遼寧地區(qū)中強震預(yù)測指標(biāo)體系研究

焦明若，夏彩韻，王喜龍，王 亮，孔祥瑞，張志宏

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

遼寧地區(qū)中強震預(yù)測指標(biāo)體系研究

焦明若，夏彩韻，王喜龍，王 亮，孔祥瑞，張志宏

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

分別提取地震三要素的異常指標(biāo)，建立了遼寧地區(qū)異常指標(biāo)體系。通過梳理遼寧及周邊中強地震前測震學(xué)科異常變化特征，提取異常指標(biāo)，研究各指標(biāo)與地震三要素的關(guān)系，給出異常指標(biāo)的權(quán)重；根據(jù)歷史震例研究前兆學(xué)科典型趨勢和短臨異常變化特征，提取異常變化幅度、持續(xù)時間和形態(tài)變化特征等定量指標(biāo)，同時給出各異常指標(biāo)與地震三要素的關(guān)系，依據(jù)地震對應(yīng)情況給出各異常指標(biāo)的權(quán)重；最后結(jié)合遼寧地區(qū)測震學(xué)前及前兆學(xué)指標(biāo)，以及各異常指標(biāo)權(quán)重信息集成，建立遼寧地區(qū)中強震預(yù)測指標(biāo)體系，為遼寧地區(qū)危險區(qū)判定和跟蹤提供依據(jù)與技術(shù)支持。

遼寧地區(qū)；異常提取；異常指標(biāo)；信息集成

0 引言

自2008年以來，遼寧地區(qū)多次發(fā)生4級地震或震群活動，特別是2013年以來遼寧地區(qū)相繼發(fā)生了燈塔M5.1和科爾沁M5.3地震，隨后，遼寧地區(qū)又相繼發(fā)生一系列5級地震，形成了一條近南北向的5級地震條帶，該地區(qū)應(yīng)力水平明顯增強。遼寧地區(qū)一直是華北地區(qū)打破6級地震平靜的首發(fā)地區(qū)之一，多年來也一直是華北地區(qū)劃定的地震重點危險區(qū)之一。因此未來一段時間遼寧地區(qū)6級左右地震的危險性進一步增強，震情跟蹤的任務(wù)更加艱巨?？紤]到遼寧地區(qū)連續(xù)多年被劃為6級地震重點危險區(qū)以及當(dāng)前嚴(yán)峻的震情形勢，建立遼寧地區(qū)中強震的前兆指標(biāo)體系并指導(dǎo)未來地震預(yù)報實踐非常緊迫且必要。

考慮到遼寧地區(qū)中強地震活動的規(guī)律性，本文采用遼寧地區(qū)1970年以來發(fā)生的10次M5.0以上地震進行總結(jié)。遼寧地區(qū)指標(biāo)體系的建立可以通過長中短臨的思路建立，盡量考慮到不同構(gòu)造分區(qū)存在指標(biāo)不同的特點。文中分別給出遼寧地區(qū)M5.0以上地震的不同學(xué)科異常特征和三要素預(yù)測指標(biāo)。最后對測震學(xué)和部分前兆學(xué)異常指標(biāo)進行了信息集成。

1 選取資料和分析方法

1.1震例選取

對于遼寧地區(qū)中強震前異常資料的收集與分析主要基于中國震例[1-2]（1966—2006年）與前人公開發(fā)表的相關(guān)文獻、著作[3-5]以及年度趨勢報告①遼寧省地震局. 遼寧省地震趨勢年度會商報告.沈陽：遼寧省地震局1990-2016.。選取的歷史中強地震為1970年以來的M5.0以上地震，對所收集到的遼寧及鄰區(qū)發(fā)生的歷史中強地震震例進行分析，挑選出有遼寧地區(qū)前兆異常對應(yīng)的地震（表1），而后依據(jù)長、中、短臨時間尺度對所挑選的地震進行前兆異常特征提取及分析研究。

表1 遼寧及鄰區(qū)1970年以來中強地震震例

1.2測震學(xué)指標(biāo)提取方法

測震學(xué)前兆異常提取的技術(shù)途徑主要采用日常會商中比較成熟的異常指標(biāo)提取方法。可分為地震活動圖像異常與地震波異常，主要提取方法包括地震空區(qū)、條帶；前兆震群、前震的識別；相關(guān)地震、余震窗、信號震、逼近地震，平靜或活躍的判別及測震學(xué)的各項參數(shù)（如b值、Q值、D值（危險度）、C值（集中度）、U值（能量均勻度）、K值（歸一化熵值）、Rm值（小震調(diào)制比）、波速比、P波S波振幅比、應(yīng)力降、視應(yīng)力等等的異常提取。

