2021年3月24日新疆拜城MS 5.4地震總結

解孟雨 馬亞偉 張小濤 于 晨 苑爭一 姜祥華 盧 顯 王 月 韓顏顏

（中國北京 100045 中國地震臺網中心）

0 引言

據中國地震臺網測定，2021 年3 月24 日05 時14 分在新疆阿克蘇拜城縣（41.70°N，81.11°E）發生5.4 級地震，震源深度10 km。截至2021 年4 月30 日，共記錄ML1.0 以上余震27 次，其中ML1.0—1.9 地震13 次，ML2.0—2.9 地震8 次，ML3.0—3.9 地震5 次，ML4.0—4.9 地震1 次，最大為3 月24 日ML4.0 地震。此次拜城MS5.4 地震震中位于天山地震帶中段、庫車坳陷西南部（歷史地震較活躍區），與庫木格熱木斷裂間距最近，約12 km。據中國地震臺網中心（CENC）結果，震源機制顯示該地震為走滑型地震。

文中詳細介紹了此次地震震中地區構造背景、區域歷史地震活動特征、震源機制、序列特征及序列各參數計算結果，并總結了震前出現的地震活動和地球物理觀測等異常，為新疆地區5 級以上地震的中短期預測積累了震例資料。

1 構造背景和歷史地震

2021 年新疆拜城MS5.4 地震發生在庫車坳陷西南部。庫車坳陷是塔里木盆地北緣的重要構造單元，是一個完整的前山逆沖推覆構造，以山地、丘陵和戈壁為主，東西長500 km，南北寬約30—70 km。該構造區歷經多期構造運動，其中喜山運動對其影響最為強烈。整個庫車坳陷呈現出“五帶三凹”的次級構造分布特征，主要發育逆沖推覆構造（余一欣，2006；趙俊猛等，2008；陳清文，2017）。此外，庫車坳陷作為南天山山前構造運動強烈地區之一，歷史上多次發生強破壞性地震，最大地震為1949 年庫車71/4級地震（沈軍等，2006），距本次拜城MS5.4 地震震中約241 km。從斷層分布看，庫木格熱木斷裂與拜城MS5.4 地震最近，間距約12 km（圖1），相應的斷層運動以逆沖為主。

據統計，1900 年以來，拜城MS5.4 地震震中100 km 范圍內發生5 級以上地震12次（含余震），其中：5.0—5.9 級地震10 次，6.0—6.9 級地震2 次。在以上地震中，2020 年3 月23 日新疆拜城MS5.0 地震與此次地震發震時間間隔最小，且震中距離最近，約6 km；1959 年6 月28 日新疆溫宿63/4級地震震級最大，距此次地震震中約95 km（圖1）。

2021 年拜城MS5.4 地震發生后，中國地震臺網中心（CENC）、中國地震局地球物理研究所（CEA-IGP）、萬永革等團隊以及德國地學中心（GFZ），采用不同方法和數據，給出震源機制解，結果見圖1 和表1。由表1 可知：①除CEA-IGP 給出的斷層上盤相對下盤的滑動方向與其余機構有差異外，節面I 滑動角的反演結果均接近180°或-180°，節面Ⅱ滑動角的反演結果均在0°—15°以及-10°—0°，顯示拜城MS5.4 地震為走滑型地震；②矩震級反演結果一致，均為MW5.2；③震源深度相差較小，其中CENC 結果為12 km，GFZ的結果為13 km。

表1 拜城MS 5.4 地震震源機制解Table 1 The focal mechanism solutions of the Baicheng MS 5.4 earthquake

圖1 2021 年3 月24 日拜城MS 5.4 地震震中附近歷史地震分布及主震震源機制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

2 拜城MS 5.4 地震序列活動特征

為分析地震序列的活動特征，首先需要劃定序列活動的時空范圍，挑選序列所屬地震。對于前震的空間范圍，據Chen 等（1999）的定義，即主震震中20 km 范圍內，主震前發生的地震為前震。而對于前震的時間范圍，Papadopoulos 等（2018）的研究結果顯示，MW5.0左右主震的前震強活躍期在主震前20 天之內，為避免遺漏，定義前震為主震前30 天發生的地震。至于余震，則在主震后震中附近小地震的集中區域進行篩選。2021 年3 月24 日拜城MS5.4 地震發生前1 個月，震中20 km 范圍內僅發生1 次ML4.0—4.9 地震，即2021 年3月14 日拜城ML4.9（MS4.5）地震，距主震震中約20 km。而此次MS5.4 地震發生后，即2021 年3 月24 日至4 月30 日，震區共記錄ML≥1.0 余震27 次，其中ML1.0—1.9 地震13 次，ML2.0—2.9 地震8 次，ML3.0—3.9 地震5 次，ML4.0—4.9 地震1 次，最大余震為3 月24 日21時14 分發生的拜城ML4.0（MS3.4）地震（表2，圖2）。

