呼图壁M_S6.2、精河M_S6.6地震均为以逆断错动为主的构造地震(刘建明等,2018; 朱治国等,2018; 王苏等,2018)。构造地震是地壳运动的产物,而GPS、跨断层水准等地形变观测是获得地壳运动变化信息的直接途径。许多学者研究认为,强烈的构造地震多发生在地壳差异运动显著的区域:①利用GPS速度场计算得到的与相关断裂构造活动背景一致的剪切应变或面应变高值区或其边缘、应变差异变化高梯度带,可以反映局部区域强差异运动与应力应变集中特性(江在森等,2006,2009; 朱治国等,2018); ②利用水准观测所得到的与构造活动背景一致的跨断裂显著垂向差异变化区(陈兵等,2000; 张希等,2014a)。

图1为新疆北天山地区跨断层流动水准场地与地球物理场GPS站点分布,跨断层流动水准场地所跨断裂如表1所示,各断裂活动性质均为逆断。李杰等(2010)、朱治国等(2018)分别利用1998—2008年、2013—2017年GPS速度场资料获得了北天山地区以挤压缩短为主的活动特性结论,与地质资料一致。

图1 北天山地区跨断层流动水准场地与GPS站点分布
Fig.1 Distribution of mobile cross-fault leveling sites and GPS points in Northern Tianshan area

表1 北天山地区断层形变趋势累积率计算结果
Tab.1 Computed trend accumulation rates for fault deformation in Northern Tianshan area

陈兵等(2000)提出了趋势累积率指标,即通过式(1)计算青藏块体东北缘地区某场地某跨断层测线长时间尺度的趋势累积变化,反映一种广义应变的累积强度:[KH*3]σ=[SX(]∑[DD(]n-1[]k=1[DD)](h_k+1-h_k)/(t_k+1-t_k)[]∑[DD(]n-1[]k=1[DD)][JB<1|]h_k+1-h_k[JB>1|]/(t_k+1-t_k)[SX)][JY](1)[KH*3D]式中:h_k,t_k(k=1,2,…,n)分别为下盘测点相对上盘测点的高差变化观测值和时间序列,计算所得负值反映逆断、正值反映正断特性。若正逆断特性与地质背景一致且绝对值较大,说明趋势变化的有序性好,反映应变积累时间较长或强度较高(李媛等,2016; 张希等,2018)。

本文对2012年至2016年9月(呼图壁地震前)、2012年至2017年6月(精河地震前)北天山地区12处流动水准场地14条跨断层测线(表1)的趋势累积率进行了计算(扣除了2017年3月泉子街3-2测线、宁家河3-1测线出现的与冰冻有关的干扰性突跳,2013年9月卡子湾4-1测线出现的与水库蓄水有关的巨幅突跳,通过线性内插或扣除巨幅突跳变化量使资料连续),结果见表1和图2,并通过最小二乘配置方法(江在森等,2006,2009)将2009—2015年、2015—2017年2个时段的GPS面应变等值线分布绘于图2。

图2 断层形变趋势累积率与GPS面应变率分布
Fig.2 Trend accumulation rates for fault deformation and distribution of GPS surface expansion strain rate.

由图2可以看出,2个时段的GPS面应变等值线均显示以挤压为主,断层形变趋势累积率也显示逆断特性占多数的特征(逆断趋势累积的测线分别占测线总数的8/14和9/14),这些均与北天山地区以逆断挤压为主的地质背景相符。

表1显示同跨准噶尔南缘断裂的庙尔沟、宁家河、巴音沟3处场地中有2处为逆断特性,同跨霍尔果斯断裂的大丰、卡子湾、红山嘴3处场地中也有2处场地呈逆断特性。通过比较跨断层测线趋势累积率正断、逆断特性与长达6年的GPS面应变张压特性的一致性(图2a)发现一致的测线占11/14,只有巴音沟、卡子湾、西山3处场地特性相反,可能与相对稀疏的GPS站点密度所造成的解算过程中的低分辨率有关。

