2021, Vol. 42
据中国地震台网测定，2021年3月24日05时14分在新疆阿克苏拜城县（41.70°N，81.11°E）发生5.4级地震，震源深度10 km。截至2021年4月30日，共记录ML 1.0以上余震27次，其中ML 1.0—1.9地震13次，ML 2.0—2.9地震8次，ML 3.0—3.9地震5次，ML 4.0—4.9地震1次，最大为3月24日ML 4.0地震。此次拜城MS 5.4地震震中位于天山地震带中段、库车坳陷西南部（历史地震较活跃区），与库木格热木断裂间距最近，约12 km。据中国地震台网中心（CENC）结果，震源机制显示该地震为走滑型地震。
文中详细介绍了此次地震震中地区构造背景、区域历史地震活动特征、震源机制、序列特征及序列各参数计算结果，并总结了震前出现的地震活动和地球物理观测等异常，为新疆地区5级以上地震的中短期预测积累了震例资料。
1 构造背景和历史地震2021年新疆拜城MS 5.4地震发生在库车坳陷西南部。库车坳陷是塔里木盆地北缘的重要构造单元，是一个完整的前山逆冲推覆构造，以山地、丘陵和戈壁为主，东西长500 km，南北宽约30—70 km。该构造区历经多期构造运动，其中喜山运动对其影响最为强烈。整个库车坳陷呈现出“五带三凹”的次级构造分布特征，主要发育逆冲推覆构造（余一欣，2006；赵俊猛等，2008；陈清文，2017）。此外，库车坳陷作为南天山山前构造运动强烈地区之一，历史上多次发生强破坏性地震，最大地震为1949年库车71/4级地震（沈军等，2006），距本次拜城MS 5.4地震震中约241 km。从断层分布看，库木格热木断裂与拜城MS 5.4地震最近，间距约12 km（图 1），相应的断层运动以逆冲为主。
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图 1 2021年3月24日拜城MS 5.4地震震中附近历史地震分布及主震震源机制 Fig.1 The distribution of historical earthquakes in the vicinity of the Baicheng MS 5.4 earthquake and the focal mechanism solution of the mainshock |
据统计，1900年以来，拜城MS 5.4地震震中100 km范围内发生5级以上地震12次（含余震），其中：5.0—5.9级地震10次，6.0—6.9级地震2次。在以上地震中，2020年3月23日新疆拜城MS 5.0地震与此次地震发震时间间隔最小，且震中距离最近，约6 km；1959年6月28日新疆温宿63/4级地震震级最大，距此次地震震中约95 km（图 1）。
2021年拜城MS 5.4地震发生后，中国地震台网中心（CENC）、中国地震局地球物理研究所（CEA-IGP）、万永革等团队以及德国地学中心（GFZ），采用不同方法和数据，给出震源机制解，结果见图 1和表 1。由表 1可知：①除CEA-IGP给出的断层上盘相对下盘的滑动方向与其余机构有差异外，节面Ι滑动角的反演结果均接近180°或-180°，节面Ⅱ滑动角的反演结果均在0°—15°以及-10°—0°，显示拜城MS 5.4地震为走滑型地震；②矩震级反演结果一致，均为MW 5.2；③震源深度相差较小，其中CENC结果为12 km，GFZ的结果为13 km。
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表 1 拜城MS 5.4地震震源机制解 Table 1 The focal mechanism solutions of the Baicheng MS 5.4 earthquake |
为分析地震序列的活动特征，首先需要划定序列活动的时空范围，挑选序列所属地震。对于前震的空间范围，据Chen等（1999）的定义，即主震震中20 km范围内，主震前发生的地震为前震。而对于前震的时间范围，Papadopoulos等（2018）的研究结果显示，MW 5.0左右主震的前震强活跃期在主震前20天之内，为避免遗漏，定义前震为主震前30天发生的地震。至于余震，则在主震后震中附近小地震的集中区域进行筛选。
2021年3月24日拜城MS 5.4地震发生前1个月，震中20 km范围内仅发生1次ML 4.0—4.9地震，即2021年3月14日拜城ML 4.9（MS 4.5）地震，距主震震中约20 km。而此次MS 5.4地震发生后，即2021年3月24日至4月30日，震区共记录ML≥1.0余震27次，其中ML 1.0—1.9地震13次，ML 2.0—2.9地震8次，ML 3.0—3.9地震5次，ML 4.0—4.9地震1次，最大余震为3月24日21时14分发生的拜城ML 4.0（MS 3.4）地震（表 2，图 2）。
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表 2 拜城MS 5.4地震序列目录（ML≥3.0） Table 2 Catalogue of the Baicheng MS 5.4 earthquake sequence (ML≥3.0) |
