2021年3月24日新疆拜城MS5.4地震震前异常分析①

2021-07-14聂晓红刘建明张琳琳

内陆地震 2021年2期

高荣，聂晓红，刘建明，向元，张琳琳

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐 830011)

2018年以来新疆及周边地区的地震活动呈现出“活跃—平静—活跃—平静”的状态，2018年9月～2019年2月，新疆及周边区域MS≥5.0地震活动呈现“时间上连发活动，空间上集中”的状态，于南天山西段至喀什—乌恰交汇区呈NEE向带状有序分布。2019年2月2日塔城MS5.2地震后，新疆境内MS≥5.0地震平静267 d，被2019年10月27日乌什MS5.0地震打破。其后新疆中强地震活动逐步活跃，而5级地震条带东西两端分别发生2019年12月20日阿富汗MS6.4地震和2020年1月19日伽师MS6.4地震。2020年1～7月新疆境内及周边区域接连发生10次MS≥5.0地震，进入5级地震连发状态。2020年7月13日霍城MS5.0地震后，新疆境内再次出现MS≥5.0地震平静，持续253 d后被2021年3月24日拜城MS5.4地震打破。为进一步研究拜城MS5.4地震前后地震活动特征。总结本次拜城MS5.4地震前涉及的测震学异常共8项，包括预测效能较好的明确性异常和预测效能较差的关注性异常。

1 地震平静

地震平静是指在区域地震正常活动或显著增强背景下，局部出现的地震活动水平明显降低，甚至没有某个震级之上地震的现象[1]，一般持续到主震发生，或临近主震有短暂的回升。Mogi[2]首次提出在显著地震前可能会出现地震活动性降低现象，强震从孕育到发震前一段时间内，在孕震区附近一定范围内，地震活动性往往表现出“平静”的特征，这种“地震平静”现象作为地震前典型的前兆异常，已被国内外大量震例所证实。梅世蓉等[3]提出非均匀坚固体孕震模型，利用震源体内外介质性质的差异和相互作用对强震前地震活动图像异常 (包括平静现象) 的物理机制进行解释，马胜利等[4]基于岩石变形声发射实验结果认为当断层带上含有强度较大的宏观凹凸体或非连续部位时，滑动失稳前首先需要克服其造成的阻碍作用，与这一过程相对应会出现地震活动的加速现象，由于凹凸体或非连续部位破坏形成的一小段新生断层往往凹凸不平，尚需一定的滑动才能达到断层发生整体失稳所需的相对均匀条件，而断层在滑动失稳前的这一“蠕滑—匀阻化”过程会导致地震活动的相对平静。新疆及周边地区多次中强震前[5-7]均出现不同震级的地震平静现象，王筱荣[8]认为新疆中强震前地震活动以平静为主要特征，大震前地震增强后的平静预报意义更强。

1.1 新疆境内5级地震平静

1950年以来，新疆境内MS≥5.0地震出现时间间隔Δt≥242 d(即两倍均方差)的平静，其后1年内新疆境内发生MS≥6.0地震的比例为77.8%(表1)，其中MS≥6.5地震的比例为55.6%；优势发震时间为6个月以内，其中由MS≥6.0地震直接打破的比例为33%；优势发生区域为南天山西段及喀什—乌恰交汇区。2020年7月13日霍城MS5.0地震后，新疆境内MS≥5.0 地震持续平静，截至2021年3月24日，平静时间为253 d，达到新疆地区测震学预测指标。

表1 新疆境内5级地震平静与后续6级以上地震的关系

对该指标进行深入研究，对打破平静的中强以上地震的发生紧迫性进行分析，结果显示，时间上，18组平静达到指标阈值后的首次地震(即打破平静的地震)发生在30 d内的有8组，31～60 d内发生的有3组；空间上，地震在乌什—温泉—库车地区、阿图什—乌恰地区和西昆仑—阿尔金交界地区最为集中(图1)，特别是发生在60 d以内的MS≥5.0地震多集中于乌什—温泉—库车地区；强度上，打破地震多为MS5.0～6.0地震。本次拜城MS5.4地震位于新疆境内5级地震平静打破地震的集中区内，该地震不能对应该项异常，但改变了新疆5级地震平静的状态。

