地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (4): 1447-1453   PDF    
川滇地区MS≥7.0地震时空对称特征及趋势判断
李向农, 延军平     
陕西师范大学 地理科学与旅游学院, 西安 710062
摘要:地震时空趋势判断对于防灾、减灾有重要意义.选取1900年以来川滇地区MS≥7.0地震序列数据,采用可公度计算、蝴蝶结构图和可公度结构系方法研究川滇地区MS≥7.0地震时间对称特征及趋势;分析地震震中经纬度迁移,结合川滇地区地质构造和地震危险性判断准则研究川滇地区MS≥7.0地震空间对称特征及趋势.研究结果显示:(1)川滇地区MS≥7.0地震具有明显时间对称特征,2017年发震信号最强.(2)川滇地区MS≥7.0地震具有明显空间对称特征,存在主、次对称轴带和对称中心,未来鲜水河-小江断裂带中段安宁河断裂带发震水平最高.
关键词地震    时空对称    趋势    川滇地区    
Space-time symmetry and trend of MS ≥ 7.0 earthquakes in Chuandian area
LI Xiang-nong , YAN Jun-ping     
School of Geography and Tourism, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China
Abstract: Predicting the time-space trend of earthquakes is the significant step for earthquake disaster prevention and reduction. Based on the seismic data (MS ≥ 7.0) since 1900 in Chuandian area, The space-time symmetry and trend of MS ≥ 7.0 earthquakes were analyzed and judged by using the different methods:including commensurability information, commensurability value extraction, butterfly structure diagram, commensurability structure system, longitudinal and latitudinal migration, space symmetry structure and judgement rules of seismic hazard. The results show:(1) There is a strongest earthquake signal in 2017, and it is possible there is a greater magnitude earthquake(MS ≥ 7.0).(2) The earthquakes sequence has obvious spatial symmetry structure, existing one main symmetry axis zone, one vice main symmetry axis zone and one symmetry center. The next earthquake may occur in An-ning river fault zone.
Key words: earthquake     space-time symmetry     trend     Chuandian area    
0 引言

由于地震的突发性和巨大破坏性,如果能准确判断地震三要素:发震地点、时间和震级大小,将能极大地减少地震灾害损失.科学界将地震预测定义为:“同时给出未来地震的位置、大小、时间和概率4种参数,并且每种参数的误差小于或等于一定标准(Wyss, 1991).”地震预测一直是地球科学最富有挑战的研究领域,吸引了众多学者的关注(陈运泰,2009),并探索出多种地震预测的方法:如用于长期地震预测的“地震空区”方法;中期预测的地震活动性图像方法;以及短、临地震前兆,有b值、Q值、地磁和地电、地下水、动物行为异常等.但目前地震预测仍未达到理想水平,关于地震能否预测亦存在广泛的争议(Kossobokov, 2013).

地震趋势判断的研究思路是暂时放松地震预测的严格约束条件,研究地震的时空分布规律,对未来地震震级、发震时间和空间位置进行判断.通过不断地积累研究案例和拓展研究方法,逐步去提高地震趋势判断的精确度,最终为地震预测做出贡献.汶川地震与玉树地震之前学者的相关研究(龙小霞等,2006; 延军平和闫娜,2008)证明了地震趋势判断对于发现地震规律,提前判断地震的发生有重要意义.

我国翁文波院士将可公度性研究引入自然灾害趋势判断(翁文波,1981),为自然灾害的研究开拓了一种新的方法.尽管存在对可公度方法用于灾害趋势的质疑(杨杰和李爱群,2008),可公度方法在地震灾害的趋势判断方面取得了大量的研究成果(董国胜,1987; Hu and Han, 2005; 林辉等,2009; 谭锴,2009; 丁彩霞等,2014; 胡辉等,2015; 唐宝琪和延军平,2015).但应用可公度方法进行灾害趋势判断的研究仍处于起步阶段,需要进一步完善可公度方法,并揭示灾害趋势的内在机理.地震趋势判断需要多方法综合研究,目前还没有一种“包打天下”的独立方法.因此,有必要结合多种方法,相互印证,共同判断地震趋势,以提高地震趋势判断的准确性.

中国是全球地震频发区,由于欧亚板块和印度板块的碰撞,应力聚集导致川滇地区地震活动剧烈,是我国大陆地区最显著的地震活动区域,地震灾害防灾、减灾任务艰巨.同时川滇地区相对完整和详尽的地震记录资料,也为研究地震时空对称性和趋势判断提供了研究数据.因此,选择川滇地区作为研究区具有典型性.

本文选取1900年以来川滇地区MS≥7.0地震序列数据,采用可公度计算、可公度值提取、蝴蝶结构图和可公度结构系方法研究川滇地区MS≥7.0地震时间对称特征及趋势;分析地震震中经纬度迁移,结合川滇地区地质构造和地震危险性判断准则研究川滇地区MS≥7.0地震空间对称特征及趋势.通过多方法综合,进一步完善地震对称性和趋势判断研究.

