曹鳳娟, 孫素梅, 楊牧萍, 張志宏, 劉天龍, 錢　蕊

(遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034)

遼寧地區(qū)5級地震測震學指標體系研究①

曹鳳娟, 孫素梅, 楊牧萍, 張志宏, 劉天龍, 錢蕊

(遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034)

摘要：基于1970年以來遼寧地區(qū)7次5級以上地震，分別從震前中小地震活動圖像和時序掃描的角度，對歷次地震前的地震學指標進行了系統(tǒng)梳理和提煉，結(jié)果顯示:空區(qū)、條帶、b值、A(b)值、D值、缺震及XY值對遼寧地區(qū)5級地震的映震效果較好。因此結(jié)合以往關(guān)于遼寧地區(qū)中等地震集中增強和震群特征的研究結(jié)果，綜合起來初步將其構(gòu)建為遼寧地區(qū)5級地震的地震學指標體系。其中強度預測指標主要有中等地震集中增強、震群序列、條帶和空區(qū)，未來主震最大震級估算方法為上述四種情況中的最大地震震級加1.5～2.0；地點預測指標與強度指標相同，判定方法是未來5級地震通常位于條帶上和空區(qū)邊緣及其附近地區(qū)，若有中等地震集中增強活動，則未來5級地震靠近最近一次中等地震的位置，若出現(xiàn)震群序列，則未來主震發(fā)生地點為震群周圍200 km(前震序列時，主震就發(fā)生在序列原地附近)；時間預測指標除了強度和地點指標中的4項外，還包括b值、A(b)值、D值、缺震和XY值，總體看來后三者異常通常出現(xiàn)在震前的一年左右，空區(qū)和條帶的解體時間以及b值異常通常出現(xiàn)在震前的半年左右，前震序列開始時間距離主震發(fā)生通常在1～20天左右。

關(guān)鍵詞：指標體系； 條帶； 空區(qū)； 震群

0引言

1966 年邢臺7.2 級地震后，我國開始地震預測及相應的研究工作，相繼開展了“七五”、“八五”等地震預測實用化攻關(guān)，逐步形成了長、中、短 臨和震后各階段的漸進式預測科學思路[1-2]，并初步建立了一些較為實用有效的預測指標和方法?！熬盼濉逼陂g，中國地震局監(jiān)測預報司又重點組織開展了強地震中短期預報方法及其效能研究工作，四川和新疆地區(qū)率先完成了中短期前兆指標體系與預報方法效能的評估[3]。由于區(qū)域構(gòu)造和動力源的差異，不同地區(qū)的地震活動及震前的異常指標也不盡相同，即使同一地區(qū)，也會因為介質(zhì)的差異而出現(xiàn)不同的地震前兆。例如遼寧的營海岫地區(qū)，5級地震前多有前震序列[4-6]，前震序列在1975 年2月4 日海城7.3 級和1999年11月29日岫巖 5.4 級地震的成功預測中起了主導作用，因此前震序列可作為該區(qū)M≥5.0 地震前最典型的地震學指標[7-9]。相反，遼寧西部及遼蒙交界地區(qū)，1970年以來也相繼發(fā)生了多次5級以上地震，但震前均未出現(xiàn)前震，只是震源區(qū)及其附近中小地震活動有不同程度的增強[10-13]。以往的研究更多地注重于震兆特征的研究，大部分屬于定性的描述。文獻[7]-[9]盡管從不同側(cè)面建立和研究了遼寧地區(qū)中強震前預測預警指標體系，但該體系也只是局限于時間序列的一個預測預警，均未涉及地點和強度方面的指標。

遼寧位于環(huán)渤海地區(qū)，是一個多震的省份，盡管過去很多學者不同程度地總結(jié)和研究了該地區(qū)中強震前的異常指標，但隨著2013年燈塔5.1級和科爾沁5.3級地震的發(fā)生和震例資料的積累，以及當前華北和環(huán)渤海地區(qū)的震情形勢，有必要應用1970年以來的小震資料，對遼寧地區(qū)過去所積累的中短期地震學異常指標、地震三要素預報方法的科學性、有效性進行系統(tǒng)的分析和提煉，初步形成一套規(guī)范化的、行之有效的中短期地震學異常識別方法及指標體系，為該地區(qū)的震情趨勢分析和2015年度地震危險區(qū)跟蹤工作提供借鑒和指導。本項研究也是2015年中國地震局監(jiān)測預報司力推的遼寧地區(qū)指標體系建設(shè)中的一項重點工作任務(wù)之一。

