2020年1月19日新疆伽师MS6.4地震地球物理观测异常分析①
2022-01-11木拉提江阿不来提
木拉提江·阿不来提， 高 歌
(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)
2020年1月19日21时27分55秒，新疆维吾尔自治区喀什地区伽师县发生MS6.4地震，震中位置39.83°N，77.21°E，震源深度16 km。本次地震处于柯坪塔格推覆体最南缘的褶皱—逆断裂带，为北倾逆冲兼少量走滑型地震。震中属山区，距伽师县城约55 km。地震灾区主要涉及西克尔库勒镇、卧里托格拉克镇、古勒鲁克乡。此次地震破坏性大、有感范围广，震中周边有观测记录以来最大地震为2003年 2月24日新疆巴楚—伽师MS6.8地震，距离此次地震震中约59 km。地震前，震中300 km范围内的地磁、形变观测均有异常反应，包含中期、短期、临震异常。本文中运用垂直强度极化法和垂直分量日变幅加卸载响应比对喀什台FHDZ-M15地磁总场与分量组合观测系统秒采样观测数据以及日变幅数据分别进行分析，提取地震磁扰动异常信号，得到高值异常与目标地震的对应关系。再利用形态分析法和倾斜速率异常分析法对乌恰钻孔倾斜仪数字化观测数据进行分析，找出正常背景场与异常变化的特点。综合多种观测手段的分析结果，对异常进行总结和研究，为科研人员积累分析震例，有助于今后捕捉震前地球物理场异常信号，对地震检验具有现实意义。
1 震中周围地球物理台网观测测项概况
近年来，新疆地球物理台网通过仪器更新升级和科研项目合作的方式，有效提升南天山西段的地震台站的监测能力及监察范围。目前，伽师MS6.4地震震中周边有2个专业地震台站：喀什基准地震台和阿克苏中心地震台。专业观测站共8个，分别为：喀什栏杆、马场、乌恰、伽师、塔什库尔干、阿合奇、乌什、柯坪。隶属地州市地震局台站1个：阿图什市地震台。其中，现有中国地震局入库仪器18套：6套地倾斜观测、6套地下流体物理观测、1套分量式钻孔应变仪和5套电磁观测。(图1)。大部分台站已经过数字化改造，前后资料衔接较好，多数观测资料积累时间较长，台网产出的观测资料可靠[1-2]。
图1 震中附近台站分布图
2 地磁异常分析
喀什地磁台属国家Ⅰ类地磁台，该台站地处南天山地震带西段和帕米尔—西昆仑地震带西段交汇处，地质构造复杂，新构造运动强烈[3]。数据起始于1984年，2007年5月迁入新观测室，仪器工作状况较稳定，外界干扰少，数据积累时间长、精度高，预报效能为A级[4]。地磁场的日变化是由于应力作用，地下介质的物理特性发生改变而引起的[5]。伽师MS6.4地震震中距喀什地磁台约 125 km，震前地磁观测资料出现异常变化，分别利用地磁垂直强度极化法与地磁垂直分量日变幅加卸载响应比分析研究。
2.1 震前地磁垂直强度极化法异常
地磁垂直强度极化法是指将磁场垂直分量Z和水平分量(H或G)的频谱振幅相比。岩石圈ULF电磁信号的特征表现为垂直分量Z比水平分量H或G大，即来自于岩石圈的信号主要体现在垂直分量Z上，而来自外源场的信号主要体现在水平分量H或G上，利用二者的比值即可在突出岩石圈异常信号的同时抑制外源场的电磁信号，是目前提取地震磁扰动信号效果较好的方法[6]。
新疆区域有喀什台、且末台、温泉台、乌鲁木齐台4个台站拥有地磁秒采样观测数据，按照Rikitake[7]的ULF信号传播最大距离与震级M的关系公式进行计算，可得到新疆伽师MS6.4 地震的最大传播距离影响范围达610 km。伽师MS6.4地震震中距离喀什地磁台125 km，且末台743 km，温泉台 643 km，乌鲁木齐台948 km。因此本文中采用地震地磁数据分析预报软件(该软件将每天的秒采样数据按 15 min一段，分为 96 段，计算 5～100 s各频点的比值，并剔除低比值频点后获得比值的日均值)，对喀什台FHDZ-M15仪器地磁预处理秒值数据(2019-01-01～2020-02-01)进行地磁垂直强度极化分析，将极化结果进行傅里叶拟合处理来消除周期变化后，对残差进行进一步分析。经过计算，Yzh值高于其均值 2 倍均方差的阈值为Yzh高值异常阈值线，利用时序曲线提取异常值(图2)。
图2 喀什地磁极化值变化曲线图
结果表明，选取的资料时间段内共出现5组超阈值情况，1组异常虚报，4组异常共对应7次地震。2020年1月14～21日喀什地磁垂直强度极化值与傅里叶拟合残差5日滑动平均值出现高值异常。本次异常客观存在且属实，异常过程中发震，属于临震异常。
2.2 震前地磁Z分量日变幅加卸载响应比异常
