新疆中強地震前加卸載響應比時空演化特征分析與檢驗①

溫少妍， 唐蘭蘭， 劉　月， 劉建明，

張琳琳1， 李　金1， 尼魯帕爾·買買吐孫1， 單新建2

(1.新疆維吾爾自治區地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國地震局地質研究所，北京 100029;

3.中國科學院力學研究所 非線性力學國家重點實驗室，北京 100190)

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新疆中強地震前加卸載響應比時空演化特征分析與檢驗①

溫少妍1，2， 唐蘭蘭1， 劉月3， 劉建明1，

張琳琳1， 李金1， 尼魯帕爾·買買吐孫1， 單新建2

(1.新疆維吾爾自治區地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國地震局地質研究所，北京 100029;

3.中國科學院力學研究所 非線性力學國家重點實驗室，北京 100190)

摘要：加卸載響應比是一種刻畫震源區介質損傷程度的物理學參數，它通過隨時間的變化來反映地震孕育的過程來進行地震預測。通過對1990—1999年新疆地區部分中強地震前加卸載響應比時空演化特征進行分析，并基于該理論得到孕震積分的概念應用于震例中。結果表明：中強震震前在震中附近可能存在多個高加卸載響應比值區，它們大致圍成橢圓狀或環狀，地震通常發生在異常高值波動或減弱的過程中；異常峰值至發震時間比理論時間要短，這可能表明新疆地區構造活動劇烈，孕震周期較短。

關鍵詞：加卸載響應比； 孕震積分； 中強地震； 時空演化

0引言

新疆地震活動具有頻度高，強度大，震源淺，成帶分布等特征。1985年烏恰7.4級地震是現代新疆地震災害事件中最嚴重的一次，造成67人死亡，1 500多間房屋倒塌，經濟損失超過億元。

地震災害給人類和社會帶來巨大的損失，人類一直在探索各種方法減輕地震災害，地震預測就是其中重要一環，尤其是地震中短期預報成為地震工作者的重要研究方向之一。地震預測的加卸載響應比(LURR，Load/Unload Response Ratio)理論自上世紀80年代提出以來，就被國內外學者應用到中強地震中期預測中，并做了大量的研究工作，不僅在中國大陸地區強震預測實踐中得到廣泛的應用和研究，而且在美國、日本等國家開展的強震預測研究中也不斷取得新的進展[1-6]。LURR應用于地震預測實踐取得了一定的預測效果，成功預測了一些國內外中強震，特別是1994年1月17日美國Northridge地震和1996年9月11日日本關東地震,使其受到國際地震界的重視[7-9]。

中強震的成功預測顯示出加卸載響應比方法是具有一定預測能力的地震預測方法，其實質在于通過能夠刻畫震源區介質損傷程度的物理參數來反映地震孕育的進程，從而預測地震。本文利用加卸載響應比及其孕震積分方法，對1990—1999年新疆地區5級以上地震前的小震加卸載響應比時空演化特征進行系統研究，以期為探索新疆地區中強地震的預測方法提供技術支撐。

1加卸載響應比理論

地震是在極其復雜的地質結構中孕育發生的，它是高度非線性的、極為復雜的物理過程，其物理實質就是震源區介質在力的作用下發生變形損傷、演化直至失穩，并伴隨著能量的快速釋放過程，這一過程主要是力學過程[10]。地震預測中的力學問題與傳統力學問題又有所差異。在地震孕育過程中，地殼介質的本構方程、損傷演化過程、邊界條件及初始條件等是未知的或部分未知的，我們所掌握的是某些物理量的變化。針對傳統力學方法在解決地震預測問題上遇到的困難，尹祥礎[11]提出了一個定量表征地震孕育過程的參數——加卸載響應比。

