伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1地震的時空對稱性研究及趨勢預判

王曉枝,延軍平,董治寶

(陜西師范大學地理科學與旅游學院,陜西 西安 710062)

0 引言

地震對人類生活影響重大,強震的發(fā)生造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。地震預測一直以來都是世界公認的難題,若可準確預測地震發(fā)生的時間、地點、強度,并采取一定的防范措施,便可拯救成千上萬的生命,減少經(jīng)濟損失,因此探索地震發(fā)生的時空規(guī)律對于防震減震有著重要的意義。

可公度性是時空對稱性的一種表現(xiàn),翁文波[1]院士首先將可公度方法運用于重大自然災害對稱性研究及趨勢預判研究中,并成功預測了1976年唐山地震、1982年華北干旱、1991年淮河流域洪水和1992年美國地震[2]。延軍平[3]研究團隊通過蝴蝶結(jié)構(gòu)圖、可公度結(jié)構(gòu)系的構(gòu)建,對利用可公度方法進行重大自然災害趨勢預判進行了補充和完善,用可公度方法對地震趨勢進行預判取得了豐碩成果[4-13]。龍小霞等[4]成功預測2008年汶川地震;延軍平等[3]對2008年玉樹地震做出了準確預判;李雙雙等[14]準確預測了2013年鄂霍茨克海地震;王騰等[15]對2013年雅安地震做出準確預測;高新甜等[16]成功預測了2014年厄瓜多爾地震;邢權(quán)興等[17]對2015年阿拉斯加州地震的預測得到驗證。但目前研究區(qū)仍多以行政區(qū)為界,地質(zhì)構(gòu)造不完整,以地質(zhì)構(gòu)造單元為基礎(chǔ)的研究應作為今后的研究重點,且對地震的預測多以一次預測為主,雖表現(xiàn)出較好的可公度性,但不能否認偶然性的存在,預測結(jié)果的可信度有待提高。

伊朗高原處在歐亞板塊與印度洋板塊交匯處,地震頻發(fā),伊朗南部、巴基斯坦西部已逐漸成為地震發(fā)生的相對熱區(qū)[18],且周邊均為發(fā)展中國家,經(jīng)濟發(fā)展較為落后,人口密度相對較大,對地震的抗災救災能力較弱[19-20]。同時,伊朗高原及周邊地區(qū)是“一帶一路”的重要組成部分,其和平穩(wěn)定對世界和平發(fā)展有著重要意義。因此,對伊朗高原及周邊地區(qū)強震的時空對稱性研究及趨勢預判就顯得尤為重要。

鑒于此,本文選擇在地質(zhì)構(gòu)造較完整的伊朗高原及周邊地區(qū)作為研究區(qū),利用可公度方法對其MS≥7.1級地震的時空對稱性進行研究,為周邊國家防震減震工作提供參考。同時,在一次預測的基礎(chǔ)上進行了二次預測,一是對于一次預測結(jié)果的可信度進行檢驗,二是給出時間尺度更大的預測結(jié)果,以給予周邊國家地震災害預警。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于伊朗高原及周邊地區(qū),橫貫土耳其、伊朗、巴基斯坦等國,是阿拉伯板塊與歐亞板塊匯聚碰撞的產(chǎn)物。高原東南部發(fā)育莫克蘭俯沖增生造山帶,阿拉伯板塊上帶有洋殼的部分向北俯沖至向歐亞板塊下,形成莫克蘭俯沖[21]。在莫克蘭俯沖帶以北有與其大致平行的以塔夫丹火山和巴茲曼火山為代表的現(xiàn)代火山弧,及以賈茲木里安盆地為代表的前弧盆地[22]。高原西南部發(fā)育扎格羅斯碰撞造山帶,扎格羅斯造山帶主要是一個斜向碰撞造山帶,因此,伊朗高原廣泛發(fā)育大型走滑斷層及伴生的走滑拉分盆地[23]。高原北部發(fā)育北伊朗縫合帶,李錦平等[24]研究表明,基米里早期運動使得原與阿拉伯板塊為一體的伊朗微板塊與之分離并北移,與歐亞板塊發(fā)生碰撞并拼貼與歐亞大陸南緣,形成現(xiàn)今由科佩特山脈南部至里海南岸一帶的北伊朗縫合帶。

