据中国地震台网测定,2020年5月,新疆南天山西段先后发生2次5级以上地震,分别为5月6日乌恰5.0级(39.71°N,74.10°E)和5月9日柯坪5.2级地震(40.77°N,78.76°E),其中乌恰5.0级地震位于帕米尔弧形造山带东段乌合沙鲁断裂附近,间距约4 km;柯坪5.2级地震位于柯坪推覆构造上,最近断层为衣木干它乌断裂,间距约29 km。截至6月30日,5月6日乌恰5.0级地震余震序列发生ML 3.0以上余震4次,最大为5月14日ML 4.5地震;5月9日柯坪5.2级地震后则记录到ML 3.0以上余震10次,最大余震为5月11日ML 4.7地震(据中国地震台网中心,CENC)。
乌恰5.0级和柯坪5.2级地震均位于2020年度“新疆塔什库尔干至乌什6.5级左右年度地震重点危险区”内,同时位于2020年5—7月全国地震概率预测结果所示地震发生高概率区内。南天山西段2019年以来4级以上地震受调制现象明显,反映了震中附近区域背景应力持续增强的过程。
本文统计了2020年5月南天山西段2次5级以上地震前地震活动异常在时间、空间和地震强度的实际预测意义,分析了形变、电磁和流体等地球物理观测手段在震前出现的异常现象,同时分析了2次地震的发震区域构造背景及余震序列特征。通过对2020年5月新疆乌恰5.0级和柯坪5.2级地震的系统回顾和总结,为新疆地区短期内5级以上地震的连续发生积累震例资料。
1 构造背景和历史地震天山地震带南部为帕米尔高原和塔里木盆地,北部为哈萨克地台和准格尔盆地,为新疆境内主要的强震活动带(Burtman,1975;高国英等,1993)。新生代时期,受到印度板块和欧亚板块碰撞的远程效应影响,天山地震带重新活动,开始内陆造山运动并再次强烈隆升,形成板内新生代复活型内陆造山带(Molnar and Tapponnier, 1975;England and Houseman, 1985;Craig et al,2012)。天山地震带南北两侧发育一系列与山体近乎平行的逆断层—褶皱带,这种山—盆交汇地带的逆冲推覆构造是现今变形最为强烈的地区,在山体内部还发育一系列NW向右旋走滑断层和NEE向左旋走滑断裂(Tapponnier and Molnar, 1979;Avouac et al,1993;沈军等,2003;Selander et al,2012;Campbell et al,2013)。
2020年5月6日乌恰5.0级和5月9日柯坪5.2级地震均发生在南天山西段(图 1),据统计,1900年以来,该区共发生6次7级以上地震,分别为1902年阿图什81/4级、1944年乌恰7.0级、1955年乌恰2次7.0级、1974年乌恰7.3级和1985年乌恰7.1级地震。此外,1997年发生伽师6.6级强震群活动,2020年1月19日再次发生伽师6.4级地震,表明南天山西段目前仍处于强震活跃阶段。
据统计(顾功叙,1983;国家地震科学数据中心http://data.earthquake.cn),1900年以来,乌恰5.0级地震震中100 km范围内共发生74次5级以上地震,其中5.0—5.9级地震62次,6.0—6.9级地震9次,7.0—7.9级地震3次,最大为1974年8月11日新疆乌恰西南7.3级地震,距本次乌恰5.0级地震约43 km;而柯坪5.2级地震震中100 km范围内共发生45次5级以上地震,其中5.0—5.9级地震39次,6.0—6.9级地震6次,最大为1969年2月12日新疆阿克苏地区乌什县6.5级地震,距本次柯坪5.2级地震约91 km(图 1)。
