2月，新疆及周邊區(qū)域MS≥5.0地震活動(dòng)呈現(xiàn)“時(shí)間上連發(fā)活動(dòng)，空間上集中”的狀態(tài)，于南天山西段至喀什—烏恰交匯區(qū)呈NEE向帶狀有序分布。2019年2月2日塔城MS5.2地震后，新疆境內(nèi)MS≥5.0地震平靜267 d，被2019年10月27日烏什MS5.0地震打破。其后新疆中強(qiáng)地震活動(dòng)逐步活躍，而5級(jí)地震條帶東西兩端分別發(fā)生2019年12月20日阿富汗MS6.4地震和2020年1月19日伽師MS6.4地震。2020年1～7月新疆境內(nèi)及周邊區(qū)域接連發(fā)生10次MS≥5.0地震，進(jìn)入5級(jí)地震連發(fā)狀態(tài)。2020年7月13日霍城MS5.0地震后，新疆境內(nèi)再次出現(xiàn)MS≥5.0地震平靜，持續(xù)253 d后被2021年3月24日拜城MS5.4地震打破。為進(jìn)一步研究拜城MS5.4地震前后地震活動(dòng)特征?？偨Y(jié)本次拜城MS5.4地震前涉及的測(cè)震學(xué)異常共8項(xiàng)，包括預(yù)測(cè)效能較好的明確性異常和預(yù)測(cè)效能較差的關(guān)注性異常。

1 地震平靜

地震平靜是指在區(qū)域地震正?；顒?dòng)或顯著增強(qiáng)背景下，局部出現(xiàn)的地震活動(dòng)水平明顯降低，甚至沒(méi)有某個(gè)震級(jí)之上地震的現(xiàn)象[1]，一般持續(xù)到主震發(fā)生，或臨近主震有短暫的回升。Mogi[2]首次提出在顯著地震前可能會(huì)出現(xiàn)地震活動(dòng)性降低現(xiàn)象，強(qiáng)震從孕育到發(fā)震前一段時(shí)間內(nèi)，在孕震區(qū)附近一定范圍內(nèi)，地震活動(dòng)性往往表現(xiàn)出“平靜”的特征，這種“地震平靜”現(xiàn)象作為地震前典型的前兆異常，已被國(guó)內(nèi)外大量震例所證實(shí)。梅世蓉等[3]提出非均勻堅(jiān)固體孕震模型，利用震源體內(nèi)外介質(zhì)性質(zhì)的差異和相互作用對(duì)強(qiáng)震前地震活動(dòng)圖像異常 (包括平靜現(xiàn)象) 的物理機(jī)制進(jìn)行解釋，馬勝利等[4]基于巖石變形聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為當(dāng)斷層帶上含有強(qiáng)度較大的宏觀凹凸體或非連續(xù)部位時(shí)，滑動(dòng)失穩(wěn)前首先需要克服其造成的阻礙作用，與這一過(guò)程相對(duì)應(yīng)會(huì)出現(xiàn)地震活動(dòng)的加速現(xiàn)象，由于凹凸體或非連續(xù)部位破壞形成的一小段新生斷層往往凹凸不平，尚需一定的滑動(dòng)才能達(dá)到斷層發(fā)生整體失穩(wěn)所需的相對(duì)均勻條件，而斷層在滑動(dòng)失穩(wěn)前的這一“蠕滑—?jiǎng)蜃杌边^(guò)程會(huì)導(dǎo)致地震活動(dòng)的相對(duì)平靜。新疆及周邊地區(qū)多次中強(qiáng)震前[5-7]均出現(xiàn)不同震級(jí)的地震平靜現(xiàn)象，王筱榮[8]認(rèn)為新疆中強(qiáng)震前地震活動(dòng)以平靜為主要特征，大震前地震增強(qiáng)后的平靜預(yù)報(bào)意義更強(qiáng)。

1.1 新疆境內(nèi)5級(jí)地震平靜

1950年以來(lái)，新疆境內(nèi)MS≥5.0地震出現(xiàn)時(shí)間間隔Δt≥242 d(即兩倍均方差)的平靜，其后1年內(nèi)新疆境內(nèi)發(fā)生MS≥6.0地震的比例為77.8%(表1)，其中MS≥6.5地震的比例為55.6%；優(yōu)勢(shì)發(fā)震時(shí)間為6個(gè)月以內(nèi)，其中由MS≥6.0地震直接打破的比例為33%；優(yōu)勢(shì)發(fā)生區(qū)域?yàn)槟咸焐轿鞫渭翱κ病獮跚〗粎R區(qū)。2020年7月13日霍城MS5.0地震后，新疆境內(nèi)MS≥5.0 地震持續(xù)平靜，截至2021年3月24日，平靜時(shí)間為253 d，達(dá)到新疆地區(qū)測(cè)震學(xué)預(yù)測(cè)指標(biāo)。

