0 引言

青海地处青藏高原东北部，位于欧亚与印度板块碰撞挤压前缘，构造活动强烈。长期钻孔应变观测表明，该区域应力持续累积，具备强震孕育条件。钻孔应变观测精度高、稳定性好，但原始应变数据易受温度、气压、水位等环境干扰，导致前兆信噪比降低，识别难度增大。

加卸载响应比(LURR)是一种基于岩石非线性力学的地震前兆识别方法，已成功应用于中国、美国的天然地震和矿震研究(余怀忠等，2026；李清淼等，2019；吴朝义等，2018；王鲁男等，2016)，并获得了一些有意义的结果。研究表明，震间期LURR值在1.0附近波动，孕震中晚期该值持续上升，临震前阶段性回落(张永仙等，1998；王海涛等，1998；王裕仓等，1998)。九寨沟M_S7.0地震前9个月，300km范围内多台钻孔应变观测出现LURR异常，呈“集中—增强—减弱”的时空演化特征，且异常空间分布与库仑应力加载区高度一致(岳冲等，2020)。岩石破裂声发射实验(余怀忠等，2003；Yin et al，2004)与亚失稳理论(马瑾等，2012)证实，LURR反映孕震中局部断层由独立变形向协同破裂演化的失稳程度，是判识强震孕育状态的关键指标，因而特别适用于识别强震前的钻孔应变异常。

2016年1月21日青海门源M_S6.4地震发生在青藏高原东北缘冷龙岭断裂带，是研究区域应力场变化与强震前兆特征的典型震例。本文基于格尔木台、乐都台钻孔应变观测数据，采用LURR方法分析该地震前的异常响应特征，并与常规应变分析方法进行对比。通过对比孕震区内台站与区域背景场台站的响应差异，结合b值空间扫描与剪切应变分析，探讨LURR异常的多指标协同特征，以期为青海地区震情研判提供参考。

1 数据来源与分析方法 1.1 研究震例与台站

2016年1月21日青海门源M_S6.4地震震中位于37.68°N、101.62°E，本次地震震源机制解为：节面I走向157°，倾角34°，滑动角91°；节面Ⅱ走向336°，倾角56°，滑动角89°；矩震级M_W5.72，属于逆冲型地震(李启雷等，2016)。根据彭克银等(2003)提出的孕震区半径与震级关系式

$ \lg R=0.29 M_{\mathrm{s}}+0.49 $

(1)

式中，R为地震孕震半径(km)，M_S为地震震级。经计算，本次地震孕震区半径约为170km。

在该地震孕震区内，乐都台(36.55°N、102.39°E)距离本次地震震中约145km，是唯一出现震前显著LURR异常的台站；门源台、湟源台也位于孕震区内，但均未见异常。因此，本文选取乐都台作为孕震区内代表台站，分析其异常变化特征。格尔木台(36.43°N、94.87°E)距离震中约615km，超出孕震区范围，但其地处东昆仑断裂带北侧关键构造部位，对区域应力场变化响应敏感，因此作为区域背景场参考台站。两台站观测仪器均于2008年投入运行，观测环境稳定，数据质量良好(图 1、表 1)。

1.2 LURR方法原理及异常判定

加卸载响应比(LURR)是表征地壳介质损伤演化的关键物理量(尹祥础，1987；尹祥础等，1994)。岩石在弹性阶段应力-应变呈高度线性；进入临界失稳状态后，裂隙成核、扩展与贯通，导致不可逆损伤并可能引发破裂(图 2)。LURR定义为加载与卸载响应率之比，表达式为

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

(2)

其中，X₊、X_-分别为加载与卸载时的响应率，Y为LURR值；当系统稳定时，Y≈1；当Y＞1且呈现“上升—峰值—回落”的典型非线性演化形态时，反映介质进入具有前兆意义的加速损伤阶段；Y回落至1或以下，预示岩体失稳临近。

本研究基于库仑应力触发模型，对格尔木台和乐都台的钻孔应变数据开展LURR计算。计算采用30天滑动窗口，步长为7天，内摩擦系数取0.4(Yu et al，2006b、2013、2016)。异常判定准则基于以下两点：

