新疆中强地震前加卸载响应比时空演化特征分析与检验①

温少妍， 唐兰兰， 刘　月， 刘建明，

张琳琳1， 李　金1， 尼鲁帕尔·买买吐孙1， 单新建2

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.中国地震局地质研究所，北京 100029;

3.中国科学院力学研究所 非线性力学国家重点实验室，北京 100190)



新疆中强地震前加卸载响应比时空演化特征分析与检验①

温少妍1，2， 唐兰兰1， 刘月3， 刘建明1，

张琳琳1， 李金1， 尼鲁帕尔·买买吐孙1， 单新建2

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.中国地震局地质研究所，北京 100029;

3.中国科学院力学研究所 非线性力学国家重点实验室，北京 100190)

摘要：加卸载响应比是一种刻画震源区介质损伤程度的物理学参数，它通过随时间的变化来反映地震孕育的过程来进行地震预测。通过对1990—1999年新疆地区部分中强地震前加卸载响应比时空演化特征进行分析，并基于该理论得到孕震积分的概念应用于震例中。结果表明：中强震震前在震中附近可能存在多个高加卸载响应比值区，它们大致围成椭圆状或环状，地震通常发生在异常高值波动或减弱的过程中；异常峰值至发震时间比理论时间要短，这可能表明新疆地区构造活动剧烈，孕震周期较短。

关键词：加卸载响应比； 孕震积分； 中强地震； 时空演化

0引言

新疆地震活动具有频度高，强度大，震源浅，成带分布等特征。1985年乌恰7.4级地震是现代新疆地震灾害事件中最严重的一次，造成67人死亡，1 500多间房屋倒塌，经济损失超过亿元。

地震灾害给人类和社会带来巨大的损失，人类一直在探索各种方法减轻地震灾害，地震预测就是其中重要一环，尤其是地震中短期预报成为地震工作者的重要研究方向之一。地震预测的加卸载响应比(LURR，Load/Unload Response Ratio)理论自上世纪80年代提出以来，就被国内外学者应用到中强地震中期预测中，并做了大量的研究工作，不仅在中国大陆地区强震预测实践中得到广泛的应用和研究，而且在美国、日本等国家开展的强震预测研究中也不断取得新的进展[1-6]。LURR应用于地震预测实践取得了一定的预测效果，成功预测了一些国内外中强震，特别是1994年1月17日美国Northridge地震和1996年9月11日日本关东地震,使其受到国际地震界的重视[7-9]。

中强震的成功预测显示出加卸载响应比方法是具有一定预测能力的地震预测方法，其实质在于通过能够刻画震源区介质损伤程度的物理参数来反映地震孕育的进程，从而预测地震。本文利用加卸载响应比及其孕震积分方法，对1990—1999年新疆地区5级以上地震前的小震加卸载响应比时空演化特征进行系统研究，以期为探索新疆地区中强地震的预测方法提供技术支撑。

1加卸载响应比理论

地震是在极其复杂的地质结构中孕育发生的，它是高度非线性的、极为复杂的物理过程，其物理实质就是震源区介质在力的作用下发生变形损伤、演化直至失稳，并伴随着能量的快速释放过程，这一过程主要是力学过程[10]。地震预测中的力学问题与传统力学问题又有所差异。在地震孕育过程中，地壳介质的本构方程、损伤演化过程、边界条件及初始条件等是未知的或部分未知的，我们所掌握的是某些物理量的变化。针对传统力学方法在解决地震预测问题上遇到的困难，尹祥础[11]提出了一个定量表征地震孕育过程的参数——加卸载响应比。

从岩石力学的本构曲线可以看出(图1)，当介质处于弹性变形的可逆阶段，加载与卸载响应一致；当介质处于损伤阶段，加载响应率大于卸载响应率。这种差异反映了材料的损伤劣化程度，可以定量地刻画介质所处的应力状态以及介质的损伤演化过程。加卸载响应比理论的出发点正是基于对震源区介质损伤程度的刻画。

图1　岩石材料的本构曲线Fig.1　The constitutive curve of rock material

对系统进行加载和卸载，令X+和X-分别代表加载与卸载时段的响应率，则加卸载响应比Y定义为

(1)

