北京地區(qū)小震活動與北京及周邊地區(qū)顯著地震相關(guān)性研究

崔博聞，岳曉媛，王麗紅

（北京市地震局，北京 100080）

0 引言

眾所周知，地震活動的起伏變化可以反映區(qū)域地震活動水平的增強或減弱，國內(nèi)外專家學(xué)者對該現(xiàn)象開展了大量研究工作，認(rèn)為地震活動出現(xiàn)“增強”或“減弱”現(xiàn)象對后續(xù)大震的發(fā)生具有一定的指示意義。茂木[1]和沙道夫斯基等[2]分析了震源區(qū)及周邊地區(qū)地震活動的異常變化發(fā)現(xiàn)，在大震發(fā)生前，地震活動出現(xiàn)顯著增強；王筱榮等[3]、付虹等[4]和陳學(xué)忠等[5]分別結(jié)合以往震例，利用地震頻度、地震叢集活動等方法對研究區(qū)域的地震活動深入分析并確立異常指標(biāo)，通過震例總結(jié)發(fā)現(xiàn)地震活動增強是震前最顯著的異常特征，認(rèn)為可以為地震預(yù)測提供有效依據(jù)。

北京地區(qū)最近一次M4.0以上地震是1996年12月16日順義M4.0地震，至今平靜24年，缺震現(xiàn)象顯著。自2019年以來，北京地區(qū)地震活動出現(xiàn)顯著活躍，尤其以ML3.0以上地震更為顯著，先后發(fā)生海淀ML3.5、懷柔ML3.6、房山ML3.8和門頭溝ML4.1地震。其中2019年4月7日海淀ML3.5地震打破北京地區(qū)ML3.5以上地震持續(xù)18年平靜，2020年5月26日門頭溝ML4.1地震打破北京地區(qū)ML4.0以上地震長達(dá)23.5年平靜。且北京地區(qū)又處于特殊的地理位置，在北京或其周邊地區(qū)發(fā)生顯著地震會對社會產(chǎn)生重大影響。因此，廣泛深入開展北京地區(qū)的震情研究是尤為重要的工作。

本文將對北京地區(qū)（行政區(qū)）的小震活動開展相關(guān)研究，分析其小震活動的起伏變化對周邊地區(qū)顯著地震的影響，并對其相關(guān)性進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為北京及周邊地區(qū)的顯著地震活動趨勢提供預(yù)測依據(jù)。

1 選取資料及地震活動分析

1.1 選取資料

選取北京地區(qū)（行政區(qū)）為研究區(qū)域，地震目錄采用全國小震正式目錄和快報目錄。北京地區(qū)自1970年以來共發(fā)生10次M4.0以上地震，最近一次為1996年12月16日的順義M4.0地震。1970—1996年期間，M4.0以上地震年頻次0.34次，平均約3～4年發(fā)生一次M4.0以上地震，最大地震為1990年7月21日海坨山M4.6地震。自1996年順義地震后至今，北京地區(qū)未發(fā)生過M4.0以上地震，最大地震為2020年5月26日北京門頭溝M3.6地震，該時段地震活動水平及強度相對較弱。因此，按照M4.0以上地震活動規(guī)律，大致將北京地區(qū)的地震活動分為活躍和平靜兩時段，即活躍時段為1970—1996年，平靜時段為1997年至今。本文主要針對北京地區(qū)地震活動水平相對較弱時段開展分析研究。

1.2 地震活動分析

圖1 為北京地區(qū)1997年以來ML2.0～2.9地震月頻度時序掃描圖，北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月頻度均值水平為0.7次，即半年尺度發(fā)震頻率約4次。如高于均值水平認(rèn)為小震活動比較活躍，反之顯示小震活動處于比較弱的水平，對于增強或減弱均需要給予關(guān)注并開展進(jìn)一步分析工作。小震活動的增強或減弱可以通過地震頻度N的增高或降低反映出來，通過對小震頻度的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月頻度大于4的現(xiàn)象，后續(xù)在北京及周邊地區(qū)（39.5°～41°N，115.0°～117.6°E）往往會發(fā)生一次或一組ML3.9以上地震。因此認(rèn)為，北京地區(qū)的小震活動的起伏特征和北京及周邊地區(qū)ML3.9以上地震存在一定相關(guān)性。