与5月6日乌恰5.0级地震距离最近的EW向乌合沙鲁断裂, 以逆断层为主,间距约4 km。乌合沙鲁断裂为卡兹克阿尔特弧前缘的最新形变断层,属帕米尔弧形造山带东段。该造山带由一系列不同时期形成的弧形褶皱—逆断裂带组成,平面上呈向N或NNE突出的弧形,剖面上构成叠瓦状推覆体,自晚新生代不断向北逆冲推覆(陈杰等,1997;曲国胜等,1998;陈建波等,2009)。乌合沙鲁断裂在平面上为一组向北突出的多重弧形褶皱断裂,总体走向近EW,断层面东、西段北倾,中段倾向S,倾角50°—70°,其断裂性质为逆断层(沈军等,2011)。震源机制解显示乌恰5.0级地震为一次走滑型破裂地震,震中附近历史地震震源机制以近EW向的逆冲型破裂为主,优势主压应力轴方位近NS(图 2,表 1)。
与5月9日柯坪5.2级地震距离最近的NEE向衣木干它乌断裂,是柯坪塔格推覆构造的组成部分,间距约29 km。该断裂位于普昌断裂以东,走向NE,倾向N至NW,纵向上推覆体向西倾伏于普昌断裂之下,因此,衣木干它乌推覆体除由北向南的逆冲推覆外,还存在由东向西的挤压(何文渊等,2002;曲国胜等,2003;闵伟等,2006)。本次地震震源机制显示为逆冲型破裂,历史地震震源机制解统计结果显示,震中100 km内以NEE向逆冲型破裂为主,优势主压应力轴方位近NS,与柯坪推覆构造下一系列逆冲断层的构造背景相一致(图 2,表 1)。
2 地震活动特征2020年以来,新疆地区5级以上地震活动活跃,自2020年1月16日库车5.6级地震,至3月23日拜城5.0级地震,3个月内共发生7次5级以上地震,主要分布在南天山西段至柯坪块体,此后5级以上地震进入短暂平静,44天后连续发生乌恰5.0级(5月6日)和柯坪5.2级地震(5月9日),并在2次5级地震前发生沙雅4级震群和伽师6.4级地震余震区4.1级地震,且2次地震之间于5月7日发生温宿4.5级地震,表明南天山西段至柯坪块体的5级以上地震活跃状态仍在持续。因此,在2次5级以上地震发生前,对南天山西段至柯坪块体具有明确指示意义的地震活动异常主要有调制地震集中、新疆地区5级以上地震成组、沙雅4级地震窗以及若羌4级地震窗。
2.1 地震活动异常(1)南天山西段调制地震集中。2019年以来,南天山西段4级以上地震受固体潮调制作用明显,2019年1月至2020年4月,该区共发生16次4级以上地震,其中14次发生在调制时期(表 2),调制地震比达0.87,显著高于调制比异常阈值0.59(韩颜颜等,2017)。在调制期内,于2020年1月19日发生伽师6.4级地震,表明该地区应力水平较高且持续增强。5月6日乌恰5.0级地震为非调制地震,而5月9日柯坪5.2级地震为调制地震,目前区域附近整体调制比仍较高(图 3,表 2)。
(2)新疆地区5级以上地震成组。2019年10月27日新疆乌什5.0级地震打破了新疆境内267天的5级地震平静,之后新疆地区进入5级以上地震成组活动状态,先后发生了2020年1月16日库车5.6级地震、1月19日伽师6.4级强震序列和3月23日拜城5.0级地震,组内5级地震最小时间间隔3天,最大平静间隔81天。2020年5月乌恰5.0级和柯坪5.2级地震为新疆地区5级地震平静44天后发生的又一次5级地震成组活动。
(3)沙雅4级地震窗。沙雅地区作为4级显著地震窗,对新疆地区5级以上地震具有一定预测意义。震例显示,2006年1月至2020年1月沙雅地区发生10组4级地震,其中:8组于后续48天内在新疆地区发生5级以上地震,且3组对应了2次5级以上地震,7组对应的5级以上地震发生在南天山中西段(图 4,表 3)。2020年4月14—16日,沙雅发生3次4级以上地震,最大震级为MS 4.7。该地震窗在此次首个4级地震后22天,在南天山西段于5月6日发生乌恰5.0级地震,3天后发生柯坪5.2级地震。因此,沙雅4级地震窗与乌恰5.0级和柯坪5.2级地震对应较好(表 3)。