(1) 统计异常：连续3个及以上数据点超出背景均值μ±2δ，其中μ为背景均值，δ为标准差(Yu et al，2006a)；

(2) 有效前兆异常：满足统计异常，且呈现“上升—峰值—回落”的非线性损伤演化形态。

2 门源地震前应变观测特征 2.1 仪器检验与数据预处理

依据仪器自检标准(中国地震局，2013；邱泽华等，2015)，相对偏差计算公式为

$ R=\frac{V_{\text {后 }}-V_{\text {前 }}}{V_{\text {前 }}} \times 100 \% $

(3)

其中，R为相对偏差，V_前、V_后分别为仪器标定前后的响应率值。当相对偏差R＜5% 时，判定仪器运行可靠。本文选取2008—2017年格尔木台与乐都台钻孔应变观测数据，计算得到格尔木台相对偏差为0.43%，乐都台相对偏差为-0.09%(绝对值为0.09%)，均满足可靠性要求(表 1)。

数据预处理包括：①采用小波变换方法去除高频噪声；②对因仪器零漂引起的趋势项进行自动归零校正；③对缺测时段采用线性插值方法进行填补，获得连续、完整的应变时间序列。预处理后信噪比显著提升，两台站数据满足后续应变时序特征分析和LURR计算的要求。

2.2 应变时序特征

钻孔应变观测可高精度捕捉地下连续变形，直接反映地壳应力场变化(孙玺皓等，2022)。

四分量观测的原始分量能直接反映不同方向线应变变化，剪切应变则体现地壳介质特定方向的剪切变形特征。根据观测原理，可通过原始分量计算剪切应变，公式为

$ \gamma_1=\varepsilon_1-\varepsilon_3 $

(4)

$ \gamma_2=\varepsilon_2-\varepsilon_4 $

(5)

其中，ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别为4个方向线应变观测分量。为突显震前异常特征，本文选取2011—2017年应变时序展开分析。

(1) 格尔木应变。2011—2017年，格尔木钻孔应变四分量整体以压性变化为主，未出现明显转折异常(图 3(a))。两组剪切应变时序曲线(图 3(b))显示：γ₁在2011—2014年呈持续压性变化，2015年初其由快速变化转为平缓，对应方向为N73°E，表明NE-SW向压应力积累速率有所减缓；γ₂整体表现为压性减缓趋势，2015年7月中旬出现显著压性突变，其对应方向为N118°E，反映NW-SE向构造应力发生短期急剧增强。两个剪切分量的协同变化共同揭示了区域构造应力场发生明显调整。

(2) 乐都应变。2011—2017年，乐都钻孔应变四分量均保持在长期背景趋势内，未出现明显偏离(图 4(a))。剪切应变时序曲线(图 4(b))显示：γ₁呈稳定的趋势性拉张，其对应方向为N65°E，反映NE-SW方向持续受张性应力控制；γ₂呈稳定的趋势性挤压，其对应方向为N110°E，反映NW-SE方向持续受压性应力主导。门源地震前，两组剪切应变均未出现趋势转折类前兆异常。

原始应变分量易受环境噪声干扰，地震异常信息易被掩盖。剪切应变通过分量差值运算可有效抑制共模干扰，对构造应力变化更为敏感。研究区受印度板块NE向推挤控制，区域主压应力呈NEE-SWW向。格尔木台位于东昆仑断裂带北侧，震前剪切应变压性突变与区域主压应力方向应力急剧增强特征一致，符合区域构造动力学背景。乐都台位于祁连山—拉脊山构造交汇带，震前两类应变均无明显异常，可能与局部构造应力传递较弱相对稳定有关。

3 门源地震前LURR异常特征与讨论 3.1 LURR时序特征

依据前述异常判定标准，对格尔木台和乐都台钻孔应变数据进行LURR分析。图 5展示了出现异常的分量时间序列，包括格尔木台NE、NW分量和乐都台EW、NE分量。2016年门源地震前，这些分量均呈现显著LURR异常，其余分量均未见异常。

