青海玛多MS7.4地震前LURR与OLR短临异常关联性研究

王淑艳,田 辉,马克祥,于 晨,马未宇,余怀忠

(1.中国电子科学研究院,北京 100041;2.中国地震台网中心,北京 100045)

0 引言

据中国地震台网测定,2021年5月22日在青海果洛州玛多县(34.59°N,98.34°E)发生MS7.4地震,震源深度17 km。历史地震活动统计显示,自1900年以来,震中300 km范围内发生7级以上地震5次,其中最大震级为1947年3月17日青海果洛州达日县7.7级地震,距此次玛多地震约179 km;时间最近的为2010年4月14日青海玉树州玉树市7.1级地震,距此次地震约224 km;空间最近的为距此次地震约122 km的1937年1月7日青海阿兰湖东7.5级地震。构造上看,青海玛多地震位于巴颜喀拉地块内部,距此次地震最近的断层是甘德南缘断裂带,约22 km,震源机制结果显示为一次以左旋走滑为主的地震(图1)。

图1 玛多7.4级地震周边的活动构造及历史强震(蓝色圆点为1900—2021年 震中300 km范围内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)

加卸载响应比(Load/Unload Response Ratio,LURR)是根据岩石介质本构关系的非线性动态响应提出的一种地震预测方法[1],借鉴系统论的基本思路,通过构建内部系统与外部因素的联系,达到分析研究该系统的目的。尹祥础等[2]研究了日本关东等地区的加卸载响应比随时间的变化特征,分析结果显示关东地区存在发生6级左右地震的可能;王海涛等[3]将LURR理论应用于1997年新疆伽师地震序列,发现序列中5级以上地震前均出现LURR高值异常,说明该方法在中强地震发生后可以用于地震序列的早期判断;为了捕捉地震孕育的不同阶段特征,Yu等[4-5]将LURR与其他预测理论相结合,建立了一种具有物理关联性的多方法组合地震预测方法,自2010年提出以来,在地震预测预报实践中取得了较好的结果。

地震是断层构造应力累积达到破裂临界状态后快速释放的结果。岩石力学实验的结果也证明,岩石的破裂过程会同步产生红外辐射[6],这些结果为红外遥感地震监测预测提供了理论依据。20世纪80年代,Gorny等[7]研究发现1984年Gazli地区发生的几次强震,震前10天左右出现了显著的大面积热红外辐射增强现象,产生异常的波段主要集中在10.5～12.5 μm。在此之后,OLR作为一种可观测的震前短临异常被越来越多的地震研究人员所关注,极大地拓展了卫星热红外遥感技术在地震监测预报领域的应用[8-10]。

根据LURR理论和震例检验的结果显示,作为一种中短期预报方法,在LURR出现高值回落现象后预示着未来有发生地震的可能,但发震时间短则几天、长则数年。因此,如何在预测的时间尺度上进一步优化,更加精细地描述震前的短临异常变化,更好地把握未来地震活动趋势？围绕这一问题,本文将LURR与OLR相结合,以玛多MS7.4地震为例,分析研究地震前后2种物理参量在短临预报阶段演化规律的关联性,探讨地震的孕育和发生过程。

1 加卸载响应比(LURR)异常

LURR是基于岩石“应力-应变”关系的动态演化规律提出的一种反映非线性系统不稳定程度的参数。作为一种中短期地震预报方法,其可以有效地探查孕震区岩石介质的破坏程度。当岩石介质处于稳定状态时,加载和卸载阶段的响应率基本相当,因此LURR值在1.0附近波动。当地壳介质进入损伤阶段时系统逐渐趋于失稳状态,加载阶段的响应率会逐渐大于卸载阶段的响应率,此时LURR值会逐渐增大,远远大于1并趋近于∞。

将日月潮汐力在地震破裂面上引起的库仑破裂应力变化(ΔCFS)作为判断加载和卸载的手段:

CFS=τn+fσn

(1)