表1 新疆境內(nèi)5級(jí)地震平靜與后續(xù)6級(jí)以上地震的關(guān)系

對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行深入研究，對(duì)打破平靜的中強(qiáng)以上地震的發(fā)生緊迫性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，時(shí)間上，18組平靜達(dá)到指標(biāo)閾值后的首次地震(即打破平靜的地震)發(fā)生在30 d內(nèi)的有8組，31～60 d內(nèi)發(fā)生的有3組；空間上，地震在烏什—溫泉—庫(kù)車(chē)地區(qū)、阿圖什—烏恰地區(qū)和西昆侖—阿爾金交界地區(qū)最為集中(圖1)，特別是發(fā)生在60 d以內(nèi)的MS≥5.0地震多集中于烏什—溫泉—庫(kù)車(chē)地區(qū)；強(qiáng)度上，打破地震多為MS5.0～6.0地震。本次拜城MS5.4地震位于新疆境內(nèi)5級(jí)地震平靜打破地震的集中區(qū)內(nèi)，該地震不能對(duì)應(yīng)該項(xiàng)異常，但改變了新疆5級(jí)地震平靜的狀態(tài)。

圖1 打破新疆境內(nèi)5級(jí)地震平靜的MS≥5.0地震分布圖Fig.1 Seismic distribution of MS≥5.0 earthquakes in Xinjiang which breaks the seismic quiet

1.2 拜城—烏魯木齊地區(qū)MS≥4.0地震平靜

2019年9月16日至2020年12月11日，拜城—烏魯木齊地區(qū)持續(xù)4級(jí)平靜達(dá)453 d，異常指標(biāo)顯示，天山中段拜城—烏魯木齊地區(qū)MS≥4.0地震出現(xiàn)226 d(1倍方差)的平靜即可判定為異常(表2)，其后1年在平靜區(qū)及周邊50 km范圍內(nèi)發(fā)生MS≥5.0地震的比例為72%，優(yōu)勢(shì)時(shí)間為6個(gè)月。2020年12月11日和靜MS4.0地震打破拜城—烏魯木齊地區(qū)的4級(jí)地震平靜，3月24日拜城MS5.4地震發(fā)生在平靜打破后103 d，位于平靜區(qū)的邊緣(圖2)。進(jìn)一步工作顯示，18組有震對(duì)應(yīng)震例中，10組為成組活動(dòng)，2次地震時(shí)間間隔為0～4個(gè)月(60%)和10～12個(gè)月(40%)。

表2 拜城—烏魯木齊地區(qū)MS≥4.0地震平靜與后續(xù)中強(qiáng)地震的關(guān)系

圖2 拜城—烏魯木齊地區(qū)MS≥4.0地震平靜區(qū)地震分布圖Fig.2 Seismic distribution map of quiet area of MS≥4.0 earthquake in Baicheng-Urumqi area

1.3 烏蘇—拜城地區(qū)ML≥4.0地震平靜

2018年12月27日以來(lái)烏蘇—拜城地區(qū)ML≥4.0地震出現(xiàn)顯著平靜，2020年9月19日伊寧ML5.0地震打破了該區(qū)長(zhǎng)達(dá)632 d的平靜。根據(jù)預(yù)測(cè)指標(biāo)，1990年以來(lái)，天山中段烏蘇—拜城地區(qū)ML≥4.0地震出現(xiàn)275 d(2倍方差)的平靜(表3)，其后10個(gè)月在平靜區(qū)及其周邊50 km地區(qū)存在發(fā)生MS≥5.0地震的比例為85.7%。拜城MS5.4地震發(fā)生在平靜打破后186 d，位于平靜區(qū)外40 km(圖3)。震后進(jìn)一步分析認(rèn)為，該異常后續(xù)中強(qiáng)地震成組發(fā)生的可能性較小，并對(duì)應(yīng)此次拜城MS5.4地震。

圖3 烏蘇—拜城地區(qū)ML≥4.0地震平靜區(qū)地震分布圖Fig.3 Seismic distribution of quiet zone of ML≥4.0 earthquake in Wusu-Baicheng area

