黑龍江及周邊地區(qū)中強(qiáng)地震前加卸載響應(yīng)比特征分析

任建輝 李繼業(yè) 高 峰 胡濱生杜天嬌 孟令蕾

1）中國黑龍江 150021 哈爾濱市防震減災(zāi)技術(shù)中心

2）中國哈爾濱 150090 黑龍江省地震局

0 引言

國內(nèi)外地震預(yù)報實(shí)踐和震例研究表明，地震前兆是復(fù)雜的。地震的孕育是一個非線性過程，由此而表現(xiàn)出有前兆異常無地震和有地震無前兆異常等現(xiàn)象，即前兆異常與地震的不確定性關(guān)系。究其原因是，目前對地震孕育的機(jī)理仍不清楚，自然也就難以提出判明孕震過程的相關(guān)測量參量。

尹祥礎(chǔ)等（1991）根據(jù)震源區(qū)介質(zhì)的破壞即非線性系統(tǒng)失穩(wěn)這一自然現(xiàn)象，在斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等研究成果的基礎(chǔ)上，建立起來的一種新的地震預(yù)報方法——加卸載響應(yīng)比（Load—Unload Response Ratio，以下簡稱LURR）理論。LURR在地震預(yù)報方面得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了較好的預(yù)測效果，通常在中強(qiáng)地震發(fā)生前的數(shù)月至1—2年LURR出現(xiàn)高值。用此方法曾經(jīng)成功預(yù)測過1994年美國加州M 6.7地震、1996年日本關(guān)東M 6.6地震（尹祥礎(chǔ)等，2004）以及2004年阿富汗M 6.8地震（尹祥礎(chǔ)，2004）和2005年巴基斯坦M 7.8地震（尹祥礎(chǔ)等，2008）等；余懷忠等（2004）利用加卸載響應(yīng)比方法結(jié)合能量加速釋放（AER）方法，預(yù)測了2003年日本宮城一系列中強(qiáng)震；張暉輝等（2005）、張浪平等（2008）考察了美國西部地區(qū)加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域的時空演化，并用2001—2006年的掃描結(jié)果與次年實(shí)際發(fā)生的5級以上地震進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)絕大部分地震發(fā)生在前一年的預(yù)測區(qū)域內(nèi)，并根據(jù)加卸載響應(yīng)比的時空演化和該地區(qū)的最新掃描結(jié)果，對未來地震活動性進(jìn)行了分析；張浪平等（2011）對藏東南及周邊地區(qū)中強(qiáng)地震的研究，尤其提到了對2010年玉樹M 7.1地震的預(yù)測。隨著LURR方法的深入研究與推廣應(yīng)用，很多研究結(jié)果表明中小地震前也存在加卸載響應(yīng)比異常。尹祥礎(chǔ)（2004）等通過分析發(fā)現(xiàn)，加卸載響應(yīng)比方法與國內(nèi)5級以下中小地震也有較好對應(yīng)，使用該方法研究了首都圈M 4.0以上地震的情況，在所研究的時段內(nèi)（1996—2002年），預(yù)測的準(zhǔn)確率高達(dá)80%。另外，對2004年9月廣東陽江M 4.9地震做出成功預(yù)測。通過對房山煤礦7組M＞2.1礦震的研究發(fā)現(xiàn)，M 2.1礦震前出現(xiàn)明顯的加卸載響應(yīng)比異常，進(jìn)而提出在M 0—2.0地震記錄比較完整的條件下，有可能預(yù)測M 2.1以上地震，將以往該方法可預(yù)測M 4.0—8.0范圍內(nèi)的地震，下限可能外延至M 2.1，甚至更小（尹祥礎(chǔ)等，2005）；此外，陳連旺等（2008）用潮汐力引起的庫侖破裂應(yīng)力的增減作為加卸載判斷條件，對川滇地區(qū)的強(qiáng)震進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，川滇地區(qū)強(qiáng)震的庫侖破裂應(yīng)力的變化特征主要表現(xiàn)為加載而非卸載，導(dǎo)致潛在地震孕震進(jìn)程的加速，地震序列的應(yīng)力加速觸發(fā)作用顯著；余懷忠等（2010）使用庫倫應(yīng)力算法，得到美國南加州4次M＞6.5地震以及2008年中國汶川M 8.0地震的加卸載響應(yīng)比臨界區(qū)域和時間序列，發(fā)現(xiàn)其地震前兆變化明顯，對目標(biāo)地震的位置、震級預(yù)測明確。

