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        1890—2020年伊朗MS≥6.8地震時空對稱性及趨勢分析

        2022-10-11 09:55:28楊馥寧延軍平朱春鳴
        地震工程學報 2022年5期
        關(guān)鍵詞:太陽黑子三性強震

        楊馥寧,延軍平,王 婷,肖 南,朱春鳴

        (1.陜西師范大學 地理科學與旅游學院,陜西 西安 710119;2.內(nèi)蒙古師范大學 地理科學學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

        0 引言

        地震是一種具有突發(fā)性、瞬時性的自然現(xiàn)象,在短時間內(nèi)釋放出大量能量并具有極大的破壞性,對人類社會影響較大,是世界上最嚴重的災害之一[1]。伊朗每年發(fā)生3 000多次地震,根據(jù)《全球地震目錄》等相關(guān)資料從20世紀至今(1900—2017年)平均每4.7 a就發(fā)生一次MS≥6.7的破壞性強震[2]。地震不僅造成了財產(chǎn)損失和人員傷亡,同時還會引發(fā)滑坡、泥石流和瘟疫 等次生災害,導致伊朗社會秩序混亂。所以地震預測尤為重要,對國家社會經(jīng)濟的發(fā)展和穩(wěn)定具有重要意義。

        地震的時空對稱性在地震研究中備受關(guān)注,孫宗揚[3]認為對稱性是物理學中的第一原理。Noether[4]證明對于力學體系中每個連續(xù)的對稱變換都有一個守恒量與之對應。翁文波院士[5]將可公度性從天文學應用于信息預測科學中,對中國的地震和干旱等災害進行了一系列預測,使其在理論和方法上得到很大發(fā)展。延軍平[6]認為自然災害能量的釋放與分布應該具有一定的時間周期和空間累積,所以可能具有一定的自然時空可公度性。近年來一些學者將可公度方法運用到地震的趨勢判斷中,效果顯著,體現(xiàn)出重要的科學價值[7-13]。

        本研究選取伊朗1890—2020年MS≥6.8地震數(shù)據(jù)進行分析,探討了該區(qū)地震活動的時空規(guī)律及其物理機理。本研究的預測結(jié)果可在一定程度上減少當?shù)氐牡卣馂暮p失,對于可公度方法和三性法的應用研究也有重要意義。

        1 研究區(qū)概況

        本研究區(qū)由三個構(gòu)造單元所組成,即南部的扎格羅斯褶皺帶、北部的科佩特褶皺帶和中—東部伊朗新生代活動帶[14](圖1)。其中扎格羅斯造山帶是世界上發(fā)生地震次數(shù)最多的造山帶之一,屬于新特提斯碰撞造山帶的一部分[15]。有研究表明,阿拉伯板塊以20~25 mm/a的速度向歐亞大陸北移[16-17],兩個板塊緩慢碰撞推動伊朗扎格羅斯山脈抬升,由此形成了扎格羅造山帶。伊朗在大地構(gòu)造位置上處于歐亞板塊與阿拉伯板塊之間,并以兩者之間的伊朗微板塊為主體[14],同時位于地中?!柴R拉雅地震帶上,復雜的地質(zhì)構(gòu)造是伊朗地震多發(fā)的重要原因。伊朗作為海上絲綢之路與陸上絲綢之路的交匯點,自“一帶一路”提出以來,成為人們關(guān)注的重點區(qū)域,對其地震規(guī)律的研究具有重要意義。

        圖1 伊朗地區(qū)研究區(qū)域示意圖(據(jù)參考文獻[14]修改)Fig.1 Schematic diagram of the study area in Iran (Modified after reference[14])

        2 數(shù)據(jù)來源及方法

        2.1 數(shù)據(jù)來源

        伊朗1890—2020年的地震數(shù)據(jù)(表1)來源于美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA),同時參考了《全球地震災害信息目錄》[18]以及中國地震臺網(wǎng)(http://news.ceic.ac.cn)。當數(shù)據(jù)有偏差時以NOAA為準,這樣保證了數(shù)據(jù)的完整性及準確性,從而確保了對伊朗未來地震趨勢判斷的準確性。太陽黑子數(shù)來自于比利時皇家天文臺WDC-SILSO數(shù)據(jù)庫(https://www.sidc.be),自轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)來源于國際地球自轉(zhuǎn)服務https://www.iers.org)。

        表1 1890—2020年伊朗MS≥6.8地震參數(shù)Table 1 Parameters of MS≥6.8 earthquakes in Iran form 1890 to 2020

