2021, Vol. 42
据中国地震台网测定，天山中部地区在2020年3月和7月各发生1次5.0级地震，分别为3月23日拜城5.0级（41.75°N，81.11°E）和7月13日霍城5.0级地震（44.42°N，80.82°E）。其中，拜城5.0级地震震中位于南天山地震带中段的拜城凹陷东北端，霍城5.0级地震震中位于北天山地震带西段的伊犁盆地北缘断裂（喀什河断裂）附近。余震序列显示，3月23日拜城5.0级地震余震较少，截至5月23日，共记录ML≥1.0余震2次，序列主震与最大余震的震级差为2.9，主震释放能量占序列的比例为99.99%，是一次孤立型事件；7月13日霍城5.0级地震余震不多，截至9月13日，共记录ML≥1.0余震9次，序列主震与最大余震的震级差为2.5，主震释放能量占序列的比例为99.99%，也是一次孤立型事件。
文中介绍了拜城5.0级和霍城5.0级地震的区域构造背景和余震序列，详细梳理了2次地震发生前的活动异常，追踪了震前地震学参数演化特征，结合形变和电磁2类地球物理观测手段震前异常现象，分析了各观测手段在时间、空间和强度方面的预测意义，以期为新疆地区5级以上地震的判定积累震例资料。
1 历史地震和构造背景 1.1 历史地震在2020年3月23日拜城5.0级地震震中100 km范围内，1900年以来共发生10次5级以上地震，其中5.0—5.9级地震7次，6.0—6.9级地震2次，7.0—7.9级地震1次，1906年3月2日新疆阿克苏地区温宿县7.0级地震震级最大，距拜城5.0级地震约90 km。在2020年7月13日霍城5.0级地震震中100 km范围内，1900年以来共发生10次5级以上地震（含余震），其中5.0—5.9级地震8次，6.0—6.9级地震2次，1958年12月21日新疆温泉6.5级地震震级最大，距霍城5.0级地震约15 km（图 1）。
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图 1 2020年3月23日拜城5.0级和7月13日霍城5.0级地震震中附近历史地震分布 Fig.1 The historical earthquake distribution near the epicenter of Baicheng MS 5.0 earthquake on March 23 and Huocheng MS 5.0 earthquake on July 13, 2020, respectively |
天山地震带位于南部的塔里木盆地和帕米尔高原与北部的准噶尔盆地和哈萨克地台之间，是亚洲内部的特大造山带之一，也是世界上年轻、活跃的陆内造山带之一（蔡妍等，2019；龚正等，2020）。天山中部地区位于天山造山带中北部，展布于刚性的塔里木盆地和准噶尔盆地之间，受印度大陆和欧亚大陆碰撞远程效应的影响，区内分布数条近EW向逆冲—褶皱活动构造带，是大陆内部变形和强震活动频繁的地区之一（Tapponnier et al，1979；沈军等，2003；Campbell et al，2013；张志斌等，2020）。
（1）2020年拜城5.0级地震。此次地震发生在南天山地震带中段拜城凹陷东北端。拜城凹陷是南天山中段与塔里木盆地北缘之间库车褶皱—冲断带构造单元的重要组成部分。库车褶皱—冲断带发育多种盐构造样式，盐构造空间上成排成带分布，自北向南主要形成克拉苏构造带、拜城凹陷和秋里塔格构造带（汪新等，2009）。克拉苏构造带为变形后缘，拜城凹陷为变形过渡带，而秋里塔克构造带为变形前锋带，盐构造主要发育于克拉苏和秋里塔格构造带，拜城凹陷受到微弱的构造挤压变形（唐鹏程等，2012）。库木格热木断裂与此次地震震中距离最近，相距约7 km，是克拉苏构造带的一部分，以逆冲为主（图 2）。
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图 2 拜城5.0级和霍城5.0级地震和历史地震震源机制解（据GCMT，https://www.globalcmt.org/CMTsearch.html） Fig.2 The focal mechanisms for Baicheng MS 5.0 earthquake, Huocheng MS 5.0 earthquake, and historical earthquakes (according to GCMT) |
