青海瑪多MS7.4地震前LURR與OLR短臨異常關(guān)聯(lián)性研究

王淑艷,田 輝,馬克祥,于 晨,馬未宇,余懷忠

(1.中國電子科學(xué)研究院,北京 100041;2.中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045)

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定,2021年5月22日在青海果洛州瑪多縣(34.59°N,98.34°E)發(fā)生MS7.4地震,震源深度17 km。歷史地震活動統(tǒng)計顯示,自1900年以來,震中300 km范圍內(nèi)發(fā)生7級以上地震5次,其中最大震級為1947年3月17日青海果洛州達(dá)日縣7.7級地震,距此次瑪多地震約179 km;時間最近的為2010年4月14日青海玉樹州玉樹市7.1級地震,距此次地震約224 km;空間最近的為距此次地震約122 km的1937年1月7日青海阿蘭湖東7.5級地震。構(gòu)造上看,青海瑪多地震位于巴顏喀拉地塊內(nèi)部,距此次地震最近的斷層是甘德南緣斷裂帶,約22 km,震源機制結(jié)果顯示為一次以左旋走滑為主的地震(圖1)。

圖1 瑪多7.4級地震周邊的活動構(gòu)造及歷史強震(藍(lán)色圓點為1900—2021年 震中300 km范圍內(nèi)MS7.0以上地震)Fig.1 Active faults and historical strong earthquakes around the Maduo M7.4 earthquake (The blue dots indicate earthquakes above MS7.0 within 300 km of the epicenter from 1900 to 2021)

加卸載響應(yīng)比(Load/Unload Response Ratio,LURR)是根據(jù)巖石介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系的非線性動態(tài)響應(yīng)提出的一種地震預(yù)測方法[1],借鑒系統(tǒng)論的基本思路,通過構(gòu)建內(nèi)部系統(tǒng)與外部因素的聯(lián)系,達(dá)到分析研究該系統(tǒng)的目的。尹祥礎(chǔ)等[2]研究了日本關(guān)東等地區(qū)的加卸載響應(yīng)比隨時間的變化特征,分析結(jié)果顯示關(guān)東地區(qū)存在發(fā)生6級左右地震的可能;王海濤等[3]將LURR理論應(yīng)用于1997年新疆伽師地震序列,發(fā)現(xiàn)序列中5級以上地震前均出現(xiàn)LURR高值異常,說明該方法在中強地震發(fā)生后可以用于地震序列的早期判斷;為了捕捉地震孕育的不同階段特征,Yu等[4-5]將LURR與其他預(yù)測理論相結(jié)合,建立了一種具有物理關(guān)聯(lián)性的多方法組合地震預(yù)測方法,自2010年提出以來,在地震預(yù)測預(yù)報實踐中取得了較好的結(jié)果。

地震是斷層構(gòu)造應(yīng)力累積達(dá)到破裂臨界狀態(tài)后快速釋放的結(jié)果。巖石力學(xué)實驗的結(jié)果也證明,巖石的破裂過程會同步產(chǎn)生紅外輻射[6],這些結(jié)果為紅外遙感地震監(jiān)測預(yù)測提供了理論依據(jù)。20世紀(jì)80年代,Gorny等[7]研究發(fā)現(xiàn)1984年Gazli地區(qū)發(fā)生的幾次強震,震前10天左右出現(xiàn)了顯著的大面積熱紅外輻射增強現(xiàn)象,產(chǎn)生異常的波段主要集中在10.5～12.5 μm。在此之后,OLR作為一種可觀測的震前短臨異常被越來越多的地震研究人員所關(guān)注,極大地拓展了衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)在地震監(jiān)測預(yù)報領(lǐng)域的應(yīng)用[8-10]。