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图 2 2021年2月24日至4月30日拜城MS 5.4地震序列震中分布 Fig.2 Epicenter distribution of the Baicheng MS 5.4 earthquake sequence from February 1 to April 30, 2021 |
拜城地震序列余震集中发生在震后3天内，共记录ML≥1.0余震17次，约占目前所记录余震总数的63%，含序列最大余震（图 3）。在随后的1个月内，序列仍有余震活动。4月5日拜城ML 3.2地震后，地震活动水平明显降低，仅发生2次ML 3.0以下地震。整体上看，目前拜城地震序列余震活动呈持续衰减特征。
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图 3 拜城MS 5.4地震序列M—t图(a)和日频次图(b) Fig.3 M-t diagram (a) and daily cumulative rate (b) of the Baicheng MS 5.4 earthquake sequence |
拜城地震序列中MS 5.4主震（ML 5.7）与其他最大地震（ML 4.9前震）的震级差为0.8，主震释放能量占序列的95.56%，表明MS 5.4主震释放了此次地震序列的绝大部分能量。从空间分布看，余震活动集中在主震震中20 km范围内，且分布无明显方向性，最大余震（ML 4.1）则位于主震西北方，距离约10 km（图 2）。
基于拜城地震序列目录，利用ZMAP软件中最小完整性震级Mc的计算方法（Wyss et al，1999；Wiemer et al，2000；Mignan et al，2012），即结合拟合优度测试（GFT）和修正最大曲率法（MAXC），计算得到此次地震序列的最小完整性震级，即Mc = ML 2.1 ± 0.5（图 4）。而在目前的余震序列中，震级大于最小完整性震级Mc的余震仅有13个，无法满足序列参数b值和h值的计算要求。但是，结合前震和余震活动的分析，综合判定拜城MS 5.4地震序列为前震—主震—余震型地震序列。
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图 4 拜城MS 5.4地震序列完整性震级 Fig.4 The magnitude of completeness for the Baicheng MS 5.4 earthquake sequence |
拜城MS 5.4地震发生前，在地震活动方面，新疆地区主要存在以下中短期地震活动性异常：天山中部3、4级平静打破、天山中部3.5级地震带状分布和天山中部3级地震高频。同时，震前存在地震发生率指数、固体调制比、低b值异常、MMEP异常和多参数概率谱异常。对于地球物理观测异常，在震中300 km范围内，震前共出现5项异常，其中形变3项，电磁2项，均分布在震中东北和西南部100—300 km范围内（图 5）。
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图 5 拜城MS 5.4地震震中附近地球物理观测台站及异常分布 Fig.5 The distribution of geophysical observation stations and anomalies before the Baicheng MS 5.4 earthquake |
（1）天山中部3、4级地震平静被打破。2020年，天山中部不同区域出现3、4级地震平静，见图 6中A、B、C、D区，其中：①A、B、C区属4级地震平静区，出现时间分别是2019年9月16日至2020年12月11日（A区）、2019年9月20日至2020年8月4日（B区）、2018年1月19日至2020年9月19日（C区）；②D区为3级地震平静区，出现在2020年1月1日至2020年9月19日。其中，A区和B区可用来预测5.5级以上地震，C区和D区可用来预测5级以上地震。因此，本次拜城MS 5.4地震对应C区和D区的平静异常，而A区和B区异常仍然有效。
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图 6 天山中段3级、4级地震平静区域分布 Fig.6 The spatial distribution of MS 4.0 and MS 3.0 earthquakes quiescence in the middle Tianshan |
（2）天山中部3.5级地震带状分布。2020年9月1日开始，天山中部3.5—4.9级地震呈NW向带状分布（以下简称为天山中部3.5级地震带状分布），2020年12月12日乌鲁木齐市4.2级地震则位于该带状分布范围之外，显示天山中部3.5级地震带状分布现象的结束（图 7）。震例总结显示，2008年以来，天山中段4次5级以上地震前曾出现地震带状分布现象。此外，2019年12月7日—2020年1月8日和2020年5月10日—7月12日该区地震呈带状分布，分别对应了2020年1月16日库车MS 5.6地震和2020年7月13日霍城MS 5.0地震。据此分析，认为2021年拜城MS 5.4地震较好对应了该异常。