（2）2020年霍城5.0级地震。此次地震发生在北天山地震带西段伊犁地块北缘。伊犁地块隶属于天山造山带伊犁—中天山微板块，主要由伊犁盆地构成（朱志新等，2013）。伊犁盆地是在塔里木板块和哈萨克斯坦板块南北对冲挤压应力作用下形成的大型内陆山间拗陷盆地，中生代受燕山运动和喜马拉雅运动改造作用明显，盆山接触地段发生显著逆冲推覆，新生代以来，印度板块向欧亚板块的持续俯冲、碰撞，引起青藏高原广泛强烈抬升和差异升降，对先期构造产生叠加改造。伊犁盆地北缘断裂（喀什河断裂带）作为博罗科努山与伊犁盆地分界断裂，控制了盆地北部边界，断裂地貌标志明显，北部为高山，南部为倾斜平原，相对高差达1 000 m以上。野外地震地质勘查结果显示，晚第四纪以来，该断裂活动速率相对较低，垂直运动速率为0.9—1.2 mm/a（尹光华等，2003）。距霍城5.0级地震最近的断层即为喀什河断裂，以右旋逆冲为主，距离约4 km（图 2）。
震源机制解显示，拜城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向逆冲型破裂为主，优势主压应力轴方位近NS向；霍城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NE向具有一定逆冲分量的左旋走滑破裂为主，优势主压应力轴方位近NS向。2020年拜城5.0级和霍城5.0级地震所在的天山地震带中段，历史地震以近东向的逆冲型破裂为主，优势主压应力轴方位近NS向（图 2，表 1）。
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表 1 拜城5.0级和霍城5.0级地震震源机制 Table 1 The focal mechanism solutions for the Baicheng MS 5.0 earthquake and Huocheng MS 5.0 earthquake |
2020年上半年，新疆地区5级以上地震活跃，在1月16日库车5.6级地震至7月13日霍城5.0级地震发生期间，天山地震带共发生9次5级以上地震（图 1），地震活动较往年显著增强。本研究系统总结3月23日拜城5.0级和7月13日霍城5.0级地震发生前的活动特征，结果显示，拜城地震前具有明确预测意义的异常较少，仅有天山中段5级以上地震成组1项异常；霍城地震前具有3级以上地震带状分布、地震发生率指数、地震危险度D值、震前小震调制比和b值等明确预测意义的异常。
2.1 地震活动异常 2.1.1 拜城地震拜城地震前天山中部地区存在5级以上地震成组异常。以3个月时间内发生2次5级以上地震为成组标准，统计天山中部地区1970年以来发生的5级以上地震，结果表明，共发生50次5级以上地震，其中参与成组的地震有17次，占比34%（17/50），共有8组（表 2）。2020年1月16日新疆库车发生5.6级地震，根据统计的成组规律，天山中部地区3个月内存在发生5级以上地震的可能，综合分析认为，2020年拜城5.0级地震为对应地震。
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表 2 天山中部5.0级以上地震成组统计 Table 2 Group list of MS≥5.0 earthquakes in the middle of Tianshan |
（1）震前3级以上地震带状分布。地震活动条带图像是地震预测的常用方法之一，表征了地震前区域地震活动由凌乱分散分布转为集中成带的现象（刘蒲雄，1992）。2020年5月10日至7月12日，新疆伽师至克拉玛依出现3级以上地震带状分布图像，根据条带起始震级与后续主震的一般关系（李莹甄等，2011），分析认为，该条带及周边后续存在发生5级以上地震的可能，2020年7月13日新疆霍城5.0级地震即发生于此（图 3）。
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图 3 霍城5.0级地震前3级以上地震带状分布 Fig.3 Seismic belt with a magnitude of MS ≥3.0 before Huocheng MS 5.0 earthquake |
（2）震前地震发生率指数异常演化。研究表明，强震发生前普遍存在地震活动频度增强与平静现象（陆远忠等，1997；梅世蓉等，1997），基于统计学模型构建的地震发生率指数，对地震活动显著增强与显著平静2种典型异常具有定量识别的能力（姜祥华，2019）。采用5年背景窗长，3个月计算窗长，进行地震发生率时空扫描。基于泊松分布，将地震发生率指数的显著增强或显著减弱变化统一映射为0—1之间的概率值，并以色标显示，红色表示地震发生率指数显著增强，蓝色表示地震发生率指数显著减弱。2020年7月13日霍城5.0级地震发生前35—15天，震源区附近地震发生率指数持续高值异常，并于震前10天消失，而此次地震即发生在该显著高值异常区附近（图 4）。
