門源6.9級地震前地應(yīng)變加卸載響應(yīng)比異常分析

許延軍,張學輝,曹 勇,蒲小武,周明輝,張佳佳,王燕萍

(1.金昌市防災減災管理局,甘肅 金昌 737100;2.中國地震局(甘肅省)黃土地震工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

青藏高原東北部祁連山構(gòu)造帶斷裂分布錯綜復雜,其地震活動特征不盡相同,如存在不同的空間遷移規(guī)律等[1]。1927年古浪8級特大地震和1954年山丹7.2級地震均發(fā)生在其200 km范圍內(nèi),而在托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂也發(fā)生了3次6級以上地震,因此青藏高原東北部祁連山構(gòu)造帶呈現(xiàn)出地震活動頻繁、強度大的特征。許多學者對門源1986年8月26日6.5級和2016年1月21日6.4級地震在發(fā)震構(gòu)造、地質(zhì)背景等方面通過各種方法進行了研究,取得了許多重要研究成果[2-6]。加卸載響應(yīng)比(LUUR)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)提出的一種地震預測方法。尹祥礎(chǔ)等[5]、張浪平等[6]研究汶川8級地震序列認為,5級以上地震前均出現(xiàn)LUUR高值異常。將LUUR與其他預測理論相結(jié)合建立多種組合的預測方法,在地震預測預報中取得了較好的效果。本文通過加卸載響應(yīng)比的方法對青藏高原東北部祁連山構(gòu)造冷龍嶺斷裂帶3次6級以上地震進行整合分析,在前人研究的基礎(chǔ)上,通過同樣的方法不同的角度或者用不同的方法在同樣角度上再次深入探索祁連山構(gòu)造冷龍嶺斷裂帶地震活動特征,對門源6.9級地震前后的應(yīng)力加卸載做初步的分析和討論,以期為后續(xù)震情跟蹤積累經(jīng)驗。

1 青藏高原東北部祁連山構(gòu)造帶地震活動概況

青藏高原東北緣是青藏高原向大陸內(nèi)部擴展的前緣部位,東北毗鄰阿拉善地塊、東部連接鄂爾多斯地塊,南面是巨大的青藏高原隆起[7],祁連山構(gòu)造帶上的冷龍嶺斷裂是地震活動的主要區(qū)域。自1900年以來,其200 km范圍內(nèi)發(fā)生6級以上地震8次,歷史地震以主震-余震型或孤立型為主。2022年1月8日凌晨,青海門源發(fā)生6.9級破壞性地震后,截至2022年1月13 日止，共發(fā)生余震5.0～5.9級以上2次、4.0～4.9級以上5次、3.0～3.9級以上13次,之后3級以上地震活動趨于平靜。

近50年以來,距離此次門源6.9級地震震中50 km范圍內(nèi)發(fā)生過1986年8月26日6.5級門源地震,2016年1月21日6.4級門源地震,震中直線距離約為33～40 km,3次6級以上地震均發(fā)生在祁連山構(gòu)造的冷龍嶺斷裂帶及附近部位(圖1)。

圖1 青藏高原東北部冷龍嶺斷裂帶3次6級以上地震分布圖Fig.1 Distribution diagram of three M>6.0 earthquakes along the Lenglongling fault in the northeastern Qinghai-Tibet Plateau

2022年1月8日門源6.9級地震震中位于祁連山中東段的冷龍嶺斷裂西段,該斷層整體走向NWW,具有地震活動頻度高、強度大的特點。震中區(qū)平均海拔4 250多m,地表破裂帶長度約22 km,平均寬度75 cm,向兩端逐漸衰減,斷裂拉張作用特征明顯。此次地震震后3級以上余震發(fā)生20次,最大余震5.2級,屬于典型的主震-余震型地震,震中周邊地區(qū)震感強烈,震感范圍較大。加卸載響應(yīng)比分析方法作為地震前兆判定指標在歷次地震預測中得到了檢驗[4-5],本文通過計算冷龍嶺斷裂帶門源段3次6級以上地震加卸載響應(yīng)比來尋找它們之間的異同特征,以期為該區(qū)域地震預測和震后趨勢判斷提供佐證。