1基于震例的地震學指標提煉

1.1區(qū)域構(gòu)造背景與地震活動

遼寧地區(qū)大部分位于中朝地臺東北緣，主要構(gòu)造單元有東部的遼東臺隆、中部的下遼河凹陷、西部的燕遼隆起、北部的內(nèi)蒙地軸以及西南部的渤海坳陷。區(qū)域中強地震明顯受到郯廬斷裂帶、金州斷裂、鴨綠江斷裂、朝陽—北票斷裂、海城河斷裂等地質(zhì)構(gòu)造的控制，形成沿斷裂構(gòu)造的條帶狀分布;另一方面，在NE、NW等不同走向構(gòu)造的交匯部位盆地構(gòu)造較發(fā)育[14]?？v貫東部的郯廬斷裂是遼寧地區(qū)的主要控震構(gòu)造，多數(shù)地震分布在隆起和凹陷的邊緣、活動斷裂帶內(nèi)的強烈活動地段以及中、新生代斷陷盆地的邊緣和深部構(gòu)造變異帶上。

自1970年有小震記錄以來，遼寧地區(qū)(38～44° N，119～126° E，下同)共發(fā)生M≥5.0地震7次(由于遼西地區(qū)震例較少，故將1988年彰武地震收錄在內(nèi))(表1)。其中1975年海城7.3級和1999年岫巖5.4級地震位于遼南的老震區(qū)，1980年朝鮮天摩山5.7級和1982年朝鮮殷栗5.4級地震靠近該省的遼東半島一側(cè)，1988年彰武4.8級、2003年巴林左5.9級和2013年科爾沁5.3級地震位于遼西—遼蒙交界地區(qū)。本文后續(xù)的一些指標均是基于表1中的幾次5級震例提煉而來的。

表 11970年以來遼寧及鄰區(qū)M≥5.0地震

Table 1　The M≥5.0 earthquakes in Liaoning and its adjacent area since 1970

1.2震前中小地震活動圖像

為了面向年度會商和震情短臨跟蹤，同時也為了避免小震活動圖像(空區(qū)和條帶)隨時空尺度變化而不穩(wěn)定的問題，在提煉指標時特約定歷次震前的空間掃描范圍為35°～45°N，115°～130°E，時間范圍為震前1個月～2年，起算震級為ML≥3.0，空區(qū)和條帶的勾畫按照文獻[15]的相關(guān)規(guī)定。為排除老震區(qū)地震的影響，在尋找空區(qū)和條帶時，將海城和唐山老震區(qū)的地震只做一個單點(次)考慮。這樣在時、空、強都做了統(tǒng)一約定的情況下，就不會出現(xiàn)因人而異和排除了大震的影響，從而提高了震前中小地震活動圖像指標的規(guī)范性和實用性。

按照上述對時、空、強的界定，遼寧地區(qū)歷次5級地震前的空間掃描圖像(圖1)顯示：遼寧地區(qū)M≥5.0地震前多數(shù)存在3級地震條帶和空區(qū)，且主震通常發(fā)生在條帶、空區(qū)上或其附近地區(qū)。圖1分別為1975年海城7.3級、1980年朝鮮天摩山5.7級、1982年朝鮮殷栗5.4級、1999年岫巖5.4級、2003年巴林左5.9級、2013年燈塔5.1級和科爾沁5.3級地震。由圖1可見上述7次地震前均有3級地震空區(qū)出現(xiàn)，除了1999年岫巖和2003年巴林左地震[圖1(d)和圖1(e)]前沒有條帶，其余幾次地震前均不同程度地出現(xiàn)了3級地震條帶。從圖中也發(fā)現(xiàn)，與空區(qū)相比，條帶對未來5級地震地點的指示意義更強。例如1980年朝鮮天摩山5.7級[圖1(b)]、1982年朝鮮殷栗5.7級[(圖1(c)]和2013年燈塔5.1級[(圖1(f)]地震均發(fā)生在3級條帶上。就空區(qū)而言，除了1982年殷栗5.4級和2003年巴林左5.9級地震發(fā)生在空區(qū)邊緣[圖1(c)和圖1(e)]，其余幾次地震均發(fā)生在空區(qū)外圍或附近，特別是1980年天摩山5.7級和2013年燈塔5.1級地震前的空區(qū)，距離未來主震的距離均超過200 km。有關(guān)空區(qū)、條帶和未來主震的相關(guān)參數(shù)見表2。其中震級定量的估算方法來自文獻[14]，可分別由空區(qū)的圍空形成時間T(月)和圍空長軸L(km)來估算未來中強震的最大震級M，即：

