黑龙江及周边地区中强地震前加卸载响应比特征分析

任建辉 李继业 高 峰 胡滨生杜天娇 孟令蕾

1）中国黑龙江 150021 哈尔滨市防震减灾技术中心

2）中国哈尔滨 150090 黑龙江省地震局

0 引言

国内外地震预报实践和震例研究表明，地震前兆是复杂的。地震的孕育是一个非线性过程，由此而表现出有前兆异常无地震和有地震无前兆异常等现象，即前兆异常与地震的不确定性关系。究其原因是，目前对地震孕育的机理仍不清楚，自然也就难以提出判明孕震过程的相关测量参量。

尹祥础等（1991）根据震源区介质的破坏即非线性系统失稳这一自然现象，在断裂力学、损伤力学等研究成果的基础上，建立起来的一种新的地震预报方法——加卸载响应比（Load—Unload Response Ratio，以下简称LURR）理论。LURR在地震预报方面得到了广泛的应用，并且取得了较好的预测效果，通常在中强地震发生前的数月至1—2年LURR出现高值。用此方法曾经成功预测过1994年美国加州M 6.7地震、1996年日本关东M 6.6地震（尹祥础等，2004）以及2004年阿富汗M 6.8地震（尹祥础，2004）和2005年巴基斯坦M 7.8地震（尹祥础等，2008）等；余怀忠等（2004）利用加卸载响应比方法结合能量加速释放（AER）方法，预测了2003年日本宫城一系列中强震；张晖辉等（2005）、张浪平等（2008）考察了美国西部地区加卸载响应比异常区域的时空演化，并用2001—2006年的扫描结果与次年实际发生的5级以上地震进行对比，发现绝大部分地震发生在前一年的预测区域内，并根据加卸载响应比的时空演化和该地区的最新扫描结果，对未来地震活动性进行了分析；张浪平等（2011）对藏东南及周边地区中强地震的研究，尤其提到了对2010年玉树M 7.1地震的预测。随着LURR方法的深入研究与推广应用，很多研究结果表明中小地震前也存在加卸载响应比异常。尹祥础（2004）等通过分析发现，加卸载响应比方法与国内5级以下中小地震也有较好对应，使用该方法研究了首都圈M 4.0以上地震的情况，在所研究的时段内（1996—2002年），预测的准确率高达80%。另外，对2004年9月广东阳江M 4.9地震做出成功预测。通过对房山煤矿7组M＞2.1矿震的研究发现，M 2.1矿震前出现明显的加卸载响应比异常，进而提出在M 0—2.0地震记录比较完整的条件下，有可能预测M 2.1以上地震，将以往该方法可预测M 4.0—8.0范围内的地震，下限可能外延至M 2.1，甚至更小（尹祥础等，2005）；此外，陈连旺等（2008）用潮汐力引起的库仑破裂应力的增减作为加卸载判断条件，对川滇地区的强震进行数值模拟，结果表明，川滇地区强震的库仑破裂应力的变化特征主要表现为加载而非卸载，导致潜在地震孕震进程的加速，地震序列的应力加速触发作用显著；余怀忠等（2010）使用库伦应力算法，得到美国南加州4次M＞6.5地震以及2008年中国汶川M 8.0地震的加卸载响应比临界区域和时间序列，发现其地震前兆变化明显，对目标地震的位置、震级预测明确。

众所周知，各个地区地质构造不同，使得加卸载响应比理论在不同地区的应用有其自身特点。本文首次使用LURR方法，对黑龙江及周边地区14次ML≥5.0地震进行震例总结，检验响应比理论在本地区的预测效果，提取相关异常特征，并希望能为黑龙江及周边地区的地震预测提供一种实用性方法。