圖1 北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月頻度（30 d窗長，1 d滑動）與北京及周邊地區(qū)ML3.9以上地震

本文對地震的不同震級范圍開展進(jìn)一步分析，討論其作為指標(biāo)閾值的穩(wěn)定性。圖1的震級范圍為ML2.0～2.9，對該震級范圍鄰近震級檔做了月頻度時序圖（30天窗長，1天滑動）（圖2）。因為選取的震級范圍不同，地震活動水平也會有所差異，結(jié)合以往震例分析，地震月頻度的高值閾值也各自不同，將分別進(jìn)行討論。圖2a顯示，1997年的地震活動起伏特征在震前反映并不顯著，且整個研究時段的地震活動顯示，在2019—2020年期間，地震月頻度在2次震例前沒有達(dá)到閾值水平（N=6）。圖2b中顯示，1997年地震活動起伏特征在震前反映不明顯，2012—2020年期間，地震月頻度在4次震例前均沒有達(dá)到閾值水平（N=5），漏報較多。圖2c中顯示，1997—2002期間，地震月頻度在3次震例前均有顯著的起伏變化，但自2014以來，地震活動水平不高，起伏特征不顯著，地震月頻度在4次（組）震例前均沒有達(dá)到閾值水平（N=4）。圖2d中顯示，2005—2019年期間，地震活動水平不高，且較平穩(wěn)，在3次（組）震例前沒有達(dá)到異常閾值。

圖2 北京地區(qū)不同震級檔地震月頻度（30天窗長，1天滑動）與北京及周邊地區(qū)ML3.9以上地震

上述分析認(rèn)為，ML2.0～2.9地震月頻度在研究時段的起伏特征較顯著，且與以往震例有較好的相關(guān)性。

1997年以來，北京及周邊地區(qū)共發(fā)生7次（組）ML3.9以上地震（表1）。震中空間分布（圖3）顯示，有2次地震分布在北京地區(qū)，天津和河北地區(qū)各3次地震。從發(fā)震時間顯示，發(fā)震時間間隔在3個月以內(nèi)的地震可當(dāng)做一組震例分析，最后共劃分成7次（組）地震（表1）。由地震震級顯示，后續(xù)發(fā)生的相關(guān)地震震級范圍是ML3.9～4.8，沒有發(fā)生ML5.0以上地震。尤其自2012年以來，相關(guān)地震震級均為ML4.0以上地震。因此認(rèn)為相關(guān)地震主要以ML3.9～4.8為主。

表1 1997—2020年北京及周邊地區(qū)ML3.9以上地震統(tǒng)計

圖3 北京地區(qū)1997 —2020年ML2.0～2.9地震與北京及周邊地區(qū)ML3.9以上地震

通過上述分析，最終確定本文研究的異常區(qū)域為北京地區(qū)，研究的震級范圍為ML2.0～2.9地震，預(yù)測區(qū)域為北京及周邊地區(qū)，預(yù)測震級ML3.9～4.8地震。根據(jù)小震月頻度與后續(xù)地震的映震情況，確定小震月頻度異常閾值為4。即當(dāng)小震月頻度大于4，認(rèn)為出現(xiàn)高值異?，F(xiàn)象，后續(xù)在北京及周邊地區(qū)有發(fā)生ML3.9～4.8地震的可能。下面將對小震月頻度高值異?，F(xiàn)象的特點、形成原因及可信度進(jìn)行研究。

2 小震高頻異常成因及特點分析

對于一次異常的提出，分析其異常的成因是有必要的，有效識別真實的異常信息，確認(rèn)異常的可信度和可靠性，可以為判定地震危險性提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。

