据中国地震台网测定,2020年6月26日5时5分20秒,新疆和田地区于田县发生6.4级地震,震中位于(35.73°N,82.33°E),震源深度10 km。截至2020年8月31日,记录到前震1次,为6月26日4时29分4.6级地震,记录到3级以上余震16次,其中3.0-3.9级地震9次,4.0-4.9级地震7次,最大为6月26日5时17分4.7级地震。于田6.4级地震发生在阿尔金断裂的分支断裂--黑石北湖断裂附近,距离约2 km,震源机制解显示此次地震为一次张性破裂事件,与发震构造断裂性质和区域历史地震震源机制解较为一致。
此次地震前出现以下异常:①中短期地震活动异常:西昆仑-昆仑山地区7级地震间隔、西昆仑-阿尔金交汇区6级地震的准周期活动、西昆仑-阿尔金断裂交汇区5级地震平静打破、新疆-西藏西部4级地震活动图像、中源地震影响、新疆境内4级地震平静等;②短期指示意义的地球物理观测异常:于田垂直摆倾斜、于田与和田GNSS基准站EW位移异常等。
本文重点梳理了2020年于田6.4级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,分析了形变观测在震前出现的异常现象,讨论了多方法组合在震前体现的异常特征。分析发现:本次地震前主要出现了地震间隔、准周期活动、地震活动图像和中源地震影响等活动异常,表明这些异常对强震发生的时间和地点有一定指示意义;仅有的3项形变异常均为短期异常,表明对于田地区6级以上地震具有较好的指示意义。通过对2020年于田6.4级地震的系统回顾和总结,为新疆地区,特别是于田地区积累6级以上震例资料,并为做出具有减灾实效的震前预报提供基础实践数据。
1 构造背景和历史地震2020年6月26日新疆于田6.4级地震发生在阿尔金断裂西南端NE向张剪切段邻近区域(西昆仑块体与昆仑-柴达木-祁连块体之间),震中位于黑石北湖断裂(阿尔金断裂分支)附近(图 1)。阿尔金断裂是青藏高原北缘的一条NEE向主控边界断裂,是印度板块向北俯冲挤压欧亚板块,在古老的塔里木盆地岩体的阻挡下,由青藏高原主体地壳缩短和高原隆升造成的(Xu et al,2012)。阿尔金断裂西起西藏北部的拉竹龙,东至甘肃玉门的宽滩山,经硝尔库勒、阿羌、索尔库里、阿克塞、肃北等地,穿越新疆、青海、甘肃三省,蜿蜒1 600多千米。该断裂为全新世活动断裂,断面倾向SE,倾角60°-80°,主体为左旋走滑逆断层性质,局部发育正断层。根据断裂的展布及活动特征,将该断裂划分为东、中、西三段,其中:东段截断祁连山,以巨大的走滑错动特征为主;中段分隔塔里木盆地和柴达木盆地;西南段控制一系列NE向断陷和现代湖盆,断错地貌测量反映出其中西段全新世左旋走滑速率可达9-17.5 mm/a(徐锡伟等,2003;王峰等,2004)。沿断裂展布方向,构造活动强烈,地震频繁(图 1)。
2020年于田6.4级地震的发生,受阿尔金断裂西南端主体部分左旋走滑形成的尾端张性区持续活动的影响。这一尾端张性区主要表现为NE向左旋走滑正断层及其沿断层发育的宽阔断层谷地或盆地,如昂格提勒克库勒、硝尔库勒,地表破裂带北部第四纪阿什库勒火山群可能也是阿尔金断裂西南端张性区地壳局部伸展的一个旁证。此次地震震中200 km范围内历史地震震源机制解显示,历史地震以NNW向的具有一定正断分量的右旋走滑破裂为主,优势主压应力轴方位近S向,倾角为180°,滑动角为-135°。2012年于田6.2级地震与本次地震空间距离最近,且发震断裂相同,其震源机制解显示为张性破裂,与阿尔金断裂西南端NE向张性区的构造特征一致(徐锡伟等,2011;图 2)。
2020年于田6.4级地震发生后,多家科研机构给出震源机制解,表 1列出USGS和GCMT的结果,可见本次地震表现为拉张型破裂。采用GCMT的结果,对震源性质进行分析,其中:最佳双力偶解节面Ⅰ走向为357°,倾角为44°,滑动角为-117°;节面Ⅱ走向为213°,倾角为52°,滑动角为-66°。可见,本次地震与2008年于田7.3级和2012年于田6.2级地震的震源机制解特征一致(图 2)。