1 加卸载响应比理论

加卸载响应比理论自20世纪80年代提出以来（尹祥础，1987），在地震预报实践中得到比较广泛的应用和研究。加卸载响应比理论的基本思路是：地震孕育过程的物理实质就是震源区内介质的变形、损伤并导致失稳的过程，所以地震的孕育过程就是震源区介质的损伤、演化和破坏过程。当系统处于稳定状态时，加载与卸载的响应相同；当系统临近失稳时，加载与卸载的响应不同，即加载响应远大于卸载响应，因而加载响应与卸载响应的比值反映了系统趋近失稳的程度。把日月引潮力引起的地壳内应力的周期性变化作为对所研究地块的加卸载手段，并可采用多种实际观测量作为响应变量计算加卸载响应比，以加卸载响应比值的变化作为判断一定地区发生地震危险性的定量依据。地形变、体应变、重力、地下水及与之相关的地磁参量均可取为响应，该方法发展至今，更应用潮汐力引起的库仑破裂应力的增减作为加、卸载的判断条件。

加卸载响应比理论的主要依据在于：从震源的本构关系出发，当震源介质处于低应力水平（弹性状态）时，介质对加载的响应等于对卸载的响应；当震源介质处于高应力水平（非线性损伤状态）时，介质对加载的响应大于对卸载的响应（陆远忠等，2002）。本文选取所研究区域地震能量的贝尼奥夫应变（相当于室内岩石实验中的声发射）作为响应，其优点是：它们是目前条件下最容易得到的资料，携带震源处的孕震信息。此时，定义加卸载响应比Y为式中Ei为单个地震能量，“＋”号表示加载，“－”表示卸载，将加载条件下发生的地震称为正地震；反之为负地震。在某一区域及某一时段内，所有正地震（个数为N+）能量的贝尼奥夫应变之和与负地震（个数为N－）能量的贝尼奥夫应变之和的比值Y，即定义为加卸载响应比。当介质进入非线性损伤状态后，随着失稳状态的逼近，Y值越来越大。因此，加卸载响应比Y值可以定量描述介质逼近失稳的程度。地壳结构中的孕震体是各种物质混合而成的非均匀准弹性体，因此用加卸载响应比来判断孕震体的失稳程度是合理的。

2 异常分析

2.1 资料选取

选用黑龙江省数字地震台网2009年前地震目录和国家地震科学数据共享中心地震目录 2009 年后，研究的空间范围为 40°—54°N、118°—136°E，扫描空间窗长为 0.5°×0.5°。考虑到黑龙江省数字地震台网的监控能力，起始震级为ML2.0，由于ML≥5.0地震为小概率事件，且这些地震并不属于区域内正常活动状态，为了消除小概率事件对研究的影响，震级上限取ML4.9。研究的黑龙江及周边14次ML≥5.0地震的具体信息见表1，地震空间分布见图1。计算使用Mapsis软件提供的程序。

图1 研究区内主要断裂展布及ML≥5.0地震空间分布Fig.1 Fault zone and ML≥5.0 seismic spatialdistribution in study area

表1 黑龙江及其周边ML≥5.0地震信息Table 1 The information of ML≥5.0 seismic in Heilongjiang and its surrounding area

从图1可见，14次地震中有11次发生在研究区域的西部地区，体现了黑龙江及其周边地区中强地震的活动特征，以松辽盆地及其西缘为主。笔者使用测震资料，检验加卸载响应比方法在几次中等地震前的时空变化，提取异常特征，总结区域地震预测指标。

2.2 历次中强震加卸载响应比时空扫描

图2展示了14次中等地震前Y值的空间展布（计算参数选取见表2），图中深颜色范围表示加卸载响应比值异常区域，颜色越深表示趋于失稳的程度越深。从图2可以看到，呼玛地震发生在加卸载响应比异常区域内；林甸地震发生在加卸载响应比异常区域边缘；牙克石地震发生在加卸载响应比异常区域内；乾安地震发生在与异常区域相距25 km处；阿荣旗地震发生在两个加卸载响应比异常区域之间，距离最近的为50 km；龙江地震也是发生在两个异常区域之间，距离最近的仅为20 km；抚松地震发生前没有加卸载响应比异常区域出现；通榆、俄罗斯地震都发生在异常区域范围内；通辽地震发生在加卸载响应比异常区域周边，仅相距48 km；鄂伦春地震发生在两个异常区域之间，距离最近的异常区为28 km；莫力达瓦、前郭地震均发生在加卸载响应比异常区域内；而桦南地震发生在3个异常区域之间，相距最近53 km。

