郭 寅， 李 金， 劉建明

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震的孕育、發(fā)生是一個非常復雜的過程，伴隨著地震的孕育，會產生如地震活動、地殼活動、地下流體變化、地磁、地電等多方面的異常變化。地震學參數(shù)如b值、η值、A(b)值、缺震、A值、頻度和GL值等能夠在一定程度上反映地震的孕震規(guī)律，且中強地震前有異常變化，可用于對中強地震的預測。目前不管是測震學異常還是地球物理觀測異常多是單一的、定性的異常，雖然有研究者對地震前兆異常有一定的定量研究[1-3]，但是將多個方法組合起來定量研究地震前兆異常的還是較少。研究者致力于地震綜合預報，尋求定量的綜合預報方法，如1989年朱令人提出地震綜合預報的集成預測概率方法[4]。王海濤從信息論基本原理出發(fā)，利用合成信息熵方法研究多種前兆群體異常信息變化，提取地震前兆群體異常的識別標志[5]，2003年開始嘗試尋找多種地震學參數(shù)的綜合異常指數(shù)，提出綜合異常指數(shù)ZY[6]，2008年提出利用多種地震學參數(shù)進行基于地震對應概率譜的綜合研究思路[7]，2009年將該方法重新命名為地震對應相關譜，即Earthquake Corresponding Relevancy Spectrum，簡寫為ECRS。王瓊運用該方法研究南天山西段中強地震前ECRS方法的空間分布特征，并分區(qū)研究新疆各區(qū)的ECRS時間變化特征[8-9]。唐蘭蘭對新疆中強地震前的ECRS的空間變化特征做相關研究[10]。二者研究結果表明，在新疆中強地震前ECRS在時間和空間上均有異常變化。盧顯將該方法應用到郯廬斷裂帶，認為該方法對郯廬斷裂帶中南段中強地震監(jiān)測預測有一定的可行性[11-12]。雖然王瓊和唐蘭蘭對新疆的ECRS進行研究，得到中強地震前ECRS的異常變化特征，但新疆地域較大，構造復雜，每個地區(qū)的地震活動水平不同，對南天山東段的研究相對薄弱。2020年以來，南天山東段5級地震活躍，先后發(fā)生2020年3月23日拜城MS5.0地震和2021年3月24日拜城MS5.4地震，遠超過該區(qū)5級地震的背景水平。新疆5級地震前，往往會出現(xiàn)形變、地震學、地磁等異常[13-15]，因此上述方法常被做為判定震情的可靠依據(jù)，但是ECRS依據(jù)較少。本文中在參考文獻[8-10]基礎上，增加2009～2021年3月的數(shù)據(jù)，分析研究南天山東段地區(qū)MS≥5.0地震前后ECRS時空異常特征，以期為該區(qū)的震情研判提供參考依據(jù)。

1 研究方法

(1)

(2)

在均值和標準差的基礎上，值域的分布區(qū)間的規(guī)則可定義如下,

(3)

2 研究區(qū)域及資料選取

本文中選取南天山東段地區(qū)(40.83°～42.96° N，80.12°～90.27°E)為研究區(qū)域(圖1)，該區(qū)1979～2021年3月共記錄MS≥2.5地震5 126次，其中MS2.5～2.9地震4 240次，MS3.0～3.9地震748次，MS4.0～4.9地震113次，MS5.0～5.9地震24次和1次MS≥6.0地震(1979年3月29日庫車MS6.0地震)。圖2是1979年以來南天山東段MS≥5.0地震M-t圖，南天山東段MS≥5.0地震活動呈現(xiàn)“平靜—活躍—平靜—活躍”狀態(tài)。1979年3月29日MS6.0地震之后，南天山東段MS≥5.0地震出現(xiàn)長達7年9個月平靜；1987～1999年南天山東段5級地震相對活躍，期間發(fā)生了15次MS≥5.0地震；2000年后南天山東段MS≥5.0地震再次出現(xiàn)7年9個月的平靜，2007年7月庫車MS5.9地震后，南天山東段5級地震進入活躍期，2021年拜城MS5.4地震發(fā)生在該活躍期。王瓊評估天山南部小地震目錄完整性后，認為1977年以來南天山東段地震監(jiān)測能力達MS1.9[16]，完成數(shù)字地震臺網(wǎng)改造后2006年底天山中段地區(qū)的監(jiān)測能力達到ML2.0[17-18]。因此根據(jù)南天山東段的地震活動特點，本文中采用1979～2021年3月新疆區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)定位的MS≥2.5地震目錄，分別以1979～2019年南天山東段MS≥5.0地震為目標地震，考察η值，b值，D值、缺震、Mf、頻度、小震調制比等地震學參數(shù)在目標地震前的時空變化特征，并對2020～2021年3月的地震活動進行預測。