加卸载响应比理论的出发点是基于对震源介质损伤程度的刻画。由于地磁垂直分量Z的变化比其他分量敏感，所以垂直分量加卸载响应比参量P(Z) 等于一段时间内极大值与极小值之比[8]。根据加卸载响应比P(Z) 值时序曲线，由其附近范围内的地震找出震前P(Z) 异常的最低值即阈值Po(Z)。当P(Z)
戴勇、朱燕等[9-10]运用地磁场垂直分量日变幅加卸载响应比对甘一青及新疆等区域地磁资料进行分析，发现地磁加卸载响应比高值异常与中强地震有较好的对应效果。沙木哈尔·叶尔肯、木拉提江·阿不来提等[11-12]通过分析2013年3月11日阿图什MS5.2地震、2015年7月3日皮山MS6.5地震以及2016年11月25日阿克陶县MS6.7地震，均对喀什台地磁加卸载响应比进行震例统计，发现阈值选择为3.0时，对地震的预测效果较其他阈值更为理想，虚报率和漏报率较低。据岳明生等[13]的研究结果，加卸载响应比异常出现后 3～5个月内台站附近 500 km内可能发中强地震，当有多个台站出现异常时，震中位于异常值最高的台站附近。由于伽师MS6.4地震震中周边没有密集的地磁台站，所以选取南疆喀什台、乌什台、且末台地磁日变幅观测数据进行计算。
伽师MS6.4地震前，喀什台地磁Z分量日变幅加卸载响应比分别于2019 年9月 13日、12月11日2次出现超阈值情况，且该时段未发生磁暴现象，首次异常出现到发震距129 d，属于短期异常(图3)。
图3 地磁垂直分量日变幅加卸载响应比曲线图
3 形变异常分析
乌恰观测点处于帕米尔—西昆仑地震带的北部边缘，印度板块与欧亚板块碰撞的西北端，地质构造复杂，是中国大震活动频度最高的地区之一，地震活动十分强烈[14-16]。乌恰CZB-1型竖直摆钻孔倾斜于2010年开始正常运行， 2013年3月仪器摆体故障，9月维修摆体并重新架设，2014年7月雷击致使数采、主机、摆体故障，维修更换摆体配件，重新架设摆体。
3.1 乌恰钻孔倾斜 EW 分量速率异常分析
对乌恰竖直摆钻孔倾斜EW分量进行速率异常分析，以120 d为窗口长度，步长为10 d，最长预报期为200 d进行计算(表1)。2015年1月1日～2020年1月31日，乌恰钻孔倾斜300 km范围内根据观测值倾斜速率变化共自动识别出5次异常(图4a)。其中，3次异常对应MS≥5.5地震，漏报3次，虚报1次(图4b)。最佳速率异常判定阈值为2.6倍均方差，最优R值为0.261，Ro值为0.387(图4c、图4d)。
表1 乌恰钻孔倾斜速率变化异常与地震对应关系表
3.2 乌恰钻孔倾斜EW分量形态分析
伽师MS6.4地震前EW分量记录到异常变化，异常的特征为：① 2019年5月12日起，EW分量反向加速东倾，至11月24日东倾幅度达到4.54″；② 异常持续时间较长，从异常开始到发震197 d，为中期异常；③ 异常开始到结束，EW分量潮汐因子内精度均保持在正常范围内，与以往相比，异常持续时间最长且倾斜幅度最大，符合中强地震能量积累的规律(图5)。此次地震距离乌恰钻孔倾斜观测点173 km。
图5 乌恰钻孔倾斜EW分量异常曲线图
4 结 语
与2016年11月25日阿克陶MS6.7地震相似，此次地震震中300 km范围内的18套观测项目，甄别出2套观测资料出现地球物理场异常，异常所占比例为11.11%。距离震中近的伽师55井温、阿图什竖直摆钻孔倾斜仪、喀什栏杆竖直摆钻孔倾斜仪等观测仪器震前并未捕捉到异常变化。原因一观测点周边岩层受应力作用发生在地壳深部，但由于地壳构造的复杂性和震源区的不可直观性，破裂错动产生的应变能量在传递到地表过程中，可能会积聚亦或消耗衰减，会造成观测不到地表明显的异常变化。原因二观测站台址选取、仪器架设及安装过程中的施工(如地倾斜仪器钻孔工艺不规范造成钻孔管壁与仪器间耦合不好、钻孔没有打在基岩上等)、仪器的运行状况、背景噪声、自然环境干扰、场地环境干扰等单个因素或多种因素相互作用的结果，这些因素直接影响观测仪器的资料产出质量及预报效能。此次地震时间上，异常类型较为丰富，包含中期、短期、临震3种。地磁秒数据垂直强度极化法分析表明，地震在异常持续过程中发震。地磁Z分量日变幅加卸载响应比与乌恰钻孔倾斜EW分量分析资料显示，地震均发生在异常结束后。从距离上来看，这2套观测仪器观测站分布距震中125～200 km，且均位于此次地震的西南面。
目前，地球物理场观测手段尚未发现能够确定发生地震的必然异常信号，仅凭借某套仪器进行预测是不严谨的。因此，在地震异常跟踪中需要结合多手段、多方法、多仪器的不同采样的观测数据进行综合分析，这对于从事地震分析预报人员研究观测台站资料变化与其周边地震的关系具有积极的意义。