表2 黑龙江及周边ML≥5.0地震加卸载空间扫描结果信息Table 2 The load/unload spatial scanning information of ML≥5.0 earthqukes in Heilongjiang and its surrounding area

从表2可以看出，14次震例中空间Y值的扫描半径从50—90 km不等。原因是，通过选取不同的扫描半径（40—120 km范围内，以10 km为间隔）进行多次尝试，发现不同的扫描半径对异常区域的形成及空间范围影响较大。本次研究主要是为了总结加卸载响应比方法对以往震例的反应特征和适用情况，所以研究本着空间异常区域最明显，最能体现震中与异常区域关系的原则，对扫描半径进行择优筛选。选取后发现，以60 km、70 km为扫描半径比较适合加卸载响应比方法在本地区的使用，共使用11次，占全部的79%，且扫描效果较理想。震中位置在加卸载异常区域内的共有7次，占全部的50%，使用扫描半径为4次，60 km、50 km、70 km、80 km各1次；震中位置在加卸载区域周边30 km范围内有10次，占全部的71%；震中位置在加卸载异常区域周边50 km范围内有12次，占全部的86%；只有1次地震发生位置在加卸载区域50 km范围以外，1次扫描无加卸载异常区域。

图2 黑龙江及周边14次中强地震前Y值空间扫描

从图3时间序列曲线可以看出（时序曲线计算所使用的扫描范围、半径与空间扫描相同），地震多在以下两种情况发生：①地震发生在时序曲线高值发生转折后不久，例如图3 中 （a）、（b）、（c）、（m）和 （n）图；②在时序曲线经过长时间的“上升—平稳—下降”过程后发震，例如图 3 中 （d）、（e）、（f）、（h）、（i）、（j）、（k）和 （l）图。经过分析，笔者认为，可能由震源体承载加载能力的不同和加载增强速率的不同导致。第1种情况，在一个相对稳定的加卸载环境下，加载突然迅速增大，在达到峰值后马上形成相对稳定的高加载状态，震源体在此时发生破裂；第2种情况，在一个相对稳定的加卸载环境下，加载逐渐（缓慢）增大并达到峰值，在经过一段时间的稳定高加载后，加载逐渐减弱恢复到原加卸载环境状态，之后不久震源体发生破裂。

通过上述分析可知，14个震例中，抚松地震前空间扫描和时序曲线扫描均无异常出现[图3（g）]，可能是该地区地震资料相对匮乏，导致计算结果不理想。

图3 黑龙江及周边14次中强地震前加卸载响应比时间序列

图4 通辽地震前加卸载响应比异常区与断裂构造、历史地震关系Fig.4 The relationship between load/unloadresponse ratio abnormal area with the faultde structure and historical earthquakes before Tongliao earthquake

表3 黑龙江及周边ML≥5.0地震加卸载时间扫描结果Table 3 The load/unload time scanning information of ML≥5.0 earthquakes in Heilongjiang and its surrounding area

2.3 加卸载响应比与断裂构造关系

综上所述，黑龙江及周边地区ML≥5.0地震前加卸载响应比的异常特征为。

（1）在加卸载曲线出现异常情况后6—89个月存在发生ML≥5.0地震的可能，即ΔT可以应用于中长期地震预测。而从异常达到峰值时间与发震时间间隔可以看出，ΔT′更适合于中短期的预测。扫描信息见表3。

