门源6.9级地震前地应变加卸载响应比异常分析

许延军,张学辉,曹 勇,蒲小武,周明辉,张佳佳,王燕萍

(1.金昌市防灾减灾管理局,甘肃 金昌 737100;2.中国地震局(甘肃省)黄土地震工程重点实验室,甘肃 兰州 730000)

0 引言

青藏高原东北部祁连山构造带断裂分布错综复杂,其地震活动特征不尽相同,如存在不同的空间迁移规律等[1]。1927年古浪8级特大地震和1954年山丹7.2级地震均发生在其200 km范围内,而在托莱山断裂和冷龙岭断裂也发生了3次6级以上地震,因此青藏高原东北部祁连山构造带呈现出地震活动频繁、强度大的特征。许多学者对门源1986年8月26日6.5级和2016年1月21日6.4级地震在发震构造、地质背景等方面通过各种方法进行了研究,取得了许多重要研究成果[2-6]。加卸载响应比(LUUR)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。尹祥础等[5]、张浪平等[6]研究汶川8级地震序列认为,5级以上地震前均出现LUUR高值异常。将LUUR与其他预测理论相结合建立多种组合的预测方法,在地震预测预报中取得了较好的效果。本文通过加卸载响应比的方法对青藏高原东北部祁连山构造冷龙岭断裂带3次6级以上地震进行整合分析,在前人研究的基础上,通过同样的方法不同的角度或者用不同的方法在同样角度上再次深入探索祁连山构造冷龙岭断裂带地震活动特征,对门源6.9级地震前后的应力加卸载做初步的分析和讨论,以期为后续震情跟踪积累经验。

1 青藏高原东北部祁连山构造带地震活动概况

青藏高原东北缘是青藏高原向大陆内部扩展的前缘部位,东北毗邻阿拉善地块、东部连接鄂尔多斯地块,南面是巨大的青藏高原隆起[7],祁连山构造带上的冷龙岭断裂是地震活动的主要区域。自1900年以来,其200 km范围内发生6级以上地震8次,历史地震以主震-余震型或孤立型为主。2022年1月8日凌晨,青海门源发生6.9级破坏性地震后,截至2022年1月13 日止，共发生余震5.0～5.9级以上2次、4.0～4.9级以上5次、3.0～3.9级以上13次,之后3级以上地震活动趋于平静。

近50年以来,距离此次门源6.9级地震震中50 km范围内发生过1986年8月26日6.5级门源地震,2016年1月21日6.4级门源地震,震中直线距离约为33～40 km,3次6级以上地震均发生在祁连山构造的冷龙岭断裂带及附近部位(图1)。

图1 青藏高原东北部冷龙岭断裂带3次6级以上地震分布图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日门源6.9级地震震中位于祁连山中东段的冷龙岭断裂西段,该断层整体走向NWW,具有地震活动频度高、强度大的特点。震中区平均海拔4 250多m,地表破裂带长度约22 km,平均宽度75 cm,向两端逐渐衰减,断裂拉张作用特征明显。此次地震震后3级以上余震发生20次,最大余震5.2级,属于典型的主震-余震型地震,震中周边地区震感强烈,震感范围较大。加卸载响应比分析方法作为地震前兆判定指标在历次地震预测中得到了检验[4-5],本文通过计算冷龙岭断裂带门源段3次6级以上地震加卸载响应比来寻找它们之间的异同特征,以期为该区域地震预测和震后趋势判断提供佐证。

2加卸载响应比方法

加卸载响应比(LURR)方法是尹祥础等[5]在20世纪80年代提出的地震预测新思路。多年来,地震科研工作者在理论分析、数值模拟、实验研究等方面对其做了大量工作,使得LUUR预测方法得到了广泛的应用[5-9]。地震是地球介质中的突发性剪切性破坏(失稳),地震的孕育过程是震源区的损伤过程。岩石力学实验发现,岩石进入损伤阶段后,加载变模量小于卸载变模量,二者的比值反映了岩石损伤程度,因此加卸载响应比(LURR)能够刻画震源区介质的损伤程度,从而可能用于地震预测。在地震孕育过程中,引潮力不断地对断层面起着加卸载作用,引潮力沿断层面滑动方向的分量大于0时为加载,反之为卸载,加载时发生的地震为正地震,卸载时发生的地震为负地震,地震能量的平方根表示了地震活动性的强弱,正能量地震之和(加载响应)与负能量地震之和(卸载响应)相比即为加卸载响应比[8]。加卸载响应比用Y表示,即:

(1)

式中:Ei表示第i个小地震释放的能量;N+和N-分别表示加、卸载阶段的地震个数;m取值0,1/2或者1,当m=0时Em表示地震事件的个数,当m=1/2时Em表示应变量,当m=1时,Em表示能量，本文取m=1。加卸载响应比能够定量地刻画孕育地震区域介质的损伤程度或反映该系统趋于失稳的程度。加卸载响应比不仅可以很好地应用于地震预测,还可以适用于地质灾害(如滑坡、矿震、水库地震等)的预测[10-11]。李佐唐[12]利用加卸载响应比(LURR)方法对祁连山构造带地震活动性分析取得很多满意的结果,其作为前兆判定主要依据表现出良好效果,对年度地震趋势预测也同样具有较好的效果。