根據(jù)LURR理論和震例檢驗的結(jié)果顯示,作為一種中短期預(yù)報方法,在LURR出現(xiàn)高值回落現(xiàn)象后預(yù)示著未來有發(fā)生地震的可能,但發(fā)震時間短則幾天、長則數(shù)年。因此,如何在預(yù)測的時間尺度上進一步優(yōu)化,更加精細(xì)地描述震前的短臨異常變化,更好地把握未來地震活動趨勢？圍繞這一問題,本文將LURR與OLR相結(jié)合,以瑪多MS7.4地震為例,分析研究地震前后2種物理參量在短臨預(yù)報階段演化規(guī)律的關(guān)聯(lián)性,探討地震的孕育和發(fā)生過程。

1 加卸載響應(yīng)比(LURR)異常

LURR是基于巖石“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系的動態(tài)演化規(guī)律提出的一種反映非線性系統(tǒng)不穩(wěn)定程度的參數(shù)。作為一種中短期地震預(yù)報方法,其可以有效地探查孕震區(qū)巖石介質(zhì)的破壞程度。當(dāng)巖石介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時,加載和卸載階段的響應(yīng)率基本相當(dāng),因此LURR值在1.0附近波動。當(dāng)?shù)貧そ橘|(zhì)進入損傷階段時系統(tǒng)逐漸趨于失穩(wěn)狀態(tài),加載階段的響應(yīng)率會逐漸大于卸載階段的響應(yīng)率,此時LURR值會逐漸增大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1并趨近于∞。

將日月潮汐力在地震破裂面上引起的庫侖破裂應(yīng)力變化(ΔCFS)作為判斷加載和卸載的手段:

CFS=τn+fσn

(1)

式中:f、τn、σn分別代表內(nèi)摩擦系數(shù)、剪應(yīng)力和法向應(yīng)力。定義:當(dāng)ΔCFS>0則判斷為加載階段,ΔCFS<0則為卸載階段。而在理論上能夠反映地殼介質(zhì)失穩(wěn)過程的地球物理參量均可以作為響應(yīng)量進行計算。在目前的地震預(yù)測實踐中,取一定時間窗和空間窗內(nèi)釋放的地震能量E作為響應(yīng)的方法研究得最為充分。定義以地震能量E作為響應(yīng)量的LURR值的表達(dá)式如下所示:

(2)

式中:Ei表示第i個小地震所釋放的能量;N+和N-分別表示加載和卸載階段的地震個數(shù);m取值0、1/2或1。當(dāng)m=0時,Em表示地震事件個數(shù);當(dāng)m=1/2時,Em表示Benioff應(yīng)變。為了避免地震數(shù)目太少導(dǎo)致加卸載響應(yīng)比時間序列的強烈波動,計算時間窗內(nèi)通常包含多個加、卸載循環(huán)過程。

圖2為瑪多7.4級地震前LURR異常的時間序列曲線,紅色豎線為MS≥5.5地震。地震資料為中國地震臺網(wǎng)中心地震目錄,起訖時間為2015-01-01—2021-05-22,挑選震中400 km范圍內(nèi)的地震進行計算,掃描區(qū)域內(nèi)MS0～4.0地震的Benioff應(yīng)變作為響應(yīng)量(m=1/2),CFS的斷層內(nèi)摩擦系數(shù)取0.4,計算時窗為1個月,滑動步長為15天。

計算結(jié)果顯示,近幾年原震區(qū)半徑400 km區(qū)域內(nèi)發(fā)生的5.5級以上地震,地震前都出現(xiàn)顯著LURR高值[圖2(a)],而以本次瑪多地震為例[圖2(b)],震前2個月LURR值開始逐漸增大,并于震前1個月達(dá)到最大值,高值持續(xù)半個月后開始回落,直至地震發(fā)生,這與Yin等[11]描述的震前LURR異常演化規(guī)律一致。回顧該區(qū)域近幾年的地震活動可以看到,其他5次MS5.5以上地震發(fā)生前LURR都出現(xiàn)了顯著的高值變化,說明斷層介質(zhì)已到達(dá)屈服階段的末期,但是距離目標(biāo)地震的發(fā)震時間最短不超過1個月,最長約有1年左右。因此,為了在時間尺度上更好地逼近預(yù)測的地震事件,我們將LURR與OLR相結(jié)合,在LURR高值回落之后開展OLR連續(xù)日變化跟蹤,在時間上實現(xiàn)從中短期向短臨階段逐漸過渡,提供更有效的地震危險性評估手段。

