中国地震  2026, Vol. 42 Issue (2): 263-275
加卸载响应比理论及其研究意义
余怀忠1, 王海涛1, 李纲1, 贾东辉2, 薛艳1, 晏锐1, 陈界宏3, 杨文1, 曹玉秋1     
1. 中国地震台网中心, 北京 100045;
2. 新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011;
3. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护全国重点实验室, 成都 610059
摘要:加卸载响应比理论(LURR)自20世纪80年代提出以来, 先后经历应用探索、实验验证以及创新发展阶段, 目前已经在地震预测研究、滑坡以及大型工程结构的安全评估中得到广泛应用。本文详细介绍了LURR的理论模型, 总结LURR应用于地震预测研究的历史和最新进展, 同时归纳了其在地震预测研究应用中存在的问题、解决方法以及未来发展方向。事实表明, LURR是一种较有成效的地震预测理论, 其在震前的显著增加显示了区域介质的高应力状态, 峰值异常的出现则指示了孕震系统从塑性变形向峰后软化阶段的转变。运用LURR这一独特性质, 可对区域地震危险性进行预测, 结合各个局部LURR异常向整体的协同化转变程度, 可能实现对未来强震发生的时间和地点进行预测。
关键词加卸载响应比    实验    空间扫描    序列跟踪    地震前兆    
The Load/Unload Response Ratio Theory and Its Scientific Significance
Yu Huaizhong1, Wang Haitao1, Li Gang1, Jia Donghui2, Xue Yan1, Yan Rui1, Chen Chieh-Hung3, Yang Wen1, Cao Yuqiu1     
1. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China;
2. Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China;
3. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
Abstract: Since its introduction in the 1980s, the Load/Unload Response Ratio(LURR)theory has undergone stages of exploratory application, experimental validation, and further theoretical development. the theory has been widely applied in fields such as earthquake prediction research, landslide studies, and the safety assessment of large-scale engineering structures. In the form of a review, this paper presents the theoretical framework of LURR, summarizes its development history and the latest progress in its application to earthquake prediction research, and discusses the major problems in its application to earthquake prediction, along with corresponding solutions and future directions. Existing evidence suggests that LURR is a relatively effective approach for earthquake prediction. A significant increase in LURR prior to an earthquake indicates that the regional medium has entered a high-stress state, while the appearance of peak anomalies signals the transition of the seismogenic system from plastic deformation to the post-peak softening stage. By exploiting this distinctive property of LURR, regional seismic risk can be assessed, and the occurrence of complex seismic sequences or strong aftershocks may be anticipated. In combination with the degree of coordinated evolution from local LURR anomalies to the behavior of the overall system, it may also be possible to infer the timing and location of future strong earthquakes.
Key words: Load/Unload Response Ratio     Experiment     Space scanning     Sequence tracking     Earthquake precursor    
0 引言

我国是地震灾害最严重的国家之一,地震预报是实现防震减灾的重要途径。经过半个世纪的努力,我国在监测体系建设、前兆资料积累、预测经验获取、预报理论探索、预报工作机制建设等方面取得了显著进步,构建了长中短临一体化的预报思路。从预测效果来看,5级以上地震命中率约为37%,特别是在2022年1月8日青海门源6.9级、9月5日四川泸定6.8级和2024年1月23日新疆乌什7.1级等40余次地震前做出有减灾实效的短临预报(Yu et al,2024a祝意青等,2025宋春燕等,2024)。然而,客观地说,我国尚未真正建立基于物理机制的预测技术体系。地震前兆的机理不清、异常变化的特征不明制约了地震预报的预测效能,使得地震预报的服务能力与日益增长的社会公共安全需求存在明显矛盾,成为制约地震预报业务高质量发展的主要瓶颈之一。

当前,我国的地震预报仍以经验预报为主,即在全国范围内布设台站开展多场监测,结合震例总结,从中识别和提取地震前兆,进行地震预测(Yu et al,2022刘杰等,2016Cicerone et al,2009Jia et al,2022)。以《中国震例》为代表,我国已经系统总结了1966年以来近400个5级以上地震的前兆异常,此外,《大震志》也记录了1950年以来43个7级以上地震前异常。我国现有上千个台站开展连续观测,包括除地震目录外的GNSS、定点形变、地磁、地电、地下水位、水温等地球物理以及地下水氡、汞、离子组分、气体等地球化学观测数据,为开展不同时间和空间尺度的地震预测提供了数据支撑(贾东辉等,20242025杨秋野等,2020)。