表2 拜城MS 5.4 地震序列目錄（ML ≥3.0）Table 2 Catalogue of the Baicheng MS 5.4 earthquake sequence (ML ≥3.0)

圖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發生在震后3 天內，共記錄ML≥1.0 余震17 次，約占目前所記錄余震總數的63%，含序列最大余震（圖3）。在隨后的1 個月內，序列仍有余震活動。4 月5 日拜城ML3.2 地震后，地震活動水平明顯降低，僅發生2 次ML3.0 以下地震。整體上看，目前拜城地震序列余震活動呈持續衰減特征。

圖3 拜城MS 5.4 地震序列M—t 圖(a)和日頻次圖(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MS5.4 主震（ML5.7）與其他最大地震（ML4.9 前震）的震級差為0.8，主震釋放能量占序列的95.56%，表明MS5.4 主震釋放了此次地震序列的絕大部分能量。從空間分布看，余震活動集中在主震震中20 km 范圍內，且分布無明顯方向性，最大余震（ML4.1）則位于主震西北方，距離約10 km（圖2）。

基于拜城地震序列目錄，利用ZMAP 軟件中最小完整性震級Mc的計算方法（Wyss et al，1999；Wiemer et al，2000；Mignan et al，2012），即結合擬合優度測試（GFT）和修正最大曲率法（MAXC），計算得到此次地震序列的最小完整性震級，即Mc=ML2.1 ± 0.5（圖4）。而在目前的余震序列中，震級大于最小完整性震級Mc的余震僅有13 個，無法滿足序列參數b值和h值的計算要求。但是，結合前震和余震活動的分析，綜合判定拜城MS5.4 地震序列為前震—主震—余震型地震序列。

圖4 拜城 MS 5.4 地震序列完整性震級Fig.4 The magnitude of completeness for the Baicheng MS 5.4 earthquake sequence

3 拜城MS 5.4 地震前異常特征

拜城MS5.4 地震發生前，在地震活動方面，新疆地區主要存在以下中短期地震活動性異常：天山中部3、4 級平靜打破、天山中部3.5 級地震帶狀分布和天山中部3 級地震高頻。同時，震前存在地震發生率指數、固體調制比、低b值異常、MMEP 異常和多參數概率譜異常。對于地球物理觀測異常，在震中300 km 范圍內，震前共出現5 項異常，其中形變3 項，電磁2 項，均分布在震中東北和西南部100—300 km 范圍內（圖5）。

圖5 拜城MS 5.4 地震震中附近地球物理觀測臺站及異常分布Fig.5 The distribution of geophysical observation stations and anomalies before the Baicheng MS 5.4 earthquake

3.1 地震活動異常

（1）天山中部3、4 級地震平靜被打破。2020 年，天山中部不同區域出現3、4 級地震平靜，見圖6 中A、B、C、D 區，其中：①A、B、C 區屬4 級地震平靜區，出現時間分別是2019 年9 月16 日至2020 年12 月11 日（A 區）、2019 年9 月20 日至2020 年8 月4 日（B 區）、2018 年1 月19 日至2020年9 月19 日（C 區）；②D 區為3 級地震平靜區，出現在2020 年1 月1 日至2020 年9 月19 日。其中，A 區和B 區可用來預測5.5級以上地震，C 區和D 區可用來預測5 級以上地震。因此，本次拜城MS5.4 地震對應C區和D 區的平靜異常，而A 區和B 區異常仍然有效。

圖6 天山中段3 級、4 級地震平靜區域分布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 級地震帶狀分布。2020 年9 月1 日開始，天山中部3.5—4.9 級地震呈NW 向帶狀分布（以下簡稱為天山中部3.5 級地震帶狀分布），2020 年12 月12 日烏魯木齊市4.2 級地震則位于該帶狀分布范圍之外，顯示天山中部3.5 級地震帶狀分布現象的結束（圖7）。震例總結顯示，2008 年以來，天山中段4 次5 級以上地震前曾出現地震帶狀分布現象。此外，2019 年12 月7 日—2020 年1 月8 日和2020 年5 月10 日—7 月12 日該區地震呈帶狀分布，分別對應了2020 年1 月16 日庫車MS5.6 地震和2020 年7 月13 日霍城MS5.0 地震。據此分析，認為2021 年拜城MS5.4 地震較好對應了該異常。