引起地震頻次升高的因素主要有顯著地震的余震、震群活動、地震序列及區(qū)域地震活動增強等，上述地震活動均能導(dǎo)致地震總數(shù)增加，在測震學(xué)參數(shù)中可以表現(xiàn)為地震頻度的升高。據(jù)圖2統(tǒng)計，北京地區(qū)ML2.0～2.9地震半年發(fā)震頻率約4次左右，在正常頻度背景下如果月尺度發(fā)生4次以上ML2.0～2.9地震，認(rèn)為地震活動偏離正常水平，顯示小震活動出現(xiàn)較為活躍跡象。自1997年以來，北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月高頻共出現(xiàn)9次小震高頻異常（表2），其中1997年3月和1997年5月兩次異常間隔時間約1個半月，間隔較近，可視為一組異常分析，最終共得到8次（組）異常。本文將對這8次（組）小震高頻異常的成因及異常可信度進(jìn)行詳細(xì)分析。

表2 北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月高頻異常統(tǒng)計

由圖4顯示，每次高值異常時段的小震在時間分布上沒有出現(xiàn)長時間段小震集中現(xiàn)象，較多出現(xiàn)的時間特征是在北京地區(qū)一天連續(xù)發(fā)生2次ML2.0～2.9地震。圖4a顯示北京地區(qū)1997年3月20日連續(xù)發(fā)生2次ML2.0～2.9地震，結(jié)合圖5a發(fā)現(xiàn)，這2次地震震中位置相距約3 km，在順義-良鄉(xiāng)斷裂附近。圖4c顯示在2002年3月27日連續(xù)發(fā)生2次地震，2次地震震中相距約41 km（圖5c）。圖4d顯示2004年2月15日連 續(xù)發(fā) 生2次 地 震，圖5d顯示2次地震震中為同一地點，在小湯山-東北旺斷裂帶附近。圖4g顯示2019年9月26日連續(xù)發(fā)生2次地震，結(jié)合圖5g發(fā)現(xiàn)2次地震震中相距約3 km，在紫荊關(guān)斷裂附近。

圖4 北京地區(qū)高頻異常時間段內(nèi)小震M-t圖

圖5 北京地區(qū)小震高頻時段小震（紅色）及預(yù)測區(qū)域震例（藍(lán)色）分布

由上述分析認(rèn)為，8次（組）高頻異常中有4次異常在時間分布上存在同一天連續(xù)發(fā)生2次地震的現(xiàn)象。結(jié)合小震空間分布圖像顯示，其中有3次發(fā)震地點較近或是同一地點。因此，如再次出現(xiàn)高頻異常，在異常持續(xù)過程中發(fā)生上述小震活動現(xiàn)象，認(rèn)為該異常可信度較高。

綜合分析所有高頻異常，認(rèn)為均屬于北京地區(qū)整體區(qū)域小震活動水平增強導(dǎo)致頻度升高的特征表現(xiàn)，每次高值時段的小震分布在空間分布上沒有出現(xiàn)顯著地震、余震、震群活動和小震叢集等現(xiàn)象，地震分布具有普遍性。表2顯示，8次（組）高頻異常后續(xù)有6次地震對應(yīng)，虛報2次，研究時長范圍內(nèi)共發(fā)生7次（組）地震（表1），漏報1次。因此，認(rèn)為由整體區(qū)域地震活動水平增強引起的高頻異?？尚哦容^高，也可以解釋為北京地區(qū)整體區(qū)域應(yīng)力處于較高水平。

目前，本文統(tǒng)計的8次（組）小震高頻異常，并沒有出現(xiàn)由余震、小震群或小震叢集引起的高值異常。如果以后出現(xiàn)由該類因素導(dǎo)致的高頻異常，需另做分析，并通過后續(xù)是否有對應(yīng)的震例加以驗證異常的可信度。