研究发现,使用地震活动和地球物理等多场观测数据,可能监测到一定的地震前兆。如使用GNSS监测地表位移,虽然预测的时间尺度不够明确,但可以较好地识别断层闭锁段(Wu et al,2011Zhao et al,2022);地电阻率趋势性下降是强震的典型前兆,70%的震例呈下降特征(李新艳等,2024张丽琼等,2025解滔等,2025)。此外,一些定点地壳形变和地下流体观测也报告了地震前兆(王鹏程等,2020李营等,2022晏锐等,2018高曙德等,2025),并有学者尝试对异常形成的原因进行解释(Chen et al,2022)。但是,由于地震前兆的机理不清、异常的特征不明,基于统计学和信息挖掘方法仍无法准确判定地震前兆,尤其是在向前预测中愈发的明显,往往是通过大量虚报换取少量的成功预报(Yu et al,2024a刘杰等,2016)。

近期一些研究表明,通过群体性异常耦合可以提升前兆的信度(Marchetti et al,2020)。Han等(2016)运用地磁、地下水位、GPS位移变化分析了2011年日本东北9.0级地震前多种观测之间的耦合现象;杨秋野等(2020)基于川滇地区震例研究了地壳应力加载与地下流体变化的耦合机理;吴玮莹等(2022)利用空基、地基观测数据探讨了2017年新疆精河6.6级地震前异常耦合的物理机制;Chen等(2021)通过MVP-LAI观测系统研究2021年四川泸县6.0级地震前地球物理场的同步变化。然而,由于缺乏有效的校正方法,不同手段观测的震前异常在机理和时空尺度上尚无法精准匹配,导致众多监测手段和方法仍没有特定的策略综合判定地震危险性(Yu et al,2021)。

前兆资料积累和预测经验的局限、预报理论和工作机制的有待完善均不同程度地影响了地震预测。一些地区即使拥有高精度、密集、手段齐全的地震监测台网,却依然没有在地震前发现任何明显的前兆现象,其根本原因在于地震预测预报足够的理论创新,从岩石破裂失稳机制上揭示地震孕育成核过程。加卸载响应比(LURR)理论正是关于震源区断层应力积累和失稳破坏物理过程的重要发现。尹祥础(1987)根据岩石本构关系动态演化创新性地提出,在岩石最终破坏之前,系统对加载和卸载的响应会出现明显的差异性变化,并从力学上加以解释。当岩石处于弹性阶段时,加载和卸载的响应几乎相当,LURR=1;当岩石处于塑性变形阶段时,加载的响应大于卸载,LURR开始增加,即LURR>1;当岩石达到其能够承受的最大应力时,LURR达到峰值,之后,岩石进入峰后软化阶段(王学滨,2017崔义等,2025李文婷等,2011),加载和卸载响应之间的差异减小,LURR回落(尹祥础等,1991)。Zhao等(2025)通过精细目录发现固体潮对正常地震和慢地震均有明显的调制作用,从侧面验证了该理论的正确性。

LURR理论的基本思路借鉴了系统论的方法,即通过系统与外部的联系来了解系统的性态。钱学森、傅承义、顾功叙等老一辈科学家对加卸载响应比理论给予了高度评价和肯定(尹祥础,2015)。早期大量研究事实表明,LURR高值异常可以被用作检索强震前从塑性变形向亚失稳转变的有效指标,而近年来的最新研究发现(Yu et al,2024b贾东辉等,2024),孕震区各个局部峰值由独立向协同化转变程度是识别地震前兆的关键指标,在这种协同化转变过程中可能实现不同手段异常在机理和时空尺度上的精准匹配。如果这一假设成立并在不同活动构造区域普遍适用,极有可能是实现强震前兆识别和异常提取的重要途径。

1 LURR的物理定义

对于一个非均匀脆性系统,加卸载响应比可以定义为

$ Y=\frac{X_{+}}{X_{-}} $ (1)

