張 希，方 偉，秦姍蘭

(1.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054；2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

天山位于中亞腹地，其兩側(cè)分別被構(gòu)造穩(wěn)定的塔里木地塊和準(zhǔn)噶爾地塊所夾持，受印度板塊與歐亞大陸的碰撞推擠等動力作用，天山山前和山體內(nèi)部形成了一系列活動褶皺和以逆沖為主的斷裂帶，構(gòu)造活動強烈，強震大震頻發(fā)(張培震等，2013)，是我國西部一條主要的活動構(gòu)造與地震帶，一直備受關(guān)注(朱爽，時爽爽，2018)。其中在北天山地區(qū)，自20世紀(jì)70年代起，新疆維吾爾自治區(qū)地震局地震測繪研究院即開始了對其進(jìn)行跨斷層流動觀測，以水準(zhǔn)觀測為主，由于測線改造或場地遭破壞，連續(xù)資料分為1973—1984年、1985—2000年、2001—2011年、2012—2018年4個階段。方偉等(2016)分析了2001—2011年觀測資料，得到北天山地區(qū)構(gòu)造活動及6級以上地震前的趨勢性異常特征。北天山地區(qū)最近一次測線全面改造完成于2011年底，有跨斷層流動水準(zhǔn)場地13處，于2012年4月或9月起測(各場地有差異)，但有1處場地近2年被破壞，因此余12處場地，跨準(zhǔn)噶爾南緣、霍爾果斯、獨山子—安集海等活動斷裂，測線長度數(shù)百米至一千五百米左右，常規(guī)觀測為每年4月、9月2期，2017年曾加密為3月、6月、9月、12月4期，目前已積累了7年的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，大多數(shù)觀測曲線呈現(xiàn)與地質(zhì)資料一致、有利于強震孕育的逆斷特性，具有研究和地震預(yù)測意義。

自2012年各場地開始積累新觀測資料以來，測區(qū)內(nèi)發(fā)生了2016年12月8日呼圖壁MS6.2和2017年8月9日精河MS6.6地震(2012年6月新源雖發(fā)生了MS6.6強震，因只有部分場地的1期觀測數(shù)據(jù)，無法研究震前異常)，朱治國等(2018)利用GPS資料給出了2015—2017年相對2013—2015年精河震區(qū)附近地殼水平運動速率增大，出現(xiàn)張壓轉(zhuǎn)換和最大剪應(yīng)變高梯度帶的結(jié)論。

本文利用2012—2018年跨斷層流動水準(zhǔn)觀測新數(shù)據(jù)，借助斷層形變趨勢累積率和灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)合2009—2017年GPS速度場數(shù)據(jù)計算所得面應(yīng)變分布，給出呼圖壁MS6.2與精河MS6.6地震前的背景與中-短期地形變異常特征。

1 斷層形變趨勢累積率與孕震背景分析

1.1 跨斷層與GPS測點分布

呼圖壁MS6.2、精河MS6.6地震均為以逆斷錯動為主的構(gòu)造地震(劉建明等，2018；朱治國等，2018；王蘇等，2018)。構(gòu)造地震是地殼運動的產(chǎn)物，而GPS、跨斷層水準(zhǔn)等地形變觀測是獲得地殼運動變化信息的直接途徑。許多學(xué)者研究認(rèn)為，強烈的構(gòu)造地震多發(fā)生在地殼差異運動顯著的區(qū)域：①利用GPS速度場計算得到的與相關(guān)斷裂構(gòu)造活動背景一致的剪切應(yīng)變或面應(yīng)變高值區(qū)或其邊緣、應(yīng)變差異變化高梯度帶，可以反映局部區(qū)域強差異運動與應(yīng)力應(yīng)變集中特性(江在森等，2006，2009；朱治國等，2018)；②利用水準(zhǔn)觀測所得到的與構(gòu)造活動背景一致的跨斷裂顯著垂向差異變化區(qū)(陳兵等，2000；張希等，2014a)。