2加卸載響應(yīng)比方法

加卸載響應(yīng)比(LURR)方法是尹祥礎(chǔ)等[5]在20世紀80年代提出的地震預測新思路。多年來,地震科研工作者在理論分析、數(shù)值模擬、實驗研究等方面對其做了大量工作,使得LUUR預測方法得到了廣泛的應(yīng)用[5-9]。地震是地球介質(zhì)中的突發(fā)性剪切性破壞(失穩(wěn)),地震的孕育過程是震源區(qū)的損傷過程。巖石力學實驗發(fā)現(xiàn),巖石進入損傷階段后,加載變模量小于卸載變模量,二者的比值反映了巖石損傷程度,因此加卸載響應(yīng)比(LURR)能夠刻畫震源區(qū)介質(zhì)的損傷程度,從而可能用于地震預測。在地震孕育過程中,引潮力不斷地對斷層面起著加卸載作用,引潮力沿斷層面滑動方向的分量大于0時為加載,反之為卸載,加載時發(fā)生的地震為正地震,卸載時發(fā)生的地震為負地震,地震能量的平方根表示了地震活動性的強弱,正能量地震之和(加載響應(yīng))與負能量地震之和(卸載響應(yīng))相比即為加卸載響應(yīng)比[8]。加卸載響應(yīng)比用Y表示,即:

(1)

式中:Ei表示第i個小地震釋放的能量;N+和N-分別表示加、卸載階段的地震個數(shù);m取值0,1/2或者1,當m=0時Em表示地震事件的個數(shù),當m=1/2時Em表示應(yīng)變量,當m=1時,Em表示能量，本文取m=1。加卸載響應(yīng)比能夠定量地刻畫孕育地震區(qū)域介質(zhì)的損傷程度或反映該系統(tǒng)趨于失穩(wěn)的程度。加卸載響應(yīng)比不僅可以很好地應(yīng)用于地震預測,還可以適用于地質(zhì)災害(如滑坡、礦震、水庫地震等)的預測[10-11]。李佐唐[12]利用加卸載響應(yīng)比(LURR)方法對祁連山構(gòu)造帶地震活動性分析取得很多滿意的結(jié)果,其作為前兆判定主要依據(jù)表現(xiàn)出良好效果,對年度地震趨勢預測也同樣具有較好的效果。

3 祁連山構(gòu)造冷龍嶺斷裂帶西段6級以上地震加卸載響應(yīng)比特征

青藏高原北部隆起祁連山構(gòu)造帶內(nèi)斷裂錯綜復雜,在印度板塊強烈的擠壓作用下,使得青藏高原東北部中強地震活動增強,而地表破裂通常發(fā)生在斷裂帶交匯部位或斷裂兩端,近50年來僅在祁連山構(gòu)造冷龍嶺斷裂帶兩端或與托萊山斷裂帶交匯部位發(fā)生3次6級以上地震(表1),震中相距33～40 km,海拔4 200～5 000 m,為研究同一地區(qū)加卸載響應(yīng)比特征提供了有利條件。經(jīng)初步分析LUUR特征基本一致,在地震發(fā)生前均出現(xiàn)加卸載響應(yīng)比異常(圖2)。

表1 祁連山構(gòu)造冷龍嶺斷裂帶6級地震序列表Table 1 List of three M>6.0 earthquakes along the Lenglongling fault in Qilian Mountains

3.1 3次6級以上地震加卸載響應(yīng)比特征

以1～3個月時長為短期,以1天為時間窗長和步長,對研究區(qū)域進行LURR時間掃描,分別計算并做出門源1986年8月26日6.5級地震[如圖2(a)]、2016年1月21日6.4級地震[圖2(b)]和2022年1月8日6.9級[圖2(c)]地震加卸載響應(yīng)比短期變化曲線。從圖中可以清楚地發(fā)現(xiàn)1986年6.5級地震前短期加卸載異常明顯,2016年6.4級地震的短期加卸載響應(yīng)比異常在地震發(fā)生前的短期出現(xiàn),2022年1月8日門源6.9級地震短中長期加卸載響應(yīng)比異常在地震前出現(xiàn),其加卸載響應(yīng)迅速,并在3天左右卸載結(jié)束。2022年6.9級地震2次5級以上余震同樣存在加卸載響應(yīng)比異?，F(xiàn)象。從圖2還可以看到,加卸載響應(yīng)比(LURR)通常在1左右浮動,然后逐漸上升至峰值,但強震并不在峰值點發(fā)生,而要滯后一段時間,震級越大,滯后時間越長,大震前LURR會降低[13-14]。強余震(MS≥5.0)前加卸載響應(yīng)比均會發(fā)生明顯異常,一般是加卸載響應(yīng)比出現(xiàn)峰值發(fā)生5級以上強余震。由此可見，加卸載響應(yīng)比方法顯示出了良好的短臨預測能力[15]。

