華北地區(qū)地震條帶的統(tǒng)計(jì)分析

王 霞，梁向軍，宋美琴

(1.山西省地震局,山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震條帶圖像是地震預(yù)測中常用的方法之一。1969年劉蒲雄首次提出地震條帶的概念，“通過弱震活動的分析開展地震預(yù)報的一些認(rèn)識，大震前，小震活動出現(xiàn)條帶分布，而條帶外圍廣大地區(qū)呈現(xiàn)平靜的異常圖形”[1]。我國地震學(xué)家從20世紀(jì)80年代開始對地震條帶進(jìn)行認(rèn)真清理與系統(tǒng)研究，主要是針對中國大陸、四川、云南、新疆、華北及東北地區(qū)等的中強(qiáng)震前的條帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[2-12]。《中國震例》(1970—2013)的震例總結(jié)表明，地震條帶是6級以上地震前的主要異常現(xiàn)象，如1976年唐山7.8級、1989年大同-陽高6.1級和1998年張北6.2級等地震前均出現(xiàn)了地震條帶[13]。這些震例為我們積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。然而，已有的關(guān)于地震條帶的研究大多是震例的回溯性研究，缺乏系統(tǒng)的清理及預(yù)測效能的評估。震前如何利用條帶去預(yù)測地震的時空強(qiáng)三要素，目前主要通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式外推或一些定性指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。

華北地區(qū)自1998年張北地震后，一直處于5級左右地震活動時段，缺乏MS≥5.0地震前條帶的系統(tǒng)性研究。現(xiàn)有的華北地區(qū)條帶圖像研究成果[1,7,8,14]給出一些統(tǒng)計(jì)關(guān)系式，提供了一定的參考依據(jù)，但使用中發(fā)現(xiàn)諸多疑問，具體為實(shí)際跟蹤過程中，一方面部分條帶結(jié)束后并未發(fā)生預(yù)期的地震；另一方面，即使采用條帶圖像預(yù)測未來地震，但又缺乏在虛報、漏報、對應(yīng)率等方面統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果的支持，現(xiàn)有的條帶研究成果難以科學(xué)地指導(dǎo)日常震情跟蹤。因此，有必要采用統(tǒng)一的技術(shù)途徑、目錄，針對華北地區(qū)MS≥5.0地震，開展條帶指標(biāo)的清理，服務(wù)于華北地區(qū)震情形勢的跟蹤、判定。

1 方法和數(shù)據(jù)

該文的華北地區(qū)是按照華北Ⅰ級塊體邊界來勾畫，因此下文所用的地震目錄涉及的是此塊體內(nèi)的地震。首先運(yùn)用“震級-序號”法、“最大曲率”法(MAXC)、90%和95%的擬合度GFT法對華北地區(qū)1970—2017年的地震目錄分別處理，結(jié)果顯示1970—1995年期間的最小完整性震級在ML2.0～3.0之間波動，1996—2008年處于ML2.0附近，2009年至今在ML1.0左右變化(見第2頁圖1)。綜合分析得出華北地區(qū)最小完整性震級為ML3.0。通過對華北地區(qū)MS≥5地震進(jìn)行余震刪除后，獲得49個華北地區(qū)MS≥5地震目錄(其中5.0～5.9級39個，6.0～6.9級8個，7級以上2個)。

利用上述刪除余震的地震目錄，按照地震條帶的特征和判據(jù)，通過SuperSeis的“滑動震中分布圖”，設(shè)定不同窗長、步長對華北地區(qū)1970—2017年的地震目錄進(jìn)行全時空人工識別并提取條帶異常，最終識別出41個ML3以上的地震條帶(其中28個條帶對應(yīng)地震，13個條帶虛報)，逐一整理?xiàng)l帶的特征參數(shù)，結(jié)果如第3頁表1所示。

圖1 華北地區(qū)1970年以來地震目錄的完整性震級分析Fig.1 Integrity magnitude analysis of earthquake catalogue in North China since 1970

2 分析結(jié)果

該研究識別出的條帶中，有2個主震前存在2個條帶交匯的現(xiàn)象，分別是1992年1月23日南黃海5.3級(第4頁圖2)和2005年11月26日江西九江5.7級地震(見第4頁圖3)，這2次主震發(fā)生在條帶交匯處，另外在九江5.7級地震前還存在較短的1個近NS向條帶(見圖3a)；存在的2個條帶分別對應(yīng)了2次地震的情況，即表1中條帶5對應(yīng)了1978年遼寧營口5.9級和東溝5.0級地震，條帶28對應(yīng)了2013年遼寧燈塔5.1級和黃海5.0級地震；還有一些主震前存在不同時段不同起始震級的多個條帶，如1976年唐山7.8級地震、1994年南黃海5.3級等；其余對應(yīng)了主震的條帶中有半數(shù)是主震前存在1個條帶。主震前后條帶的M-T圖和相應(yīng)的內(nèi)外頻次比圖，以1992年南黃海5.3級地震為例(見第4頁圖4)，其余條帶不再一一列出。對識別出的條帶與主震間的關(guān)系做如下統(tǒng)計(jì)分析。