圖1為新疆北天山地區(qū)跨斷層流動水準(zhǔn)場地與地球物理場GPS站點分布，跨斷層流動水準(zhǔn)場地所跨斷裂如表1所示，各斷裂活動性質(zhì)均為逆斷。李杰等(2010)、朱治國等(2018)分別利用1998—2008年、2013—2017年GPS速度場資料獲得了北天山地區(qū)以擠壓縮短為主的活動特性結(jié)論，與地質(zhì)資料一致。

圖1 北天山地區(qū)跨斷層流動水準(zhǔn)場地與GPS站點分布

表1北天山地區(qū)斷層形變趨勢累積率計算結(jié)果

1.2 跨斷層觀測效能分析與趨勢累積率指標(biāo)提煉

陳兵等(2000)提出了趨勢累積率指標(biāo)，即通過式(1)計算青藏塊體東北緣地區(qū)某場地某跨斷層測線長時間尺度的趨勢累積變化，反映一種廣義應(yīng)變的累積強度：

(1)

本文對2012年至2016年9月(呼圖壁地震前)、2012年至2017年6月(精河地震前)北天山地區(qū)12處流動水準(zhǔn)場地14條跨斷層測線(表1)的趨勢累積率進(jìn)行了計算(扣除了2017年3月泉子街3-2測線、寧家河3-1測線出現(xiàn)的與冰凍有關(guān)的干擾性突跳，2013年9月卡子灣4-1測線出現(xiàn)的與水庫蓄水有關(guān)的巨幅突跳，通過線性內(nèi)插或扣除巨幅突跳變化量使資料連續(xù))，結(jié)果見表1和圖2，并通過最小二乘配置方法(江在森等，2006，2009)將2009—2015年、2015—2017年2個時段的GPS面應(yīng)變等值線分布繪于圖2。

(a)截至2016年9月斷層形變趨勢累積率和2009—2015年GPS面應(yīng)變率分布

由圖2可以看出，2個時段的GPS面應(yīng)變等值線均顯示以擠壓為主，斷層形變趨勢累積率也顯示逆斷特性占多數(shù)的特征(逆斷趨勢累積的測線分別占測線總數(shù)的8/14和9/14)，這些均與北天山地區(qū)以逆斷擠壓為主的地質(zhì)背景相符。

表1顯示同跨準(zhǔn)噶爾南緣斷裂的廟爾溝、寧家河、巴音溝3處場地中有2處為逆斷特性，同跨霍爾果斯斷裂的大豐、卡子灣、紅山嘴3處場地中也有2處場地呈逆斷特性。通過比較跨斷層測線趨勢累積率正斷、逆斷特性與長達(dá)6年的GPS面應(yīng)變張壓特性的一致性(圖2a)發(fā)現(xiàn)一致的測線占11/14，只有巴音溝、卡子灣、西山3處場地特性相反，可能與相對稀疏的GPS站點密度所造成的解算過程中的低分辨率有關(guān)。

事實上，地質(zhì)資料所指的逆斷，反映的是斷裂的總體、長期活動性質(zhì)，但某些場地呈現(xiàn)與總體逆斷特性相反的正斷變化，其原因推測如下：①從空間尺度來看，斷裂本身幾何展布復(fù)雜，活動特性可能存在分段差異，加上跨斷層場地測線不長，且分散布設(shè)、獨立觀測，每處場地僅能控制斷裂的局部小段落，場地條件也有差異；②從時間尺度來看，跨斷層觀測時間還不到10年，北天山地區(qū)地形變觀測也才數(shù)十年，僅是地質(zhì)年代里很小的一個段落，觀測到的“反向正斷變化”可能僅表示該時間段逆斷活動相對之前一段時間減緩，且這樣的場地只占少數(shù)。鑒于上述原因，北天山地區(qū)現(xiàn)階段的跨斷層觀測結(jié)果符合斷裂活動的時空差異性及地形變觀測實際(圖2所示GPS面應(yīng)變分布也存在局部區(qū)域或某些時段反向拉張的情況，不排除站點環(huán)境差異、干擾和解算誤差等造成的站點間速度差異)。