式中:f、τn、σn分别代表内摩擦系数、剪应力和法向应力。定义:当ΔCFS>0则判断为加载阶段,ΔCFS<0则为卸载阶段。而在理论上能够反映地壳介质失稳过程的地球物理参量均可以作为响应量进行计算。在目前的地震预测实践中,取一定时间窗和空间窗内释放的地震能量E作为响应的方法研究得最为充分。定义以地震能量E作为响应量的LURR值的表达式如下所示:

(2)

式中:Ei表示第i个小地震所释放的能量;N+和N-分别表示加载和卸载阶段的地震个数;m取值0、1/2或1。当m=0时,Em表示地震事件个数;当m=1/2时,Em表示Benioff应变。为了避免地震数目太少导致加卸载响应比时间序列的强烈波动,计算时间窗内通常包含多个加、卸载循环过程。

图2为玛多7.4级地震前LURR异常的时间序列曲线,红色竖线为MS≥5.5地震。地震资料为中国地震台网中心地震目录,起讫时间为2015-01-01—2021-05-22,挑选震中400 km范围内的地震进行计算,扫描区域内MS0～4.0地震的Benioff应变作为响应量(m=1/2),CFS的断层内摩擦系数取0.4,计算时窗为1个月,滑动步长为15天。

计算结果显示,近几年原震区半径400 km区域内发生的5.5级以上地震,地震前都出现显著LURR高值[图2(a)],而以本次玛多地震为例[图2(b)],震前2个月LURR值开始逐渐增大,并于震前1个月达到最大值,高值持续半个月后开始回落,直至地震发生,这与Yin等[11]描述的震前LURR异常演化规律一致。回顾该区域近几年的地震活动可以看到,其他5次MS5.5以上地震发生前LURR都出现了显著的高值变化,说明断层介质已到达屈服阶段的末期,但是距离目标地震的发震时间最短不超过1个月,最长约有1年左右。因此,为了在时间尺度上更好地逼近预测的地震事件,我们将LURR与OLR相结合,在LURR高值回落之后开展OLR连续日变化跟踪,在时间上实现从中短期向短临阶段逐渐过渡,提供更有效的地震危险性评估手段。

图2 玛多7.4级地震LURR时间序列演化图Fig.2 LURR time series evolution of Maduo earthquake

2 地面长波辐射(OLR)异常

随着卫星观测技术的不断发展,越来越多的地震震前观测到了热红外、电离层扰动等空间异常现象[12-14]。由于不同类型的遥感数据、处理方法和参数设置会对最终的计算结果产生较大影响,为了能够最直观地反映下垫面的性质和辐射能量的变化规律,我们选择地面长波辐射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)数据为研究对象,该波段也是地球自身向外辐射的集中波段。采用美国NOAA系列卫星采集的OLR数据可以保证研究资料的适用性和完整性,其空间分辨率为1°×1°,时间分辨率为1天,一个数据文件由360×181个覆盖全球的格点组成。为了避免由于背景日期选取长度的差异对最终结算结果的影响,本文将LURR时间序列与临震OLR遥感异常连续日追踪图像相结合,以玛多地震为例,选取2021年5月13日(LURR高值回落的转折点)为OLR数据的参考背景值,将2021年5月14日至25日、空间范围(31°～39°N,88°～105°E)的夜间地面长波辐射值逐日与背景日的长波辐射值相减,自LURR高值回落之时为起始时间,获得地震发生前后的OLR连续日变化图像,在短临阶段对地震活动趋势进行约束。

