地震短期綜合預(yù)測(cè)的一種思路

王俊菲 馮志生 沈紅會(huì) 孫業(yè)君 李鋒 王維 繆阿麗 李鴻宇

江蘇省地震局，南京 210014

0 引言

地震預(yù)測(cè)是世界性科學(xué)難題，目前仍然處于經(jīng)驗(yàn)性預(yù)測(cè)階段。目前的地震預(yù)測(cè)方法較多，給出的異常項(xiàng)目種類繁多，其中地震活動(dòng)性異常和數(shù)字地震計(jì)算的介質(zhì)變化異常有三四十項(xiàng)，重力形變、電磁和地下流體預(yù)測(cè)方法和異常項(xiàng)目也有幾十項(xiàng)，這些方法總體來說在地震預(yù)測(cè)上能發(fā)揮一定作用，但預(yù)測(cè)效能不高。因此綜合預(yù)測(cè)可能是未來地震預(yù)測(cè)的重要途徑，已有很多學(xué)者對(duì)地震綜合預(yù)測(cè)工作進(jìn)行了探討，陳立德(1993)對(duì)異常進(jìn)行加權(quán)，設(shè)定閥值來綜合判斷地震危險(xiǎn)性；韓渭賓等(1997)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行指標(biāo)化綜合預(yù)測(cè)；李平等(2000)對(duì)測(cè)震學(xué)指標(biāo)進(jìn)行篩選，采用SQIP法對(duì)大華北震例進(jìn)行了綜合預(yù)測(cè)的研究；陳章立等(2008)就淺源地震的物理實(shí)質(zhì)提出優(yōu)化監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，根據(jù)不同觀測(cè)物理量給出異常的綜合判定。這些研究都給出了一些綜合預(yù)測(cè)方法和指標(biāo)，但這些預(yù)測(cè)指標(biāo)往往是異常數(shù)量的簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)、加權(quán)或者異常時(shí)空分布特征。

本文提出一種新的綜合預(yù)測(cè)思路：以虛報(bào)率較低的短期異常作為“引信”，在出現(xiàn)1個(gè)或數(shù)個(gè)“引信”短期異常后，再對(duì)地震可能發(fā)生的地點(diǎn)和震級(jí)進(jìn)行綜合判定，該思路的優(yōu)點(diǎn)是綜合預(yù)測(cè)意見的虛報(bào)率低，因?yàn)椤耙拧碑惓Q定了綜合預(yù)測(cè)意見本身具有較高的發(fā)震概率。在該思路的指導(dǎo)下，我們?cè)?012年7月20日高郵-寶應(yīng)4.9級(jí)地震和2016年10月20日江蘇射陽縣4.4級(jí)地震震前做出了比較有效的短期預(yù)測(cè)。

1 短期綜合預(yù)測(cè)思路

一般來說，孕震區(qū)及其附近地區(qū)總是存在一定數(shù)量的不同性質(zhì)的前兆異常，本文給出的短期綜合預(yù)測(cè)思路如下：

(1)尋找一些可靠的短臨異常，這些異常可以理解為短期預(yù)測(cè)的“引信”，該異常一旦出現(xiàn)，則未來3個(gè)月發(fā)生地震的可能性很大，其信度高達(dá)0.7以上。這樣的短臨異常不在于多，預(yù)測(cè)的震級(jí)和空間范圍可以較大，但要求該異常的人為因素要少、虛報(bào)率低。

(2)“引信”異常出現(xiàn)后，先對(duì)可能的發(fā)震地點(diǎn)進(jìn)行梳理。一般依據(jù)對(duì)地點(diǎn)預(yù)測(cè)較好的方法(如條帶、空區(qū)、重力、巖石圈磁異常、地磁諧波振幅比等)判定當(dāng)前可能發(fā)生地震的地點(diǎn)，并排除那些發(fā)生地震可能性小的地區(qū)。

(3)對(duì)可能的發(fā)震震級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)。分析當(dāng)前異常對(duì)應(yīng)的總體震級(jí)，根據(jù)可能的總體震級(jí)，對(duì)嚴(yán)重不符合總體震級(jí)的異常可以進(jìn)行排除。