綜合分析認(rèn)為，2011年底測線全面改造后獲得的2012—2018年跨斷層水準(zhǔn)觀測新數(shù)據(jù)總體上能反映出北天山地區(qū)以逆斷擠壓為主的構(gòu)造活動特性，具有觀測效能和研究意義。

1.3 2次地震前的孕震背景分析

從分析呼圖壁與精河地震前孕震背景的角度，筆者認(rèn)為：

(1)由圖2可見，2009—2015年GPS面應(yīng)變率總體上西弱、東強，石河子市和昌吉市附近為最高負(fù)值區(qū)，高達(dá)-6×10-8/a，反映與地質(zhì)背景一致的強擠壓差異運動和應(yīng)力應(yīng)變集中狀態(tài)，2016年呼圖壁MS6.2地震就位于該區(qū)邊緣；精河震區(qū)顯示-4×10-8/a較高壓應(yīng)變分布，也顯示一定程度應(yīng)變積累背景。2015—2017年(GPS觀測實施于年中，精河地震發(fā)生在2017年8月9日，該時段速度場數(shù)據(jù)可以反映精河震前的水平地殼運動)面應(yīng)變率較2009—2015年增大，顯示東弱西強，與上一時段相反，中西部地殼差異運動增強，由新源、古爾圖至烏蘇、烏蘇以北出現(xiàn)先擠壓、后拉張、再擠壓交替變化的高梯度分布，以擠壓變化為主，精河地震仍位于壓性高值區(qū)內(nèi)，震中位置壓應(yīng)變率高值達(dá)到-6×10-8/a，較上一時段構(gòu)造運動增強，顯示應(yīng)變能積累加速特性；而發(fā)生了呼圖壁MS6.2地震的東部區(qū)域相對偏弱。即使2015—2017年研究區(qū)西部應(yīng)變率增強，包含呼圖壁地震影響因素，這種影響也是有利于精河地震孕育發(fā)生的正影響。因此，GPS資料對呼圖壁和精河地震前孕震背景有所反映，且與朱治國(2018)利用2013—2017年GPS資料的分析結(jié)果相符。

(2)由圖2a與表1可見，呼圖壁地震前，多數(shù)跨斷層測線不僅表現(xiàn)為逆斷性趨勢累積特征，且趨勢累積率絕對值較大，可能反映強應(yīng)變積累的測線相對集中在震區(qū)附近，尤其是距震中29 km的大豐場地的2條測線、距震中63 km的寧家河的1條測線，逆斷性趨勢累積率高達(dá)-0.50～-0.75。由圖2b與表1可見，相對圖2a跨斷層數(shù)據(jù)截止時間，僅增加9個月的2期水準(zhǔn)觀測，趨勢累積率變化量雖然不大，但以大豐場地為界，大豐及其以東的測線趨勢累積率總體減弱(表1中前5處場地、6條測線，趨勢累積率絕對值均值由0.44減小為0.36)，以西的測線總體增強(古爾圖4-1測線由正斷轉(zhuǎn)為與地質(zhì)資料一致的逆斷特性；而正逆斷特性未變的7條測線中，趨勢累積率絕對值均值由0.33增為0.38)。距精河地震最近的3處場地中，距震中63 km的古爾圖場地由正斷轉(zhuǎn)為逆斷，距震中155 km的巴音溝測線逆斷趨勢累積率明顯增大，距震中139 km的伊寧測線起測以來一直維持高逆斷趨勢累積特性。