圖7 天山中段3.5 級地震帶狀分布Fig.7 The belt-like distribution of MS ≥3.5 earthquakes in the middle Tianshan

（3）天山中部3 級地震高頻。2021 年1 月31 日至2 月10 日，天山中部連續發生3 級以上地震6 次。據統計，2000 年以來，天山中部地區15 天內3 級以上地震平均發生1.3 次，加1 倍均方差后平均發生4 次。以15 天4 次3 級以上地震為閾值進行震例回溯，結果顯示，該異常發生后3 個月內，天山中部地區5 級以上地震的對應效果較好（表3）。本次拜城MS5.4 地震符合該統計規律，應視為對應該異常。

表3 天山中部3 級地震高頻后周邊5 級以上地震Table 3 The statistics of the subsequent MS ≥5.0 earthquakes after a high frequency of MS 3.0 earthquakes in the middle Tianshan

3.2 地球物理觀測異常

（1）烏什伸縮儀EW 分量。烏什伸縮測項位于拜城MS5.4 地震震中西南方向，相距約168 km。該測項自2012年8月21日起由趨勢壓縮轉為拉張，截至2021年3月24日拜城MS5.4地震發生前，異常持續3 000 多天，為長趨勢異常（圖8）。該分量在以往震前多次出現短期快速、大幅拉張變化，此次拜城MS5.4 地震前無類似突出變化，且震后并無轉向恢復跡象，故該長趨勢變化暫不作為此次拜城MS5.4 地震異常，其對后續地震仍具有預測意義。

圖8 烏什伸縮儀EW 分量異常變化形態Fig.8 The EW component anomaly characteristic of cave strain at Wushi station

（2）尼勒克鉆孔應變NE 分量。尼勒克鉆孔應變測項位于拜城MS5.4地震震中東北方向，相距約256 km。該測項自2019 年10 月出現反向拉張變化，至2020 年11 月底仍在持續（圖9），其后觀測系統發生故障，觀測數據可靠性降低，但異常現場核實和分析認為，2019 年10 月至2020 年11 月底期間的異常變化真實可靠，故該異常變化可以視為此次拜城MS5.4地震異常。

圖9 尼勒克鉆孔應變NE 分量異常變化形態Fig.9 The NE component anomaly characteristic of borehole strain at Nileke station

（3）果子溝鉆孔傾斜NS 分量。果子溝鉆孔傾斜測項位于拜城MS5.4 地震震中正北方向，相距約293 km。該測項自2020 年11 月加速北傾，幅度約0.151″，后續反向南傾（圖10）。震例回溯結果表明，2020 年7 月13 日霍城MS5.0 地震前，該測項出現類似反向變化異常，并于震前2 個月結束，持續時間約15 天。本次異常反向幅度遠比霍城MS5.0 地震前大，且地震發生后仍在持續，認為非此次拜城MS5.4 地震異常，對后續地震仍具有預測意義。

圖10 果子溝鉆孔傾斜NS 分量異常變化形態Fig.10 The NS component anomaly characteristic of borehole tilt at Guozigou station

（4）柯坪地電阻率NS、EW 測道異常。柯坪地電阻率NS 和EW 測道自2018 年出現同步下降變化，下降幅度分別為-0.83%和-0.53%，且NS 測道存在年變幅減小現象。根據以上地電阻率異常特征，2021 年度電磁學科地震會商會提出“南天山中段存在發生6—6.5 級地震的可能”的預測意見，并將該區域劃為年度危險區。

2019 年下半年柯坪地電阻率NS 測道年變幅度減小變化顯著，2020 年變幅減小，年變低值低于前2 年數值，2021 年3 月24 日發生拜城MS5.4 地震，微觀震中距柯坪地震臺218 km。此次拜城地震發生后，地電阻率數據開始轉折回返，近期無加速變化（圖11）。由于柯坪地電阻率NS 和EW 測道年變化幅度和日變化幅度均比較相近，表示2 個測道對氣象因素響應一致，目前2 個測道下降幅度的差異說明，該變化非地表淺層因素導致，因此柯坪地震臺所在區域2021 年度仍存在發生6 級以上地震的危險性。

圖11 柯坪地電阻率時序變化Fig.11 Time series curve of apparent resistivity in Keping,Xinjiang

