0 引言

人们对地震的研究一直在不断探索和更新，但地震预测尤其是地震短临预测仍是目前尚未解决的世界性科学难题。1966年开展的黏滑实验提出，黏滑是浅源地震沿断层形成的一种机制(Brace et al，1966)，此后，实验室地震研究逐渐发展。构造物理实验通过设定岩体材质、断层几何状态和应力加载方式等控制参数，利用高精度的观测手段清楚地呈现出地震孕育、破裂、传播和停止的完整过程，揭示了地震孕育形成机理和破裂传播规律，成为地震预测研究的重要理论支撑(Scholz et al，1972；Dieterich，1978)。地震孕育和发生过程是一个力学过程，亚失稳理论为地震前兆的探索提供了理论基础(马瑾等，1995、2012、2014；马瑾，2016；卓燕群等，2013；任雅琼等，2013)。马瑾等(1995)利用模拟实验，将岩石变形曲线划分为震前异常的中长期阶段和短临阶段。马瑾等(2014)还开展了实验室平直断层失稳模拟研究来进行地震短临前兆问题探测，并观测到失稳前断层加速协同化的过程。

亚失稳理论在实验室研究取得较好的成果，但如何将实验理论应用于天然地震预测仍然面临困难。加卸载响应比理论(LURR)是基于岩石力学性质，利用地下岩石圈信息进行地震预测的方法(Yin et al，1991、1995、2000；尹祥础，1987、2004；尹祥础等，1994)。依据岩石材料本构曲线，当加载阶段与卸载阶段的比值Y达到峰值(Y_max)之后，则进入亚失稳阶段，通常地震就发生在Y_max回落之后(尹祥础，2004；尹祥础等，2013；余怀忠等，2004)。近些年，LURR方法在地震研究实践中得到了较好的应用，刘月等(2023)利用LURR方法探寻新疆于田地区强震复发间隔；李泽平等(2024)利用LURR方法确定构造剪切应力方向，判定强震危险区域；贾东辉等(2024)以2020年伽师6.4级地震为例，分析地震前前兆资料LURR异常的强震成核过程；张磊等(2025)分析了LURR方法在天津地区地应变中的震前变化。

岩石圈内构造活动的变化伴随着物质迁移、能量释放和信息交换，这种物质与能量的传递跨越了各个圈层。岩石圈-大气层-电离层耦合(Lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling，LAIC)模型能够较好地解释这一物理现象(Hayakawa et al，2008；Pulinets et al，2007、2011、2015；Wu et al，2012a、2012b)。通过震例回溯性分析，认为震前异常的垂向变化与地震发生、孕育存在密切联系。如，Pulinets等(2007)分析1985年墨西哥8.1级地震前氡辐射与历史气象数据的关系，证实了物质从岩石圈向大气圈传递；Wu等(2016)分析了2009年意大利拉奎拉6.3级地震前与盖层和大气层相关的热液异常，认为其演化模式符合岩石圈-盖层-大气层耦合(Lithosphere-coversphere-atmosphere coupling，LCAC)模式。随后更为完整的岩石圈-盖层-大气层-电离层(Lithosphere-coversphere-atmosphere-ionosphere，LCAI)模式在震例研究中得到有效应用(Jing et al，2019；何苗等，2020)。岩石圈孕震区内的应力状态与电离层扰动异常之间关系密切，电离层扰动异常是较好的地震短临异常(Liu et al，2000；Chuo et al，2002；Singh et al，2003；Hayakawa et al，2008；Akhoondzadeh et al，2010；Kon et al，2011；张学民等，2020；李美等，2014；王秀英等，2021)。

本研究尝试利用加卸载响应比(LURR)方法对2024年乌什7.1级地震周边的地球物理观测资料进行异常分析，并结合电离层电子密度和氧离子密度异常，研究强震前岩石圈-电离层异常信息传递过程，探索孕震区进入亚失稳阶段的时间尺度，寻找地震短临异常规律。

1 区域构造背景及台站信息

西南天山位于新疆塔里木盆地西北缘，该地区活动断裂非常发育且地震活跃，区内多次发生6.0级以上强震，区内构造变形为以逆冲断裂褶皱带为主的山前薄皮推覆构造(Yin et al，1998；Allen et al，1999；吴传勇等，2014)，较典型的为柯坪推覆构造。柯坪推覆构造EW长约300km，NS宽60~140km，推覆体由5~6排近EW向的逆断裂-背斜带组成。迈丹断裂带由多条次级断裂组成，是一条长约400km、宽约17km的断裂带，该断裂属于西南天山北部柯坪推覆构造的根部断裂，总体走向为NEE向，倾向NW，该断裂带东段晚第四纪以来活动性较强(吴传勇等，2014)。据中国地震台网中心测定，北京时间2024年1月23日2时9分5秒新疆阿克苏地区乌什县发生7.1级地震，微观震中位于41.26°N、78.63°E，震源深度22km。此次地震发生在迈丹断裂带东段(图 1)，为逆冲型地震。

西南天山地球物理观测台站分布较为稀疏，台站位置主要分布在喀什附近、乌什—巴楚区域和库车—巩留以北，震中500km范围内架设地倾斜、地应变、钻孔倾斜、钻孔应变等19个地壳形变观测台站，其中15个观测台站的23套观测仪器数据质量满足计算要求(表 1)。

2 数据及分析方法 2.1 数据处理

本研究选取的地球物理观测资料为震中500km范围内的地倾斜、地应变等形变观测资料，共包含15个台站，23个测项。由于观测数据可能受到人为活动、环境干扰、仪器状态、气象因素等影响，在计算加卸载响应比之前，对数据进行去除数据台阶、滤波、去趋势等预处理，然后进行LURR计算，并选取2022年1月1日—2024年12月31日M_L0~4.0地震目录进行空间LURR计算扫描。