據(jù)統(tǒng)計，城區(qū)配電網(wǎng)平均每平方公里就有2臺配變，配網(wǎng)搶修工作任務(wù)繁重，特別是特殊用電時段(如春節(jié)、迎峰度夏期間等)或惡劣天氣下，配網(wǎng)異動事件數(shù)激增，為應(yīng)急搶修工作帶來巨大壓力。

綜上可知，趨勢累積率指標(biāo)對呼圖壁MS6.2和精河MS6.2地震都有背景異常反映；呼圖壁MS6.2震后西部增強、東部減弱的特性也與前述GPS面應(yīng)變變化特征一致。

2 灰色關(guān)聯(lián)度中短期-短期指標(biāo)異常分析

2.1 灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)提取

北天山地區(qū)跨斷層水準(zhǔn)測線長度數(shù)百米至一千五百米左右，屬近斷裂區(qū)觀測，反映場地所在小區(qū)域斷層活動或大區(qū)域應(yīng)力加載導(dǎo)致的形變應(yīng)變。呼圖壁MS6.2與精河MS6.6地震發(fā)震構(gòu)造分別是齊古背斜以南深部隱伏斷層(劉建明等，2018)和庫松木契克山前斷裂(朱治國等，2018)，地震錯動以逆斷為主。盡管本文所用14條跨斷層測線沒有布設(shè)在發(fā)震斷層上，但這2次地震及12處跨斷層場地均位于以逆斷擠壓為主要活動特性的北天山構(gòu)造區(qū)，受印度板塊與歐亞大陸的碰撞推擠同一動力源作用，構(gòu)造上存在關(guān)聯(lián)。地震發(fā)生前中短期(1年內(nèi))至短期(3個月內(nèi))階段，可能出現(xiàn)斷層活動加速、應(yīng)力加載或應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的改變、甚至斷層微破裂或預(yù)位移，同一構(gòu)造系的多條斷層也可能相互影響，從而在大的構(gòu)造區(qū)某些敏感場地觀測到異常。

灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)可反映斷裂活動的總體趨勢及其動態(tài)演變，突出各場地觀測值時序變化的共性特征，其加速或轉(zhuǎn)折異常具有中短期-短期前兆意義(張希等，2012，2014a，b)，可利用跨斷層水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)的歸一化計算和灰色關(guān)聯(lián)度加權(quán)合成實現(xiàn)。

具體計算方法如下：首先對每處場地形成以4月、9月為時間點的垂向活動時變曲線。一般每年4月、9月施測，但2017年加密為4期觀測，3月、6月求高差均值并以4月為時間點，9月、12月求高差均值仍以9月為時間點；每個時間點高差觀測或計算均值減去第1時間點高差觀測或計算均值，使首次觀測為0，突出時間點間相對變化；若跨斷層測線不止1條，對相同時間點再求均值。由此可獲得該場地跨斷層垂向活動時序變化ht(t=1，2，…，n；h1=0)，時變曲線向下表示逆斷、向上為正斷特性。

由于各場地獨立觀測，場地條件與活動水平、特性存在差異，為提煉構(gòu)造活動總體趨勢，需將每處場地垂向活動序列除以其本底水平，使各場地間具有可比性。定義本底水平為其絕對值均值與離散度之和，則歸一化后的場地j某時刻t(t=1，2，…，n)無量綱的活動變化量為：

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2 震前中短期-短期異常分析

本文計算北天山地區(qū)11處場地13條測線灰色關(guān)聯(lián)度垂向指標(biāo)(圖2和表1顯示卡子灣場地與地質(zhì)背景相反的高正斷趨勢累積率，觀測曲線顯示即使扣除2013年9月水庫蓄水引起的60.8 mm的巨幅突跳，之后每年仍繼續(xù)上升，平均變幅較大，達(dá)4.2 mm，可能存在問題，因此未參與計算)，如圖3所示。從圖3可以看到，盡管整個北天山測區(qū)有下降、回升的起伏變化(不排除觀測季節(jié)的氣候、凍土等影響因素)，但其主要的變化趨勢仍然是與地質(zhì)資料一致的逆斷下降，呼圖壁地震前無明顯異常；而精河地震前的2017年上半年逆斷加速顯著，這一現(xiàn)象是與精河地震有關(guān)、還是反映呼圖壁震后影響，需進(jìn)一步分析。