如图3所示,在研究区范围内,在LURR高值回落之后,震中及其邻近区域在地震前后OLR出现了显著的异常变化。5月14日震中附近及整个研究区内都没有出现显著的辐射增强,15日震中北部出现微弱的辐射增强,增幅达到94 W/m2,16日OLR异常在空间和强度上都有微弱的增强,17日OLR异常衰减,18—19日OLR异常无论是在空间上还是强度上都出现显著增强,异常范围在震中北部地区持续扩展,异常范围增大并逐步向震中迁移,异常增幅达到98 W/m2,之后在20—21日再次增幅衰退,5月22日地震发生后受原震区震后断层应力变化的影响,22—23日OLR异常出现暴发性增强,增幅达到最大值,超过100 W/m2,异常面积在震中北部持续扩展,24号之后异常消失。玛多地震前整个OLR短临异常演化过程在时间上经历了初始增温-异常扩展-达到峰值-异常减弱-地震发生-异常消失的演化过程,此过程与岩石破裂实验中各阶段向外辐射的演化特征吻合[6],基本反映了岩石介质应力累积达到临界状态、震后应力重分布和断层强度再恢复的演化过程[15]。20—21日的OLR异常衰退可能预示着岩石介质应力闭锁现象的出现,而这种断层破裂前长波辐射“先降后升”的演化过程与马瑾等[16]在实验室观测到的断层失稳前后热场温度“先降后升”模式相吻合。

图3 玛多7.4级地震OLR异常时空演化Fig.3 Temporal and spatial evolution of OLR anomalies before Maduo earthquake

3 讨论

LURR方法作为一种中短期地震预测方法,可以揭示玛多地震前原震区地壳介质的应力累积状态。LURR从日月潮汐应力触发地震的理论出发,其量级远远低于构造应力的量级,其只能触发地震而不能创造地震。当孕震区岩石介质的构造应力累积较低、远离临界状态时,LURR值小于1,潮汐应力的微小变化很难触发地震;而当孕震区地下介质的构造应力达到或接近临界状态时,即使非常微弱的应力增加,如潮汐应力仍然可以触发地震,因此潮汐应力的变化可能是一种影响本地区地震活动特性的关键因素,此时加载阶段和卸载阶段的Benioff应变释放会逐渐出现差异,导致LURR值逐渐高于1。作为基于岩石本构关系动态演化提出的方法,根据岩石破裂的各阶段特征,当LURR值从高值开始回落后,表示孕震区介质已进入屈服阶段的末期,预示着未来有发生地震的可能。我们统计了67个震前出现显著LURR异常的MS≥6.0地震震例,检验结果如表1所列:其中从高值回落到地震发生,时间跨度2年以内的震例有64个,优势发震时间在3～6个月,占比接近50%,为了更加精确地刻画预测的时间尺度,提高预测预报的准确性,将LURR与OLR相结合可能是一种新的思路。

表1 震前LURR高值回落的时间分布Table 1 Time distribution of high LURR values before earthquakes

自20世纪80年代开始,利用卫星热红外遥感技术研究地震热异常成为一种地震预测的新途径[7-8,17],大量研究人员发现在大地震前数日内会出现热红外、电离层等异常变化[12-13,18]。在当今的遥感地震监测预报实践中,作为一种震前短临阶段的预测方法存在比较突出的问题包括:异常面积分布广、异常区域分布离散程度高以及缺乏明确的异常时间指示规则[19-21]。本文将LURR与OLR异常演化相结合,LURR的高值回落时刻可能为遥感地震监测提供具有明确物理意义的异常起始时间指示,同时为震前热异常的演化提供了力学依据,不仅可以提高OLR背景值选择的可靠性,降低计算过程的随机性导致的结论的不确定性;缩小异常的空间范围,排除可能是干扰的异常区域;还可以提高LURR时间序列的时间分辨率;以一种更加精细的手段对LURR高值回落后的异常演化过程进行分解,提高预测的准确性,时间上实现由中短期到短临预测的自然过渡。

4 结论

本文研究发现,玛多MS7.4地震前一个月以Benioff应变为响应的LURR值出现显著异常高值异常,异常高值回落后的时段内,在原震区北部出现显著OLR短临异常,其演化特征与岩石介质应力累积到临界状态进而失稳破裂的过程相吻合。结合2种具有明确物理意义的地震预测参量,可以反映震前原震区的应力累积状态,更加精细地描述断层介质进入屈服阶段末期的应力水平变化特征,可以更好地在时间和空间上逐渐逼近未来可能发生的地震,为地震预测研究提供一个可行的思路。