2020年6月26日于田6.4级地震序列发生前36 min,主震震中以南约14 km处发生1次4.6级前震,主震发生后余震序列丰富,形成“前震-主震-余震”型地震序列。截至8月31日,新疆地震台网共记录ML 1.0以上地震1 181次,其中,ML 1.0-1.9地震783次,ML 2.0-2.9地震331次,ML 3.0-3.9地震53次,ML 4.0-4.9地震11次,ML 5.0-5.9地震2次,ML 6.0-6.9地震1次,最大余震为6月26日5时17分新疆于田4.7级(ML 5.3)地震。从本次地震序列M-t图和每日地震频次统计(图 3)分析,地震序列活动总体呈衰减趋势,余震序列主要发生在主震后3天,7月13日至18日出现一组ML 3.0以上余震,7月23日至25日出现长达41小时的ML 1.0以上地震平静,7月25日之后出现27天的ML 3.0以上地震平静,8月21日被ML 3.6地震打破,之后发生26日ML 4.8(MS 4.3)、ML 3.0和31日ML 3.9地震,余震强度有所增加,日频次仅26日出现显著增高,之后恢复下降趋势。
本次于田6.4级地震震中及附近地区曾发生多次6.0级以上地震。统计显示,1900年以来,震中200 km范围内发生6.0级以上地震9次,其中:6.0-6.9级地震5次,7.0-7.9级地震4次;震级最大的是1924年7月3日民丰7.3级地震,2次地震相距约178 km;与此次地震时间最近的是2014年2月12日于田7.3级地震,2次地震相距约44 km;空间距离最近的是2012年8月12日于田6.2级地震,2次地震相距约24 km,此次于田6.4级地震发生在2012年于田6.2级地震余震区南端(图 4)。
2020年于田6.4级地震震中附近历史地震序列类型显示,1900年以来,震中附近200 km范围内,在6级以上地震中,孤立型与主余型占绝大多数,比例约为87.50%。此外,1975年4月28日和田6.1级和2014年2月12日于田7.3级地震属于“前震-主震-余震”型序列(程佳等,2014),与本次地震序列属同一类型,见图 4中(b)-(d)图。能量分布结果显示,于田6.4级地震序列中主震释放能量占比为98.57%,根据G-R关系,以ML 1.7为起算震级,计算得到余震序列的b值约为0.71,h值为1.73(图 5),说明本次序列衰减比较正常,原震区后续发生更大地震的可能性不大(蒋海昆等,2006)。
为深入理解于田地区6级以上地震序列衰减特性,以主震后2个月作为截止日期,分别计算2008年于田7.3级、2012年于田6.2级、2014年于田7.3级和本次于田6.4级地震序列不同时间段的h值。由于2012年于田6.2级地震序列个数较少,无法计算随时间变化的h值,仅计算得到整体序列的b值为0.9,h值为1.23;其余2次7.3级地震序列的b值分别为0.69和0.7,h值分别为1.23和0.96。2008年和2014年2次7.3级地震序列与本次6.4级地震序列的h值随时间变化曲线见图 6,可见本次地震序列的h值明显比2次7.3级地震序列高。对于h值的变化特点,2008年于田7.3级地震序列的h值在震后7天内迅速降低,之后趋于平稳,本次地震序列的h值减小趋势较平稳,而2014年7.3级地震序列的h值整体变化不大。
2020年于田6.4级地震发生在地球物理观测能力较弱的地区,震中附近400 km内仅有3项地球物理观测异常,且均为短期形变异常。区别于条带、空区、震群等地震学异常,本次地震前主要出现地震间隔、准周期、活动图像、中源地震影响等地震活动异常。
3.1 地震活动异常2020年于田6.4级地震发生前,新疆、西藏中西部及青海西南部区域出现一系列地震活动异常,包括背景大震异常和具有中短期指示意义的中强震异常,这些异常在震前2年至震前10天出现,预测位置主要为新疆和西藏交界地区,预测的震级水平多为5、6级。