1 资料来源与方法 1.1 资料来源

川滇地震的历史数据主要来源于中国地震信息网(http://www.csi.ac.cn)以及《全球地震灾害信息目录(9999B.C.-2010A.D.)》.从中提取1900年以后,川滇地区MS≥7.0级的地震序列目录,具体包括发震时间、震级、地点及经纬度坐标.

1.2 研究方法 1.2.1 地震时间对称性及趋势研究方法

(1) 可公度计算

最早在天文学研究中总结的天体运行的可公度性,被翁文波院士引入信息预测科学,继而广泛应用于自然灾害趋势研究领域,尤其是地震灾害研究,并取得了显著的成果.主要使用的可公度计算有:三元可公度、四元可公度、五元可公度和一般可公度值计算.

(2) 蝴蝶结构图

蝴蝶结构图是可公度方法的直观图形化表达,反映灾害事件的时间序列所蕴藏的多时间周期对称性结构.可借助蝴蝶结构图判断未来灾害发生时间窗口期,并可进一步计算预测年份中灾害发生的随机性概率值,计算灾害不漏报置信水平.

(3) 可公度结构系

可公度结构系将灾害时间序列在二维平面中,以特定的时间间隔进行重构,形成相对规则的网络结构图,是灾害时间结构对称性的另一种表达和验证.构建的可公度结构系越工整,代表灾害的时间对称性规律越强,对未来灾害的趋势判断更准确.

1.2.2 地震空间对称性及趋势研究方法

利用地震序列事件空间经纬坐标,结合川滇地区地质构造,确定近115 a间MS≥7.0地震数据空间分布的对称性,依据地震危险性判别的主要准则,判断未来地震发生的空间位置.

2 川滇地区MS≥7.0地震时间对称性及趋势判断

20世纪以来,川滇地区地震活动其强烈,发震频率非常高,统计1900年以来近115 a川滇地区MS≥7.0地震活动数据(表 1),对其可公度性开展研究.具体计算过程中,同一年份发生多次MS≥7.0地震,按照一次对待.

表 1 川滇地区MS≥7.0地震序列 Table 1 The MS≥7.0 earthquakes sequence in Chuandian area
2.1 1900年以来川滇地区MS≥7.0地震可公度计算 2.1.1 三元可公度趋势判断

X1=1904;X2=1913;X3=1917;X4=1923;X5=1925;X6=1933;X7=1941;X8=1948;X9=1950;X10=1955;X11=1967;X12=1970;X13=1973;X14=1974;X15=1976;X16=1988;X17=1995;X18=1996;X19=2008;X20=2010;X21=2013;X22=?

计算结果为:

2016年9次;2017年3次;2018年7次;2019年4次;2020年13次;2021年8次;2022年5次;2023年6次;2024年7次;2025年9次;2026年5次;2027年5次;2028年3次;2029年3次;2030年1次;2031年1次;2033年1次.未来10 a中,2020年信号最强,其次是2016年.

2.1.2 四元可公度趋势判断

X1=1904;X2=1913;X3=1917;X4=1923;X5=1925;X6=1933;X7=1941;X8=1948;X9=1950;X10=1955;X11=1967;X12=1970;X13=1973;X14=1974;X15=1976;X16=1988;X17=1995;X18=1996;X19=2008;X20=2010;X21=2013;X22=?

计算结果为:

2016年74次;2017年77次;2018年68次;2019年61次;2020年48次;2021年32次;2022年35次;2023年33次;2024年27次;2025年10次;2026年12次;2027年7次;2028年4次;2029年6次;2030年3次;2036年1次.未来10 a中,2017年信号最强,其次是2016年.

2.1.3 五元可公度趋势判断

X1=1904;X2=1913;X3=1917;X4=1923;X5=1925;X6=1933;X7=1941;X8=1948;X9=1950;X10=1955;X11=1967;X12=1970;X13=1973;X14=1974;X15=1976;X16=1988;X17=1995;X18=1996;X19=2008;X20=2010;X21=2013;X22=?

计算结果为:

2016年185次;2017年179次;2018年167次;2019年141次;2020年137次;2021年110次;2022年102次;2023年95次;2024年89次;2025年61次;2026年59次;2027年43次;2028年28次;2029年30次;2030年16次;2031年12次;2032年7次;2033年6次;2034年3次;2035年1次;2036年1次;2038年3次;2039年1次.未来10 a中,2016年信号最强,其次是2017年.

2.1.4 可公度值计算趋势判断

将川滇地区MS≥7.0地震活动数据时间序列数据中,每一次发震时间由年月日表达形式转换为以年表达的形式,以此计算相邻两次地震之间的时间间隔,并计算可共度值K的数值(表 2),计算结果显示川滇地区MS≥7.0地震活动数据时间序列数据存在K=2.47年的可公度值,以此推算,川滇地区下一次MS≥7.0地震可能发生时间为:2013.30+2×2.47=2018.24,为2018年3月底,考虑到可能存在的误差,下一次发震时间亦有可能为2017年.