眾所周知，各個地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造不同，使得加卸載響應(yīng)比理論在不同地區(qū)的應(yīng)用有其自身特點(diǎn)。本文首次使用LURR方法，對黑龍江及周邊地區(qū)14次ML≥5.0地震進(jìn)行震例總結(jié)，檢驗(yàn)響應(yīng)比理論在本地區(qū)的預(yù)測效果，提取相關(guān)異常特征，并希望能為黑龍江及周邊地區(qū)的地震預(yù)測提供一種實(shí)用性方法。

1 加卸載響應(yīng)比理論

加卸載響應(yīng)比理論自20世紀(jì)80年代提出以來（尹祥礎(chǔ)，1987），在地震預(yù)報實(shí)踐中得到比較廣泛的應(yīng)用和研究。加卸載響應(yīng)比理論的基本思路是：地震孕育過程的物理實(shí)質(zhì)就是震源區(qū)內(nèi)介質(zhì)的變形、損傷并導(dǎo)致失穩(wěn)的過程，所以地震的孕育過程就是震源區(qū)介質(zhì)的損傷、演化和破壞過程。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，加載與卸載的響應(yīng)相同；當(dāng)系統(tǒng)臨近失穩(wěn)時，加載與卸載的響應(yīng)不同，即加載響應(yīng)遠(yuǎn)大于卸載響應(yīng)，因而加載響應(yīng)與卸載響應(yīng)的比值反映了系統(tǒng)趨近失穩(wěn)的程度。把日月引潮力引起的地殼內(nèi)應(yīng)力的周期性變化作為對所研究地塊的加卸載手段，并可采用多種實(shí)際觀測量作為響應(yīng)變量計算加卸載響應(yīng)比，以加卸載響應(yīng)比值的變化作為判斷一定地區(qū)發(fā)生地震危險性的定量依據(jù)。地形變、體應(yīng)變、重力、地下水及與之相關(guān)的地磁參量均可取為響應(yīng)，該方法發(fā)展至今，更應(yīng)用潮汐力引起的庫侖破裂應(yīng)力的增減作為加、卸載的判斷條件。

加卸載響應(yīng)比理論的主要依據(jù)在于：從震源的本構(gòu)關(guān)系出發(fā)，當(dāng)震源介質(zhì)處于低應(yīng)力水平（彈性狀態(tài)）時，介質(zhì)對加載的響應(yīng)等于對卸載的響應(yīng)；當(dāng)震源介質(zhì)處于高應(yīng)力水平（非線性損傷狀態(tài)）時，介質(zhì)對加載的響應(yīng)大于對卸載的響應(yīng)（陸遠(yuǎn)忠等，2002）。本文選取所研究區(qū)域地震能量的貝尼奧夫應(yīng)變（相當(dāng)于室內(nèi)巖石實(shí)驗(yàn)中的聲發(fā)射）作為響應(yīng)，其優(yōu)點(diǎn)是：它們是目前條件下最容易得到的資料，攜帶震源處的孕震信息。此時，定義加卸載響應(yīng)比Y為式中Ei為單個地震能量，“＋”號表示加載，“－”表示卸載，將加載條件下發(fā)生的地震稱為正地震；反之為負(fù)地震。在某一區(qū)域及某一時段內(nèi)，所有正地震（個數(shù)為N+）能量的貝尼奧夫應(yīng)變之和與負(fù)地震（個數(shù)為N－）能量的貝尼奧夫應(yīng)變之和的比值Y，即定義為加卸載響應(yīng)比。當(dāng)介質(zhì)進(jìn)入非線性損傷狀態(tài)后，隨著失穩(wěn)狀態(tài)的逼近，Y值越來越大。因此，加卸載響應(yīng)比Y值可以定量描述介質(zhì)逼近失穩(wěn)的程度。地殼結(jié)構(gòu)中的孕震體是各種物質(zhì)混合而成的非均勻準(zhǔn)彈性體，因此用加卸載響應(yīng)比來判斷孕震體的失穩(wěn)程度是合理的。