圖1 1979年以來研究區(qū)中強地震分布圖Fig.1 Distribution of moderate-strong earthquakes in study area since 1979

圖2 1979年以來南天山東段5級以上地震M-t圖Fig.2 M-t diagram of MS≥5.0 earthquakes in eastern of South Tianshan since 1979

3 資料處理及計算結果

3.1 時間掃描結果分析

計算1979～2019年南天山東段地區(qū)b、D值、η、缺震、Mf5個地震學參數(shù)的地震平均發(fā)生概率，并將計算結果作為外推預測學習庫數(shù)據(jù)，將2020年1月～2021年3月的地震活動進行外推。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，考察時間為12個月的計算結果效果較好。以1979～2019年作為學習庫，當閾值為0.42時，ECRS和中強地震有較好的對應關系。圖3為南天山東段ECRS時間序列曲線，該區(qū)中強地震均發(fā)生在ECRS值均高于0.42閾值時。學習時段內出現(xiàn)過11次高值異常，其中8次高值異常過程中有中強地震發(fā)生，且均成組發(fā)生。學習時段內南天山東段發(fā)生22次MS≥5.0地震，均發(fā)生在ECRS高值異常過程中，外推時段2020～2021年3月，研究區(qū)共發(fā)生了2次MS≥5.0地震，分別為2020年3月23日拜城MS5.0和2021年3月24日拜城MS5.4地震，表明外推預測效果比較好，信度比較高。對比1979年以來南天山東段的地震活動(圖2)可以看出，ECRS高值時期多是該區(qū)地震活動比較活躍的時期，異常持續(xù)時間較長；地震平靜期間ECRS多低于閾值。

圖3 南天山東段ECRS時間序列曲線Fig.3 Time series curve of ECRS in eastern of South Tianshan

對南天山東段ECRS時間掃描異常開始時間、持續(xù)時間以及結束時間進行統(tǒng)計研究(表1)，結果表明：目標地震多發(fā)生在高值異常過程中，且在高值過程中有多個MS≥5.0地震發(fā)生，地震個數(shù)為2～5個，首個5級地震的發(fā)震時間與異常開始時間間隔為3～10個月，其中6個月以內的4次，最后一個地震發(fā)生后1年內ECRS恢復低值狀態(tài)。每段異常的持續(xù)時間不同，最短的為16個月，最長的為46個月，如2017年以來的高值異常，該異常持續(xù)了46個月。異常幅度、異常持續(xù)時間與目標地震個數(shù)、震級之間均沒有很好的相關性，如1986～1988年的高值異常幅度和異常持續(xù)時間均小于1990～1993年的高值異常，但是1986～1988年高值異常中的最大地震為MS5.9地震，而1990～1993年的最大地震為MS5.7地震，2個高值異常過程中均有4次目標地震發(fā)生。

表1 南天山東段ECRS時間掃描目標地震異常特征

3.2 空間掃描結果分析

王瓊探討南天山西段多種地震學參數(shù)不同考察時長的前兆異常時空特征：當考察時長為18個月和6點為滑動窗長時，該區(qū)目標地震前該方法的預測效能較高[8]。本文中以2°×2°為空間窗長，0.2°×0.2°為步長，分別以6個月，12個月和18個月為考察時長，對南天山東段η，CN，b，頻度，調制比，缺震，Mf7個參數(shù)進行了全時空掃描計算。計算結果表明當考察時間為12個月，震例回顧效果較好。研究結果顯示，1979～2021年3月以來南天山東段庫爾勒以東地區(qū)發(fā)生了9次MS≥5.0地震，地震發(fā)生前均無異常變化，但庫爾勒—拜城地區(qū)MS5.0地震前，多數(shù)地震前ECRS空間掃描結果出現(xiàn)高值異常：學習時段內發(fā)生了13次MS≥5.0地震，其中8次中強地震前震中及其附近地區(qū)ECRS空間掃描結果出現(xiàn)了高值異常，且地震發(fā)生在異常過程中。由表2可以看出，ECRS空間掃描高值異常開始后4～10個月內發(fā)震，地震后2～11個月內異常消失(表2)，異常面積、幅度及持續(xù)時間和震級無相關性。本文中列出1999年3月庫爾勒—拜城地區(qū)3次5級地震前后以及外推時間內2020年3月23日拜城MS5.0和2021年3月24拜城MS5.4地震前后ECRS的空間演化圖像(圖4～5)。

