2020年1月19日新疆伽师MS6.4地震前地球物理定点观测异常特征分析①

赵彬彬， 高 歌， 艾萨·伊斯马伊力

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

据中国地震台网测定，2020年1月19日21时27分55秒，新疆喀什地区伽师县发生MS6.4 地震，微观震中位于39.83°N，77.21°E，震源深度约16 km，该地震位于伽师境内，距伽师县55 km，距岳普湖县76 km，距阿图什市90 km。震中区域震感强烈，麦盖提、叶城、莎车、库尔勒等地区有震感。

南天山西段是新疆强震频发区域，历史上曾发生过多次MS≥6.0强震，伽师地区在1997～1998年间连续发生9次MS≥6.0地震，是大陆内部极为罕见的强震群地震活动[1-9]。本次地震发生在柯坪塔格推覆构造南缘的褶皱—逆冲断裂带内，与1998年8月27日伽师MS6.4地震相距仅7 km。柯坪推覆构造系位于南天山喀什坳陷和库车坳陷之间的巴楚隐伏隆起附近，是西南天山前陆推覆构造的重要组成部分，由5～6排近平行的弧形褶皱带组成，出露地层为寒武系—第四系。自晚第四纪以来，柯坪推覆构造的变形方式以褶皱南翼的低角度(20°～30°)逆断层位错变形为主。背斜形态多为复式箱状背斜和不对称的斜歪背斜，分别与断层弯曲背斜和断层扩展背斜的几何形态一致。1997年前后的伽师震群发生在喀什坳陷与巴楚隐伏隆起交接地带的斜坡带上，2003年巴楚—伽师地震发生在柯坪塔格推覆构造系西段前缘部位[10-13]。

震源机制解结果表明，该地震震源错动方式为逆冲型。自1900年以来距震中200 km范围内共发生38次MS≥6.0地震(其中MS≥7.0地震2次)，最大地震为1902年8月22日8.3级地震，距此次地震95 km；时间最近的地震为2003年2月24日伽师MS6.8地震，距离为24 km； 距离最近的是1998年8月27日伽师MS6.4地震，距离7 km。

针对此次伽师MS6.4地震发生前出现的地球物理定点观测异常进行分析，发现震中附近地球物理观测以背景异常为主，存在1项中期异常，无短临异常。本研究统计了震中300 km范围内台站测项数量及异常测项数量，分析了地球物理定点观测手段在震前出现的异常现象，并提取震前异常特征，以期为研究区未来的地震预测提供震兆信息。

1 台站分布及异常统计

南天山西段地球物理定点观测台站密度较低，在伽师MS6.4地震震中300 km范围内有12个地球物理定点观测台站(图1)，包括地倾斜、应变、重力、地电阻率、地磁、水位、水温、断层氢等26个观测项目(表1)。震中0～100 km范围，仅有3个观测台站，4个观测项目，分别是：哈拉峻钻孔倾斜；阿图什钻孔倾斜；伽师55井水位；深层水温。100～200 km范围，有5个观测台站，9个观测项目(喀什钻孔倾斜，马场钻孔倾斜、分量钻孔应变，阿合奇水平摆倾斜、垂直摆倾斜，乌恰钻孔倾斜，柯坪钻孔倾斜，喀什地磁，柯坪地电阻率)。200～300 km范围，主要有4个观测台站，13个观测项(乌什水管倾斜、垂直摆倾斜、洞体应变、体应变、分量式钻孔应变、水位、水温、地电、地磁、重力，阿克苏断层氢，塔干60泉浅层水温，阿瓦提电磁波)。

图1 台站及活动断层位置示意图Fig.1 Distribution of seismic stations and active faults

表1 观测仪器统计表

根据中国地震局日常震情跟踪资料，本次伽师MS6.4地震前地球物理定点观测共有4个台站，4套仪器出现不同程度的异常，3项背景异常及1项中期异常，背景异常测项分别是喀什地磁垂直分量拟合差值、柯坪地电阻率、乌什洞体应变。中期异常测项是乌恰钻孔倾斜(表2)。本文中主要针对这些异常特征开展分析，以期建立异常与地震较为确定的关联性。

表2 异常测项统计表

2 异常特征分析

2.1 喀什地磁垂直分量拟合差值

喀什地磁基准台位于喀什市西北约20 km疏附县栏杆乡沙依村，是国家I类地磁基准台，2001年以来的观测资料(FHDZ-M15)连续性较好[14]。

本文中采用地磁垂直分量归零法进行分析，2017年12月18日开始喀什地磁垂直分量Z日均值与其拟合值(K-L法)之差的时序曲线加速上升(图2)，2018年7月4日超过2倍均方差。本次异常与以往异常在形态上有一定差异，以往异常均为低值异常，本次异常为高值异常。自异常开始以来，台站周边发生多次MS5.0地震，2020年1月19日异常持续过程中发生伽师MS6.4地震，震中距130 km，震后异常持续。

图2 喀什地磁垂直分量日均值归零法拟合曲线Fig.2 Fitting curve of daily mean value zeroing method of Kashgar geomagnetic vertical component

2.2 乌恰钻孔倾斜

喀什基准台乌恰观测点位于克州地区乌恰县北3 km处，乌恰钻孔倾斜于2008年12月架设，钻孔深度为70 m，孔位地层以砂岩为主，岩芯较为完整。仪器型号为CZB-1竖直摆钻孔倾斜仪，两分量观测数据相对较稳定[15]。

