李太巖 馬寶君 鄭寶仁 趙建通

(黑龍江省牡丹江地震臺,黑龍江 牡丹江157009)

現(xiàn)階段的地震預測預報工作,主要還是基于統(tǒng)計的經(jīng)驗預報。對于地震物理機理預測預報的世界難題,可按照由表及里逐步逼近的思路,探討構(gòu)建地震預測圈層結(jié)構(gòu)的可能性。以地震數(shù)學分析預測方法補充和完善物理預測方法-可應用可公度方法進行地震趨勢探索研究[1]。翁文波院士首先將可公度性預測方法應用到了預測科學中來, 并曾利用可公度信息系對1976年唐山地震、1982 年華北干旱、1991 年長江流域洪水、1992 年美國加州地震等自然災害現(xiàn)象作過成功的預測。龍小霞在川滇地區(qū)[2]、閆軍輝在新疆喀什地區(qū)[3]、魯云在云南地區(qū)[4]都采用了可公度法進行地震趨勢預測,收到了較好的效果。

本文分別采用可公度法及蝴蝶結(jié)構(gòu)圖,對20 世紀以來黑龍江省及鄰區(qū)Ms≥5.2 級地震序列建立可公度模型,旨在為地震會商工作提供理論依據(jù),以期在防御重大災害時,盡可能減少傷亡及經(jīng)濟損失。

1 可公度性理論

可公度性源于天文學, 標示自然界事物之間的一種秩序,是自然現(xiàn)象周期性的一種客觀外在反映, 同時也是對稱性規(guī)律的一種體現(xiàn),所以是一種信息系[5]。這種信息系不僅在天文學研究領(lǐng)域中有明顯的表現(xiàn),而且在其它領(lǐng)域中也廣泛的存在,因此可以以它作為對自然現(xiàn)象進行預測研究的依據(jù)和方法。從數(shù)據(jù)中的可公度性可抽提出并非偶然的信號,以增加錯認(或虛驚) 概率為代價, 可以在很寬頻譜范圍內(nèi)分辨微弱的信號[6]。翁文波先生主要是用由可公度性理論而建立的可公度性公式來預測天災的發(fā)生時間的,常用的公式有三個:

公式中A、B、C、D、E 為以前的重要歷史數(shù)據(jù),N 為預測的未來時間。我們根據(jù)20 世紀以來黑龍江省及鄰區(qū)Ms≥5.2 級地震的26 個發(fā)生年份,依據(jù)可公度性的原理和方法進行建模。

2 應用于黑龍江省及鄰區(qū)算例

2.1 研究范圍及資料來源

黑龍江省及鄰區(qū)為我國大陸強震活動區(qū)域之一,處于東北亞中心地帶,位于西伯利亞、華北、太平洋三大板塊之間,北部和東部與俄羅斯接壤,南部、西部與吉林省和內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰。地質(zhì)構(gòu)造上處于蒙古-鄂霍茨克結(jié)合帶與西拉木倫-敦化-延吉-結(jié)合帶之間,中央錫霍特-阿林走滑斷裂構(gòu)造帶以西至省界[7]。

研究區(qū)域選取42o～54oN ,120o～135oE。地震目錄取自黑龍江省地震局。資料選取時間為1900-2020 年。經(jīng)過三元、四元、五元可公度計算并檢驗后發(fā)現(xiàn): 當震級選擇Ms≥5.2 級時,歷史地震數(shù)據(jù)檢驗擬合效果最佳。

2.2 三元可公度法計算

20 世紀以來黑龍江省及鄰區(qū)發(fā)生Ms≥5.2 地震的年份為26 個(表1)。

表1 20 世紀以來黑龍江省及鄰區(qū)Ms≥5.2 地震序列表

用三元可公度計算法計算下一次可能發(fā)生地震的年份X27=Xj+Xk-Xl其中X27為整數(shù),j+k-l=27:設X1=1902, X2=1919,……X26=2018。

對上述26 次歷史地震年次進行計算,未來5 年內(nèi)可公度頻數(shù)大于6 的年份有2019 年、2020 年、2021 年、2023 年(表2)。

表2 黑龍江省及鄰區(qū)未來地震年份三元可公度式

由三元可公度計算可以發(fā)現(xiàn):在2018 年以后的八年內(nèi),在黑龍江省及鄰區(qū)均有發(fā)生Ms≥5.2 地震的可能性,其中2019、2020、2021、2023 年災害信號相對較強。

2.3 四元、五元可公度法計算

四元可公度計算方法:X27=Xj-Xk+Xl-Xm,其中j-k+l-m=27；五元可公度計算方法:X27=Xj-Xk+Xl-Xm+Xn,其中j-k+l-m+n=27。

根據(jù)可公度計算結(jié)果,得出三元、四元、五元頻次對比圖(圖1)。從圖中可以看出2021 年、2023 年黑龍江省及鄰區(qū)發(fā)生Ms≥5.2 級地震的相對可能性較大。

圖1 頻次對比圖

2.4 模型驗證

根據(jù)上述建模原理,從2004 年開始,發(fā)生地震后我們對地震序列進行可公度建模,計算下個地震發(fā)生的年份,以計算出的頻次最大三個年份作為模型結(jié)果,以三元可公度法為例,計算結(jié)果見表3。

表3 三元可公度模型驗證表

根據(jù)表3 可以得出,三元可公度模預測型準確率為57.1%。同理,得到四元、五元可公度模型預測準確率,均為71.4%。

3 蝴蝶效應圖

蝴蝶圖是可公度法的推廣,使用可公度信息繪制的蝴蝶圖是災害時間對稱性的體現(xiàn)。從圖2 可以看出,黑龍江省及鄰區(qū)地震活動具有一定周期性特點,主要表現(xiàn)為6 年、7 年周期。我們對蝴蝶結(jié)構(gòu)的隨機進行以下定義P=m/n。其中P 為災害時間序列中所預測年份可能發(fā)生地震的概率; n 為災害年份數(shù),m 為參與實際預測的年份數(shù),即和主周期相關(guān)聯(lián)年份統(tǒng)計,沒有參與實際預測的周期,仍可以表明此災害時間具有時間可公度性規(guī)律?；谏鲜鏊悸?歷史發(fā)生災害年份數(shù)n=26,以2023 年作為預測年份,實際參與災害的預測的年份數(shù)m=13,計算得出2023 年前后黑龍江省及鄰區(qū)發(fā)生Ms≥5.2 地震的隨機概率為13/26,即50%。

圖2 黑龍江及鄰區(qū)Ms≥5.2 時間序列蝴蝶結(jié)構(gòu)圖

結(jié)束語

從可公度建模結(jié)果看,在2021、2023 年左右,黑龍江省及鄰區(qū)發(fā)生Ms≥5.2 地震的可能性較大,預測的準確率均高于50%?？晒确ㄔ谛陆痛ǖ岬貐^(qū)應用取得了不錯的效果,該法是否適用于黑龍江省及鄰區(qū),其實際效果有待實踐檢驗。