事实上,地质资料所指的逆断,反映的是断裂的总体、长期活动性质,但某些场地呈现与总体逆断特性相反的正断变化,其原因推测如下:①从空间尺度来看,断裂本身几何展布复杂,活动特性可能存在分段差异,加上跨断层场地测线不长,且分散布设、独立观测,每处场地仅能控制断裂的局部小段落,场地条件也有差异; ②从时间尺度来看,跨断层观测时间还不到10年,北天山地区地形变观测也才数十年,仅是地质年代里很小的一个段落,观测到的“反向正断变化”可能仅表示该时间段逆断活动相对之前一段时间减缓,且这样的场地只占少数。鉴于上述原因,北天山地区现阶段的跨断层观测结果符合断裂活动的时空差异性及地形变观测实际(图2所示GPS面应变分布也存在局部区域或某些时段反向拉张的情况,不排除站点环境差异、干扰和解算误差等造成的站点间速度差异)。

综合分析认为,2011年底测线全面改造后获得的2012—2018年跨断层水准观测新数据总体上能反映出北天山地区以逆断挤压为主的构造活动特性,具有观测效能和研究意义。

从分析呼图壁与精河地震前孕震背景的角度,笔者认为:

(1)由图2可见,2009—2015年GPS面应变率总体上西弱、东强,石河子市和昌吉市附近为最高负值区,高达-6×10^-8/a,反映与地质背景一致的强挤压差异运动和应力应变集中状态,2016年呼图壁M_S6.2地震就位于该区边缘; 精河震区显示-4×10^-8/a较高压应变分布,也显示一定程度应变积累背景。2015—2017年(GPS观测实施于年中,精河地震发生在2017年8月9日,该时段速度场数据可以反映精河震前的水平地壳运动)面应变率较2009—2015年增大,显示东弱西强,与上一时段相反,中西部地壳差异运动增强,由新源、古尔图至乌苏、乌苏以北出现先挤压、后拉张、再挤压交替变化的高梯度分布,以挤压变化为主,精河地震仍位于压性高值区内,震中位置压应变率高值达到-6×10^-8/a,较上一时段构造运动增强,显示应变能积累加速特性; 而发生了呼图壁M_S6.2地震的东部区域相对偏弱。即使2015—2017年研究区西部应变率增强,包含呼图壁地震影响因素,这种影响也是有利于精河地震孕育发生的正影响。因此,GPS资料对呼图壁和精河地震前孕震背景有所反映,且与朱治国(2018)利用2013—2017年GPS资料的分析结果相符。

(2)由图2a与表1可见,呼图壁地震前,多数跨断层测线不仅表现为逆断性趋势累积特征,且趋势累积率绝对值较大,可能反映强应变积累的测线相对集中在震区附近,尤其是距震中29 km的大丰场地的2条测线、距震中63 km的宁家河的1条测线,逆断性趋势累积率高达-0.50～-0.75。由图2b与表1可见,相对图2a跨断层数据截止时间,仅增加9个月的2期水准观测,趋势累积率变化量虽然不大,但以大丰场地为界,大丰及其以东的测线趋势累积率总体减弱(表1中前5处场地、6条测线,趋势累积率绝对值均值由0.44减小为0.36),以西的测线总体增强(古尔图4-1测线由正断转为与地质资料一致的逆断特性; 而正逆断特性未变的7条测线中,趋势累积率绝对值均值由0.33增为0.38)。距精河地震最近的3处场地中,距震中63 km的古尔图场地由正断转为逆断,距震中155 km的巴音沟测线逆断趋势累积率明显增大,距震中139 km的伊宁测线起测以来一直维持高逆断趋势累积特性。[KG)]

综上可知,趋势累积率指标对呼图壁M_S6.2和精河M_S6.2地震都有背景异常反映; 呼图壁M_S6.2震后西部增强、东部减弱的特性也与前述GPS面应变变化特征一致。

北天山地区跨断层水准测线长度数百米至一千五百米左右,属近断裂区观测,反映场地所在小区域断层活动或大区域应力加载导致的形变应变。呼图壁M_S6.2与精河M_S6.6地震发震构造分别是齐古背斜以南深部隐伏断层(刘建明等,2018)和库松木契克山前断裂(朱治国等,2018),地震错动以逆断为主。尽管本文所用14条跨断层测线没有布设在发震断层上,但这2次地震及12处跨断层场地均位于以逆断挤压为主要活动特性的北天山构造区,受印度板块与欧亚大陆的碰撞推挤同一动力源作用,构造上存在关联。地震发生前中短期(1年内)至短期(3个月内)阶段,可能出现断层活动加速、应力加载或应力应变状态的改变、甚至断层微破裂或预位移,同一构造系的多条断层也可能相互影响,从而在大的构造区某些敏感场地观测到异常。

