張 平,延軍平,唐寶琪,王文靜

(陜西師范大學旅游與環(huán)境學院，陜西 西安 710062)

近百年來阿富汗Ms≥7.0地震對稱性規(guī)律及趨勢分析

張 平,延軍平,唐寶琪,王文靜

(陜西師范大學旅游與環(huán)境學院，陜西 西安 710062)

運用對稱性方法對1900～2016年以來阿富汗Ms≥7.0地震進行分析，結果發(fā)現(xiàn)：(1)近117年來阿富汗Ms≥7.0地震具有很好的可公度性。應用對稱性及三元、四元、五元可公度方法分析，發(fā)現(xiàn)2018年、2021年、2022年，發(fā)生Ms≥7.0地震信號較強。(2)通過蝴蝶結構圖研究發(fā)現(xiàn)，2018年、2021年、2022年阿富汗都可能發(fā)生Ms≥7.0地震，并且2018年發(fā)生的概率大于2021年和2022年。(3)除個別年份外，震中經向與緯向遷移具有一定的同步性即震中緯度向南遷移時，震中經度向西遷移。預計下次地震震中很有可能向西南方向遷移。

時空對稱性；可公度；地震；阿富汗

0 引言

全球每年發(fā)生500多萬次地震，每天發(fā)生上萬次地震，而強震、大地震、巨大地震也時有發(fā)生。20 世紀80年代后期以來，地球內部能量不穩(wěn)定，全世界進入一個新的地震活躍期，地震爆發(fā)尤為頻繁[1]。“地震能否被預測”早已不是地震界爭論的新問題。以東京大學教授蓋勒為代表的一些著名地震專家認為[2]，地殼介質處到自組織臨界狀態(tài)，因此對給出準確的地震三要素(時間、地點、震級) 的確定性的預報是難以實現(xiàn)的。與此同時，中國、美國、俄羅斯等國的大部分學者認為地震的預報是困難的，但并不是不可能的[3]。然而，地震尤其是強震的發(fā)生并不是隨機的，毫無規(guī)律可尋的，它在時間和空間上存在一定的規(guī)律性。國內許多學者都在研究地震預測方面的內容[4-18]。阿富汗地區(qū)位于阿爾卑斯地震帶，地震災害頻發(fā)，其中強震、大震時有發(fā)生。地震不僅會造成經濟損失，人員傷亡，還會引發(fā)一系列的次生災害，例如地震會引發(fā)滑坡、泥石流，造成水源污染，傳染病滋生等，這更加劇了阿富汗的動蕩不安和貧困。因此，對阿富汗Ms≥7.0級地震等自然災害對稱性規(guī)律及未來趨勢研究變得尤為重要。

1 研究區(qū)概況

阿富汗地處南北陸上交通要道，位于西亞、南亞、中亞交匯處，氣候干旱，以大陸性氣候為主，是一個落后的農牧業(yè)國家。阿富汗擁有著豐富的礦產資源，但其科學技術落后，資源未得到充分開發(fā)和利用，天然氣、煤、鹽、鉻、鐵、銅、云母及綠寶石等儲量豐富。阿富汗可能擁有世界上蘊藏量最豐富的銅礦、全球第五大鐵礦脈。此外，天然氣儲藏量約為1 852×108m3，石油儲量約為9 500萬桶。該地地質構造活動強烈，地處歐亞地震帶上，地震及其引發(fā)的其他災害是該地區(qū)最為常見的自然災害，給該國帶來巨大的經濟損失和人員傷亡，加劇該地區(qū)的貧困。近117年來，該地區(qū)發(fā)生7.0級及以上地震多達27次，因此研究地震發(fā)生規(guī)律，預測下一次Ms≥7.0級及以上地震發(fā)生年份，對挽救該地區(qū)經濟損失，減少人員傷亡具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

