首都圈地區(qū)中強(qiáng)地震前固體潮調(diào)制比特征分析

周 依 郭 蕾 王亞玲

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號(hào)，050021

固體潮是在日、月引潮力作用下，固體地球產(chǎn)生周期性形變的現(xiàn)象，由此在地球內(nèi)部產(chǎn)生的周期性應(yīng)力即為固體潮汐應(yīng)力。研究表明[1-2]，固體潮汐應(yīng)力對(duì)地震活動(dòng)具有觸發(fā)和調(diào)制作用。當(dāng)震源系統(tǒng)巖石中的構(gòu)造應(yīng)力達(dá)到或處于臨界狀態(tài)時(shí)，受固體潮調(diào)制等外界因素影響，可能會(huì)引起震源系統(tǒng)突變而發(fā)生地震[3-4]。秦保燕等[5]提出固體潮調(diào)制比概念，用來衡量受調(diào)制小震在數(shù)量上的變化。此后，固體潮調(diào)制比分析作為地震預(yù)測(cè)研究常用方法之一，被用來尋找地殼高應(yīng)力集中區(qū)，進(jìn)而預(yù)測(cè)中強(qiáng)地震。

首都圈地區(qū)位于華北地區(qū)北部，處于張家口-渤海地震帶、華北平原地震帶和山西地震帶交匯部位，新構(gòu)造活動(dòng)頻繁，地震活動(dòng)十分活躍[6-7]，歷史上曾發(fā)生1679年三河8級(jí)、1976年唐山7.8級(jí)和1998年張北6.2級(jí)等多次破壞性地震，一直被列為地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)，因此對(duì)首都圈地區(qū)進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究具有重要意義[8]。本文通過研究首都圈地區(qū)1987年以來的中強(qiáng)地震前固體潮調(diào)制比時(shí)空變化特征，以期為該地區(qū)中強(qiáng)地震預(yù)測(cè)提供一定的參考依據(jù)。

1 研究方法

固體潮調(diào)制比是指在一定時(shí)空范圍內(nèi)，發(fā)生于調(diào)制陰歷時(shí)段內(nèi)的調(diào)制地震與地震總數(shù)之比[5,9]：

式中，N總、N分別為一定時(shí)空范圍內(nèi)的地震總數(shù)和調(diào)制地震個(gè)數(shù)。

固體潮調(diào)制比時(shí)空掃描方法是基于地震目錄，設(shè)置一定的時(shí)空窗長(zhǎng)和步長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)空窗范圍內(nèi)的調(diào)制地震個(gè)數(shù)和地震總數(shù)，據(jù)此計(jì)算得到每個(gè)時(shí)空窗范圍內(nèi)的固體潮調(diào)制比；再按時(shí)空步長(zhǎng)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行掃描，從而得到固體潮調(diào)制比的時(shí)空演化圖像。

韓顏顏等[10]基于西北地區(qū)中強(qiáng)地震發(fā)生前固體潮特征研究，給出固體潮調(diào)制陰歷時(shí)段為初一和初二、初七至初九、十五至十七、廿二至廿五，共計(jì)12 d，占全月時(shí)長(zhǎng)40%。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)1900年以來每一自然年內(nèi)中國(guó)大陸地區(qū)MS≥5.0地震的固體潮調(diào)制比(Rm)，給出Rm的異常閾值為0.59。結(jié)果表明，該固體潮調(diào)制時(shí)段以及異常閾值的選取在西北地區(qū)中強(qiáng)地震預(yù)報(bào)中具有較好的實(shí)用價(jià)值。據(jù)此，本文利用上述調(diào)制陰歷時(shí)段和異常閾值對(duì)首都圈地區(qū)的固體潮調(diào)制比進(jìn)行分析，探討該參數(shù)在首都圈地區(qū)地震預(yù)測(cè)中的適用性。

2 資料選取

依據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的歷史強(qiáng)震目錄，選取1987年以來首都圈地區(qū)(38°～42°N，113°～120°E)發(fā)生的11次MS≥5.0地震作為震例，地震主要集中在西部的張北和大同地區(qū)以及東部的唐山地區(qū)(圖1)。