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图 4 霍城5.0级地震前地震发生率指数异常演化 (a)2020-03-10—2020-06-08；(b)2020-03-20—2020-06-18；(c)2020-03-30—2020-06-28 Fig.4 Anomaly evolution of earthquake rate index before the Huocheng MS 5.0 earthquake |
（3）震前地震危险度D值异常演化。本研究为考察地震危险度D值（王炜，1987）的时空演化特征，对D值计算进行一定改进，主要流程如下：①采用5年背景窗长计算D值的均值及标准差；②采用1年窗口计算当前时段的D值；③将当前D值减去背景均值后除以标准差，得到D值的相对变化（ΔD/σD）。空间扫描的网格大小取为1°×1°，计算此次5.0级地震前的D值变化，结果见图 5，可见震前5个月，D值在震源区及附近出现高值异常，持续至7月13日霍城5.0级地震发生（图 5）。
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图 5 霍城5.0级地震前D值异常演化 (a) 2019-02-14—2020-02-14；(b) 2019-05-15—2020-05-14；(c) 2019-07-13—2020-07-12 Fig.5 Anomaly evolution of D-value before the Huocheng MS 5.0 earthquake |
（4）震前调制比异常。地震调制比异常可用于间接探测地壳介质的强弱分布，寻找高应力集中区，是地震预测研究的常用方法之一（韩颜颜等，2017；孟令媛等，2020）。霍城5.0级地震发生前约10个月，震中西部附近地区出现调制比高值异常，2019年12月底，该异常区向NE发生调整变化，且异常值逐步升高，至2020年2月底达最高，后逐步减小，且该异常区向外扩展，至2020年6月底，在震中附近出现调制比高值异常，并于2020年7月13日发生此次5.0级地震。因此，该地震发生前，调制比异常持续存在，且呈现持续衰减过程，而在空间上，异常区表现出逐步向震中附近扩展的变化（图 6）。
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图 6 霍城5.0级地震前固体潮调制比时空演化过程 (a) 2019-05-01—2019-10-31；(b) 2019-06-01—2019-11-30；(c) 2019-07-01—2019-12-31；(d) 2019-08-01—2020-01-31；(e) 2019-09-01—2020-02-29；(f) 2019-10-01—2020-03-31；(g) 2019-11-01—2020-04-30；(h) 2019-12-01—2020-05-31；(i) 2020-01-01—2020-06-30 Fig.6 The spatio-temporal evolution of earth tidal modulation ratio before Huocheng MS 5.0 earthquake |
（5）震前b值异常。岩石力学实验显示，b值大小与应力水平呈反比关系（Scholz，1968；Schorlemmer et al，2005a），实际地震数据计算结果显示，在凹凸体区域的b值一般较低（Schorlemmer et al，2005b；易桂喜等，2008）。因此，计算区域b值，并分析相应的时空演化特征，是地震预测研究的常用方法之一（闻学泽等，2013；史海霞等，2018）。霍城5.0级地震发生前1年，震中附近出现低b值异常，具体表现在：2019年11月至2020年1月，震中附近b值逐步升高，后转为降低，出现低值异常现象，同时异常区逐步扩大，2020年4月后，b值持续降低且异常区范围逐月扩大，至震前达最低，7月13日发生霍城5.0级地震。可见，该地震发生前，b值表现为起伏变化，呈减小—增大—减小的变化特征，而相应的低b值异常则表现为增强—减弱—增强的循环变化特征，同时在空间上表现为异常区在震中附近的持续出现（图 7）。
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图 7 霍城5.0级地震前b值时空演化过程 (a)2019-02-12—2019-08-12；(b)2019-03-12—2019-09-12；(c)2019-04-12—2019-10-12；(d) 2019-05-12—2019-11-12；(e)2019-06-12—2019-12-12；(f)2019-07-12—2020-01-12；(g)2019-08-12—2020-02-12；(h)2019-09-12—2020-03-12；(i)2019-10-12—2020-04-12；(j)2019-11-12—2020-05-12；(k)2019-12-12—2020-06-12；(l)2020-01-12—2020-07-12 Fig.7 The spatio-temporal evolution of b-value before Huocheng MS 5.0 earthquake |
