2020年1月16日库车MS5.6地震前兆异常初步分析①

张治广， 钱 才， 邢喜民， 木拉提江·阿不来提

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023)

根据中国地震台网测定，2020年1月16日16时32分新疆维吾尔自治区库车市发生MS5.6地震，震中位置为41.21°N、83.6°E，震源深度16 km。震中位于塔北古隆起的哈拉哈塘凹陷内，新生代以来该地区构造活动特征不明显，震中附近地表未发现活动断裂，距震中最近的断裂是尉犁断裂，相距8 km，全长约570 km，北东东走向。根据新疆地震台网目录，震中以北构造带历史地震活动比较活跃，1900年以来震中100 km范围内发生M≥5.0地震20次(含余震)，其中M≥5.0地震15次，M≥6.0地震3次，M≥7.0地震2次。综合该地震震害调查的等震线长轴分布、震源机制解以及余震空间分布特征，初步推断此次地震的发震断层可能为尉犁断裂(1)新疆维吾尔自治区地震局.2020年1月16日新疆库车市5.6级地震灾震害调查报告．2020.。

在地震孕育过程中，震中附近地区的地壳介质将会发生形变、应变等力学信息的变化[1]，这些变化有时会被各种前兆仪器记录到。在前兆观测实践中，经常出现测值大幅度变化现象，由于干扰因素的存在，很难识别这些异常信息的真假，而且干扰因素的多样性和复杂性增加了异常的识别难度。在前兆异常判定时，需要核实仪器工作状态是否正常，并根据一定的原则排除观测环境、天气变化等外界因素的干扰[2]。陈运泰指出地震预测的进展主要受到地球内部的“不可入性”、大地震的“非频发性”以及地震物理过程的复杂性等困难的制约；地震预测虽然困难，但并不是不可能的[3]。国内许多研究人员对地震前兆进行探索性研究，并取得了相应的进展和成果[4-15]。本文中对震前前兆异常变化特征进行分析和讨论，以便为中强震频发的该区域未来的地震预测提供相关科学依据。

1 震中周围前兆观测及异常概况

库车MS5.6地震震中250 km范围内有6个定点前兆台站(图1)，包括地倾斜、应变、断层蠕变、重力、水位、水温和气氡7个观测项目，共18个观测台项，其中，震中100 km范围内无定点前兆台。100～200 km范围内有库车、阳霞和巴音布鲁克3个前兆台，共3台项地倾斜观测。200～250 km 范围内有库尔勒、小泉沟和新源3个前兆台，包括地倾斜、应变、断层蠕变、重力、水位、水温和气氡等15个观测台项。

图1 库车MS5.6地震附近定点前兆台站分布示意图Fig.1 Distribution of precursory-monitoring stations around Kuche MS5.6 earthquake

异常分析判定时需要开展现场异常核实工作，首先排除观测环境、天气变化等各种因素对数据的干扰[16]，并且经过台站值班人员的核查，确保仪器工作状态正常。然后根据异常判定原则[6]，使用形态分析法对2008年以来预处理后的数字化资料进行研究，震前分析提取库车MS5.6地震背景性前兆异常有2项，中短期前兆异常共有5项(表1)。

表1 库车MS5.6地震定点前兆异常统计表

2 异常特征分析

库车MS5.6地震前识别提取的背景异常有库尔勒水平摆、跨断层2项，表现为趋势转折变化；中期异常有库尔勒跨断层、洞体应变和库车钻孔倾斜3项，均为年变幅变化异常；短期异常有库尔勒水管倾斜和垂直摆2项，表现为倾斜方向改变和速率的快速变化。

2.1 库尔勒水平摆倾斜仪

库尔勒水平摆2001年开始正式观测，2006年底改造为“十五”模式，距离本次地震225 km。 EW分量2011年底以后形成新的趋势转折变化，周边相继发生了轮台MS5.4、新源—和静MS6.6地震。

库车MS5.6地震前，EW分量仍保持2013年以来的趋势W倾加速变化，虽然近年来台站周边相继发生轮台MS5.3、托克逊MS5.4、呼图壁MS6.2和库车MS5.7地震，但趋势W倾背景异常依然没有发生改变(图2)，分析认为库车MS5.6地震前库尔勒水平摆EW分量存在趋势W倾的背景异常。