圖1　遼寧地區(qū)歷次M≥5.0地震前1年中小地震活動圖像Fig.1　Medium-small seismicity pattern in 1 year before the M≥5.0 earthquakes in Liaoning

(1)

(2)

同樣，由條帶的持續(xù)時間ΔT及其面積S來估算未來主震的震級：

(3)

(4)

表 2　圖1中空區(qū)和條帶的有關(guān)參數(shù)

注：表2中的①～④分別對應公式(1)～(4)，地震Mmax為組成空區(qū)或條帶的最大地震。

1.3震前中小地震時序曲線

遼寧省地震局*遼寧省地震局.遼寧省2010年度地震趨勢研究報告.2010：72-73.通過震級序號圖像和多方法定量分析獲得遼寧地區(qū)(38°～44°N，119°～126°E)1970年以來完整性震級下限MC在ML3.0左右，1980和1990年以來MC分別為ML2.5和ML2.0。因此，考慮到遼寧地區(qū)小震記錄的完整性，本研究時序掃描的起算震級為ML≥2.5。為了排除主震和震后效應的影響，時間段通常為歷次5級地震前1個月～5年，步長為1個月，窗長為1年。應用Mapsis軟件對表1中幾次5級地震進行時序掃描，異常識別標準為大于或小于1倍均方差，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，b值、A(b)值、D值、缺震及XY值等5個相對獨立的參數(shù)在震前的映震效果較好(圖2)。相關(guān)參數(shù)見表3。

1.4震前中等地震集中活動

根據(jù)曹鳳娟等[12-13]的研究，遼寧地區(qū)5級地震前均有中等地震集中增強的現(xiàn)象，針對不同的研究區(qū)域，中等地震集中活動的界定有所不同。通常，對遼南地區(qū)而言，如果相鄰2年內(nèi)發(fā)生 3 次或3次以上中等地震(4.0≤ML≤4.9)，可看作中等地震活動增強。遼西—遼蒙交界地區(qū)，由于地震活動相對較弱，故在研究時中等地震的震級下線為ML3.5。通過對遼寧地區(qū)歷次5級地震前小震活動的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)遼寧地區(qū)5級地震80%發(fā)生在參與增強活動的最近 1次中等地震后的半年內(nèi)，震中位置靠近最后一次中等地震的可能性較大，震級可通過描述中等地震活動增強的三個參量E、T、R擬合計算來估計。此外，弱震區(qū)的4級地震對未來中強震的地點也有一定的指示意義。

1.5震群序列

除了營海岫老震區(qū)外，震群活動特別是前震序列是遼寧地區(qū)震情研究的特色所在。眾所周知，1975年海城7.3級和1999年岫巖5.4級地震的成功預報都得利于震前的前震序列。曹鳳娟等[16]對1970年以來遼寧地區(qū)25次震群的活動特征進行了詳細的統(tǒng)計研究，結(jié)果認為，當震群中3、4級地震頻次大于等于10次和4次，同時序列的b值介于0.6～0.9之間，此時可判定震群為前兆震群，未來中強震三要素的判定依據(jù)為：發(fā)震時間為震群開始后1年內(nèi)，平均6個月；震中位置距離震群所在地的范圍約0～400 km，平均為180 km；最大強度為G-R預測的最大地震的震級加2.0級。當b值小于0.5時，震群有可能為前震序列，即震群開始后1～20天內(nèi)原地有發(fā)生5級以上地震的危險。

圖2　遼寧地區(qū)歷次5級地震前A(b)值、缺震、b值、XY值及D值曲線Fig.2　The A (b) value，shock-lacking,b value,XY value,and D value curves before the M≥5.0 earthquakes in Liaoning area