其中,“+”表示加载过程,“-”表示卸载过程,X为响应率。

假定PR分别代表载荷和响应,响应率X则可以表示为

$ X = \mathop {\lim }\limits_{\Delta P \to 0} \frac{{\Delta R}}{{\Delta P}} $ (2)

其中,ΔR为载荷P发生微小增量ΔP时响应R的变化。

当系统处于稳定状态时,加载和卸载的响应基本相当,X+X-,此时,Y≈1;当系统接近失稳破坏时,X+>X-,即Y>1。因此,LURR时间序列的演化直接反映了非线性系统的稳定状态。

如果将应力作为载荷P,应变作为响应R,式(1)可以改写为

$ Y = \mathop {\lim }\limits_{\Delta p \to 0} \frac{{{E_ - }}}{{{E_ + }}} $ (3)

其中,E+表示加载阶段的模量,E-表示卸载阶段的模量。

进一步,如果设加载阶段$ \left(\frac{\mathrm{d} \sigma}{\mathrm{~d} \varepsilon}\right)_{+}$=f,卸载阶段$ \left(\frac{\mathrm{d} \sigma}{\mathrm{~d} \varepsilon}\right)_{-}$=g,这里fg依赖于材料的损伤程度,则由式(3)可以得到加卸载响应比为

$ Y=\frac{g}{f} $ (4)

从力学上可以理解为,在出现损伤之后fg的值均在减小,加载过程出现的损伤显然多于卸载时出现的损伤,因此,f的减小程度明显大于g的减小程度。所以,随着载荷的增加、损伤程度的增大,Y值也在增大。

2 LURR理论的发展历程

20世纪80年代,尹祥础教授通过对地震预报理论与技术途径的探索(尹祥础,1987),创新性地提出了加卸载响应比理论(尹祥础等,1991)。其通过研究介质对加、卸载时响应的差别表征介质损伤状态的方法,利用LURR时间序列演化揭示区域应力积累状态,探测强震前孕震失稳状态的前兆异常反应(尹祥础,1993)。

经过尹祥础教授研究团队近40年的不懈努力,已经对LURR的理论基础(尹祥础,2015)、岩石力学实验验证(余怀忠等,20032004b张晖辉等,2005)、数值模拟验证(Mora et al,2002)、震例检验(Yin et al,20002002Jia et al,2023)等各个方面进行了系统研究,拟定了全面预测未来地震时、空、强的思路(尹祥础等,2013Yin et al,2013),并在此基础上开展了地震预测实践,产出了上百篇科学论文,以及数十篇博士、硕士学位论文。合作开展研究单位包括:中国地震局地震预测研究所、中国地震局地球物理研究所、中国地震台网中心、中国科学院力学研究所、中国科学院计算机网络信息中心超级计算中心、俄罗斯科学院Ioffe物理技术研究所、澳大利亚昆士兰大学、日本茨城大学等(Yin et al,2004)。此外,美国布朗大学以及国内研究机构和高校(包括中国台湾相关机构)也跟进开展了研究(Sammis et al,2002)。目前LURR理论在中国、美国、日本、澳大利亚、伊朗和意大利等国的天然地震、水库地震、矿震、滑坡等自然灾害预测和大型工程结构的安全评估中得到应用,特别是在中国的地震趋势会商业务中,取得了一些成功的中期地震预测震例,展现了值得期待的地震预测预报探索的科学应用前景(李清淼等,2019吴朝义等,2018王鲁男等,2016)。2015年,加卸载响应比理论趋于成熟,其相关理论和应用书籍出版(尹祥础,2015),进一步系统化地展现了加卸载响应比的理论基础与实践经验,为进一步促进理论广泛传播和开展实践应用奠定了基础。2017年,在中国首届地震科技创新大会上,题为“坚持创新发展广泛凝聚力量努力开创我国地震科技创新工作新局面”的工作报告中,加卸载响应比理论被列为我国地震科学基础理论的两项创新性成果之一。2025年,中国地震局发布的《中国地震预报发展战略(2025—2035年)》将加卸载响应比理论列为构建大陆地震物理预报的理论框架之一。