(1) 條帶持續(xù)時間與主震震級關(guān)系。

從28個對應(yīng)地震的條帶統(tǒng)計(jì)來看，條帶持續(xù)時間在3年以上的占36%，1～3年的占50%，半年左右的占14%，表明中長期地震條帶出現(xiàn)的概率較高，而短期地震條帶出現(xiàn)的概率偏低。從不同震級檔的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，7級以上地震的條帶持續(xù)時間在3年以上，6.0～6.9級地震的條帶持續(xù)時間在2～3年，而5.0～5.9級地震的條帶持續(xù)時間跨度大，在3個月至3年以上?？傮w上條帶持續(xù)時間與主震震級存在一定的線性相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)較低(見第5頁圖5)。

(2) 條帶長度與主震震級關(guān)系。

條帶長度與未來主震震級的關(guān)系表明，兩者存在一定的線性相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)較低(見第5頁圖6)。7級以上地震前條帶長度達(dá)600 km，6級以上地震前條帶長度在400 km以上，5～5.9級地震前條帶長度在260～1 000 km范圍內(nèi)，這與《測震學(xué)分析預(yù)報方法》[15]的研究結(jié)果較為一致，即中強(qiáng)地震前條帶的長度短者為200 km，長者可達(dá)900 km。

(3) 條帶起始震級與主震震級關(guān)系。

條帶起始震級與主震震級存在一定的線性相關(guān)關(guān)系(見第5頁圖7)，隨著起始震級增大，對應(yīng)的主震震級也相應(yīng)增大。7級以上地震前存在多個條帶，包括背景條帶(ML≥4)和弱震條帶；5.0～6.9級地震前條帶大多數(shù)為弱震條帶，還有部分為背景條帶(起始震級為ML4.0～4.1)。

(4) 條帶與主震位置關(guān)系。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2次地震(1992年南黃海5.3級和2005年九江5.7級地震)前存在2個條帶交匯，主震發(fā)生在條帶交匯處，其余主震發(fā)生在條帶內(nèi)部和外部各占50%，其中內(nèi)端部、內(nèi)部、內(nèi)中部在條帶內(nèi)部中的比例分別為54%、23%和23%，外端部、外部、外中部在條帶外部中的比例分別為38.5%、38.5%和23%。

3 討論與結(jié)論

該研究共識別出ML≥3.0地震條帶41個，其中有28個對應(yīng)華北地區(qū)MS≥5地震，13個條帶虛報，因此，條帶的報準(zhǔn)率為68%、虛報率為32%、漏報率52%(25/48)。在此特別說明條帶漏報率計(jì)算時，由于1976年4月6日和林格爾6.3級地震前目錄不全，無法恢復(fù)其條帶，因此這個地震未列入目標(biāo)地震的總數(shù)。

盡管統(tǒng)計(jì)的華北地區(qū)ML≥3.0地震條帶的持續(xù)時間、長度、起始震級均與主震震級存在一定的線性正相關(guān)關(guān)系，但其相關(guān)系數(shù)較低，未能通過95%置信水平下的相關(guān)系數(shù)臨界值檢驗(yàn)。究其原因，一是可能與華北地區(qū)7級以上震例少，以5～6級地震為主，由于震級區(qū)間小導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)關(guān)系未能給出很好的線性相關(guān)；二是地震條帶的方法在大震前出現(xiàn)的比例高，而中強(qiáng)震前出現(xiàn)的比例偏低，華北地區(qū)以中強(qiáng)震為主且震前出現(xiàn)地震條帶的比例也不高，造成統(tǒng)計(jì)樣本偏少且相關(guān)系數(shù)低。

表1 華北地區(qū)可識別出的地震條帶統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of seismic bands identified in North China

呂堅(jiān)等[11]對《中國震例》中246次MS≥5震例的梳理研究發(fā)現(xiàn)，66.7%的7級以上震例出現(xiàn)地震條帶異常，針對華北地區(qū)44次MS≥5震例中有18次在震前出現(xiàn)地震條帶(占比40.9%)。因此，7級以上震例前出現(xiàn)條帶比例較高，一定程度上表明條帶是大震發(fā)生的重要異常判據(jù)?？紤]到華北地區(qū)完整性震級，只開展了ML≥3.0的地震條帶識別，華北地區(qū)MS≥5地震前出現(xiàn)條帶的比例約為50%，因此地震條帶僅作為部分地震的預(yù)測依據(jù)，還應(yīng)結(jié)合其他異常來綜合做出研究區(qū)域的預(yù)測。

圖2 1992年南黃海5.3級地震前條帶圖像Fig.2 Band image before the South Yellow Sea MS 5.3 earthquake in 1992

圖3 2005年九江5.7級地震前條帶圖像Fig.3 Band image before the Jiujiang MS 5.7 earthquake in 2005

圖4 1992年南黃海5.3級地震前2個條帶的M-T圖和內(nèi)外頻次比圖Fig.4 M-T maps and internal-external frequency ratio maps of two bands before the South Yellow Sea MS 5.3 earthquake in 1992

圖5 華北地區(qū)條帶持續(xù)時間與主震震級關(guān)系Fig.5 Relation between the duration of the belt and the magnitude of the main earthquake in North China

圖6 華北地區(qū)條帶長度與主震震級關(guān)系Fig.6 Relation between the length of the belt and the magnitude of the main earthquake in North China

圖7 華北地區(qū)條帶起始震級與主震震級關(guān)系Fig.7 Relation between the initial magnitude of the belt and the magnitude of the main earthquake in North China