固體潮調(diào)制比時(shí)空掃描方法主要采用全國(guó)小震目錄資料，為保證掃描結(jié)果的穩(wěn)定性，需要對(duì)地震目錄的最小完整性震級(jí)MC進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。本文采用震級(jí)-序號(hào)法和多統(tǒng)計(jì)方法[11]對(duì)MC進(jìn)行評(píng)估。震級(jí)-序號(hào)法是按地震發(fā)生時(shí)間排序，地震密度較大區(qū)域的連線大致為MC的時(shí)序變化。從圖2(a)可以看出，1987年以來，首都圈地區(qū)MC為ML2.0左右，2008年以后MC逐步降低，主要原因?yàn)樵摰貐^(qū)地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過數(shù)字化改造后地震監(jiān)測(cè)能力不斷提升[12]，2015年以后MC達(dá)到ML1.0。多統(tǒng)計(jì)方法是綜合使用最大曲率法(MAXC)和擬合優(yōu)度法(GFT-90%、GFT-95%)來定量評(píng)估研究區(qū)MC的時(shí)序變化。其中，MAXC方法是將震級(jí)-頻度分布曲線一階導(dǎo)數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)的震級(jí)作為MC，而GFT方法是通過搜索對(duì)應(yīng)給定的實(shí)際和理論震級(jí)-頻度分布下的擬合度百分比來確定MC。從圖2(b)可以看出，雖然時(shí)序曲線略有起伏，但是變化趨勢(shì)與圖2(a)分析結(jié)果較為一致。此外，孫麗娜等[13]通過對(duì)華北地區(qū)現(xiàn)今地震目錄進(jìn)行G-R關(guān)系擬合，得到MC為ML2.0。因此，本文將1987年以來首都圈地區(qū)震例分析的最小完整性震級(jí)MC設(shè)定為ML2.0較為合適。

3 計(jì)算與分析

在首都圈地區(qū)時(shí)空掃描計(jì)算中，設(shè)定時(shí)間窗長(zhǎng)為6個(gè)月、空間窗口半徑為50 km，時(shí)間步長(zhǎng)為1個(gè)月、空間步長(zhǎng)為0.2°×0.2°，窗口內(nèi)統(tǒng)計(jì)地震個(gè)數(shù)不少于3，震級(jí)下限設(shè)為最小完整性震級(jí)MC，固體潮調(diào)制比異常閾值設(shè)為0.59。為排除調(diào)制比高值異常出現(xiàn)的偶然性，設(shè)定震中100 km范圍內(nèi)高值異常連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)月以上、異常網(wǎng)格點(diǎn)連續(xù)且個(gè)數(shù)大于等于6、異常區(qū)域Rm最大值大于等于0.7三個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)同時(shí)滿足以上判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，認(rèn)為該區(qū)域表現(xiàn)出調(diào)制比異常。

1987年以來，首都圈地區(qū)共發(fā)生MS≥5.0地震11次，其中1989年山西大同-陽高在較短時(shí)間內(nèi)相繼發(fā)生MS5.7、MS5.9和MS5.5地震，本文將其視為1次地震進(jìn)行分析。因此，共計(jì)得到9次地震作為震例進(jìn)行固體潮調(diào)制比分析。對(duì)這9次震例進(jìn)行固體潮調(diào)制比時(shí)空掃描的結(jié)果表明，在7次地震前出現(xiàn)調(diào)制比高值異常，并且震例之間的調(diào)制比時(shí)空演化過程存在明顯差異(表1、圖3)。

表1 首都圈地區(qū)1987年以來MS5.0以上地震

首都圈西部的大同地區(qū)記錄到3次震例，均在震前1 a、震中100 km內(nèi)出現(xiàn)明顯的固體潮調(diào)制比高值異常，但是演化過程有所不同。1989年大同-陽高地震前出現(xiàn)的調(diào)制比高值異常區(qū)域位于震中附近，調(diào)制比異常區(qū)域范圍較廣，異常程度較為突出。隨著時(shí)間推移，異常區(qū)域向南少量遷移且異常顯著程度增強(qiáng)，異常持續(xù)5個(gè)月后消失(圖3(a))。1991年大同MS5.8地震前8個(gè)月，在震中距約50km處出現(xiàn)調(diào)制比高值異常，異常區(qū)域較小，調(diào)制比Rm最大值達(dá)到1.0。在該異常的時(shí)空演化過程中，調(diào)制比異常區(qū)域在震中附近有所調(diào)整，但調(diào)制比異常的顯著程度和異常區(qū)域大小均無明顯變化，同樣持續(xù)5個(gè)月后消失(圖3(b))。1999年大同-陽高M(jìn)S5.6地震前，在震中SW和NE方向同時(shí)出現(xiàn)調(diào)制比高值異常區(qū)域，異常區(qū)域范圍較廣，異常程度較為突出。隨著時(shí)間推移， NE方向高值異常區(qū)域消失，SW方向高值異常區(qū)域范圍擴(kuò)大，異常顯著程度增強(qiáng)，1999-05后異常顯著性開始減弱，在減弱過程中發(fā)震，震后異常進(jìn)一步減弱直至消失，整個(gè)調(diào)制比異常演化時(shí)間達(dá)到16個(gè)月(圖3(f))。