(1) 格尔木台LURR变化特征。格尔木台LURR计算结果显示：NE分量Y值在2014年4月9日前稳定在1.0附近，4月9日起持续上升，4月30日达峰值4.42，5月7日快速回落至-2.34(负值表示加载与卸载响应方向相反，可能反映介质临近失稳时微裂隙定向贯通导致的响应反转，其绝对值显著偏离正常值1.0)，呈现“上升—峰值—回落”异常过程，反映了介质在应力达到峰值后加载响应率快速降低、卸载响应率相对增强的非线性响应特征，此后Y值缓慢回升，7月30日恢复至1.0左右；NW分量Y值在2014年10月22日前于1.0附近小幅波动，11月初降至最低0.75，11月19日升至峰值2.77后回落，12月31日恢复至1.0附近(图 5(a)、5(b))。两次异常均出现在2016年门源地震前，作为区域背景场台站，格尔木台LURR异常反映了青藏高原东北缘大范围应力场在震前经历了阶段性调整与释放。

(2) 乐都台LURR变化特征。乐都台LURR计算结果显示：EW分量Y值在2014年12月3日前稳定在1.0附近，12月初缓慢下降，2015年2月18日突降至0.18，随后快速回升至峰值1.38并逐步回落，5月6日恢复至1.0附近；NE分量Y值在2015年5月20日前稳定于1.0附近，之后持续下降至低值0.37，短期内快速上升至峰值2.49后回落，10月7日恢复至1.0附近(图 5(c)、5(d))。两分量异常时序清晰，EW分量异常早于NE分量约5个月。该“下降—回升—回落”形态符合断层微裂隙扩展与加速蠕滑的失稳前兆特征，反映冷龙岭断裂在区域应力增强下逐步趋近失稳。

对比常规应变分析，格尔木台仅剪切应变出现异常，乐都台两类应变均无异常，而LURR在两台站均于震前数月出现显著异常。这说明LURR能有效抑制环境噪声，提取与震源区介质损伤演化相关的前兆信号，当地壳介质进入非线性损伤阶段时，加载与卸载响应率的差异显著放大，从而在LURR时序上呈现可识别的异常。

3.2 b值空间扫描与区域应力背景

b值是表征地震活动性的重要参数，反映震级-频度关系，与区域应力水平呈显著负相关(刘子璇等，2019；姜佳佳等，2021)。本文基于中国地震台网中心2010年以来M_L≥2.0小震目录，采用最大似然法在门源地震震中及邻区(35°N~39°N，94°E~104°E)开展b值空间扫描。

结果显示，2013年以来格尔木台所在区域持续存在低b值异常(b＜0.7)，反映区域应力高值集中；乐都台所在区域b值处于正常水平(图 6)。格尔木台所在区域低b值异常与LURR异常、剪切应变异常同步出现，共同反映大范围区域应力累积；乐都台所在区域无低b值异常，但LURR异常显著，表明其异常由区域应力场调整诱发的局部介质失稳所致，而非大范围应力累积的直接表现。

3.3 两台站响应对比分析

综合LURR、剪切应变与b值多指标分析，两台站呈现显著不同的响应组合：格尔木台同时存在LURR异常、剪切应变异常与低b值异常(b＜0.7)，反映区域应力高度集中；乐都台仅LURR异常显著，应变与b值均无明显变化。二者构成“区域背景-震源局部”的组合异常模式，表明门源地震前既有青藏高原东北缘大范围应力增强的背景，也存在冷龙岭断裂带局部介质进入非线性损伤阶段的演化过程。

4 结论

本文基于岩石应力-应变本构关系，利用格尔木台和乐都台钻孔应变数据，采用LURR方法分析2016年门源M_S6.4地震前异常特征。主要结论如下：

(1) 门源M_S6.4地震前，格尔木台剪切应变分量出现显著异常，原始应变无异常；乐都台两类应变均无明显异常，常规应变分析难以系统识别震前信息。

(2) LURR方法在两台站均识别出显著震前异常，格尔木台NE分量异常始于震前约22个月，NW分量始于震前约15个月，均呈“上升—峰值—回落”形态，符合岩石失稳前非线性损伤演化特征；乐都台异常形态相似，但持续时间较短。由此表明LURR可有效提取钻孔应变中的震前损伤信息。

(3) 对比孕震区内台站(乐都台)与区域背景场台站(格尔木台)的响应发现，格尔木台同时存在剪切应变异常与低b值异常，反映区域应力高度集中；乐都台仅LURR异常显著。二者构成“区域背景-震源局部”的异常组合，揭示强震孕育过程中区域应力场调整与震源区介质损伤演化的不同层次特征。综合LURR、b值等多指标并结合台站构造位置，可提升强震孕育过程的识别能力。