南天山東段中強(qiáng)地震前ECRS異常時(shí)空特征研究①

郭 寅， 李 金， 劉建明

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震的孕育、發(fā)生是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，伴隨著地震的孕育，會(huì)產(chǎn)生如地震活動(dòng)、地殼活動(dòng)、地下流體變化、地磁、地電等多方面的異常變化。地震學(xué)參數(shù)如b值、η值、A(b)值、缺震、A值、頻度和GL值等能夠在一定程度上反映地震的孕震規(guī)律，且中強(qiáng)地震前有異常變化，可用于對(duì)中強(qiáng)地震的預(yù)測(cè)。目前不管是測(cè)震學(xué)異常還是地球物理觀測(cè)異常多是單一的、定性的異常，雖然有研究者對(duì)地震前兆異常有一定的定量研究[1-3]，但是將多個(gè)方法組合起來(lái)定量研究地震前兆異常的還是較少。研究者致力于地震綜合預(yù)報(bào)，尋求定量的綜合預(yù)報(bào)方法，如1989年朱令人提出地震綜合預(yù)報(bào)的集成預(yù)測(cè)概率方法[4]。王海濤從信息論基本原理出發(fā)，利用合成信息熵方法研究多種前兆群體異常信息變化，提取地震前兆群體異常的識(shí)別標(biāo)志[5]，2003年開始嘗試尋找多種地震學(xué)參數(shù)的綜合異常指數(shù)，提出綜合異常指數(shù)ZY[6]，2008年提出利用多種地震學(xué)參數(shù)進(jìn)行基于地震對(duì)應(yīng)概率譜的綜合研究思路[7]，2009年將該方法重新命名為地震對(duì)應(yīng)相關(guān)譜，即Earthquake Corresponding Relevancy Spectrum，簡(jiǎn)寫為ECRS。王瓊運(yùn)用該方法研究南天山西段中強(qiáng)地震前ECRS方法的空間分布特征，并分區(qū)研究新疆各區(qū)的ECRS時(shí)間變化特征[8-9]。唐蘭蘭對(duì)新疆中強(qiáng)地震前的ECRS的空間變化特征做相關(guān)研究[10]。二者研究結(jié)果表明，在新疆中強(qiáng)地震前ECRS在時(shí)間和空間上均有異常變化。盧顯將該方法應(yīng)用到郯廬斷裂帶，認(rèn)為該方法對(duì)郯廬斷裂帶中南段中強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)有一定的可行性[11-12]。雖然王瓊和唐蘭蘭對(duì)新疆的ECRS進(jìn)行研究，得到中強(qiáng)地震前ECRS的異常變化特征，但新疆地域較大，構(gòu)造復(fù)雜，每個(gè)地區(qū)的地震活動(dòng)水平不同，對(duì)南天山東段的研究相對(duì)薄弱。2020年以來(lái)，南天山東段5級(jí)地震活躍，先后發(fā)生2020年3月23日拜城MS5.0地震和2021年3月24日拜城MS5.4地震，遠(yuǎn)超過該區(qū)5級(jí)地震的背景水平。新疆5級(jí)地震前，往往會(huì)出現(xiàn)形變、地震學(xué)、地磁等異常[13-15]，因此上述方法常被做為判定震情的可靠依據(jù)，但是ECRS依據(jù)較少。本文中在參考文獻(xiàn)[8-10]基礎(chǔ)上，增加2009～2021年3月的數(shù)據(jù)，分析研究南天山東段地區(qū)MS≥5.0地震前后ECRS時(shí)空異常特征，以期為該區(qū)的震情研判提供參考依據(jù)。

1 研究方法

(1)

(2)

在均值和標(biāo)準(zhǔn)差的基礎(chǔ)上，值域的分布區(qū)間的規(guī)則可定義如下,

(3)

