2017年8月9日精河MS 6.6地震前鉆孔應變異常特征分析

趙彬彬 高麗娟

新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市新市區科學二街338號 830011

0 引言

據中國地震臺網測定，2017年8月9日7時27分51秒新疆博爾塔拉州精河縣發生MS6.6地震，微觀震中位于44.28°N、82.90°E，震源深度約11km，震中距精河縣城約 37km，震中區域震感強烈，石河子、昌吉、烏魯木齊等地有震感。

從地震發生位置來看，震中位于博羅科努山西部末端的中低山區。根據現場科學考察結果初步判定，此次地震發生在庫松木契克山前斷層東末端，該斷裂東起基普克一帶，向西經掃子木圖沿著庫松木契克山前及北緣延伸至賽里木湖，總體呈290°～300°方向延伸，長約160km，斷面南傾，傾角40°～60°，性質以逆沖為主，兼右旋走滑（馮先岳等，1991）。庫松木契克山前斷層具有多期活動的特點，沿斷層上新統和下更新統西域礫巖普遍發生褶皺變形，形成一系列背斜構造（王秋良等，2015）。斷層大致可分為東、中、西3段，其中，東段和中段的新活動明顯，斷層斷錯了中更新世以來的各級地貌面和溝谷階地，并在地表形成斷層陡坎和古地震地表變形遺跡，為全新世活動的斷層。此次地震震中位于該斷裂的東段，研究結果表明，沿該斷裂曾發生過4次古地震事件，最新一次古地震事件發生在距今2.25ka，最大垂直位錯為0.7m；晚更新世晚期以來的垂直活動速率為0.2～0.3mm/a（陳建波等，2007；陳建波，2008）。

震源機制解結果表明，精河地震震源錯動方式為逆沖型。自1900年以來距震中200km范圍內共發生11次6級以上地震，其中，距震中最近的是1955年4月24日尼勒克MS6.5地震，距離為59km；時間最近的地震為2012年6月30日新源MS6.6地震，距離為179km。本文通過對天山中段前兆鉆孔應變觀測數據進行分析來提取震前異常特征，以期為研究區未來的地震預測提供震兆信息。

1 臺站分布及異常統計

天山中段共架設了9套鉆孔應變儀器，均采用RZB-2型分量鉆孔應變，其中，有7套為2013年中國地震局地殼應力研究所的援疆項目“新疆天山中段前兆臺網建設項目”所架設，分別是新源、石場、榆樹溝、呼圖壁雀兒溝、小泉溝、巴侖臺、庫米什等分量鉆孔應變，另外2套儀器為伊犁州地震局的援疆項目所架設，分別是尼勒克、鞏留分量鉆孔應變（圖1）。

圖1 臺站及活動斷層位置

天山中段鉆孔應變臺站均為新架設臺站，資料積累最長時間僅3年，目前來說，對于年變異常或趨勢性異常尚無法作出明確判斷。表1為觀測儀器及震前異常統計表。由表1可知，在天山中段架設的9個分量鉆孔應變觀測項中，有5個觀測項在震前出現不同程度的異常，經過對這5項異常進行核實分析發現，該異常變化可以排除周邊環境、氣象因素、儀器故障及人為因素等的影響，故認為該地震前兆異常較為可靠。所出現的5項異常均為短臨異常，主要特征為壓縮-拉張變化、變化速率改變、高頻抖動畸變、規律性脈沖和周期性臺階等。

表1 觀測儀器及震前異常統計

2 前兆異常分析

2.1 尼勒克分量鉆孔應變

尼勒克RZB-2型分量鉆孔應變于2014年9月完成安裝和調試工作，2015年6月開始正式連續觀測，資料連續率完整，精度高，自儀器架設以來，工作狀態穩定。觀測臺站基巖為中度風化砂巖，巖石成分以石英、長石為主，含少量云母。主測項探頭位于井下100m處，同時安裝鉆孔水位、鉆孔氣壓、鉆孔溫度輔助觀測。利用自檢原理，計算尼勒克分量鉆孔應變2016年1月以來1＋3和2＋4分量的相關性，相關系數大于91%，相關性較好，表明觀測數據較為真實可靠。