3 震例分析

3.1 震例回溯

通過對北京地區(qū)小震活動高頻異常和以往震例的梳理，得到了地震月頻度大于4次的高值異常共8次（組）（表3，圖5）。第一組高值異常分為2段，分 別 為1997年3月21—29日和1997年5月19—26日，持續(xù)時間分別為9天和8天。鑒于第一次異常的結(jié)束時間和第二次異常的開始時間間隔為1個半月，間隔時間較短，認(rèn)為可以將2次異常作為一組異常，發(fā)震間隔時間以第二次異常結(jié)束時間計算。1997年10月29日在預(yù)測區(qū)域發(fā)生北京海淀ML3.9地震，發(fā)震間隔為157天，此次地震是所有震例中發(fā)震間隔最長的一次地震。第二組異常持續(xù)時間為8天（1998年3月8—15日），異常結(jié)束后在預(yù)測區(qū)域發(fā)生1998年8月8日河北宣化ML3.9地震，發(fā)震距異常結(jié)束間隔為147天。第三組 異 常 持 續(xù) 時 間 為30天（2002年3月28日至2002年4月26日），距 異 常 結(jié) 束 后100天 發(fā)生2002年8月3日沙 城ML4.4和ML3.9地震。第四 組異常持續(xù)時間為10天（2004年2月16－25日），后續(xù)在預(yù)測區(qū)域沒有發(fā)生相應(yīng)的預(yù)測地震，為虛報。第 五 組 異 常 持 續(xù) 時 間 為2天（2012年4月15－16日），距異常結(jié)束后64天發(fā)生2012年6月18日天津?qū)氎鍹L4.5，該地震是統(tǒng)計的對應(yīng)震例中震級最大的一次地震，并于69天后（8月26日）在天津?qū)氎嬖俅伟l(fā)生ML4.0地震，鑒于兩次地震發(fā)震間隔時間較短，作為一組震例考慮。第六組異常時間 間 隔 為4天（2016年4月29日 至2016年5月2日），后續(xù)在預(yù)測區(qū)域未發(fā)生預(yù)測地震，此次異常為虛報。第七組異常持續(xù)時間為1天（2019年10月12日），2019年12月23日在天津薊州發(fā)生ML4.0地震，距異常結(jié)束時間間隔為73天。最近一組異常持續(xù)時間為9天（2020年4月20－28日），距異常結(jié)束后29天發(fā)生2020年5月26日北京門頭溝ML4.1地震，該地震是統(tǒng)計震例中地震發(fā)震時間間隔最短的一次地震。

表3 北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月頻度高值異常（大于4.0）與周邊地區(qū)ML3.9以上地震

由上述震例分析顯示，北京地區(qū)小震頻度高值異常持續(xù)時間對后續(xù)預(yù)測地震的震級大小無指示意義。目前所統(tǒng)計的對應(yīng)震例中，最大震級為ML4.5，多數(shù)震級為ML4.0～4.5，認(rèn)為此項異常預(yù)測震級為中等地震水平。

3.2 2020年5月26日北京門頭溝ML4.1地震預(yù)測簡析

自2019年以來，北京地區(qū)ML2.0以上地震活動水平出現(xiàn)活躍現(xiàn)象。2019年4月至2020年1月連續(xù)發(fā)生3次ML3.5以上地震，地震震級也呈初步升級跡象，無論是地震活動水平還是地震強度均出現(xiàn)明顯上升、增強現(xiàn)象。通過分析研究發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月頻度自2020年4月20日出現(xiàn)高值異常；隨后在2020年4月22日北京局周會商中將該項指標(biāo)作為異常項提出，提出需密切跟蹤該異常的動態(tài)變化，如高頻異常結(jié)束；據(jù)以往震例顯示，未來半年北京及周邊地區(qū)有發(fā)生中等地震的可能。2020年4月28日該異?；謴?fù)并降至異常閾值以下，距異常結(jié)束29天在預(yù)測區(qū)域發(fā)生門頭溝ML4.1地震，其發(fā)震時間和發(fā)震地點都符合異常指標(biāo)的判定。因此，認(rèn)為此次異?？梢越淮o門頭溝地震。門頭溝地震再次驗證了該項異常指標(biāo)可以為北京及周邊地區(qū)ML3.9～4.8震情研判提供參考依據(jù)。

4 統(tǒng)計檢驗

4.1 異常指標(biāo)的建立

通過上述對北京地區(qū)小震活動高值異常的分析及判定，結(jié)合北京及周邊地區(qū)以往震例，最終得出異常判定指標(biāo)。

自1997年以來，北京地區(qū)共出現(xiàn)8次（組）小震月頻度高值異常。其中共有6次高值異常對應(yīng)北京及周邊地區(qū)ML3.9以上地震（北京及周邊地區(qū)1997年1月至2020年12月共發(fā)生6次（組）ML3.9以上地震），所占比例為6/8，兩次虛報（2/8），漏報（1/7）；發(fā)震特征為高值異常結(jié)束后半年內(nèi)在北京及周邊地區(qū)發(fā)生ML3.9以上地震，其中，發(fā)震時間間隔最長為157天，最短為29天的2020年5月26日北京門頭溝ML4.1地震。該項異常指標(biāo)可以作為反映北京及周邊地區(qū)ML3.9以上地震活動的異常指標(biāo)（表3）。