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图 7 天山中段3.5级地震带状分布 Fig.7 The belt-like distribution of MS≥3.5 earthquakes in the middle Tianshan |
（3）天山中部3级地震高频。2021年1月31日至2月10日，天山中部连续发生3级以上地震6次。据统计，2000年以来，天山中部地区15天内3级以上地震平均发生1.3次，加1倍均方差后平均发生4次。以15天4次3级以上地震为阈值进行震例回溯，结果显示，该异常发生后3个月内，天山中部地区5级以上地震的对应效果较好（表 3）。本次拜城MS 5.4地震符合该统计规律，应视为对应该异常。
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表 3 天山中部3级地震高频后周边5级以上地震 Table 3 The statistics of the subsequent MS≥5.0 earthquakes after a high frequency of MS 3.0 earthquakes in the middle Tianshan |
（1）乌什伸缩仪EW分量。乌什伸缩测项位于拜城MS 5.4地震震中西南方向，相距约168 km。该测项自2012年8月21日起由趋势压缩转为拉张，截至2021年3月24日拜城MS 5.4地震发生前，异常持续3 000多天，为长趋势异常（图 8）。该分量在以往震前多次出现短期快速、大幅拉张变化，此次拜城MS 5.4地震前无类似突出变化，且震后并无转向恢复迹象，故该长趋势变化暂不作为此次拜城MS 5.4地震异常，其对后续地震仍具有预测意义。
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图 8 乌什伸缩仪EW分量异常变化形态 Fig.8 The EW component anomaly characteristic of cave strain at Wushi station |
（2）尼勒克钻孔应变NE分量。尼勒克钻孔应变测项位于拜城MS 5.4地震震中东北方向，相距约256 km。该测项自2019年10月出现反向拉张变化，至2020年11月底仍在持续（图 9），其后观测系统发生故障，观测数据可靠性降低，但异常现场核实和分析认为，2019年10月至2020年11月底期间的异常变化真实可靠，故该异常变化可以视为此次拜城MS 5.4地震异常。
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图 9 尼勒克钻孔应变NE分量异常变化形态 Fig.9 The NE component anomaly characteristic of borehole strain at Nileke station |
（3）果子沟钻孔倾斜NS分量。果子沟钻孔倾斜测项位于拜城MS 5.4地震震中正北方向，相距约293 km。该测项自2020年11月加速北倾，幅度约0.151″，后续反向南倾（图 10）。震例回溯结果表明，2020年7月13日霍城MS 5.0地震前，该测项出现类似反向变化异常，并于震前2个月结束，持续时间约15天。本次异常反向幅度远比霍城MS 5.0地震前大，且地震发生后仍在持续，认为非此次拜城MS 5.4地震异常，对后续地震仍具有预测意义。
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图 10 果子沟钻孔倾斜NS分量异常变化形态 Fig.10 The NS component anomaly characteristic of borehole tilt at Guozigou station |
（4）柯坪地电阻率NS、EW测道异常。柯坪地电阻率NS和EW测道自2018年出现同步下降变化，下降幅度分别为-0.83%和-0.53%，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，2021年度电磁学科地震会商会提出“南天山中段存在发生6—6.5级地震的可能”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年变幅减小，年变低值低于前2年数值，2021年3月24日发生拜城MS 5.4地震，微观震中距柯坪地震台218 km。此次拜城地震发生后，地电阻率数据开始转折回返，近期无加速变化（图 11）。由于柯坪地电阻率NS和EW测道年变化幅度和日变化幅度均比较相近，表示2个测道对气象因素响应一致，目前2个测道下降幅度的差异说明，该变化非地表浅层因素导致，因此柯坪地震台所在区域2021年度仍存在发生6级以上地震的危险性。
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图 11 柯坪地电阻率时序变化 Fig.11 Time series curve of apparent resistivity in Keping, Xinjiang |