阿富汗位于阿爾卑斯地震帶上，地震災害頻繁發(fā)生。本文1900-2011年阿富汗地震發(fā)生數(shù)據(jù)資料來自《全球地震目錄》[19]，2012-2016年地震發(fā)生數(shù)據(jù)資料來源于中國地震信息網(http://www.csi.ac.cn/)。

對稱性方法廣泛運用于自然研究中，是推動自然科學發(fā)展的重要工具[20]。對稱性意味著規(guī)律性，簡單性和必然性。探索對稱性，實際就是在隨意性中尋找規(guī)律性，在復雜性中尋找簡單性，在偶然性中找必然性。災害的空間對稱性是指一個時間序列的地理現(xiàn)象或者事件在空間上存在某種對稱性[21]。它是研究對象相對于某一事物經過位移后和變化前在空間上的聯(lián)系.可公度方法[22]作為對稱性規(guī)律的一種體現(xiàn)，在研究地震的時空分布上具有重要意義，本文主要運用對稱性和可公度方法對阿富汗Ms≥7.0地震進行研究。

3 結果分析

自1900年至今阿富汗共發(fā)生Ms≥7.0地震27次(表1)，同一年份發(fā)生多次地震，以震級最高者作為該年地震發(fā)生等級。其中最高震級為7.7級，共發(fā)生3次，分別是1902年的巴達赫尚，1940年的法扎巴德，2015年的興都庫什地區(qū)。由表1可知，阿富汗地震發(fā)生集中，主要集中在巴達赫尚、塔盧坎、法扎巴德等地，其中65%以上位于巴達赫尚，15%位于法扎巴德。從經緯度上來看，地震震中參考地點緯度位于36°N～37°N，經度位于66°E～71°E之間。

對近117年來，阿富汗Ms≥7.0地震進行三元可公度驗證，結果發(fā)現(xiàn)除2015年,2016年以外，其他25次地震具有很好的可公度性。驗證結果最高值為1943年的59組，最低值為2002年的12組(圖1)。這說明阿富汗Ms≥7.0地震具有很好的可公度性。

表1 1900～2016年阿富汗≥7.0強震信息統(tǒng)計表

圖1 三元可公度驗證Fig.1 The validation of ternary commensurability

3.1 三元可公度預測

本文選取1900—2016年，27次≥7.0級地震作為計算參數(shù)，將27次地震看做數(shù)據(jù)集{Xi},設：X1=1902;X2=1908;X3=1909;X4=1911;X5=1916;X6=1921;X7=1922;X8=1924;X9=1929;X10=1933;X11=1937;X12=1940;X13=1943;X14=1949;X15=1950;X16=1951;X17=1954;X18=1956;X19=1960;X20=1965;X21=1974;X22=1983;X23=1985;X24=1993;X25=2002;X26=2015；X27=2016，根據(jù)前27次地震發(fā)生年份，運用三元可公度計算方法：Xa=Xb+Xc-Xd，其中b+c-d=a，預測下一次地震發(fā)生年份。

三元可公度的計算結果為： 2017年6組，2018年7組,2019年4組，2020年6組，2021年10組，2022年8組，2025年6組。其中2021年信號最強，其次為2022年、2018年、2017年以及2020年(表2)。

3.2 四元可公度預測

具體實現(xiàn)時,在算法模塊內部需要另外開辟一塊RAM,稱之為暫存RAM,用于存放信號的中間運算結果。因為要對信號進行依次檢測和迭代估計,所以需要有一塊RAM存放不斷刷新的信號值。算法模塊外部的雙口RAM用于存放原始的信號,稱之為信號RAM。暫存RAM與信號RAM具有同樣的大小,位寬為18,深度為512。

運用四元可公度進行計算，四元可公度計算方法為Xm=Xn+ΔX,其中ΔX=Xp+Xq-Xr-Xs,其中p+q=r+s,Xn為地震最后一次發(fā)生年份，Xm為下一次地震預測年份。