加卸载响应比理论自提出以后,先后经历了初期应用探索、实验验证以及改进发展等阶段,并在实践中表现出显著的适用性和可操作性(Yin et al,2008)。Zhang等(2011)基于ETAS模型对LURR改进计算,获得强余震演化特征;Liu等(2018)采用量纲分析方法对LURR应用进一步改进;Wang等(2019)则基于声发射,利用LURR方法开展煤层破坏的预测实践。目前,围绕地震预报,LURR在基于地震目录的时空扫描、定点地球物理观测数据的应用、复杂地震序列跟踪、区域构造应力探测、多物理场协同演化等研究方面展现出可见的优势。

3 LURR的初期应用实践

LURR理论的地震预报应用探索起始于20世纪90年代(尹祥础等,1991),尹祥础等(1994a1994b)连续在《地球物理学报》发表论文,将潮汐应力作为加载和卸载的判定依据,以地震活动为响应量,给出多个6级和7级以上震例研究结果,指出在大地震发生之前通常能够观测到显著的LURR高值,因此认为LURR的异常高值可能携带有孕震系统趋于失稳的前兆信息(陈棋福等,1996)。存在的关键问题是,如何将LURR从实验室观测推广应用到野外实践,其主要涉及两个方面,一是加卸载应力状态如何判断,二是响应量如何选择。

针对LURR的加卸载判断问题,Yin等(1991)巧妙地将潮汐应力引入进来,将潮汐应力的周期性加载和卸载作为判定加卸载的依据,研究认为地壳表面介质主要受到构造应力和潮汐应力的作用(Harris,1998),潮汐应力变化率远大于构造应力的变化率。此外还有一个关键点,即潮汐应力的加载或是卸载,是通过断层面上的剪切应力实现,还是通过正应力实现的。Yin等(1995)等认为,岩石等非均匀脆性材料的破坏是剪切应力,即应力偏量所致,因此,沿断层面上的剪切应力可以作为判断潮汐加载和潮汐卸载的核心依据,这一观点受到研究者的普遍支持和应用(张雁滨等,1997张昭栋等,1997)。

关于LURR计算的响应量选择问题,最普遍的响应量就是地震目录,地震目录包含发震时刻、地理位置(经纬度)、震级、震源深度等参数信息,其完备性反映了不同构造区域应力释放程度。张永仙等(1998)王海涛等(1998)王裕仓等(1998a)应用地震目录研究了国内外大量震例后发现,在远离地震发生的时候LURR值通常在1.0附近波动,直至地震发生前的数月至数年时间,LURR会快速增加,而在临近地震发生前LURR会出现一定的回落。

客观地说,LURR的初期应用是较为成功的,在科学界引起了较大的反响,大量类似研究跟随开展,如李佐唐(1997)研究了1986年青海门源6.4级地震前后加卸载响应比高值;周焕鹏等(1997)发现1995年山东苍山5.2级地震前的异常变化;常克贵等(1999)在内蒙古包头西6.4级地震预报中的应用;李强(1999)对江苏及邻区中强震前的非线性失稳特征及地震趋势分析等。宋治平等(19962000)进一步通过我国大陆和美国加州的一些震例,指出LURR异常的时空演化特征可能有助于探查未来强震发生的时空强三要素。在此基础上,研究者又尝试把地壳形变(李强等,1997)、地下流体(张昭栋等,19971999陈玲等,2000)和电磁(张继红,1996鲁跃等,1999冯志生等,2000)等观测数据应用于LURR的计算,并得到震例的验证。

更重要的是,向前预测的科学实践也取得了较好的成效,在1996年云南丽江7.0级强震以及1997年新疆伽师6.6级震群发生前的短临预报实践中发挥了作用(陈立德等,1997王海涛等,1998)。LURR理论在国际上也产生深远影响,在国际地震学界被认为是创新性的地震预报理论。临界点理论创始人欧洲科学院院士索耐特(Sornette)教授与萨米斯(Sammis)教授,在美国国家科学院院刊PNAS发表的论文中,针对临界点理论和加卸载响应比理论涉及的构造应力与地震活动性响应问题进行了专门的讨论(Sammis et al,2002)。