1.3前兆學(xué)指標(biāo)提取方法

前兆異常提取的技術(shù)途徑主要采用日常會商中比較成熟的異常指標(biāo)提取方法進行。流體學(xué)科一般采用差分、相關(guān)系數(shù)、小波分析、平滑濾波以及閾值等分析方法；形變學(xué)科一般采取平滑濾波、多項式擬合、卡爾曼濾波法、速度分析、周期濾波等方法；電磁學(xué)科一般采用滑動傅氏去年變周期、濾波（滑動、數(shù)字濾波）波譜分析以及加卸載響應(yīng)比等分析方法。

1.4地震前兆異常特征

1.4.1 M≥7地震前兆異常特征

通過對遼寧及鄰區(qū)歷史中強地震前兆異常特征進行分析，發(fā)現(xiàn)M≥7地震具有如下特征：遼寧地區(qū)7級地震前兆異常震中距范圍大，可達500km以上（圖1a）；異常持續(xù)時間長，最長可達5年以上（圖1b）；異常數(shù)量多，定點前兆異常大于40項；異常變化幅度大，最大可達正常值幾十倍以上；異常具同步性變化特征；異常發(fā)震特征流體主要以突跳、上升發(fā)震為主，下降發(fā)震和異?；謴?fù)后發(fā)震次之，形變主要以趨勢轉(zhuǎn)向和破年變?yōu)橹?，破年變又體現(xiàn)為短期加速、年變變幅增大或較小等動態(tài)特征。地震一般多發(fā)生在異常頻次開始轉(zhuǎn)折降低階段，即距最高頻次1個月內(nèi)發(fā)生地震（圖2a）。宏觀異常分布范圍廣，可達上百至近千公里；異常數(shù)量巨大，可達千起（圖3）；異常早期少，臨震階段劇增，且隨時間推移由外圍向震中區(qū)遷移。

1.4.2 M 5～6地震前兆異常特征

通過對遼寧及鄰區(qū)歷史中強地震前兆異常特征進行分析，發(fā)現(xiàn)M5～6地震具有如下特征：遼南地區(qū)M5～6地震流體前兆異常多集中在距震中200km范圍內(nèi)，遼西地區(qū)前兆異常震中距可達350km左右（圖1a） ，異常主要以水氡、傾斜、地磁異常為主，持續(xù)時間較長，多為趨勢性異常，短臨異常具準(zhǔn)同步性特征（圖1b）；異常數(shù)量較M7明顯減少，M5～6地震前定點前兆異常數(shù)量僅有十幾項左右；異常發(fā)震特征與7級地震類似，主要以突跳、上升和破年變發(fā)震為主，下降發(fā)震和異?；謴?fù)后發(fā)震次之，地震一般在異常最高頻詞開始轉(zhuǎn)折降低后1—2個月內(nèi)發(fā)生（圖2b）。宏觀異常相對較少（20～30項）或無宏觀異常，空間分布范圍也相對較小。

2 三要素指標(biāo)提取及信息集成

2.1測震學(xué)指標(biāo)

通過對以上10次地震進行震前指標(biāo)的提取，歸納出遼寧地區(qū)中強地震前存在的測震學(xué)異常及對應(yīng)地震情況，如表2所示。

根據(jù)遼寧地區(qū)測震異常指標(biāo)對地震三要素的不同指示意義，可將以上測震學(xué)指標(biāo)分為時間指標(biāo)（表3）、強度指標(biāo)（表4）、地點指標(biāo)（表5）三類。

表3 遼寧地區(qū)地震活動預(yù)測時間指標(biāo)

表4 遼寧地區(qū)地震活動預(yù)測地點指標(biāo)

表5 遼寧地區(qū)地震活動預(yù)測強度指標(biāo)

2.2前兆學(xué)三要素指標(biāo)

通過對以上10次地震進行震前指標(biāo)的提取，歸納出遼寧地區(qū)中強地震前存在的前兆學(xué)科異常及對應(yīng)地震情況，具體見表6—8。

2.3指標(biāo)信息集成

（1）“權(quán)重集成”介紹

前述的指標(biāo)中部分指標(biāo)在震前有的出現(xiàn)異常，有的沒有出現(xiàn)異常，同時有的指標(biāo)出現(xiàn)異常并未發(fā)震。我們要判斷未來遼寧地區(qū)發(fā)生ML5.0地震的危險性時，將異常指標(biāo)用權(quán)重集成的方法進行綜合，當(dāng)權(quán)重集成值P達到某一閾值后，就有地震危險。