圖2 瑪多7.4級地震LURR時間序列演化圖Fig.2 LURR time series evolution of Maduo earthquake

2 地面長波輻射(OLR)異常

隨著衛(wèi)星觀測技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的地震震前觀測到了熱紅外、電離層擾動等空間異常現(xiàn)象[12-14]。由于不同類型的遙感數(shù)據(jù)、處理方法和參數(shù)設(shè)置會對最終的計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響,為了能夠最直觀地反映下墊面的性質(zhì)和輻射能量的變化規(guī)律,我們選擇地面長波輻射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)數(shù)據(jù)為研究對象,該波段也是地球自身向外輻射的集中波段。采用美國NOAA系列衛(wèi)星采集的OLR數(shù)據(jù)可以保證研究資料的適用性和完整性,其空間分辨率為1°×1°,時間分辨率為1天,一個數(shù)據(jù)文件由360×181個覆蓋全球的格點組成。為了避免由于背景日期選取長度的差異對最終結(jié)算結(jié)果的影響,本文將LURR時間序列與臨震OLR遙感異常連續(xù)日追蹤圖像相結(jié)合,以瑪多地震為例,選取2021年5月13日(LURR高值回落的轉(zhuǎn)折點)為OLR數(shù)據(jù)的參考背景值,將2021年5月14日至25日、空間范圍(31°～39°N,88°～105°E)的夜間地面長波輻射值逐日與背景日的長波輻射值相減,自LURR高值回落之時為起始時間,獲得地震發(fā)生前后的OLR連續(xù)日變化圖像,在短臨階段對地震活動趨勢進行約束。

如圖3所示,在研究區(qū)范圍內(nèi),在LURR高值回落之后,震中及其鄰近區(qū)域在地震前后OLR出現(xiàn)了顯著的異常變化。5月14日震中附近及整個研究區(qū)內(nèi)都沒有出現(xiàn)顯著的輻射增強,15日震中北部出現(xiàn)微弱的輻射增強,增幅達(dá)到94 W/m2,16日OLR異常在空間和強度上都有微弱的增強,17日OLR異常衰減,18—19日OLR異常無論是在空間上還是強度上都出現(xiàn)顯著增強,異常范圍在震中北部地區(qū)持續(xù)擴展,異常范圍增大并逐步向震中遷移,異常增幅達(dá)到98 W/m2,之后在20—21日再次增幅衰退,5月22日地震發(fā)生后受原震區(qū)震后斷層應(yīng)力變化的影響,22—23日OLR異常出現(xiàn)暴發(fā)性增強,增幅達(dá)到最大值,超過100 W/m2,異常面積在震中北部持續(xù)擴展,24號之后異常消失。瑪多地震前整個OLR短臨異常演化過程在時間上經(jīng)歷了初始增溫-異常擴展-達(dá)到峰值-異常減弱-地震發(fā)生-異常消失的演化過程,此過程與巖石破裂實驗中各階段向外輻射的演化特征吻合[6],基本反映了巖石介質(zhì)應(yīng)力累積達(dá)到臨界狀態(tài)、震后應(yīng)力重分布和斷層強度再恢復(fù)的演化過程[15]。20—21日的OLR異常衰退可能預(yù)示著巖石介質(zhì)應(yīng)力閉鎖現(xiàn)象的出現(xiàn),而這種斷層破裂前長波輻射“先降后升”的演化過程與馬瑾等[16]在實驗室觀測到的斷層失穩(wěn)前后熱場溫度“先降后升”模式相吻合。

圖3 瑪多7.4級地震OLR異常時空演化Fig.3 Temporal and spatial evolution of OLR anomalies before Maduo earthquake