尼勒克分量鉆孔應變異常通常表現為曲線速率改變，2016年2月24日～5月10日，NE、NW分量曾出現曲線速率改變現象，在曲線數據恢復正常7個月之后，發生12月8日呼圖壁MS6.2地震。此次異常表現為自3月9日開始NE、NW分量逐漸出現速率變快現象，且速率變化幅度較大（圖2）。NE分量自3月26日開始壓縮速率由之前的1.25×10－9/天變為3.38×10－9/天，6月18日開始速率慢慢變緩，7月 1日基本恢復到正常速率。NW分量自3月 9日開始，壓縮速率變快，由 0.47×10－9/天變為 1.27×10－9/天，5月 3日～6月 20日數據曲線由壓縮轉變為拉張，6月20日之后數據曲線速率變緩，7月1日基本恢復正常，精河MS6.6地震發生在此次異常結束之后第40天。在此次快速壓縮變化中，變化幅度最大的為NE分量，應變幅度為224×10－9。分析認為，此次尼勒克分量鉆孔應變四分量速率改變的異常是精河MS6.6地震前的短期異常。

2.2 新源分量鉆孔應變

新源RZB-2型分量鉆孔應變2014年7月竣工，2015年6月開始輸出觀測數據。觀測臺站基巖為粗砂巖、泥巖和砂礫巖，主測項探頭位于井下107m的砂礫巖中，同時安裝鉆孔水位、鉆孔氣壓、鉆孔溫度等輔助觀測。利用自檢原理計算新源分量鉆孔應變2017年1月以來1＋3和2＋4分量的相關性發現，自檢相關性較差。但該測項自有觀測數據以來固體潮日變形態正常，因此認為，短期資料可以在一定程度上反映地下應力變化。

圖2 尼勒克分量鉆孔應變整點值時序曲線

自2017年8月1日起，新源分量鉆孔應變四分量出現同步變化（圖3），NS分量由原來的拉張狀態轉變為壓縮；EW分量由原來的壓縮狀態轉變為拉張；NE分量出現臺階畸變和鋸齒狀高頻抖動信息；NW分量拉張速率發生改變，速率變緩。此次異常為四分量在同一時間發生不同的形態變化，異常發展到第9天發生精河MS6.6地震。分析認為，此次新源分量鉆孔應變四分量的震前變化是精河MS6.6地震的臨震異常。

2.3 鞏留分量鉆孔應變

鞏留RZB-2型分量鉆孔應變于2014年9月完成安裝和調試工作，2015年6月開始正式連續觀測，資料連續率完整，精度高，自儀器架設以來，工作狀態穩定，同時安裝鉆孔水位、鉆孔氣壓、鉆孔溫度等輔助觀測。利用自檢原理計算鞏留分量鉆孔應變2016年1月以來1＋3和2＋4分量的相關性發現，自檢相關性較差。但該測項自有觀測數據以來，日變固體潮形態較好，故認為短期資料可以在一定程度上反映地下應力變化。

鞏留分量鉆孔應變2017年7月13～17日，EW、NW分量幾乎同步出現高頻抖動信息，7月18日以后基本恢復正常固體潮形態（圖4），該高頻抖動信息出現在精河MS6.6地震前27天，可認為是此次地震的前兆異常。根據巖石力學實驗，當地殼特殊部位上的應力-應變達到地殼的極限值而產生破裂面滑動之前，巖石內部存在非穩態破裂過程（張國民等，2001）。2011年阿圖什-伽師5.8級地震前，哈拉峻鉆孔傾斜和烏什水管儀也觀測到類似高頻抖動信息（張治廣等，2016）。此次鞏留分量鉆孔應變EW、NW分量觀測到的震前異常現象與巖石力學實驗結果相吻合。

圖3 2017年7月10日～8月9日新源分量鉆孔應變分鐘值時序曲線

圖4 2017年7月10～20日鞏留分量鉆孔應變分鐘值時序曲線

2.4 巴侖臺分量鉆孔應變

巴侖臺RZB-2型分量鉆孔應變2014年7月完成臺站供電、通訊建設，并完成儀器安裝和入網工作。觀測臺站基巖條件較好，為較完整的花崗巖或閃長巖，主測項探頭位于井下156m的花崗巖中，同時安裝鉆孔水位、鉆孔氣壓、鉆孔溫度等輔助觀測。2015年8月～2016年10月，分量應變井下主傳感器遭雷擊，主測項數據不正常。2016年11月3日，經過更換數采、調試儀器等工作后，觀測數據恢復正常。利用自檢原理計算2016年11月以來巴侖臺分量鉆孔應變1＋3與2＋4分量相關性發現，相關系數為93.18%，相關性較好，表明該觀測數據較為真實可靠。