2 異常分析

2.1 資料選取

選用黑龍江省數(shù)字地震臺網(wǎng)2009年前地震目錄和國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心地震目錄 2009 年后，研究的空間范圍為 40°—54°N、118°—136°E，掃描空間窗長為 0.5°×0.5°。考慮到黑龍江省數(shù)字地震臺網(wǎng)的監(jiān)控能力，起始震級為ML2.0，由于ML≥5.0地震為小概率事件，且這些地震并不屬于區(qū)域內(nèi)正常活動狀態(tài)，為了消除小概率事件對研究的影響，震級上限取ML4.9。研究的黑龍江及周邊14次ML≥5.0地震的具體信息見表1，地震空間分布見圖1。計算使用Mapsis軟件提供的程序。

圖1 研究區(qū)內(nèi)主要斷裂展布及ML≥5.0地震空間分布Fig.1 Fault zone and ML≥5.0 seismic spatialdistribution in study area

表1 黑龍江及其周邊ML≥5.0地震信息Table 1 The information of ML≥5.0 seismic in Heilongjiang and its surrounding area

從圖1可見，14次地震中有11次發(fā)生在研究區(qū)域的西部地區(qū)，體現(xiàn)了黑龍江及其周邊地區(qū)中強(qiáng)地震的活動特征，以松遼盆地及其西緣為主。筆者使用測震資料，檢驗(yàn)加卸載響應(yīng)比方法在幾次中等地震前的時空變化，提取異常特征，總結(jié)區(qū)域地震預(yù)測指標(biāo)。

2.2 歷次中強(qiáng)震加卸載響應(yīng)比時空掃描

圖2展示了14次中等地震前Y值的空間展布（計算參數(shù)選取見表2），圖中深顏色范圍表示加卸載響應(yīng)比值異常區(qū)域，顏色越深表示趨于失穩(wěn)的程度越深。從圖2可以看到，呼瑪?shù)卣鸢l(fā)生在加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域內(nèi)；林甸地震發(fā)生在加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域邊緣；牙克石地震發(fā)生在加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域內(nèi)；乾安地震發(fā)生在與異常區(qū)域相距25 km處；阿榮旗地震發(fā)生在兩個加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域之間，距離最近的為50 km；龍江地震也是發(fā)生在兩個異常區(qū)域之間，距離最近的僅為20 km；撫松地震發(fā)生前沒有加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域出現(xiàn)；通榆、俄羅斯地震都發(fā)生在異常區(qū)域范圍內(nèi)；通遼地震發(fā)生在加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域周邊，僅相距48 km；鄂倫春地震發(fā)生在兩個異常區(qū)域之間，距離最近的異常區(qū)為28 km；莫力達(dá)瓦、前郭地震均發(fā)生在加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域內(nèi)；而樺南地震發(fā)生在3個異常區(qū)域之間，相距最近53 km。

表2 黑龍江及周邊ML≥5.0地震加卸載空間掃描結(jié)果信息Table 2 The load/unload spatial scanning information of ML≥5.0 earthqukes in Heilongjiang and its surrounding area

從表2可以看出，14次震例中空間Y值的掃描半徑從50—90 km不等。原因是，通過選取不同的掃描半徑（40—120 km范圍內(nèi)，以10 km為間隔）進(jìn)行多次嘗試，發(fā)現(xiàn)不同的掃描半徑對異常區(qū)域的形成及空間范圍影響較大。本次研究主要是為了總結(jié)加卸載響應(yīng)比方法對以往震例的反應(yīng)特征和適用情況，所以研究本著空間異常區(qū)域最明顯，最能體現(xiàn)震中與異常區(qū)域關(guān)系的原則，對掃描半徑進(jìn)行擇優(yōu)篩選。選取后發(fā)現(xiàn)，以60 km、70 km為掃描半徑比較適合加卸載響應(yīng)比方法在本地區(qū)的使用，共使用11次，占全部的79%，且掃描效果較理想。震中位置在加卸載異常區(qū)域內(nèi)的共有7次，占全部的50%，使用掃描半徑為4次，60 km、50 km、70 km、80 km各1次；震中位置在加卸載區(qū)域周邊30 km范圍內(nèi)有10次，占全部的71%；震中位置在加卸載異常區(qū)域周邊50 km范圍內(nèi)有12次，占全部的86%；只有1次地震發(fā)生位置在加卸載區(qū)域50 km范圍以外，1次掃描無加卸載異常區(qū)域。