河北張北地區(qū)位于首都圈NW方向，1987年以來共記錄到2次MS5.0以上地震。1998年張北MS6.2地震前4個(gè)月，在震中附近出現(xiàn)固體潮調(diào)制比高值異常，異常持續(xù)時(shí)間較短，3個(gè)月后消失，在演化過程中，調(diào)制比異常的顯著程度和異常區(qū)域大小均無明顯變化(圖3(d))。1999年張北MS5.6地震為1998年張北MS6.2地震的強(qiáng)余震，同樣在震前4個(gè)月，在震中附近出現(xiàn)固體潮調(diào)制比高值異常，此時(shí)異常區(qū)域較小，到1999-02異常程度顯著增強(qiáng)，異常范圍明顯增大，震后異常顯著程度和區(qū)域范圍均開始減弱且向遠(yuǎn)離震中方向調(diào)整。到1999-09震中附近異常消失，但在震中SE方向約100 km處仍存在調(diào)制比高值，滿足異常判定標(biāo)準(zhǔn)，因此認(rèn)為此次異常仍在持續(xù)。從異常出現(xiàn)至消失，整個(gè)調(diào)制比異常演化時(shí)間同樣達(dá)到16個(gè)月(圖3(e))。

首都圈東部共記錄到4次震例，2006年文安MS5.1地震前，震中附近小震活動(dòng)處于較低水平，未搜索到足夠的小震參與調(diào)制比計(jì)算。其余發(fā)生于唐山地區(qū)的3次震例中，1991年唐山MS5.1地震在震前1 a、震中100 km內(nèi)出現(xiàn)調(diào)制比高值現(xiàn)象，但未滿足連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)月以上的判定標(biāo)準(zhǔn)，因此未將其判定為固體潮調(diào)制比異常。1995年唐山MS5.0地震前在震中SW方向約50 km處出現(xiàn)調(diào)制比高值異常，調(diào)制比異常的顯著程度較為突出，調(diào)制比Rm最大值達(dá)到1.0。異常持續(xù)4個(gè)月后消失，在演化過程中，調(diào)制比異常的顯著程度和異常區(qū)域大小均無明顯變化(圖3(c))。而2020年唐山MS5.1地震前，在震中SE方向約100 km處的海域出現(xiàn)調(diào)制比高值異常，隨著時(shí)間推移，異常區(qū)域向震中方向調(diào)整，持續(xù)4個(gè)月后消失(圖3(g))。

4 結(jié) 語

基于全國(guó)小震目錄，采用固體潮調(diào)制比時(shí)空掃描方法，對(duì)1987年以來首都圈地區(qū)中強(qiáng)地震前固體潮調(diào)制比時(shí)空特征進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)1987年以來，首都圈地區(qū)共記錄到9次MS≥5.0地震，其中有7次在震前1 a、震中100 km范圍內(nèi)出現(xiàn)調(diào)制比高值異常，地震對(duì)應(yīng)率為78%，表明固體潮調(diào)制比方法在該區(qū)域?qū)χ袕?qiáng)地震具有較好的映震效果。

2)首都圈地區(qū)中強(qiáng)地震前固體潮調(diào)制比高值異常的持續(xù)時(shí)間通常為3～5個(gè)月，且多在震前數(shù)月內(nèi)結(jié)束，而1999年張北MS5.6地震和1999年大同-陽高M(jìn)S5.6地震的異常演化時(shí)間卻持續(xù)16個(gè)月，并于震后結(jié)束。兩次地震震中均位于張家口-渤海地震帶和山西地震帶的交匯部位，空間距離較為接近，發(fā)震時(shí)間僅間隔8個(gè)月，由此認(rèn)為，該區(qū)域固體潮調(diào)制比出現(xiàn)異常演化時(shí)間過長(zhǎng)的情況可能與這兩次地震及其余震對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整作用有關(guān)。

3)首都圈西部地區(qū)中強(qiáng)地震前固體潮調(diào)制比異?，F(xiàn)象較東部地區(qū)更為突出，5次地震前均出現(xiàn)調(diào)制比高值異常，且異常顯著程度高、區(qū)域范圍廣，從側(cè)面反映出1987年以來首都圈西部地區(qū)的應(yīng)力水平相對(duì)較高。

4)本文使用的調(diào)制比閾值為0.59，該值是統(tǒng)計(jì)1900年以來全國(guó)MS≥5.0地震的陰歷發(fā)震時(shí)刻得到的結(jié)果。從1987年以來首都圈地區(qū)中強(qiáng)地震與震前固體潮調(diào)制比異常的對(duì)應(yīng)關(guān)系來看，該數(shù)值在首都圈地區(qū)較為適用，但同時(shí)也出現(xiàn)多次地震虛報(bào)的情況。為更好地利用固體潮調(diào)制比方法為首都圈地區(qū)中強(qiáng)地震預(yù)測(cè)服務(wù)，下一步可調(diào)整適用于該區(qū)域的固體潮調(diào)制時(shí)段和異常閾值，建立具有較好預(yù)測(cè)效能的中強(qiáng)地震研判指標(biāo)。

致謝：韓顏顏博士提供調(diào)制比空間掃描程序及蔣長(zhǎng)勝博士提供最小完整性震級(jí)計(jì)算程序，文中圖件使用GMT軟件繪制，在此一并表示感謝。