地震孕育是一个极为复杂的过程。强震发生前,震中附近地区普遍存在的应变能加速释放现象,预示孕震区接近或进入临界状态(彭克银等,2003)。基于加卸载响应比(LURR)理论的研究表明,地震的孕育过程可能与岩石圈非均匀脆性介质的特定加载阶段有关(Yu et al,2022)。理论上,较大的地震发生前,由于地壳介质处于较高应力状态,小的变形或应力扰动就可能导致微破裂的产生,能够观测到LURR的高值异常变化(Yin et al,2008; Yu et al,2020)。以往震例研究显示,震前0.5～3年LURR异常空间分布与震源区位置相关,异常峰值与未来地震的发生时间相关(尹祥础,2015; Yu et al,2020)。与LURR计算中以小震释放的能量作为响应量相似,应变比参数能够表征应变能释放的快慢,其异常演化反映了地震成核过程中介质的高应力状态,具有一定的实用性和可操作性,目前已尝试应用于中国地震台网中心年度会商中。

为了更好地将应变比参数应用于地震预测研究,本文首先对2000—2023年新疆地区地震目录的最小完备性进行分析,并对其进行除丛处理。在此基础上,计算新疆地区6级以上地震前孕震区的应变比随时间的变化以及空间分布情况,总结强震前时空分布特征,为该地区强震危险性判定提供参考。

新疆地区位于欧亚板块中南部,其南面是印度板块与欧亚板块碰撞所形成的世界屋脊——青藏高原,北部是西伯利亚块体及其向南挤压所形成的蒙古弧形构造带。由于印度板块向北推挤、欧亚板块向南挤压,致使新疆地区形成了盆山结合的地貌景观。依据板块构造带的分布,新疆地区自北向南可划分为4大板块。新疆地区构造复杂,新构造活动强烈,是强烈活动的大陆地震区。1900年以来新疆地区共发生7级以上地震18次,最大为1902年8月22日新疆阿图什8.3级地震; 2000年以来共发生6级以上地震19次,其中7级以上地震4次,最大为2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震(图1)。2024年1月23日新疆乌什发生7.1级地震,该地震打破了新疆地区近10年的7级地震平静,表明新疆地区进入新的强震活跃时段,该地区的地震危险性尤其引人关注。

图1 新疆及其邻区构造背景和历史地震分布
Fig.1 Tectonic background and the distribution of historical earthquakes in Xinjiang and its adjacent region

2000—2023年新疆地区共发生19次6级以上地震,本文将2008年10月5日乌恰6.8、6.3级震群视为一组地震,对这18组6级震例前的Benioff应变比异常的时空演化特征进行分析。根据震例分析,以lgSr≥0.6作为阈值,新疆地区18组6级地震中有14组地震在震前1年内在震中附近出现高值异常,占比为77.78%。根据马宏生等(2004)提出的空间R值计算方法对Benioff应变比异常的预测效果进行检验,R值为0.74,R₀值为0.25,R≥R₀,因此Benioff高值异常对未来1年内6级地震具有预测意义。

2000—2023年新疆地区出现Benioff应变比异常的6级以上地震的异常特点以及异常开始时间和结束时间见表1,其异常起止时间如图3所示。由表1可见,总体上,Benioff应变比异常范围、异常开始时间和结束时间与对应地震震级无直接的相关性。从图3可见,Benioff应变比异常出现的优势时间为震前9～12个月(共9组,占比为64%),而异常结束的优势时段为0～6个月(共9组,占比为64%)。震前存在异常反复出现的情况,如2008年3月21日于田7.3级地震、2012年6月30日和静6.6级地震和2012年8月12日于田6.2级地震之前。1年内未出现高值异常的震例分别为2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震、2008年10月5日乌恰6.8级震群、2017年8月9日精河6.6级地震和2020年6月26日于田6.4级地震。

图3 新疆地区6级地震前Benioff应变比异常起止时间
Fig.3 The beginning and ending time of the Benioff strain ratio anomalies before the MS≥6.0 earthquakes in Xinjiang

表1 2000—2023年新疆地区出现Benioff应变比异常的6级以上地震
Tab.1 Benioff strain ratio anomalies before the earthquakes above MS6.0 in Xinjiang during 2000-2023