四元可公度的計算結果為：2017年165組， 2018年141組，2019年144組，2020年130組，2021年81組，2022年61組，2023年73組，2024年62組，其中2017年信號最強，其次為2019年(表2)。

3.3 五元可公度預測

同樣運用五元可公度進行計算，五元可公度計算方法為Xu=Xp+Xq+Xr-Xs-Xt，其中u=p+q+r-s-t,Xu為下一次地震預測年份。

五元可公度的計算結果為：2017年376組，2018年367組，2019年330組，2020年295組，2021年267組，2022年，239組，2023年200組，2024年182組，2025年144組，其中2017年信號最強，其次為2018年(表2)。

運用可公度方法進行預測，主要以三元可公度預測結果為主，四元可公度、五元可公度是對三元可公度的補充。綜合來看，阿富汗地區(qū)在2021年、2022年、2018年發(fā)生Ms≥7.0地震的信號最強。

表2 阿富汗地區(qū)Ms≥7.0地震可公度計算頻數(shù)

3.4 蝴蝶結構圖趨勢判斷

蝴蝶結構圖是建立在等時間間隔基礎之上的，是分析時間對稱性的一種方法。通過構建蝴蝶結構圖，可以發(fā)現(xiàn)自然災害在時間對稱性結構方面的特點，即時間序列中存在等時間間隔上的特點。通過構建和分析20世紀以來阿富汗發(fā)生Ms≥7.0地震的蝴蝶結構圖來進一步預測阿富汗地區(qū)下一次發(fā)生Ms≥7.0地震的年份。

災害趨勢判斷，尤其是對地震災害這種突發(fā)性災害進行趨勢判斷很難。因此，為了使災害趨勢判斷更加準確，我們一般根據(jù)研究重大災害年份數(shù)據(jù)的多少，確定蝴蝶結構數(shù)量的下限組數(shù)[10]。由于1900—2016年以來阿富汗共發(fā)生Ms≥7.0地震27次，所以蝴蝶結構圖的相同間隔組≥6，即有相同時間間隔的組數(shù)要達到6組及6組以上(圖2、圖3、圖4)。構建20世紀以來阿富汗Ms≥7.0，共27次地震的蝴蝶結構圖,可以發(fā)現(xiàn)這組數(shù)據(jù)存在明顯的時間對稱性。從構建的蝴蝶結構圖中可以看出，與2018年相關的時間周期有6組，分別為：2a、3a、16a、25a、33a、35a;與2021年相關的時間周期有4組，分別為：5a、6a、19a、28a；與2022年相關的時間周期有4組，分別為 6a、7a、20a、29a。

蝴蝶結構隨機性概率計算公式為：T=M/N;不漏報置信水平計算公式為：(1-a)=M/(N+1)，其中T為災害時間序列中預測年份可能發(fā)生地震的概率，N為災害事件總次數(shù)，M為參與實際預測的災害次數(shù)，即與主周期關聯(lián)的年份統(tǒng)計。阿富汗Ms≥7.0地震在計算公式中，N=27，M2018=22，M2021=21，M2022=20，所以該地區(qū)2018年Ms≥7.0地震的隨機概率為81.48%,2021年為77.78%,2022年為74.75%；2018年不漏報置信水平為84.62%,2021年為80.77%，2022年為76.92%.從蝴蝶結構圖可以看出，2018年、2021年、2022年阿富汗都可能發(fā)生Ms≥7.0地震，并且2018年發(fā)生的概率大于2021年和2022年。

圖2 阿富汗地區(qū)Ms≥7.0強震的2018年時間序列預測蝴蝶結構圖Fig.2 The butterfly structure diagram of Ms≥7.0 earthquakes time series in Afghanistan

圖3 阿富汗地區(qū)Ms≥7.0強震的2021年時間序列預測蝴蝶結構圖Fig.3 The butterfly structure diagram of Ms≥7.0 earthquakes time series in Afghanistan

圖4 阿富汗地區(qū)Ms≥7.0強震的2022年時間序列預測蝴蝶結構圖Fig.4 The butterfly structure diagram of Ms≥7.0 earthquakes time series in Afghanistan

