2022, Vol. 43
表1(Table 1)
据中国地震台网测定，2021年9月4日至9月5日先后发生新疆和田地区皮山县MS 5.1（37.87°N，77.96°E）和叶城县MS 5.0（37.79°N，77.85°E）地震，震源深度分别为7 km和10 km，2次地震距离约13 km，形成一次震群活动（下文简称皮山MS 5.1震群）。截至2021年11月30日，共记录ML 1.0以上余震420次，其中ML 1.0—1.9地震312次，ML 2.0—2.9地震83次，ML 3.0—3.9地震22次，ML 4.0—4.9地震2次，ML 5.0—5.9地震1次。NW向泽普断裂与皮山MS 5.1震群距离最近，与MS 5.1和MS 5.0地震分别相距约15 km和3 km。震源机制解显示，2次地震均为逆冲型破裂（据中国地震台网中心，CENC）。
本文针对此次皮山MS 5.1震群，详细介绍了震中地区构造背景、区域历史地震活动特征、震源机制、序列特征及序列参数计算结果，并分析总结了震前出现的地震活动和地球物理观测等异常，为新疆地区中强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皮山MS 5.1震群位于西昆仑地震带，地处青藏高原造山带西北端，该区历来是地质学界研究印度板块与欧亚板块碰撞事件和青藏高原隆升历史的重要地区（Sobel et al，1997；Zheng et al，2000；陈杰等，2011）。西昆仑地震带属帕米尔—西昆仑强震构造带，西段围绕帕米尔高原北缘展布，东段沿西昆仑山延伸与东昆仑—阿尔金地震构造带相接，南面是强烈隆起的青藏高原，北部是强烈活动的南天山地震构造带和强烈沉降的喀什—和田拗陷（胡方秋，1988；杨文等，2015）。该构造带活动断裂发育，主要存在喀喇昆仑断裂、康西瓦—塔什库尔干断裂带和西昆仑山前逆冲断裂带（吴传勇等，2017）。
距离本次皮山MS 5.1震群较近的大型断裂带主要为西昆仑山前逆冲转换带和叶城—和田逆断裂。西昆仑山前逆冲转换带位于西昆仑与塔里木盆地的过渡部位，新构造运动以来，随着帕米尔的隆升，塔里木盆地持续下降，使得西昆仑山前出现多条活动断裂，表现为逆断裂和褶皱相伴生的构造变形样式（李向东等，2002；赵石柱等，2015）。该构造带不同部位的变形特征存在较大差异，又称喀什—叶城转换带（张玮等，2010）。叶城—和田逆断裂为西昆仑向N推覆形成的近EW走向的一组断裂，其深部滑脱面向南汇聚到铁克里克逆断裂上，使西昆仑向北逆冲到塔里木盆地之上（Cowgill et al，2001；Yin et al，2002），该构造带的特点是，在西昆仑北麓形成一系列新生代背斜构造，包括皮山背斜、柯柯亚背斜等（吴传勇等，2017）。
由于受到印度板块强烈向北推挤和塔里木刚性块体的强烈阻挡，震中所在区域南部的喀喇昆仑构造带曾发生1895年7月5日塔什库尔干M 7.0地震和1996年11月19日和田MS 7.1地震，而本次震群活动所在构造区无7级以上强震记录，但中强震较为活跃，如1952年6月4日新疆和田西5/41级、1956年3月5日新疆叶城53/4级、1975年10月27日新疆皮山MS 5.2、1995年12月24日新疆皮山MS 5.3、1997年5月31日新疆皮山MS 5.3、1998年5月29日新疆墨玉MS 6.2和5月30日MS 5.5、2005年8月26日新疆墨玉MS 5.2和2015年7月3日皮山MS 6.5地震（图 1）。
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图 1 皮山MS 5.1震群附近区域构造和历史地震分布 Fig.1 The distribution of historical earthquakes and tectonics of the vicinity of Pishan MS 5.1 swarm |
1900年以来，震中100 km范围内发生5级以上地震9次（含余震），其中5.0—5.9级地震5次，6.0—6.9级地震4次。9次地震中，震级最大且距今时间最近的是2015年7月3日新疆皮山MS 6.5地震，与此次皮山MS 5.1地震相距约37 km，二者发震构造一致，均为泽普断裂（李金，2016）；空间距离最近的为1995年12月24日新疆皮山MS 5.3地震，与此次皮山MS 5.1地震距离约7 km（图 1）。
