2017年8月9日精河6.6級地震前LURR異常時空演化特征

尼魯帕爾·買買吐孫 王海濤 張永仙劉月 唐蘭蘭 魏蕓蕓

1）新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市新市區科學二街338號 830011

2）中國地震臺網中心，北京 100045

3）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

0 引言

20世紀 80年代，尹祥礎（1987）提出了加卸載響應比（Load-Unload Response Ratio，LURR）理論，它是根據介質不同變形階段的力學特性，通過加載、卸載響應量的差別反映介質損傷程度的理論。加卸載響應比理論可以定量描述介質的損傷程度，刻畫介質的損傷進程。在地震預測方面，日月運行產生的引潮力為地球提供了天然的加卸載源，據此可以非常明確地判斷地震發生時處于加載階段還是卸載階段。已有的一系列理論分析、實驗研究、數值模擬、震例分析和統計研究等工作，在一定程度上驗證了該理論用于各種災變預測的可行性（莊建倉，1999；王海濤，1999）。加卸載響應比理論的物理基礎明確，是物理含義十分清晰的地震預測研究方法，已在中國大陸、美國、日本、澳大利亞和其它地區的地震預測研究中不斷取得新的進展（尹祥礎等，1996；張永仙等，2004；余懷忠等，2010；張浪平等，2010）。前人對國內外上百個中強以上地震前加卸載響應比變化規律進行了震例分析和統計檢驗，并提取了相應的異常指標，結果表明，80%以上的地震震前出現明顯的異常變化（尹祥礎等，1991；宋治平等，1996；王海濤等，1998）。

天山位于新疆的中部，由西段烏茲別克斯坦境內的費爾干納盆地向東延伸到中國的吐魯番盆地，呈楔狀分布，EW向綿延2500km，寬為300～400km，平均海拔2500m（熊小松等，2011）。天山構造經歷了極其復雜的演變過程，這最早可追溯到中晚元古代，該時期是天山地震構造運動最為強烈的時期（鄧起東等，2000）。天山地震帶從新生代開始復活，主要表現為大規模地殼縮短和褶皺沖斷推翻構造的廣泛發育（李錦軼等，2006）。天山的地震活動具有強度大、頻度高且不均勻分布的特點（高國英等，1993）。2016年11月25日阿克陶6.7級地震后，新疆境內5級以上地震活動水平較高，共發生6次5級以上地震，其中，2017年8月9日精河6.6級、9月16日庫車5.7級地震均發生在天山地震帶。本文利用加卸載響應比理論，對精河6.6級地震前孕震區加卸載響應比時空演化特征和孕震積分時序進程進行分析，總結其震前異常演化特征。

1 加卸載響應比（LURR）的計算

1.1 加卸載響應比（LURR）理論

地震是在復雜的地質構造環境中孕育和發生的，地震孕育過程的實質為地球內部震源區介質不斷損傷，最后導致失穩和突發破裂并釋放能量的過程（傅承義等，1985）。地震孕育過程中，由于震源區介質不均勻特性、損傷演化過程、臨界條件等是未知或部分未知的，因此，我們通過各種觀測手段只能了解某些物理量的變化。針對如何利用現有物理量的變化提取地震孕育過程中具有物理含義信息的問題，尹祥礎（1987）提出了加卸載響應比理論來定量描述震源區的損傷程度。從巖石材料的本構關系曲線（圖1）（Jaeger et al，1979）可以看出，當介質處于彈性階段，介質的變形是可逆的，加載響應率和卸載響應率一致；當介質處于損傷階段，加載響應率大于卸載響應率。這種差異可以定量地描述介質所處的應力狀態以及損傷演化過程，從而反映介質的損傷程度，加卸載響應比理論的出發點就是定量地刻畫介質損傷程度（尹祥礎等，1991）。

