摘要:強(qiáng)震發(fā)生前,震中附近地區(qū)普遍存在應(yīng)變能加速釋放現(xiàn)象,預(yù)示孕震區(qū)接近或進(jìn)入臨界狀態(tài)。以Benioff應(yīng)變作為響應(yīng)量,計(jì)算不同時段的Benioff應(yīng)變比,可作為表征應(yīng)變能釋放快慢的參數(shù),其異常演化反映了地震成核過程中介質(zhì)的高應(yīng)力狀態(tài)。利用中國地震臺網(wǎng)地震目錄,首先對新疆地區(qū)最小完備性震級進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算2000—2023年新疆地區(qū)6級以上地震前1年內(nèi)每月前后90天的Benioff應(yīng)變比,并以2016年阿克陶6.7級地震和呼圖壁6.2級地震為例,對兩次地震前的Benioff應(yīng)變比時空演化特征進(jìn)行分析。結(jié)果顯示:18組6級地震中有14組地震在震前1年內(nèi)在震中附近出現(xiàn)高值異常,通過預(yù)測效果檢驗(yàn),表明Benioff應(yīng)變比高值異常對新疆地區(qū)6級地震具有一定中短期預(yù)測意義。在2016年阿克陶6.7級地震和呼圖壁6.2級地震前1年內(nèi)孕震區(qū)應(yīng)變比均表現(xiàn)為“逐漸升高—快速降低—穩(wěn)定波動”的特征,可能與斷層失穩(wěn)成核過程有關(guān)。
關(guān)鍵詞:Benioff應(yīng)變比;新疆地區(qū);最小完備性震級;地震預(yù)測
中圖分類號:P315.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-0666(2025)02-0264-08
doi:10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0028
0 引言
地震孕育是一個極為復(fù)雜的過程。強(qiáng)震發(fā)生前,震中附近地區(qū)普遍存在的應(yīng)變能加速釋放現(xiàn)象,預(yù)示孕震區(qū)接近或進(jìn)入臨界狀態(tài)(彭克銀等,2003)。基于加卸載響應(yīng)比(LURR)理論的研究表明,地震的孕育過程可能與巖石圈非均勻脆性介質(zhì)的特定加載階段有關(guān)(Yu et al,2022)。理論上,較大的地震發(fā)生前,由于地殼介質(zhì)處于較高應(yīng)力狀態(tài),小的變形或應(yīng)力擾動就可能導(dǎo)致微破裂的產(chǎn)生,能夠觀測到LURR的高值異常變化(Yin et al,2008;Yu et al,2020)。以往震例研究顯示,震前0.5~3年LURR異常空間分布與震源區(qū)位置相關(guān),異常峰值與未來地震的發(fā)生時間相關(guān)(尹祥礎(chǔ),2015;Yu et al,2020)。與LURR計(jì)算中以小震釋放的能量作為響應(yīng)量相似,應(yīng)變比參數(shù)能夠表征應(yīng)變能釋放的快慢,其異常演化反映了地震成核過程中介質(zhì)的高應(yīng)力狀態(tài),具有一定的實(shí)用性和可操作性,目前已嘗試應(yīng)用于中國地震臺網(wǎng)中心年度會商中。
為了更好地將應(yīng)變比參數(shù)應(yīng)用于地震預(yù)測研究,本文首先對2000—2023年新疆地區(qū)地震目錄的最小完備性進(jìn)行分析,并對其進(jìn)行除叢處理。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算新疆地區(qū)6級以上地震前孕震區(qū)的應(yīng)變比隨時間的變化以及空間分布情況,總結(jié)強(qiáng)震前時空分布特征,為該地區(qū)強(qiáng)震危險性判定提供參考。[HJ2.05mm]
1 新疆及其鄰區(qū)構(gòu)造背景
新疆地區(qū)位于歐亞板塊中南部,其南面是印度板塊與歐亞板塊碰撞所形成的世界屋脊——青藏高原,北部是西伯利亞塊體及其向南擠壓所形成的蒙古弧形構(gòu)造帶。由于印度板塊向北推擠、歐亞板塊向南擠壓,致使新疆地區(qū)形成了盆山結(jié)合的地貌景觀。依據(jù)板塊構(gòu)造帶的分布,新疆地區(qū)自北向南可劃分為4大板塊。新疆地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,新構(gòu)造活動強(qiáng)烈,是強(qiáng)烈活動的大陸地震區(qū)。1900年以來新疆地區(qū)共發(fā)生7級以上地震18次,最大為1902年8月22日新疆阿圖什8.3級地震;2000年以來共發(fā)生6級以上地震19次,其中7級以上地震4次,最大為2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震(圖1)。2024年1月23日新疆烏什發(fā)生7.1級地震,該地震打破了新疆地區(qū)近10年的7級地震平靜,表明新疆地區(qū)進(jìn)入新的強(qiáng)震活躍時段,該地區(qū)的地震危險性尤其引人關(guān)注。