卫星数据选取2023年11月1日—2024年1月23日LAP载荷的原位电子密度数据和PAP载荷的氧离子密度数据。本研究仅选取升轨数据进行分析，升轨数据对应地方时的夜晚，电离层受干扰因素相对较少。轨道重访周期为5天，故每张图使用5天的数据。

前人研究表明，电离层扰动异常大多出现在震前15天内(李美等，2014)，故本研究选取震前30天升轨轨道数据进行分析，以5天为一个周期，并剔除当天的K_P指数≥3时间段内的数据，以排除磁扰的影响，相邻轨道之间使用克里金(Kriging)方法进行插值计算。

鉴于电离层观测数据的年变化和季节变化，为减弱季节变化对观测数据的影响，将地震前异常区域范围3个月内升轨数据(去除K_P≥3的数据)的平均值作为背景值，然后观察对比研究时段内轨道数据图像相对于背景值图像的变化并提取异常。

2.2 方法原理

加卸载响应比理论是尹祥础等(1994)基于岩石力学原理提出的地震预测的方法，其通过对比岩石介质加载阶段与卸载阶段的力学响应差异来判断岩石介质损伤程度。

用Y表示加卸载响应比，可表示为

$ Y=\frac{X_{+}}{X_{-}} $

(1)

其中，X₊和X_-分别表示加载和卸载，响应率X可定义为

$ X=\lim\limits _{\Delta P \rightarrow 0} \frac{\Delta R}{\Delta P} $

(2)

其中，ΔR和ΔP分别表示载荷为P时，响应R和载荷P所对应的增量。以地震能量E为响应量的加卸载响应比可表示为

$ Y_m=\left(\sum\nolimits_{i=1}^{N_{+}} E_i^m\right)_{+} /\left(\sum\nolimits_{i=1}^{N_{-}} E_i^m\right)_{-} $

(3)

式中，E_i表示地震波能量，“+”、“-”分别表示加载和卸载；m可以取0、1/3、1/2、2/3或1。当m=1时，E^m表示地震能量；当m=1/3或2/3时，E^m分别表示孕震区域的线性尺度和面尺度；当m=1/2时，E^m表示Benioff应变；当m=0时，Y值相当于加载和卸载过程中出现的地震数目。本研究选取Benioff应变(m=1/2)作为响应能量。

3 结果分析 3.1 地球物理资料LURR异常

对震中500km范围内15个台站、23套仪器的地倾斜、地应变等定点形变观测资料进行LURR计算，以乌什7.1级地震的震源机制解作为构造参数，调整每个计算测项的窗长、步长等参数设置，得出计算结果，并对该震中范围内的小震活动进行LURR计算，发现当将震中距参数设置为200km时，LURR异常较为显著(图 2)。

地球物理观测计算结果显示，在计算的23套地倾斜、地应变观测数据中，有8个测项在乌什7.1级地震前出现LURR异常，且异常时空分布呈现远离震中的异常早出现、靠近震中的异常晚出现的特征。最早出现的异常为温泉水平摆倾斜，于2021年8月13日出现LURR异常，早于地震发生前两年半时间，该异常观测点也是距离地震最远的点，震中距约为457km；时间上最晚出现的异常为阿合奇垂直摆异常，该异常于2023年8月23日出现，早于地震发生前5个月，该观测点为距离震中最近的点，震中距为39km(图 2)。

3.2 电离层异常

对乌什7.1级地震前30天的电离层电子密度和氧离子密度数据进行分析，发现2024年1月12日新疆南天山西段喀什—乌恰交汇区出现电子密度和氧离子密度异常，异常分布在36°N~48°N、72°E~78°E区域内，电子密度最大值为9.2×10¹⁰/m³，氧离子密度最大值为7.8×10¹⁰/m³(图 3)。该异常出现后的第11天发生2024年1月23日乌什7.1级地震。

4 讨论与结论

乌什7.1级地震前，地球物理观测资料出现多项LURR异常。震中500km范围内的15个台站中，有8个台站的观测资料在乌什7.1级地震前出现LURR异常，且异常出现时间呈现远离震中的异常早出现、靠近震中的异常晚出现、时间和空间上向震中汇聚的特点。在此次地震前约1/3(8/23)的异常测项逐步出现，具有较为显著的异常发展过程。但是在实际地震预报中，仅靠定点形变异常对发震时间、地点的准确判断远远不够，还需要借助其他异常综合判定。地震震中200km内的LURR时序图显示，2023年9月17日出现LURR最高值，而地球物理资料LURR异常出现时间显示，2021年8月13日异常最早出现在温泉水平摆倾斜，随后向震中迁移，最晚出现的异常为2023年8月23日阿合奇垂直摆异常，此时距本次乌什7.1级地震时间为震前5个月(图 4)。乌什7.1级地震前11天，震中附近上空出现电离层电子密度和氧离子密度高值异常，结合岩石圈计算出的地球物理资料LURR异常和地震目录时-空扫描LURR异常，分析认为在本次乌什7.1级地震前异常发展过程呈现出岩石圈地球物理LURR异常向震中汇聚、临震时异常信号向上传播、产生电离层异常的现象。

由于岩石圈内构造活动的变化伴随着物质迁移、能量释放和信息交换，这种物质与能量的传递跨越了各个圈层。岩石圈-大气层-电离层耦合(LAIC)模型能够较好地解释这一物理现象。岩石圈孕震区内的应力状态与电离层扰动异常之间关系密切，电离层扰动异常是较好的地震短临异常，异常大多出现在地震发生前几天或十几天。本次震例研究结果可以反映出异常从岩石圈运移成核过程，然后向上传递到大气圈，形成跨圈层耦合的过程。