等效维度空间揭示的2025年MW7.7缅甸地震前地震过程前兆变化

《Earthquake Science》：Precursory changes in seismic processes before the 2025 MW7.7 Myanmar earthquake revealed in the equivalent dimension space

　　

研究人员利用地震规律性和地震应变动态系数，对2025年M7.7缅甸地震前的地震过程进行了研究，该地震破裂了实皆断裂（Sagaing Fault）的中段。分析聚焦于主震前十年间位于实皆断裂与巽他海沟（Sunda Trench）之间的一个地震丛。在该方法中，地震被参数化为震级、距前一事件的流逝时间和震中距。这些参数被转换为等效维度（equivalent dimensions），以确保其可比性。地震规律系数（seismic regularity coefficient）是这些转换参数所表示的地震事件间平均距离，可作为应变局部化和破裂相干性的代理指标。地震应变动态系数（seismic strain dynamics coefficient）定义为标量地震矩立方根之和与事件发生时间跨度之比的对数，可作为断层损伤区内平均非弹性应变累积的代理指标。在主震前约29个月，地震规律系数时间序列中出现了一个前兆信号。该信号在地震前约26个月降至一个显著的最小值，随后在主震前约10个月增加至一个明显的最大值。导致此模式的地震活动分布在一个大区域（约1550公里×500公里）内，大部分事件发生在实皆断裂西侧的小型断层构造上，而非沿主断裂本身。缅甸地震前地震规律系数的前兆行为与其它大地震观测到的模式高度吻合。当使用地震应变动态系数进行分析时，该信号甚至更为显著。两个参数的共同演化在一个描述导致大地震的孕育过程的模型框架内得到了解释。所得结果证实了该方法在长期地震预测方面的潜力。

# 等效维度空间揭示的2025年MW7.7缅甸地震前地震过程前兆变化

地震的孕育与发生是一个极其复杂的地球物理过程。实验室实验、野外观测和理论模型均表明，大地震的成核是一个多尺度过程，涉及渐进的损伤累积、应变局部化以及非均匀的应力再分布。在主破裂发生前，断层系统通常会经历一个漫长的准备阶段，其特征包括变形局部化、前震以及瞬态慢滑移事件，这标志着从分散的微破裂向断层滑动的转变。因此，在大地震发生前识别出可靠的前兆信号，对于实现长期地震预测具有至关重要的科学意义和应用价值。

近期，研究人员提出了一种新的方法——在等效维度空间中分析地震过程。该方法通过将地震事件的多个参数（如事件间隔时间、空间距离和震级）转化为可比较的等效维度，进而计算地震规律系数（dc）来监控地震过程的组织化程度。此前的研究已表明，该系数在墨西哥2017年MW8.2特瓦特佩克地震和希腊2020年MW7.0萨摩斯地震等案例中，均显示出清晰的前兆信号。本研究旨在验证这一方法对2025年发生在缅甸中部实皆断裂（Sagaing Fault）的MW7.7级地震的适用性。实皆断裂是东南亚一条主要的右旋走滑断裂，历史上曾发生多次破坏性地震，但其在过去近一个世纪内未曾发生过大地震。本次MW7.7地震破裂了该断裂中段约460公里的段落，是一次极具研究价值的事件。该研究不仅旨在检验新方法的有效性，更深层次的目标是探究大地震前区域地震活动组织化演变的物理过程，为理解地震孕育机制提供新的观测约束。

# 主要技术方法与数据来源

本研究使用的主要数据来源于国际地震学研究机构联盟（IRIS）的地震目录，覆盖了1995年至2025年2月期间，北纬10°至30°、东经88°至103°范围内的地震。为确保数据质量的均一性，研究人员选取了活动率相对稳定的2015年之后的数据，并进一步筛选出位于实皆断裂与巽他海沟楔形区域内的地震丛。通过修正的拟合优度检验确定了震级完整性阈值（Mc）为4.35，最终得到一个包含460次地震的完整数据集用于分析。