西昆仑与塔里木盆地的过渡区分布有泽普断裂、皮山东南断裂，本次皮山MS 5.1震群位于泽普断裂附近。泽普断裂属晚更新世断裂，是塔里木盆地西南规模较大的隐伏断裂。该断裂自莎车西经泽普至杜瓦展布，走向NW，倾向SW，断面陡倾，全长约210 km，为逆冲断裂（赵石柱等，2015；刘军等，2016）。震源机制解显示，皮山MS 5.1和叶城MS 5.0地震破裂面均为逆冲型，与泽普断裂为逆冲断裂的构造背景吻合（表 1）。
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表 1 皮山MS 5.1震群4级以上地震震源机制解（CENC） Table 1 The focal mechanism results of MS≥4.0 earthquakes in Pishan MS 5.1 swarm |
无论是前震还是余震活动，分析其序列活动特性，均需给定统一的空间范围（Helmstetter et al，2003a），而二者一般集中在主震断层附近（Kisslinger，1996；Chen et al，2016）。因此，将皮山MS 5.1震群序列集中区作为研究区，分析该序列活动特征。
2.1 前震活动特征2021年9月3日至2021年9月4日皮山MS 5.1地震前，余震区共发生ML 1.0以上地震75次，其中ML 1.0—1.9地震35次，ML 2.0—2.9地震20次，ML 3.0—3.9地震11次，ML 4.0—4.9地震8次，ML 5.0—5.9地震1次，为9月4日9时28分ML 5.0（MS 4.8）地震。由研究区内地震活动随时间的演化特征可知，地震事件主要发生在主震前1天。具体而言，9月3日ML 4.5（MS 4.0）和9月4日ML 4.2（MS 3.7）前后，发生了一系列小震，相应地震频次较高，随后地震频次逐步衰减，出现了主余型地震序列的频次衰减特征（图 2）。主震发生前2个小时，依次发生了5次地震ML 4.0—4.9地震，其中最大的为9时28分ML 5.0（MS 4.8）地震，震级呈上升趋势，同时地震频次快速上升，显示出临震前地震活跃的现象。此外，前震主要集中在MS 5.1地震震中30 km范围内，呈NE—SW向展布，其中ML 5.0地震位于主震西南方，距主震约7 km（图 3）。
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图 2 9月4日皮山MS 5.1地震前附近区域ML≥0.0地震M—t图和频次图 Fig.2 M-t diagram and hourly occurrence frequency of the ML≥0.0 events in the aftershock area of the Pishan MS 5.1 earthquake |
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图 3 皮山MS 5.1震群序列分布及4级以上地震震源机制解 Fig.3 Epicentral distribution of the of Pishan MS 5.1 earthquake swarm sequence and the focal mechanism results of MS≥4.0 earthquakes |
皮山MS 5.1地震前MS 4.8和MS 4.3地震的震源机制解显示，2次地震破裂面走向存在较大差异（CENC），但未获得9月3日MS 4.0地震的震源机制解（表 1，图 3）。因此，需要利用波形互相关对几次4级前震进行进一步研究。
在区域应力场应力作用增强背景下，孕震震源区地壳内的裂隙逐渐呈现出优势取向排列，期间发生的小地震的节面将趋于一致，表现为中小地震的震源机制解将会显示出较高的相似性（陈颙，1978；倪四道等，2010；崔子健等，2012）。在小地震的震源机制解较难获取时，可以通过波形的相似性分析地震的节面是否趋于一致。
以距离本次地震最近的新疆叶城地震台（YCH）记录为例，对三分量地震波形波形进行互相关计算。选取9月3日叶城MS 4.0和9月4日叶城MS 4.8地震记录，计算三分量地震波形互相关系数，结果显示，相关系数均在0.97以上（图 4），意味着2次地震的破裂模式几乎一致，预示着区域应力可能在增强。
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图 4 叶城台（YCH）记录的MS 4.0与MS 4.8和MS 4.3地震的三分量地震波形及互相关 事件时间均为国际标准时间UTC Fig.4 The seismograms and cross-correlation of MS 4.0 with MS 4.8 and MS 4.3 earthquakes recorded by YCH station |