圖2 黑龍江及周邊14次中強(qiáng)地震前Y值空間掃描

從圖3時間序列曲線可以看出（時序曲線計算所使用的掃描范圍、半徑與空間掃描相同），地震多在以下兩種情況發(fā)生：①地震發(fā)生在時序曲線高值發(fā)生轉(zhuǎn)折后不久，例如圖3 中 （a）、（b）、（c）、（m）和 （n）圖；②在時序曲線經(jīng)過長時間的“上升—平穩(wěn)—下降”過程后發(fā)震，例如圖 3 中 （d）、（e）、（f）、（h）、（i）、（j）、（k）和 （l）圖。經(jīng)過分析，筆者認(rèn)為，可能由震源體承載加載能力的不同和加載增強(qiáng)速率的不同導(dǎo)致。第1種情況，在一個相對穩(wěn)定的加卸載環(huán)境下，加載突然迅速增大，在達(dá)到峰值后馬上形成相對穩(wěn)定的高加載狀態(tài)，震源體在此時發(fā)生破裂；第2種情況，在一個相對穩(wěn)定的加卸載環(huán)境下，加載逐漸（緩慢）增大并達(dá)到峰值，在經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定高加載后，加載逐漸減弱恢復(fù)到原加卸載環(huán)境狀態(tài)，之后不久震源體發(fā)生破裂。

通過上述分析可知，14個震例中，撫松地震前空間掃描和時序曲線掃描均無異常出現(xiàn)[圖3（g）]，可能是該地區(qū)地震資料相對匱乏，導(dǎo)致計算結(jié)果不理想。

圖3 黑龍江及周邊14次中強(qiáng)地震前加卸載響應(yīng)比時間序列

圖4 通遼地震前加卸載響應(yīng)比異常區(qū)與斷裂構(gòu)造、歷史地震關(guān)系Fig.4 The relationship between load/unloadresponse ratio abnormal area with the faultde structure and historical earthquakes before Tongliao earthquake

表3 黑龍江及周邊ML≥5.0地震加卸載時間掃描結(jié)果Table 3 The load/unload time scanning information of ML≥5.0 earthquakes in Heilongjiang and its surrounding area

2.3 加卸載響應(yīng)比與斷裂構(gòu)造關(guān)系

綜上所述，黑龍江及周邊地區(qū)ML≥5.0地震前加卸載響應(yīng)比的異常特征為。

（1）在加卸載曲線出現(xiàn)異常情況后6—89個月存在發(fā)生ML≥5.0地震的可能，即ΔT可以應(yīng)用于中長期地震預(yù)測。而從異常達(dá)到峰值時間與發(fā)震時間間隔可以看出，ΔT′更適合于中短期的預(yù)測。掃描信息見表3。

（2）地震一般發(fā)生在加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域內(nèi)，部分地震發(fā)生在異常區(qū)域周邊（50 km左右）地區(qū)，同時需要結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、活動斷裂的走向及歷史地震情況，更容易判斷未來震中可能的區(qū)域。例如，2013年通遼地震前的加卸載響應(yīng)比空間掃描圖，圖中加卸載響應(yīng)比異常區(qū)域包含了斷裂F1與F5、斷裂F2與F6的交匯區(qū)域，見圖4。首先，結(jié)合異常區(qū)域與斷裂構(gòu)造的關(guān)系，確定地震應(yīng)該發(fā)生在4條斷裂帶形成的2個交匯區(qū)域附近；第二步，結(jié)合異常區(qū)域與該地區(qū)歷史地震情況，史載1940年、1942年通遼地區(qū)分別發(fā)生兩次ML6.0地震，認(rèn)為該地區(qū)存在發(fā)生中強(qiáng)地震背景。另外，在2013年通遼地震前，該地區(qū)曾在2013年1—3月間多次發(fā)生中小地震，最大震級為ML4.4。

基于以上3點(diǎn)，結(jié)合斷裂構(gòu)造、歷史地震和地震活動性，認(rèn)為未來地震危險區(qū)應(yīng)該在加卸載響應(yīng)比異常區(qū)附近50 km范圍內(nèi)，并在4條斷裂形成的兩個交匯處之間的通遼附近地區(qū)。

3 結(jié)論

根據(jù)加卸載響應(yīng)比的時空掃描結(jié)果，筆者初步總結(jié)出該方法在黑龍江及周邊地區(qū)應(yīng)用的異常特征，提取了加卸載響應(yīng)比方法對未來主震時、空、強(qiáng)的預(yù)測經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。