4.2 預(yù)測檢驗

為了判別出現(xiàn)的異常是否有預(yù)測意義，結(jié)合統(tǒng)計震例、采用預(yù)測評分R對北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月頻度高值異常的預(yù)測效能進(jìn)行了檢驗。

根據(jù)地震預(yù)報清理攻關(guān)研究所提出的地震預(yù)報能力評分公式：

對預(yù)測指標(biāo)主要開展以下3方面的統(tǒng)計工作：

根據(jù)預(yù)測規(guī)則：①報對地震。出現(xiàn)高值異常后在預(yù)報時長范圍內(nèi)發(fā)生的6次（組）ML3.9以上地震；②應(yīng)預(yù)報的地震總次數(shù)。研究區(qū)域出現(xiàn)的小震頻度高值異常總次數(shù)，共8次；③預(yù)報占用時間為預(yù)報時長?？蛇x取預(yù)測指標(biāo)的優(yōu)勢預(yù)報時長，該指標(biāo)預(yù)報時間為157天；④預(yù)報研究的總時間，分析研究所用的數(shù)據(jù)資料時長，1997年1月1日至2020年12月31日。

該異常優(yōu)勢預(yù)測時長為160天，應(yīng)報地震8次，其中，報對6次地震，虛報2次；研究時長范圍內(nèi)共發(fā)生7次（組）地震，漏報1次；預(yù)測評分R值為:R=0.72，R0=0.44，R＞R0，通過預(yù)報效能檢驗。上述檢驗結(jié)果表明，北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月頻度高值異常指標(biāo)具有統(tǒng)計上的預(yù)測意義，且預(yù)測效能結(jié)果較為理想，可作為北京及周邊地區(qū)生ML3.9～4.8地震的中短期預(yù)測指標(biāo)。

5 地震活動相關(guān)性討論

北京地區(qū)是華北地區(qū)斷層分布最多、走向最復(fù)雜的地區(qū)之一，有夏墊、黃莊-高麗營、順義-良鄉(xiāng)等NW向斷裂（徐錫偉等[6]）。多條斷裂的存在也反映出北京地區(qū)介質(zhì)相對破碎，當(dāng)大范圍區(qū)域應(yīng)力場增強，該地區(qū)介質(zhì)相對其他地區(qū)較容易破裂，具有發(fā)生小震密集活動的優(yōu)勢，表現(xiàn)出地震活動水平增強的現(xiàn)象，從而成為區(qū)域應(yīng)力場強化過程中較先反應(yīng)且靈敏的地區(qū)。因此，開展北京地區(qū)小震活動的相關(guān)研究有一定的實際意義，可以得到區(qū)域應(yīng)力場增強的前兆信息（圖6）。