        2.2 研究方法

        2.2.1 可公度理論

        可公度性是一種自然界普遍的規(guī)律,用來描述自然現(xiàn)象的周期性特征,是時空對稱性的統(tǒng)一體現(xiàn)[19-20]。時間對稱性意味著有序性,是某種地理模型在時間方面的不變性[21]??臻g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[1]。常用的可公度方法主要為三元、四元和五元可公度法,目的是對預測信號的多次驗證。由于三元穩(wěn)定性高,當結(jié)果不一致時優(yōu)選三元可公度法。蝴蝶結(jié)構(gòu)圖是可公度方法關(guān)于自然災害時間對稱性的進一步表達,主要用于解決可公度計算結(jié)果中如果有多個可能年份時,該如何抉擇的問題[22]??晒冉Y(jié)構(gòu)系可以對可能年份做進一步驗證。

        2.2.2 三性法

        三性法是對強震進行中期預測的一種方法,它是由郭增建等[23]提出的。即地震的周期規(guī)律、倍周期規(guī)律以及黃金分割規(guī)律,具體表示方法是:

        T=cT1=dT2,其中,c和d為正整數(shù),當c∶d=2∶3或c∶d=3∶5時,以T1和T2為周期的波進行疊加形成振幅最大的T周期波,其中,T1和T2在T的黃金分割點上,分別對應于0.382T和 0.618T[24]。

        三性法對新疆于田和四川九寨溝等地震事件的預測驗證有一定效果[25-26]。在此基礎(chǔ)上,借助于三性法預測并驗證未來伊朗強震的可能性。

        3 結(jié)果分析

        3.1 伊朗MS≥6.8地震的時間對稱性與趨勢判斷

        3.1.1 可公度計算

        本文選取1890—2020年的21次MS≥6.8地震數(shù)據(jù)作為參數(shù),若同一年中發(fā)生多次地震則按一次計算。設X1=1890;X2=1895;X3=1909;……;X20=2013;X21=2017;求解X22=?

        三元可公度得出結(jié)果為:2021年5組;2022年8組;2023年3組;2024年5組。其中2022年信號最強,其次為2021年和2024年。

        四元可公度得出結(jié)果為:2021年49組;2022年32組;2023年20組;2024年24組。其中2021年信號最強,其次為2022年。

        同樣對地震數(shù)據(jù)進行五元可公度計算,得出的結(jié)果為2021年103組;2022年91組;2023年74組;2024年59組。2021年信號最強,其次為2022年。

        綜上,2022年的地震信號強于其他各個年份,其次為2021年和2024年。為了使結(jié)果更加精確,應用蝴蝶結(jié)構(gòu)圖來進行進一步判斷。

        3.1.2 蝴蝶結(jié)構(gòu)圖趨勢判斷

        蝴蝶結(jié)構(gòu)圖是由等時間間隔的多種周期組成的,它反映的是多變量間的一種周期性共振變化,最終可得到預測年份隨機性概率和不漏報置信水平[1]。具體公式如下:

        隨機性概率:Ta=M/N,不漏報置信水平:(1-α)=M/(N+1)。其中,Ta是災害事件時間序列中預測年份發(fā)生的可能概率,N為災害事件總次數(shù),M為參與實際預測的災害次數(shù)。

        與2021年相關(guān)的周期有49 a和40 a;與2022年相關(guān)的周期共有4組,分別為5 a、9 a、66 a和41 a;與2024年相關(guān)的周期有27 a、34 a和67 a(圖2~3)。由于N=21,M2021=14,M2022=17,M2024=16,所以伊朗地區(qū)2021年發(fā)生MS≥6.8地震的隨機概率為66.7%,2022年為81%,2024年為76.2%;不漏報置信水平分別為63.6%、77.3%和72.7%。

        圖2 伊朗地區(qū)MS≥6.8強震的2022年時間序列蝴蝶結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Butterfly structure diagram of the 2022 time series of MS≥6.8 strong earthquakes in Iran

        圖3 伊朗地區(qū)MS≥6.8強震的2021年和2024年時間序列蝴蝶結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Butterfly structure diagram of the 2021 and 2024 time series of MS≥6.8 strong earthquakes in Iran

        綜上,伊朗在2021、2022和2024年都有可能發(fā)生強震,但是2022年發(fā)生MS≥6.8地震的概率最大。

        3.1.3 可公度結(jié)構(gòu)系趨勢判斷

        可公度結(jié)構(gòu)系是一種時間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖,它清晰地反映出了各個地震年份之間的相互關(guān)系,是可公度法的補充和驗證的有效途徑[5]。結(jié)構(gòu)系橫向以34 a為主周期,以32 a為次周期,縱向呈現(xiàn)9 a和6 a的周期(圖4)。由此可見,2022年發(fā)生強震的可能性較大,這與可公度計算和蝴蝶結(jié)構(gòu)圖趨勢判斷結(jié)果相一致。

