2020年1月19日新疆伽師MS6.4地震地球物理觀測異常分析①

木拉提江·阿不來提， 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，震中周邊有觀測記錄以來最大地震為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、形變觀測均有異常反應(yīng)，包含中期、短期、臨震異常。本文中運用垂直強度極化法和垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比對喀什臺FHDZ-M15地磁總場與分量組合觀測系統(tǒng)秒采樣觀測數(shù)據(jù)以及日變幅數(shù)據(jù)分別進行分析，提取地震磁擾動異常信號，得到高值異常與目標地震的對應(yīng)關(guān)系。再利用形態(tài)分析法和傾斜速率異常分析法對烏恰鉆孔傾斜儀數(shù)字化觀測數(shù)據(jù)進行分析，找出正常背景場與異常變化的特點。綜合多種觀測手段的分析結(jié)果，對異常進行總結(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異常信號，對地震檢驗具有現(xiàn)實意義。

1 震中周圍地球物理臺網(wǎng)觀測測項概況

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

圖1 震中附近臺站分布圖

2 地磁異常分析

喀什地磁臺屬國家Ⅰ類地磁臺，該臺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)造運動強烈[3]。數(shù)據(jù)起始于1984年，2007年5月遷入新觀測室，儀器工作狀況較穩(wěn)定，外界干擾少，數(shù)據(jù)積累時間長、精度高，預(yù)報效能為A級[4]。地磁場的日變化是由于應(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約 125 km，震前地磁觀測資料出現(xiàn)異常變化，分別利用地磁垂直強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 震前地磁垂直強度極化法異常

地磁垂直強度極化法是指將磁場垂直分量Z和水平分量(H或G)的頻譜振幅相比。巖石圈ULF電磁信號的特征表現(xiàn)為垂直分量Z比水平分量H或G大，即來自于巖石圈的信號主要體現(xiàn)在垂直分量Z上，而來自外源場的信號主要體現(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的同時抑制外源場的電磁信號，是目前提取地震磁擾動信號效果較好的方法[6]。

新疆區(qū)域有喀什臺、且末臺、溫泉臺、烏魯木齊臺4個臺站擁有地磁秒采樣觀測數(shù)據(jù)，按照Rikitake[7]的ULF信號傳播最大距離與震級M的關(guān)系公式進行計算，可得到新疆伽師MS6.4 地震的最大傳播距離影響范圍達610 km。伽師MS6.4地震震中距離喀什地磁臺125 km，且末臺743 km，溫泉臺 643 km，烏魯木齊臺948 km。因此本文中采用地震地磁數(shù)據(jù)分析預(yù)報軟件(該軟件將每天的秒采樣數(shù)據(jù)按 15 min一段，分為 96 段，計算 5～100 s各頻點的比值，并剔除低比值頻點后獲得比值的日均值)，對喀什臺FHDZ-M15儀器地磁預(yù)處理秒值數(shù)據(jù)(2019-01-01～2020-02-01)進行地磁垂直強度極化分析，將極化結(jié)果進行傅里葉擬合處理來消除周期變化后，對殘差進行進一步分析。經(jīng)過計算，Yzh值高于其均值 2 倍均方差的閾值為Yzh高值異常閾值線，利用時序曲線提取異常值(圖2)。

圖2 喀什地磁極化值變化曲線圖

結(jié)果表明，選取的資料時間段內(nèi)共出現(xiàn)5組超閾值情況，1組異常虛報，4組異常共對應(yīng)7次地震。2020年1月14～21日喀什地磁垂直強度極化值與傅里葉擬合殘差5日滑動平均值出現(xiàn)高值異常。本次異?？陀^存在且屬實，異常過程中發(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)點是基于對震源介質(zhì)損傷程度的刻畫。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) 值時序曲線，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P(Z)Po(Z)為異常。

戴勇、朱燕等[9-10]運用地磁場垂直分量日變幅加卸載響應(yīng)比對甘一青及新疆等區(qū)域地磁資料進行分析，發(fā)現(xiàn)地磁加卸載響應(yīng)比高值異常與中強地震有較好的對應(yīng)效果。沙木哈爾·葉爾肯、木拉提江·阿不來提等[11-12]通過分析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，均對喀什臺地磁加卸載響應(yīng)比進行震例統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)閾值選擇為3.0時，對地震的預(yù)測效果較其他閾值更為理想，虛報率和漏報率較低。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個月內(nèi)臺站附近 500 km內(nèi)可能發(fā)中強地震，當有多個臺站出現(xiàn)異常時，震中位于異常值最高的臺站附近。由于伽師MS6.4地震震中周邊沒有密集的地磁臺站，所以選取南疆喀什臺、烏什臺、且末臺地磁日變幅觀測數(shù)據(jù)進行計算。

伽師MS6.4地震前，喀什臺地磁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)比曲線圖

3 形變異常分析

烏恰觀測點處于帕米爾—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，是中國大震活動頻度最高的地區(qū)之一，地震活動十分強烈[14-16]。烏恰CZB-1型豎直擺鉆孔傾斜于2010年開始正常運行， 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、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

對烏恰豎直擺鉆孔傾斜EW分量進行速率異常分析，以120 d為窗口長度，步長為10 d，最長預(yù)報期為200 d進行計算(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)觀測值傾斜速率變化共自動識別出5次異常(圖4a)。其中，3次異常對應(yīng)MS≥5.5地震，漏報3次，虛報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日東傾幅度達到4.54″；② 異常持續(xù)時間較長，從異常開始到發(fā)震197 d，為中期異常；③ 異常開始到結(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)時間最長且傾斜幅度最大，符合中強地震能量積累的規(guī)律(圖5)。此次地震距離烏恰鉆孔傾斜觀測點173 km。

圖5 烏恰鉆孔傾斜EW分量異常曲線圖

4 結(jié) 語

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套觀測項目，甄別出2套觀測資料出現(xiàn)地球物理場異常，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儀器震前并未捕捉到異常變化。原因一觀測點周邊巖層受應(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，破裂錯動產(chǎn)生的應(yīng)變能量在傳遞到地表過程中，可能會積聚亦或消耗衰減，會造成觀測不到地表明顯的異常變化。原因二觀測站臺址選取、儀器架設(shè)及安裝過程中的施工(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、鉆孔沒有打在基巖上等)、儀器的運行狀況、背景噪聲、自然環(huán)境干擾、場地環(huán)境干擾等單個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儀器的資料產(chǎn)出質(zhì)量及預(yù)報效能。此次地震時間上，異常類型較為豐富，包含中期、短期、臨震3種。地磁秒數(shù)據(jù)垂直強度極化法分析表明，地震在異常持續(xù)過程中發(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。從距離上來看，這2套觀測儀器觀測站分布距震中125～200 km，且均位于此次地震的西南面。

目前，地球物理場觀測手段尚未發(fā)現(xiàn)能夠確定發(fā)生地震的必然異常信號，僅憑借某套儀器進行預(yù)測是不嚴謹?shù)?。因此，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數(shù)據(jù)進行綜合分析，這對于從事地震分析預(yù)報人員研究觀測臺站資料變化與其周邊地震的關(guān)系具有積極的意義。