3.5 可公度結構系趨勢判斷

可公度結構系是由相等時間間隔數(shù)據(jù)，以一種或幾種相等時間間隔作為主周期，排列組合所構建出來的時間網絡結構圖，它進一步說明了自然災害時間對稱性結構，對預測自然災害發(fā)生時間具有重要意義。通過阿富汗Ms≥7.0地震可公度結構系，發(fā)現(xiàn)結構圖橫向呈13a、14a的主周期和32a、28a的小周期，縱向呈現(xiàn) 5a、6a的主周期以及2a、3a、4a、11a、18a、32a的小周期(圖5)。該圖清晰地反映出阿富汗Ms≥7.0地震災害發(fā)生時間具有明顯的對稱性。

圖5 阿富汗Ms≥7.0地震可公度結構系Fig.5 Commensurable structure of earthquake(Ms≥7.0) in Afghanistan

3.6 地震震中緯度遷移

圖6為阿富汗Ms≥7.0地震震中緯度遷移圖，從圖中可以看出震中緯度集中分布在36.5°N及其周圍地區(qū)，即震中緯度在36.5°N南北遷移。震中經度集中分布在70.5°E及其周圍地區(qū)，即震中經度在70.5°E東西遷移。綜合來看，除個別年份外震中經向與緯向遷移具有一定的同步性：即震中緯度向南遷移時，震中經度向西遷移。假設阿富汗Ms≥7.0地震分布具有良好的空間對稱性，那么預計下次地震震中很有可能向西南方向遷移。

圖6 阿富汗Ms≥7.0地震經向、緯向遷移Fig.6 The Ms≥7.0 earthquake for latitudinal and longitudinal migration in Afghanistan

4 結果與討論

本文運用對稱性方法，對1900—2016年阿富汗Ms≥7.0地震對稱性規(guī)律及未來趨勢進行分析，得到以下結論：

(1)應用對稱性及可三元、四元、五元可公度方法分析，發(fā)現(xiàn)2018年，2021年，2022年發(fā)生Ms≥7.0地震信號較強；近117年阿富汗Ms≥7.0地震三元可公度驗證具有較好的可公度性。

(2)通過蝴蝶結構圖分析得出2018年、2021年、2022年阿富汗都可能發(fā)生Ms≥7.0地震，并且,2018年發(fā)生的概率大于2021年和2022年。

(3)自20世紀以來，阿富汗Ms≥7.0地震震中緯度集中分布在36.5°N及其周圍地區(qū)，震中經度集中分布在70.5°E及其周圍地區(qū)；預計下次地震震中很有可能向西南方向遷移。

[1] 延軍平,鄭宇. 秦嶺南北地區(qū)環(huán)境變化響應比較研究[J]. 地理研究,2001(5):576-582. YAN Junping,ZHENG Yu. A comparative study on environmental change response over the northern and the southern regions of the Qinling Mountains[J].Geographical Research, 2001(5):576-582.

[2] 彭美鳳,鮑挺. 地震預報現(xiàn)狀及未來展望[J]. 福建地震,2000,Z2:32-39+42. PENG Meifeng,BAO Ting. The present situation and prospect of earthquake prediction [J].Fujian Seismology, 2000,Z2:32-39+42.

[3] 邢權興,延軍平. 美國阿拉斯加州Ms≥7地震的時空對稱性與趨勢判斷[J]. 內陸地震,2014(4):327-334. XING Quanxing,YAN Junping.Spatiotemporal symmetry and tendency judgment of Ms≥7 strong earthquakes in Alaska,America[J].Inland Earthquake, 2014(4):327-334.

[4] 翁文波. 預測論基礎[M]. 北京:石油工業(yè)出版社,1984:136-138. WENG Wenbo.The basice of forecasting theory[M].Beijing:Petroleum Industry Press,1984:136-138.