2019年5月12日至11月24日EW分量出现反向E倾异常。5月12日开始乌恰钻孔倾斜EW分量反向E倾，14日E倾速率加快，7月6～10日出现短暂W倾变化，速率较快；9月16～19日亦出现短暂W倾变化，速率仍较快，两次短暂W倾变化后均恢复E倾变化，11月24日曲线恢复W倾，速率与正常速率相当，异常结束。异常期间E倾异常幅度达到4.54″。该异常持续196 d，异常幅度达到4.54″，与之前异常变化相比，异常持续时间长，幅度大，异常结束56 d后发生本次伽师MS6.4地震，震中距170 km(图3)。综合分析认为异常可对应本次伽师地震。

图3 乌恰钻孔倾斜EW分量时序曲线Fig.3 EW component daily mean value of Wuqia borehole tilt

2.3 柯坪地电阻率

柯坪电阻率台位于柯坪县城西偏北约4.5 km，台站地理坐标为40.10°N、78.50°E，高程1 241 m。 仪器型号为ZD8M地电仪，采样率为整点值，2013年8月开始观测，数据具有较好的年变形态。

柯坪地电阻率NS分量观测曲线年变清晰，测值呈现“夏高冬低”形态。NS分量于2017年3～8月上升变化速率和往年同期相比变慢，2017年9月至2018年2月下降变化的年变幅度较往年增大，从而形成2017年3月以后趋势转折下降的背景异常(图4)。

柯坪地电阻率NS分量自2017年3月形成背景异常以来，观测点周边250 km范围内共发生5次MS≥5.0地震(图4)，根据岩石地电阻率观测实验，随着压应力增大，地电阻率观测值减小。柯坪地电阻率北南分量形成向下趋势转折的背景异常，反映出观测场地压应力增大，当时预测2020年台站周边400 km范围内有发生MS≥6.0地震的可能。本次伽师MS6.4地震符合该项异常的预期震级水平，震中距为170 km。

图4 柯坪地电阻率观测NS分量时序曲线Fig.4 NS component daily mean value of Keping ground resistivity

2.4 乌什洞体应变

乌什地震台位于阿克苏地区乌什县。乌什洞体应变架设于2006年10月，仪器型号为SS-Y洞体应变仪，2007年1月之后观测数据较为稳定，数据曲线具有一定的日变和年变形态。

乌什洞体应变EW分量于2012年8月开始由趋势性压缩转为拉张，无规律性年变形态，至2020年伽师MS6.4地震发生前，该异常持续2 700多天，为长趋势异常，目前异常持续(图5)。自2012年8月异常开始以来，周边多次发生MS≥5.0、MS≥6.0地震，本次伽师MS6.4地震发生在EW分量拉张过程中，震中距230 km。

图5 乌什洞体应变EW分量时序曲线Fig.5 EW component daily mean value of Wushi extensometer

3 历史震例回顾

3.1 喀什地磁垂直分量拟合差值

喀什地磁垂直分量归零后直线拟合求差值，发现低值异常与喀什周围地震有较好的对应关系(图2)。曲线几次呈下降—上升过程后，在喀什台附近均发生MS≥6.0强震，异常特点为，当低于均值线时间达到1个月以上，持续至恢复到均值线后较短时间内可能发生6级左右地震[14,16](表3)。

表3 喀什地磁垂直分量拟合差值震例统计表

3.2 乌恰钻孔倾斜

乌恰钻孔倾斜自2008年有观测数据以来，周边300 km范围内共发生了21次MS≥5.0地震[15]，该观测测项主要出现“反向”或“加速”的异常变化[17]，共出现5次中短期异常，其中有3次均在异常结束后2个月左右发生地震(表4)。从目前震例来看，异常持续时间越长，后续对应地震越大；地震一般发生在异常结束后2个月左右。

表4 乌恰钻孔倾斜异常特征表

4 讨论与结论

本次伽师MS6.4地震发震地点在空间上位于乌什台、柯坪台、乌恰台和喀什台4个异常测项台站的中间位置(图1)，其中乌什台、柯坪台位于本次地震的NE方向，台站附近断层均为NEE走向的逆冲断层；乌恰台、喀什台分别位于本次地震的正W方向和SWW方向，台站附近断层为NW走向的右旋走滑断层。乌恰钻孔倾斜异常作为本次地震前唯一的中期异常，对本次地震预测的意义是非常重要的。理论研究认为[18-19]，在地震孕震过程中，地壳形变方向和速率都将发生较大改变，微观前兆异常是监视区地壳应力增强作用下地壳介质产生应变和应力集中并达到一定量的结果和传递出的信息。“软包体模型”可以解释短临前兆异常的共性特征，地震包体是一个处于断裂带中的断裂系统，当所积聚的内压力在某些局部达到临界应力时，在外力作用下将产生破裂流，形成破裂波。讨论分析认为，在本次伽师MS6.4地震前，震前异常台站分布在地震东西两侧，与本次地震呈“U”型分布，可能符合“软包体模型”的理论。

(1) 伽师MS6.4地震震中300 km范围内共有12个地球物理定点观测台站，26个观测项目。震前共有4个台站的4套仪器出现不同程度的前兆异常。其中有3项背景异常和1项中期异常，分别是喀什地磁垂直分量拟合差值、柯坪地电阻率、乌什洞体应变背景异常和乌恰钻孔倾斜中期异常。

(2) 本次地震前出现的背景异常由于地震发生后异常持续，故未完全对应给本次伽师MS6.4地震；乌恰钻孔倾斜中期异常对应本次地震。

(3) 回顾历史震例，喀什地磁垂直分量拟合差值在出现多次“下降—上升”变化之后发生地震，在本次地震前，首次出现超过2倍均方差的背景异常，异常出现后，台站周边发生多次MS≥5.0地震。乌恰钻孔倾斜异常震例均发生在异常结束后2个月左右，且异常持续时间越长，对应地震的震级越大。