2020年7月13日霍城MS5.0地震前兆异常初步分析①

钱 才， 张 森, 孙 琼， 张 翼， 高 荣

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.新疆维吾尔自治区呼图壁县地震办(台)，新疆 呼图壁 831200)

根据中国地震台网测定，2020年7月13日9时28分新疆维吾尔自治区霍城县发生MS5.0 地震，震中位置为44.42°N、80.82°E，震源深度15 km。此次地震序列为孤立型。霍城MS5.0地震发生在伊犁盆地西北缘，新近纪以来印度板块向欧亚板块的挤压，使伊犁盆地的构造形态表现为近东西向和北西西向的断块隆起与下陷，幅度达数千米之多。本次地震采用CAP方法解算震源机制，断层节面Ⅰ走向290°、倾角88°、滑动角-138°；节面II走向198°、倾角48°、滑动角-2°，震源区的地质构造主体喀什河断裂带西段(图1)走向为NWW向，节面I较为符合发震断层面，故认为节面I可能是霍城MS5.0地震的发震断层面，即霍城MS5.0地震破裂以走滑为主。

图1 霍城MS5.0地震附近主要活动断裂Fig.1 Distribution of active faults around Huocheng MS5.0 earthquake

地震形成的过程中，孕震区介质发生物质能量交换[1]，前兆仪器能从地球内部变化信息中获取地震前兆，反映了地震孕育到破裂过程中地下介质力学变化信息等[2]。前兆仪器架设在地表浅层，难免受到浅表圈层诸如气象、荷载的干扰影响。观测数据中混杂了干扰信号是普遍存在的[3]，干扰因素种类较多，影响机制复杂，增加了识别前兆异常的难度[4]。邱泽华和车用太等人提出识别地震前兆异常自然判据中一条即为非干扰性异常[5-6]。许多研究者在研究新疆北天山地震前兆信息时也取得了一些研究成果[7-12]，值得借鉴。

2020年1月以来，新疆MS≥5.0地震呈连发态势，在7个月内发生MS≥5.0地震8次，本次霍城MS5.0地震处于连发过程。本文中对霍城地震前定点形变异常变化特征进行梳理和分析，归纳其演化规律，以便为该地区未来的地震预测提供科学依据。

1 震前异常概况

霍城MS5.0地震震中200 km范围内共有定点地球物理观测台站11个，包括地倾斜、应变、地电、地磁、水位、水温、氢气和气氡等共33个观测台项。震中100 km范围内有5个地球物理定点观测台，分别是霍尔果斯台、伊宁巴彦岱2井、伊宁巴彦岱1井、温泉台和伊宁喀乡观测站的共17个观测台项。100～200 km范围内有察县加尕斯台、博乐新32井、尼勒克、巩留、精河、特克斯杰里苏6个地球物理定点观测台，共有16个观测台项(图2)。根据判定异常的原则[5-6]，提取霍城MS5.0地震前背景异常3项，中期异常3项。定点前兆观测异常台站及观测项目统计见表1。

图2 霍城MS5.0地震附近定点前兆台站分布图Fig.2 Distribution of precursory-monitoring stations around Huocheng MS5.0 earthquake

表1 霍城MS5.0地震定点前兆异常统计表

2 震前定点形变异常特征分析

霍城MS5.0地震前识别的背景异常有温泉水平摆、精河水平摆和伊宁GNSS。其中，温泉水平摆、精河水平摆背景异常表现为趋势转折变化，伊宁GNSS表现为年变幅偏小变化。中期异常有尼勒克分量钻孔应变，表现为反向拉张异常。短期异常有巩留钻孔倾斜和果子沟钻孔倾斜，表现为倾斜速率加快和反向变化。

2.1 精河水平摆倾斜

精河水平摆EW分量自观测以来年变周期规律，然而2016年9月转向E倾，2017年2～3月未发生年变W倾，6月出现E倾速率减缓，被认定为前兆异常， 8月9日发生精河MS6.6地震。2018年2～3月EW分量仍未发生W倾，持续E倾，8月30日数据恢复正常，其后发生精河MS5.4地震。2016年9月以来EW分量保持E倾趋势，背景异常明显(图3)。

2.2 温泉水平摆倾斜

温泉水平摆NS分量自2010年以来年变规律。2010～2013年呈趋势N倾，发生了尼勒克—巩留MS6.0地震和新源—和静MS6.6地震，2014～2016年呈趋势S倾，2016年再次转为N倾，期间发生了精河MS6.6、精河MS5.4等地震。两次N倾阶段地震发生较为密集，特别是MS≥6.0地震。2016年至今NS分量趋势N倾，并发生3次MS≥5.0地震，背景异常明显(图3)。

图3 精河水平摆EW分量和温泉水平摆NS日均值曲线Fig.3 Daily mean curves of EW component of Jinghe horizontal pendulum and NS component of Wenquan horizontal pendulum

2.3 伊宁GNSS

从2011～2020年的位移时间去趋势序列来看，2016年开始伊宁GNSS与往年相比，位移时间序列年变幅度较2013年、2014年偏小，年变形态基本消失(图4)。2017年8月9日精河MS6.6地震后，垂直向年变形态似乎有所恢复，年变转向时间与往年基本一致，但年变幅度仍然远远小于2013～2014年的年变幅度。