当介质处于弹性变形阶段，X+=X-=C，因而Y=1；到了损伤阶段，X+>X-，Y>1；当介质临近破坏时，Y值越来越大，达到其峰值。

取不同物理量作为响应，X的表达式不同。本文取地震能量作为响应，则加卸载响应比Ym表示为：

(2)

2震例检验

2.1历史震例的LURR时空特征分析

岩石实验、历史震例分析、数值模拟以及损伤流变模型等方面的研究显示[12-13]，在地震平静期，加卸载响应比在1附近波动，而在岩石接近破裂或大震前夕，加卸载响应比Y值明显升高远大于1，在主震发生前，加卸载响应比会迅速下降。因此，大震前加卸载响应比升高的现象对地震中期预报具有一定的效能。

本研究选取1970年以来的新疆地震目录，该目录含0级以上地震。目标地震震级为MS5.0~8.9(图2)，计算过程中避免目标地震引起计算值的大幅扰动，目录震级范围MS0~4.0。将新疆地区按照2°×2°划分区域，采用时空扫描方法，即设定固定的计算时间窗口，半径为R的圆形区域为空间窗，纬度固定，以一定的滑动步长沿精度方向进行空间扫描，针对每一个空间点计算圆形区内加卸载响应比的值。首先根据网格内发生的主要强震的震源机制解确定出该网格的主断层基本参数，然后根据日、月引潮力所引起的库仑应力变化判断地震是处于加载阶段还是卸载阶段。本文空间扫描半径R=200 km的圆形区，扫描步长为0.25°；时间窗长为18个月，时间滑动步长为1个月。考虑到区域内地震样本数目对结果稳定性的影响，每个窗口内地震个数至少为20个。篇幅所限，文中仅给出空间扫描的部分结果。

图2　新疆境内1990—1999年5级以上地震空间分布图Fig.2　Spatial distribution of MS≥5 earthquakes　　　 during 1990-1999 in Xinjiang

从加卸载响应比异常区域时空演化图可以看出，1991年4月—1992年9月未来震中附近出现环状高Y值异常，伴随着地震的孕育发展过程。环状区域西北侧的异常逐渐减弱，而东北侧异常高值区不断向震中靠近，形成近似椭圆形的异常区。1993年4月喀喇昆仑山5.0级地震发生在异常区边缘；5.0级地震后异常区没有减弱的趋势，反而继续发展且幅度上有所增强。此外，5.0级地震前形成的呈环状分布的异常区域再次出现，1993年12月喀什6.2级地震发生在环状区两个高Y值之间。

总之，3次地震前LURR空间分布特征大体表现为：震前在震中附近可能存在多个高Y值区，并大致围成椭圆状或环状，地震通常发生在异常高值波动或逐渐减弱的过程中，发震地点通常为异常区内或边缘地区，但异常出现的时间、幅度和面积因震级和地区的不同而存在差异。LURR算法在历史震例回顾检验应用中的统计结果显示，33组中强地震活动中有26组地震前震中200 km范围内出现较为明显的异常，5.0~5.9级地震、6.0~6.9级地震异常峰值到发震的平均时间分别为6个月、16个月，这与张晖辉等[14]利用中国大陆5级以上地震LURR峰值特征时间统计得到公式所计算的平均理论时间9个月、18个月相比要短。此外，还表明异常区峰值的位置距未来震中的最小距离因震级和地区的不同而不同。

2.2典型震例的孕震积分时间序列分析

图3　加卸载响应比异常区域演化过程Fig.3　The evolution of LURR abnormal region

虽然加卸载响应比在地震预测实践中取得了一定的成果，但预测效果仍不够理想，原因在于只考察一个时间窗的LURR的空间扫描结果不足以判定未来的地震趋势。为了更直观地了解研究区异常幅度及面积的动态变化，对未来地震的发震时间做出 研判，尹祥础[10]提出加卸载响应比孕震积分IPP的概念，即IPP=∑Y*面积(单位km2)，综合表征了孕震区的大小和程度，从而在时间尺度上提高了LURR方法的预测效能。本文对1990—1999年新疆境内5级地震进行孕震积分时序曲线特征分析，通过历史震例回顾检验，证明孕震积分方法在中强震预测中的有效性。