（1）地震发生率指数。在强震发生前普遍存在地震活动频度增强与平静的现象（梅世蓉等，1997；陆远忠等，1997）。不少研究表明，地震活动显著增强或显著减弱与强震发生具有一定时空相关性（平建军等，2001；易桂喜等，2004）。地震发生率指数可对地震活动显著增强与显著减弱的典型异常同时进行定量识别。参照背景地震发生率，基于统计学模型，将实际地震发生率换算为0—1之间的概率值，接近1反映地震活动显著增强，用红色显示，接近0反映地震活动显著减弱，用蓝色显示（姜祥华，2020）。拜城MS 5.4地震发生前2个月，在震中西北出现地震发生率指数高值异常，此后该异常逐渐增强，异常面积逐渐增大，在异常持续过程中，于2021年3月24日在异常区域边缘发生新疆拜城MS 5.4地震（图 12）。
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图 12 拜城MS 5.4地震前地震发生率指数异常演化 （a）震前2个月异常分布；（b）震前1个月异常分布；（c）震前1天异常分布 Fig.12 Anomaly evolution of earthquake rate before the Baicheng MS 5.4 earthquake |
（2）固体调制比异常。基于固体调制比异常预测地震是地震学预测中的常用方法之一。当地下应力达到或处于临界状态时，受固体潮调制，在一定条件下可能引起系统突变而发生地震（Lockner and Beeler, 1999）。因此，可利用固体潮调制比寻找高应力集中区，预测未来中强地震发生的可能地点（韩颜颜等，2017）。此次拜城MS 5.4地震发生前，震中附近存在固体潮调制比异常，且震前短时间内较显著。
拜城MS 5.4地震发生前约8个月，即2020年6月底，震中东南侧出现固体潮调制比高值异常，持续至2020年7月底至9月底，且异常值有所升高；在震中西北侧，同时段出现异常高值区，持续至2020年10月底至11月底，而此时震中东南侧异常高值区则发生调整，向震中西侧转移。2020年12月底，2个异常区异常值均有所下降，2021年1月底至拜城地震发生前，震中附近西侧出现异常区，且异常值逐渐上升，并于2021年3月24日发生拜城MS 5.4地震（图 13）。
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图 13 拜城MS 5.4地震前固体潮调制比时空演化过程 (a) 2020-01-01—2020-06-30；(b)2020-02-01—2020-07-31；(c) 2020-03-01—2020-08-31；(d) 2020-04-01—2020-09-30；(e) 2020-05-01—2020-10-31；(f) 2020-06-01—2020-11-30；(g) 2020-07-01—2020-12-31；(h) 2020-08-01—2021-01-31；(i) 2020-09-01—2021-02-28 Fig.13 The spatio-temporal evolution of earth tidal modulation ratio before the Baicheng MS 5.4 earthquake |
（3）低b值异常。实验研究表明，Gutenberg-Richter定律中的b值大小与应力水平呈反比（Riviere et al，2018），同时实例显示，凹凸体区域的b值一般较低（易桂喜等，2008），且大震前会出明显的低b值异常（Gulia and Wiemer, 2019）。因此，b值大小可以用来指示区域地震危险性水平。本次拜城MS 5.4地震前，短期内震中附近出现b值异常，且异常区域位置和大小未见明显变化。
图 14为拜城MS 5.4地震前震中附近地区b值时空演化图，可见：在主震发生前约8个月，即2020年7月23日起，震中东部约100 km处持续存在低b值异常，而在与震中相距约200 km的东北和西南方于7月23日出现低b值异常，至2020年11月23日，西南方异常区消失，而东北方异常区异常值逐步升高，2021年1月23日开始，东北方异常区发生调整，出现在震中北侧，且后续异常区异常值未明显改变，异常区范围基本一致，后于3月24日发生拜城MS 5.4地震。
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图 14 拜城MS 5.4地震前b值时空演化过程 (a) 2020-01-23—2020-07-23；(b) 2020-02-23—2020-08-23；(c) 2020-03-23—2020-09-23；(d) 2020-04-23—2020-10-23；(e) 2020-05-23—2020-11-23；(f) 2020-06-23—2020-12-23；(g) 2020-07-23—2021-01-23；(h) 2020-08-23—2021-02-23；(i) 2020-09-23—2021-03-23 Fig.14 The spatio-temporal evolution of b-value before the Baicheng MS 5.4 earthquake |