表 3　歷次5級地震前時序掃描指標的相關(guān)參數(shù)信息

注：*所注的均值為排除1975年海城和2013年燈塔地震后的b值均值。

2結(jié)果分析

由表2可知多數(shù)主震發(fā)生在空區(qū)解體后4～8個月內(nèi)，平均5.8個月；而條帶的解體時間通常距主震1～9個月，平均4.1個月。主震發(fā)生在空區(qū)外圍附近的概率較大，距空區(qū)最近邊緣平均85 km，相比之下，主震75%均發(fā)生在條帶上。由空區(qū)的持時和長軸來估算的震級(由于海城地震的震級過大，多數(shù)參數(shù)估算的震級誤差均較大，因此在做平均統(tǒng)計時，暫不包括海城地震)，誤差范圍在-0.6～1.1級之間，且10項計算結(jié)果中，7項震級偏高，平均偏高0.5級。進一步分析發(fā)現(xiàn)，由空區(qū)形成時間來估算后續(xù)主震震級[式(1)]通常偏低0.3級左右；而用空區(qū)長軸[式(2)]估算的主震震級平均偏高0.8級。同樣，若不考慮1975年海城地震的影響，在6項由條帶參數(shù)估算主震的震級中，1次偏低0.6級，3次偏高1級左右，平均偏高0.4級。其中以條帶持續(xù)時間[式(3)]估算震級誤差在-0.6～0.9級間，以條帶面積[式(4)]估算的震級誤差通常偏高0.7級。實際應用中，有關(guān)空區(qū)和條帶的參數(shù)，如持時、長軸和面積等很難界定，因此我們試圖從組成空白和條帶的最大地震出發(fā)，以此來估算未來主震的震級。由表2可知，空白和條帶中最大地震與主震震級差在0.8～4.1級，同樣，若不考慮海城地震的影響，通常用空白或條帶的最大地震加1.5～2.0級來估算未來主震的震級。

由表3的歷次5級地震前時序指標的相關(guān)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，b值、A(b)值、D值、缺震、XY值異常出現(xiàn)時間距離主震發(fā)生均在10.3～18.2個月之間，異常結(jié)束時間距主震發(fā)生在5.3～14.6個月之間，從時間尺度上看大部分屬中期預測指標。其中b值屬中期向短期過度的一個指標，例如1999年岫巖5.4級和2003年巴林左5.9級地震均發(fā)生在低b值出現(xiàn)的3個月內(nèi)，某種程度上相當于短期指標( 由于海城和燈塔地震前的低b值時段均出現(xiàn)在震前3年之前，從中短期的角度考慮，在統(tǒng)計b值平均值時未統(tǒng)計出現(xiàn)在主震前3年的異常)。

3指標體系構(gòu)建

基于上述的統(tǒng)計分析和已有的部分研究成果，可初步得到遼寧地區(qū)5級地震的指標體系。從年度會商和短臨跟蹤的角度，這里的時間尺度暫時沒有考慮5級地震復發(fā)周期等長期的預測指標，主要側(cè)重提煉中期和短期預測方法和異常判定指標(表4)。

表 4　基于5級地震震例的遼寧地區(qū)地震學指標體系

為了檢驗指標體系中各指標的映震效能，特對1970年無5級以上地震發(fā)生的兩個時段進行指標體系中的9項指標掃描，即1989年11月—1994年10月和2004年1月—2007年12月。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述兩個時段9項指標中分別存在6項和5項異常，見圖3和表5。單從異常項次來看，似乎指標體系中指標的虛報率較高，但值得注意的是，上述兩個時段分別發(fā)生了1995年4月15日營口M4.6地震和2008年11月海城4級震群，因此若考慮4.5級以上地震，則某種程度上也不算虛報。由于燈塔地震距離2013年科爾沁5.3級地震僅3個月左右，因此很多指標都沒有異常顯示?？傮w上看，當異常項次大于等于6項時，發(fā)生5級以上地震的概率約為50%；大于等于8項時，發(fā)生5級以上地震的概率為80%以上。當然即便異常項次相同，還有異常顯著與否的區(qū)別，總之，這只是針對時間序列的粗略統(tǒng)計檢驗，關(guān)于空區(qū)和條帶的詳細檢驗和效能評估有待后續(xù)進一步完善。