统计结果显示，在2020年3月23日拜城5.0级地震和7月13日霍城5.0级地震震中300 km范围内，分布的地球物理观测台站分别为23个和19个，布设地倾斜、地应变、地磁、地电阻率、水位、水温、水化学等观测项。2次震前共有10个测项出现地球物理异常（图 8，表 3），含1项重叠测项，其中：①拜城地震震中300 km范围内共有4项异常，分别为乌什伸缩仪EW分量、尼勒克钻孔应变NE和EW分量、柯坪地电阻率NS分量；②霍城地震震中300 km范围内共有7项异常，分别为尼勒克钻孔应变NE分量、果子沟钻孔倾斜NS、EW分量、温泉石英摆倾斜NS分量、巩留钻孔倾斜NS、EW分量、精河石英水平摆EW分量。
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图 8 拜城5.0级和霍城5.0地震震中附近地球物理观测台站及异常分布 Fig.8 The distribution of geophysical observation stations and anomalies before Baicheng MS 5.0 earthquake and Huocheng MS 5.0 earthquake respectively. |
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表 3 拜城5.0级和霍城5.0地震震中附近地球物理观测异常信息 Table 3 Observed geophysical anomaly information of Baicheng MS 5.0 earthquake and Huocheng MS 5.0 earthquake, respectively |
（1）乌什伸缩仪EW分量。乌什伸缩EW分量测项位于拜城5.0级地震震中西南方向，相距约169 km。该测项自2012年8月21日起由趋势压缩转为拉张，截至2020年3月23日拜城5.0级地震发生前，异常持续2 700多天，为长趋势异常（图 9）。以往地震前该分量多次出现短期快速、大幅拉张变化，拜城5.0级地震前无类似突出变化，且震后并无转向恢复迹象，故暂不作为此次地震异常，但仍具有预测意义。
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图 9 乌什伸缩仪EW分量异常变化形态 Fig.9 The EW component anomaly characteristic of cave strain at Wushi station |
（2）尼勒克钻孔应变NE和EW分量。尼勒克钻孔应变测项位于拜城5.0级地震震中NE方向，相距约253 km；位于霍城5.0级地震震中SE方向，相距约162 km。NE分量自2019年10月1日出现反向拉张变化，至2020年7月底仍在持续，暂不作为拜城5.0级和霍城5.0级地震异常，需继续关注其后续变化。EW分量在2019年10月23日至2020年2月15日出现小幅度反向拉张的异常变化，后恢复压缩变化，异常结束（图 10），分析认为，可以作为拜城5.0级地震的映震异常。
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图 10 尼勒克钻孔应变异常变化形态 (a) NE分量；(b) EW分量 Fig.10 The anomaly characteristic of borehole strain at Nilka station |
（3）果子沟钻孔倾斜NS和EW分量。果子沟钻孔倾斜测项位于霍城5.0级地震震中SE方向，相距约14 km。震例回溯表明，2017年8月9日精河6.6级地震（震中距154 km）发生前，该测项NS和EW分量出现加速变化，异常持续时间分别为109天和41天。2020年4月中旬开始，NS和EW分量同步加速变化，并分别持续约15天和5天（图 11）。中国地震台网中心预报部形变研究室周、月会商跟踪分析意见指出，异常结束后2—5个月内，台站周边300 km范围内有发生5.0级以上地震的可能，此次霍城5.0级地震即发生在异常结束后约2.5个月。因此，NS和EW分量的同步加速变化应为此次霍城5.0级地震异常。
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图 11 果子沟钻孔倾斜异常变化形态 (a)NS分量；(b)EW分量 Fig.11 The anomaly characteristic of borehole tilt at Guozigou station |
