2020年5月9日柯坪Ms5.2地震前阿克苏区域地球物理观测异常分析

冯英，刘海洋,南芳芳,蒋志英,饶文

(新疆维吾尔自治区地震局阿克苏中心地震台，新疆 阿克苏 843000)

0 引 言

据新疆维吾尔自治区地震台网正式测定，北京时间2020年5月9日23时35分59秒，在新疆维吾尔自治区阿克苏地区柯坪县(40.77°N，78.86°E)发生5.2级地震，震源深度15 km。距离阿合奇县城31 km，柯坪县38 km，乌什县63 km，阿克苏市132 km。据了解，柯坪县、阿拉尔市、阿克苏市、巴楚县等地有震感。应用阿克苏中心地震台管辖的地球物理观测资料，采用形态法对资料进行震前异常分析和讨论，这些对积累地震前兆异常资料和认识地震前兆特征具有参考意义。

1 地震附近台站前兆监测概况

阿克苏中心地震台台管辖的地震台站有乌什地震台、阿合奇地震台、阿克苏西大桥观测站(以下分别简称“乌什台”“阿合奇台”“阿克苏观测站”)和柯坪地电阻率观测站，观测仪器集中分布在乌什台和阿合奇台(图1)。

图1 柯坪5.2级地震震中附近台站(测项)分布

本次地震发生前乌什台、阿合奇台、阿克苏观测站的部分仪器出现了短临异常，震前异常特征情况如表1所示。

表1 柯坪5.2级地震前阿克苏中心站管辖前兆监测异常特征

2 震前前兆异常分析

2.1 阿合奇台地倾斜异常分析

阿合奇台地倾斜架设时采用模拟相纸记录，经2007年9月改造后，现为数字化观测，仪器记录稳定，能清晰地记录到固体潮日变，观测资料连续、可靠[1]。改造后东西分量长趋势保持持续西倾变化，年变形态清晰，每年的1～2月转向西倾，7～8月份转向东倾。在2014年前南北分量无年变形态，呈现持续北倾变化，2014年后转为趋势南倾，显示一定的年变形态，每年的2月转向南倾，9月转向北倾。2019年8月山洞标准化施工改造后南北分量呈现加速北倾，梳理已往的干扰因素，分析总结认为山洞施工后资料的加速北倾变化是受到施工改造后观测环境变化的影响，由于施工的工期长、改造全面，造成地倾斜资料受影响时间较长、仪器稳定缓慢(图2)，至2020年仪器才基本稳定、恢复正常。

图2 阿合奇台地倾斜南北分量日均值曲线

阿合奇地倾斜观测资料对台站附近发生的中强以上地震有不同程度的短临异常反映，例如1991年柯坪6.5级、1996年阿图什6.9级及2003年巴楚一伽师6.8级地震前8～60天内，都曾出现过不同程度的异常[2]。异常表现为打破年变形态，加速变化或转向变化。

2020年阿合奇台地倾斜两分量均正常春季转向，转向时间与往年基本一致。南北分量转向南倾后，于4月11日出现加速南倾变化，15日后南倾速率变缓，基本恢复到之前的变化速率，此次加速南倾幅度已达到0.341″，异常变化显著(图3)。在异常持续的过程中，台站人员14日去现场开展了异常落实工作。经过对仪器运行和环境干扰等情况的现场检查、观测数据分析，认为阿合奇台地倾斜南北分量2020年4月11日开始的加速南倾变化存在短期地震前兆异常，存在发生5级以上地震的可能。2020年5月9日在柯坪县发生了5.2级地震，地震发生于异常结束后的24天，综上分析认为，南北分量出现的加速南倾变化是该地震的短临异常。

图3 阿合奇台地倾斜南北分量分钟值曲线

2.2 乌什台洞体应变仪异常特征分析

乌什台洞体应变仪于2006年10月开始观测，2007年1月后资料稳定，观测精度达到了国家Ⅰ类台的标准[3]。观测以来两分量有清晰的年变形态，但东西分量自2012年底至今转向持续拉张变化，无年变形态。2018年11月12至22日，对其进行升级改造，改造后两分量精度都有所提高，尤其是东西分量的精度明显得到提升。

乌什台洞体应变仪观测以来，所处的柯坪块体及相邻区域先后发生了多次5级以上地震。震前趋势异常表现为趋势性转折，短期异常特征为加速拉张，临震异常特征为震前2～8天原始观测曲线“畸变”，并伴随高频成份增多的异常变化[4]。其异常变化与南天山西段中强地震有较好地对应关系[5]。例如在2014年7月9日麦盖提5.1级地震、2016年7月19日乌什4.5级地震前均出现了快速拉张的短期异常。

2020年2月19日东西分量开始出现加速拉张变化，4月20日调零、标定后，东西分量拉张变缓转为压缩变化(图4)。之前也存在因调零、标定后拉张速率变缓的情况，但短期内会恢复拉张状态，根据以往经验和统计结果显示(表2)，调零、标定并不会造成数据曲线出现长时间速率改变。针对此异常5月9日台站派人进行了异常核实，经过异常核实认为：乌什洞体应变仪东西分量出现由加速拉张的变化转为压缩的异常变化存在前兆异常，根据中国地震台网测定5月9日23时35分59秒在距观测点60 km的柯坪县发生5.2级地震，此异常变化认定为该地震的短临异常。震后，东西分量速率变化平稳，逐渐恢复拉张变化。