(1)西昆仑-昆仑山地区7级地震间隔。活动断裂带单段上的地震复发往往具有时间可预报行为和准周期行为(Shimazaki and Nakata, 1980;Bakun and McEvilly, 1984),而对于存在多组相互关联的断裂的区域,断裂的相互作用则可能成为影响大地震重复行为的因素(冉勇康等,1999)。西昆仑-昆仑山地区1996年以来发生5次7级以上地震[图 7(a)],分别为1996年11月19日喀喇昆仑山7.1级、1997年11月8日尼玛7.5级、2001年11月14日昆仑山口西8.1级、2008年3月21日于田7.3级和2014年2月12日于田7.3级地震。1996年以来该区域7级地震时间间隔最长为6.4年[图 7(b)],而2014年2月12日于田7.3级地震后至2020年6月,7级地震平静已达6.4年,分析认为,西昆仑-昆仑山地区未来1年存在发生7级地震的背景。虽然2020年6月26日于田发生了6.4级地震,但该地震强度与预测强度不符,该地区仍存在7级地震发生的背景。
(2)西昆仑-阿尔金交汇区6级地震的准周期活动。西昆仑-阿尔金交汇区6级地震存在12年和6年的准周期活动特点(图 8)。2014年2月12日于田7.3级地震之后,该地区一直未发生6级以上地震,按照6年和12年准周期活动特征,2020年下半年该地区存在发生6级以上地震的可能。2020年于田6.4级地震发生的时间与准周期时间较为相符。
(3)西昆仑-阿尔金断裂交汇区5级地震平静打破。许多大地震前存在明显的地震平静现象,强震前震源区及附近地区的中等地震大面积平静是突出的异常表现,因此地震平静被认为是地震预报的重要依据(张国民等,2001;陈玉华等,2004)。通过对中国大量强震及大震活动特征的研究,得出我国强震的2种地震活动模式:“活动增强-平静-主震发生”和“活动增强-平静-前震活动-主震发生”(刘蒲雄,1982;戴志阳等,2006)。1915年以来,西昆仑-阿尔金交汇区5级地震平静超过5年后打破的异常共出现9次,其中8次异常出现后2年内有6级以上地震发生,1次虚报(图 9)。
统计结果显示,西昆仑-阿尔金断裂交汇区地震平静超过5年被打破后,预测2年内有6级以上地震发生,正确率为89%。自2007年6月以来,该区5级以上地震平静超过11年,被2018年8月4日西藏日土5.2级地震打破,2020年8月达到对应地震的极限时间。因此,2020年下半年该地区存在发生6级以上地震的可能,本次于田6.4级地震发生在该异常持续时段及其震例优势分布空间范围内。
(4)新疆境内4级地震平静。2020年5月14日新疆乌恰4级地震之后,新疆境内出现显著的4级地震平静现象,该现象持续43天后,被6月26日于田6.4级地震打破。根据新疆境内4级地震平静统计,2010年以来共出现22组平静超过40天,后续1年内对应6.4级以上地震比例为17/22(77.3%),其中3个月内比例为7/22(31.8%)(表 2)。综合分析认为,该异常在统计上可能与本次于田6.4级地震存在相关性。
(5)新疆-西藏西部4级地震活动图像。2020年1月1日至6月10日,新疆至西藏西部地区4级以上地震形成南天山西段5级NE向带状分布和西藏西部NW向带状分布图像,见图 10(a),与2014年于田7.3级、2008年于田7.3级地震前3-6个月4级地震和2012年于田6.2级地震前3.5级以上地震图像类似,见图 10中(b)-(d)。图像类比显示结果表明,本次于田6.4级地震的发生,可能与新疆至西藏西部存在的4级地震活动图像存在一定统计相关性。
(6)中源地震影响。帕米尔-兴都库什地震带通常会发生中等深度地震(Pegler and Das, 1998),其中,塔吉克斯坦与新疆交界区域的中深源地震位于亚洲板块向南俯冲到帕米尔南部之下俯冲带上(Bhatti et al,2018)。2020年6月16日,塔吉克斯坦发生5.7级中源地震。1970年以来,该地区发生5.5级以上中源地震后2个月内,新疆地区发生5级以上地震的比例为10/11,其中对应地震在西昆仑至阿尔金地震带交汇区的比例为5/11(图 11)。分析认为,新疆地区短期发生6级左右地震的首选地区为“新疆和田至西藏日土6级左右”地震危险区。塔吉克斯坦5.7级地震后10天发生于田6.4级地震,因此2次地震在时间和构造上存在统计相关性。