3 祁连山构造冷龙岭断裂带西段6级以上地震加卸载响应比特征

青藏高原北部隆起祁连山构造带内断裂错综复杂,在印度板块强烈的挤压作用下,使得青藏高原东北部中强地震活动增强,而地表破裂通常发生在断裂带交汇部位或断裂两端,近50年来仅在祁连山构造冷龙岭断裂带两端或与托莱山断裂带交汇部位发生3次6级以上地震(表1),震中相距33～40 km,海拔4 200～5 000 m,为研究同一地区加卸载响应比特征提供了有利条件。经初步分析LUUR特征基本一致,在地震发生前均出现加卸载响应比异常(图2)。

表1 祁连山构造冷龙岭断裂带6级地震序列表Table 1 List of three M>6.0 earthquakes along the Lenglongling fault in Qilian Mountains

3.1 3次6级以上地震加卸载响应比特征

以1～3个月时长为短期,以1天为时间窗长和步长,对研究区域进行LURR时间扫描,分别计算并做出门源1986年8月26日6.5级地震[如图2(a)]、2016年1月21日6.4级地震[图2(b)]和2022年1月8日6.9级[图2(c)]地震加卸载响应比短期变化曲线。从图中可以清楚地发现1986年6.5级地震前短期加卸载异常明显,2016年6.4级地震的短期加卸载响应比异常在地震发生前的短期出现,2022年1月8日门源6.9级地震短中长期加卸载响应比异常在地震前出现,其加卸载响应迅速,并在3天左右卸载结束。2022年6.9级地震2次5级以上余震同样存在加卸载响应比异常现象。从图2还可以看到,加卸载响应比(LURR)通常在1左右浮动,然后逐渐上升至峰值,但强震并不在峰值点发生,而要滞后一段时间,震级越大,滞后时间越长,大震前LURR会降低[13-14]。强余震(MS≥5.0)前加卸载响应比均会发生明显异常,一般是加卸载响应比出现峰值发生5级以上强余震。由此可见，加卸载响应比方法显示出了良好的短临预测能力[15]。

图2 青藏高原东北部祁连山构造带3次6级以上地震加卸载响应比特征Fig.2 Characteristics of LURR of three M>6.0 earthquakes along the Qilian Mountain structural belt the northeastern Qinghai-Tibet Plateau

3.2 门源6.9级地震余震加卸载响应比特征

2022年1月8日门源发生6.9级地震后,短期内又发生了5.0～ 5.9级以上余震2次,4.0～4.9级以上余震5次,3.0～ 3.9级以上余震13次,最大余震为5.2级,此次地震发生的频度和强度明显较大(表2)其余震加卸载响应比形成相互叠加的现象。由于技术和资料原因,余震的加卸载响应比特征待进一步研究。

表2 2022年1月8日门源6.9级地震余震序列(地震资料来源于全国地震目录)Table 2 Aftershock sequence of the Menyuan MS6.9 earthquake on January 8,2022

3.3 门源6.9级地震加卸载响应比异常与b值异常同步特征

b值是一种较普遍的地震研究方法,在地震活动性预测、地震危险性评估方面得到了广泛应用。b值指示大小地震之间的比例关系,当地震总数不变,b值发生一定幅度变化时,则发生危险性地震的概率比例更大。本文选取2020年2月至2022年2月,震中200 km范围内1级(此处为ML震级)以上地震(图3)做M-t图,对震前序列通过时间窗10天扫描b值。图2显示,在地震前2个月,即2021年11月出现低b值明显异常,持续10多天后b值反弹到正常位置。在异常出现后1个多月发生6.9级地震,初步认为这种异常特征与加卸载响应比异常现象同步,这也从另一方面证明了响应比异常预测地震的正确性[13]。

图3 频度M-t与b值异常特征Fig.3 Frequency M-t and b value abnormal characteristic

4 结语

通过对祁连山构造冷龙岭断裂带西段6级以上地震加卸载响应比特征分析,得出如下结论:

(1) 祁连山构造带冷龙岭断裂门源段6级以上地震加卸载响应比异常明显,2022年1月8日门源6.9级地震前2个月加载明显,地震发生在峰值后一周时间左右,即处于卸载阶段时发生地震,加卸载响应比异常与b值具有异常同步特征。

(2) 3次门源地震以震前5年为研究期,窗长为1月做短期的加卸载响应比的时间扫描,研究认为其异常特征明显,所以对于祁连山断裂带区域地震预测而言,应一个季度做一次加卸载响应比异常时间和空间的扫描,在加卸载响应比扫描结果的依据基础上确立短期预测意见。

(3) 加卸载响应比(LURR)通常在1左右浮动,在显著地震发生前2个月逐渐上升至峰值,但强震并不在峰值点发生,而在降低回落到1左右,滞后一段时间(通常是10天,甚至需要更长时间)发生地震,且震级越大,滞后时间相对越长,其强余震特征类似,但需要进行进一步的研究。