常承法[25]認為,伊朗的沖斷層和褶皺可能比側(cè)向運動更占優(yōu)勢,因為伊朗高原被限制于阿拉伯板塊與歐亞板塊兩個匯聚板塊間,又被圈在西面的阿拉伯板塊和東小亞細亞與東面的印度板塊和歐亞板塊的碰撞帶間,導致高原的任一塊體不易沿某一條主要的走滑斷層向外運動。在伊朗主要是通過褶皺作用和沿繼承性的殼內(nèi)逆斷層活動來調(diào)節(jié)阿拉伯板塊與歐亞板塊間的匯聚。

位于土耳其北部的北安納托利亞斷裂帶屬右旋走滑斷層,其東部受阿拉伯板塊的限制,呈現(xiàn)逆滑,西部在受愛琴海擴張的影響下呈現(xiàn)正滑,強震頻發(fā)[26]。A.A.Barka等[27]研究表明,發(fā)生于該斷裂帶的強震震源機制解幾乎全為純右旋走滑。K.Ercin Kasapoglu研究結(jié)果表示:阿拉伯板塊以每年2 cm的速度向北推進和地中海巖石圈向小亞細亞半島下消減導致的愛琴海地區(qū)沿希臘弧的向南不均勻擴張可能是土耳其近代構(gòu)造活動的主要板塊邊界力源[28]。

圖1 研究區(qū)地震概況圖[4,7](衛(wèi)星影像來自Google Earth)Fig.1 Overview of earthquakes in the study area[4,7] (The satellite image is from Google Earth)

1.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)NGDC(National Geophysical Data Center)的資料,選取1900—2018年的數(shù)據(jù),其中MS≥7.1的地震數(shù)據(jù)共19個,平均每6.3年就會發(fā)生一次MS≥7.1的強震。經(jīng)度范圍為36°E～62°E,緯度范圍為28°N～40°E,除2013年伊朗地震震源深度為80 km屬中源地震外,其余均為淺源地震,震源深度多在35 km以下。

2 研究方法

2.1 可公度理論

可公度性是周期性的擴張[1],是對稱性規(guī)律的體現(xiàn),其對稱性具有時空統(tǒng)一性,既表現(xiàn)在時間上,又表現(xiàn)在空間上[3,29]。時空可公度反映的是多層時空對稱疊加,通過時空震蕩呈現(xiàn)一種網(wǎng)絡狀的對稱形式[3]。用可公度理論進行預測主要以三元可公度結(jié)果為主,四元、五元可公度結(jié)果為輔,以進一步驗證。在三元、四元、五元可公度結(jié)果不一致時,優(yōu)先三元可公度結(jié)果。

2.2 蝴蝶結(jié)構(gòu)圖法與可公度結(jié)構(gòu)系法

蝴蝶結(jié)構(gòu)圖法是建立在等時間間隔的基礎(chǔ)上,反映時間對稱性的一種方法[3],是自然災害時間對稱性的體現(xiàn)[30]。通過構(gòu)建年份結(jié)構(gòu)關(guān)系,確認預測年份及其隨機性概率和不漏報置信水平[31]。主要用于解決可公度計算中兩信號均較強年份的抉擇問題。

表1 伊朗高原及周邊地區(qū)1900年來MS≥7.1地震參數(shù)Table 1 Parameters of MS≥7.1 earthquakes in Iranian Plateau and its surrounding areas since 1900

可公度結(jié)構(gòu)系是依據(jù)時間對稱性周期特點繪制的自然災害事件向量圖[30],可以用來表示災害的相互次序[6],并根據(jù)其表現(xiàn)出的時間結(jié)構(gòu)規(guī)律來預測災害發(fā)生時間。