為了更好的衡量每個異常指標(biāo)的預(yù)測效能，我們計算了每個指標(biāo)的報準(zhǔn)率、虛報率及漏報率具體見表9。其中報準(zhǔn)率為預(yù)報有震次數(shù)與實際發(fā)震次數(shù)的比值、虛報率為出現(xiàn)異常并未發(fā)生地震的次數(shù)與出現(xiàn)異常總次數(shù)的比值、漏報率為未出現(xiàn)異常并發(fā)生地震的次數(shù)與統(tǒng)計總發(fā)震次數(shù)的比值。

該方法是對一組預(yù)報指標(biāo)yi，令當(dāng)yi出現(xiàn)異常為1，未出現(xiàn)異常為0， 以權(quán)重iw的大小表征該項指標(biāo)在過去地震預(yù)報中的優(yōu)劣，建立權(quán)重方程。權(quán)重集成值P由下式求出[7]：

因此各項指標(biāo)的權(quán)重iw，由下式求出：

式中，Ei表示第i個預(yù)報指標(biāo)過去在預(yù)報中的錯報率。本文中Ei用地震虛報率和地震漏報率之和表示。為更好地提高該方法的準(zhǔn)確性，從表9地震異常參數(shù)中挑選出16項預(yù)報效能較好的指標(biāo)，將已選用的16項指標(biāo)列于表10中，同時根據(jù)上述公式算出每項指標(biāo)的權(quán)重wi，并以年為單位求出的Pi值及與地震對應(yīng)情況見表11和圖4。

（2）預(yù)報未來一年有無ML≥5.0地震的綜合預(yù)報指標(biāo)—權(quán)重集成值Pi

為判斷未來一年遼寧地區(qū)ML≥5.0地震危險性，選用16項有年度預(yù)報能力的指標(biāo)，先根據(jù)它們過去預(yù)報地震的優(yōu)劣求出每個指標(biāo)的權(quán)重wi，再以年為單位統(tǒng)計出每年異常出現(xiàn)與否，若出現(xiàn)為1，未出現(xiàn)為0，最后根據(jù)求出權(quán)重集成值Pi。

選用的16項指標(biāo)列于表10中。表10中還列出每個指標(biāo)的權(quán)重wi，以年為單位求出的Pi值及與地震對應(yīng)情況見表11和圖4。從圖4和表11中可以看出，當(dāng)Pi值取0.174時，地震對應(yīng)率為52%，概括率為100%；就發(fā)生在遼寧省內(nèi)ML≥5.0地震而言，地區(qū)當(dāng)Pi值取0.265時，地震對應(yīng)率為50%，概括率為100%，而當(dāng)Pi值取0.437以上時，地震對應(yīng)率為100%，概括率為100%，對應(yīng)率非常好，可以看出當(dāng)遼寧地區(qū)Pi值為0.437以上時，遼寧地區(qū)發(fā)生中強地震的危險性很高。

表6 遼寧及鄰區(qū)流體學(xué)科預(yù)測指標(biāo)

表7 遼寧及鄰區(qū)形變學(xué)科預(yù)測指標(biāo)

表7 遼寧及鄰區(qū)形變學(xué)科預(yù)測指標(biāo)

表8 遼寧及鄰區(qū)電磁學(xué)科預(yù)測指標(biāo)

表9 遼寧地區(qū)異常及地震對應(yīng)表

表10 各項指標(biāo)的權(quán)重值

表11 Pi與ML≥5.0地震關(guān)系表

（3）預(yù)報地點的綜合指標(biāo)—權(quán)重集成值Pp

若前述判斷未來一年ML≥5.0地震的異常指標(biāo)已出現(xiàn)，那么就需要判斷發(fā)震的危險區(qū)。選取5項有預(yù)報發(fā)震地點能力的指標(biāo)，求出它們的權(quán)重，在平面上“集成”，找出綜合預(yù)報指標(biāo)Pp。選用的指標(biāo)列于表12中。將求出的權(quán)重iw按0.5×0.5平方度分配在有異常的地區(qū)，然后用公式求出每一小塊內(nèi)的權(quán)重集成值Pp，地震就將發(fā)生在Pp值最大的地區(qū)，也就是多種異常重疊的地區(qū)。由于地震空區(qū)、地震條帶由于資料的完備度所限，其從1990年開始計算，故圖5為1999年岫巖M5.4和2013年燈塔M5.1地震的Pp值的空間分布，可見兩次地震均發(fā)生Pp值最大的地區(qū)。