[5] 徐道一,王明太,耿慶國,等. 翁文波院士的信息預測理論體系的創(chuàng)新性及其意義[J]. 地球物理學進展,2007(4):1375-1379. XU Daoyi,WANG Mingtai,GENG Qingguo,et al. The creativity of informative forecasting theory and it’s significance[J].Progress in Geophysics, 2007(4):1375-1379.

[6] 延軍平,李雙雙,劉新顏,等. 基于對稱性的中國臺灣地震趨勢判斷及物理基礎[J]. 災害學,2013(1):11-14+27. YAN Juping,LI Shuangshuang,LIU Xinyan,et al. The trend judgment of earthquake in Taiwan based on symmetry theory and its physical basis[J]. Journal of Catastrophology, 2013(1):11-14+27.

[7] 龍小霞,延軍平,孫虎,等. 基于可公度方法的川滇地區(qū)地震趨勢研究[J]. 災害學,2006(3):81-84. LONG Xiaoxia,YAN Juping,SUN Hu,et al. Study on earthquake tendency in Sichuan-Yunnan region based on vommensurability[J]. Journal of Catastrophology, 2006(3):81-84.

[8] 延軍平,閆娜. 關于地震預測體系構建的可能性及驗證[J]. 陜西師范大學學報(哲學社會科學版),2008(5):19-23. YAN Junping,YAN Na. Probability and verification of constructing an earthquake predicting system[J].Journal of Shaanxi Normal University(Philosophy and Sociences Edition), 2008(5):19-23.

[9] 延軍平,閆軍輝,白晶，等. 基于可公度方法的陜西及鄰近地區(qū)重大自然災害發(fā)生趨勢探討[J]. 災害學,2010(2):18-20. YAN Junping,YAN Junhui, BAI Jing,et al. Discussion on trends of major natural disasters in Shaanxi province and its vicinities based on commensurable method[J]. Journal of Catastrophology, 2010(2):18-20.

[10] 王騰,延軍平. 中國大陸強震活動對稱性研究[J]. 內陸地震,2012(3):226-232. WANG Teng,YAN Junping. Symmetry study on strong earthquake activity in mainland[J].Inland Earthquake, 2012(3):226-232.

[11] 李雙雙,延軍平,劉櫟杉,等. 印度尼西亞Ms≥7.8強震時空對稱特征及其趨勢判斷[J]. 自然災害學報,2013(1):190-197. LI Shuangshuang,YAN Junping,LIU Lishan,et al.Space-time symmetry of Ms≥7.8 strong earthquake in Indonesia[J].Journal of Natural Disaster, 2013(1):190-197.

[12] 張莉華,延軍平,宋保平. 川滇地區(qū)地震活動趨勢再判斷[J]. 防災科技學院學報,2013(2):16-20. ZHANG Lihua,YAN Junping,SONG Baoping. Rejudgment of earthquake activity trend in Sichuan-Yunnan region[J].Journal of Institute of Disaster Prevention, 2013(2):16-20.

[13] 劉櫟杉,延軍平. 阿勒泰地區(qū)冬季降水變化特征及雪災趨勢判斷[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境,2013(9):72-78. LIU Lishan,YAN Junping. The winter precipitation characteristics and snowstorm trend in Altay region[J].Journal of Arid Land Resources and Environment, 2013(9):72-78.

[14] 郭增建,秦保燕. 地震遷移問題(綜述)[J]. 國際地震動態(tài),1983(1):8-10. GUO Zengjian,QIN Baoyan. Problems of earthquake migration (An Overiew)[J].Recent Developments in World Seismology, 1983(1):8-10.

[15] 趙能浩,易慶林. 三峽庫區(qū)某滑坡地震動力響應機理分析[J]. 中國地質災害與防治學報,2015(2):10-17. ZHAO Nenghao，YI Qinglin.Mechanism of seismic dynamic responses of a landslide in The Three Gorges Reservoir area [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2015(2):10-17.