2 數(shù)據(jù)和方法
2.1 資料和最小完整性震級選取
本文使用了中國地震臺網(wǎng)中心提供的2000—2023年新疆及其鄰區(qū)的統(tǒng)一正式小震目錄(https://data.earthquake.cn/.),震級為地方震震級ML。為了獲得完備的地震目錄,本文首先采用震級-序號法(Ogata et al,1991)定性地探討研究區(qū)內(nèi)最小完整性震級MC隨時間的變化。這種方法不僅可以避免由于主震發(fā)生后余震較為密集、難以按時間分析余震監(jiān)測能力變化的問題,而且可以根據(jù)地震監(jiān)測能力變化的分段性和不連續(xù)性,得到地震記錄信噪比以及人為因素所引起的監(jiān)測能力變化(蔣長勝等,2013)。新疆地區(qū)完備性分析結(jié)果如圖2a所示,圖中橫坐標(biāo)為地震發(fā)生先后順序,橫坐標(biāo)上方為不等間隔的地震發(fā)生時間。
本文還使用了“最大曲率”MAXC方法和擬合度分別為90%、95%的GFT方法(Wiemer,Wyss,2000)來定量評估新疆地區(qū)MC隨時間的變化。MAXC方法中MC根據(jù)震級-頻度分布曲線的一階導(dǎo)數(shù)的最大值對應(yīng)的震級來確定,而GFT方法中MC則是通過搜索對應(yīng)給定的實(shí)際和理論震級頻度分布下的擬合度百分比來確定。本文計(jì)算中使用1 600個地震事件作為窗口選取數(shù)據(jù)并進(jìn)行滑動計(jì)算,結(jié)果如圖2b所示,圖中采用90%和95%的擬合度GFT方法,分別表示為GFT-95%和GFT-90%。從圖2a、b對比可以看出,兩種方法的計(jì)算結(jié)果一致性較好,2009年之后新疆地區(qū)監(jiān)測能力得到顯著提升,MC≤ML2.0,期間在短時間內(nèi)存在一定的波動,可能是由大地震發(fā)生所導(dǎo)致(Iwata,2008)??臻g上,2000年以后新疆地區(qū)MC分布具有明顯的不均勻性,根據(jù)孔祥艷等(2016)的研究結(jié)果,天山地震帶MC值較小,大部分地區(qū)MC≤ML2.0;西昆侖地震帶MC值較高,多數(shù)地區(qū)MC在ML3.0左右,個別地區(qū)MC在ML1.0左右。
根據(jù)上述最小完備性震級分析,2000—2023年新疆地區(qū)大部分區(qū)域ML≥3.0地震較為完整,所以本文選取ML≥3.0地震目錄進(jìn)行研究分析,采用擴(kuò)散鏈法(李閩峰,2002)對選取的地震目錄進(jìn)行除叢處理,為防止強(qiáng)震影響,后續(xù)計(jì)算中不考慮6級以上地震。
2.2 應(yīng)變比計(jì)算方法
應(yīng)變作為地塊中與構(gòu)造應(yīng)力、地震過程聯(lián)系最密切的一個物理量(馬宏生等,2002),具有可靠的物理基礎(chǔ)。本文以地震釋放能量的1/2次方,即Benioff應(yīng)變(Benioff,1951)作為響應(yīng)量,計(jì)算每月首日前后n天的應(yīng)變比。本文按照2°×2°大小在經(jīng)緯度方向分別劃分網(wǎng)格,計(jì)算每個網(wǎng)格點(diǎn)200 km范圍內(nèi)Benioff應(yīng)變比,且保證每個日期前后n天每個網(wǎng)格點(diǎn)范圍內(nèi)至少有3個地震,Benioff應(yīng)變比計(jì)算方法參考楊文等(2014)的結(jié)果:
式中:[KF(]E[KF)]為Benioff應(yīng)變;[KF(]Ei[KF)]表示每個月首日前n天第i次地震的應(yīng)變釋放量;[KF(]Ej[KF)]表示每個月首日后n天第j次地震的應(yīng)變釋放量。[KF(]E[KF)]根據(jù)能量-震級經(jīng)驗(yàn)公式lgE=4.8+1.5MS計(jì)算得到,震級轉(zhuǎn)換采用經(jīng)驗(yàn)公式MS=1.13ML-1.08(汪素云,俞言祥,2009)。