选取9月3日叶城MS 4.0和9月4日叶城MS 4.3地震记录，计算三分量地震波形互相关系数，结果显示，三分量相关系数在0.809—0.826之间（图 4），远小于MS 4.0地震与MS 4.8地震的互相关系数，但是该结果与MS 4.8和MS 4.3地震的震源机制解存在较大差异的结论相符。
2.2 余震活动特征2021年9月4日至11月30日，皮山MS 5.1震群序列共记录ML≥1.0余震420次，其中ML 1.0—1.9地震312次，ML 2.0—2.9地震83次，ML 3.0—3.9地震22次，ML 4.0—4.9地震2次，ML 5.0—5.9地震1次，为9月5日1时52分叶城ML 5.4（MS 5.0）地震（表 2）。
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表 2 皮山震群序列目录（ML≥3.5） Table 2 Catalogue of the Pishan MS 5.1 earthquake swarm sequence (ML≥3.5) |
皮山震群序列集中发生在主震后3天内，共记录ML≥1.0余震203次。随后序列频次快速下降，至主震发生后68天，即11月11日ML 4.4（MS 3.9）地震发生时，序列频次出现突升，接着ML≥1.0余震日频次再次快速衰减（图 5）。整体上，皮山地震序列余震活动呈持续衰减的特征。
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图 5 皮山MS 5.1震群序列M—t图（a）和日频次图（b） Fig.5 M-t diagram (a) and daily occurrence frequency (b) of the Pishan MS 5.1 earthquake swarm sequence |
皮山地震序列中MS 5.1主震与最大余震MS 5.0的震级差为0.1，主震和最大余震释放能量分别约占序列的48.29%和34.19%，显示2次地震释放了此次地震序列的主要能量。综合震级差和主震释放能量比例，可以判断皮山地震序列应为震群型序列（蒋海昆等，2006）。从空间分布看，余震活动集中在主震震中50 km范围内，且沿NW—SE方向展布，其长约94 km，宽约60 km，同时最大余震MS 5.0地震位于主震西南方，二者相距约22 km（图 3）。
基于皮山地震序列目录，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），计算得到皮山地震序列最小完整性震级Mc值的变化曲线（图 6）。在主震发生后短期内，由于大量小震波形淹没在主震尾波中，同时台站处理系统进入饱和状态，大量小震无法被识别（Peng et al，2007），Mc值明显较大，约为ML 1.8；后续Mc值快速下降，后缓慢减小，11月11日ML 4.4（MS 3.9）地震发生后，Mc值再次呈下降态势，目前Mc值为ML 1.3（图 6）。
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图 6 皮山MS 5.1震群序列的完整性震级 Fig.6 The magnitude of completeness for the Pishan MS 5.1 earthquake swarm sequence |
为避免引入不完备的地震数据，设定最小完整性震级为ML 1.8，利用最大似然法（Marzocchi et al，2003），对皮山震群序列的震级—频度曲线进行G-R关系拟合，得到序列a值和b值，其中a＝3.50 ± 0.13，b＝0.73 ± 0.06，同时ML 4.0以上地震点位高于G-R关系拟合曲线，见图 7(a)。据蒋海昆等（2007）的研究，当h＞1时，地震序列一般为主余型序列；h≤1时，一般为前震序列，后续会发生更大地震。截至11月30日，计算得到皮山MS 5.1震群序列的h = 2.288＞1[图 7(b)]，表明该震群序列后续发生更大地震的可能性较小。综合震级差和能量释放的分析结果，判断皮山MS 5.1震群序列应为震群型地震序列。
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图 7 皮山MS 5.1震群序列的b值(a)和h值(b) Fig.7 The b-value (a) and h-value (b) of Pishan MS 5.1 earthquake sequence |