2.3 二次預測

為提高地震預測結(jié)果的可信度,郭增建[31-32]、張玉鳳等[33]利用三性法對可公度結(jié)果進行檢測,朱春鳴等[13]利用自回歸模型檢驗地震預測精度,李雙雙等[34]在對印度尼西亞島弧MS≥7.8強震進行趨勢預判時,在2012年表現(xiàn)出較強信號后又進行了未來趨勢預判,結(jié)果也表現(xiàn)出較強的可公度性,且預判結(jié)果在2012年得到驗證,表明通過二次預測檢驗的結(jié)果可信度更高?；诖?本文利用二次預測對可公度結(jié)果進行檢驗,以提高可公度預測結(jié)果的可信度。

二次預測是在假設一次預測事件發(fā)生的基礎(chǔ)上,對同一時間序列的災害事件利用可公度理論進行再預測的方法。二次預測的結(jié)果可以用于檢驗一次預測結(jié)果的可信度。對于一次預測結(jié)果唯一的事件,二次預測的三元可公度結(jié)果如果表現(xiàn)出較強的可公度性,則表明一次預測結(jié)果可信度較高;對于一次預測結(jié)果不唯一的事件,其一次預測任一結(jié)果的二次預測三元可公度結(jié)果可公度性均較強,且均指向同一年份,則表明一次預測結(jié)果的可信度較高。同時,二次預測的結(jié)果也指示了未來災害事件可能發(fā)生的時間,對于防災減災有一定指導作用。

3 強震的時間對稱性及趨勢預判

3.1 一次預測

3.1.1 三元可公度趨勢預判

三元可公度計算如下:X1=1 909;X2=1 916;X3=1 929;……;X18=2 013;X19=2 017;X20=？

計算結(jié)果為:2021年2組;2022年4組;2023年8組;2024年5組;2025年6組;2026年6組;2027年3組;2029年5組;2030年2組;2032年5組;2033年2組;2034年3組;2035年1組;2036年1組;2038年1組;2041年1組。

其中,2023年信號最強,為8組,2025年和2026年次之,均為6組,信號較強。

3.1.2 四元可公度趨勢預判

四元可公度計算如下:X1=1 909;X2=1 916;X3=1 929;……;X18=2 013;X19=2 017;X20=？

計算結(jié)果為:2021年38組;2022年27組;2023年36組;2024年37組;2025年33組;2026年24組;2027年27組;2028年23組;2029年25組;2030年23組;2031年13組;2032年13組;2033年16組;2034組8組;2035年7組;2036年9組;2037年2組。

其中,2021年信號最強,為38組,2024年、2023年、2025年次之,分別為37組、36組和33組。

在時間趨勢預判結(jié)果分析中,以三元可公度結(jié)果為主,以四元可公度結(jié)果為輔,綜合三元與四元可公度結(jié)果,可以預測2023年伊朗高原及周邊地區(qū)發(fā)生MS≥7.1強震的可能性最大,2025年次之。

3.2 二次預測

在一次預測結(jié)果的基礎(chǔ)上,對伊朗高原及其周邊地區(qū)MS≥7.1強震進行二次預測檢驗。

假設2023年發(fā)生地震,即當X20=2 023時。當X1=1 909;X2=1 916;X3=1 929;……;X18=2 013;X19=2 017;X20=2 023;X21=？

三元可公度計算結(jié)果為:2024年7組;2025年5組;2026年5組;2027年10組;2028年6組;2029年2組;2030年8組;2031年5組;2032年2組;2033年3組;2034年3組;2035年2組;2036年5組;2037年6組;2038年5組;2039年1組;2040年1組;2041年1組;2043年4組。其中,2027年信號最強,2030年次之。

假設2025年發(fā)生地震,即當X20=2 025時。當X1=1 909;X2=1 916;X3=1 929;……;X18=2 013;X19=2 017;X20=2 025;X21=？