（4）温泉石英摆倾斜NS分量。温泉石英摆倾斜测项位于霍城5.0级地震震中北侧，相距约55 km。2016年开始，该测项由趋势南倾转折为趋势北倾，且年变形态发生较大变化，截至霍城地震发生前，异常已持续4年多，震后无转折回返迹象（图 12）。分析认为，此长趋势转折异常与霍城5.0级地震无显著关联性，不作为该地震异常。
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图 12 温泉石英摆倾斜NS分量异常变化形态 Fig.12 The NS component anomaly characteristic of quartz pendulum tilt at Wenquan station |
（5）巩留钻孔倾斜NS和EW分量。巩留钻孔倾斜测项位于霍城5.0级地震震中东南侧，相距约170 km。2020年6月15日起，NS、EW分量同步快速变化，其中EW分量变化幅度达5.5″，异常变化显著（图 13）。经新疆维吾尔自治区地震局预报中心和伊犁州地震监测中心现场核实，排除周边环境、观测条件、气象因素等的影响，综合判定该变化真实可靠，并作为短期异常在周月地震会商中进行跟踪，发现异常结束25天后发生霍城5.0级地震。分析认为，巩留钻孔倾斜快速变化为此次5.0级地震异常。
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图 13 巩留钻孔倾斜异常变化形态 (a) NS分量；(b) EW分量 Fig.13 The anomaly characteristic of the borehole tilt at Gongliu station |
（6）精河石英摆倾斜EW分量。精河石英摆倾斜测项位于霍城5.0级地震震中东南侧，相距约170 km。2016年9月23日起，该测项EW分量由趋势西倾转为趋势东倾（图 14），目前已持续4年多，趋势东倾时段发生多次中强地震，包括2016年12月8日呼图壁6.2级（距离280 km）、2017年8月9日精河6.6级（距离39 km）、2018年10月16日精河5.4级（距离59 km）等地震。此次霍城5.0级地震前后，该异常持续东倾，速率及趋势均无短期变化，分析认为非此次地震异常。
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图 14 精河石英摆倾斜EW分量异常变化形态 Fig.14 The EW component anomaly characteristic of the quartz pendulum tilt at Jinghe station |
（7）柯坪地电阻率NS分量。柯坪地电阻率NS和EW测道自2018年出现同步下降变化，幅度分别为-1.4%和-1.7%，且NS测道存在年变幅减小现象。根据以上地电阻率异常特征，2020年度电磁学科会商会提出“南天山中段存在发生6级左右地震可能”的预测意见，并将该区域划为年度危险区。2019年下半年，柯坪地电阻率NS测道年变幅度减小变化显著，2020年初达最小，随后转折回升，于2020年3月23日发生拜城5.0级地震（震中距220 km），后观测数据开始正常的年变转向，近期无加速变化（图 15），认为非此次地震异常。
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图 15 柯坪地电阻率NS异常变化形态 Fig.15 The NS component anomaly characteristic of apparent resistivity at Kalpin station |
（1）拜城5.0级地震序列。2020年3月23日至5月23日，此次地震震区共记录ML≥1.0地震3次，其中ML 2.0—2.9地震2次，ML 5.0—5.9地震1次，最大余震为4月16日ML 2.5地震（表 4）。拜城地震后2个月内发生ML≥2.0余震2次，与主震最小震级差为2.9，主震释放能量占全部序列的99.99%，为一次孤立型事件。从空间分布看，2次余震位于主震西北侧，最大余震距主震约3.4 km（图 16）。对于该地震序列，由于仅有3次地震，无法计算相应的b值和h值参数。
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表 4 拜城5.0级地震序列目录（ML≥2.0） Table 4 Catalogue of the Baicheng MS 5.0 earthquake sequence (ML≥2.0) |