4結(jié)論與討論

(1) 由于遼寧臺網(wǎng)的大部分數(shù)字觀測資料開始于2000年前后，觀測以來中強震例較少，多數(shù)數(shù)字地震學方法還處于探索和積累經(jīng)驗階段，因此在本次建立的指標體系中暫沒考慮數(shù)字地震學指標。

(2) 在遼寧地區(qū)5級地震的指標體系構(gòu)建中，最主要的是時間和地點的預測問題，但本次構(gòu)建的指標體系大多為中期或中期向短期過渡的指標，短臨的較少(表4)。眾多研究表明，前兆的同步和宏觀異常的流體學科短臨階段的指示比較好[8-9]，實際應用中最好結(jié)合前兆和宏觀異常情況，進一步減小對時間和地點預測的誤差。

圖3　遼寧地區(qū)ML2.5地震兩個時段的相關(guān)時序掃描曲線Fig.3　The sequential scanning curves of ML2.5 earthquakes in two terms in Liaoning

表 5　遼寧地區(qū)地震學指標體系中各指標的映震情況

注：1代表有異常，1+代表異常顯著，1-代表異常不顯著，0代表無異常。

(3) 該指標體系只是基于震例提煉的結(jié)果，首先由于震例的局限，樣本數(shù)不多；其次沒有考慮小震活動圖像的全時空掃描結(jié)果，即有異常無地震的情況；再次時間預測指標總體上有9項，那么這9項指標的相對權(quán)重如何，整個指標體系的效能評估結(jié)果等，這些問題都需后續(xù)逐步完善。

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Study of Seismometry Index System forM≥5.0 Earthquakes in Liaoning

CAO Feng-juan, SUN Su-mei, YANG Mu-ping , ZHANG Zhi-hong, LIU Tian-long, QIAN Rui

(EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince,Shenyang110034,Liaoning,China)

Abstract：The seismological prediction indexes of seven earthquakes (M≥5.0) occurring in Liao-ning since 1970 were analyzed from medium-small seismicity images and sequential scanning. Results show that the earthquake-reflecting effect of certain parameters, i.e. seismic gap, seismic belt, b value, A(b)value, D value, earthquake deficiency, and XY value is relatively good. Combining previous results of enhancements, concentration of moderate earthquakes, and characteristics of earthquake swarms in Liaoning, a seismological index system of earthquakes with a magnitude of M≥5.0 was constructed. Earthquake intensity prediction indexes mainly include the enhancement and concentration of moderate earthquakes, earthquake swarm sequences, seismic gaps, and belts, and the maximum magnitude of a forthcoming main shock is estimated by adding 1.5～2 to the value of the maximum magnitude of the earthquake for the above four items. The location prediction index is similar to the earthquake intensity prediction index, and the method determined shows the following: earthquakes with a magnitude of M≥5.0 generally occur in the seismic gap and belt or nearby region; if there is an increase and concentration in moderate earthquakes the location of forthcoming earthquakes with M≥5 will be close to where the last moderate earthquake occurred; if there is an earthquake swarm sequence, the forthcoming main shock will occur within 200 km of the swarm (if there is a foreshock sequence, the main shock will occur near the location of the sequence). In addition to the four items used in earthquake intensity and location prediction indexes, the seismic time prediction indexes include the b value, A(b) value, D value, earthquake deficiency, and the XY value. Furthermore, the anomalies of A(b)value, D value, earthquake deficiency, and XY value commonly occur about one year before the earthquake; disappearance of the seismic belt and seismic gap, and b value anomalies commonly occur about half a year before an earthquake; and the foreshock sequence commonly occurs about 1 to 20 days before the main shock.

Key words：earthquake-reflecting; index system; seismic belt; seismic gap; earthquake swarm

收稿日期：①2015-05-12

基金項目：遼寧省科學技術(shù)計劃項目(2014231003)；遼寧省地震局重點實驗室項目(LZ-Z201501-2)；中國地震局2016年度震情跟蹤定向工作任務(wù)(2016020104)

作者簡介：曹鳳娟，女，高工，主要從事地震學綜合分析與預測。E-mail: Cao99@sina.com。

中圖分類號:P315

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)03-0398-09

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0398