（2）地震一般发生在加卸载响应比异常区域内，部分地震发生在异常区域周边（50 km左右）地区，同时需要结合地质构造、活动断裂的走向及历史地震情况，更容易判断未来震中可能的区域。例如，2013年通辽地震前的加卸载响应比空间扫描图，图中加卸载响应比异常区域包含了断裂F1与F5、断裂F2与F6的交汇区域，见图4。首先，结合异常区域与断裂构造的关系，确定地震应该发生在4条断裂带形成的2个交汇区域附近；第二步，结合异常区域与该地区历史地震情况，史载1940年、1942年通辽地区分别发生两次ML6.0地震，认为该地区存在发生中强地震背景。另外，在2013年通辽地震前，该地区曾在2013年1—3月间多次发生中小地震，最大震级为ML4.4。

基于以上3点，结合断裂构造、历史地震和地震活动性，认为未来地震危险区应该在加卸载响应比异常区附近50 km范围内，并在4条断裂形成的两个交汇处之间的通辽附近地区。

3 结论

根据加卸载响应比的时空扫描结果，笔者初步总结出该方法在黑龙江及周边地区应用的异常特征，提取了加卸载响应比方法对未来主震时、空、强的预测经验指标。

（1）时间指标。从加卸载响应比时序曲线形态看，出现突然加速上升的形态，一般在曲线发生转折后半年内存在发震的可能；而曲线形态出现缓慢“上升—平稳—下降”的过程，一般在曲线恢复到原加卸载水平后3年内存在发生地震的可能。综合表3的统计情况，在异常出现后2年内发震的占31%，3年内发震占54%，5年内发震占92%，具有中长期地震预测的应用效能；而在异常达到峰值后3个月内发震的占23%，2年内发震占54%，3年内发震占77%，具有中短期地震预测的应用效能。

（2）空间指标。从图2可见，在空间扫描区域内，如果只有一个完整的闭合等值线高值区域，那么地震往往发生在该完整等值线区域内或者周边，例如图2中（b）、（d）、（h）、（j）和（m）图；如果出现2个（或以上）完整的闭合等值线高值区域，那么地震可能发生在其中范围较大的等值线区域内［图 2 中 （a）、（c）、（i）和 （l）图］或者等值线区域连线之间，一般距离范围大的等值线区域较近［图 2 中 （e）、（f）、（k）和 （n）图］。震中位置多在加载区域周边50 km范围内，共有12次，占全部的86%；30 km范围内有10次，占全部的71%；而在异常区域内的共有7次，占全部的50%。另外，对于未来主震危险区域的判断，还应该结合断裂构造、历史地震、区域地震活动性活跃程度以及活动断裂与异常区域的距离等因素。

（3）强度指标。黑龙江及周边地区ML≥5.0地震前一般都有加卸载响应比异常出现。在强度预测方面，目前只能进行主动探测，使用和预测与“目标震级”相关的时空特征尺度进行扫描。而总结异常峰值与震级大小的关系也没有发现特别明显的规律（其中5.0≤ML≤5.4地震对应的最大异常值为4.83，ML≥5.5地震对应的最大异常值为4.90）。总之。加卸载异常峰值和震级大小没有明显的对应关系。

（4）预测效能检验。由扫描结果可知，在14次震例中只有1次预测特征不明显，其余13次检验结果较好。另外，笔者多次在《黑龙江省地震趋势研究报告》和《哈尔滨及邻近地区地震趋势研究报告》中使用该方法作为地震危险区的判据之一，取得了不错效果，并对2013年鄂伦春ML5.0地震和前郭ML5.8地震做出了一定程度的预测。

众所周知，当孕震系统接近或进入临界状态时，系统的敏感程度增大，此时外界的触发因素将起重要作用。较小的附加应力便足以触发孕震区的地震，尤其是中小地震的发生，用加卸载响应比方法可检测系统的稳定程度。越来越多的震例研究表明：加卸载响应比Y值的确是一个可以定量描述一个地区地壳稳定程度的参数，能表征强震的临近。它不仅可以用于预测天然地震，也可能用于预测矿震、水库地震、滑坡等地质灾害（尹祥础等，2008）。目前加卸载响应比方法在黑龙江地区应用不多，预测精度不能满足社会需求，但作为一项基础性研究，可以为研究提供参考。

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