圖2 青藏高原東北部祁連山構(gòu)造帶3次6級以上地震加卸載響應(yīng)比特征Fig.2 Characteristics of LURR of three M>6.0 earthquakes along the Qilian Mountain structural belt the northeastern Qinghai-Tibet Plateau

3.2 門源6.9級地震余震加卸載響應(yīng)比特征

2022年1月8日門源發(fā)生6.9級地震后,短期內(nèi)又發(fā)生了5.0～ 5.9級以上余震2次,4.0～4.9級以上余震5次,3.0～ 3.9級以上余震13次,最大余震為5.2級,此次地震發(fā)生的頻度和強度明顯較大(表2)其余震加卸載響應(yīng)比形成相互疊加的現(xiàn)象。由于技術(shù)和資料原因,余震的加卸載響應(yīng)比特征待進一步研究。

表2 2022年1月8日門源6.9級地震余震序列(地震資料來源于全國地震目錄)Table 2 Aftershock sequence of the Menyuan MS6.9 earthquake on January 8,2022

3.3 門源6.9級地震加卸載響應(yīng)比異常與b值異常同步特征

b值是一種較普遍的地震研究方法,在地震活動性預測、地震危險性評估方面得到了廣泛應(yīng)用。b值指示大小地震之間的比例關(guān)系,當?shù)卣鹂倲?shù)不變,b值發(fā)生一定幅度變化時,則發(fā)生危險性地震的概率比例更大。本文選取2020年2月至2022年2月,震中200 km范圍內(nèi)1級(此處為ML震級)以上地震(圖3)做M-t圖,對震前序列通過時間窗10天掃描b值。圖2顯示,在地震前2個月,即2021年11月出現(xiàn)低b值明顯異常,持續(xù)10多天后b值反彈到正常位置。在異常出現(xiàn)后1個多月發(fā)生6.9級地震,初步認為這種異常特征與加卸載響應(yīng)比異?，F(xiàn)象同步,這也從另一方面證明了響應(yīng)比異常預測地震的正確性[13]。

圖3 頻度M-t與b值異常特征Fig.3 Frequency M-t and b value abnormal characteristic

4 結(jié)語

通過對祁連山構(gòu)造冷龍嶺斷裂帶西段6級以上地震加卸載響應(yīng)比特征分析,得出如下結(jié)論:

(1) 祁連山構(gòu)造帶冷龍嶺斷裂門源段6級以上地震加卸載響應(yīng)比異常明顯,2022年1月8日門源6.9級地震前2個月加載明顯,地震發(fā)生在峰值后一周時間左右,即處于卸載階段時發(fā)生地震,加卸載響應(yīng)比異常與b值具有異常同步特征。

(2) 3次門源地震以震前5年為研究期,窗長為1月做短期的加卸載響應(yīng)比的時間掃描,研究認為其異常特征明顯,所以對于祁連山斷裂帶區(qū)域地震預測而言,應(yīng)一個季度做一次加卸載響應(yīng)比異常時間和空間的掃描,在加卸載響應(yīng)比掃描結(jié)果的依據(jù)基礎(chǔ)上確立短期預測意見。

(3) 加卸載響應(yīng)比(LURR)通常在1左右浮動,在顯著地震發(fā)生前2個月逐漸上升至峰值,但強震并不在峰值點發(fā)生,而在降低回落到1左右,滯后一段時間(通常是10天,甚至需要更長時間)發(fā)生地震,且震級越大,滯后時間相對越長,其強余震特征類似,但需要進行進一步的研究。