4 LURR的实验验证

实验作为探索未知、验证假设和推动知识进步的重要手段,对于验证和研究LURR理论具有重要意义。其中较具代表性的成果包括:施行觉等(19941996)以纵波速度为响应,通过模拟构造应力和引潮力的共同作用,针对岩石材料宏观破坏前出现的LURR高值异常开展实验研究;王裕仓等(1998b)以应变为响应开展的LURR实验验证;余怀忠等(2003)Yin等(2004)采用大尺度岩石破裂声发射实验对LURR理论进行的系统、深入研究。其中,余怀忠等(2003)Yin等(2004)的实验模拟了地下岩石的复杂受力过程,特别是引入循环载荷以模拟日、月潮汐力的作用,并且实现了岩石试件的三轴应力状态。实验以国际合作的方式进行,参与方有中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室(LNM)、原中国地震局分析预报中心、俄罗斯科学院Ioffe物理技术研究所、日本Ibaraki大学、北京大学、云南地震局等。实验使用俄罗斯科学院Ioffe物理技术研究所ALine16D声发射测试仪(12位精度,12个通道),对材料内部损伤发生的时间、位置和强度进行探测。以声发射的形式详细记录了岩石材料内部发生损伤的时、空、强(Lockner et al,1991)演化过程(这与地震发生的三要素直接相对应);并且以数字方式输出声发射信号的相关特征量,用这种记录方式所记录到的声发射信号量远远大于传统的、以波形方式记录的声发射信号量。而在实验中使用大尺度试件,则能够明显提高声发射信号定位的相对精度,使得接收到的信息更便于做定量化处理。实验采用的岩石材料包括:大理岩、砂岩、片麻岩、辉长岩和花岗岩等,最大尺寸超过1m,最小尺寸仅5mm。

通过对大量不同的岩石样品分析发现(余怀忠,2004a张晖辉等,2005),虽然材料不同、加载历史不同,但其LURR的演化却遵循着大致相同的规律:在实验前期,LURR在1.0上下波动,在试件发生灾变破坏前夕,LURR急剧增大,至峰值点(显著大于1.0)后下降,但试件破坏并非发生在LURR的峰值点,而是在峰值点之后。且这一规律,对于不同材料、不同尺寸、不同加载曲线的试件都适用,具有相当的普适性。

除了岩石实验,王裕仓等(1999)还采用数值模拟的方法研究固体材料在损伤破坏时的加卸载过程,证实LURR理论的正确性,其在链网模型(梁乃刚等,1997)的基础上,编制了能在宏细观尺度上研究非均匀各向异性材料损伤和破坏的程序,模拟结果显示,LURR是反映非均匀脆性介质临近破坏的重要指标,且材料脆性越高,或越均匀,LURR异常出现得越晚;庄建仓等(1999)则利用地震发生时间服从Poison过程,而震级服从G-R关系的前提下,探讨了LURR的随机分布;余怀忠等(2004a)进一步运用损伤力学模型对LURR进行了数值计算,结果显示,在灾变破坏发生之前区域能量释放和对应LURR值均发生了异常明显的变化,表明二者具有相同的物理机制,在一定程度上均能够较为定量地刻画出系统的损伤演化过程。与此同时,国外研究者也有类似的尝试,Mora等(2002)基于离散元法和分子动力学的基本原理,构建脆性材料动态破坏的数值模型,模拟验证了以地震能量释放为响应的LURR。

上述岩石实验和数值模拟结果表明,在明确加载条件和边界条件的情况下,使用LURR能够有效探测到非均匀脆性介质在破坏前的高应力积累状态。基于此,LURR又被广泛应用于天然地震之外的研究领域。如姜彤等(2004)将作用在边坡上的地震力看作加卸载,建立力学模型,以边坡位移、位移速度、位移加速度为响应,使用LURR分析地震边坡稳定性;贺可强等(2004)应用LURR研究了长江三峡库区典型降雨型堆积层滑坡的位移失稳规律,发现LURR时序曲线在边坡失稳前发生突变,其突变时间与边坡实际失稳时间完全吻合;张文杰等(2005)则进一步将LURR应用于探索滑坡前兆和滑坡中期预报。此外,LURR在矿震(尹祥础等,2004)、水库地震(胡先明等,2009)的研究中均能够发挥一定的作用,成为新的应用领域。

