2020 年1 月16 日库车MS5.6 地震前库尔勒地震台部分资料异常特征

段绍鑫， 张 森， 邓明文， 刘青山， 张小飞， 李姗姗

（新疆维吾尔自治区地震局库尔勒地震台， 新疆 库尔勒 841000）

0 引言

根据中国地震台网测定， 2020 年01 月16 日16 时 32 分 38 秒（北京时间）在新疆阿克苏地区库车县发生5.6 级地震， 微观震中位置为41.21°N、83.60°E， 震中深度 16 km； 震中距离沙雅县城 69 km， 库车县城 78 km， 乌鲁木齐市 438 km。 震源区周围200 km 范围内近5 年来发生3 级以上地震共 141 次（图 1）， 最大地震为 2017 年 9 月 16 日库车5.7 级地震， 这些地震集中分布在震中北侧， 震中南侧为塔克拉玛干沙漠， 地震活动较弱。

从地震发生位置来看， 震中位于南天山中东段， 塔里木盆地北缘， 发震构造为近东西向的早更新世断层—尉犁隐伏断层， 震中北侧构造运动较为复杂， 有牙哈隐伏断裂、 东却勒塔格断裂、秋里塔格断裂等， 断层性质多为逆断[1]（图 1）。 根据新疆台网60 个台站记录到的清晰P 波初动结果， 计算得到库车MS5.6 地震震源机制解， 表1 给出来源不同的震源机制解结果， 结果一致均为走滑型断裂。 库车MS5.6 地震为主震—余震型， 最大余震为 1 月 19 日 ML3.9 地震， ML≥1.0 余震主要分布在震源区15 km 范围内， 总体呈近东西向展布，与发震构造尉犁隐伏断裂走向基本一致。 本文主要对库车5.6 级地震前部分测震学异常进行分析，总结中强地震前的异常特征， 以期为今后地震预测提供震兆信息。

表1 2020 年1 月16 日库车Ms5.6 地震震源机制解Table 1 Focal mechanism solution of the Kuche Ms5.6 earthquake on January 16th， 2020

图1 库车地震区域构造及震源机制解Fig.1 Regional structure and focal mechanism solution of Kuche earthquake

1 数据选取

库尔勒501 测震台自2007 年12 月架设开始观测， 仪器状态良好， 基本无断记情况； 库米什测震台自2008 年以来使用数字化地震仪记录数据， 仪器运行稳定。 运用单台小震优势分布法、logN-M 法和b 值计算法对库尔勒501 测点和库米什测点进行单台控震能力计算， 并用M-Δ 法验证结果， 得到库尔勒 501 测震台 0～100 km、 101～200 km、 201 ～300 km 内 的 监 测 能 力 分 别 为 ML1.2、ML1.7、 ML2.1； 库米什测震台 0～100 km、 101～200 km、 201 ～300 km 内 的 监 测 能 力 分 别 为 ML0.6、ML1.3、 ML1.7[2]。

“库米什地震窗” 以库米什测震台为中心， 选取2008 年以来100 km 范围内ML≥1.0 地震作为研究资料， 分析 S-P≤10 s 范围内ML≥1.0 小震的月频次； 库尔勒单台地震波参数以库尔勒501 测震台为中心， 选取 2012 年 1 月 1 日至 2020 年 2 月29 日期间距离台站 80～250 km 范围内 ML≥2.0 且震相清晰、 干扰较小的地震作为研究资料； 库尔勒台地震学参数时间扫描计算以库尔勒501 测震台为中心， 选取 2012 年 1 月 1 日至 2020 年 2 月29 日期间距离台站 0～250 km 范围内 ML≥2.0 且震相清晰、 干扰较小的地震作为研究资料； 计算中数据选择的具体范围如图2 所示。

图2 数据选取范围及库尔勒501 测震台250 km 范围内中强地震空间分布Fig.2 Data selection range and spatial distribution of moderate and strong earthquakes within 250 km of Korla 501 Seismic Station

2 “库米什地震窗” 异常特征

“地震窗” 的地震活动可用来表征区域构造应力场， 即主要通过弱震活动形式来反映区域应力场变化的特殊构造部位。

“库米什地震窗” 位于北天山地震带， 历史活动水平较高， 1600 年以来， 史料记载该区曾发生过 32 次 6 级以上地震， 其中 6 级地震 25 次； 7 级地震 6 次； 8 级地震 1 次。 2008 年以来， 发现该区域微震， 小震活动频繁， 并且这些小震活动与北天山地区中强地震间具有一定的相关性。 “库米什地震窗” 构造区主要位于博罗科努—阿其克库都克断裂、 伊犁盆地北缘、 包尔图断裂和焉耆断裂等交汇区， 这些断层性质主要以右旋走滑和逆冲为主（图3）， 周围地下构造背景复杂[3]。