(4)若羌4级地震窗。2020年4月9日新疆若羌发生4.0级地震,据统计,1980—2019年,震中50 km范围内共发生5次4级以上地震,其中3次地震后于1个月内在新疆及附近地区发生5级以上地震,占比3/5(表 4)。分析认为,若羌4.0级地震后1个月内在喀什—乌恰交汇区至西昆仑地区发生5级以上地震的可能性较大,而5月6日乌恰5.0级地震即发生在喀什—乌恰交汇区(图 4),可见若羌4级地震窗对此次5.0级地震具有较好的预测意义。
据调查,乌恰5.0级地震震中300 km范围内共分布地球物理观测台站13个,包括地倾斜、地磁、电扰动、基岩温度、水温等29个观测项;柯坪5.2级地震震中300 km范围内共分布地球物理观测台站16个,包括地倾斜、重力、地磁、自然电位、电磁扰动、地电场、地电阻率、热红外、水位、水温、基岩温度、断层氢等62个观测项。而乌恰5.0级地震位于南天山西段西端靠近国界位置,附近地球物理测项均位于震中东侧,因2次地震震中相距约410 km,以300 km为半径进行统计,存在18个重叠测项,其中2个测项震前出现异常,分别为喀什钻孔倾斜EW分量和地磁M15仪Z分量。2次5级以上地震前附近区域共有7个观测项出现地球物理异常,除重叠的2项外,其余5项分别为阿克苏断层氢、乌什伸缩仪EW分量、乌什地磁位FHD-2仪Z分量、柯坪地电阻率NS分量、阿合奇石英摆倾斜仪(图 5,表 5)。
(1)喀什钻孔倾斜。喀什钻孔倾斜EW分量位于乌恰5.0级地震震中以东方向、柯坪5.2级地震震中西南方向,震中距分别约141 km、288 km(图 5)。2020年2月26日至3月21日,该测项由东倾反向变化为西倾,异常幅度达11.6″,4月10日后再次快速西倾2.7″,2次西倾变化后异常幅度达14.7″(图 6)。虽然5月6日乌恰5.0级地震发生在预测时间和地区,但由于异常幅度较大,2次5级以上地震的发生不能充分释放应变积累,该异常仍具有预测意义,需密切关注该区后续地震的发生可能。
(2)阿合奇石英摆倾斜。阿合奇石英摆位于柯坪5.2级地震震中西北方向,震中距约31 km,(图 5)。2019年7月阿合奇台洞室改造后,水平摆NS分量由南倾转为北倾,且北倾幅度超过往年。分析认为,该变化包含洞室改造施工影响,信度较低。2020年4月11—13日,水平摆NS分量加速南倾,幅度达0.322″(图 7),后发生柯坪5.2级地震。
(3)乌什洞体应变。乌什伸缩仪EW分量位于柯坪5.2级地震震中东北方向,震中距约60 km(图 5)。该测项自2012年以来趋势东倾,2020年1月19日伽师6.4级地震前未发生变化,而柯坪5.2级地震前一个月出现趋势转折异常变化,至2020年7月17日异常结束,并恢复趋势东倾(图 8)。因此,认为该变化为5月9日柯坪5.2级地震映震异常。
(4)乌什、喀什地磁逐日比。喀什地磁台位于乌恰5.0级地震震中以东方向、柯坪5.2级地震震中西南方向,震中距分别约148 km、287 km;乌什地磁台位于柯坪5.2级地震震中东北方向,震中距约60 km。2020年4月8日乌什台和喀什台同时出现地磁逐日比高值异常(图 9),分析认为,南天山西段2个月内存在发生5级以上地震的可能,且存在一次异常对应多次地震的现象,此次于5月6日、9日分别发生的乌恰5.0级和柯坪5.2级地震即属于此类情况。
(5)柯坪地电阻率。柯坪地电阻率测项位于柯坪5.2级地震震中东南方向,震中距约38 km。柯坪地电阻率NS测道自2018年开始同步出现下降变化,下降幅度分别为-1.7%和-1.4%,且存在年变幅度减小现象。2019年下半年该测项年变幅度显著减小,2020年初年变幅度达到最小,随后开始转折回升,4月中下旬出现小幅度回落(图 10),于5月9日发生柯坪5.2级地震,但异常趋势无变化,表明柯坪地电阻率NS分量变化非此次地震异常。