從巖石力學的本構曲線可以看出(圖1)，當介質處于彈性變形的可逆階段，加載與卸載響應一致；當介質處于損傷階段，加載響應率大于卸載響應率。這種差異反映了材料的損傷劣化程度，可以定量地刻畫介質所處的應力狀態以及介質的損傷演化過程。加卸載響應比理論的出發點正是基于對震源區介質損傷程度的刻畫。

圖1　巖石材料的本構曲線Fig.1　The constitutive curve of rock material

對系統進行加載和卸載，令X+和X-分別代表加載與卸載時段的響應率，則加卸載響應比Y定義為

(1)

當介質處于彈性變形階段，X+=X-=C，因而Y=1；到了損傷階段，X+>X-，Y>1；當介質臨近破壞時，Y值越來越大，達到其峰值。

取不同物理量作為響應，X的表達式不同。本文取地震能量作為響應，則加卸載響應比Ym表示為：

(2)

2震例檢驗

2.1歷史震例的LURR時空特征分析

巖石實驗、歷史震例分析、數值模擬以及損傷流變模型等方面的研究顯示[12-13]，在地震平靜期，加卸載響應比在1附近波動，而在巖石接近破裂或大震前夕，加卸載響應比Y值明顯升高遠大于1，在主震發生前，加卸載響應比會迅速下降。因此，大震前加卸載響應比升高的現象對地震中期預報具有一定的效能。

本研究選取1970年以來的新疆地震目錄，該目錄含0級以上地震。目標地震震級為MS5.0~8.9(圖2)，計算過程中避免目標地震引起計算值的大幅擾動，目錄震級范圍MS0~4.0。將新疆地區按照2°×2°劃分區域，采用時空掃描方法，即設定固定的計算時間窗口，半徑為R的圓形區域為空間窗，緯度固定，以一定的滑動步長沿精度方向進行空間掃描，針對每一個空間點計算圓形區內加卸載響應比的值。首先根據網格內發生的主要強震的震源機制解確定出該網格的主斷層基本參數，然后根據日、月引潮力所引起的庫侖應力變化判斷地震是處于加載階段還是卸載階段。本文空間掃描半徑R=200 km的圓形區，掃描步長為0.25°；時間窗長為18個月，時間滑動步長為1個月。考慮到區域內地震樣本數目對結果穩定性的影響，每個窗口內地震個數至少為20個。篇幅所限，文中僅給出空間掃描的部分結果。

圖2　新疆境內1990—1999年5級以上地震空間分布圖Fig.2　Spatial distribution of MS≥5 earthquakes　　　 during 1990-1999 in Xinjiang

從加卸載響應比異常區域時空演化圖可以看出，1991年4月—1992年9月未來震中附近出現環狀高Y值異常，伴隨著地震的孕育發展過程。環狀區域西北側的異常逐漸減弱，而東北側異常高值區不斷向震中靠近，形成近似橢圓形的異常區。1993年4月喀喇昆侖山5.0級地震發生在異常區邊緣；5.0級地震后異常區沒有減弱的趨勢，反而繼續發展且幅度上有所增強。此外，5.0級地震前形成的呈環狀分布的異常區域再次出現，1993年12月喀什6.2級地震發生在環狀區兩個高Y值之間。

總之，3次地震前LURR空間分布特征大體表現為：震前在震中附近可能存在多個高Y值區，并大致圍成橢圓狀或環狀，地震通常發生在異常高值波動或逐漸減弱的過程中，發震地點通常為異常區內或邊緣地區，但異常出現的時間、幅度和面積因震級和地區的不同而存在差異。LURR算法在歷史震例回顧檢驗應用中的統計結果顯示，33組中強地震活動中有26組地震前震中200 km范圍內出現較為明顯的異常，5.0~5.9級地震、6.0~6.9級地震異常峰值到發震的平均時間分別為6個月、16個月，這與張暉輝等[14]利用中國大陸5級以上地震LURR峰值特征時間統計得到公式所計算的平均理論時間9個月、18個月相比要短。此外，還表明異常區峰值的位置距未來震中的最小距離因震級和地區的不同而不同。