于田6.4级地震震中400 km范围内共分布地球物理观测台站11个(图 12),包括重力、垂直摆、水平摆、GNSS、地电场和电扰动等28个观测项,其中3个测项出现地球物理异常,为于田垂直摆倾斜、和田和于田GNSS基准站EW位移异常,异常测项比为3/28(10.7%)。可以看出,此次地震震中附近地球物理观测项具有数量少(25项)、学科不全面的特点(无流体观测项),且异常测项比较低(10.7%),但是震前出现的3项异常均表现出短期异常特征,为该地区6级地震预报提供了一定依据。
(1)于田垂直摆倾斜。垂直摆倾斜仪工作原理为摆的铅垂原理,即在没有振动或外力的条件下,摆处于铅垂状态,当地面发生倾斜时,摆与支架间的相对位置发生变化。较为可靠的异常变化主要表现为趋势转折、速率突变、破年变等,已有震例表明,异常结束后短期内,附近区域有中强以上地震发生(高丽娟等,2014;马震等,2016)。于田垂直摆距于田6.4级地震约91 km,位于震中西北方向(图 12)。于田垂直摆倾斜EW向2019年11月27日至2020年4月14日东倾年变幅小,年变幅度为0.264″,明显小于同期年变幅(0.499″±0.199″),存在明显的破年变异常(图 13)。2018年8月4日西藏日土5.2级和9月28日西藏日土5.1级地震前3-5个月出现过类似异常[图 13(b)]。由震例可知,于田垂直摆EW分量异常现象可能与本次6.4级地震存在一定统计相关性。
(2)于田GNSS基准站EW向位移异常。3月28日至4月28日,于田GNSS基准站EW向位移持续向西运动,趋势转折明显,4月28日后异常结束(图 14)。2012年于田6.2级和2014年于田7.3级地震前3个月内出现过类似现象(表 3)。目前,该异常幅度为9.4 mm,与于田6.2级地震前相当。震例对比分析认为,该异常现象可能与本次6.4级地震存在一定的统计相关性。
(3)和田GNSS基准站EW位移异常。2020年3月15日至4月28日,和田GNSS基准站EW向位移持续向西运动,连续运动12.9 mm,4月28日至5月14日趋势转折明显,幅度为12.7 mm,见图 15中箭头所示。2012年于田6.2级、2014年于田7.3级、2015年皮山6.5级地震前4个月内出现过类似异常(表 4)。分析认为,该异常可能与本次于田6.4级地震存在一定的统计相关性。
(1)多方法组合异常。多方法组合地震预测(Multi-Method Earthquake Prediction,MMEP)是基于基础的物理关联性,将图像信息(PI)、加卸载响应比(LURR)、态矢量(SV)、矩加速释放(AMR)4种方法合理组合的地震预测方法(Yu et al,2013)。2020年度地震会商提交的MMEP计算结果显示,PI热点在于田地区存在显著的背景应力异常[图 16(a)],LURR异常的时空分布进一步说明,震源区介质的应力状态在2019年发生了明显变化[图 16(b)],异常出现1年内即发生2020年6月26日于田6.4级地震。
1900年以来,西昆仑-阿尔金交汇区共发生5次7级以上地震,其中1924年7月3日和7月12日先后发生民丰7.3级和7.2级地震,随后该区域出现72.3年的7级地震平静,后于1996年被喀喇昆仑山7.1级地震打破,之后分别于2008年和2014年在于田发生7.3级地震,7级地震活动明显增强。从震中分布来看,1924年民丰7.3级和7.2级地震位于本次地震东北方向,距本次地震分别约177 km和190 km,2008年于田7.3级和2014年于田7.3级地震分别位于本次地震西侧约66 km和北侧约50 km处,整体沿阿尔金断裂呈NE向分布。2008年于田7.3级地震后的库仑应力变化表明了阿尔金断裂应力加载(万永革等,2010),这种变化对后续地震活动产生了一定影响,2014年于田发生7.3级地震则被认为是阿尔金断裂西南端左旋走滑形成的尾端张性区活动所引起(房立华等,2015;唐明帅等,2016),2020年于田6.4级地震发生在2008年和2014年2次于田7.3级地震之间,同属阿尔金断裂西南端分支断裂,震源机制解表明,本次6.4级地震为拉张型破裂,说明阿尔金断裂西南端张性区目前仍在活动。