圖5為2016年11月～2017年12月巴侖臺分量鉆孔應變整點值時序曲線。如圖5所示，2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震之后，巴侖臺分量鉆孔應變資料發生短暫的調整，之后曲線形態恢復正常。2017年1～4月，巴侖臺分量鉆孔應變資料變化較為平穩；5月19日～7月30日，四分量同步出現拉張（壓縮）速率改變，其中，NW分量最為明顯，拉張速率基本停滯；7月31日開始出現快速壓縮變化，截至8月8日，精河MS6.6地震前一天，壓縮幅度分別為 NS3034×10－10、EW 1959×10－10、NE2784×10－10、NW 2978×10－10，NS分量幅度最大，EW分量幅度最小，但四分量變化幅度基本在同一量級，經異常核實，排除干擾的可能，故認為此次快速壓縮變化屬于震前異常。該巴侖臺分量鉆孔應變快速壓縮短期異常自2017年7月31日開始至9月21日結束，持續51天，其間發生8月9日精河MS6.6、9月16日庫車MS5.7地震，庫車MS5.7地震之后數據恢復正常。

圖5 2016年11月～2017年12月巴侖臺分量鉆孔應變整點值時序曲線

分析認為，巴侖臺分量鉆孔應變在精河MS6.6地震之前出現對應性較好的短臨異常，短期異常為5～7月四分量曲線速率發生改變，持續72天；臨震異常為7月31日開始的快速壓縮變化，發生在地震前9天，與地震的發生相對應，屬于精河MS6.6地震的臨震異常。

2.5 小泉溝分量鉆孔應變

小泉溝RZB-2型分量鉆孔應變于2015年7月2日安裝架設完成，觀測臺站基巖條件較好，為灰白色花崗巖，地表出露完整，主測項探頭位于井下119m的花崗巖中，同時安裝鉆孔水位、鉆孔氣壓、鉆孔溫度等輔助觀測。2016年5月30日開始輸出觀測數據，資料連續率完整，精度較高，自儀器架設以來，工作狀態穩定。利用自檢原理計算小泉溝分量鉆孔應變自有數據以來1＋3與2＋4分量的相關性發現，相關系數大于95%，相關性較好，表明該觀測數據較為真實可靠。

前人對烏什臺鉆孔應變震前異常分析總結發現，在相對較大的地震發生前，鉆孔應變異常變化特點可歸納為壓應變增強，出現節律性，不穩定的張、壓交替變化。2003年昭蘇6.1級地震，1997、1998、2003年伽師地震，1993年若羌6.0級地震，1993年和靜5.7級地震等多次地震前均出現了速率異常的特征；1997、2003年伽師地震及2001年昆侖山口西8.1級地震前記錄到了鉆孔應變張、壓交替的變化特征；1996年喀喇昆侖7.1級地震、2001年新青交界8.1級地震、1997年伽師強震群、2003年昭蘇6.0級地震等多次6級以上地震前均發現節律現象（蔣靖祥等，2002、2003、2005a、2005b）。2008年汶川 8.0級地震前，姑咱臺鉆孔應變出現長達13個月的周期性“壓性脈沖”和“潮汐畸變”，脈沖出現的周期基本為數分鐘或數小時（池順良等，2009；邱澤華等，2009）。

此次小泉溝分量鉆孔應變記錄到的異常基本包含了前人總結的壓應變增強、出現節律性、不穩定的張與壓交替變化等異常特征，且在地震前17天NW分量周期性臺階變化突然消失，也被認為是地震臨近的表現。分析認為，該鉆孔應變測項對短期異常及臨震異常均有較好的對應記錄。

自2017年1月1日起，小泉溝分量鉆孔應變四分量出現多次“壓縮-拉張”變化，該變化于4月6日以后恢復正常，分析認為異常結束，持續96天（圖6）。該異常變化大致可分為3個階段（圖7），第I階段：1月1日～2月10日四分量多次同步出現快速“壓縮-拉張”變化，形成下灣型圖像；第Ⅱ階段：2月13、19、23日四分量同步出現壓性脈沖現象，3月1日 EW和NW分量又同步出現壓性脈沖現象，脈沖間隔為6天左右，每次脈沖持續1～2天；第Ⅲ階段：3月4日以后四分量同步快速壓縮，到4月6日基本恢復正常壓縮速率。在此次異常過程中，異常變化幅度分別為 NS111×10－9、EW 74×10－9、NE53×10－9、NW 118×10－9，其中，NW 分量幅度最大，NE分量幅度最小。