圖3 北天山地區(qū)灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)曲線(向下為逆斷、向上為正斷變化)

首先，對呼圖壁MS6.2地震震區(qū)周邊半徑200 km(該范圍內(nèi)有黃草梁、西山、廟爾溝、 大豐、紅山嘴、寧家河、獨山子、巴音溝8處場地)、300 km(增加古爾圖1處場地)、500 km(再增加泉子街1處場地)內(nèi)跨斷層場地計算灰色關(guān)聯(lián)度垂向指標(biāo)，結(jié)果見圖4a-1。圖4a-1顯示在2016年9月出現(xiàn)略超出以往正常年變的正斷轉(zhuǎn)折突跳，但未超出灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)值序列的二倍均方差，故異常并不明顯。

對精河MS6.6地震震區(qū)周邊半徑200 km(有獨山子、巴音溝、古爾圖、伊寧4處場地)、300 km(有紅山嘴、寧家河、獨山子、巴音溝、古爾圖、伊寧6處場地)、500 km(除泉子街外10處場地)內(nèi)跨斷層場地計算灰色關(guān)聯(lián)度垂向綜合指標(biāo)，結(jié)果如圖4a-2所示。圖中顯示，2017年上半年(有3月、6月2期觀測，灰色關(guān)聯(lián)度計算的時間點記為4月)即震前2～5個月3條曲線均顯示逆斷加速特性，尤其震區(qū)周邊半徑200 km與300 km范圍內(nèi)，灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)的變化幅度更大，很可能反映震前中短期-短期階段斷層活動加速現(xiàn)象。圖5為精河地震震區(qū)周邊半徑200 km范圍內(nèi)有不同程度逆斷加速突跳變化的原始觀測曲線(測量中誤差為±0.25 mm/km，即使最長達(dá)1.5 km的測線其誤差也最多為±0.38 mm，圖5所示加速突跳幅度為1.99～3.27 mm，未發(fā)現(xiàn)干擾問題，因此異?？煽?。

圖4 呼圖壁和精河地震震區(qū)周邊一定范圍內(nèi)的灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)曲線(a)以及去趨勢和基本年變量后灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)曲線(b)

圖5 精河地震前周邊200 km內(nèi)主要的跨斷層異常觀測曲線

圖4a-2顯示從起測至2016年9月精河地震前這相對穩(wěn)定的5年間，3條曲線的逆斷下降速度不同。若用直線做趨勢線擬合，震區(qū)周邊半徑200，300，500 km范圍內(nèi)3條曲線的趨勢線斜率分別為-0.18、-0.15、-0.05，距震中越近，下降速度越快，揭示能量積累背景也越顯著。去掉該趨勢，再扣除基本年變量(因這5年間數(shù)據(jù)僅9期，用傅立葉公式扣除周期性年變效果不好，故對該時段內(nèi)4月和9月的灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)值分別求均值，再用2012—2018年所有4月和9月灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)值分別減去4月和9月的均值，以扣除基本年變和削弱季節(jié)差異，突出2017年以后的異常變化)，結(jié)果見圖4b。由圖4b-2可以看出，距精河震中越近，2017年上半年的逆斷突跳幅度越大(均超出二倍均方差)，震后恢復(fù)趨勢也越明顯；圖4b-1顯示呼圖壁地震后2017年上半年的逆斷加速距震中越遠(yuǎn)，加速幅度還略增。由于圖4b-1和4b-2所用場地部分重合，比如呼圖壁震區(qū)周邊半徑200 km范圍內(nèi)8處場地中就有4處場地位于精河震區(qū)周邊300 km范圍內(nèi)，綜合圖3～5分析，圖4b-1所示2017年上半年逆斷加速反映呼圖壁同震形變或震后影響的可能性不大，更可能與精河地震有關(guān)。

