木拉提江·阿不來(lái)提， 高 歌

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

2020年1月19日21時(shí)27分55秒，新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生MS6.4地震，震中位置39.83°N，77.21°E，震源深度16 km。本次地震處于柯坪塔格推覆體最南緣的褶皺—逆斷裂帶，為北傾逆沖兼少量走滑型地震。震中屬山區(qū)，距伽師縣城約55 km。地震災(zāi)區(qū)主要涉及西克爾庫(kù)勒鎮(zhèn)、臥里托格拉克鎮(zhèn)、古勒魯克鄉(xiāng)。此次地震破壞性大、有感范圍廣，震中周邊有觀測(cè)記錄以來(lái)最大地震為2003年 2月24日新疆巴楚—伽師MS6.8地震，距離此次地震震中約59 km。地震前，震中300 km范圍內(nèi)的地磁、形變觀測(cè)均有異常反應(yīng)，包含中期、短期、臨震異常。本文中運(yùn)用垂直強(qiáng)度極化法和垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比對(duì)喀什臺(tái)FHDZ-M15地磁總場(chǎng)與分量組合觀測(cè)系統(tǒng)秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)以及日變幅數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，提取地震磁擾動(dòng)異常信號(hào)，得到高值異常與目標(biāo)地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系。再利用形態(tài)分析法和傾斜速率異常分析法對(duì)烏恰鉆孔傾斜儀數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出正常背景場(chǎng)與異常變化的特點(diǎn)。綜合多種觀測(cè)手段的分析結(jié)果，對(duì)異常進(jìn)行總結(jié)和研究，為科研人員積累分析震例，有助于今后捕捉震前地球物理場(chǎng)異常信號(hào)，對(duì)地震檢驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 震中周?chē)厍蛭锢砼_(tái)網(wǎng)觀測(cè)測(cè)項(xiàng)概況

近年來(lái)，新疆地球物理臺(tái)網(wǎng)通過(guò)儀器更新升級(jí)和科研項(xiàng)目合作的方式，有效提升南天山西段的地震臺(tái)站的監(jiān)測(cè)能力及監(jiān)察范圍。目前，伽師MS6.4地震震中周邊有2個(gè)專(zhuān)業(yè)地震臺(tái)站：喀什基準(zhǔn)地震臺(tái)和阿克蘇中心地震臺(tái)。專(zhuān)業(yè)觀測(cè)站共8個(gè)，分別為：喀什欄桿、馬場(chǎng)、烏恰、伽師、塔什庫(kù)爾干、阿合奇、烏什、柯坪。隸屬地州市地震局臺(tái)站1個(gè)：阿圖什市地震臺(tái)。其中，現(xiàn)有中國(guó)地震局入庫(kù)儀器18套：6套地傾斜觀測(cè)、6套地下流體物理觀測(cè)、1套分量式鉆孔應(yīng)變儀和5套電磁觀測(cè)。(圖1)。大部分臺(tái)站已經(jīng)過(guò)數(shù)字化改造，前后資料銜接較好，多數(shù)觀測(cè)資料積累時(shí)間較長(zhǎng)，臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的觀測(cè)資料可靠[1-2]。

圖1 震中附近臺(tái)站分布圖

2 地磁異常分析

喀什地磁臺(tái)屬?lài)?guó)家Ⅰ類(lèi)地磁臺(tái)，該臺(tái)站地處南天山地震帶西段和帕米爾—西昆侖地震帶西段交匯處，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈[3]。數(shù)據(jù)起始于1984年，2007年5月遷入新觀測(cè)室，儀器工作狀況較穩(wěn)定，外界干擾少，數(shù)據(jù)積累時(shí)間長(zhǎng)、精度高，預(yù)報(bào)效能為A級(jí)[4]。地磁場(chǎng)的日變化是由于應(yīng)力作用，地下介質(zhì)的物理特性發(fā)生改變而引起的[5]。伽師MS6.4地震震中距喀什地磁臺(tái)約 125 km，震前地磁觀測(cè)資料出現(xiàn)異常變化，分別利用地磁垂直強(qiáng)度極化法與地磁垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比分析研究。

2.1 震前地磁垂直強(qiáng)度極化法異常

地磁垂直強(qiáng)度極化法是指將磁場(chǎng)垂直分量Z和水平分量(H或G)的頻譜振幅相比。巖石圈ULF電磁信號(hào)的特征表現(xiàn)為垂直分量Z比水平分量H或G大，即來(lái)自于巖石圈的信號(hào)主要體現(xiàn)在垂直分量Z上，而來(lái)自外源場(chǎng)的信號(hào)主要體現(xiàn)在水平分量H或G上，利用二者的比值即可在突出巖石圈異常信號(hào)的同時(shí)抑制外源場(chǎng)的電磁信號(hào)，是目前提取地震磁擾動(dòng)信號(hào)效果較好的方法[6]。