皮山震群前，在地震活动方面，出现皮山MS 5.1地震前震构成的前兆震群、阿图什至皮山4级地震平静、库车—沙雅4级地震窗口和地震发生率指数等异常；在地球物理观测异常方面，以序列中最大地震皮山MS 5.1地震为震中进行统计，震中300 km范围内仅分布有10个定点前兆台站，包含基岩温度、地倾斜、体应变、地磁、大地电场、水位、水温等39个测项。其中：震中100 km范围内无定点前兆台站；100—200 km范围内仅和田前兆台，共12个测项，无观测异常；200—300 km范围内分布伽师、塔什库尔干、马场、乌帕尔、喀什、阿图什、上阿图什乡、哈拉峻、格达良9个前兆台，共27个测项，出现2项异常，其中形变1项，电磁1项，均位于震中西北至北部区域（图 8）。
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图 8 皮山MS 5.1地震震中周边地球物理观测台站及异常测项分布 Fig.8 The distribution of precursor observation stations and anomalies before Pishan MS 5.1 earthquake |
皮山MS 5.1震群前新疆地区存在的地震活动异常主要有前兆震群、地震发生率指数等异常、阿图什至皮山4级地震平静和库车—沙雅4级地震窗口，这些异常在地震发生地点和强度预测上与本次地震存在较大相关性。
（1）前兆震群。皮山地震序列前震有77次ML≥1.0地震，其中9月4日发生ML 5.0和ML 4.7地震，震级差为ML 0.3，且当日ML≥1.0地震频次达71次，符合震群定义标准，构成震群，其U、K、ρ、b、h值分别为0.998 2、2.001 1、0、0.38 ± 0.04、3.5。参照前兆震群判定的单指标，若U、K、ρ、b、h值满足U＞0.5、K＞0.7、ρ＜0.55、b＞0.65、h＜1.0中的一项，则震群为前兆震群（孙其政等，1997）。因此，皮山MS 5.1震群序列的前震活动为前兆震群，按照预测规则，在前兆震群发生后1—2年内，400—500 km范围内具有发生5级以上地震的危险性（孙其政等，1997）。
由图 9可知，皮山震群序列的b值为0.73 ± 0.06。前震发生前，即2017年1月1日至2021年9月2日，研究区b值为0.72±0.02[图 9（a）]，而在前震活动期间，即2021年9月3日至2021年9月4日，研究区b值为0.38 ± 0.04，结果见图 9（b）。对比可知，前震活动b值较小，表明在皮山MS 5.1地震发生前，研究区地震活动已显示出后续存在发生更大地震的风险。
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图 9 皮山MS 5.1地震发生前余震区b值 （a）2017年1月1日至2021年9月2日；（b）2021年9月3日至2021年9月4日 Fig.9 The b-value before MS 5.1 in the aftershock area |
（2）地震发生率指数异常。在强震发生前普遍存在地震活动频度增强与平静现象（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的时空相关性（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2种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，接近0反映地震活动显著平静（姜祥华，2020；苑争一，2020）。2021年9月4日皮山MS 5.1震群前14个月在震中及附近出现地震发生率指数高值异常，震前9个月震中异常减弱，同时在震中西侧的南天山西段存在高值异常，震前8个月震中及附近的异常消失，震前5个月震中西南侧出现异常，震前2个月震中附近再次出现一定程度的异常，震前1天震中西南侧的异常消失，震中附近异常呈带状特征分布（图 10），随后发生皮山MS 5.1震群。
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图 10 9月4日皮山MS 5.1震群前地震发生率指数异常演化 （a）震前14个月异常分布；（b）震前9个月异常分布；（c）震前8个月异常分布；（d）震前5个月异常分布；（e）震前2个月异常分布；（f）震前1天异常分布 Fig.10 Evolution of seismicity rate index before the 4 September MS 5.1 Pishan earthquake |