(6)阿克苏断层氢。阿克苏断层氢位于柯坪5.2级地震震中东北方向,震中距约124 km。该测项于2020年4月12—14日出现快速上升变化,幅度为2.2×10-6,后恢复至背景值(图 11),异常结束27天后发生柯坪5.2级地震。据统计,自2013年11月观测以来,阿克苏断层氢出现7次类似的快速上升变化,其中6次变化与测点周边300 km范围内5级以上地震对应。因此,判定该变化为柯坪5.2级地震映震异常。
截至2020年6月30日,乌恰5.0级地震震区共记录ML≥1.0地震16次,其中ML 1.0—1.9地震1次,ML 2.0—2.9地震10次,ML 3.0—3.9地震3次,ML 4.0—4.9地震1次,ML 5.0—5.9地震1次,最大余震为5月14日ML 4.5(MS 4.0)地震(表 6,图 12)。由图 12可知,余震集中发生在震后48小时以内,此时段共记录ML≥0.0地震9次,5月14日ML 4.5发生后集中发生4次余震,之后仅发生1次ML≥2.0地震,为5月20日ML 2.0地震。
在此次乌恰5.0级地震震中100 km范围内,5级以上历史地震序列类型统计结果显示,孤立型与主余型占比约79.66%,震群型占比约20.34%,表明该区域5级以上地震以主余型和孤立型为主,震群型也占一定比例。该地震序列主震与最大余震的震级差为0.9,主震释放能量占地震序列的97.02%,属主余型地震序列;从空间分布看,余震活动集中在主震西侧,与主震存在一定距离(图 12)。
3.2 柯坪5.2级地震序列截至2020年6月30日,柯坪5.2级地震原震区共记录ML≥0.0地震182次,其中ML 0.0—0.9地震35次,ML 1.0—1.9地震110次,ML 2.0—2.9地震26次,ML 3.0—3.9地震7次,ML 4.0—4.9地震3次,ML 5.0—5.9地震1次,最大余震为5月11日ML 4.7(MS 4.2)地震,余震丰富程度显著高于乌恰5.0级地震(图 13,表 7)。由图 13可知,柯坪序列的余震主要集中发生在震后3天内,共发生ML≥0.0地震111次,总体上看,5月11日后余震频次呈现持续衰减的特征,其中6月9日、6月27日分别发生了ML 4.7和ML 3.8地震。
在此次柯坪5.2级地震序列震中100 km范围内,5.0级以上历史地震序列统计结果显示,孤立型和主余型占比约94.59%,震群型占比约5.41%,表明该区域5级以上地震主要以主余型和孤立型为主。此次地震序列主震与最大余震的震级差为0.9,主震释放能量占地震序列的96.41%,属于主余型地震序列;从空间分布看,余震活动集中在主震附近30 km范围内,近EW向的展布特征较为清晰,其长轴约42 km,短轴约14 km(图 13)。
柯坪5.2级地震的余震序列较为丰富,在序列跟踪过程中,采用最大曲率法(MAXC),加上修正系数,可得余震序列最小完整性震级为ML 1.0 ± 0.2(Wiemer and Wyss, 2000),与2020年1月19日伽师6.4级地震余震序列的完整性震级(ML 1.2)基本一致(孟令媛等,2020)。基于最小完备震级,可进一步计算得到序列参数h值和b值(图 14),截至6月30日,h值稳定在1.6>1,表明该地震序列为主余型序列(刘正荣等,1986;王琤琤等,1996;蒋海昆等,2006);b值在0.73附近变化,依据拟合的G—R关系,得到外推最大余震震级为ML 4.8,与目前记录的最大余震震级ML 4.7基本一致(史海霞等,2018)。