從圖4b-2還可以看出，2013年4月精河地震震區(qū)周邊半徑200 km范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯逆斷加速突跳，但異常幅度還是小于精河地震前加速異常，且距震中越遠(yuǎn)突跳幅度越小，考慮到2012年6月新源發(fā)生了MS6.6地震，該地震距精河地震震中僅100余千米，因此該異常也有可能反映的是新源地震的震后影響(震級高于呼圖壁地震)。綜合圖3～5可知，北天山地區(qū)跨斷層資料對震級超過6.5的精河地震中短期-短期前兆異常、新源地震震后影響有相對明顯的反映。

3 結(jié)論

本文利用2012—2018年跨斷層流動水準(zhǔn)觀測資料，提取北天山地區(qū)的跨斷層形變趨勢累積率和灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)，結(jié)合2009—2017年GPS速度場數(shù)據(jù)計算所得面應(yīng)變分布，綜合分析了呼圖壁MS6.2與精河MS6.6地震前的地形變異常特征，得到以下結(jié)論：

(1)2011年底測線全面改造后，獲得的2012年以來跨斷層流動水準(zhǔn)觀測新數(shù)據(jù)總體上能反映出北天山地區(qū)逆斷擠壓為主的構(gòu)造活動特性，具有觀測效能和研究意義。

(2)2016年12月呼圖壁MS6.2震區(qū)位于2009—2015年GPS資料顯示的與構(gòu)造活動背景一致的壓性變化最高值區(qū)邊緣；跨斷層水準(zhǔn)表現(xiàn)為以逆斷性趨勢累積為主，且累積量較大的測線相對集中在震區(qū)附近，'尤其是距震中29和63 km的大豐、寧家河場地，這些均反映出局部地殼強差異運動與應(yīng)變能積累狀況，揭示強震孕育背景。

精河MS6.6地震震區(qū)是2009—2015年壓應(yīng)變較高值區(qū)，且2015—2017年整個北天山地區(qū)面應(yīng)變率增大，由2009—2015年的西弱東強轉(zhuǎn)為西強東弱，精河地震震區(qū)及其北側(cè)—北東側(cè)出現(xiàn)擠壓-拉張-擠壓交替變化的高梯度分布，震區(qū)壓應(yīng)變率高值達(dá)到-6×10-8/a，較上一時段同樣表現(xiàn)為以擠壓特性的構(gòu)造運動增強，顯示出應(yīng)變能積累加速特性。而呼圖壁地震后，斷層形變趨勢累積率也顯示與GPS面應(yīng)變變化特征一致的西部增強、東部減弱的特性。距精河地震震區(qū)較近的3處場地中，古爾圖場地(距精河震中63 km)由正斷轉(zhuǎn)為逆斷，巴音溝場地(距精河震中155 km)逆斷趨勢累積率明顯上升，伊寧場地(距精河震中139 km)一直維持高逆斷趨勢累積特性，這些均反映出精河地震震前應(yīng)力應(yīng)變集中與增強的背景信息。

(3)跨斷層灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)顯示呼圖壁和精河2次地震中，震級較大、接近7級的精河地震前異常特征較為顯著，震前數(shù)月震區(qū)周邊半徑200，300，500 km內(nèi)均出現(xiàn)“逆斷加速”前兆性異常，距震中越近，異常幅度越大，很可能反映震前中短期-短期階段斷層活動加速現(xiàn)象；而震前5年內(nèi)，距震區(qū)越近，逆斷變化的速度也越快，反映中期孕震背景。

新疆維吾爾自治區(qū)地震局地震測繪研究院提供了跨斷層流動水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)及干擾信息，在此表示感謝！