表3 烏蘇—拜城地區(qū)ML≥4.0地震平靜與后續(xù)中強(qiáng)地震的關(guān)系

1.4 拜城—新源—庫(kù)爾勒MS≥3.0地震平靜

2020年12月11日和靜MS4.0地震后，拜城—新源—庫(kù)爾勒地區(qū)MS≥3.0地震出現(xiàn)平靜現(xiàn)象，截止2021年2月9日，平靜持續(xù)60 d。為進(jìn)一步判定該平靜是否構(gòu)成異常，對(duì)該區(qū)歷史資料進(jìn)行分析(圖4)。拜城—新源—庫(kù)爾勒地區(qū)MS≥3.0地震活動(dòng)在2014年后出現(xiàn)了顯著變化，1970～2013年地震時(shí)間間隔均值為25 d(2倍標(biāo)準(zhǔn)差為78 d)，2014～2020年地震時(shí)間間隔均值為15 d(2倍標(biāo)準(zhǔn)差為45 d)。據(jù)此對(duì)2014年以來(lái)該平靜區(qū)歷史震例進(jìn)行回顧，結(jié)果顯示，該時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差閾值的時(shí)段共計(jì)11組，其后平靜區(qū)及周邊地區(qū)發(fā)生MS≥5.0地震的比例為36.4%，地震均發(fā)生在平靜打破后60 d內(nèi)。此次拜城MS5.4地震發(fā)生時(shí)該平靜尚未打破，地震位于在平靜區(qū)外圍45 km處，綜合以往震例分析認(rèn)為，該異常對(duì)應(yīng)此次拜城MS5.4地震。

圖4 2020年12月11日以來(lái)新疆及周邊MS≥3.0地震分布圖Fig.4 Distribution of MS≥3.0 earthquakes in Xinjiang and its surrounding areas since December 11th, 2020

2 天山中段3、4級(jí)地震顯著增強(qiáng)

王筱榮[9]根據(jù)天山中段地震活動(dòng)特點(diǎn)確定區(qū)域掃描量化參數(shù)：2°×2°范圍內(nèi)，天山中段地震帶3個(gè)月內(nèi)發(fā)生4次以上3級(jí)地震，且必須包含1次以上4級(jí)地震，即構(gòu)成增強(qiáng)異常。天山中段2018年10月～2019年1月、2019年1～3月、2019年6～9月、2019年12月～2020年2月、2020年7～9月分別在新源—拜城—輪臺(tái)、庫(kù)爾勒北—烏魯木齊南地區(qū)形成了8個(gè)異常增強(qiáng)區(qū)，2020年3月23日拜城MS5.0級(jí)地震前1個(gè)月于震區(qū)附近地區(qū)形成異常增強(qiáng)區(qū)(圖5)，2021年1～3月拜城西北地區(qū)MS≥3.0地震活躍，連續(xù)發(fā)生了3次3級(jí)和2次4級(jí)地震，構(gòu)成異常增強(qiáng)現(xiàn)象，2021年3月24日拜城MS5.4地震即發(fā)生在此增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)。 歷史資料研究結(jié)果顯示，3、4級(jí)地震顯著增強(qiáng)對(duì)地震發(fā)生地點(diǎn)具有較好的預(yù)測(cè)意義，但對(duì)強(qiáng)度和時(shí)間不具有顯著預(yù)測(cè)意義，且該異常通常與后續(xù)一組中強(qiáng)地震相關(guān)，故認(rèn)為該異常后續(xù)待對(duì)應(yīng)MS≥5.0地震。

圖5 2018年以來(lái)天山中段3、4級(jí)地震異常增強(qiáng)區(qū)分布圖Fig.5 Abnormal enhanced areas of earthquakes with MS3.0 and 4.0 in the middle of Tianshan since 2018

3 拜城地震窗

敖雪明[10]等在20世紀(jì)90年代篩選出新疆及周邊地區(qū)22個(gè)具有較高預(yù)報(bào)效能的地震窗，張琳琳[11]等利用2008年以來(lái)的數(shù)字化地震資料對(duì)新疆地區(qū)23個(gè)地震窗進(jìn)行強(qiáng)震映震效果分析，均顯示出地震窗在多次強(qiáng)震前出現(xiàn)小震增多的現(xiàn)象。

圖6 2008年以來(lái)拜城地震窗小震月頻度圖Fig.6 Frequency of small earthquakes in Baicheng seismologic window since 2008

4 阿克蘇地區(qū)小震調(diào)制比

秦保燕等[12-13]提出小震調(diào)制比的概念，即受固體潮調(diào)制的地震次數(shù)與地震總次數(shù)的比值，并將震源處于不穩(wěn)定時(shí)由于外因多次觸發(fā)震源，最后導(dǎo)致大震的模式稱為調(diào)制模式，并認(rèn)為將調(diào)制比隨時(shí)間變化做為地震發(fā)生的前兆信息是有意義的。韓顏顏[14]依據(jù)地震活躍特征確定固體潮調(diào)制陰歷日期和調(diào)制比閾值，并利用固體潮調(diào)制比時(shí)空掃描方法回顧性地研究近年來(lái)西北地區(qū)發(fā)生的3次中強(qiáng)地震。