        圖4 伊朗地區(qū)MS≥6.8地震可公度結(jié)構(gòu)系Fig.4 The commensurability structure system of MS≥6.8 earthquakes in Iran

        3.1.4 伊朗地震的三性分布

        通過分析發(fā)現(xiàn)伊朗地震符合三性法分布。例如1890年與1923年發(fā)生了兩次MS≥6.8地震,時間間隔為33 a;1929年和1956年伊朗分別發(fā)生了7.4級和6.8級地震,間隔也是33 a。以33 a作為大周期的黃金分割長段間隔為33×0.618=20.39 a。1957年12月發(fā)生7.1級強震,按照規(guī)律下次地震可能會在1977年7月發(fā)生,該預測與1977年3月發(fā)生的6.9級地震相差約4個月。1990年6月在德黑蘭西北部發(fā)生7.3級強震和1977年的時間間隔為13 a,這與黃金分割短段的12.6年相差了7個月,二者構(gòu)成了33 a的整周期。結(jié)合可公度預測結(jié)果以此規(guī)律外推,2022年底發(fā)生MS≥6.8地震的可能性更大。該方法可能將地震預測誤差縮小到幾個月以內(nèi),提高了趨勢分析的可靠程度。

        3.2 區(qū)域強震的空間分布特征

        3.2.1 震中經(jīng)向、緯向遷移特征

        地震的空間對稱性是其發(fā)生機理的外在表現(xiàn)形式,也就是說它可能是反映地球內(nèi)部運動狀況的指標之一[27]。從緯度遷移圖中可以看出,震中緯度主要集中在32°N及其周圍地區(qū)。從19世紀90年代到20世紀30年代,震中南北平穩(wěn)遷移;20世紀50年代到70年代初,震中集中在32°N以北地區(qū);從20世紀70年代至21世紀,震中又回到了南北平穩(wěn)遷移的特征。經(jīng)向上以54°E為對稱軸,從19世紀90年代到20世紀70年代初,震中東西平穩(wěn)遷移;而后集中在54°E以東地區(qū),到20世紀80年代初從東到西平穩(wěn)遷移。

        從震中空間遷移圖中還可以看出,除個別年份外,震中經(jīng)向遷移與緯向遷移具有同步性,當震中緯度向北遷移時,經(jīng)度向西遷移。假設伊朗地區(qū)的強震分布有較好的對稱性,那么下次區(qū)域強震很有可能向東南方向遷移,在32°N以南,54°E以東地區(qū)。

        圖5 伊朗地區(qū)MS≥6.8地震震中緯向、經(jīng)向遷移Fig.5 Epicenter migration of MS≥6.8 earthquakes of Iran in the latitude and longitude

        3.2.2 震中的空間旋轉(zhuǎn)規(guī)律

        將伊朗1890年以來MS≥6.8的21次地震事件按照發(fā)生的先后順序3個為一組構(gòu)成若干個三角形,分析震中的空間遷移特征。伊朗強震呈明顯的東西對稱分布,遷移的主方向為“西北-東南”(圖6)。其中,西北向東南遷移了6次,東南向西北的遷移有5次,具有良好的空間對稱性。強震在空間旋轉(zhuǎn)趨勢上大體呈現(xiàn)順時針-逆時針交替變化的規(guī)律。依據(jù)此變化規(guī)律可推測下一次地震應該是逆時針旋轉(zhuǎn)。

        圖6 伊朗地區(qū)MS≥6.8強震震中三角遷移Fig.6 Epicenter triangle migration of MS≥6.8 strong earthquakes in Iran

        從圖中可以看出空間三角形大致以東北-西南方向為對稱軸,主要集中在第一、二和四象限。三角形的底邊主要集中在第一和第四象限,頂點震中位置集中在第二象限,且對稱軸南北兩側(cè)的地震有較好的對應關(guān)系。2013~2017年震中跨越對稱軸向西北方向移動,預計下次區(qū)域強震向東南方向遷移的可能性較大。這與震中經(jīng)緯向遷移趨勢一致。

        19世紀90年代到20世紀60年代構(gòu)成第一次回旋遷移,表現(xiàn)為大范圍的東西跨躍。20世紀初到20世紀30年代為一個平靜期,20世紀30年代到60年代為一個相對活躍期。從20世紀60年代到21世紀以后,構(gòu)成第二次回旋遷移,集中于克爾曼沙汗地區(qū)。其中,1968年、1972年、1977年、1978年和1979年是一個小活躍期,呈現(xiàn)為小范圍的南北回旋遷移,集中在呼羅珊地區(qū);20世紀80年代以后,遷移至克爾曼地區(qū),同時小范圍回旋遷移。