以2016年11月25日阿克陶6.7级地震和2016年12月8日呼图壁6.2级地震为例,对这两次地震前的Benioff应变比时空演化特征进行分析。这两次地震均位于天山地震带,该地震带发育一系列与山体近乎平行的逆断层-褶皱带,在山体内部发育一系列NW向右旋走滑断层和NEE向左旋走滑断裂(吴传勇,2016)。2016年阿克陶6.7级地震震中位于木吉盆地北缘断裂附近,该断裂总体走向NWW,长度约120 km(尼鲁帕尔·买买吐孙等,2017)。根据USGS的结果,阿克陶6.7级地震震源机制解断层节面I 走向199°、倾角84°、滑动角14°,节面II 走向107°、倾角76°、滑动角174°,为一次右旋走滑错动地震事件; 呼图壁6.2级地震位于齐古断裂和准噶尔南缘断裂附近(杨文等,2018),震源机制解断层节面I 走向80°、倾角19°、滑动角81°,节面II 走向269°、倾角71°、滑动角93°,为一次逆冲型地震事件。2016年6月26日在吉尔吉斯斯坦发生6.7级地震,该地震位于阿克陶6.7级地震西侧,两次地震震中相距约58 km。2016年阿克陶6.7级地震之前,新疆境内处于5级地震显著平静状态,该地震打破了新疆境内288天的5级地震显著平静,随后新疆地区6级地震开始一丛活跃。

图4 2016年阿克陶6.7级地震和呼图壁6.2级地震之前Benioff应变比异常时空演化过程(a～d)和震前2年Benioff应变比时序曲线(e～f)
Fig.4 The spatio-temporal evolution(a-d)and the time history(e-f)of Benioff strain ratio before the Aketao MS6.7 earthquake and the Hutubi MS6.2 earthquake in 2016

图4a～d为2016年阿克陶地震和呼图壁地震Benioff应变比异常时空演化过程。从图中可以看出,2015年12月在这两次地震震中附近开始出现应变比高值异常区,随后这两个高值区域逐渐向外同步扩展,至2016年2月该高值异常区范围达到最大,2016年3月,两次地震震中附近的高值异常区消失,并转为低值异常,异常消失3个月后首先在高值区内部发生吉尔吉斯斯坦6.7级地震,之后5～6个月又分别发生阿克陶6.7级地震和呼图壁6.2级地震,这两次地震均位于2016年2月的高值异常区内。

以每个时间段内最后的时间节点绘制2016年阿克陶地震和呼图壁地震前2年孕震半径范围内Benioff应变比的时序曲线,如图4e、f所示,图4a、b、c、d所示4个时段对应图4e、f阴影区域。从图中可以看出,阿克陶6.7级地震孕震区的应变比在2015年12月前一直处于稳定波动的状态,于2015年12月开始逐渐升高,2016年2月超过阈值,并于2016年3月发生突降,随后几个月稳定波动,直至地震发生。呼图壁6.2级地震前,应变比异常出现类似的特征,即在2015年12月开始逐渐升高,2016年2月超过阈值,并于2016年3月发生突降,随后应变比在零线附近波动,直至地震发生。与阿克陶地震前Benioff应变比变化所不同的是,在2015年12月之前,呼图壁孕震区的应变比在2015年4月也曾达到阈值,而后快速下降,之后几个月稳定波动。这表明同一构造带不同区域强震孕育过程存在关联性,同时也存在一定的差异性。

根据实验室失稳模拟成核过程研究(马瑾等,2012; 马瑾,郭彦双,2014),失稳前,由于断层不同部位相互作用,断层各部位的独立活动开始逐渐变化为协同化活动。断层活动协同化过程一般包括3个阶段,即应变释放点产生、释放点的扩展和增多以及释放段之间相互连接。2016年阿克陶6.7级地震和呼图壁6.2级地震的应变比特征可能与断层失稳成核过程的3个阶段有关。

本文在对新疆地区地震目录最小完备性震级分析的基础上,回溯了2000—2023年新疆地区6级以上地震前Benioff应变比的时空演化过程,并以2016年阿克陶6.7级地震和呼图壁6.2级地震为例,分析其Benioff应变比时空演化特征,主要得出以下结论:

(1)18组6级以上地震中,有14组地震前1年内在震中附近出现Benioff应变比高值异常。通过空间R值计算方法对高值异常进行预测效果检验,得到R≥R₀,可见,Benioff应变比高值异常对后续1年内新疆地区6级地震具有一定的预测意义。

(2)2016年阿克陶6.7级地震和呼图壁6.2级地震前几个月孕震区应变比变化较为一致,均表现为“逐渐升高—快速降低—稳定波动”的特征,即逐渐升高并达到阈值,然后快速降低,最后稳定波动直至发震,这与强震前LURR异常变化特征较为类似。

连续的Benioff应变比空间分布变化,能够指示应力增强或者减弱区域的空间演化特征,进而反映成核过程中介质的高应力状态变化。根据新疆地区6级以上地震的震例总结,Benioff应变比是一种简便易用、切实可行的地震学活动性参数,适用于中短期强震预测。值得注意的是,Benioff应变比参数的计算与网格大小、孕震半径、最小完备性震级等因素的选取有关,在不同构造区中需要对相应参数进行调整。