圖6 2016年5月～2017年12月小泉溝分量鉆孔應變整點值時序曲線

根據巖石力學實驗，在拉張斷層和擠壓斷層階區內隨應力的增加，斷層未破裂之前會發生粘滑失穩。在粘滑失穩過程中，巖石標本表面的應變出現周期性臺階變化，但臺階的張-壓性質隨觀測點位置的不同而不同（馬勝利等，2008）。此次小泉溝分量鉆孔應變NW分量自2017年2月中旬開始出現類似巖石力學實驗的周期性臺階變化，筆者認為是對地下應力變化過程的一次很好的記錄。

小泉溝分量鉆孔應變異常的發展過程中，特別值得注意的是NW分量，它是異常變化幅度最大的分量，也是四分量中唯一在異常過程中固體潮日變形態發生持續周期性畸變的分量。自2017年2月中旬開始，小泉溝分量鉆孔應變NW分量出現周期性壓性臺階變化，變化周期在 2月中旬約為 40min（圖 8（a）），2月底約為 60min（圖 8（b）），到 3月中旬變為120m in左右（圖 8（c）），再到 4月底變為150m in左右（圖 8（d）），從5月 6日開始，偶爾出現周期為5h左右的臺階變化（圖8（e）），5月21日開始每日的規律性周期變化趨于不規律，在每日的變化中周期為1、2、5h的短周期變化均有存在（圖8（f）），當時猜測是地下應力作用失穩的表現，6月9日壓性臺階周期又開始變得有規律（圖8（g）），大約2h出現1次壓性臺階，直到7月22日，這種周期性壓性臺階變化自動消失（圖8（h）），固體潮形態恢復正常，因此認為，該小泉溝鉆孔分量應變短期異常的映震緊迫性增加。而在此17天之后，即發生8月9日精河MS6.6地震，震中距該觀測點352km。

圖7 小泉溝分量鉆孔應變異常階段

3 歷史震例回顧

3.1 2016年12月8日呼圖壁MS 6.2地震

天山中段鉆孔應變臺站自2014年架設以來，周邊地區6級以上地震僅有2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震，在呼圖壁MS6.2地震之前巴侖臺分量鉆孔應變和小泉溝分量鉆孔應變均出現較好的短臨異常。

2016年12月7日14點22～44分，巴侖臺分量鉆孔應變四分量均記錄到一壓性臺階變化，該壓性臺階持續 22min，壓縮幅度分別為 NS1375×10－10、EW 1167×10－10、NE1379×10－10、NW 1432×10－10，其中，NW分量幅度最大，EW分量幅度最小，但四分量變化幅度基本在同一量級，該異常發生在呼圖壁MS6.2地震前一天，12月10日數據基本恢復正常形態，分析認為，該壓性臺階是呼圖壁MS6.2地震臨震異常，震中距為102km（圖9）。

圖8 小泉溝鉆孔分量應變NW分量分鐘值曲線

2016年7～10月，小泉溝分量鉆孔應變四分量出現不同程度的壓縮-拉張現象，四分量異常開始時間、結束時間、異常幅度、異常形態及異常持續時間等均不相同（圖10），NS分量異常幅度最大，為69×10－9；NE分量異常幅度最小，為11×10－9；NW分量異常持續時間最長，為70天；EW分量異常持續時間最短，為32天。NS、EW兩個分量均有先壓縮、后壓縮速率變緩的現象；NE分量為壓縮-拉張交替出現；NW分量則有先拉張、后壓縮的現象。該異常結束后約2個月，發生2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震，震中距 195km。由于該資料自2016年5月30日開始積累，當時資料積累時間較短，該壓縮-拉張異常變化未及時判定為異常，在地震發生后回顧分析時認為，該壓縮-拉張變化應是地震前地殼應變失穩的表現。

圖9 2016年11月26日～12月20日巴侖臺分量鉆孔應變分鐘值曲線

圖10 小泉溝分量鉆孔應變呼圖壁MS 6.2地震前分鐘值曲線

4 討論和結論

經前人總結（蔣靖祥等，2000），鉆孔應變異常從出現到發震最長時間為150天，最短為1天，絕大部分地震發生在3.5個月之內，未來震中方位一般發生在應變量最大的元件方向，鉆孔應變異常對于地震的短臨預測具有一定的意義。

