2022年12月29日吉尔吉斯斯坦MS5.4地震前地球物理观测中短期异常特征分析
2023-11-23梁卉赵彬彬艾萨伊斯马伊力高歌颜龙
梁卉 赵彬彬 艾萨?伊斯马伊力 高歌 颜龙
摘要：针对2022年12月29日吉尔吉斯斯坦MS5.4地震，对震前地球物理观测中短期异常和时空演化过程进行分析。研究表明，震前地球物理定点观测异常数量不多，但存在一定数量的电磁异常，可能与地震大小和震源区构造的走滑性质有关。震前异常数量出现阶段性变化，异常数量存在增加过程。异常时空演化存在3个阶段的不同变化过程：第1阶段表现为近源区的前兆异常向外扩展；第2阶段表现为大范围出现异常；第3阶段表现为异常向震中收缩靠近。研究地震孕育过程中前兆异常的时空演化特征，特别是异常的收缩或扩散现象，对地震的危险地区和时间预测具有一定指导意义。
关键词：吉尔吉斯斯坦；MS5.4地震；异常特征；时空演化
doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.03.007
2022年12月29日1时16分，吉尔吉斯斯坦发生MS5.4地震，微观震中41.88°N，79.56°E，震源深度约10 km，该地震位于吉尔吉斯斯坦境内，距边境约5 km，距乌什县79 km，距温宿县87 km。本次地震距离最近的断层为阔克萨勒断裂，距离约5 km，该断裂性质为左旋走滑型。阔克萨勒活断层是一条分隔山间盆地的活断层，位于南天山纵向山间盆地与阔克萨勒山之间，规模较小［1］。本次地震震源机制解结果显示为走滑型，与断裂性质基本一致。
孕震体物理化学性质的变化和地壳应力状态的变化会引起地球物理观测异常在时间、空间上的不断变化［2-11］，随着地震孕育进入短期阶段，这些异常在形态上通常会表现出转折、突变或加速的现象，与此同时也会伴随异常种类的增减变化［12］。此次吉尔吉斯斯坦MS5.4地震前，震中300 km范围内存在4个地球物理定点观测异常台站，10项中短期异常，其中形变3项，流体2项，电磁5项。综合分析震前地球物理观测中短期异常，并总结其演化特征，对地震预测研究具有一定参考作用。
1 观测资料及异常概述
2022年吉尔吉斯斯坦MS5.4地震震中300 km范围内有24个地球物理定点观测台站（图1），其中新疆境内20个，哈萨克斯坦境内4个。震前地球物理观测存在5项定点观测、5项区域性地磁电磁中短期异常（表1）。
1.1 乌什重力
乌什台位于柯坪断块的东北部，PET型便携式固体潮重力仪架设于2008年1月9日［13］。使用乌什台2008—2022年1 Hz频率的重力固体潮观测数据，利用加速度和垂直位移功率谱密度关系，以1 024 s为窗长、512 s为滑动步长，逐天用加窗傅里叶方法计算第二类（DF）地脉动信号的垂直位移［14］。结合历史资料分析，乌什重力异常对周边500 km范围内的MS≥6.0地震对应较好，异常对应率为86%。
经计算，2021年9月13日至2022年3月29日乌什重力出现高值异常，经正态分布检验，2022年2月超过其95%置信区间的异常阈值0.257 5。3月29日异常结束，275天后发生吉尔吉斯斯坦MS5.4地震（图2）。
1.2 乌什洞体应变NS分量
乌什台位于柯坪断块东北部，北东向阔克萨勒深大断裂的南侧。乌什台洞体应变仪于2006年10月开始观测［15］，NS分量在2018年11月升级改造前具有较明显年变，升级改造后年变不清晰。2022年5月12日开始，NS分量由拉张变化转为快速压缩变化，压缩速率较升级改造前同期也明显较快，异常过程中发生了阿合奇MS5.2、巴楚MS5.1地震，异常开始231天后发生吉尔吉斯斯坦MS5.4地震，累计压缩幅度为1.35×10-4，震后异常还在持续中（图3a）。
1.3 阿合奇垂直摆倾斜EW分量
阿合奇地震台位于柯坪构造块区［16］。阿合奇垂直摆倾斜仪自2019年9月投入观测。仪器能清晰地记录到固体潮日变，观测资料连续、可靠。自观测以来，该测项EW分量具有较好的年变形态。2022年2月23日至9月13日EW分量W倾幅度达到了2.54″（是2020年同期年变幅的1.3倍、2021年同期年变幅的1.5倍），2022年9月13日異常结束，107天后发生吉尔吉斯斯坦MS5.4地震（图3b）。