2 研究區(qū)域及資料選取

本文中選取南天山東段地區(qū)(40.83°～42.96° N，80.12°～90.27°E)為研究區(qū)域(圖1)，該區(qū)1979～2021年3月共記錄MS≥2.5地震5 126次，其中MS2.5～2.9地震4 240次，MS3.0～3.9地震748次，MS4.0～4.9地震113次，MS5.0～5.9地震24次和1次MS≥6.0地震(1979年3月29日庫(kù)車MS6.0地震)。圖2是1979年以來(lái)南天山東段MS≥5.0地震M-t圖，南天山東段MS≥5.0地震活動(dòng)呈現(xiàn)“平靜—活躍—平靜—活躍”狀態(tài)。1979年3月29日MS6.0地震之后，南天山東段MS≥5.0地震出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)7年9個(gè)月平靜；1987～1999年南天山東段5級(jí)地震相對(duì)活躍，期間發(fā)生了15次MS≥5.0地震；2000年后南天山東段MS≥5.0地震再次出現(xiàn)7年9個(gè)月的平靜，2007年7月庫(kù)車MS5.9地震后，南天山東段5級(jí)地震進(jìn)入活躍期，2021年拜城MS5.4地震發(fā)生在該活躍期。王瓊評(píng)估天山南部小地震目錄完整性后，認(rèn)為1977年以來(lái)南天山東段地震監(jiān)測(cè)能力達(dá)MS1.9[16]，完成數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)改造后2006年底天山中段地區(qū)的監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML2.0[17-18]。因此根據(jù)南天山東段的地震活動(dòng)特點(diǎn)，本文中采用1979～2021年3月新疆區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)定位的MS≥2.5地震目錄，分別以1979～2019年南天山東段MS≥5.0地震為目標(biāo)地震，考察η值，b值，D值、缺震、Mf、頻度、小震調(diào)制比等地震學(xué)參數(shù)在目標(biāo)地震前的時(shí)空變化特征，并對(duì)2020～2021年3月的地震活動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖1 1979年以來(lái)研究區(qū)中強(qiáng)地震分布圖Fig.1 Distribution of moderate-strong earthquakes in study area since 1979

圖2 1979年以來(lái)南天山東段5級(jí)以上地震M-t圖Fig.2 M-t diagram of MS≥5.0 earthquakes in eastern of South Tianshan since 1979

3 資料處理及計(jì)算結(jié)果

3.1 時(shí)間掃描結(jié)果分析

計(jì)算1979～2019年南天山東段地區(qū)b、D值、η、缺震、Mf5個(gè)地震學(xué)參數(shù)的地震平均發(fā)生概率，并將計(jì)算結(jié)果作為外推預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)庫(kù)數(shù)據(jù)，將2020年1月～2021年3月的地震活動(dòng)進(jìn)行外推。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，考察時(shí)間為12個(gè)月的計(jì)算結(jié)果效果較好。以1979～2019年作為學(xué)習(xí)庫(kù)，當(dāng)閾值為0.42時(shí)，ECRS和中強(qiáng)地震有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3為南天山東段ECRS時(shí)間序列曲線，該區(qū)中強(qiáng)地震均發(fā)生在ECRS值均高于0.42閾值時(shí)。學(xué)習(xí)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)過11次高值異常，其中8次高值異常過程中有中強(qiáng)地震發(fā)生，且均成組發(fā)生。學(xué)習(xí)時(shí)段內(nèi)南天山東段發(fā)生22次MS≥5.0地震，均發(fā)生在ECRS高值異常過程中，外推時(shí)段2020～2021年3月，研究區(qū)共發(fā)生了2次MS≥5.0地震，分別為2020年3月23日拜城MS5.0和2021年3月24日拜城MS5.4地震，表明外推預(yù)測(cè)效果比較好，信度比較高。對(duì)比1979年以來(lái)南天山東段的地震活動(dòng)(圖2)可以看出，ECRS高值時(shí)期多是該區(qū)地震活動(dòng)比較活躍的時(shí)期，異常持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；地震平靜期間ECRS多低于閾值。