新疆區(qū)域有喀什臺(tái)、且末臺(tái)、溫泉臺(tái)、烏魯木齊臺(tái)4個(gè)臺(tái)站擁有地磁秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，按照Rikitake[7]的ULF信號(hào)傳播最大距離與震級(jí)M的關(guān)系公式進(jìn)行計(jì)算，可得到新疆伽師MS6.4 地震的最大傳播距離影響范圍達(dá)610 km。伽師MS6.4地震震中距離喀什地磁臺(tái)125 km，且末臺(tái)743 km，溫泉臺(tái) 643 km，烏魯木齊臺(tái)948 km。因此本文中采用地震地磁數(shù)據(jù)分析預(yù)報(bào)軟件(該軟件將每天的秒采樣數(shù)據(jù)按 15 min一段，分為 96 段，計(jì)算 5～100 s各頻點(diǎn)的比值，并剔除低比值頻點(diǎn)后獲得比值的日均值)，對(duì)喀什臺(tái)FHDZ-M15儀器地磁預(yù)處理秒值數(shù)據(jù)(2019-01-01～2020-02-01)進(jìn)行地磁垂直強(qiáng)度極化分析，將極化結(jié)果進(jìn)行傅里葉擬合處理來(lái)消除周期變化后，對(duì)殘差進(jìn)行進(jìn)一步分析。經(jīng)過(guò)計(jì)算，Yzh值高于其均值 2 倍均方差的閾值為Yzh高值異常閾值線(xiàn)，利用時(shí)序曲線(xiàn)提取異常值(圖2)。

圖2 喀什地磁極化值變化曲線(xiàn)圖

結(jié)果表明，選取的資料時(shí)間段內(nèi)共出現(xiàn)5組超閾值情況，1組異常虛報(bào)，4組異常共對(duì)應(yīng)7次地震。2020年1月14～21日喀什地磁垂直強(qiáng)度極化值與傅里葉擬合殘差5日滑動(dòng)平均值出現(xiàn)高值異常。本次異常客觀存在且屬實(shí)，異常過(guò)程中發(fā)震，屬于臨震異常。

2.2 震前地磁Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比異常

加卸載響應(yīng)比理論的出發(fā)點(diǎn)是基于對(duì)震源介質(zhì)損傷程度的刻畫(huà)。由于地磁垂直分量Z的變化比其他分量敏感，所以垂直分量加卸載響應(yīng)比參量P(Z) 等于一段時(shí)間內(nèi)極大值與極小值之比[8]。根據(jù)加卸載響應(yīng)比P(Z) 值時(shí)序曲線(xiàn)，由其附近范圍內(nèi)的地震找出震前P(Z) 異常的最低值即閾值Po(Z)。當(dāng)P(Z)Po(Z)為異常。

戴勇、朱燕等[9-10]運(yùn)用地磁場(chǎng)垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比對(duì)甘一青及新疆等區(qū)域地磁資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地磁加卸載響應(yīng)比高值異常與中強(qiáng)地震有較好的對(duì)應(yīng)效果。沙木哈爾·葉爾肯、木拉提江·阿不來(lái)提等[11-12]通過(guò)分析2013年3月11日阿圖什MS5.2地震、2015年7月3日皮山MS6.5地震以及2016年11月25日阿克陶縣MS6.7地震，均對(duì)喀什臺(tái)地磁加卸載響應(yīng)比進(jìn)行震例統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)閾值選擇為3.0時(shí)，對(duì)地震的預(yù)測(cè)效果較其他閾值更為理想，虛報(bào)率和漏報(bào)率較低。據(jù)岳明生等[13]的研究結(jié)果，加卸載響應(yīng)比異常出現(xiàn)后 3～5個(gè)月內(nèi)臺(tái)站附近 500 km內(nèi)可能發(fā)中強(qiáng)地震，當(dāng)有多個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常時(shí)，震中位于異常值最高的臺(tái)站附近。由于伽師MS6.4地震震中周邊沒(méi)有密集的地磁臺(tái)站，所以選取南疆喀什臺(tái)、烏什臺(tái)、且末臺(tái)地磁日變幅觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

伽師MS6.4地震前，喀什臺(tái)地磁Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比分別于2019 年9月 13日、12月11日2次出現(xiàn)超閾值情況，且該時(shí)段未發(fā)生磁暴現(xiàn)象，首次異常出現(xiàn)到發(fā)震距129 d，屬于短期異常(圖3)。