图1 打破新疆境内5级地震平静的MS≥5.0地震分布图Fig.1 Seismic distribution of MS≥5.0 earthquakes in Xinjiang which breaks the seismic quiet

1.2 拜城—乌鲁木齐地区MS≥4.0地震平静

2019年9月16日至2020年12月11日，拜城—乌鲁木齐地区持续4级平静达453 d，异常指标显示，天山中段拜城—乌鲁木齐地区MS≥4.0地震出现226 d(1倍方差)的平静即可判定为异常(表2)，其后1年在平静区及周边50 km范围内发生MS≥5.0地震的比例为72%，优势时间为6个月。2020年12月11日和静MS4.0地震打破拜城—乌鲁木齐地区的4级地震平静，3月24日拜城MS5.4地震发生在平静打破后103 d，位于平静区的边缘(图2)。进一步工作显示，18组有震对应震例中，10组为成组活动，2次地震时间间隔为0～4个月(60%)和10～12个月(40%)。

表2 拜城—乌鲁木齐地区MS≥4.0地震平静与后续中强地震的关系

图2 拜城—乌鲁木齐地区MS≥4.0地震平静区地震分布图Fig.2 Seismic distribution map of quiet area of MS≥4.0 earthquake in Baicheng-Urumqi area

1.3 乌苏—拜城地区ML≥4.0地震平静

2018年12月27日以来乌苏—拜城地区ML≥4.0地震出现显著平静，2020年9月19日伊宁ML5.0地震打破了该区长达632 d的平静。根据预测指标，1990年以来，天山中段乌苏—拜城地区ML≥4.0地震出现275 d(2倍方差)的平静(表3)，其后10个月在平静区及其周边50 km地区存在发生MS≥5.0地震的比例为85.7%。拜城MS5.4地震发生在平静打破后186 d，位于平静区外40 km(图3)。震后进一步分析认为，该异常后续中强地震成组发生的可能性较小，并对应此次拜城MS5.4地震。

图3 乌苏—拜城地区ML≥4.0地震平静区地震分布图Fig.3 Seismic distribution of quiet zone of ML≥4.0 earthquake in Wusu-Baicheng area

表3 乌苏—拜城地区ML≥4.0地震平静与后续中强地震的关系

1.4 拜城—新源—库尔勒MS≥3.0地震平静

2020年12月11日和静MS4.0地震后，拜城—新源—库尔勒地区MS≥3.0地震出现平静现象，截止2021年2月9日，平静持续60 d。为进一步判定该平静是否构成异常，对该区历史资料进行分析(图4)。拜城—新源—库尔勒地区MS≥3.0地震活动在2014年后出现了显著变化，1970～2013年地震时间间隔均值为25 d(2倍标准差为78 d)，2014～2020年地震时间间隔均值为15 d(2倍标准差为45 d)。据此对2014年以来该平静区历史震例进行回顾，结果显示，该时段内出现超过2倍标准差阈值的时段共计11组，其后平静区及周边地区发生MS≥5.0地震的比例为36.4%，地震均发生在平静打破后60 d内。此次拜城MS5.4地震发生时该平静尚未打破，地震位于在平静区外围45 km处，综合以往震例分析认为，该异常对应此次拜城MS5.4地震。

图4 2020年12月11日以来新疆及周边MS≥3.0地震分布图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级地震显著增强

王筱荣[9]根据天山中段地震活动特点确定区域扫描量化参数：2°×2°范围内，天山中段地震带3个月内发生4次以上3级地震，且必须包含1次以上4级地震，即构成增强异常。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月分别在新源—拜城—轮台、库尔勒北—乌鲁木齐南地区形成了8个异常增强区，2020年3月23日拜城MS5.0级地震前1个月于震区附近地区形成异常增强区(图5)，2021年1～3月拜城西北地区MS≥3.0地震活跃，连续发生了3次3级和2次4级地震，构成异常增强现象，2021年3月24日拜城MS5.4地震即发生在此增强区域内。历史资料研究结果显示，3、4级地震显著增强对地震发生地点具有较好的预测意义，但对强度和时间不具有显著预测意义，且该异常通常与后续一组中强地震相关，故认为该异常后续待对应MS≥5.0地震。