圖3 南天山東段ECRS時(shí)間序列曲線Fig.3 Time series curve of ECRS in eastern of South Tianshan

對(duì)南天山東段ECRS時(shí)間掃描異常開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間以及結(jié)束時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究(表1)，結(jié)果表明：目標(biāo)地震多發(fā)生在高值異常過程中，且在高值過程中有多個(gè)MS≥5.0地震發(fā)生，地震個(gè)數(shù)為2～5個(gè)，首個(gè)5級(jí)地震的發(fā)震時(shí)間與異常開始時(shí)間間隔為3～10個(gè)月，其中6個(gè)月以內(nèi)的4次，最后一個(gè)地震發(fā)生后1年內(nèi)ECRS恢復(fù)低值狀態(tài)。每段異常的持續(xù)時(shí)間不同，最短的為16個(gè)月，最長(zhǎng)的為46個(gè)月，如2017年以來(lái)的高值異常，該異常持續(xù)了46個(gè)月。異常幅度、異常持續(xù)時(shí)間與目標(biāo)地震個(gè)數(shù)、震級(jí)之間均沒有很好的相關(guān)性，如1986～1988年的高值異常幅度和異常持續(xù)時(shí)間均小于1990～1993年的高值異常，但是1986～1988年高值異常中的最大地震為MS5.9地震，而1990～1993年的最大地震為MS5.7地震，2個(gè)高值異常過程中均有4次目標(biāo)地震發(fā)生。

表1 南天山東段ECRS時(shí)間掃描目標(biāo)地震異常特征

3.2 空間掃描結(jié)果分析

王瓊探討南天山西段多種地震學(xué)參數(shù)不同考察時(shí)長(zhǎng)的前兆異常時(shí)空特征：當(dāng)考察時(shí)長(zhǎng)為18個(gè)月和6點(diǎn)為滑動(dòng)窗長(zhǎng)時(shí)，該區(qū)目標(biāo)地震前該方法的預(yù)測(cè)效能較高[8]。本文中以2°×2°為空間窗長(zhǎng)，0.2°×0.2°為步長(zhǎng)，分別以6個(gè)月，12個(gè)月和18個(gè)月為考察時(shí)長(zhǎng)，對(duì)南天山東段η，CN，b，頻度，調(diào)制比，缺震，Mf7個(gè)參數(shù)進(jìn)行了全時(shí)空掃描計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)考察時(shí)間為12個(gè)月，震例回顧效果較好。研究結(jié)果顯示，1979～2021年3月以來(lái)南天山東段庫(kù)爾勒以東地區(qū)發(fā)生了9次MS≥5.0地震，地震發(fā)生前均無(wú)異常變化，但庫(kù)爾勒—拜城地區(qū)MS5.0地震前，多數(shù)地震前ECRS空間掃描結(jié)果出現(xiàn)高值異常：學(xué)習(xí)時(shí)段內(nèi)發(fā)生了13次MS≥5.0地震，其中8次中強(qiáng)地震前震中及其附近地區(qū)ECRS空間掃描結(jié)果出現(xiàn)了高值異常，且地震發(fā)生在異常過程中。由表2可以看出，ECRS空間掃描高值異常開始后4～10個(gè)月內(nèi)發(fā)震，地震后2～11個(gè)月內(nèi)異常消失(表2)，異常面積、幅度及持續(xù)時(shí)間和震級(jí)無(wú)相關(guān)性。本文中列出1999年3月庫(kù)爾勒—拜城地區(qū)3次5級(jí)地震前后以及外推時(shí)間內(nèi)2020年3月23日拜城MS5.0和2021年3月24拜城MS5.4地震前后ECRS的空間演化圖像(圖4～5)。

圖4 1999年3～9月南天山東段3次5級(jí)地震前后ECRS空間異常演化(a) 1998年8月 (b) 1999年1月 (c) 1999年3月 (d) 1999年5月 (e) 1999年6月 (f) 1999年9月 (g) 2000年1月 (h) 2000年9月Fig.4 ECRS spatial anomaly evolution of three MS5.0 earthquakes from March to September,1999

