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(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029;

3.中國科學(xué)院力學(xué)研究所 非線性力學(xué)國家重點實驗室，北京 100190)

?

新疆中強(qiáng)地震前加卸載響應(yīng)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(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029;

3.中國科學(xué)院力學(xué)研究所 非線性力學(xué)國家重點實驗室，北京 100190)

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

關(guān)鍵詞：加卸載響應(yīng)比； 孕震積分； 中強(qiáng)地震； 時空演化

0引言

新疆地震活動具有頻度高，強(qiáng)度大，震源淺，成帶分布等特征。1985年烏恰7.4級地震是現(xiàn)代新疆地震災(zāi)害事件中最嚴(yán)重的一次，造成67人死亡，1 500多間房屋倒塌，經(jīng)濟(jì)損失超過億元。

地震災(zāi)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(zāi)害，地震預(yù)測就是其中重要一環(huán)，尤其是地震中短期預(yù)報成為地震工作者的重要研究方向之一。地震預(yù)測的加卸載響應(yīng)比(LURR，Load/Unload Response Ratio)理論自上世紀(jì)80年代提出以來，就被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用到中強(qiáng)地震中期預(yù)測中，并做了大量的研究工作，不僅在中國大陸地區(qū)強(qiáng)震預(yù)測實踐中得到廣泛的應(yīng)用和研究，而且在美國、日本等國家開展的強(qiáng)震預(yù)測研究中也不斷取得新的進(jìn)展[1-6]。LURR應(yīng)用于地震預(yù)測實踐取得了一定的預(yù)測效果，成功預(yù)測了一些國內(nèi)外中強(qiáng)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(guān)東地震,使其受到國際地震界的重視[7-9]。

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

1加卸載響應(yīng)比理論

地震是在極其復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中孕育發(fā)生的，它是高度非線性的、極為復(fù)雜的物理過程，其物理實質(zhì)就是震源區(qū)介質(zhì)在力的作用下發(fā)生變形損傷、演化直至失穩(wěn)，并伴隨著能量的快速釋放過程，這一過程主要是力學(xué)過程[10]。地震預(yù)測中的力學(xué)問題與傳統(tǒng)力學(xué)問題又有所差異。在地震孕育過程中，地殼介質(zhì)的本構(gòu)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(tǒng)力學(xué)方法在解決地震預(yù)測問題上遇到的困難，尹祥礎(chǔ)[11]提出了一個定量表征地震孕育過程的參數(shù)——加卸載響應(yīng)比。

從巖石力學(xué)的本構(gòu)曲線可以看出(圖1)，當(dāng)介質(zhì)處于彈性變形的可逆階段，加載與卸載響應(yīng)一致；當(dāng)介質(zhì)處于損傷階段，加載響應(yīng)率大于卸載響應(yīng)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(zhì)所處的應(yīng)力狀態(tài)以及介質(zhì)的損傷演化過程。加卸載響應(yīng)比理論的出發(fā)點正是基于對震源區(qū)介質(zhì)損傷程度的刻畫。

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

對系統(tǒng)進(jìn)行加載和卸載，令X+和X-分別代表加載與卸載時段的響應(yīng)率，則加卸載響應(yīng)比Y定義為

(1)

當(dāng)介質(zhì)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(dāng)介質(zhì)臨近破壞時，Y值越來越大，達(dá)到其峰值。

取不同物理量作為響應(yīng)，X的表達(dá)式不同。本文取地震能量作為響應(yīng)，則加卸載響應(yīng)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(shù)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(yīng)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(yīng)比Y值明顯升高遠(yuǎn)大于1，在主震發(fā)生前，加卸載響應(yīng)比會迅速下降。因此，大震前加卸載響應(yīng)比升高的現(xiàn)象對地震中期預(yù)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(biāo)地震震級為MS5.0~8.9(圖2)，計算過程中避免目標(biāo)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(qū)按照2°×2°劃分區(qū)域，采用時空掃描方法，即設(shè)定固定的計算時間窗口，半徑為R的圓形區(qū)域為空間窗，緯度固定，以一定的滑動步長沿精度方向進(jìn)行空間掃描，針對每一個空間點計算圓形區(qū)內(nèi)加卸載響應(yīng)比的值。首先根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)發(fā)生的主要強(qiáng)震的震源機(jī)制解確定出該網(wǎng)格的主斷層基本參數(shù)，然后根據(jù)日、月引潮力所引起的庫侖應(yīng)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(qū)，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?？紤]到區(qū)域內(nèi)地震樣本數(shù)目對結(jié)果穩(wěn)定性的影響，每個窗口內(nèi)地震個數(shù)至少為20個。篇幅所限，文中僅給出空間掃描的部分結(jié)果。