2020年5月6日乌恰5.0级、5月9日柯坪5.2级地震均位于2020年度“新疆塔什库尔干至乌什6.5级左右年度地震重点危险区”内,同时位于2020年5—7月全国地震概率预测结果所示地震发生高概率区。2次5级地震发生前,新疆地区出现5级地震活跃现象,3个月内共发生7次5级以上地震,主要分布在南天山西段至柯坪块体,其中最大地震为2020年1月19日伽师6.4级地震,表明南天山西段区域应力水平持续增强,尤其在伽师6.4级地震之后,南天山西段至柯坪块体发生一系列5级以上地震,表明该区应力释放并不完全。
乌恰5.0级和柯坪5.2级地震发生前,新疆地区南天山西段具有以下异常活动:①地震活动异常:沙雅4级地震窗和若羌4级地震窗等短期异常和调制地震集中等中期异常。其中,沙雅和若羌4级地震窗于震前一个月出现,而南天山西段自2019年以来4级以上地震受调制现象明显,且持续时间较长,表明区域应力处于持续增强状态;②地球物理观测异常:喀什钻孔倾斜、阿合奇水平摆倾斜、乌什—喀什地磁逐日比、阿克苏断层氢等短期异常和柯坪地电阻率、乌什洞体应变等趋势异常。其中,喀什钻孔倾斜和柯坪地电阻率在2次地震发生后仍存在异常现象,喀什—乌什地磁逐日比存在一次异常对应多次地震现象,表明南天山西段短期内仍具有发生5级以上地震的可能。
根据地震序列特征,分析认为2020年5月乌恰5.0级和柯坪5.2级地震均为主余型地震序列。其中,乌恰5.0级地震记录余震较少,无法计算b值和h值等序列参数,而柯坪5.2级地震后记录余震相对丰富,采用最大曲率法,获得余震序列最小完备震级为ML1.0±0.2,计算得到序列h值为1.6,b值为0.73。
综上所述,得出以下结论。
(1)5月6日乌恰5.0级和5月9日柯坪5.2级地震均位于南天山西段,前者位于帕米尔弧形造山带东段,后者位于柯坪塔格推覆构造上。乌恰5.0级地震位于以逆断层为主的EW向乌合沙鲁断裂带附近, 震源机制解显示为走滑型破裂,与断裂性质存在一定差异,余震主要分布在主震西侧,与主震存在一定距离;柯坪5.2级地震位于逆冲为主的NEE向衣木干它乌断裂附近,震源机制显示为逆冲型破裂,余震序列大致呈EW向展布,与衣木干它乌断裂走向基本一致。
(2)5月6日乌恰5.0级地震后,记录余震较少,震后60天内共记录ML 3.0以上余震4次,最大余震为ML 4.5地震。5月9日柯坪5.2级地震序列较为丰富,震后60天内共记录ML 3.0以上余震10次,最大余震为ML 4.7地震,截至6月30日,序列h值仍大于1,且外推震级与目前发生的最大余震震级相当,认为该序列衰减正常。能量分布结果显示,2次5级以上地震序列主震释放的能量占比分别为97.02%和96.41%,说明均为主余型地震序列。
(3)在新疆2次5级以上地震发生前,主要存在调制地震集中、4级地震窗和5级地震成组等地震活动性异常,同时,震中附近出现形变、电磁和流体等地球物理观测异常,其中以形变和电磁异常为主,主要分布在柯坪5.2级地震震中附近。
本文撰写得到王海涛研究员的指导和鼓励,蒋海昆研究员、晏锐研究员、孟令媛研究员和闫伟高级工程师亦给予帮助,中国地震台网中心国家地震科学数据中心(http://data.earthquake.cn)提供数据支撑,在此对他们及中国地震台网中心预报部同事的辛苦工作,一并表示衷心感谢。
陈建波, 谭明, 寇大兵, 等. 2009. 2008年10月5日新疆乌恰6.8级地震现场考察[J]. 中国地震, 25(4): 455-462. |
陈杰, 曲国胜, 胡军, 等. 1997. 帕米尔北缘弧形推覆构造带东段的基本特征与现代地震活动[J]. 地震地质, 19(4): 301-312. |
高国英, 王季达. 1993. 天山地震带及乌恰交汇区强震活动特征[J]. 内陆地震, 7(3): 271-278. |
顾功叙. 1983. 中国地震目录:公元前1831-公元1969年[M]. 北京: 科学出版社.