5 LURR的改进和发展

LURR理论自20世纪80年代提出以来至21世纪初,虽然其在理论基础和地震预报实践中得到比较广泛的应用和研究,但仍存在一些关键问题需要解决。

一是优势破裂面和剪切应力方向的确定。在应用LURR方法时,需要预先确定测点处的构造剪切应力方向(Yin et al,2002),而这种先验的信息很难在地震发生前得到。在向前预测实践中,效能可能会因此降低。根据Coulomb准则,岩石的破裂面上有效剪应力为最大值。事实上,这一方法确定的破裂面未必与该区域所有地震的破裂面相一致,其只表示岩石在发生破裂时,沿该平面破裂的可能性最大,故又称为优势破裂面。虽然单个地震对应的破裂面不但与构造应力的主应力方向有关,还与局部的构造条件有关,但是由多个地震统计平均后可以反映出与构造应力有关的信息。

彭克银等(2000)根据中国大陆构造应力场方向确定破裂面和剪切应力方向的方法(许忠淮等,1989),对研究区域按照构造进行分区,并在此基础上,提出可以通过统计各个分区内的历史震源机制及断裂带参数,获得各个分区的构造剪切应力方向。此外,宋治平等(1996)建立了滇西地区的参数配置;王琤琤等(2001)发展了大华北地区的2°×2°构造分区模型;徐桂明等(2002)给出了江西地区水位观测井的应力场;尹祥础(2004)则构建了中国大陆2°×2°构造分区模型,并开展了预测实践(尹祥础等,2008)。

还有研究者提出将LURR应用于地震序列分析,如多震型和强余震序列,由于主震已经发生,通过主震震源机制解能够比较准确地给出局部区域的构造剪切应力方向,进而更加充分地显示出LURR方法的预测效能,同时,为震后趋势预测和复杂地震序列的跟踪提供一条新途径,提升现有的防震减灾工作能力。王海涛等(1998)应用这一思路研究了1997年新疆伽师6.4级震群序列,运用LURR较好地把握了强余震趋势;万永革(20042008)提出对“正地震”和“负地震”震级根据加载库仑应力的半日潮振幅进行加权的策略,并计算了1999年中国台湾集集地震、2002年阿拉斯加Denali地震和2003年日本Hokkaido地震的震前加卸载响应比,发现相比于传统方法,LURR有了明显提升;张浪平等(2009)也利用LURR方法对2008年汶川强余震序列开展了研究;李泽平等(2024)进一步以4级以上地震为研究对象,通过沿该地震滑动方向计算库仑破坏应力(CFS)的变化,判断前震属性;余怀忠等(2026)通过分析2024年新疆乌什7.1级强余震以及安徽肥东多震型序列,认为将LURR应用于多震型序列分析,能更充分地发挥其预测效能。

二是LURR预测时空尺度的确定。前人研究表明,LURR异常峰值与地震发生时间间隔存在较大差异。刘桂萍等(1994)对首都圈地区1980—1992年4级以上地震的研究表明,LURR峰值后3~4个月内常发生地震;刘特培等(2002)基于华南地区12个中强震案例,发现该时间尺度为5~10个月;张浪平等(2011)发现藏东南及周边地区6级以上地震的预测时间尺度为1~8年;Yu等(2025)以中国南北地震带近50年的地震目录为例,发现预测1~2年时间发生地震的效果最好。此外,强震孕震区空间尺度可能也存在明显的差异。张浪平等(2006)研究伊朗6级以上地震时,采用300km扫描半径;于晨(2022)对2022年四川泸定6.8级地震进行回溯性检验时,认为最佳临界区域的半径为80km;刘月等(2023)则认为2020年新疆于田6.4级地震孕震区域的半径为200km;唐兰兰等(2014)分析新疆5级以上地震时,选用的是200km扫描半径;而Yu等(2020)研究广东和广西地区5级以上地震时,则采用50km扫描半径最优。