2 高郵-寶應(yīng)4.9級(jí)地震震前跟蹤

2.1 “引信”短期異常

2012年6月底左右，宿遷蘇05井水溫出現(xiàn)改變?cè)兓厔?shì)的下降異常，下降幅度為0.003℃左右(圖1)，雖然下降幅度非常小，但該井自觀測(cè)以來，水溫儀器性能穩(wěn)定，采樣率較高，故障率較低，資料連續(xù)可靠，類似異常幅度多次對(duì)應(yīng)了周邊400km范圍內(nèi)4≤ML≤5地震，對(duì)應(yīng)率達(dá)到11/13，且異常出現(xiàn)時(shí)間一般在震前幾天至3個(gè)月內(nèi)，大部分在2個(gè)月以內(nèi)(徐桂明等，2010)。同時(shí)，鹽紡臺(tái)鈣離子、氯離子2012年7月初開始出現(xiàn)同步高值異常，該異常一般對(duì)應(yīng)周圍300km范圍內(nèi)4≤ML≤5地震，對(duì)應(yīng)率分別達(dá)到 8/11 和7/9，因此當(dāng)前的同步高值異常信度也很高(圖2)。這3項(xiàng)流體異常的同步出現(xiàn)具有非常重要的預(yù)測(cè)意義，滿足了短期綜合預(yù)測(cè)思路的第一要素，可以被認(rèn)為是做出短期預(yù)測(cè)的“引信”異常。

圖 1 蘇05井水溫五日均值曲線

圖 2 鹽紡臺(tái)鈣離子(a)、氯離子(b)五日均值曲線

2.2 地點(diǎn)判定

對(duì)于地點(diǎn)的判定，主要依據(jù)從2011年2月開始在蘇中一帶逐步形成的4個(gè)小震條帶。這4個(gè)條帶分別為：2011年2～10月在長(zhǎng)江口至洪澤湖一帶逐漸形成的NW向的ML≥2.0地震帶狀分布(圖3)、2012年1月以來在啟東以東海域至金湖附近地區(qū)逐漸形成的NW向ML≥2.0地震條帶、2012年1月以來在沿洪澤-溝墩斷裂形成的NE向的ML≥2.0地震條帶、2012年4月以來短期內(nèi)形成的沿茅山斷裂帶及向北延伸的NNE向ML≥1.5帶狀分布(圖4)，4個(gè)條帶集中交匯在高郵附近地區(qū)，該地區(qū)很有可能是未來發(fā)震區(qū)域。

圖 3 2011年2～10月江蘇及鄰區(qū)ML≥2.0地震空間分布

圖 4 2012年1～7月江蘇及鄰區(qū)ML≥1.5地震空間分別

2.3 震級(jí)判定

蘇05井水溫異常對(duì)應(yīng)歷史震例震級(jí)為4≤ML≤5，鹽紡臺(tái)鈣離子、氯離子高值異常對(duì)應(yīng)歷史震例震級(jí)為4≤ML≤5，ML≥2.0條帶和ML≥1.5條帶對(duì)應(yīng)的震級(jí)為4級(jí)左右，因此綜合判斷未來地震的震級(jí)為4≤M≤5。

2.4 綜合分析

圖 5 高郵-寶應(yīng)地震異常總體分布

通過以上分析，我們?cè)?月18～19日基本判定短期內(nèi)高郵及附近地區(qū)發(fā)生4≤M≤5地震的可能性較大，實(shí)際情況是7月20日20時(shí)11分發(fā)生了高郵-寶應(yīng)4.9級(jí)地震，發(fā)震地點(diǎn)和震級(jí)基本符合預(yù)測(cè)意見。地震發(fā)生后，對(duì)該地震的綜合預(yù)測(cè)進(jìn)行了反思，并進(jìn)一步總結(jié)了震前未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的一些前兆異常，包括溧陽蘇22井水溫下降異常(圖6)、高郵臺(tái)的地磁諧波振幅比異常(蔣延林等，2016)、江蘇水位從2010年4～5月左右開始出現(xiàn)的群體性趨勢(shì)變化(王維等，2016)、常熟臺(tái)VS垂直擺急劇北傾及固體潮形態(tài)出現(xiàn)突變等，這些手段或方法在預(yù)測(cè)三要素中都有一定的作用。圖5 為高郵-寶應(yīng)地震的異常總體分布圖，從圖5 可以看出，信度較高的“引信”異常只有1項(xiàng)，但卻是預(yù)測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵因素，條帶的交匯使得地點(diǎn)預(yù)測(cè)比較明確，震后的總結(jié)和反思也對(duì)高郵-寶應(yīng)地震的發(fā)生有了進(jìn)一步的理解，同時(shí)對(duì)2016年10月20日射陽4.4級(jí)地震前的判定和短臨預(yù)測(cè)起了重要作用。

圖 6 蘇22井水溫五日均值曲線

3 射陽4.4級(jí)地震震前跟蹤

2016年10月20日江蘇鹽城射陽縣洪澤-溝墩斷裂帶附近(33.7°N，120.3°E)發(fā)生4.4級(jí)地震，附近地區(qū)有明顯震感。本次地震發(fā)生在江蘇省2017年度趨勢(shì)會(huì)商圈定的5級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)(2016年10月19日全省會(huì)商會(huì))，震前3個(gè)月內(nèi)江蘇省地震預(yù)報(bào)研究中心做了很好的震情跟蹤。