3.3 地震學參數異常

（1）地震發生率指數。在強震發生前普遍存在地震活動頻度增強與平靜的現象（梅世蓉等，1997；陸遠忠等，1997）。不少研究表明，地震活動顯著增強或顯著減弱與強震發生具有一定時空相關性（平建軍等，2001；易桂喜等，2004）。地震發生率指數可對地震活動顯著增強與顯著減弱的典型異常同時進行定量識別。參照背景地震發生率，基于統計學模型，將實際地震發生率換算為0—1 之間的概率值，接近1 反映地震活動顯著增強，用紅色顯示，接近0 反映地震活動顯著減弱，用藍色顯示（姜祥華，2020）。拜城MS5.4 地震發生前2 個月，在震中西北出現地震發生率指數高值異常，此后該異常逐漸增強，異常面積逐漸增大，在異常持續過程中，于2021 年3 月24 日在異常區域邊緣發生新疆拜城MS5.4地震（圖12）。

圖12 拜城MS 5.4 地震前地震發生率指數異常演化（a）震前2 個月異常分布；（b）震前1 個月異常分布；（c）震前1 天異常分布Fig.12 Anomaly evolution of earthquake rate before the Baicheng MS 5.4 earthquake

（2）固體調制比異常。基于固體調制比異常預測地震是地震學預測中的常用方法之一。當地下應力達到或處于臨界狀態時，受固體潮調制，在一定條件下可能引起系統突變而發生地震（Lockner and Beeler，1999）。因此，可利用固體潮調制比尋找高應力集中區，預測未來中強地震發生的可能地點（韓顏顏等，2017）。此次拜城MS5.4 地震發生前，震中附近存在固體潮調制比異常，且震前短時間內較顯著。

拜城MS5.4 地震發生前約8 個月，即2020 年6 月底，震中東南側出現固體潮調制比高值異常，持續至2020 年7 月底至9 月底，且異常值有所升高；在震中西北側，同時段出現異常高值區，持續至2020 年10 月底至11 月底，而此時震中東南側異常高值區則發生調整，向震中西側轉移。2020 年12 月底，2 個異常區異常值均有所下降，2021 年1 月底至拜城地震發生前，震中附近西側出現異常區，且異常值逐漸上升，并于2021 年3 月24 日發生拜城MS5.4 地震（圖13）。

圖13 拜城MS 5.4 地震前固體潮調制比時空演化過程(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—2021-02-28Fig.13 The spatio-temporal evolution of earth tidal modulation ratio before the Baicheng MS 5.4 earthquake

（3）低b值異常。實驗研究表明，Gutenberg-Richter 定律中的b值大小與應力水平呈反比（Riviere et al，2018），同時實例顯示，凹凸體區域的b值一般較低（易桂喜等，2008），且大震前會出明顯的低b值異常（Gulia and Wiemer，2019）。因此，b值大小可以用來指示區域地震危險性水平。本次拜城MS5.4 地震前，短期內震中附近出現b值異常，且異常區域位置和大小未見明顯變化。

圖14 為拜城MS5.4 地震前震中附近地區b值時空演化圖，可見：在主震發生前約8個月，即2020 年7 月23 日起，震中東部約100 km 處持續存在低b值異常，而在與震中相距約200 km 的東北和西南方于7 月23 日出現低b值異常，至2020 年11 月23 日，西南方異常區消失，而東北方異常區異常值逐步升高，2021 年1 月23 日開始，東北方異常區發生調整，出現在震中北側，且后續異常區異常值未明顯改變，異常區范圍基本一致，后于3 月24 日發生拜城MS5.4 地震。

圖14 拜城MS 5.4 地震前b 值時空演化過程(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—2021-03-23Fig.14 The spatio-temporal evolution of b-value before the Baicheng MS 5.4 earthquake

3.4 多參數綜合計算方法

王海濤等（2008）提出基于多種地震學參數的地震對應概率譜方法，用以識別地震前兆異常。多參數概率譜方法主要選擇以下7 個參數進行綜合計算：①描述地震活動震級和頻度關系的b值、缺震、η值；②描述地震危險性的D值；③描述地震活動自身強度變化的Mf值、頻度N值；④環境因子調制參數Rm值。因此，截取2021 年3 月16 日前天山中部地震序列記錄，采用多參數概率譜綜合方法進行計算，結果顯示，3 月24 日拜城MS5.4 地震發生在預測的危險區域和時間范圍內。

對天山中部地區震情發展進行跟蹤分析，提取該區域1991 年1 月至2016 年12 月發生的ML6.0 地震，利用震前小震活動的多種地震學參數綜合異常特征，外推預測2017 年1 月之后的震情形勢，研究數據截至2021 年3 月16 日。時間跟蹤分析表明：目標地震在震前均出現多參數綜合高值異常（圖15）。

圖15 多參數概率譜變化曲線Fig.15 The change of earthquake corresponding probability spectrum of multi-parameter