西昆仑-昆仑山地区1996年以来出现7级地震准周期活动特点,其中时间间隔最长为6.4年,最近一次为2014年于田7.3级地震,截至2020年6月,7级平静达6.4年,虽然已发生于田6.4级地震,但其强度与预测强度不符,因此该区域仍存在发生7级地震的可能。此外,2020年1月至5月,天山地震带和西藏西部地区5级以上地震活跃,其中天山地震带共发生8次5级以上地震,最大为1月19日伽师6.4级地震;2月21日至3月12日,西藏西部连续发生3次5级以上地震,其中3月10日至12日发生改则5级震群;2020年4月1日,四川石渠发生5.6级地震,与本次6.4级地震同属巴颜喀拉块体。一系列5级以上地震表明,青藏块体及周边区域地震活动增强。
4.2 地球物理观测在地震预报实践中,对6级左右地震有时间和空间指示意义的异常主要有GPS、流动重力、定点形变、地电阻率、地磁低点位移及地下流体深层水温等(孟令媛等,2020)。新疆和田-于田地区的地球物理观测手段涉及形变学科和电磁学科,其中形变学科有重力固体潮观测、垂直摆、金属水平摆和钻孔倾斜等7个观测项,电磁学科有地电场长极距与短极距、电扰动等8个观测项。2020年于田6.4级地震前出现1项定点形变异常和2项GNSS异常,均为短期异常。震中附近7级历史地震研究表明,2008年于田7.3级地震前1年半,和田台地倾斜两分量存在一定的趋势转向和年变畸变异常(聂晓红等,2009);2014年于田7.3级地震之前,乌什台与阿合奇台形变资料和流体资料存在不同程度的趋势异常和短临异常(徐衍刚等,2015),但台站与震中的距离较远,震中300 km范围内仅有和田地倾斜出现中期异常(聂晓红等,2019)。由此可见,形变异常对该区域强震的发生具有较好的指示意义。
4.3 结论2020年6月26日于田6.4级地震发生在2020年度“新疆和田至西藏日土6级左右”地震危险区内,通过对本次地震前地震活动及地球物理观测异常的梳理,以及新疆及西藏西部地区未来强震危险性的分析,得到以下认识。
(1)2020年6月26日于田6.4级地震位于西昆仑块体与昆仑-柴达木-祁连块体之间的阿尔金断裂西南端NE向张剪切段邻近区域,最近断裂为阿尔金断裂的分支断裂--黑石北湖断裂,距离约2 km,震源机制解显示为张性破裂,与断裂性质较为一致。
(2)本次6.4级地震前36 min,主震以南约14 km处发生1次4.6级前震,主震后余震较为丰富,构成“前震-主震-余震”型序列,历史地震序列类型显示,1975年4月28日和田6.1级和2014年2月12日于田7.3级地震同属“前震-主震-余震”型序列。
(3)截至8月31日,新疆地震台网共记录ML 3.0以上余震66次,最大余震为6月26日5点17分新疆于田4.7级(ML 5.3)地震。能量计算显示,于田6.4级地震序列的主震释放能量占比为98.57%。此外,本次地震序列的h值大于1,且外推震级(ML 5.6)与目前已经发生的最大余震震级相当,分析认为该序列衰减正常。
(4)于田6.4级地震前主要存在7级地震间隔、6级地震准周期、5级地震平静打破、多方法组合等年度异常和4级活动图像、中源地震影响、新疆境内4级地震平静、于田垂直摆、和田和于田GNSS等短期异常。这些异常在震前2年至震前10天出现,异常与预测位置主要为新疆和西藏交界地区,预测震级水平多为5、6级。
(5)于田地区属于地球物理观测能力较弱的地区,由于地球物理观测台站较少,震中附近中强地震前可能较少或不会出现地球物理观测异常。本次6.4级地震震中400 km范围内仅分布28个地球物理观测项,其中3项地球物理观测出现异常。因此,在此类地区开展地震趋势研判工作时,即使附近地区未出现地球物理观测异常或出现较少,依然不能排除该地区的地震危险性。
(6)在于田6.4级地震前出现的地震活动异常中,存在7级地震间隔这样预测强度高于本次地震震级的异常。本次地震发生后,该项异常依然持续有效,表明该区域仍存在发生7级地震的背景。
本文撰写得到王海涛研究员、刘杰研究员的指导和鼓励,蒋海昆研究员、晏锐研究员和孟令媛研究员亦给予帮助,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们的辛苦工作,一并表示衷心的感谢。
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