王海涛等（2008）提出基于多种地震学参数的地震对应概率谱方法，用以识别地震前兆异常。多参数概率谱方法主要选择以下7个参数进行综合计算：①描述地震活动震级和频度关系的b值、缺震、η值；②描述地震危险性的D值；③描述地震活动自身强度变化的Mf值、频度N值；④环境因子调制参数Rm值。因此，截取2021年3月16日前天山中部地震序列记录，采用多参数概率谱综合方法进行计算，结果显示，3月24日拜城MS 5.4地震发生在预测的危险区域和时间范围内。
对天山中部地区震情发展进行跟踪分析，提取该区域1991年1月至2016年12月发生的ML 6.0地震，利用震前小震活动的多种地震学参数综合异常特征，外推预测2017年1月之后的震情形势，研究数据截至2021年3月16日。时间跟踪分析表明：目标地震在震前均出现多参数综合高值异常（图 15）。
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图 15 多参数概率谱变化曲线 Fig.15 The change of earthquake corresponding probability spectrum of multi-parameter |
在外推预测的2018—2019年期间，多参数值保持低于平均值水平，但在2020年8月开始转折上升，且超过平均数值后继续保持上升趋势。3月24日拜城地震发生时间位于综合指数上升阶段，震中位于研究区域内，综合分析认为，2021年1月至2021年3月，在天山中部研究区内出现的多参数概率谱异常，应为2021年拜城MS 5.4地震的震前异常。
3.5 MMEP方法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）。2021年度地震会商提交的MMEP计算结果显示，PI热点和LURR在天山中段地区存在显著异常变化（图 16），需关注未来1年内该区域6级左右地震发生的可能。2021年拜城MS 5.4地震发生在2021年度MMEP危险区内，同时位于LURR异常边缘，显示震后短期内原震区发生更强地震的可能性不大，但是拜城MS 5.4地震后天山中段区域LURR异常仍维持在较高水平，因此仍需关注该区域6级左右地震发生的危险性。
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图 16 拜城地震前LURR异常分布 Fig.16 The distribution of LURR before the Baicheng earthquake |
本文重点梳理了2021年3月24日拜城MS 5.4地震前出现的中短期异常。在地震活动异常中，此次地震符合2018年1月19日至2020年9月19日4级地震平静和2020年1月1日至2020年9月19日3级地震平静所给出的预测，对应此2项地震活动异常。同时，此次地震对应天山中部3.5级地震带状分布和天山中部3级地震高频异常。但是，在天山中部地区仍存在2项4级地震平静异常，即2019年9月16日至2020年12月11日以及2019年9月20日至2020年8月4日4级地震平静，显示该区未来存在发生5.5级以上地震的可能。从地球物理观测和地震学参数异常看，此次地震对应了尼勒克钻孔应变NE分量、地震发生率指数异常、固体调制比异常和低b值异常，并符合多参数综合计算方法的预测。但是，该地震发生后乌什伸缩仪EW分量和果子沟钻孔倾斜NS分量异常未出现变化，依旧持续，显示后续天山中部仍可能发生中强地震。此外，柯坪地电阻率NS、EW测道异常变化以及此次地震后LURR异常的持续现象，均表明天山中部地区存在发生6级左右地震的可能。因此，结合地震活动异常、地球物理观测以及地震学参数异常，认为天山中部地区未来仍旧存在发生中强地震的可能。
2021年拜城MS 5.4地震发生在库车坳陷西南部，震中近库木格热木断裂，是一次走滑型地震。主震前后地震活动特征显示，此次拜城地震为前震—主震—余震型地震序列。通过对拜城MS 5.4地震发生前后地震活动以及地球物理观测异常的梳理和分析，可以得到以下认识。
（1）拜城MS 5.4地震前存在前震活动。依据前人对于前震的定义，拜城地震前仅有1次前震，为3月14日拜城ML 4.9（MS 4.5）地震，后续分析该区域地震活动时，应关注前震的识别和分析。
（2）拜城MS 5.4地震序列余震活动呈衰减趋势，且记录较少。截至2021年4月30日，仅记录ML 1.0以上余震27次，其中主震发生7天后，余震活动水平逐渐减小，时间间隔逐渐增大，呈明显衰减趋势。
（3）地震活动异常和地震学参数异常的预测效果较好。拜城MS 5.4地震前存在6项地震活动异常，天山中部3、4级地震平静（C区和D区）和天山中部3.5级地震带状分布给出未来中强震发生的可能范围，而天山中部3级地震高频则给出中强震的可能发震时间，拜城MS 5.4地震的发生均满足上述异常推断，显示以上异常均有较好的预测效果。对于地震学参数异常，地震发生率指数、固体调制比和低b值异常在拜城MS 5.4地震发生前，主震震中区域均存在持续异常，有效预测了拜城MS 5.4地震的发震地点。
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给予诸多帮助和建议，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地震预报部同事的辛苦工作，一并表示衷心感谢。
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