圖4 1999年3～9月南天山東段3次5級地震前后ECRS空間異常演化(a) 1998年8月 (b) 1999年1月 (c) 1999年3月 (d) 1999年5月 (e) 1999年6月 (f) 1999年9月 (g) 2000年1月 (h) 2000年9月Fig.4 ECRS spatial anomaly evolution of three MS5.0 earthquakes from March to September,1999

表2 南天山東段ECRS空間掃描目標地震異常特征

3.2.1 1999年3月15日庫車MS5.7、6月17日拜城MS5.0和9月23日輪臺MS5.1地震

1998年8月開始，在拜城北面和輪臺北面開始出現(xiàn)ECRS高值異常，之后異常面積增大，異常強度增高，并開始向震中集中。1999年3月15日在2個異常區(qū)域之間發(fā)生庫車MS5.7地震，地震后異常面積和異常強度繼續(xù)增大。1999年6月17日在異常區(qū)邊緣發(fā)生拜城MS5.7地震，地震后異常面積和強度均無明顯變化。1999年9月23日在異常區(qū)域內發(fā)生了輪臺MS5.1地震，震后，異常持續(xù)。自2000年1月異常面積減小，異常強度減弱，2000年9月異常消失。

3.2.2 2020年3月23日拜城MS5.0和2021年3月24日拜城MS5.4地震

2019年5月在拜城北面出現(xiàn)高值異常，2019年6月～2020年1月高值異常持續(xù)，異常面積和強度均無明顯的變化，2020年3月23日在異常區(qū)邊緣發(fā)生拜城MS5.0地震，震后異常面積和強度持續(xù)，2020年10月～2021年3月異常面積增大，2021年3月在異常區(qū)邊緣發(fā)生拜城MS5.4地震(圖5)。

圖5 拜城MS5.0和拜城MS5.4地震前后ECRS空間異常演化(a) 2019年5月 (b) 2020年3月 (c) 2020年10月 (d) 2021年3月Fig.5 ECRS spatial anomaly evolution of Baicheng MS5.0 and MS5.4 earthquake

4 結 語

南天山東段ECRS時間掃描結果顯示，1979～2019年學習時段內南天山東段共發(fā)生22次MS≥5.0地震，均發(fā)生在多參數(shù)對應概率譜的高值異常過程中，地震對應率較高，確定該區(qū)的閾值為0.42，外推時段內在高值過程中發(fā)生了2020年以來拜城2次5級地震，表明該外推結果可信度較高。1979年以來，該區(qū)出現(xiàn)了11次高值異常，其中8次高值異常過程中南天山東段有MS≥5.0地震發(fā)生，且有多個5級地震發(fā)生。首個地震多發(fā)生在異常開始后6個月內，異常持續(xù)時間和幅度均和震級無相關性。多參數(shù)空間掃描結果顯示，庫爾勒以東地區(qū)中強地震前無ECRS高值異常，庫爾勒—拜城地區(qū)多數(shù)中強地震前1年內出現(xiàn)ECRS高值異常，地震發(fā)生在高值異常內部或者周圍，地震后異常面積逐漸減小，異常幅度逐漸減弱，震后1年內異常消失。若地震后異常面積和幅度無明顯變化對后續(xù)中強地震仍有預測意義。地震學多參數(shù)對應概率譜的滑動極值平均概率的時間和空間高值異常，均對南天山東段中強地震有一定的時間預測意義，能為該區(qū)MS≥5.0地震的預測提供參考依據(jù)。