灰色关联度指标可反映断裂活动的总体趋势及其动态演变,突出各场地观测值时序变化的共性特征,其加速或转折异常具有中短期-短期前兆意义(张希等,2012,2014a,b),可利用跨断层水准观测数据的归一化计算和灰色关联度加权合成实现。

具体计算方法如下:首先对每处场地形成以4月、9月为时间点的垂向活动时变曲线。一般每年4月、9月施测,但2017年加密为4期观测,3月、6月求高差均值并以4月为时间点,9月、12月求高差均值仍以9月为时间点; 每个时间点高差观测或计算均值减去第1时间点高差观测或计算均值,使首次观测为0,突出时间点间相对变化; 若跨断层测线不止1条,对相同时间点再求均值。由此可获得该场地跨断层垂向活动时序变化h_t(t=1,2,…,n; h₁=0),时变曲线向下表示逆断、向上为正断特性。

由于各场地独立观测,场地条件与活动水平、特性存在差异,为提炼构造活动总体趋势,需将每处场地垂向活动序列除以其本底水平,使各场地间具有可比性。定义本底水平为其绝对值均值与离散度之和,则归一化后的场地j某时刻t(t=1,2,…,n)无量纲的活动变化量为:

[FL)][KH-1][KH*2/3]u^t_j=[SX(]h_t[][SX(]1[]n[SX)]∑[DD(]n[]k=1[DD)][JB<1|]h_k[JB>1|][KG-*4]+[KG-*2][KF(][SX(]1[]n-1[SX)]∑[DD(]n-1[]k=1[DD)][JB<2*[](h_k+1-h_k)-[SX(]1[]n-1[SX)]∑[DD(]n-1[]k=1[DD)](h_k+1-h_k)[JB>2*]]²[KF)][SX)][JY](2)

扣除本底水平后提取综合指标时,如果能增加与其它场地相似度较高的场地权重、减轻相似度偏低的场地权重,则有利于突出与构造活动相关的共性特征。设计算区域内有m处场地,每处场地垂向活动量为u^t_j(t=1,2,…,n; j=1,2,…,m)。要计算其中第j个场地相对其它m-1个场地的灰色关联度γ⁰_j,则应以{u^t_j[JB<1|]t=1,2,…,n}为参考序列,{u^t_l[JB<1|]t=1,2,…,n}(l=1,…, j-1, j+1,…,m)为比较序列,分辨系数ρ=0.5,u^t_l与u^t_j的关联系数为:

[KH*1D][JP3] φ_l(t)=[SX(]min_lmin_t[KG-*3][JB<1*|]u^t_j-u^t_l[JB>1*|][KG-*2]+ρmax_lmax_t[JB<1*|]u^t_j-u^t_l[JB>1*|][][JB<1*|]u^t_j-u^t_l[JB>1*|][KG-*2]+ρmax_lmax_t[JB<1*|]u^t_j-u^t_l[JB>1*|][SX)][JY](3)

γ⁰_j=[SX(]1[]m-1[SX)]∑[DD(]m[]l=1,l≠j[DD)][JB<2*[][SX(]1[]n[SX)]∑[DD(]n[]t=1[DD)]φ_l(t)[JB>2*]][JY](4)

式(2)计算所得t时间点的断层活动变化量为u^t_j,则该时间点无量纲的灰色关联度指标为:α^t=[SX(]∑[DD(]m[]j=1[DD)]γ⁰_ju^t_j[]∑[DD(]m[]j=1[DD)]γ⁰_j[SX)][JY](5)

本文计算北天山地区11处场地13条测线灰色关联度垂向指标(图2和表1显示卡子湾场地与地质背景相反的高正断趋势累积率,观测曲线显示即使扣除2013年9月水库蓄水引起的60.8 mm的巨幅突跳,之后每年仍继续上升,平均变幅较大,达4.2 mm,可能存在问题,因此未参与计算),如图3所示。从图3可以看到,尽管整个北天山测区有下降、回升的起伏变化(不排除观测季节的气候、冻土等影响因素),但其主要的变化趋势仍然是与地质资料一致的逆断下降,呼图壁地震前无明显异常; 而精河地震前的2017年上半年逆断加速显著,这一现象是与精河地震有关、还是反映呼图壁震后影响,需进一步分析。