圖6 北京及周邊地區(qū)活動斷裂分布

劉蒲雄[7]和季同仁等[8]分別對同一構(gòu)造單元和有密切聯(lián)系地區(qū)的地震活動關(guān)系進(jìn)行了分析，研究結(jié)果顯示它們之間的地震活動互相聯(lián)系、互相影響，認(rèn)為可以在此研究基礎(chǔ)上對未來地震趨勢做出判斷。本文總結(jié)的6次對應(yīng)震例中，共有4次（組）地震發(fā)生在北京周邊地區(qū)，其中2012年6月18日及8月26日天津?qū)?坻2次地震和2019年12月23日天津薊州地震均發(fā)生在張家口-渤海地震帶和華北平原地震帶北段的交匯部位，而北京地區(qū)大部分區(qū)域也位于該交匯區(qū)域，因此在構(gòu)造方面存在互相影響。同樣，1998年8月18日河北宣化地震和2002年8月3日河北沙城地震，這兩次地震所屬構(gòu)造區(qū)域為張家口-渤海地震帶和山西地震帶北部的交匯區(qū)域，而位于北京西部的部分地區(qū)也屬于該交匯區(qū)域。由上述分析，認(rèn)為北京地區(qū)小震活動對山西帶北部和華北平原帶北部區(qū)域的相關(guān)性較明顯，據(jù)以往震例顯示，與北京及鄰近地區(qū)效果更顯著。當(dāng)區(qū)域應(yīng)力場增強時，潛在地震區(qū)都是應(yīng)力集中點（薛丁等[9]），而北京地區(qū)由于介質(zhì)較容易破裂，對周邊應(yīng)力場的變化比較敏感，會出現(xiàn)小震頻次增高的現(xiàn)象，即小震活動增強。圖2也顯示了在顯著地震發(fā)生前，北京地區(qū)呈現(xiàn)小震活動頻次顯著增高現(xiàn)象，這也是區(qū)域應(yīng)力場應(yīng)力增強的反映。本文研究結(jié)果與上述地震學(xué)者的研究結(jié)論基本一致。

6 結(jié)論與討論

本文分析了北京地區(qū)ML2.0～2.9小震活動的起伏特征，發(fā)現(xiàn)月頻度大于4高值異常與北京及周邊地區(qū)ML3.9以上地震有較好的對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過深入分析并結(jié)合以往震例，討論了兩者之間的相關(guān)性，并確立了異常指標(biāo)。

1）當(dāng)北京地區(qū)ML2.0～2.9地震月活動相對正常水平出現(xiàn)活躍現(xiàn)象，可能反映北京及周邊地區(qū)應(yīng)力水平處于積累狀態(tài)。當(dāng)小震月頻度大于4次即達(dá)到異常閾值，意味著應(yīng)力達(dá)到較高水平，具有發(fā)生ML3.9～4.8地震的可能；當(dāng)高值異常出現(xiàn)回落降至異常閾值以下，發(fā)震緊迫性增強，進(jìn)入優(yōu)勢發(fā)震時間，一般為半年以內(nèi)；預(yù)測區(qū)域為北京及周邊地區(qū)。該預(yù)測指標(biāo)預(yù)測效能評分R=0.72，R＞R0，通過了預(yù)報效能檢驗。

2）結(jié)合以往震例，對小震高頻異常的成因開展了分析研究工作。8次（組）月頻度高值異常均是由北京地區(qū)整體區(qū)域小震活動增強引起，時間分布和空間分布具有普遍性，沒有出現(xiàn)余震、震群、小震叢等地震活動，且后續(xù)對應(yīng)震例較好，異?？尚哦容^高。如出現(xiàn)因震群活動或小震叢等其他現(xiàn)象引起的高頻異常，需另做分析。并結(jié)合后續(xù)有無對應(yīng)震例，檢驗異常信度的可靠性。

3）北京地區(qū)M4.0以上地震自1996年順義地震后已平靜近24年，在此缺震背景下，2019年以來北京地區(qū)連續(xù)發(fā)生多次M2.9以上地震，并于2020年5月26日發(fā)生門頭溝M3.6地震，活動水平較為活躍。考慮到北京地區(qū)M4.0以上地震的平靜—活躍與華北地區(qū)強震平靜—活躍時段大體相同，并結(jié)合華北地區(qū)進(jìn)入地震平靜期的認(rèn)識，華北地區(qū)進(jìn)入平靜期的依據(jù)相對較多等[10]，認(rèn)為主要關(guān)注北京地區(qū)地震活動水平為M3.0～4.0的可能。

上述結(jié)論反映了北京地區(qū)與其周邊地區(qū)在活動構(gòu)造及活動斷裂上存在一定相關(guān)性，相鄰區(qū)域之間的地震活動和應(yīng)力場互相影響，開展進(jìn)一步的分析研究工作具有一定的實際意義。在今后的分析工作中，還需通過震例積累并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造的研究，逐步提高機理認(rèn)識，為北京及周邊地區(qū)顯著地震的危險性提供更可靠的預(yù)測依據(jù)。