圖1 巖石材料的本構關系曲線

如圖1所示，假設P和R分別為一個非線性系統的載荷和響應（尹祥礎，1987），響應率X則可以表示為

其中，ΔP、ΔR分別為載荷P、響應R的增量。如果回到應力-應變曲線，響應率X即為變形模量的倒數。令X＋、X－分別為加載、卸載階段的響應率，加卸載響應比通常可以定義為

其中，“＋”表示加載過程；“－”表示卸載過程；X為響應率。

當系統處于穩定狀態時，X＋≈X－，Y≈1；當系統接近失穩破壞時，X＋＞X－，Y＞1；當介質越接近破壞時，Y值越大，達到峰值。因此，加卸載響應比的時間序列直接反映了非線性系統穩定狀態的變化。當選取響應的物理量不同時，X的表達式也不相同。地震預測研究實踐中，以一定時間窗和空間窗內釋放的地震能量作為響應量，可以根據日月潮汐力在發震斷層破裂面上引起的庫侖應力變化來判斷加載、卸載過程，定義加卸載響應比Y為（尹祥礎等，1996）

式中，E為能量，這里Ei表示第i個小地震所釋放的地震波能量。m可以取為0～1之間的任意值，當m=0時，Emi為地震頻次；當m=1/3時，Emi為地震孕震區域線尺度；當m=2/3時，Emi為地震孕震區域面尺度；當m=1/2時，Emi為地震學中的貝尼奧夫應；當m=1時，Emi為能量。N＋和N－分別為加載、卸載時段的地震數。本文中，m為 1/2，Emi為加載、卸載期間貝尼奧夫應變。當庫侖破裂應力的增量為正時，則定義該時期為加載時期，此間發生的地震為加載地震；當庫侖破裂應力的增量為負時，則定義為卸載時期，此間發生的地震為卸載地震（張永仙等，2004）。

巖石實驗、歷史震例統計、數值模擬以及損傷流變模型等研究結果表明（王海濤等，1998；尹祥礎等，2004；張暉輝等，2005），在地震活動平靜期，加卸載響應比在1附近波動，而在巖石受擠壓、應力增強或者大地震孕震過程中，加卸載響應比明顯或遠大于1，且在主震發生前迅速下降，隨后即發生地震，因此，加卸載響應比升高對地震預測研究具有重要意義。加卸載響應比演化的特征時間可以用2個參數來表示，一個是從加卸載響應比值Y＞1開始，一直持續到發震的時間間隔T，也就是加卸載響應比的總異常時間T，也可以理解為地震孕育的總時間；另一個是從加卸載響應比的峰值點到地震發生的時間間隔T2，T2常稱為滯后時間（圖2）（尹祥礎等，2009）。圖2以1989年10月美國加利福尼亞州 Loma PrieteM7.0地震前加卸載響應比的變化為例，說明T和T2的意義。表1（尹祥礎等，2009）給出了不同震級對應的異常持續時間T與峰值到發震的時間間隔T2間的關系。由表1可見，震級越大，異常持續的時間越長，即大地震的孕震期越長。

1.2 新疆精河6.6級地震

據中國地震臺網測定，2017年8月9日7時27分，新疆博爾塔拉州精河縣發生MS6.6地震，震中位于 44.27°N、82.89°E，震源深度11km。精河6.6級地震震區位于北天山地區，2011年以來新疆地區中強地震活動呈現“時間上連續，空間上多帶分布”的活動特征，主體活躍區為北天山地區。自2015年以來，天山中西段發生了6次5級以上地震（表2），其中，6級地震2次，分別為 2016年 12月 8日呼圖壁 6.2級、2017年 8月 9日精河 6.6級地震（圖 3）。