[16] 黃曼娜,鄒寶裕,白雷超,等. 歷史時期涇洛河流域地震時空格局分析[J]. 中國地質災害與防治學報,2016,27(2):86-90+114. HUANG Manna，ZOU Baoyu，BAI Leichao，et al.Analysis of seismic spatiotemporal pattern of Jing-Luo river basins in historical period [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2016,27(2):86-90+114.

[17] 曹水合,王運生,賀建先.四川康定Ms6. 3 級地震次生地質災害特征及成災模式[J]. 中國地質災害與防治學報,2015,26(4):87-93. CAO Shuihe,WANG Yunsheng，HE Jianxian.Characteristics and disaster model of co-seismic landslides triggereby the Kangding Ms6. 3 earthquake on the 22th of Nov， Sichuan province [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2015,26(4):87-93.

[18] 董丞妍，羅明良，張斌.四川蘆山余震序列空間格局分析[J]. 中國地質災害與防治學報,2014,25(4):45-50. DONG Chengyan，LUO Mingliang，ZHANG Bin.Analysis of spatial pattern of Lushan aftershocks sequence [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2014,25(4):45-50.

[19] 宋志平,張國民,劉杰,等. 全球地震目錄[M].北京:地震出版社,2011. SONG Zhiping,ZHANG Guomin,LIU Jie,et al. Global Earthquake Catalog(in Chinese)[M].Beijing:Seismological Press,2011.

[20] 方興義. 菲律賓Ms≥7.0地震時空對稱性及趨勢判斷[J]. 西北師范大學學報,2014,50(1):110-112. FANG Xingyi.The time-space symmetry and the tendency judgment Ms≥7.0 earthquake in Philipines[J].Journal of Northwest Normal University, 2014,50(1):110-112.

[21] 延軍平,白晶,蘇坤慧,等. 對稱性與部分重大自然災害趨勢研究[J].地理研究,2011,30(7):1159-1168. YAN Junping,BAI Jing,SU Kunhui,et al. Research on symmetry and tendency of several major natural disasters[J].Geographical Research, 2011,30(7):1159-1168.

[22] 翁文波.可公度性[J]. 地球物理學報,1981,24 (2):151-154. WENG Wenbo.Commensurability[J].Acta Geophysica Sinica, 1981,24 (2):151-154.

Symmetry reduction and the tendency judgment Ms≥7.0 earthquake in Afghanistan

ZHANG Ping,YAN Junping,TANG Baoqi,WANG Wenjing

(CollegeofTourismandEnvironmental，ShaanxiNormalUniversity，Xi’an,Shaanxi710062，China)

Using the method of symmetry to analyse earthquake in Afghanistan and the result showed that: (1) In recent 117 years, using the commensurability method of ternary found that Ms≥7.0 earthquake in Afghanistan has the very good commensurability.The earthquake (Ms≥7.0) will possible occur in 2018, 2021 and 2022 by adopting the commensurability method including ternary,quaternary and quintuple. (2) Through the map of butterfly structure found that the earthquake will possibly occur in 2018, 2021, 2022. In 2018 is most probability. (3) Except for some specific years, a strong symmetry and synchronization of the earthquake can be found easily.When the epicentre of latitude move to south, the epicentre of longitude move to west. Expecting the next earthquake possible happen in southwest direction.

space-time symmetry; commensurability; earthquake; Afghanistan

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.21

2016-07-02;

2016-07-30

國家社會科學基金項目(14AZD094);教育部人文社會科學重點研究基地重大項目(15JD790022)

張 平(1991-)，女，河南濮陽人，碩士研究生，主要從事區(qū)域開發(fā)與城鄉(xiāng)發(fā)展等方面的研究。E-mail:zhangping3336671@163.com

延軍平(1956-)，男，陜西綏德人，教授，主要從事全球變化與災害學研究。E-mail:yanjp@snnu.edu.cn

P315

A

1003-8035(2017)01-0135-06