圖3 地磁垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比曲線(xiàn)圖

3 形變異常分析

烏恰觀測(cè)點(diǎn)處于帕米爾—西昆侖地震帶的北部邊緣，印度板塊與歐亞板塊碰撞的西北端，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是中國(guó)大震活動(dòng)頻度最高的地區(qū)之一，地震活動(dòng)十分強(qiáng)烈[14-16]。烏恰CZB-1型豎直擺鉆孔傾斜于2010年開(kāi)始正常運(yùn)行， 2013年3月儀器擺體故障，9月維修擺體并重新架設(shè)，2014年7月雷擊致使數(shù)采、主機(jī)、擺體故障，維修更換擺體配件，重新架設(shè)擺體。

3.1 烏恰鉆孔傾斜 EW 分量速率異常分析

對(duì)烏恰豎直擺鉆孔傾斜EW分量進(jìn)行速率異常分析，以120 d為窗口長(zhǎng)度，步長(zhǎng)為10 d，最長(zhǎng)預(yù)報(bào)期為200 d進(jìn)行計(jì)算(表1)。2015年1月1日～2020年1月31日，烏恰鉆孔傾斜300 km范圍內(nèi)根據(jù)觀測(cè)值傾斜速率變化共自動(dòng)識(shí)別出5次異常(圖4a)。其中，3次異常對(duì)應(yīng)MS≥5.5地震，漏報(bào)3次，虛報(bào)1次(圖4b)。最佳速率異常判定閾值為2.6倍均方差，最優(yōu)R值為0.261，Ro值為0.387(圖4c、圖4d)。

表1 烏恰鉆孔傾斜速率變化異常與地震對(duì)應(yīng)關(guān)系表

3.2 烏恰鉆孔傾斜EW分量形態(tài)分析

伽師MS6.4地震前EW分量記錄到異常變化，異常的特征為：① 2019年5月12日起，EW分量反向加速東傾，至11月24日東傾幅度達(dá)到4.54″；② 異常持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從異常開(kāi)始到發(fā)震197 d，為中期異常；③ 異常開(kāi)始到結(jié)束，EW分量潮汐因子內(nèi)精度均保持在正常范圍內(nèi)，與以往相比，異常持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)且傾斜幅度最大，符合中強(qiáng)地震能量積累的規(guī)律(圖5)。此次地震距離烏恰鉆孔傾斜觀測(cè)點(diǎn)173 km。

圖5 烏恰鉆孔傾斜EW分量異常曲線(xiàn)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

與2016年11月25日阿克陶MS6.7地震相似，此次地震震中300 km范圍內(nèi)的18套觀測(cè)項(xiàng)目，甄別出2套觀測(cè)資料出現(xiàn)地球物理場(chǎng)異常，異常所占比例為11.11%。距離震中近的伽師55井溫、阿圖什豎直擺鉆孔傾斜儀、喀什欄桿豎直擺鉆孔傾斜儀等觀測(cè)儀器震前并未捕捉到異常變化。原因一觀測(cè)點(diǎn)周邊巖層受應(yīng)力作用發(fā)生在地殼深部，但由于地殼構(gòu)造的復(fù)雜性和震源區(qū)的不可直觀性，破裂錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)變能量在傳遞到地表過(guò)程中，可能會(huì)積聚亦或消耗衰減，會(huì)造成觀測(cè)不到地表明顯的異常變化。原因二觀測(cè)站臺(tái)址選取、儀器架設(shè)及安裝過(guò)程中的施工(如地傾斜儀器鉆孔工藝不規(guī)范造成鉆孔管壁與儀器間耦合不好、鉆孔沒(méi)有打在基巖上等)、儀器的運(yùn)行狀況、背景噪聲、自然環(huán)境干擾、場(chǎng)地環(huán)境干擾等單個(gè)因素或多種因素相互作用的結(jié)果，這些因素直接影響觀測(cè)儀器的資料產(chǎn)出質(zhì)量及預(yù)報(bào)效能。此次地震時(shí)間上，異常類(lèi)型較為豐富，包含中期、短期、臨震3種。地磁秒數(shù)據(jù)垂直強(qiáng)度極化法分析表明，地震在異常持續(xù)過(guò)程中發(fā)震。地磁Z分量日變幅加卸載響應(yīng)比與烏恰鉆孔傾斜EW分量分析資料顯示，地震均發(fā)生在異常結(jié)束后。從距離上來(lái)看，這2套觀測(cè)儀器觀測(cè)站分布距震中125～200 km，且均位于此次地震的西南面。

目前，地球物理場(chǎng)觀測(cè)手段尚未發(fā)現(xiàn)能夠確定發(fā)生地震的必然異常信號(hào)，僅憑借某套儀器進(jìn)行預(yù)測(cè)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｒ虼?，在地震異常跟蹤中需要結(jié)合多手段、多方法、多儀器的不同采樣的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，這對(duì)于從事地震分析預(yù)報(bào)人員研究觀測(cè)臺(tái)站資料變化與其周邊地震的關(guān)系具有積極的意義。