圖2 T、T1和 T2的意義（據尹祥礎等（2009））

表 1 不同震級對應的LURR異常持續時間（T）和LURR峰值點超前地震發生的時間（T2）（據尹祥礎等（2009））

表2 2015年1月～2017年9月研究區發生的M≥5．0地震參數

距精河6.6級地震震中200km范圍內，1900年以來發生過10次6級以上地震，最大震級地震為1944年3月10日新源縣7.2級地震，其震中距此次精河地震震中95km。精河6.6級地震發生在北天山西段的庫松木契克山前斷層東末端，該斷裂東起基普克一帶，向西經掃子木圖沿庫松木契克山前及北緣延伸至賽里木湖，總體呈290°～300°方向延伸，長約160km，斷面南傾，傾角40°～60°，性質以逆沖為主，兼右旋走滑，平面上斷層呈略向北突出的弧形（鄧啟東等，2000）。

1.3 資料選取

本文研究所用的目錄為新疆地震快報目錄（已進行了刪除余震處理），該目錄包括1970年以來0級以上的地震。本文研究的目標震級大于MS5.0，計算過程中為了避免目標大地震對計算值的大幅干擾，計算目錄震級范圍為MS1.0～4.0。將新疆地區劃分為2°×2°的區域進行時空掃描，即設定固定的計算時間窗口，以半徑為R的圓形區域作為空間窗，緯度固定，再以一定的滑動步長沿經度方向進行空間掃描，針對每一個空間點計算圓形區域內加卸載響應比，然后再沿著緯度方向進行掃描（唐蘭蘭等，2014；劉月，2014；尼魯帕爾·買買吐孫等，2017）。

由于不同的掃描半徑R所包含的地震個數不同，而不同的地震個數所得結果的信度不同。據尹祥礎（2015）的研究，1個震級為5級（或6、7級）的地震，其孕震區的空間尺度約為90km（或170、330km），當預測震級為5級（或6、7級）時，其時空掃描的空間區域尺度可以選用 100km（或 200、300km）

式中，R為從加卸載響應比的角度確定的孕震區的空間尺度；M為預測震級。因此，本文可根據式（4）確定孕震區的掃描半徑。

本文研究區范圍為 40°～50°N、75°～88°E，空間掃描半徑R為 200km，滑動步長為 0.25°的圓形區域；以15個月為時間窗、30天為滑動步長進行時間掃描。掃描過程中圓形區域內地震數目太少，容易引起虛假異常，因此，計算過程中每個窗口內地震數至少應為20個。篇幅所限，本文僅給出了2014年10月～2017年8月間的部分時空掃描結果（圖2）。

圖3 2015年1月～2017年9月研究區發生的M≥5.0地震震中分布

2 LURR異常時空演化特征分析

圖4為北天山西段 LURR異常時空演化圖像。由圖4可見，2014年10月前，研究區（圖4紅色圈內）無明顯LURR異常，其邊緣的烏什地區出現小面積異常。從2014年11月開始，伊犁盆地以北溫泉-烏蘇地區出現較大面積的異常，2015年1月后異常幅度和面積逐漸增大，伊犁盆地兩側異常區連成一片，2月11日異常區邊緣發生沙灣5.0級地震；7月后異常區面積收縮，但溫泉以北地區異常幅度增強，至2015年12月異常幅度達到峰值，其后2016年1月14日在異常區南部邊緣發生輪臺5.3級地震，2月11日異常區內部發生新源5.0級地震。2016年3月后研究區的異常逐漸減弱，5月后伊犁盆地地區的異常基本消失，在溫泉以北的區域和境外出現2片小面積異常，異常繼續減弱，至2016年10月境內異常基本消失，12月8日異常區東邊發生呼圖壁6.2級地震；至2017年7月境外的小面積異常消失，隨后異常區接連發生了8月9日精河6.6級、9月17日庫車5.7級地震。

圖4 北天山西段LURR異常時空演化圖像

加卸載響應比時空掃描分析方法，在地震預測實踐中得到了較好的應用。為了更直觀地了解研究區異常幅度及異常面積的動態變化，Yin等（2011）提出孕震積分Ipp（單位為km2）的概念