1.4扎尔干特—阿拉善井氦气、氯离子
扎尔干特—阿拉善井位于中国新疆温泉县城西南，该监测点距中哈边界约60 km。该井深300 m，水温背景值为37 ℃左右，经水质检验，井水矿化度为0.8 g/L，PH值为8.0，水质属
SO4-Cl-Na型［17］。该井交换资料起始时间为1990年1月1日，数据为日测值。日常数据经平滑滤波处理后基本可看出其变化形态，震前异常特征主要为超二倍均方差异常变化。例如，2003年2月24日巴楚—伽师MS6.8地震前，氦气自2002年7月1日起出现超二倍均方差异常变化，7月29日转折上升，8月19日氦气恢复到背景值范围内波动变化，异常持续49天，地震发生在异常结束后189天。2014年的8月16日伊塞克湖MS5.0地震和11月14日吉尔吉斯斯坦MS5.7地震前氦气都出现了测值超二倍均方差异常变化。2017年8月9日精河 MS6.6 地震前氯离子出现了超二倍均方差异常变化。
2022年5月31日，氦气出现超二倍均方差变化，6月10日开始转折下降，6月22日基本恢复到背景值范围内，异常持续22天，短期异常，异常结束190天后发生吉尔吉斯斯坦MS5.4地震（图3c）。
2022年9月20日，氯离子出现超二倍均方差的高值变化，之后测值持续上升，上升幅度约0.035 mg/L，11月29日转折下降，下降约0.017 mg/L后于12月28日再次转折上升，1天后发生吉尔吉斯斯坦MS5.4地震（图3d）。
1.5 地磁逐日比、地磁垂直强度极化、地磁低点位移
地磁场的垂直分量相比于地磁场的其他成分含有更多的孕震区地下构造活动变化信息［18-19］，目前地磁逐日比法、地磁垂直强度极化法、地磁低点位移法是近年来常用的地震地磁日变化异常分析研究方法这些方法可有效提取与地震有关的微小磁异常［20-22］。地震地磁场异常一般为区域性中短期异常，地震多位于异常集中区域或异常分界线及附近区域［23-24］。
2022年9月28日，天山中段的乌鲁木齐台、克拉玛依红浅台和温泉台的地磁逐日比值出现准同步超阈值异常。历史震例显示，异常后3个月内，地震多发生在其阈值线附近区域，此次异常出现92天后发生吉尔吉斯斯坦MS5.4地震（图4）。12月9日乌鲁木齐台、克拉玛依红浅台、温泉台和乌什台的地磁逐日比值出现准同步超阈值异常，异常出现20天后发生吉尔吉斯斯坦MS5.4地震（图4）。
2022年11月8日，地磁垂直强度极化高值在新疆北天山西段形成异常区，该区也是预测区域，异常区面积约12×104km2，达到了其异常判定指标，异常出现51天后发生吉尔吉斯斯坦MS5.4地震（图4）。2022年11月26日，中国大陆地磁垂直分量低点位移出现异常，地磁低点位移突变分界线大致沿北纬40°～45°线之间近东西向经过新疆地区。2022年12月29日吉尔吉斯斯坦MS5.4地震发生在地磁低点位移突变分界线附近，低点位移预测时间为12月23日或1月5日前后4天，基本符合该方法预报地震的规律（图4）。
1.6 电磁卫星电子密度
张衡一号电磁卫星星载朗缪尔探针（LAP）载荷中记录电子密度数据、等离子分析仪（PAP）载荷中记录氧离子密度数据，数据来源于应急管理部国家自然灾害防治研究院。研究表明，在2018年印尼MS7.4地震［25］、2021年漾濞MS6.4和玛多MS7.4地震［26］等许多强震前会出现电离层扰动或电磁异常，75%以上的中国大陆及周边MS≥6.0地震震前会出现电子密度或氧离子密度异常［27-28］。地震多发生在异常开始后15天以内、异常区域边缘附近200 km范围内。
2022年12月10日至14日，在新疆南天山西段出现电离层电子密度异常（图4），该异常区域背景值为6.2×1010，最大值为1.1×1011，异常幅度比为0.77，达到异常标准。异常出现15天后发生吉尔吉斯斯坦MS5.4地震，地震距异常区域边缘最短距离为45 km。
2 中短期异常时空特征分析
2.1 数量及时间变化特征
2022年吉尔吉斯斯坦MS5.4地震震中300 km范围内存在5项形变、流体定点观测异常和5项区域性电磁异常，这些异常约占该区域定点观测测项总数的9%。震中100 km范围内定点观测11项，其中异常2项，均为形变异常，异常测项比为18%；100～200 km范围内定点观测5项，仅有形变异常1项，异常测项比为20%；200～300 km范围内定点观测37项，其中异常2项，均为流体异常，异常测项比为5%（图5）。