本文以1個月為步長,計(jì)算每個月首日前后90 d的Benioff應(yīng)變比。每個網(wǎng)格點(diǎn)的應(yīng)變比參數(shù)取以10為底的對數(shù),利用插值方法獲得2000—2023年新疆地區(qū)6級以上地震前每個月lgSr的空間分布。如果lgSrlt;0,說明該區(qū)域應(yīng)變能釋放減速;如果lgSrgt;0,說明該區(qū)域應(yīng)變能釋放加速;如果lgSr=1,說明該區(qū)域應(yīng)變能釋放無變化。為了獲得新疆地區(qū)6級以上地震孕震區(qū)內(nèi)的Benioff應(yīng)變比變化特征,以6級地震震中為中心,計(jì)算震前不同時間段孕震半徑R范圍內(nèi)的Benioff應(yīng)變比。孕震半徑R參考彭克銀等(2003)擬合的經(jīng)驗(yàn)公式獲得:
lgR=0.29M+0.49(2)
3 震例分析
2000—2023年新疆地區(qū)共發(fā)生19次6級以上地震,本文將2008年10月5日烏恰6.8、6.3級震群視為一組地震,對這18組6級震例前的Benioff應(yīng)變比異常的時空演化特征進(jìn)行分析。根據(jù)震例分析,以lgSr≥0.6作為閾值,新疆地區(qū)18組6級地震中有14組地震在震前1年內(nèi)在震中附近出現(xiàn)高值異常,占比為77.78%。根據(jù)馬宏生等(2004)提出的空間R值計(jì)算方法對Benioff應(yīng)變比異常的預(yù)測效果進(jìn)行檢驗(yàn),R值為0.74,R0值為0.25,R≥R0,因此Benioff高值異常對未來1年內(nèi)6級地震具有預(yù)測意義。
2000—2023年新疆地區(qū)出現(xiàn)Benioff應(yīng)變比異常的6級以上地震的異常特點(diǎn)以及異常開始時間和結(jié)束時間見表1,其異常起止時間如圖3所示。由表1可見,總體上,Benioff應(yīng)變比異常范圍、異常開始時間和結(jié)束時間與對應(yīng)地震震級無直接的相關(guān)性。從圖3可見,Benioff應(yīng)變比異常出現(xiàn)的優(yōu)勢時間為震前9~12個月(共9組,占比為64%),而異常結(jié)束的優(yōu)勢時段為0~6個月(共9組,占比為64%)。震前存在異常反復(fù)出現(xiàn)的情況,如2008年3月21日于田7.3級地震、2012年6月30日和靜6.6級地震和2012年8月12日于田6.2級地震之前。1年內(nèi)未出現(xiàn)高值異常的震例分別為2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震、2008年10月5日烏恰6.8級震群、2017年8月9日精河6.6級地震和2020年6月26日于田6.4級地震。
以2016年11月25日阿克陶6.7級地震和2016年12月8日呼圖壁6.2級地震為例,對這兩次地震前的Benioff應(yīng)變比時空演化特征進(jìn)行分析。這兩次地震均位于天山地震帶,該地震帶發(fā)育一系列與山體近乎平行的逆斷層-褶皺帶,在山體內(nèi)部發(fā)育一系列NW向右旋走滑斷層和NEE向左旋走滑斷裂(吳傳勇,2016)。2016年阿克陶6.7級地震震中位于木吉盆地北緣斷裂附近,該斷裂 總體走向NWW,長度約120 km(尼魯帕爾·買買吐孫等,2017)。根據(jù)USGS的結(jié)果,阿克陶6.7級地震震源機(jī)制解斷層節(jié)面I 走向199°、傾角84°、滑動角14°,節(jié)面II 走向107°、傾角76°、滑動角174°,為一次右旋走滑錯動地震事件;呼圖壁6.2級地震位于齊古斷裂和準(zhǔn)噶爾南緣斷裂附近(楊文等,2018),震源機(jī)制解斷層節(jié)面I 走向80°、傾角19°、滑動角81°,節(jié)面II 走向269°、傾角71°、滑動角93°,為一次逆沖型地震事件。2016年6月26日在吉爾吉斯斯坦發(fā)生6.7級地震,該地震位于阿克陶6.7級地震西側(cè),兩次地震震中相距約58 km。2016年阿克陶6.7級地震之前,新疆境內(nèi)處于5級地震顯著平靜狀態(tài),該地震打破了新疆境內(nèi)288天的5級地震顯著平靜,隨后新疆地區(qū)6級地震開始一叢活躍。
圖4a~d為2016年阿克陶地震和呼圖壁地震B(yǎng)enioff應(yīng)變比異常時空演化過程。從圖中可以看出,2015年12月在這兩次地震震中附近開始出現(xiàn)應(yīng)變比高值異常區(qū),隨后這兩個高值區(qū)域逐漸向外同步擴(kuò)展,至2016年2月該高值異常區(qū)范圍達(dá)到最大,2016年3月,兩次地震震中附近的高值異常區(qū)消失,并轉(zhuǎn)為低值異常,異常消失3個月后首先在高值區(qū)內(nèi)部發(fā)生吉爾吉斯斯坦6.7級地震,之后5~6個月又分別發(fā)生阿克陶6.7級地震和呼圖壁6.2級地震,這兩次地震均位于2016年2月的高值異常區(qū)內(nèi)。