（3）阿图什至皮山4级地震平静。阿图什至皮山地区自2019年1月12日至2020年10月17日出现4级地震平静644天的超长平静现象（图 11），该平静时长远超该地区平均平静时长1倍均方根219天。随后，这次超长4级地震平静被2020年10月18日莎车MS 4.0地震打破。根据历史地震统计，1970年以来4级地震长时间平静现象共出现14组，其中12组1年内在平静区及周边发生5级以上地震，且大部分首发地震为5级（9组），统计结果见表 3。该4级地震平静可作为2021年9月4日和5日新疆皮山MS 5.1、MS 5.0地震的震前异常。
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图 11 阿图什至皮山4级地震平静异常 Fig.11 The distribution of MS≥4.0 earthquakes from Artux to Pishan |
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表 3 1970年以来阿图什至皮山4级地震平静及后续5级地震统计 Table 3 The MS≥5.0 earthquakes occurred after quiescence with MS≥4.0 earthquakes from Artux to Pishan since 1970 |
（4）库车—沙雅4级地震窗口。2021年6月25日新疆阿克苏地区库车发生MS 4.7显著地震。据历史地震统计结果，库车—沙雅地区4级显著地震窗口对新疆地区5级地震具有一定预测意义。2006年1月至2021年6月库车—沙雅地区发生13组4级显著地震，9组震例在新疆地区于后续3个月以内发生5级以上地震，其中6组震例在南天山至西昆仑地区均有5级以上地震发生（马亚伟等，2020）。6月25日库车MS 4.7显著地震发生71天后，在南天山西段至西昆仑地区发生2021年9月4日和5日皮山MS 5.1、MS 5.0地震，可见此次4级地震窗应为2次地震的震前异常。
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表 4 库车—沙雅4级窗口及其对应新疆地区5级以上地震 Table 4 The earthquakes with MS≥5.0 occurred in Xinjiang region after earthquakes with MS≥4.0 occurred in Kuqa and Shaya |
皮山MS 5.1地震震中附近300 km范围内共分布10个定点前兆台站39项测项，其中仅有2个测项存在异常，分别为喀什钻孔倾斜EW分量和喀什台地磁Z分量。其中喀什钻孔倾斜EW分量距2021年9月4日皮山地震震中296 km，调查发现，该年8月台站附近磁房建设产生一定干扰，异常核实报告显示，8月8日至11日的东倾变化系干扰所致（图 12）；喀什台地磁Z分量拟合插值2017年12月18日开始加速上升，2019年6月13日超过2倍均方差（图 13，图中红色横直线为2倍均方差线），综合分析认为，台站周边300 km范围内存在发生6级左右地震的危险性。此次异常持续过程中发生2020年1月19日伽师MS 6.4地震、2021年2月13日塔吉克斯坦MS 6.1地震，以及此次皮山MS 5.1和叶城MS 5.0地震，目前异常仍在持续，暂时不作为本次皮山MS 5.1震群异常，应继续跟踪分析。
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图 12 喀什栏杆乡钻孔倾斜观测变化时序曲线 （a）南北分量；（b）东西分量 Fig.12 The anomaly character of borehole tilt at Kashgar station |
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图 13 喀什台垂直分量日均值与K-L法最佳直线拟合值之差时序图 Fig.13 Sequence diagram of the difference between the daily mean value of the vertical component of Kashgar station and the best linear fitting value of K-L method |