表2 乌什洞体应变仪东西分量调零、标定后影响统计

图4 乌什台伸缩仪东西分量日均值曲线

2.3 阿克苏观测站断层氢异常特征分析

2013年11月9日阿克苏观测站断层氢开始观测，为整点值采样，仪器自带有气温和气压两个辅助测项。供电系统采用交流加UPS的供电模式，确保供电不中断。其中2015年仪器发生故障较多导致数据连续率低，2016年8月29日更换仪器后工作稳定。阿克苏观测站断层氢浓度值观测具有清晰的年变形态，每年的春季年转向时间一般在3月，浓度值由下降转为上升变化，每年的秋季转向时间一般为7月，浓度值由上升转为下降。氢气浓度值的变化与气温、气压有一定的相关性，经相关分析阿克苏断层氢与气温呈中—强正相关，与气压呈负相关性。

通过黄春玲、范雪芳等人对山西地震台痕量氢典型震例分析总结，痕量氢观测前兆异常以短临异常为主，异常一般出现在震前数天至数十天之间，变化特征表现为“突升—转折下降—地震—恢复背景值”的变化过程[6-10]，变化幅度达正常背景值的数倍至数十倍，地震前兆异常明显，易于识别。阿克苏观测站痕量氢自2013年11月架设以来，对周边发生的5级左右地震有很好的映震效果(图5)。阿克苏观测站断层氢浓度值快速上升—发震—下降的这种变化已对应了6次震例(表3)。

图5 阿克苏观测站断层氢(a)、辅助观测气压(b) 和辅助观测气温(c)整点值曲线

表3 阿克苏观测站断层氢浓度值在附近4级以上地震前呈现的异常特征

2020年4月12日18时起阿克苏观测站断层氢浓度出现快速上升变化，由2.365 ppm快速上升至4月14日9时的4.525 ppm，上升幅度达到2.16 ppm，上升为高值后转为波动下降(图6)，4月14日台站工作人员及时进行了异常核实工作，结果认为存在地震前兆异常。预测未来3个月内，在观测点周边300 km范围内有发生4.5级以上中强震的可能性，优势发震区域为包括柯坪块体在内的南天山西段。之后在5月9日距离观测点126 km的柯坪发生5.2级地震，认为阿克苏观测站断层氢4月12日开始的快速上升的异常变化对应该地震。

图6 阿克苏观测站断层氢整点值曲线

2.4 乌什台水温仪震前资料变化分析

乌什台水温仪2007年7月架设至今仪器工作基本正常，观测曲线年变形态清晰，主要干扰因素为同观测井每月15日静水位标定影响。2017年11月17日更换乌什新46井水温仪数采，完成了水温仪的升级改造工作，此次升级改造由于对传感器信号线等均未更换只对数采进行了更换，因此对观测数据无明显影响。

2020年5月9日水温出现了快速上升的异常变化，9日15时51分由10.328 ℃快速下降为15时54分的10.327 ℃，之后转为快速上升至17时16分的10.331 ℃，最大变化幅度达0.04 ℃，然后转为下降变化于5月10日4时逐渐恢复至正常背景值，在恢复过程中9日23时35分59秒发生了距观测点63 km的柯坪Ms5.2地震。之后进行了异常排查，排除了天气干扰、人为干扰和供电影响，通过对历史资料进行梳理发现，水温这种呈现快速上升的畸变会不定时出现(图7)。2017年至2020年6月30日出现过变化幅度在0.02 ℃以上的类似畸变达到6次(表4)，变化幅度在0.02 ℃以下的类似畸变达到11次之多。因此，认为该异常是仪器自身问题所致，不是前兆异常现象。

图7 乌什台水温2017-03-15～16(a)、2018-01-24～25(b)和2020-05-09～10(c)分钟值曲线

表4 乌什台水温仪畸变统计表

3 结 论

通过对柯坪5.2级地震前地球物理观测出现的异常进行研究分析，阿克苏管辖的地球物理观测共有3套仪器出现了短临异常，总结得出以下初步认识。

(1)本次地震前的短临异常主要表现为，乌什台洞体应变东西分量加速拉张后转为压缩变化；阿合奇台地倾斜南北分量加速南倾；阿克苏观测站断层氢浓度值快速上升—下降恢复后发震的异常特征。

(2)形变异常方向与震中方向有一定的联系，若震中在观测台站的以南或以北方向，则分量图上南北向异常比东西向异常明显，反之亦然[11]。柯坪5.2级地震震中均在乌什台和阿合奇台以南方向，阿合奇台地倾斜异常出现在南北分量，但乌什洞体应变异常项出现在东西分量，并未完全与之对应，分析可能与不同的仪器特性有关，这有待于进一步研究分析。

(3)震中附近的流体资料有乌什台静水位、水温仪和阿克苏观测站断层氢，其中只有断层氢出现了前兆异常变化，浓度值表现为快速上升—下降—发震的过程，震后缓慢恢复背景，这种变化符合断层氢的震前异常特征。乌什台水温仪在震前8小时出现了快速阶跃变化，最大变化幅度达0.004 ℃，之后转为下降变化于5月10日4时逐渐恢复至正常背景值，在恢复过程中发生了柯坪5.2级地震。通过对历史资料进行梳理发现，水温这种快速上升的畸变会不定时出现，变化幅度也基本一致。因此，认为该异常是仪器自身问题所致，不是前兆异常现象。

(4)已有震例总结表明，断层氢异常均短时间内大幅度升高，具有明显的突发性，即数据表现形式几乎为震前直线上升与震后快速下降[6-10]。阿克苏观测站断层氢浓度值快速上升—发震—下降的这种变化已对应了6次震例，因此认为阿克苏观测站断层氢观测的预报效能较好。