研究的关键技术步骤包括：1) 参数化与转换：将每次地震的事件间隔时间（dt）、震中距（dr）和震级（M）通过累积分布函数（CDF）非参数估计方法转换为等效维度T、R、C，使其在[0,1]区间内服从均匀分布。2) 系数计算：对于包含K个连续地震事件的滑动窗口，计算地震规律系数dc，该系数衡量等效维度空间中点的平均距离，反映地震过程的规则程度；同时计算地震应变动态系数SSD，其定义为窗口内地震矩立方根之和与时间跨度之比的对数，用于量化断层带内的平均应变累积速率。3) 统计分析与验证：通过自助法（bootstrap）重采样评估系数时间序列的不确定性，并利用蒙特卡洛模拟生成随机序列作为基准，以检验观测信号的显著性。通过随机置换测试进一步确保了所识别前兆信号并非由滑动窗口分析方法本身所致。

# 研究结果

## 地震规律系数的前兆信号
研究人员计算了主震前地震规律系数dc(t|T, R, C)的时间序列（采用50个事件的滑动窗口）。分析显示，从2022年10月25日开始，dc值迅速下降，于2023年2月2日达到最小值0.57，这大约对应于主震前26个月。随后，dc值稳步上升，于2024年5月29日达到最大值0.76，对应于主震前约10个月。在主震前最后两个月，dc值再次下降，并在震前两周略有回升。整个模式构成一个清晰、持久的前兆异常。统计检验表明，从随机、无关联的数据集中获得这些极端dc值的概率极低（分别为3.1×10^-4和2.5×10^-5），证实了信号的真实性。

## 前兆地震活动的时空分布特征
生成dc前兆信号的地震（M≥4.5）主要分布在约1550公里×500公里的广阔区域内，且大部分震中位于实皆断裂西侧的小型次级断层构造上，而非主断裂本身。对比dc值处于最小值（dc_min）和最大值（dc_max）时对应的50个地震窗口的时空特征发现：在dc_min阶段（主震前约26个月），地震活动形成一个相对紧凑的丛集，位于未来主震震中西北方约200公里处，活动率与长期平均水平一致，且震级-频度分布的b值较高（约1.53），表明此阶段以较小、较均一的事件为主；在dc_max阶段（主震前约10个月），地震活动的空间分布更为分散，沿实皆断裂呈弧形展布，活动率略有升高，b值显著降低（约1.16），表明此阶段破裂事件更大、更不均一。这反映了从损伤局部化向大范围破裂传播的转变。

## 地震应变动态系数与联合解释
同时分析的地震应变动态系数SSD时间序列显示，在dc前兆信号出现之前，存在数次孤立的SSD峰值。关键发现在于，当dc值达到最小值时，SSD也同时降至最小值；而当dc值达到最大值时，对应于SSD高值期的结束。这两个系数的协同演化被一个五阶段的地震孕育损伤模型所解释：dc与SSD同步下降（阶段III）标志着从稳定裂纹扩展向损伤局部化的过渡；dc达到最小值标志着损伤区局部化和应变软化开始（阶段IV）；dc与SSD随后同步上升反映了这一过程的加剧；dc达到最大值且SSD开始下降则标志着系统进入最终破裂阶段（阶段V）。据此推断，缅甸地震的孕育过程在震前约26-22个月经历了从阶段III到阶段IV的关键转变，并于震前约10个月进入阶段V。

# 讨论与结论

本研究揭示了2025年缅甸MW7.7地震前存在一个持续约2.3至3.6年、空间尺度广阔的损伤过程。地震规律系数dc清晰地追踪了这一过程从应变局部化（dc下降至最小值）到破裂准备（dc上升至最大值）的演化。该前兆模式与此前在不同尺度地震事件中观测到的模式一致，进一步证实了在等效维度空间中分析地震过程的潜力。当dc与提供非弹性应变累积互补信息的SSD联合分析时，不仅能更可靠地检测前兆信号，还能为解释导致大地震的底层损伤物理过程提供一个合理的框架。

研究结论明确指出，本次缅甸地震的前例证明了该方法对长期地震预测的有效性。该研究的成果发表在《Earthquake Science》杂志上，强调了通过系统研究不同地震案例，以建立前兆信号特征与地震生成过程普适性联系的重要性，这将有助于未来在实际预测应用中识别期望的信号形态，并最终发展出可操作的长期地震预测算法。未来工作需进一步完善算法，并深入探究dc-SSD信号对计算参数、地震过程特征以及地震构造与地质力学控制条件的依赖关系。