首先,对呼图壁M_S6.2地震震区周边半径200 km(该范围内有黄草梁、西山、庙尔沟、

图3 北天山地区灰色关联度指标曲线(向下为逆断、向上为正断变化)
Fig.3 Curves of grey relativity index in Northern Tianshan area(downward and upward variation displays thrust and normal features,respectively)

大丰、红山嘴、宁家河、独山子、巴音沟8处场地)、300 km(增加古尔图1处场地)、500 km(再增加泉子街1处场地)内跨断层场地计算灰色关联度垂向指标,结果见图4a-1。图4a-1显示在2016年9月出现略超出以往正常年变的正断转折突跳,但未超出灰色关联度指标值序列的二倍均方差,故异常并不明显。

对精河M_S6.6地震震区周边半径200 km(有独山子、巴音沟、古尔图、伊宁4处场地)、300 km(有红山嘴、宁家河、独山子、巴音沟、古尔图、伊宁6处场地)、500 km(除泉子街外10处场地)内跨断层场地计算灰色关联度垂向综合指标,结果如图4a-2所示。图中显示,2017年上半年(有3月、6月2期观测,灰色关联度计算的时间点记为4月)即震前2～5个月3条曲线均显示逆断加速特性,尤其震区周边半径200 km与300 km范围内,灰色关联度指标的变化幅度更大,很可能反映震前中短期-短期阶段断层活动加速现象。图5为精河地震震区周边半径200 km范围内有不同程度逆断加速突跳变化的原始观测曲线(测量中误差为±0.25 mm/km,即使最长达1.5 km的测线其误差也最多为±0.38 mm,图5所示加速突跳幅度为1.99～3.27 mm,未发现干扰问题,因此异常可靠)。

图4 呼图壁和精河地震震区周边一定范围内的灰色关联度指标曲线(a)以及去趋势和基本年变量后灰色关联度指标曲线(b)
Fig.4 Curves of grey relativity index in the surrounding region of the Hutubi and Jinghe earthquakes(a) and relative curves after deducting the trend and basic annual variations(b)

图5 精河地震前周边200 km内主要的跨断层异常观测曲线
Fig.5 Main abnormal observational curves of cross-fault deformation in the range of 200 km from the epicenter before the Jinghe earthquake

图4a-2显示从起测至2016年9月精河地震前这相对稳定的5年间,3条曲线的逆断下降速度不同。若用直线做趋势线拟合,震区周边半径200,300,500 km范围内3条曲线的趋势线斜率分别为-0.18、-0.15、-0.05,距震中越近,下降速度越快,揭示能量积累背景也越显著。去掉该趋势,再扣除基本年变量(因这5年间数据仅9期,用傅立叶公式扣除周期性年变效果不好,故对该时段内4月和9月的灰色关联度指标值分别求均值,再用2012—2018年所有4月和9月灰色关联度指标值分别减去4月和9月的均值,以扣除基本年变和削弱季节差异,突出2017年以后的异常变化),结果见图4b。由图4b-2可以看出,距精河震中越近,2017年上半年的逆断突跳幅度越大(均超出二倍均方差),震后恢复趋势也越明显; 图4b-1显示呼图壁地震后2017年上半年的逆断加速距震中越远,加速幅度还略增。由于图4b-1和4b-2所用场地部分重合,比如呼图壁震区周边半径200 km范围内8处场地中就有4处场地位于精河震区周边300 km范围内,综合图3～5分析,图4b-1所示2017年上半年逆断加速反映呼图壁同震形变或震后影响的可能性不大,更可能与精河地震有关。

从图4b-2还可以看出,2013年4月精河地震震区周边半径200 km范围内出现明显逆断加速突跳,但异常幅度还是小于精河地震前加速异常,且距震中越远突跳幅度越小,考虑到2012年6月新源发生了M_S6.6地震,该地震距精河地震震中仅100余千米,因此该异常也有可能反映的是新源地震的震后影响(震级高于呼图壁地震)。综合图3～5可知,北天山地区跨断层资料对震级超过6.5的精河地震中短期-短期前兆异常、新源地震震后影响有相对明显的反映。