图2 库尔勒水平摆EW分量日值曲线图Fig.2 EW daily mean value of Korla horizontal pendulum

2.2 库尔勒水管倾斜仪

库尔勒水管倾斜仪2009年2月进行“十五”改造，2013年更换仪器。2014年增加检测装置，并对观测山洞进行密封改造，利用专项对水管仪更新升级，距离本次地震225 km。

为了便于对每年同期数据进行对比分析，提取异常，把数据归一化到同一坐标轴(图3)。水管倾斜EW分量自2019年9月27日开始出现缓慢反向W倾异常变化，至2019年11月29日，W倾幅度达到2.92×10-2″；随后出现快速E倾变化，速率大约是2016～2018年同期均值的2倍，12月17日后恢复正常变化。与2016年以来同期对比，震前出现明显的短期前兆异常。

图3 库尔勒水管倾斜东西分量日均值曲线Fig.3 EW daily mean value of Korla water pipe instrument

2.3 库尔勒垂直摆倾斜仪

库尔勒垂直摆架设于2014年1月，同月加装苯板罩用于防止气压波动对仪器的干扰，之后仪器经多次调试，处于恢复稳定状态，2015年以后，仪器运行正常，距离本次地震225 km。归一化到同一坐标轴的数据曲线如图4。

库尔勒垂直摆EW分量自2019年12月1日起有明显加速E倾异常变化，至12月22日达到5.28×10-2″，E倾速率是2017年和2018年同期均值的约3.6倍，短期前兆异常明显(图4)。

图4 库尔勒垂直摆日均值曲线Fig.4 Daily mean value of Korla vertical pendulum

2.4 库车钻孔倾斜仪

2011年库车钻孔倾斜数字化改造后，数据接入新疆维吾尔自治区地震局数据库，资料由局前兆台网处理，仪器维护为库车县地震局负责，2016年交由阿克苏中心地震台代为处理维护，但是由于地方性工作调动、驻村、机构改革等问题，该台仪器存在维护、标定不及时的问题。

库车钻孔倾斜距震中115 km，通过对库车钻孔倾斜EW分量2016～2019年年度转向时间及年变幅度统计分析(表2)，2019年4月3日至9月30日E倾变化0.52″，是往年E倾幅度均值的0.78倍，较往年同期明显减小(图5)。

图5 库车钻孔倾斜日均值曲线Fig.5 Daily mean value of Kuche borehole tilt

表2 库车钻孔倾斜EW分量波谷-波峰历年年变幅统计

2.5 库尔勒断层仪

库尔勒断层仪自1993年投入观测，距离本次地震震中225 km。2013年11月15日开始该资料水平直交分量出现快速压缩变化的背景异常，该异常反映了2013年11月15日以来区域应力增强，所跨断裂受挤压作用明显，库车MS5.6地震即发生在该背景异常持续过程中(图6)。水平直交分量自2019年3月2日至10月1日年变幅度明显增大，达到3.62×10-2mm，是2014～2018年同期均值1.63倍(表3)，震前中期异常显著。

图6 库尔勒跨断层水平直交分量日均值曲线图Fig.6 Orthogonal Daily mean value of Korla cross-over fault base line

表3 库尔勒跨断层水平直交分量年变幅统计表

2.6 库尔勒洞体应变仪

库尔勒洞体应变2000年11月开始观测，于2014年底进行洞体改造，重架观测仪器，距离本次地震225 km。

2019年3月1日至11月24日库尔勒洞体应变北南分量拉张年变幅度为5.6×10-7，是2015～2018年拉张幅度均值的0.62倍(表4)，与往年相比明显减小(图7)，中期异常显著。

图7 库尔勒洞体应变观测日均值曲线图Fig.7 Daily mean value of Korla cave strain

表4 库尔勒洞体应变北南分量波谷-波峰

对上述异常时空分布特征进行分析，从空间分布来看，除库车地震台1项异常外(图1)，其他异常均属库尔勒地震台；从时间进程来说(图8)，自库尔勒垂直摆2019年12月1日出现异常后，待对应中短期异常数量达到5项，地震发生在5项中段期异常全部结束待对应阶段。