        3.3 相關(guān)物理機理探討

        3.3.1 太陽黑子與伊朗強震的關(guān)系

        揭示地震的內(nèi)在機理,可能是地學對自然災害研究的重要貢獻之一[28]。其中,太陽黑子與地震的發(fā)生關(guān)系一直是學者關(guān)注的重要話題[29-30]。有研究表明,對于不同區(qū)域太陽活動增強或減弱都有可能導致地震的發(fā)生。地震與太陽活動的關(guān)系總體上是基于太陽黑子的極值年或上升段與下降段來展開的[30-31]。從圖7中可以看出:(1)太陽黑子單雙周期交匯處地震事件占 52.3%,單周年地震發(fā)生了12次,占比達到57.1%。(2)在這21次強震事件中,有12次地震發(fā)生太陽黑子的極值年及其附近年份。而且強震易發(fā)生在太陽黑子活動周期的下降段。2022年處于太陽黑子的第25周期上,即進入單周年時期,同時在太陽黑子的極值附近并且處于黑子活動的下降段,所以地震的發(fā)生信號較強。

        圖7 太陽黑子活動與伊朗強震的關(guān)系Fig.7 The relationship between sunspot activity and strong earthquakes in Iran

        3.3.2 地球自轉(zhuǎn)與伊朗強震的關(guān)系

        地球自轉(zhuǎn)速度呈現(xiàn)波動變化,地球加速度變化產(chǎn)生的附加應力,會影響其各圈層的物質(zhì)運動,塊體之間由于質(zhì)量、大小不同,應力增減的程度隨之改變,會發(fā)生分離或追尾運動,從而觸發(fā)地震[32]。有研究表明地球自轉(zhuǎn)速率變化與發(fā)震時間具有良好的相關(guān)性[33-34]。地球自轉(zhuǎn)速度用日長LOD表示,即當?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速度增加時,日長相對變短,反之亦然。從圖8中可知:(1)地球自轉(zhuǎn)減速期發(fā)生地震12次,加速期發(fā)生地震9次;減速期發(fā)生強震的概率為57.1%。由此可知地球處于自轉(zhuǎn)減速期時,發(fā)生強震的可能性較大。有研究發(fā)現(xiàn),自轉(zhuǎn)速度的減慢,會使地表深處的巖石承受的壓力加大,從而引發(fā)地震[5]。(2)自1890年以來,地震發(fā)生在日長極值年及其附近年份的次數(shù)為13次,占比61.9%。從圖8中可知目前日長基本處于極小值,之后推斷可能會上升,所以2022年很有可能發(fā)生強震。

        圖8 地球自轉(zhuǎn)日長與伊朗強震的關(guān)系Fig.8 The relationship between LOD and strong earthquakes in Iran

        4 結(jié)論

        本文依據(jù)伊朗地區(qū)1890年以來MS≥6.8地震資料,利用可公度法和三性法對強震的發(fā)展趨勢進行研究,可得到以下結(jié)論:

        (1) 根據(jù)三元、四元和五元可公度計算結(jié)果,2022年伊朗發(fā)生MS≥6.8地震的可能性最高,隨機性概率為81%,2024年次之,隨機性概率為76.2%;伊朗127年MS≥6.8的地震序列符合三性法分布且有較好的周期性,橫向以34a為主周期,縱向呈現(xiàn)9a和6a的周期。

        (2) 伊朗震中分布有良好的空間對稱性。其中,緯向?qū)ΨQ軸在32°N左右,經(jīng)向?qū)ΨQ軸在54°E左右,處于扎格羅斯褶皺帶上,整體上以東北-西南向為對稱軸。而且經(jīng)緯向遷移具有同步性,大體上當震中緯度向北遷移時,經(jīng)度向西遷移。推斷下一次該地區(qū)MS≥6.8地震可能發(fā)生在克爾曼地區(qū)。

        (3) 從發(fā)震機理上看,1890年以來伊朗MS≥6.8地震多發(fā)生在太陽黑子的下降段和極值年附近,同時多發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)減速期。

        本研究借助可公度法、蝴蝶圖和三性法對伊朗MS≥6.8地震進行時空趨勢判斷,研究方法是基于災害事件的對稱性展開的,因此尚未達到地震預報的精確程度,并結(jié)合太陽黑子數(shù)和地球自轉(zhuǎn)速度變化簡單探討了地震發(fā)生的物理基礎(chǔ),并未從震源發(fā)震機制上進行詳細分析,相關(guān)深層機理還需進一步的研究。

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