新疆地區(qū)測(cè)震學(xué)預(yù)測(cè)指標(biāo)顯示，根據(jù)新疆地區(qū)綜合定位ML≥3.0地震目錄，時(shí)間上以6個(gè)月為窗長(zhǎng)，1個(gè)月為步長(zhǎng)，空間上以0.5°×0.5°為窗長(zhǎng)的小震調(diào)制比空間掃描結(jié)果在某一地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)3個(gè)月以上的高值，其后6個(gè)月異常區(qū)域及附近150 km區(qū)域存在發(fā)生MS≥5.0地震的可能。2020年11月，阿克蘇地區(qū)出現(xiàn)了約2°×1°范圍的高值區(qū)域，其后異常區(qū)域逐步縮小，12月時(shí)該地區(qū)的高值異?？s小至不到 1°×1°范圍，2021年1月阿克蘇附近高值區(qū)面積再次縮小至約1°×0.5°范圍，2月份異常面積出現(xiàn)擴(kuò)大現(xiàn)象增至約2°×2°范圍(圖7)。3月24日拜城MS5.4地震發(fā)生在阿克蘇地區(qū)調(diào)制比高值區(qū)域的邊緣，該異常對(duì)應(yīng)此次拜城MS5.4地震。

圖7 新疆地區(qū)小震調(diào)制比Rm空間分布圖(a) 2020年11月 (b) 2020年12月 (c) 2021年1月 (d) 2021年2月 (e) 2021年3月Fig.7 Spatial distribution of Rm in Xinjiang

5 阿克蘇臺(tái)振幅比

楊欣等[15-16]對(duì)單臺(tái)地震波振幅比進(jìn)行系統(tǒng)研究和效能評(píng)估，發(fā)現(xiàn)在中強(qiáng)地震前，振幅比時(shí)間進(jìn)程曲線呈現(xiàn)超過(guò)半年的振幅比低值現(xiàn)象，認(rèn)為振幅比可以反應(yīng)出孕震介質(zhì)的變化過(guò)程并具有一定的預(yù)報(bào)效能。

振幅比為同一臺(tái)儀器記錄的P、S波垂直向最大振幅之比，其異常判定條件為：振幅比擺動(dòng)的基準(zhǔn)值明顯降低，擺動(dòng)幅度明顯減小，在一定時(shí)間內(nèi)較穩(wěn)定的處于低值，然后回升發(fā)震。選取距阿克蘇臺(tái)80～230 km的MS≥2.0地震波形資料分區(qū)計(jì)算振幅比，從時(shí)間進(jìn)程來(lái)看(圖8)，2007年以來(lái)該區(qū)歷史上出現(xiàn)3次超過(guò)半年的低值異常，其中有2次地震對(duì)應(yīng)MS≥5.0地震，分別為2007年7月20日托克斯MS5.9地震、2020年3月23日拜城MS5.0地震。2019年4～12月，阿克蘇以東地區(qū)(即拜城周?chē)貐^(qū))地震波振幅比持續(xù)低值異常，2020年1月出現(xiàn)髙值回返現(xiàn)象，其后2個(gè)月發(fā)生2020年3月23日拜城MS5.0地震，震后振幅比再次出現(xiàn)低值狀態(tài)，2021年初振幅比出現(xiàn)回返跡象，2021年3月24日拜城MS5.4地震發(fā)生在異常過(guò)程中，震后異?；謴?fù)。

圖8 2007年以來(lái)阿克蘇臺(tái)MS≥2.0地震振幅比3點(diǎn)滑動(dòng)時(shí)間曲線Fig.8 Amplitude ratio 3-point sliding time curve of MS≥2.0 earthquake on Aksu station since 2007

6 結(jié)語(yǔ)

拜城MS5.4地震前存在8項(xiàng)異常，其中拜城—烏魯木齊地區(qū)MS≥4.0地震平靜因存在成組可能，所以不完全對(duì)應(yīng)本次地震；新疆境內(nèi)5級(jí)地震平靜后續(xù)對(duì)應(yīng)MS≥6.0地震，不對(duì)應(yīng)本次地震。拜城MS5.4地震震前異常較多，中短期異常較為突出，震前活動(dòng)性異常數(shù)量逐步增加，其中平靜類(lèi)異常共4項(xiàng)，增強(qiáng)類(lèi)異常共2項(xiàng)，震前8項(xiàng)異常均具有一定的地點(diǎn)指示意義，空間上主要集中在溫泉—烏蘇—拜城地區(qū)。拜城MS5.4地震的發(fā)生一定程度上緩解了天山中段中強(qiáng)震發(fā)生的危險(xiǎn)性，但從新疆境內(nèi)5級(jí)地震平靜打破后的歷史地震活動(dòng)情況可知，18組平靜打破后有13組發(fā)生多次MS≥5.0地震，其中MS≥6.0地震6組，而打破平靜后第1次6級(jí)地震主要集中發(fā)生于南天山西段。