（1）時間指標(biāo)。從加卸載響應(yīng)比時序曲線形態(tài)看，出現(xiàn)突然加速上升的形態(tài)，一般在曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折后半年內(nèi)存在發(fā)震的可能；而曲線形態(tài)出現(xiàn)緩慢“上升—平穩(wěn)—下降”的過程，一般在曲線恢復(fù)到原加卸載水平后3年內(nèi)存在發(fā)生地震的可能。綜合表3的統(tǒng)計情況，在異常出現(xiàn)后2年內(nèi)發(fā)震的占31%，3年內(nèi)發(fā)震占54%，5年內(nèi)發(fā)震占92%，具有中長期地震預(yù)測的應(yīng)用效能；而在異常達(dá)到峰值后3個月內(nèi)發(fā)震的占23%，2年內(nèi)發(fā)震占54%，3年內(nèi)發(fā)震占77%，具有中短期地震預(yù)測的應(yīng)用效能。

（2）空間指標(biāo)。從圖2可見，在空間掃描區(qū)域內(nèi)，如果只有一個完整的閉合等值線高值區(qū)域，那么地震往往發(fā)生在該完整等值線區(qū)域內(nèi)或者周邊，例如圖2中（b）、（d）、（h）、（j）和（m）圖；如果出現(xiàn)2個（或以上）完整的閉合等值線高值區(qū)域，那么地震可能發(fā)生在其中范圍較大的等值線區(qū)域內(nèi)［圖 2 中 （a）、（c）、（i）和 （l）圖］或者等值線區(qū)域連線之間，一般距離范圍大的等值線區(qū)域較近［圖 2 中 （e）、（f）、（k）和 （n）圖］。震中位置多在加載區(qū)域周邊50 km范圍內(nèi)，共有12次，占全部的86%；30 km范圍內(nèi)有10次，占全部的71%；而在異常區(qū)域內(nèi)的共有7次，占全部的50%。另外，對于未來主震危險區(qū)域的判斷，還應(yīng)該結(jié)合斷裂構(gòu)造、歷史地震、區(qū)域地震活動性活躍程度以及活動斷裂與異常區(qū)域的距離等因素。

（3）強(qiáng)度指標(biāo)。黑龍江及周邊地區(qū)ML≥5.0地震前一般都有加卸載響應(yīng)比異常出現(xiàn)。在強(qiáng)度預(yù)測方面，目前只能進(jìn)行主動探測，使用和預(yù)測與“目標(biāo)震級”相關(guān)的時空特征尺度進(jìn)行掃描。而總結(jié)異常峰值與震級大小的關(guān)系也沒有發(fā)現(xiàn)特別明顯的規(guī)律（其中5.0≤ML≤5.4地震對應(yīng)的最大異常值為4.83，ML≥5.5地震對應(yīng)的最大異常值為4.90）。總之。加卸載異常峰值和震級大小沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

（4）預(yù)測效能檢驗(yàn)。由掃描結(jié)果可知，在14次震例中只有1次預(yù)測特征不明顯，其余13次檢驗(yàn)結(jié)果較好。另外，筆者多次在《黑龍江省地震趨勢研究報告》和《哈爾濱及鄰近地區(qū)地震趨勢研究報告》中使用該方法作為地震危險區(qū)的判據(jù)之一，取得了不錯效果，并對2013年鄂倫春ML5.0地震和前郭ML5.8地震做出了一定程度的預(yù)測。

眾所周知，當(dāng)孕震系統(tǒng)接近或進(jìn)入臨界狀態(tài)時，系統(tǒng)的敏感程度增大，此時外界的觸發(fā)因素將起重要作用。較小的附加應(yīng)力便足以觸發(fā)孕震區(qū)的地震，尤其是中小地震的發(fā)生，用加卸載響應(yīng)比方法可檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。越來越多的震例研究表明：加卸載響應(yīng)比Y值的確是一個可以定量描述一個地區(qū)地殼穩(wěn)定程度的參數(shù)，能表征強(qiáng)震的臨近。它不僅可以用于預(yù)測天然地震，也可能用于預(yù)測礦震、水庫地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害（尹祥礎(chǔ)等，2008）。目前加卸載響應(yīng)比方法在黑龍江地區(qū)應(yīng)用不多，預(yù)測精度不能滿足社會需求，但作為一項基礎(chǔ)性研究，可以為研究提供參考。

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