从震前异常月频次变化看，异常数量呈现分段性变化（图6）。震前471天到308天异常数量稳定在1项，震前308天到212天异常项数明显增加，因部分异常结束进入对应期，震前107天左右异常项数出现短期下降，而自震前92天起异常项数再次出现上升，直至发震其异常月频次均维持在相对较高水平。
从时间特征上看（图7），异常的出现具有明显的阶段性特征，其发展主要集中在3个时间段。乌什重力异常始于2021年9月，是最早出现在震中附近的异常，随后阿合奇垂直摆倾斜于2022年2月23日出现异常，这2项异常都出现在震前16～10个月，此为第1阶段。2022年5月（即震前7个月）乌什洞体应变和扎尔干特—阿拉善井氦气出现速率突变类异常，此为第2阶段。2022年9—12月（即震前100天）先后有6项中短期异常集中出现，以具有短期预测意义的电磁异常为主，此为第3阶段。整个过程呈现出异常数量由少增多、在震前100天内显著增加的特点。
2.2 空间演化特征
从空间特征上看（图1、7），震中300 km范围内的地球物理定点观测测项主要集中在震中东北部200～300 km和西南部100～300 km范围内，共计35项，约占测项总数的66%，有3项定点观测异常測项分布在该集中区，约占定点异常总数的60%。震中200 km范围内的异常项数为7项，约占震前异常总数的70%。
震前最早出现的异常为乌什重力，距震中约81 km，之后距震中140 km的阿合奇垂直摆倾斜出现异常，2者位于震中西南地区，空间上出现由震中向外围扩展，接着乌什洞体应变、扎尔干特—阿拉善井氦气和氯离子、2022年9月28日地磁逐日比异常依次出现，异常分布在震中东北和西南地区，其距震中的距离分别约为81 km、270 km、320 km，这些异常在空间上表现为大范围出现异常，随后在震前2个月集中出现4项电磁异常，其预测优势区域大多位于震中东部和西部，距震中的距离依次为110 km、140 km、0 km和45 km，空间上大致呈现出向震中区收缩的迁移过程。
3 结论与讨论
通过对2022年吉尔吉斯斯坦MS5.4地震前中短期异常时空演化特征进行分析，具有如下特点：
（1） 吉尔吉斯斯坦MS5.4地震前有10项地球物理观测中短期异常，定点观测异常占统计区域定点观测总项数的9%。在地震孕育模式中，当震源错断是走滑类型时，其地震前兆种类、持续时间会相对少短［29］。此次吉尔吉斯斯坦MS5.4地震震源机制解为走滑型，其震前地球物理定点观测异常数量较少，可能与震源区构造的走滑性质有关。形变异常有2项，出现在乌什台和阿合奇台，这两个台的形变资料在南天山多次中强地震前出现过一定程度的异常［15，30］。例如2003年2月24日巴楚—伽师MS6.8地震前，乌什地倾斜出现短期异常，阿合奇地倾斜、乌什钻孔应变均出现短期及临震异常［14］。震前异常数量出现分段性变化，异常月频次在震前的变化形态为上升-下降-再次上升-发震，这一形态反映了震源区地震孕育、应变能积累的过程。
（2） 异常的发展在时间上具有明显的阶段性特征，第1阶段以中期定点形变异常为主；第2阶段开始出现速率突变类形变、流体异常；第3阶段主要以多方法突变类电磁短期异常主。电磁异常通常为区域性异常，反映了异常所处区域的构造应力水平，地点上的预测范围较大，多方法异常的综合分析有利于提高其异常信度，缩小预测时间、范围，可作为短期预测指标［20，24-25］。
（3） 随着时间的推移，震前中短期异常时空演化存在3个阶段的不同变化过程。第1阶段（震前16～10个月）的异常主要分布在震中西南地区，表现为近源区的前兆异常存在向外扩展的特点，王新华等［31］认为裂纹的亚临界扩展会造成前兆异常出现从震中向外围扩展的变化，此区域形变资料在南天山多次中强地震前出现过一定程度的异常，可能为敏感点台站；第2阶段（震前7～3个月）的异常分布在震中东北和西南地区，表现为大范围出现异常；第3阶段（震前2个月）的异常主要分布在震中东部和西部，表现为异常向震中收缩靠近的过程。这3个阶段的不同变化过程是孕震過程的表现，是在孕震体控制下的地震孕育过程中前兆异常普遍存在的特点［32-35］，2010年玉树MS7.1地震前地球物理异常出现时间随震中距的阶段变化也符合3阶段发展［36］。深入分析地震孕育过程的3阶段特点，有利于分析了解地震孕育过程所处的阶段，对地震预测具有一定的参考作用。