2021年皮山MS 5.1震群发生前地震活动和地球物理观测异常偏少，但震前1天出现明显的前震活动。通常，前震、主震和余震的地震学特征无明显差别，现阶段尚无明确的识别规则（Helmstetter et al，2003b），因此地震学界针对前震活动特征的研究给出多种认识：早期学者在全球不同区域的研究结果认为，约有10%—40%的中强地震伴随有前震（Jones et al，1979；Reasenberg，1999；薛艳等，2012）；在实验室破裂或断层摩擦实验中，几乎所有情况下都会出现前兆滑动事件（蒋海昆，2000；Goebel et al，2013；Bolton et al，2019）；Trugman等（2019）利用模板匹配方法，对美国南加州2008—2017年4级以上地震的前震进行系统扫描，结果显示，70%以上的地震具有前震，前震持续时间的中位值为16.6天，该结果的意义在于，与实验室结论有了更进一步的贴合（蒋海昆等，2020）。
关于前震序列的物理机制，较好的解释模型有2种，分别为预滑移模型和级联模型，其中预滑移模型认为前震是由成核带中缓慢的地震滑移（预滑移）引起的，而级联模型认为如果存在前震，则会通过静态偏移或前震产生的动态波所导致的应力传递，触发后续前震和主震（Vidale et al，2001）。2个模型均表明前震与大震孕育过程相关，且应在主震触发断层附近，与主震震中距离较近。区别在于，预滑移模型认为预滑移现象最终引发主震，但是前震和主震可能有所不同，而级联模型认为主震是持续破裂且变得更大的普通地震。
在地震预测实践中普遍认可的震前前兆异常中，前震是公认的有效的预报指标之一（Jones et al，1979），在地震预报中起着重要的作用，但目前仍无有效方法判定一次或几次地震为前震（蒋海昆等，2020）。此次皮山MS 5.1震群序列b值的研究结果显示，前震b值小于余震序列的b值，表明地震活动区域后续存在发生更大地震的风险，与前人认识一致（Helmstetter et al，2003a）。此外，皮山MS 5.1地震的前兆震群参数指标显示，前震序列为前兆震群。因此，对于突发性小震活跃的区域，结合上述方法可以综合评估活跃区域未来发生更大地震的危险性。
4.2 结论2021年皮山MS 5.1震群发生在帕米尔—西昆仑强震构造带，震中位于泽普断裂附近，震源机制解显示，2次5级以上地震均为逆冲型破裂，与泽普断裂为逆冲断裂的构造背景吻合。在震中100 km范围内，1900年以来发生5.0级以上地震9次，其中6级以上地震4次，震级最大、时间最近的均为2015年7月3日新疆皮山MS 6.5地震，表明该区域是中强地震相对活跃地区。通过对皮山MS 5.1震群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）皮山MS 5.1地震前后地震活动特征显示，此次皮山地震为震群型地震序列，主震发生前原震区出现前震活动。
（2）皮山MS 5.1地震前1天内共发生ML 1.0以上地震76次，最大为ML 5.0（MS 4.8）地震，构成前兆震群，按照预测规则，震中区域后续存在发生5级以上地震的危险性，根据经验关系，预测震级为ML 6.2，略大于实际发生的皮山主震震级（ML 5.4）。
（3）利用序列参数h值和b值可以有效评估序列的余震活动水平。对本次皮山震群序列，利用b值估计最大余震震级为ML 4.4，与实际发生的最大余震震级ML 4.1基本一致。同时，利用G-R拟合关系与实际震级—频度曲线，可进一步分析不同震级余震的缺失情况。
（4）9月3日MS 4.0和9月4日MS 4.8地震三分量波形互相关系数较大，预示着区域应力可能在增强。
（5）皮山MS 5.1震群前与震源区相关的地震活动异常主要有原震区前兆震群、地震发生率指数异常、阿图什至皮山4级地震平静以及库车—沙雅4级地震窗口等，均可表明南天山西段至西昆仑存在发生中强地震的可能，但对时间的指示意义不强。存在的地球物理异常仅有2项，分别为喀什钻孔倾斜EW分量和喀什台地磁Z分量，但喀什钻孔倾斜EW分量经核实为干扰引起，而喀什台地磁Z分量震例所指示的震级大于6级，分析认为与此次地震无相关性。
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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