2.2典型震例的孕震積分時間序列分析

圖3　加卸載響應比異常區域演化過程Fig.3　The evolution of LURR abnormal region

雖然加卸載響應比在地震預測實踐中取得了一定的成果，但預測效果仍不夠理想，原因在于只考察一個時間窗的LURR的空間掃描結果不足以判定未來的地震趨勢。為了更直觀地了解研究區異常幅度及面積的動態變化，對未來地震的發震時間做出 研判，尹祥礎[10]提出加卸載響應比孕震積分IPP的概念，即IPP=∑Y*面積(單位km2)，綜合表征了孕震區的大小和程度，從而在時間尺度上提高了LURR方法的預測效能。本文對1990—1999年新疆境內5級地震進行孕震積分時序曲線特征分析，通過歷史震例回顧檢驗，證明孕震積分方法在中強震預測中的有效性。

(1) 1990年1月12日策勒5.1級地震

策勒5.1級地震發生在阿爾金斷裂帶南段端部，斷錯類型為左旋走滑逆斷型。從孕震積分時序曲線圖(圖4)可以看出，在地震孕育初期，即1986—1988年6月時段內孕震積分值I一直處于均值線下的0值附近，從1988年7月開始IPP值開始升高，1988年12月達到峰值，其后IPP值迅速下降但仍在高值區域波動變化，在主震發生之前，1989年4月IPP值再次上升到另一峰值，然后在下降過程中發生地震，異常持續時間約1.5年。

圖4　策勒5.1級地震前孕震積分時序曲線圖Fig.4　The time sequence curve of earthquake integral　　　 before Cele MS5.1 earthquake

(2) 1993年、1994年喀什6.2、5.8級雙震

1993年12月1日喀什6.2級、1994年1月12日喀什5.8級地震發生在肯別爾特斷裂帶，斷錯類型為逆沖兼右旋走滑型。孕震積分IPP值時序曲線圖(圖5)顯示，1989年10月至1991年11月孕震積分IPP一直處于均值線下波動變化，之后IPP值波動上升，1993年7月到達峰值，快速下降過程中發生喀什雙震。峰值到發震時間間隔為5個月，遠小于尹祥礎通過統計方法得到的發震時間與震級(M≥5)的函數關系式[11]，這可能是由于新疆地區構造活動劇烈，孕震周期短，剪切應變率較大[15]。

圖5　喀什雙震前孕震積分時序曲線圖Fig.5　The time sequence curve of earthquake integral　　　 before the two earthquakes in Kashgar

(3) 1997年、1998年伽師強震群

新疆伽師強震群始于1997年1月21日MS6.0地震，截止到1999年3月25日，連續發生19次5級以上地震。同一地區短期內連續發生如此多的強震引來了國內外地震學者的廣泛關注。我們計算了此次震群前加卸載響應比孕震積分，從圖6可以看出，1993年喀什雙震后孕震積分IPP逐漸下降至均值線以下，1994年10月至1995年6月在均值線下平穩變化，1995年7月IPP值突然快速上升，而后IPP在高值波動變化，1996年2月達到峰值后IPP迅速下降。異常持續時間約1.5年，在異常恢復至均值線以下發生伽師強震群。震群前異常的波動變化可能與強震的孕育過程中構造應力不斷調整密切相關。

圖6　伽師震群前孕震積分時序曲線圖Fig.6　The time sequence curve of earthquake integral　　　 before Jiashi earthquake swarm

3結論

本研究對1990—1999年新疆地區部分中強地震前加卸載響應比時空演化特征進行分析，基于該理論得到孕震積分的概念，并應用于喀什雙震、伽師震群等典型震例，通過震例回顧檢驗，可以得到以下結論：