张琳琳、 敖雪明等人通过普查与系统研究，根据历史震例和异常最佳对应原则， 定义小震月频次≥54 次为 “库米什地震窗” 的异常标准， 优势对应区域为天山中部地区， 优势发震时间为6个月， 地震震级≥5.5， “库米什地震窗” 对应中强地震效果好， 通过R 值评分统计检验， 具有较高的短期预报效能[3]。

2008 年以来， “库米什地震窗” 小震月频次共出现10 次高值异常， 在其后6 个月内对应了8次中强地震（表2）， 异常对应比例80%， 由此可见“库米什地震窗” 的映震效果比较好。 2019 年9 月份， “库米什地震窗” 小震月频度为61 次， 超过了异常标准值， 出现高值异常， 在间隔3.5 个月后于2020 年 1 月 16 日发生库车5.6 级地震， 此次高值异常很好的对应了库车5.6 级地震， 异常形态为“高值—低值—发震”（图 4）。

图3 北天山地震带及震情窗口位置分布Fig.3 North Tianshan seismic belt and location distribution of seismic window

表2 “库米什地震窗” 小震月频次异常与地震间的对应关系Table 2 The corresponding relationship between the monthly frequency anomalies of small earthquakes in the " kumishi seismic window" and earthquakes

图4 9 库米什地震窗”小震月频次与中强地震间的对应关系Fig.4 The corresponding relationship between the monthly frequency of small earthquakes in "kumishi seismic window" and moderate and strong earthquakes

3 库尔勒台地震波参数异常特征

国内外许多地震学者的研究结果表明： 在地震的孕育过程中， 震源区及其周围介质会随应力的增强与释放而发生一系列相应的变化， 如裂隙的增多、 串通与闭合等， 这将导致在该介质中传播的地震波的动力学特性发生改变[4]。 冯德益等人的研究表明， 在波速异常期间， 地震波的一些动力学特征如振幅、 周期等均可能发生变化[4-6]。 王筱荣、 曲延军、 李志海、 杨欣等研究发现在中强地震前震区附近地震的振幅比、 尾波持续时间、尾波衰减系数等地震波参数出现不同程度的异常，可以利用地震波参数进行短临跟踪和短临预报[7-11]。

3.1 尾波持续时间比τ 值

松散介质对波的吸收率大于塑性介质对波的吸收率。 随着应力的增加和孕震区介质性 质的改变， 地震波的特性也将发生变化， 即地震波衰减减弱。 利用 τ 值来表征其变化， 规定S¯初动至尾渡衰减到震前几分钟最大噪声的两倍为尾波持续时间， 计算公式为

式 （1）中 τV为垂直分向上尾波持续时间， τEW、 τSN为水平分向上的尾波持续时间[12]。

3.2 尾波衰减系数a 值

当地震不太大时， 地震尾波外包络线形状的经验公式为[13]：

式 （2）中， A（t）为 t 时刻尾波的振幅， t 为波的走时， c为常数。 a 值越大， 振幅随时间的衰减越快。 设t1时刻尾波振幅为A1， t2时刻振幅为A2， 则由上述公式得到

3.3 周期比

库尔勒单台地震波参数以均值作为控制线，优势对应501 测震台250 km 范围内的MS≥5 级地震， 优势发震时间为 3 个月。 2012 年 1 月 1 日至2020 年 2 月 29 日期间库尔勒 501 测震台 250 km范围内共发生 MS≥5 级地震 11 次（图 2）。

由表 3 和图 5 可知， 在 2020 年 1 月 16 日库车5.6 级地震发生前库尔勒尾波持续时间比、 尾波衰减、 周期比值在大致相同的时间段出现了低值异常。 尾波持续时间比值在 2019 年11 月5 日开始持续低值， 12 月17 日后数据恢复高值异常结束， 异常持续1.5 个月， 期间在11 月24 日有一次高值突跳， 数据恢复正常后30 天发生库车5.6 级地震， 异常表现形态为 “低值—高值突跳—回返—发震”； 尾波衰减系数值在 2019 年10 月 24日开始低值异常， 12 月28 日数据恢复高值异常结束， 异常持续2 个月， 数据恢复正常后19 d 发生库车5.6 级地震， 异常形态表现为 “低值—回返—发震”； 周期比值在 2019 年 10 月 28 日开始低值异常， 2020 年1 月7 日数据恢复高值异常结束，异常持续2.3 个月， 数据恢复正常后9 d 发生库车5.6 级地震， 此次地震距离 501 测点 200 km， 异常形态表现为 “低值—回返—发震”。

结合以往的几次震例来看， 在中强地震发生前库尔勒台地震波参数会有2 个月甚至更长时间的低值异常， 在数据恢复高值后的3 个月内发生地震； 同时有2 个参数出现低值异常时后续对应中强地震的概率比较高， 自2012 年1 月以来共出现6 次同时有2 个参数低值异常的情况， 其中有4次对应了中强地震， 异常对应率为66.6%。

表3 库尔勒台地震波参数异常与库车5.6 级地震对应关系Table 3 Corresponding relationship between seismic wave parameter anomaly at Korla Station and Kuche MS 5.6 earthquake