图8 库车MS5.6地震前异常时间进程图Fig.8 Anomaly time process before Kuche MS5.6 earthquake

3 讨论

距离此次库车MS5.6地震104 km处发生过2017年9月16日库车MS5.7地震，两次地震震中附近监测能力、台网密度和观测项目等水平相当，二者具有一定可比性。

在此次库车MS5.6地震前，识别提取出了库尔勒地震台地倾斜、应变、断层测项的前兆异常变化信息，而重力、水位、水温和气氡测项在震前未发现异常，而2017年库车MS5.7地震的前兆异常测项包括水平摆、洞体应变、钻孔应变、气体和水位等[10]。两次地震前定点地球物理异常特征相同点是200 km范围内定点前兆异常数量都较少，均是异常结束后发震，震前异常数量都有逐渐增多趋势，且震后背景异常依然持续。不同点表现为，库车MS5.6地震前无流体异常，2017年库车MS5.7地震前新43泉水位和气氡均出现高值异常。两次库车地震前异常测项的不同，再次反映了地震前兆地球物理化学测项发展变化过程的复杂性，也可能与目前的异常识别分析水平有关。2017年库车MS5.7地震前约1个月，发生了精河MS6.6地震，由于这两次地震时间间隔较短，空间间距不大，而异常多为背景异常和中短期异常，无临震异常，因此很难区分这两次地震前的异常属于精河MS6.6地震还是库车MS5.7地震的孕震过程。此次库车MS5.6地震前异常测项主要集中在库尔勒台，2017年库车MS5.7地震前除巴仑台、尼勒克和小泉沟等台站出现异常测项外，库尔勒台也观测到了4项异常，说明库尔勒台可能是地震前兆观测的敏感点。

总体来说，两次库车地震震级水平相当，地理位置相差不远，但其前兆异常特征不尽相同，尤其是本次库车MS5.6地震前的定点地球物理异常测项集中在库尔勒台，值得进一步深入研究总结。

4 结论

通过对2020年1月16日库车MS5.6地震的前兆异常特征进行分析，初步得出以下结论和认识。

(1) 库车MS5.6地震前震中250 km范围内6套仪器共观测到前兆异常7项，其中背景异常2项，异常类型表现为震前数据发生趋势转折变化；中期异常3项，表现为年变幅改变异常；短期异常2项，表现为倾斜方向改变和速率的快速变化。7项前兆异常均分布于震中周围100～250 km范围，100～200 km范围内仅库车钻孔倾斜东西分量出现异常，200～250 km范围内异常全部集中在库尔勒地震台，库尔勒地倾斜、应变、断层仪等测项出现准同步异常。库车MS5.6地震震中100 km范围内定点前兆监测能力较弱，无定点前兆台站，而震中100 km范围内中强震频发，1900年以来发生了20次M≥5.0地震(其中M≥6.0地震3次，M≥7.0地震2次)，为了给该区域地震预测科学实践提供更好的数据支撑，需要进一步优化该区域定点前兆台网布局，增加观测项目。

(2) 2019年12月库尔勒垂直摆出现异常后，中短期异常数量达到峰值5项，有明显集群性特征，地震发生在异常结束后待对应阶段。以往震例研究也表明[6-9]，新疆一些中强震发生在群体异常峰值减小后的时间段。对群体异常数量时间进程进行跟踪，可以为发震的时间紧迫性提供相应的依据。

(3) 对前兆异常空间分布特征进行分析，除库车钻孔倾斜1项异常外，其他异常集中分布在库尔勒地震台。这可能是由于库尔勒地震台位于北轮台断裂、库尔勒隐伏断裂和辛格尔断裂的交汇部位，库车MS5.6地震的发震构造为尉犁断裂，尉犁断裂距离上述断裂交汇部位较近，在孕震过程中应力的积累变化会在相邻断裂之间相互影响传递。本次库车MS5.6地震和以往震例[9-11]的震前异常变化显示，库尔勒地震台附近地区可能是地震相关地球物理化学观测的敏感点，在震情跟踪分析过程中，应密切关注库尔勒台资料发展变化。

致谢：库尔勒地震台和阿克苏中心地震台在异常现场核实工作中提供帮助，在此表示衷心的感谢！