以每個時間段內(nèi)最后的時間節(jié)點(diǎn)繪制2016年阿克陶地震和呼圖壁地震前2年孕震半徑范圍內(nèi)Benioff應(yīng)變比的時序曲線,如圖4e、f所示,圖4a、b、c、d所示4個時段對應(yīng)圖4e、f陰影區(qū)域。從圖中可以看出,阿克陶6.7級地震孕震區(qū)的應(yīng)變比在2015年12月前一直處于穩(wěn)定波動的狀態(tài),于2015年12月開始逐漸升高,2016年2月超過閾值,并于2016年3月發(fā)生突降,隨后幾個月穩(wěn)定波動,直至地震發(fā)生。呼圖壁6.2級地震前,應(yīng)變比異常出現(xiàn)類似的特征,即在2015年12月開始逐漸升高,2016年2月超過閾值,并于2016年3月發(fā)生突降,隨后應(yīng)變比在零線附近波動,直至地震發(fā)生。與阿克陶地震前Benioff應(yīng)變比變化所不同的是,在2015年12月之前,呼圖壁孕震區(qū)的應(yīng)變比在2015年4月也曾達(dá)到閾值,而后快速下降,之后幾個月穩(wěn)定波動。這表明同一構(gòu)造帶不同區(qū)域強(qiáng)震孕育過程存在關(guān)聯(lián)性,同時也存在一定的差異性。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室失穩(wěn)模擬成核過程研究(馬瑾等,2012;馬瑾,郭彥雙,2014),失穩(wěn)前,由于斷層不同部位相互作用,斷層各部位的獨(dú)立活動開始逐漸變化為協(xié)同化活動。斷層活動協(xié)同化過程一般包括3個階段,即應(yīng)變釋放點(diǎn)產(chǎn)生、釋放點(diǎn)的擴(kuò)展和增多以及釋放段之間相互連接。2016年阿克陶6.7級地震和呼圖壁6.2級地震的應(yīng)變比特征可能與斷層失穩(wěn)成核過程的3個階段有關(guān)。
4 結(jié)論
本文在對新疆地區(qū)地震目錄最小完備性震級分析的基礎(chǔ)上,回溯了2000—2023年新疆地區(qū)6級以上地震前Benioff應(yīng)變比的時空演化過程,并以2016年阿克陶6.7級地震和呼圖壁6.2級地震為例,分析其Benioff應(yīng)變比時空演化特征,主要得出以下結(jié)論:
(1)18組6級以上地震中,有14組地震前1年內(nèi)在震中附近出現(xiàn)Benioff應(yīng)變比高值異常。通過空間R值計(jì)算方法對高值異常進(jìn)行預(yù)測效果檢驗(yàn),得到R≥R0,可見,Benioff應(yīng)變比高值異常對后續(xù)1年內(nèi)新疆地區(qū)6級地震具有一定的預(yù)測意義。
(2)2016年阿克陶6.7級地震和呼圖壁6.2級地震前幾個月孕震區(qū)應(yīng)變比變化較為一致,均表現(xiàn)為“逐漸升高—快速降低—穩(wěn)定波動”的特征,即逐漸升高并達(dá)到閾值,然后快速降低,最后穩(wěn)定波動直至發(fā)震,這與強(qiáng)震前LURR異常變化特征較為類似。
連續(xù)的Benioff應(yīng)變比空間分布變化,能夠指示應(yīng)力增強(qiáng)或者減弱區(qū)域的空間演化特征,進(jìn)而反映成核過程中介質(zhì)的高應(yīng)力狀態(tài)變化。根據(jù)新疆地區(qū)6級以上地震的震例總結(jié),Benioff應(yīng)變比是一種簡便易用、切實(shí)可行的地震學(xué)活動性參數(shù),適用于中短期強(qiáng)震預(yù)測。值得注意的是,Benioff應(yīng)變比參數(shù)的計(jì)算與網(wǎng)格大小、孕震半徑、最小完備性震級等因素的選取有關(guān),在不同構(gòu)造區(qū)中需要對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
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Research on the Features of the Benioff Strain Ratio in XinjiangRegion before Earthquakes above MS6.0
YANG Wen,YU Huaizhong,ZHANG Xiaotao
(China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China)