图5 库尔勒台地震波参数时序图Fig.5 Time series diagram of seismic wave parameters at Korla Station

4 库尔勒台地震学参数时间扫描异常特征

地震活动性参数可用于描述区域地震活动性特征[15]。 中强地震发生前， 地震活动会发生变化， 地震学参数出现异常， 这些异常可以作为一种前兆现象， 对后继大震的发生起到一定程度的预测作用[16]。

4.1 地震算法复杂性AC 值

地震算法复杂性AC 值是一种描述时间序列复杂性的表征量， 可以用来鉴别地震过程究竟是完全随机的涨落， 还是受某种决定论动力学规律支配的过程[17]。

4.2 A（b）值、 P（b）值

A（b）值作为描述各地区地震活动性的定量参数， 考虑了一个地区的地震活动性、 震级和频次各方面的因素， 可以直接定量反映地震活动的“增强” 或 “平静”。 A（b）值的本质是一个地震集合的折合震级， 它的主要成分是该集合中的较大地震震级； P（b）值为小地震动态参数， 可以综合表示频度和平均震级的综合效应[17]。

4.3 b 值

著名震级-频度关系式lgN=a-bM 中的系数b反映了大小地震的比例关系， b 值是随空间和时间而变化的， 进行时间扫描时一般采用线性最小二乘法[17]。

库尔勒台地震学参数时间扫描计算以1 个月为步长、 3 个月为窗长进行扫描， 得到2015 年至2020 年2 月的地震学参数时间扫描曲线 （图6），根据近9 年来的震例绘制了各参数的控制线。 在库车 5.6 级地震发生前 AC 值、 A（b） 值、 P（b）值、最小二乘法b 值等4 个参数均出现了一定程度的超限情况（表 4）， 其中 AC 值在 2019 年 4 月至 7月出现高值异常， A（b）值在 2019 年 4 月至 7 月上旬出现低值异常， P（b）值在 2019 年 4 月至 8 月出现高值异常， 最小二乘法b 值在3 月下旬至9 月上旬出现高值异常； 此次地震前各参数的异常形态与之前4 次地震发生前的异常形态一致， 但是本次异常结束至发震时间间隔较长在5～6 个月，而前4 次地震的发震时间在3 个月之内。

表4 库尔勒台地震学参数时间扫描异常与库车5.6 级地震对应关系Table 4 Corresponding relationship between time scan anomaly of seismological parameters at Korla station and Kuche Ms5.6 earthquake

图6 库尔勒台地震学参数时间扫描曲线Fig.6 Time scanning curve of seismological parameters at Korla Station

5 结语

结合历史震例以及本次库车Ms5.6 地震前 “库米什地震窗”、 库尔勒台地震波参数和地震学时间扫描计算三类参数的资料变化情况， 总结得到

（1） “库米什地震窗” 的异常形态为 “高值—低值—发震”， 对应的8 次地震中有3 次发生在异常结束后3 个月内， 有5 次发生在异常结束后3至 6 个月内， 2020 年 1 月 16 日库车 Ms5.6 地震发生在异常结束后3.5 个月。

（2）库尔勒台地震波参数的异常形态为 “低值—回返—发震” 或 “低值—高值突跳—回返—发震”， 对应的中强地震发生在异常结束后3 个月内。

（3）库尔勒台地震学参数时间扫描计算的异常形态为 “超限—回返—发震”， 对应地震发生前AC 值、 A（b）值、 P（b）值、 最小二乘法 b 值等 4 个参数均会出现超限情况， 超限持续时间有所差别，2020 年1 月16 日库车Ms5.6 地震发生在异常结束后3 至6 个月内， 之前对应的几次地震均发生在异常结束后3 个月内。

（4）本次库车 Ms5.6 地震前， “库米什地震窗”、 AC 值、 A（b）值、 P（b）值、 最小二乘法 b 值等5 项异常为中期异常， 库尔勒单台尾波持续时间比值、 尾波衰减系数、 周期比值等3 项异常为短期异常。

（5）当库尔勒台地震波参数中有≥2 个参数出现异常或地震学参数时间扫描计算4 个参数同时出现异常时， 在异常结束后3 个月内对应库尔勒501 测震台 250 km 范围内MS≥5.0 地震的概率很高。 “库米什地震窗” 出现高值异常后， 后续6个月内在天山中段很可能发生MS≥5.5 地震， 如果库尔勒地震波参数和地震学时间扫描计算在相同时间段内也出现异常那么目标地震的空间范围可以缩小到库尔勒501 测震台250 km 范围内， 发震时间缩小为3 个月左右， “库米什地震窗” 对应的 8 次地震中有 3 次地震（2012 年新源—和静MS6.6 级地震、 2017 年库车 MS5.7 级地震、 2020 年库车MS5.6 级地震）符合这种情况。

（6）台站资料更新快、 便于追踪， 充分利用台站第一手资料， 总结分析台站资料的异常变化特征， 找准中强地震发生前的中短期异常信息， 争取在日后的工作中将越来越多的震后总结变为震前异常识别。