精河MS6.6地震震前分量鉆孔應變異常較多，但在分析中發現，并非架設的所有分量鉆孔應變均有異常，且異常分布與震中距關系不大，有些測項距地震震中較近卻未出現異常，而有些測項距震中較遠反而出現異常。作者從構造角度對該區域地質結構進行分析，在天山中段對本區域地質結構影響較大的主要是博羅科奴-阿其克庫都克斷裂，該斷裂深切巖石圈，深度達100km以上，是古板塊構造的分界線，走向呈NW-SE向，傾角較陡，為右旋走滑斷裂，在境內長度約1000km以上。以博羅科奴-阿其克庫都克斷裂為界，在該斷裂的西南側所分布的中小斷裂多以右旋走滑、右旋走滑兼逆沖為主，只有少數的逆沖斷裂；在該斷裂的東北側大多數以逆沖斷裂為主，僅在博羅科奴-阿其克庫都克斷裂附近有極為少數的右旋走滑斷層。精河MS6.6地震震前出現的前兆異常全部分布在博羅科奴-阿其克庫都克斷裂的西南側，且臺站周邊的斷裂大多數是走滑斷裂或走滑兼逆沖斷裂，如小泉溝臺附近的洪水溝斷裂、焉耆斷裂；巴侖臺臺附近的烏拉斯臺斷裂、包爾圖斷裂；尼勒克臺附近的伊犁盆地北緣斷裂；鞏留臺、新源臺附近的烏孫山山脊斷裂。而未出現震前異常的石場臺、呼圖壁雀兒溝臺和榆樹溝臺均分布在博羅科奴-阿其克庫都克斷裂東北側，且臺站附近斷裂均為逆沖斷裂。

據前人研究，在地震孕育過程中，巖石塊發生滯滑移動，以力鏈形式分布和傳遞（陸坤權等，2011），在走滑斷裂中，應力沿斷層走向方向傳遞；在逆沖斷裂中，應力沿垂直于斷層走向方向傳遞。以2016年呼圖壁MS6.2地震為例，該地震為逆沖型地震，主壓應力方向近 NS向，與周邊斷裂走向基本垂直（劉建明等，2017）。天山中段斷裂走向以NWW-SEE為主，在博羅科奴-阿其克庫都克斷裂西南側大多數斷裂為走滑斷裂，應力傳遞方向理論上應與斷裂走向一致，為NWW-SEE向，該方向與精河MS6.6地震震前異常出現的時間順序在空間方向上具有一致性，震前異常最先出現在小泉溝臺，隨后向NWW方向發展，分別在尼勒克臺、鞏留臺和新源臺依次出現，最后又向NEE方向轉移，出現在巴侖臺臺。分析認為，該異常的時空分布應該與應力傳遞的時空分布具有一致性，但是由于基巖條件、周邊環境、斷層性質等的差異，異常持續時間的長短也可能存在一定的差異。

通過對2017年8月9日精河MS6.6地震前鉆孔應變異常特征進行分析，初步得出以下認識。

（1）此次地震發生前，在天山中段9套鉆孔應變觀測儀器中有5套出現震前異常現象，異常特征豐富，主要表現為短期異常和臨震異常。異常特征主要表現為壓縮-拉張變化、壓縮速率變快、高頻抖動信息、規律性脈沖及周期性臺階變化等。進一步分析異常特征發現，壓縮-拉張變化主要表現為短期異常，規律性脈沖及周期性臺階變化夾雜到壓縮-拉張變化之中；壓縮速率變快及高頻抖動信息主要為臨震異常。

（2）在短時間內同一地區多套儀器準同步出現異常變化，可能是地下應力的調整過程。精河MS6.6地震之前，小泉溝分量鉆孔應變于2017年1月1日最先出現異常，4月6日結束；尼勒克分量鉆孔應變于2017年3月9日開始出現異常，7月1日結束；7月中旬至8月初鞏留分量鉆孔應變、巴侖臺分量鉆孔應變和新源分量鉆孔應變臨震異常陸續出現。對于類似短時間內多套儀器準同步出現的異常變化，在后續資料跟蹤中應引起高度重視。

（3）鉆孔應變異常可以用“極大應變方向法”（蔣靖祥等，2000）判定未來震中位置，如果同一區域，多套鉆孔應變在相近時間段均出現異常，則需要重點關注極大應變方向重合區域，并結合其他異常資料來判定未來地震可能發生的地點。精河MS6.6地震就發生在小泉溝分量鉆孔應變最大應變NW分量方向和尼勒克分量鉆孔應變最大應變NE分量方向延伸的重合區域。

（4）此次地震震前異常均分布在博羅科奴-阿其克庫都克斷裂的西南側，且異常周邊斷裂以走滑斷裂或走滑兼逆沖斷裂為主，異常出現的時間順序在空間上與天山中段斷裂走向基本一致，故認為該異常的時空分布應與應力傳遞的時空分布具有一致性。