图4 伊宁GNSS去趋势日均值曲线(a) 东西向 (b) 北南向 (c) 垂直向Fig.4 Daily value curves of Yining GNSS that remove the linear trend

2.4 尼勒克分量钻孔应变

2015年有资料以来，尼勒克分量钻孔应变仪EW、NE分量呈趋势压缩变化，状态稳定，每年3月份左右存在融雪干扰，表现为快速压缩变化。2019年10月，尼勒克钻孔应变四分量先后出现反向压缩、拉张变化，最早出现反向拉张变化的是NE分量,转向时间为10月1日，拉张幅度为0.69×10-6；EW分量的反向拉张变化发生在10月23日，拉张幅度为0.19×10-6(图5)。NE和EW分量，反向时间发生在更换数采之前，异常持续时间较长，异常可靠，经异常核实认定为前兆异常。EW分量的反向拉张异常于2020年2月13日恢复，对应此次地震；NE分量反向拉张仍持续，不能完全对应此次霍城MS5.0地震。

图5 尼勒克分量钻孔应变日均值曲线(a) 北东分量 (b) 东西分量Fig.5 Daily value curves of borehole strain in Nileke

2.5 巩留钻孔倾斜

2020年6月15日巩留钻孔倾斜NS分量快速S倾，18日转为N倾，之后倾斜速率减缓，异常幅度为0.268″；EW分量快速反向E倾，18日转为W倾后速率较快，异常幅度达到5.5″，6月20日异常结束(图6)。本次快速变化的异常持续时间短、异常幅度大，发生在两个分量上，异常可靠性较高。该组快速变化具有短临预测意义，对应霍城MS5.0地震。

图6 巩留钻孔倾斜日均值曲线图(a) 北南分量 (b) 东西分量Fig.6 Daily value curves of borehole tilt in Gongliu

2.6 果子沟钻孔倾斜

果子沟钻孔倾斜2020年4月16日曲线NS分量反向加速S倾变化，EW分量速率加快，两分量 5月1日恢复，NS分量异常幅度达到0.099″，EW分量异常幅度达到0.164″(图7)。现场异常核实结果显示，果子沟钻孔倾斜2020年4月16日以来出现的两分量反向、速率变化属实，虽然可能受到连续强降雨引起地面载荷变化的影响，异常信度受到一定降低，但是异常变化真实，对应此次地震。

图7 果子沟钻孔倾斜日均值曲线图(a) 北南分量 (b) 东西分量Fig.7 Daily value curves of borehole tilt in Guozigou

霍城MS5.0地震前观测到异常共6项，从空间分布上异常台站较为分散(图2)，短期异常首先出现在震中的附近，随后向外围迁移。从时间进程上，中短期异常出现时间较为集中。异常数量在震前1～2个月增加明显，地震发生在异常数目减少的过程中(图8)。

图8 霍城MS5.0地震前异常数量时间进程演化Fig.8 Evolution of anomaly quantity process before Huocheng MS5.0 earthquake

3 讨论与结论

通过对2020年7月13日霍城MS5.0地震的定点形变异常进行分析，初步得出以下结论。

(1) 霍城MS5.0地震震中100 km范围内有5个地球物理定点观测台，有17个观测台项，仅有温泉水平摆和果子沟钻孔倾斜出现异常。100～200 km范围内有6个前兆台站，共16个观测台项，仅有精河水平摆、尼勒克分量钻孔应变和巩留钻孔倾斜出现异常。异常占比为15.2%，比例偏低(图2)。

(2) 霍城MS5.0地震前观测到中期异常1项，短期异常2项，异常形态均为反向加速变化。本次地震的前兆异常空间分布比较分散。中短期异常在震前出现时间较为集中，异常幅度较大，主要表现为方向突变、速率加快，持续时间较短。在距地震1～2个月前，前兆异常数目增加，而地震发生在短期异常结束、异常数目减少的阶段。前人总结北天山地震前兆特征时也发现类似的现象[13-14]，可以作为判断发震紧迫性的依据。

(3) 巩留钻孔倾斜和尼勒克钻孔应变相距约39 km，尼勒克钻孔应变出现异常的时间要早于巩留钻孔倾斜。这可能是因为尼勒克钻孔应变位于阿吾拉勒山北坡断裂南侧，靠近本次发震的伊犁盆地北缘(喀什河)断裂，而巩留钻孔倾斜位于巩留南断裂附近(图1)，距离本次发震断裂相对较远，在孕育地震过程中，应力从震源区向外围、不同地质结构扩散导致的。梅世蓉在解释前兆场时认为，短临异常具有震中外围向震中迁移特征[15]，高丽娟等人在总结2013年哈萨克MS6.1地震异常时，发现异常在空间上存在有规律的由外围区域向震中迁移的动态特征[16]。宋治平等在研究地震前兆时空阶段特时发现在γ阶段(相当于地震短临阶段)，前兆具有从外围向震中收缩(γ1)和从震中向外围扩散(γ2)特征[17]，本次霍城MS5.0地震前中短异常时空分布具有“远-近-远”的特点，较为符合这种规律。伊犁州的观测手段大多于2015～2016年架设，2016年以后数据才趋于稳定，观测资料积累较短。本次地震前，没有识别出流体、重力和GPS类前兆异常，可能与震源区地质构造、孕震环境、台站分布等因素相关，也表明产生前兆异常根源的复杂性[18]，仍需要我们不断探索与研究。