图5 2018年以来天山中段3、4级地震异常增强区分布图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世纪90年代筛选出新疆及周边地区22个具有较高预报效能的地震窗，张琳琳[11]等利用2008年以来的数字化地震资料对新疆地区23个地震窗进行强震映震效果分析，均显示出地震窗在多次强震前出现小震增多的现象。

图6 2008年以来拜城地震窗小震月频度图Fig.6 Frequency of small earthquakes in Baicheng seismologic window since 2008

4 阿克苏地区小震调制比

秦保燕等[12-13]提出小震调制比的概念，即受固体潮调制的地震次数与地震总次数的比值，并将震源处于不稳定时由于外因多次触发震源，最后导致大震的模式称为调制模式，并认为将调制比随时间变化做为地震发生的前兆信息是有意义的。韩颜颜[14]依据地震活跃特征确定固体潮调制阴历日期和调制比阈值，并利用固体潮调制比时空扫描方法回顾性地研究近年来西北地区发生的3次中强地震。

新疆地区测震学预测指标显示，根据新疆地区综合定位ML≥3.0地震目录，时间上以6个月为窗长，1个月为步长，空间上以0.5°×0.5°为窗长的小震调制比空间扫描结果在某一地区出现持续3个月以上的高值，其后6个月异常区域及附近150 km区域存在发生MS≥5.0地震的可能。2020年11月，阿克苏地区出现了约2°×1°范围的高值区域，其后异常区域逐步缩小，12月时该地区的高值异常缩小至不到 1°×1°范围，2021年1月阿克苏附近高值区面积再次缩小至约1°×0.5°范围，2月份异常面积出现扩大现象增至约2°×2°范围(图7)。3月24日拜城MS5.4地震发生在阿克苏地区调制比高值区域的边缘，该异常对应此次拜城MS5.4地震。

5 阿克苏台振幅比

杨欣等[15-16]对单台地震波振幅比进行系统研究和效能评估，发现在中强地震前，振幅比时间进程曲线呈现超过半年的振幅比低值现象，认为振幅比可以反应出孕震介质的变化过程并具有一定的预报效能。

振幅比为同一台仪器记录的P、S波垂直向最大振幅之比，其异常判定条件为：振幅比摆动的基准值明显降低，摆动幅度明显减小，在一定时间内较稳定的处于低值，然后回升发震。选取距阿克苏台80～230 km的MS≥2.0地震波形资料分区计算振幅比，从时间进程来看(图8)，2007年以来该区历史上出现3次超过半年的低值异常，其中有2次地震对应MS≥5.0地震，分别为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，阿克苏以东地区(即拜城周围地区)地震波振幅比持续低值异常，2020年1月出现髙值回返现象，其后2个月发生2020年3月23日拜城MS5.0地震，震后振幅比再次出现低值状态，2021年初振幅比出现回返迹象，2021年3月24日拜城MS5.4地震发生在异常过程中，震后异常恢复。

图8 2007年以来阿克苏台MS≥2.0地震振幅比3点滑动时间曲线Fig.8 Amplitude ratio 3-point sliding time curve of MS≥2.0 earthquake on Aksu station since 2007

6 结语

拜城MS5.4地震前存在8项异常，其中拜城—乌鲁木齐地区MS≥4.0地震平静因存在成组可能，所以不完全对应本次地震；新疆境内5级地震平静后续对应MS≥6.0地震，不对应本次地震。拜城MS5.4地震震前异常较多，中短期异常较为突出，震前活动性异常数量逐步增加，其中平静类异常共4项，增强类异常共2项，震前8项异常均具有一定的地点指示意义，空间上主要集中在温泉—乌苏—拜城地区。拜城MS5.4地震的发生一定程度上缓解了天山中段中强震发生的危险性，但从新疆境内5级地震平静打破后的历史地震活动情况可知，18组平静打破后有13组发生多次MS≥5.0地震，其中MS≥6.0地震6组，而打破平静后第1次6级地震主要集中发生于南天山西段。