(1) 1990年1月12日策勒5.1级地震

策勒5.1级地震发生在阿尔金断裂带南段端部，断错类型为左旋走滑逆断型。从孕震积分时序曲线图(图4)可以看出，在地震孕育初期，即1986—1988年6月时段内孕震积分值I一直处于均值线下的0值附近，从1988年7月开始IPP值开始升高，1988年12月达到峰值，其后IPP值迅速下降但仍在高值区域波动变化，在主震发生之前，1989年4月IPP值再次上升到另一峰值，然后在下降过程中发生地震，异常持续时间约1.5年。

图4　策勒5.1级地震前孕震积分时序曲线图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级双震

1993年12月1日喀什6.2级、1994年1月12日喀什5.8级地震发生在肯别尔特断裂带，断错类型为逆冲兼右旋走滑型。孕震积分IPP值时序曲线图(图5)显示，1989年10月至1991年11月孕震积分IPP一直处于均值线下波动变化，之后IPP值波动上升，1993年7月到达峰值，快速下降过程中发生喀什双震。峰值到发震时间间隔为5个月，远小于尹祥础通过统计方法得到的发震时间与震级(M≥5)的函数关系式[11]，这可能是由于新疆地区构造活动剧烈，孕震周期短，剪切应变率较大[15]。

图5　喀什双震前孕震积分时序曲线图Fig.5　The time sequence curve of earthquake integral　　　 before the two earthquakes in Kashgar

(3) 1997年、1998年伽师强震群

新疆伽师强震群始于1997年1月21日MS6.0地震，截止到1999年3月25日，连续发生19次5级以上地震。同一地区短期内连续发生如此多的强震引来了国内外地震学者的广泛关注。我们计算了此次震群前加卸载响应比孕震积分，从图6可以看出，1993年喀什双震后孕震积分IPP逐渐下降至均值线以下，1994年10月至1995年6月在均值线下平稳变化，1995年7月IPP值突然快速上升，而后IPP在高值波动变化，1996年2月达到峰值后IPP迅速下降。异常持续时间约1.5年，在异常恢复至均值线以下发生伽师强震群。震群前异常的波动变化可能与强震的孕育过程中构造应力不断调整密切相关。

图6　伽师震群前孕震积分时序曲线图Fig.6　The time sequence curve of earthquake integral　　　 before Jiashi earthquake swarm

3结论

本研究对1990—1999年新疆地区部分中强地震前加卸载响应比时空演化特征进行分析，基于该理论得到孕震积分的概念，并应用于喀什双震、伽师震群等典型震例，通过震例回顾检验，可以得到以下结论：

(1) 中强震震前在震中附近可能存在多个高Y值区，并大致围成椭圆状或环状，地震通常发生在异常高值波动或减弱的过程中，发震地点通常为异常区内或边缘地区，但异常出现的时间、幅度和面积因震级和地区的不同而存在差异。

(2) 历史震例回顾定量统计结果显示，中强地震活动前震中200 km范围内出现较为明显的异常概率约为78.8%，在震前3年内加卸载响应比出现明显的异常，表明加卸载响应比具有较好的预测效能。研究发现，异常峰值至发震时间比理论时间要短，这可能表明新疆地区构造活动剧烈，孕震周期短，剪切应变率较大。

(3) 地震孕育的影响区域可能与地质构造有关，在不同地质构造区域内相同量级地震的影响范围不同，因此对于具体构造区域的扫描尺度等值得进行进一步研究。

(4) 在研究中发现，一些地震前加卸载响应比和孕震积分未出现异常变化，这可能与地震目录的完整性和地震孕育过程的差异性有关。但作为一种新的地震预测方法，仍有很多问题需要进一步探索，例如最优时空扫描尺度、扫描窗形状等，这从侧面也反映出地震预测的复杂性。

致谢：此次工作是在新疆地震局加卸载响应比推进小组工作期间完成，得到了尹祥础研究员和王海涛研究员的悉心指导，在此表示衷心地感谢！计算加卸载响应比程序由尹祥础课题组提供。

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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

中图分类号:P315.75

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)01-0065-06

作者简介：温少妍(1985-)，女，工程师，在读博士，主要从事InSAR技术及其在地震科学中的应用研究。E-mail：wenshaoyan999@163.com。

基金项目：国家科技平台地震科学数据共享项目(DS-2014-06)

收稿日期：①2015-03-31