(1) 中強震震前在震中附近可能存在多個高Y值區，并大致圍成橢圓狀或環狀，地震通常發生在異常高值波動或減弱的過程中，發震地點通常為異常區內或邊緣地區，但異常出現的時間、幅度和面積因震級和地區的不同而存在差異。

(2) 歷史震例回顧定量統計結果顯示，中強地震活動前震中200 km范圍內出現較為明顯的異常概率約為78.8%，在震前3年內加卸載響應比出現明顯的異常，表明加卸載響應比具有較好的預測效能。研究發現，異常峰值至發震時間比理論時間要短，這可能表明新疆地區構造活動劇烈，孕震周期短，剪切應變率較大。

(3) 地震孕育的影響區域可能與地質構造有關，在不同地質構造區域內相同量級地震的影響范圍不同，因此對于具體構造區域的掃描尺度等值得進行進一步研究。

(4) 在研究中發現，一些地震前加卸載響應比和孕震積分未出現異常變化，這可能與地震目錄的完整性和地震孕育過程的差異性有關。但作為一種新的地震預測方法，仍有很多問題需要進一步探索，例如最優時空掃描尺度、掃描窗形狀等，這從側面也反映出地震預測的復雜性。

致謝：此次工作是在新疆地震局加卸載響應比推進小組工作期間完成，得到了尹祥礎研究員和王海濤研究員的悉心指導，在此表示衷心地感謝！計算加卸載響應比程序由尹祥礎課題組提供。

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Test and Analysis of the Spatio-temporal Evolution of the Load/Unload Response Ratio before Moderate Earthquakes in Xinjiang

WEN Shao-yan1, 2, TANG Lan-lan1, LIU Yue3, LIU Jian-ming1,ZHANG Lin-lin1, LI Jin1, Nilupar Tursun1, SHAN Xin-jian2

(1.EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,Xinjiang，China;2.InstituteofGeology,CEA,Beijing100029,China;3.StateKeyLaboratoryofNonlinearMechanics,InstituteofMechanics,CAS,Beijing100190,China)

Abstract：The load/unload response ratio (LURR) aims to identify a physical parameter, which reflects the damaging process in the seismogenic zone, and to use this parameter to predict an earthquake. In the seismically quiet period, the LURR value fluctuates around 1. Nevertheless, when the rock is close to failure or just before a strong earthquake, the value rises significantly, and it is much larger than 1. The LURR probably decreases sharply and quickly before the main shock. Therefore, the anomalous increase in the LURR time series covering a time interval of months to years may be efficiently used in earthquake prediction. In the present study, the spatio-temporal evolution of LURR is analyzed before moderate earthquakes from 1990 to 1999. Based on the LURR theory, the seismogenic integral is deduced, which is applied to predict the earthquakes during the studies interval. The results show that high Y values are observed with an elliptical or circular spatial distribution around the epicenter before the main earthquake. In addition, earthquakes usually occurred during periods of abnormally high fluctuations. In retrospective historical earthquake studies, the future earthquakes are usually located in the abnormal zones or at the edge abnormal areas. However, there is a significant difference in terms of the starting time, and the amplitude and area of abnormity are different because of the different magnitude and seismogenic zone. An obvious anomaly, with a probability of approximately 78.8%, is observed within 200 km from the epicenter before moderately strong events. In addition, compared with the theoretical time, the statistical time from the peak to the earthquake is shorter, which may indicate that the tectonic activities in Xinjiang are intensive, the pregnant period is short, and the rate of the shear strain is large.

Key words：LURR; seismogenic integral; moderate earthquake; spatio-temporal evolution

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0065

中圖分類號:P315.75

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)01-0065-06

作者簡介：溫少妍(1985-)，女，工程師，在讀博士，主要從事InSAR技術及其在地震科學中的應用研究。E-mail：wenshaoyan999@163.com。

基金項目：國家科技平臺地震科學數據共享項目(DS-2014-06)

收稿日期：①2015-03-31