孕震積分反映了孕震區的大小和異常程度，從而在時間上可以更直觀地觀察異常的發展，提高了LURR方法的預測效能。

圖5為2013年8月～2017年8月研究區的孕震積分時序曲線。由圖5可見，2013年8月～2014年8月，該區孕震積分曲線波動很小，9～10月孕震積分很低；2014年11月之后研究區的孕震積分出現高值，孕震積分高值波動的過程中先后發生了2015年2月22日沙灣5.0級、2016年1月14日輪臺5.3級、2016年2月11日新源5.0級等地震，2016年2月后，孕震積分逐漸下降，2017年6月基本回到背景狀態后接連發生了2017年8月9日精河6.6級、9月17日庫車5.7級地震。由圖4可見，精河6.6級地震前，2014年11月～2016年4月研究區內孕震積分曲線異常持續了18個月，高值波動過程中發生了3次5級地震；從2015年11月孕震積分峰值時間到精河6.6級地震發生，特征時間為22個月，其間發生了3次5.5級以上地震。

圖5 研究區（圖3紅色圈內）孕震積分時序曲線

張暉輝等（2005）利用中國大陸5級以上地震LURR峰值特征得到LURR異常峰值點時間至發震時間的關系式，結果顯示，5.0～5.9級、6.0～6.9級地震的T2分別為9、18個月。溫少妍等（2016）研究了新疆中強地震前加卸載響應比時空演化特征，結果表明，新疆中強以上地震（5.0～5.9級、6.0～6.9級地震）LURR峰值到發震時間的間隔平均為5、18個月。本文研究時段內共發生了6次5級以上地震，從時間進程來看，2015年11月達到峰值，12個月之后發生2016年12月8日呼圖壁6.2級地震，22個月之后發生2017年8月9日精河6.6級地震，因此，本文計算得到的滯后時間T2比前人的長一些。尹祥礎等（2009）指出，預測大地震必須用大視野，即大的時空觀，空間尺度要足夠大，時間持續上要注意LURR異常的峰值后要過很長時間大地震才發生（表1）。本文研究的區域地處塔里木盆地、準葛爾盆地和哈薩克斯坦地塊之間，構造活動劇烈，地震活動性強，4年時間內發生了6次5級以上地震（含2次6級地震）。本文分析認為，呼圖壁6.2級地震的異常與精河6.6級地震的異常交疊在一起，2次大地震異常的重疊導致較長的異常持續時間。因此，本文計算結果與前人統計結果間存在差異也是合理的，這可能與研究區域統計尺度或構造活動差異等有關。

3 結論與討論

本文首先介紹了加卸載響應比的基本思路、計算方法及精河6.6級地震發震背景，簡要介紹了天山中西段的地震活動特征；然后，分析了精河6.6級地震前LURR異常時空演化過程和孕震積分時序曲線特征。本文研究時段內，震中附近和所在構造帶上出現多個高值異常區，并呈現環狀特征，異常區域隨時間逐漸向震源附近遷移，異常演化過程中異常區域內部和周圍發生了6次5級以上地震，其中，2次6級地震發生在異常高值減弱過程中，異常峰值到發震時間分別為11、22個月，大于以往研究的理論發震時間，這可能是受構造應力區域性特征影響和2次6級地震異常疊加的緣故。

本文研究區內發生的2次6級地震，都是孕震積分達到峰值后在轉折下降過程中發生的，這與張暉輝等（2005）、張浪平等（2010）研究中國大陸、美國等地得到的中強地震前LURR的異常統計結果一致，表明孕震積分和加卸載響應比一樣，可以從時間尺度上描述一個地區的地震危險性（唐蘭蘭等，2014）。另外，孕震積分可以更直觀地描述區域LURR異常值和異常面積的起伏變化，將LURR空間異常演化以時間進程曲線形式表示，有助于對未來地震發震時間的研判。由于中強地震孕震環境不同，LURR異常持續時間、幅度和異常面積均存在差異，因此，對于不同構造區域的掃描尺度需要具體分析。