|
韩颜颜, 孟令媛, 刘桂萍, 等. 2017. 西北地区中强震前固体潮调制比时空特征分析[J]. 地震学报, 39(5): 738-750. |
何文渊, 李江海, 钱祥麟, 等. 2002. 塔里木盆地柯坪断隆断裂构造分析[J]. 中国地质, 29(1): 37-43. |
蒋海昆, 代磊, 侯海峰, 等. 2006. 余震序列性质判定单参数判据的统计研究[J]. 地震, 26(3): 17-25. |
刘正荣, 孔昭麟. 1986. 地震频度衰减与地震预报[J]. 地震研究, 9(1): 1-12. |
孟令媛, 苑争一, 宋治平, 等. 2020. 2020年1月19日新疆伽师MS6.4地震总结[J]. 地震地磁观测与研究, 41(2): 63-89. |
闵伟, 宋方敏, 韩竹军, 等. 2006. 柯坪塔格断裂西段古地震初步研究[J]. 地震地质, 28(2): 234-244. |
曲国胜, 陈杰, 陈新安, 等. 1998. 西昆仑-帕米尔造山带及其北缘前陆盆地板内变形构造[J]. 地质论评, 44(4): 419-429. |
曲国胜, 李亦纲, 陈杰, 等. 2003. 柯坪塔格推覆构造几何学、运动学及其构造演化[J]. 地学前缘, 10(Z1): 142-152. |
沈军, 汪一鹏, 李莹甄, 等. 2003. 中国新疆天山博阿断裂晚第四纪右旋走滑运动特征[J]. 地震地质, 25(2): 183-194. |
沈军, 柏美祥, 石广岭. 2011. 新疆及邻区地震构造图简介[J]. 内陆地震, 25(2): 97-108. |
史海霞, 孟令媛, 张雪梅, 等. 2018. 汶川地震前的b值变化[J]. 地球物理学报, 61(5): 1874-1882. |
王琤琤, 程德利, 陈兴东. 1996. 地震序列的h值快速震型判别与强余震预测[J]. 地震学刊, (2): 13-18. |
Avouac J P, Tapponnier P, Bai M, et al. 1993. Active thrusting and folding along the northern Tien Shan and Late Cenozoic rotation of the Tarim relative to Dzungaria and Kazakhstan[J]. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 98(B4): 6755-6804. DOI:10.1029/92JB01963 |
Burtman V S. 1975. Structural geology of Variscan Tien Shan, USSR[J]. American Journal of Science, 275A: 157-186. |
Campbell G E, Walker R T, Abdrakhmatov K, et al. 2013. The Dzhungarian fault:Late Quaternary tectonics and slip rate of a major right-lateral strike-slip fault in the northern Tien Shan region[J]. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 118(10): 5681-5698. DOI:10.1002/jgrb.50367 |
Craig T J, Copley A, Jackson J. 2012. Thermal and tectonic consequences of India underthrusting Tibet[J]. Earth and Planetary Science Letters, (353/354): 231-239. |
England P, Houseman G. 1985. Role of lithospheric strength heterogeneities in the tectonics of Tibet and neighbouring regions[J]. Nature, 315(6 017): 297-301. |
Molnar P, Tapponnier P. 1975. Cenozoic tectonics of Asia:effects of a continental collision[J]. Science, 189(4 201): 419-426. |
Selander J, Oskin M, Ormukov C, et al. 2012. Inherited strike-slip faults as an origin for basement-cored uplifts:Example of the Kungey and Zailiskey ranges, northern Tian Shan[J]. Tectonics, 31(4): TC4026. DOI:10.1029/2011TC003002 |
Tapponnier P, Molnar P. 1979. Active faulting and cenozoic tectonics of the Tien Shan, Mongolia, and Baykal Regions[J]. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 84(B7): 3425-3459. DOI:10.1029/JB084iB07p03425 |
Wiemer S, Wyss M. 2000. Minimum magnitude of completeness in earthquake catalogs:examples from Alaska, the Western United States, and Japan[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 90(4): 859-869. DOI:10.1785/0119990114 |