三元可公度計算結(jié)果為:2026年7組;2027年12組;2028年5組;2029年2組;2030年8組;2031年4組;2032年2組;2033年5組;2034年5組;2035年2組;2036年4組;2037年5組;2038年5組;2039年2組;2040年2組;2041年1組;2043年4組。其中,2027年信號最強,2030年次之。

不難看出,無論下次MS≥7.1級強震發(fā)生于2023年或是2025年,其未來趨勢均指向2027年和2030年,且以2027年可能性更大。這說明,一次預測的結(jié)果可信度較高,具有較高的參考價值。

3.3 時間序列圖分析

3.3.1 蝴蝶結(jié)構(gòu)圖趨勢預判

自然災害具有時間對稱性,蝴蝶結(jié)構(gòu)圖就是其對稱性結(jié)構(gòu)的一種體現(xiàn),主要用于解決可公度計算中兩信號均較強年份的抉擇問題。

(1) 一次預測

根據(jù)可公度信息,繪制蝴蝶結(jié)構(gòu)圖(圖2),可以看出,與2023年相關(guān)的周期共有4組,分別是33 a、47 a、60 a、81 a;與2025年相關(guān)的周期共有2組,分別是35 a、47 a。

圖2 伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震時間序列蝴蝶結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Butterfly structure map of time series of MS≥7.1 earthquakes in Iranian Plateau and its surrounding areas

若2023年或2025年驗證,即2023年或2025年為未知事件,則總災害事件次數(shù)為19,伊朗高原及周邊地區(qū)2023年、2025年發(fā)生MS≥7.1的強震的隨機性概率分別為73.68%和52.6 3%,不漏報置信水平分別為70.00%和50.00%。

(2) 二次預測

即2023年或2025年為已知事件,參與預測,總災害事件次數(shù)為20。

若2023年為已知事件,與2027年相關(guān)的周期共有3組,分別是16 a、48 a與51 a,伊朗高原及周邊地區(qū)2027年發(fā)生MS≥7.1的強震的隨機性概率分別為65.00%,不漏報置信水平分別為61.90%;若2025年為已知事件,與2027年相關(guān)的周期共有4組,分別是14 a、16 a、49 a和51 a,伊朗高原及周邊地區(qū)2027年發(fā)生MS≥7.1的強震的隨機性概率分別為80.00%,不漏報置信水平分別為76.19%。

3.3.2 可公度結(jié)構(gòu)系趨勢判斷

根據(jù)蝴蝶結(jié)構(gòu)圖構(gòu)造伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震時間序列可公度結(jié)構(gòu)系(圖3),據(jù)此推演下次地震的發(fā)生時間[35],以加強可公度預測結(jié)果的準確性,彌補僅靠一種分析方法判斷的局限性[36]。從圖3可以看出,橫向主周期為21 a,縱向主周期為33 a,無論是橫向右移還是縱向下移,最終均指向2023年,表明伊朗高原及周邊地區(qū)2023年發(fā)生MS≥7.1強震的信號最強。

圖3 伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震時間 序列可公度結(jié)構(gòu)系Fig.3 The commensurability structure system of time series of MS≥7.1 earthquakes in the Iranian Plateau and its surrounding areas

4 強震的空間對稱性及趨勢預判

4.1 震中遷移特征

震中遷移一直是國內(nèi)外學者關(guān)注的現(xiàn)象[37-38]。從圖4可以看出伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震震中在1960年前后呈現(xiàn)不同的特征,1960年前整體呈大幅度東西遷移,震中多位于研究區(qū)的西北部,以45°E,37.5°N對稱;1960年后整體呈大幅度南北遷移,震中從西北部向東南方向遷移,以55°E,35°N對稱。1960年前完成一次回旋所需經(jīng)歷的強震事件較多,1960年后一次回旋多由3或4個強震構(gòu)成。1909年、1916年、1929年、1930年、1939年、1942年和1957年構(gòu)成第1次大范圍東西遷移,1957年、1962年、1963年構(gòu)成第2次小范圍南北回旋遷移,1968年、1976年、1978年、1979年構(gòu)成第3次小范圍東西回旋遷移,1979年、1981年、1990年、1997年構(gòu)成第4次較大范圍南北回旋遷移,2011年、2013年、2017年構(gòu)成第5次大范圍南北回旋遷移。