综上所述,较大的预测时间尺度和空间尺度差异,可能降低了LURR方法预测效能。尹祥础等(2017)对“泛西南地区”8级以上强震的预测,其异常区范围达上千千米,预测发震时间在未来4年内。类似大规模的预测时间尺度和空间尺度,在地震预测实践中是一种常见的现象(尹祥础等,2009国家地震局分析预报中心,1994)。为了更加准确地定位地震发生区域,刘月等(2012)结合区域剪应变率和平均地震波能量等,通过量纲分析确定地震发生的空间范围和时间;唐兰兰等(2014)基于新疆地区LURR时空扫描结果,对2011—2012年发生的4个6级地震进行了孕震积分时程曲线分析,发现孕震积分均会达到峰值,并在高值波动过程中或高值回落后发震;Yu等(2006)尝试将LURR与库伦应力触发区域相结合,提升LURR的临界敏感性;在此基础上,Yu等(2013)进一步通过多方法组合,以追踪方式预测地震的时间和震级,使LURR方法成为中国地震台网中心年度危险区判定的主要依据之一,2018—2025年度的前瞻性预测检验显示,其预测效能R值评分约为0.4(于晨等,2025)。

三是异常的协同化转变。近年来,随着岩石实验和地震监测技术的快速发展,人们对于地震及其孕育过程有了更深的认识(Yu et al,2021),马瑾等(2014)提出的亚失稳理论正是关于震源区物理过程的重要发现。亚失稳现象最早在实验室被观测到,马瑾等(2012)根据粘滑破裂过程中不同变形阶段温度场的演化,发现最终破裂前存在亚失稳状态,推测形成地震断层快速错动的基本条件是断层上一些部位积累了足够高的应变,能够克服局部高强度部位的错动阻力,随着断层上的应变释放区加速扩展,积累区的应变水平会加速提高,并最终形成地震破裂。按照亚失稳理论,孕震区各个局部由独立向协同化转变的程度,是识别地震前兆的关键指标。

与此相关,研究发现通过LURR异常的时空演化,能更明确地确定地震发生的地点(罗贵安等,1996),这一观点也得到宋治平等(19962000)的支持。温少妍等(2016)指出中强地震前LURR异常的时空演化特征与地震发生的时空强相关。贾东辉等(2024)发现LURR异常的时空演化可能指示了孕震区各个局部由独立向协同化转变。在地震发生前的中期阶段,使用LURR方法能够从震中附近的地球物理和地球化学观测数据中,提取到显著的高值异常,且随着主震发生时间的临近,检测到异常的台站位置与震中之间的距离减小,似乎指示了孕震区各个局部由独立向协同化的转变。因此,在LURR应用实践时,除了关注LURR的异常高值,其时空演化反映的协同化演化可能也与未来强震发生的时间有关(Yu et al,2024b)。

6 结语与展望

通过对加卸载响应比(LURR)理论的提出、应用与发展历程进行回顾,可以看出该理论立足于坚实的物理基础,并得到了大量实验与震例的验证。尽管在地震预测实践中,LURR方法仍面临诸多挑战,但其基于力学过程的基本思路具有明确的科学依据——通过系统分析加载与卸载过程中响应参量的变化,来判别系统的力学状态,不仅在理论上成立,在实践操作上也具备可行性。若已知研究区域的构造应力场分布,可结合地震目录的时空扫描、定点地球物理观测、复杂地震序列跟踪、构造解析以及多物理场协同演化分析等手段,将LURR方法系统地应用于实际地震预测研究之中。

目前,虚报与漏报问题仍是制约LURR方法进一步发展和应用的主要瓶颈。展望未来,引入人工智能方法有望进一步提高构造参数反演的精细化与准确性,优化异常信息提取,深化对震情演化过程的认识,并推动建立更可靠的地震预测指标,从而有效提升LURR方法的地震预测实践应用效能。此外,LURR理论能够对地震孕育过程进行定量刻画,有效捕捉震源成核与亚失稳阶段的关键信息,解析孕震物理机制。即便在区域构造应力场信息未知的情况下,仍可基于假设的主震震源机制与位置,通过追踪LURR异常的时空演化特征,对未来强震的发展趋势进行研判,其应用前景值得期待。

参考文献
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