Abstract Before a strong earthquake occurs,the accelerated release of strain energy is common in the area near the epicenter,indicating that the seismogenic area is approaching or entering a critical state.Taking the Benioff strain as the response quantity,the Benioff strain ratio at different periods is calculated,which can be used as a parameter to characterize the speed of strain energy release,and its abnormal evolution reflects the high-stress state of the intermediate substance during seismic nucleation.The minimum complete magnitude is analyzed based on the earthquake catalog provided by the China Earthquake Networks Center,then the 90-day Benioff strain ratio before and after each month is calculated one year before the MS6 earthquakes in Xinjiang since the year 2000.The results show that 14 of the 18 groups of earthquakes were located in the high-value anomaly region within one year. This passes the prediction effect test,indicating that the high-value anomaly of the Benioff strain ratio had significance for the medium- and short-term prediction of MS6 earthquakes in Xinjiang region.One year before the Aketao MS6.7 earthquake and the Hutubi MS6.2 earthquake in 2016,the strain ratio in the seismogenic zone increased gradually,then decreased rapidly,and kept fluctuating stably.This may be related to the unstable nucleation of the fault.
Keywords:Benioff strain ratio;Xinjiang region;minimum complete magnitude;earthquake prediction
收稿日期:2024-06-18.
基金項(xiàng)目:中國地震科技星火計(jì)劃(XH23046YA);國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金(U2039205);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFE0109700).
第一作者簡介:楊 文(1986-),高級工程師,主要從事地震活動性和數(shù)字地震學(xué)工作.[DW]E-mail:longjing456@126.com.
通信作者簡介:余懷忠(1975-),研究員,主要從事地震孕育機(jī)理和預(yù)測理論研究.E-mail:yuhz750216@sina.com.
楊文,余懷忠,張小濤.2025.新疆地區(qū)6級以上地震前Benioff應(yīng)變比特征研究[J].地震研究,48(2):264-271,doi:10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0028.
Yang W,Yu H Z,Zhang X T.2025.Research on the features of the Benioff strain ratio in Xinjiang region before earthquakes above MS6.0[J].Journal of Seismological Research,48(2):264-271,doi:10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0028.