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图 16 拜城5.0级地震序列震中分布(a)、地震序列M—t图(b)及地震序列N—t图(c) Fig.16 Epicentral distribution (a), M-t (b) and N-t diagram (c) of the Baicheng MS 5.0 earthquake sequence |
（2）霍城5.0级地震序列。2020年7月13日至9月13日，此次地震震区共记录ML≥1.0地震10次，其中ML 1.0—1.9地震4次，ML 2.0—2.9地震5次，ML 5.0—5.9地震1次，最大余震为7月13日ML 2.9地震（表 5）。霍城5.0级地震序列主震与最大余震的震级差为2.5，主震释放能量占全部序列的99.99%，属于孤立型地震事件。从空间分布看，余震活动集中在主震附近20 km范围内，呈NS向展布，其长轴约30 km，短轴约13 km，最大余震距主震约3 km（图 17）。对于该地震序列，因仅有10次地震，无法计算相应的b值和h值参数。
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表 5 霍城5.0级地震序列目录（ML≥2.0） Table 5 Catalogue of the Huocheng MS 5.0 earthquake sequence (ML≥2.0) |
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图 17 霍城5.0级地震震中分布(a)、地震序列M—t图(b)及地震序列N—t图(c) Fig.17 Epicentral distribution (a), M-t diagram (b) and N-t diagram (c) of the Huocheng MS 5.0 earthquake sequence |
2020年1月1日至7月13日，新疆天山地震带共发生5.0级以上地震9次，包括1次6.0级以上地震，5.0级以上地震活动水平显著高于往年同期水平（1950年以来，每年上半年5.0级以上地震平均活动水平为3次）。本文重点梳理了拜城5.0级和霍城5.0级地震前的中短期异常，在地球物理异常中，存在一项异常对应多个地震的情况，例如尼勒克钻孔应变EW分量，该测项在2020年1月16日库车5.6级地震前出现“高频异常”和“反向变化异常”，地震发生后“高频异常”消失，“反向变化”持续，直至2月底该异常变化基本恢复，异常结束后约1个月于3月23日发生拜城5.0级地震，并于7月13日发生天山地震带2020年5.0级地震活跃过程中最后一个地震——霍城5.0级地震，目前仍有若干异常尚未恢复或对应地震。因此，认为天山中部地区仍存在发生中强地震的可能。
地震序列演化结果显示，拜城5.0级和霍城5.0级地震均为孤立型地震事件，且2次地震余震记录较少，均无法计算b值和h值等序列参数，综合分析得出以下结论。
（1）2次5.0级地震均发生在天山中部地区，前者位于拜城凹陷东北端，后者位于伊犁盆地北缘，其中：拜城5.0级地震位于以逆冲为主的库木格热木断裂，震源机制解显示，该地震为走滑型破裂，与发震断裂性质存在一定差异；霍城5.0级地震位于以右旋逆冲运动为主的喀什河断裂，震源机制解显示，该地震为走滑型破裂，与断裂性质存在一定差异。
（2）2次5.0级地震后余震记录均较少，其中：拜城5.0级地震后2个月仅发生ML≥2.0地震2次，最大余震为ML 2.5地震；霍城5.0级地震后2个月共记到ML≥1.0地震10次，最大余震为ML 2.9地震。2次地震主震释放能量占比均超过99%，均属于孤立型地震事件。
（3）2次5.0级地震前的地震活动和地球物理观测异常差异较大，其中：拜城5.0级地震前只存在1项地震活动异常和4项地球物理异常，分别为天山中部5级以上地震成组、乌什伸缩仪EW分量、尼勒克钻孔应变NE和EW分量、柯坪地电阻率NS分量；霍城5.0级地震前具有中短期预测意义的地震活动和地球物理异常较为丰富，地震活动方面存在5项异常，包含3级以上地震带状分布、地震发生率指数、D值、b值、调制比异常，而地球物理观测异常共7项，有尼勒克钻孔应变NE分量、果子沟钻孔倾斜NS和EW分量、温泉石英摆倾斜NS分量、巩留钻孔倾斜NS和EW分量、精河石英水平摆EW分量，趋势和短期变化显著，短期异常以形变为主，其中果子沟和巩留钻孔倾斜NS和EW分量在震前3个月内均出现突出的短期变化，为霍城地震的发生提供了判定依据。
本文撰写得到王海涛研究员和刘杰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（https://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。
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