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ANALYSIS ON MEDIUM AND SHORT-TERM ANOMALY
CHARACTERISTICS OF GEOPHYSICIAL OBSERVATIONS
BEFORE KYRGYZSTAN MS5.4 EARTHQUAKE
ON DECEMBER 29，2022 LIANG Hui， ZHAO Bin-bin， Aisa Yisimayili， GAO Ge， YAN Long
（ Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011， Xinjiang， China）
Abstract： For the MS5.4 earthquake in Kyrgyzstan on December 29， 2022， the medium and short-term anomalies in geophysical observations before the earthquake were sorted out and their temporal and spatial evolution processes were analyzed. The research shows that the number of geophysical fixed-point observation anomalies before the earthquake is small， but there are a certain number of electromagnetic anomalies， which may be related to the size of the earthquake and the strike slip nature of the structure in the source area. There are periodic changes in the number of anomalies before the earthquake， and there is an increase in the number of anomalies. There are three different stages of anomalous temporal and spatial evolution， namely the first stage， where the precursor anomaly in the near source area expands outward; In the second stage， anomalies appeared on a large scale; The third stage showed an abnormal contraction towards the epicenter. Studying the temporal and spatial evolution characteristics of precursor anomalies during the process of earthquake preparation， especially the phenomenon of abnormal contraction or diffusion， has certain guiding significance for predicting dangerous areas and time of earthquakes.
Key words： Kyrgyzstan；MS5.4 earthquake; Anomaly characteristics; Temporal and spatial evolution