在外推預測的2018—2019 年期間，多參數值保持低于平均值水平，但在2020年8 月開始轉折上升，且超過平均數值后繼續保持上升趨勢。3 月24 日拜城地震發生時間位于綜合指數上升階段，震中位于研究區域內，綜合分析認為，2021 年1月至2021 年3 月，在天山中部研究區內出現的多參數概率譜異常，應為2021 年拜城MS5.4 地震的震前異常。

3.5 MMEP 方法

多方法組合地震預測（Multi-Method Earthquake Prediction，MMEP）是基于基礎的物理關聯性，將圖像信息（PI）、加卸載響應比（LURR）、態矢量（SV）、矩加速釋放（AMR）4 種方法合理組合的地震預測方法（Yu et al，2013）。2021 年度地震會商提交的MMEP 計算結果顯示，PI 熱點和LURR 在天山中段地區存在顯著異常變化（圖16），需關注未來1 年內該區域6 級左右地震發生的可能。2021 年拜城MS5.4 地震發生在2021 年度MMEP 危險區內，同時位于LURR 異常邊緣，顯示震后短期內原震區發生更強地震的可能性不大，但是拜城MS5.4 地震后天山中段區域LURR 異常仍維持在較高水平，因此仍需關注該區域6 級左右地震發生的危險性。

圖16 拜城地震前LURR 異常分布Fig.16 The distribution of LURR before the Baicheng earthquake

4 討論與結論

本文重點梳理了2021 年3 月24 日拜城MS5.4 地震前出現的中短期異常。在地震活動異常中，此次地震符合2018 年1 月19 日至2020 年9 月19 日4 級地震平靜和2020 年1月1 日至2020 年9 月19 日3 級地震平靜所給出的預測，對應此2 項地震活動異常。同時，此次地震對應天山中部3.5 級地震帶狀分布和天山中部3 級地震高頻異常。但是，在天山中部地區仍存在2 項4 級地震平靜異常，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 級地震平靜，顯示該區未來存在發生5.5 級以上地震的可能。從地球物理觀測和地震學參數異常看，此次地震對應了尼勒克鉆孔應變NE 分量、地震發生率指數異常、固體調制比異常和低b值異常，并符合多參數綜合計算方法的預測。但是，該地震發生后烏什伸縮儀EW 分量和果子溝鉆孔傾斜NS 分量異常未出現變化，依舊持續，顯示后續天山中部仍可能發生中強地震。此外，柯坪地電阻率NS、EW 測道異常變化以及此次地震后LURR 異常的持續現象，均表明天山中部地區存在發生6 級左右地震的可能。因此，結合地震活動異常、地球物理觀測以及地震學參數異常，認為天山中部地區未來仍舊存在發生中強地震的可能。

2021 年拜城MS5.4 地震發生在庫車坳陷西南部，震中近庫木格熱木斷裂，是一次走滑型地震。主震前后地震活動特征顯示，此次拜城地震為前震—主震—余震型地震序列。通過對拜城MS5.4 地震發生前后地震活動以及地球物理觀測異常的梳理和分析，可以得到以下認識。

（1）拜城MS5.4 地震前存在前震活動。依據前人對于前震的定義，拜城地震前僅有1次前震，為3 月14 日拜城ML4.9（MS4.5）地震，后續分析該區域地震活動時，應關注前震的識別和分析。

（2）拜城MS5.4 地震序列余震活動呈衰減趨勢，且記錄較少。截至2021 年4 月30 日，僅記錄ML1.0 以上余震27 次，其中主震發生7 天后，余震活動水平逐漸減小，時間間隔逐漸增大，呈明顯衰減趨勢。

（3）地震活動異常和地震學參數異常的預測效果較好。拜城MS5.4 地震前存在6 項地震活動異常，天山中部3、4 級地震平靜（C 區和D 區）和天山中部3.5 級地震帶狀分布給出未來中強震發生的可能范圍，而天山中部3 級地震高頻則給出中強震的可能發震時間，拜城MS5.4 地震的發生均滿足上述異常推斷，顯示以上異常均有較好的預測效果。對于地震學參數異常，地震發生率指數、固體調制比和低b值異常在拜城MS5.4 地震發生前，主震震中區域均存在持續異常，有效預測了拜城MS5.4 地震的發震地點。

本文撰寫得到王海濤研究員和劉杰研究員的指導和鼓勵，蔣海昆研究員、晏銳研究員、孟令媛研究員和閆偉高級工程師給予諸多幫助和建議，中國地震臺網中心國家地震科學數據中心（http://data.earthquake.cn）提供數據支撐，在此對他們及中國地震臺網中心地震預報部同事的辛苦工作，一并表示衷心感謝。