圖4 伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震震中遷移Fig.4 Migration of MS≥7.1 strong earthquakes in the Iranian Plateau and its surrounding areas

除第5次回旋遷移外,1960年后震中回旋遷移均為閉合環(huán)狀,可以據(jù)此推測,2011年、2013年、2017年MS≥7.1強震只是第5次回旋遷移的一部分,而伊朗高原及周邊地區(qū)下次MS≥7.1強震將使其成為一閉合南北回旋遷移,那么它則有可能出現(xiàn)在44°E,37°N附近。

4.2 震中經(jīng)向、緯向遷移

從圖5可看出,伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震經(jīng)向震中遷移東西交替規(guī)律明顯,且在1960年左右對稱軸發(fā)生了轉(zhuǎn)移,從1960年前的以43°E對稱轉(zhuǎn)為1960年后的以53°E對稱。與經(jīng)向遷移特征相似,緯向上也在1960年后展現(xiàn)出較好的南北遷移規(guī)律,大體上以35.5°N為對稱軸,在1960年前緯向上的對稱性不明顯,緯向震中遷移呈“M”型。

圖5 伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震經(jīng)向、緯向遷移Fig.5 Longitudinal and latitudinal migration of MS≥7.1 earthquakes in the Iranian Plateau and its surrounding areas

根據(jù)經(jīng)向、緯向震中遷移規(guī)律,可以推測下次伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震震中有兩種遷移可能。一是向西北方向小幅度遷移,可能發(fā)生在44°E,36°N附近;二是向東北方向大幅度遷移,可能發(fā)生在60°E,43°N附近。綜合震中遷移特征分析結(jié)果,下次伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震最有可能向西北方小幅度遷移,發(fā)生在44°E,37°N附近,位于伊拉克境內(nèi)。

5 結(jié)論

(1) 伊朗高原及周邊地區(qū)1900年以來MS≥7.1強震的時間對稱性表現(xiàn)明顯。根據(jù)伊朗高原及周邊地區(qū)1900年以來MS≥7.1強震年份的三元可公度計算結(jié)果,輔以四元可公度計算結(jié)果可預測2023年伊朗高原及周邊地區(qū)發(fā)生MS≥7.1強震的可能性最大;預測結(jié)果通過二次預測檢驗,表明預測結(jié)果具有較高的可信度;根據(jù)蝴蝶結(jié)構(gòu)圖計算出2023年發(fā)生MS≥7.1強震的隨機性概率最大,為73.68%,不漏報置信水平為70.00%;可公度結(jié)構(gòu)系的橫、縱主周期也均指向2023年。

(2) 伊朗高原及周邊地區(qū)1900年以來MS≥7.1強震的空間對稱性顯著。震中遷移在1960年前呈大幅度東西遷移,多位于研究區(qū)西北部,在1960年后呈大幅度南北遷移,震中向東南方向遷移,3或4個強震可構(gòu)成一次回旋,且多為閉合環(huán)狀。經(jīng)向震中遷移表現(xiàn)為雙對稱軸形式,在1960年左右對稱軸發(fā)生了轉(zhuǎn)移,從1960年前的以43°E對稱轉(zhuǎn)為1960年后的以53°E對稱,緯向震中遷移在1960年后表現(xiàn)為以35.5°N為對稱軸。據(jù)此預測2023年伊朗高原及周邊地區(qū)MS≥7.1強震可能發(fā)生于44°E,37°N附近,位于伊拉克境內(nèi)。