3.1 “引信”短期異常

射陽地震震前可靠的短臨異常比較多，主要有鹽紡鈣離子、氯離子高值異常及蘇05井水溫的下降異常、蘇22井水溫下降恢復(fù)中、常熟臺(tái)VS垂直擺NS向的加速北傾、10月9～15日射陽ML3.5震群震級(jí)升高趨勢(shì)、江蘇北部沿海ML2.5地震空區(qū)被打破。這些短臨異常都比較可靠，歷史地震對(duì)應(yīng)率高，因此判斷短期發(fā)生中等地震的可能性非常大。下面詳細(xì)介紹各異常。

2016年4月20日蘇05井水溫開始出現(xiàn)下降變化，到2016年8月27日達(dá)到最低值，累計(jì)下降幅度為0.002℃，之后一直在低值波動(dòng)(圖1)。2016年4月29日、9月19日鹽紡氯離子、鈣離子分別出現(xiàn)下降轉(zhuǎn)上升變化，最大上升幅度分別為2.631、0.539mg/L，尤其是氯離子創(chuàng)了歷史新高(圖2)。蘇05井水溫下降異常和鹽紡臺(tái)鈣離子、氯離子高值異常的可靠性前面已做了詳細(xì)介紹，因此這些變化有非常重要的短臨預(yù)測(cè)意義。

圖 6為蘇22井水溫五日均值曲線，圖6 顯示，水溫下降幅度超過0.005℃后，周圍300km范圍內(nèi)容易發(fā)生4≤ML≤5的地震，并且地震一般發(fā)生在水溫開始恢復(fù)的3個(gè)月之內(nèi)，對(duì)應(yīng)率6/7。2016年2月水溫出現(xiàn)新的下降變化，最大下降幅度達(dá)到0.013℃，7月11日開始恢復(fù)，因此判斷未來3個(gè)月左右周圍300km范圍內(nèi)存在發(fā)生4≤ML≤5地震的可能(繆阿麗等，2014)。

圖 7 常熟VS垂直擺2008年6月SN向分鐘值

圖 8 常熟VS垂直擺2016年10月SN向分鐘值

圖7、8 為常熟臺(tái)VS垂直擺NS向的分鐘值曲線，圖7 中顯示的是2008年6月18日降雨期間出現(xiàn)正常的南傾變化(下降)，而從圖8 可以看出2016年10月10日降雨期間反而出現(xiàn)了加速的北傾變化(上升)，且北傾速率大于5倍背景速率，該異常現(xiàn)象曾多次出現(xiàn)，并且異常出現(xiàn)后2個(gè)月內(nèi)常熟臺(tái)N向或EN向300km范圍內(nèi)均有4≤ML≤5地震對(duì)應(yīng)(圖9)，對(duì)應(yīng)率為5/7，考慮到本次異常幅度較大，因此判斷未來2個(gè)月內(nèi)常熟臺(tái)N向或EN向存在發(fā)生5級(jí)左右地震的可能。

圖 9 常熟VS垂直擺SN向異常對(duì)應(yīng)地震震中分布有2個(gè)地震重疊，實(shí)為5個(gè)地震

圖 10為2014年3月24日以來在江蘇北部沿海形成的ML≥2.5地震空區(qū)，該空區(qū)被2016年10月9日射陽ML2.6地震打破，空區(qū)打破后，空區(qū)內(nèi)部小震活躍，至2016年10月15日發(fā)生射陽ML3.5地震，震級(jí)逐漸升高?？諈^(qū)被打破一般為短期異常，該地區(qū)1987年射陽5.1級(jí)地震前也曾出現(xiàn)過ML≥2.5地震空區(qū)，因此，該ML≥2.5地震空區(qū)被打破現(xiàn)象可視為“引信”短期異常，該地區(qū)地震危險(xiǎn)性在增加。