表2 南天山東段ECRS空間掃描目標(biāo)地震異常特征

3.2.1 1999年3月15日庫(kù)車MS5.7、6月17日拜城MS5.0和9月23日輪臺(tái)MS5.1地震

1998年8月開始，在拜城北面和輪臺(tái)北面開始出現(xiàn)ECRS高值異常，之后異常面積增大，異常強(qiáng)度增高，并開始向震中集中。1999年3月15日在2個(gè)異常區(qū)域之間發(fā)生庫(kù)車MS5.7地震，地震后異常面積和異常強(qiáng)度繼續(xù)增大。1999年6月17日在異常區(qū)邊緣發(fā)生拜城MS5.7地震，地震后異常面積和強(qiáng)度均無(wú)明顯變化。1999年9月23日在異常區(qū)域內(nèi)發(fā)生了輪臺(tái)MS5.1地震，震后，異常持續(xù)。自2000年1月異常面積減小，異常強(qiáng)度減弱，2000年9月異常消失。

3.2.2 2020年3月23日拜城MS5.0和2021年3月24日拜城MS5.4地震

2019年5月在拜城北面出現(xiàn)高值異常，2019年6月～2020年1月高值異常持續(xù)，異常面積和強(qiáng)度均無(wú)明顯的變化，2020年3月23日在異常區(qū)邊緣發(fā)生拜城MS5.0地震，震后異常面積和強(qiáng)度持續(xù)，2020年10月～2021年3月異常面積增大，2021年3月在異常區(qū)邊緣發(fā)生拜城MS5.4地震(圖5)。

圖5 拜城MS5.0和拜城MS5.4地震前后ECRS空間異常演化(a) 2019年5月 (b) 2020年3月 (c) 2020年10月 (d) 2021年3月Fig.5 ECRS spatial anomaly evolution of Baicheng MS5.0 and MS5.4 earthquake

4 結(jié) 語(yǔ)

南天山東段ECRS時(shí)間掃描結(jié)果顯示，1979～2019年學(xué)習(xí)時(shí)段內(nèi)南天山東段共發(fā)生22次MS≥5.0地震，均發(fā)生在多參數(shù)對(duì)應(yīng)概率譜的高值異常過程中，地震對(duì)應(yīng)率較高，確定該區(qū)的閾值為0.42，外推時(shí)段內(nèi)在高值過程中發(fā)生了2020年以來(lái)拜城2次5級(jí)地震，表明該外推結(jié)果可信度較高。1979年以來(lái)，該區(qū)出現(xiàn)了11次高值異常，其中8次高值異常過程中南天山東段有MS≥5.0地震發(fā)生，且有多個(gè)5級(jí)地震發(fā)生。首個(gè)地震多發(fā)生在異常開始后6個(gè)月內(nèi)，異常持續(xù)時(shí)間和幅度均和震級(jí)無(wú)相關(guān)性。多參數(shù)空間掃描結(jié)果顯示，庫(kù)爾勒以東地區(qū)中強(qiáng)地震前無(wú)ECRS高值異常，庫(kù)爾勒—拜城地區(qū)多數(shù)中強(qiáng)地震前1年內(nèi)出現(xiàn)ECRS高值異常，地震發(fā)生在高值異常內(nèi)部或者周圍，地震后異常面積逐漸減小，異常幅度逐漸減弱，震后1年內(nèi)異常消失。若地震后異常面積和幅度無(wú)明顯變化對(duì)后續(xù)中強(qiáng)地震仍有預(yù)測(cè)意義。地震學(xué)多參數(shù)對(duì)應(yīng)概率譜的滑動(dòng)極值平均概率的時(shí)間和空間高值異常，均對(duì)南天山東段中強(qiáng)地震有一定的時(shí)間預(yù)測(cè)意義，能為該區(qū)MS≥5.0地震的預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。