圖2　新疆境內(nèi)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(yīng)比異常區(qū)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(xiàn)環(huán)狀高Y值異常，伴隨著地震的孕育發(fā)展過程。環(huán)狀區(qū)域西北側(cè)的異常逐漸減弱，而東北側(cè)異常高值區(qū)不斷向震中靠近，形成近似橢圓形的異常區(qū)。1993年4月喀喇昆侖山5.0級地震發(fā)生在異常區(qū)邊緣；5.0級地震后異常區(qū)沒有減弱的趨勢，反而繼續(xù)發(fā)展且幅度上有所增強(qiáng)。此外，5.0級地震前形成的呈環(huán)狀分布的異常區(qū)域再次出現(xiàn)，1993年12月喀什6.2級地震發(fā)生在環(huán)狀區(qū)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(xiàn)為：震前在震中附近可能存在多個高Y值區(qū)，并大致圍成橢圓狀或環(huán)狀，地震通常發(fā)生在異常高值波動或逐漸減弱的過程中，發(fā)震地點通常為異常區(qū)內(nèi)或邊緣地區(qū)，但異常出現(xiàn)的時間、幅度和面積因震級和地區(qū)的不同而存在差異。LURR算法在歷史震例回顧檢驗應(yīng)用中的統(tǒng)計結(jié)果顯示，33組中強(qiáng)地震活動中有26組地震前震中200 km范圍內(nèi)出現(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(qū)峰值的位置距未來震中的最小距離因震級和地區(qū)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(yīng)比異常區(qū)域演化過程Fig.3　The evolution of LURR abnormal region

雖然加卸載響應(yīng)比在地震預(yù)測實踐中取得了一定的成果，但預(yù)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(jié)果不足以判定未來的地震趨勢。為了更直觀地了解研究區(qū)異常幅度及面積的動態(tài)變化，對未來地震的發(fā)震時間做出 研判，尹祥礎(chǔ)[10]提出加卸載響應(yīng)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(qū)的大小和程度，從而在時間尺度上提高了LURR方法的預(yù)測效能。本文對1990—1999年新疆境內(nèi)5級地震進(jìn)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(qiáng)震預(yù)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(fā)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(nèi)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(dá)到峰值，其后IPP值迅速下降但仍在高值區(qū)域波動變化，在主震發(fā)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(fā)生地震，異常持續(xù)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(fā)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(dá)峰值，快速下降過程中發(fā)生喀什雙震。峰值到發(fā)震時間間隔為5個月，遠(yuǎn)小于尹祥礎(chǔ)通過統(tǒng)計方法得到的發(fā)震時間與震級(M≥5)的函數(shù)關(guān)系式[11]，這可能是由于新疆地區(qū)構(gòu)造活動劇烈，孕震周期短，剪切應(yīng)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(qiáng)震群

新疆伽師強(qiáng)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(xù)發(fā)生19次5級以上地震。同一地區(qū)短期內(nèi)連續(xù)發(fā)生如此多的強(qiáng)震引來了國內(nèi)外地震學(xué)者的廣泛關(guān)注。我們計算了此次震群前加卸載響應(yīng)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(wěn)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(dá)到峰值后IPP迅速下降。異常持續(xù)時間約1.5年，在異常恢復(fù)至均值線以下發(fā)生伽師強(qiáng)震群。震群前異常的波動變化可能與強(qiáng)震的孕育過程中構(gòu)造應(yīng)力不斷調(diào)整密切相關(guān)。

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(jié)論

本研究對1990—1999年新疆地區(qū)部分中強(qiáng)地震前加卸載響應(yīng)比時空演化特征進(jìn)行分析，基于該理論得到孕震積分的概念，并應(yīng)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(jié)論：

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

(2) 歷史震例回顧定量統(tǒng)計結(jié)果顯示，中強(qiáng)地震活動前震中200 km范圍內(nèi)出現(xiàn)較為明顯的異常概率約為78.8%，在震前3年內(nèi)加卸載響應(yīng)比出現(xiàn)明顯的異常，表明加卸載響應(yīng)比具有較好的預(yù)測效能。研究發(fā)現(xiàn)，異常峰值至發(fā)震時間比理論時間要短，這可能表明新疆地區(qū)構(gòu)造活動劇烈，孕震周期短，剪切應(yīng)變率較大。

(3) 地震孕育的影響區(qū)域可能與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，在不同地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)相同量級地震的影響范圍不同，因此對于具體構(gòu)造區(qū)域的掃描尺度等值得進(jìn)行進(jìn)一步研究。

(4) 在研究中發(fā)現(xiàn)，一些地震前加卸載響應(yīng)比和孕震積分未出現(xiàn)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(guān)。但作為一種新的地震預(yù)測方法，仍有很多問題需要進(jìn)一步探索，例如最優(yōu)時空掃描尺度、掃描窗形狀等，這從側(cè)面也反映出地震預(yù)測的復(fù)雜性。

致謝：此次工作是在新疆地震局加卸載響應(yīng)比推進(jìn)小組工作期間完成，得到了尹祥礎(chǔ)研究員和王海濤研究員的悉心指導(dǎo)，在此表示衷心地感謝！計算加卸載響應(yīng)比程序由尹祥礎(chǔ)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(xiàn)標(biāo)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(shù)及其在地震科學(xué)中的應(yīng)用研究。E-mail：wenshaoyan999@163.com。

基金項目：國家科技平臺地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享項目(DS-2014-06)

收稿日期：①2015-03-31