圖 10 2014年3～2016年10月江蘇及鄰區(qū)ML≥2.5地震空間分布

圖 11 2015年8月～2016年10月江蘇及鄰區(qū)ML≥3.0地震空間分布

3.2 地點(diǎn)判定

2015年8月6日以來形成的南黃海至河南范縣NW向ML≥3.0地震條帶(圖11)和2016年1月13日以來形成的安徽懷寧至南黃海NE向ML≥2.5地震條帶(圖12)交匯于南黃海海域；由鹽城臺(tái)地磁計(jì)算的諧波振幅比，自2015年以來出現(xiàn)了不同周期的趨勢(shì)性負(fù)相關(guān)變化(圖13)，顯示鹽城附近地區(qū)不同層位的深部電阻率發(fā)生了變化，該異?，F(xiàn)象在高郵-寶應(yīng)地震前的高郵臺(tái)也出現(xiàn)過(蔣延林等，2016)。綜合分析鹽城以東海域附近地區(qū)是當(dāng)前空區(qū)、條帶交匯、常熟垂直擺異常、地磁諧波振幅比異常指示的預(yù)測(cè)區(qū)域，該區(qū)域也是江蘇省2016年度5級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)，因此判斷鹽城以東海域是未來發(fā)震的主體地區(qū)。

圖 12 2016年01～10月江蘇及鄰區(qū)ML≥2.5地震空間分布

圖 13 鹽城臺(tái)地磁諧波振幅比異常左側(cè)為NS向，右側(cè)為EW向

3.3 震級(jí)判定

蘇05井水溫異常對(duì)應(yīng)歷史震例震級(jí)為4≤ML≤5，鹽紡臺(tái)鈣、氯離子高值異常對(duì)應(yīng)歷史震例震級(jí)為4≤ML≤5，蘇22井水溫下降異常對(duì)應(yīng)歷史震例震級(jí)為4≤ML≤5，江蘇北部沿海形成的ML≥2.5地震空區(qū)對(duì)應(yīng)歷史震例震級(jí)為5.0級(jí)左右，ML≥3.0地震條帶和ML≥2.5地震條帶交匯對(duì)應(yīng)歷史震例震級(jí)為5.0級(jí)左右，地磁諧波振幅比異常對(duì)應(yīng)歷史震例震級(jí)為5.0級(jí)左右。考慮到地磁諧波振幅比異常對(duì)應(yīng)5.0級(jí)左右地震比較可靠，因此綜合判斷未來地震的震級(jí)為5.0級(jí)左右。

3.4 綜合分析

在日常跟蹤分析中，我們?cè)?016年8、9和10月的月會(huì)商意見中給出了短期預(yù)測(cè)結(jié)論：未來1個(gè)月鹽城以東海域附近地區(qū)存在發(fā)生5.0級(jí)左右地震的可能，10月9日射陽發(fā)生ML2.6地震，該地震打破ML≥2.5地震空區(qū)，震后我們判斷該地震原震中區(qū)及附近地區(qū)有發(fā)生強(qiáng)有感地震可能，實(shí)際情況是10月20日發(fā)生了射陽4.4級(jí)地震，發(fā)震地點(diǎn)基本位于預(yù)測(cè)區(qū)，實(shí)際震級(jí)比預(yù)測(cè)意見略低，但地震確實(shí)發(fā)生了，沒有虛報(bào)，是一次較成功的短期綜合預(yù)測(cè)。圖14為射陽地震異?？傮w分布?？傮w來說，如圖14 所示，射陽4.4級(jí)地震前異常略多，尤其是短臨異常較突出，信度較高的多項(xiàng)短臨異常是本次地震短期預(yù)測(cè)較成功的關(guān)鍵因素，另外，在發(fā)震地點(diǎn)的預(yù)測(cè)上也比較明確，不存在爭(zhēng)議地點(diǎn)，而震級(jí)預(yù)測(cè)偏高的原因是在預(yù)測(cè)中基本選擇了最高震級(jí)，實(shí)際上給出4≤ML≤5是比較合理的。

圖 14 射陽地震異常總體分布

4 討論

炮彈的引信一旦點(diǎn)火，炮彈基本會(huì)爆炸的，除非是啞彈，實(shí)際中啞彈很少。如何提高綜合預(yù)測(cè)的成功率，減少地震綜合預(yù)測(cè)意見的虛報(bào)，降低地震綜合預(yù)測(cè)意見的“啞彈”，預(yù)測(cè)信度高的異常至關(guān)重要，我們將預(yù)測(cè)信度高的異常形象化地稱為“引信”異常，強(qiáng)調(diào)的是要重視預(yù)測(cè)信度高的異常在綜合預(yù)測(cè)中的作用和地位。一次綜合預(yù)測(cè)可能要面對(duì)幾十個(gè)異常判據(jù)，但綜合預(yù)測(cè)依據(jù)中“引信”異常的多少及其預(yù)測(cè)信度的高低決定了這次綜合預(yù)測(cè)的成功與否。本文給出的短期綜合預(yù)測(cè)思路經(jīng)過了2次地震綜合短期預(yù)測(cè)實(shí)踐，有一定的借鑒之處，對(duì)指導(dǎo)今后震情跟蹤工作有實(shí)際意義。