3 討論

LURR方法作為一種中短期地震預(yù)測方法,可以揭示瑪多地震前原震區(qū)地殼介質(zhì)的應(yīng)力累積狀態(tài)。LURR從日月潮汐應(yīng)力觸發(fā)地震的理論出發(fā),其量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于構(gòu)造應(yīng)力的量級,其只能觸發(fā)地震而不能創(chuàng)造地震。當(dāng)孕震區(qū)巖石介質(zhì)的構(gòu)造應(yīng)力累積較低、遠(yuǎn)離臨界狀態(tài)時,LURR值小于1,潮汐應(yīng)力的微小變化很難觸發(fā)地震;而當(dāng)孕震區(qū)地下介質(zhì)的構(gòu)造應(yīng)力達(dá)到或接近臨界狀態(tài)時,即使非常微弱的應(yīng)力增加,如潮汐應(yīng)力仍然可以觸發(fā)地震,因此潮汐應(yīng)力的變化可能是一種影響本地區(qū)地震活動特性的關(guān)鍵因素,此時加載階段和卸載階段的Benioff應(yīng)變釋放會逐漸出現(xiàn)差異,導(dǎo)致LURR值逐漸高于1。作為基于巖石本構(gòu)關(guān)系動態(tài)演化提出的方法,根據(jù)巖石破裂的各階段特征,當(dāng)LURR值從高值開始回落后,表示孕震區(qū)介質(zhì)已進入屈服階段的末期,預(yù)示著未來有發(fā)生地震的可能。我們統(tǒng)計了67個震前出現(xiàn)顯著LURR異常的MS≥6.0地震震例,檢驗結(jié)果如表1所列:其中從高值回落到地震發(fā)生,時間跨度2年以內(nèi)的震例有64個,優(yōu)勢發(fā)震時間在3～6個月,占比接近50%,為了更加精確地刻畫預(yù)測的時間尺度,提高預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確性,將LURR與OLR相結(jié)合可能是一種新的思路。

表1 震前LURR高值回落的時間分布Table 1 Time distribution of high LURR values before earthquakes

自20世紀(jì)80年代開始,利用衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)研究地震熱異常成為一種地震預(yù)測的新途徑[7-8,17],大量研究人員發(fā)現(xiàn)在大地震前數(shù)日內(nèi)會出現(xiàn)熱紅外、電離層等異常變化[12-13,18]。在當(dāng)今的遙感地震監(jiān)測預(yù)報實踐中,作為一種震前短臨階段的預(yù)測方法存在比較突出的問題包括:異常面積分布廣、異常區(qū)域分布離散程度高以及缺乏明確的異常時間指示規(guī)則[19-21]。本文將LURR與OLR異常演化相結(jié)合,LURR的高值回落時刻可能為遙感地震監(jiān)測提供具有明確物理意義的異常起始時間指示,同時為震前熱異常的演化提供了力學(xué)依據(jù),不僅可以提高OLR背景值選擇的可靠性,降低計算過程的隨機性導(dǎo)致的結(jié)論的不確定性;縮小異常的空間范圍,排除可能是干擾的異常區(qū)域;還可以提高LURR時間序列的時間分辨率;以一種更加精細(xì)的手段對LURR高值回落后的異常演化過程進行分解,提高預(yù)測的準(zhǔn)確性,時間上實現(xiàn)由中短期到短臨預(yù)測的自然過渡。

4 結(jié)論

本文研究發(fā)現(xiàn),瑪多MS7.4地震前一個月以Benioff應(yīng)變?yōu)轫憫?yīng)的LURR值出現(xiàn)顯著異常高值異常,異常高值回落后的時段內(nèi),在原震區(qū)北部出現(xiàn)顯著OLR短臨異常,其演化特征與巖石介質(zhì)應(yīng)力累積到臨界狀態(tài)進而失穩(wěn)破裂的過程相吻合。結(jié)合2種具有明確物理意義的地震預(yù)測參量,可以反映震前原震區(qū)的應(yīng)力累積狀態(tài),更加精細(xì)地描述斷層介質(zhì)進入屈服階段末期的應(yīng)力水平變化特征,可以更好地在時間和空間上逐漸逼近未來可能發(fā)生的地震,為地震預(yù)測研究提供一個可行的思路。