表12 求Pp值的預(yù)報指標(biāo)

（4）R值評分

R值評分方法是由許紹燮[8]提出用來評價地震預(yù)測效能的方法。根據(jù)R值評分的定義其為有震報準(zhǔn)率與預(yù)報占時率（或預(yù)報占時空域率）之差。其需根據(jù)不同的前兆類型選用，即

以前兆震群指標(biāo)為例，在1970年至2013年期間，其預(yù)報研究總時間為43年，預(yù)報占用時間為3年，則其預(yù)報占時率為0.07，報準(zhǔn)率為0.3。根據(jù)R值評分公式計算得出R值評分為0.23。若R=1，表示全部報對；R=-1，表示全部報反；R=0，則表示預(yù)報沒有起作用。因此，按此方法依次計算不同地震指標(biāo)的R值評分，結(jié)果如表13。

3 主要結(jié)論

（1）通過研究傳統(tǒng)地震學(xué)、數(shù)字地震學(xué)以及定點前兆資料，對遼寧地區(qū)1970年以來10次ML≥5.0地震進行震例回溯性檢驗研究，提出了16項單項預(yù)報指標(biāo)，并分別以時間、地點、強度預(yù)測進行分裂，給出其異常判定、震前特征、預(yù)測實效以及各項所占的權(quán)重，并利用R值評分對單項指標(biāo)的預(yù)測效能給予評價。

表13 不同地震預(yù)測指標(biāo)的R值評分

（2）利用權(quán)重集成法將單項指標(biāo)進行綜合，提出了預(yù)報未來一年有無ML≥5.0地震的綜合預(yù)報指標(biāo)Pi，當(dāng)Pi值取0.174時，地震對應(yīng)率為52%；就發(fā)生在遼寧省內(nèi)ML≥5.0地震而言，當(dāng)Pi值 取0.265時，地震對應(yīng)率為50%，概括率為100%，而當(dāng)Pi值取0.437以上時，地震對應(yīng)率為100% ；對應(yīng)率非常好，可以看出當(dāng)遼寧地區(qū)Pi值為0.437以上時，遼寧地區(qū)發(fā)生中強地震危險性很高。

（3）以定性和定量指標(biāo)建立遼寧地區(qū)近期中強震危險區(qū)的定量指標(biāo)體系，是依據(jù)震例總結(jié)，并從實際應(yīng)用出發(fā)，在預(yù)報未能實現(xiàn)根本解決時所用的一種經(jīng)驗總結(jié)性指標(biāo)體系，具有一定的地區(qū)參考意義。

（4）前述指標(biāo)是在研究震例中挑選提取出來的。用統(tǒng)計學(xué)方法進行綜合，但尚存一定的局限性，與主觀臆斷性，且任何指標(biāo)對應(yīng)地震時都存在一定的漏報和虛報，部分指標(biāo)虛報率還比較高。

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RESEARCH ON THE PREDICTIVE INDEX SYSTEM OF MEDIUM-STRONG EARTHQUAKES IN LIAONING PROVINCE.

JIAO Ming-ruo，XIA Cai-yun， WANG Xi-long，WANG Liang，KONG Xiang-rui，ZHANG Zhi-hong

（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

ract: This paper respectively extracted the three elements of earthquake for the anomaly index, which established the anomaly index system in Liaoning province. Through features of the seismic anomaly variations before moderate-strong earthquakes in Liaoning and around areas .We extract the anomaly index ,study the relations between every index and the three elements of earthquake and give the weight of anomaly index. To study typical tendency anomalies and short-term anomaly features in every subject and extract several quantitative indicators for amplitude of the anomaly changes , duration and the features of form changes ,we obtain the relations between anomalies index and three elements of earthquakes .At the same time ,the anomaly index weights are given . Finally ,combined with the geological structures in Liaoning province and the anomaly index weight information integration , we established the index system to predict the strong earthquakes in Liaoning province. It will provide the technical support and basis for judging and tracking the danger area in Liaoning province.

ds: Liaoning area; extracting the abnormal information; abnormal indicators; information integration

P315.3

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.04.001

1674-8565（2016）04-0001-11

2016-08-06

2016-09-28

焦明若(1963-)，男，遼寧省法庫縣人，博士研究生，研究員，現(xiàn)主要從事地震預(yù)報、前兆機理方面的研究工作。E-mail: 359203477@qq.com