表 2 川滇地区MS≥7.0地震可公度信息 Table 2 The commensurability of MS≥7.0 earthquakes sequence in Chuandian area

综合多种可公度计算方法结果进行推测:下一次川滇地区MS≥7.0地震有可能在2016、2017和2018年.

2.2 蝴蝶结构图趋势判断

通过分析川滇地区MS≥7.0地震活动可公度信息,利用1933年以来川滇地区MS≥7.0地震活动年份构建蝴蝶结构图(图 1),图形表现出显著的时间对称性规律:总体上川滇地区MS≥7.0地震活动呈现出3 a、7 a、15 a、22 a、40 a的准时间周期,其中40 a时间间隔的组数为6组,表现最强烈;其次3 a、7 a、22 a周期各出现5次.与2016年相关的周期主要有3 a和40 a,外推2016年川滇地区发生MS≥7.0地震的随机概率为56.25%,不漏报的置信水平为60%.与2017相关的周期主要有7 a和22 a,外推2017年川滇地区发生MS≥7.0地震的随机概率为65.5%,不漏报的置信水平为66.67%.

图 1 川滇地区MS≥7.0地震蝴蝶结构图 Figure 1 The butterfly structure of MS≥7.0 earthquakes in Chuandian area
2.3 可公度结构系趋势判断

为了更好地描述川滇地区MS≥7.0地震活动的时间对称性规律,进一步构建川滇地区MS≥7.0地震活动的可公度结构系(图 2),从图中可以看出川滇地区MS≥7.0地震活动具有较强的时间对称性.结构系包含4个标准矩形,以1933、1973年为起点,以相同的时间间隔15、7、15、7 a同时向下延伸形成4组地震年份;同时结构系还包括两个平行四边形,以1955、1995年为起点,向右上方同时拓展,以12、6 a为时间间隔,形成2组地震年份,并与之前的矩形相互嵌套.该结构系非常工整,表现出川滇地区MS≥7.0地震活动很强的时间对称性,据此得出的未来川滇地区MS≥7.0地震的时间窗口期为2016和2017年,与之前方法得出的结论基本吻合.

图 2 川滇地区MS≥7.0地震可公度结构系 Figure 2 The commensurability system structure of MS≥7.0 earthquakes in Chuandian area
3 川滇地区地震灾害空间对称性及趋势判断 3.1 川滇地区MS≥7.0地震震中经、纬度迁移特征

图 3为川滇地区MS≥7.0地震震中经向、纬向迁移图.从图中可以看出,经向对称轴在101°E左右;纬向对称轴大体在27°N左右.考虑所有已知地震序列的空间极限范围,初步判断下一次地震可能发生在99.5°E~102.5°E之间、28°N以南附近.

图 3 川滇地区MS≥7.0地震震中经度、纬度迁移趋势 Figure 3 The migration trend of latitudinal and longitudinal of MS≥7.0 earthquakes in Chuandian area
3.2 川滇地区地质构造与MS≥7.0地震空间对称性

地震发生有其地质构造背景,断层和断裂带是地震频发的区域.川滇地区作为我国大陆地区最显著的地震活动区域,其地质构造十分特殊.川滇块体位于李四光教授提出“青藏滇缅印尼歹字型构造体系”中部,由川滇外弧带和滇西内弧带两个断裂体系构成.川滇地块外弧带的主体为玉树—鲜水河—小江弧形断裂系,是一级构造边界带,包括甘孜—玉树断裂、鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂、普雄断裂带、小江断裂带、会理—易门断裂、普威—红格断裂、曲江断裂、石屏—建水断裂、杨武断裂及奠边府断裂.滇西内弧带位于青藏高原东缘,从北面的理塘断裂一直延伸到南面的南汀河断裂,构造变形强烈,包括理塘断裂、剑川断裂、程海—宾川断裂带、丽江—大理裂陷带、马登—巍山裂陷带、畹町断裂、南汀河断裂以及孟瑙断裂,多为左旋走滑活动,少数为拉张性的正断层,构造活动性被认为是中等(孙尧等,2014).

参照已有相关研究(王凡等,2013),绘制川滇地区近115年MS≥7.0地震震中空间对称结构(图 4),白色圆圈代表 115年来MS≥7.0地震大致的空间位置,其中的序号表示在地震时间序列中的排序.地震空间分布存在两个对称轴带:Ⅰ为主对称轴带,空间区域基本与川滇地区地质构造外弧带吻合;Ⅱ为次对称轴带,空间区域基本与川滇地区地质构造內弧带吻合;C为主对称中心,空间位置基本上处于主对称轴带与龙门山断裂带交汇处.川滇地区MS≥7.0地震序列在空间上具有较好的对称迁移特征(图 5).

图 4 川滇地区MS≥7.0地震震中空间对称结构 Figure 4 The spatial symmetry of MS≥7.0 earthquakes in Chuandian area

图 5 川滇地区MS≥7.0地震序列震中空间对称及迁移特征 Figure 5 The characteristic of spatial symmetry and migration of MS≥7.0 earthquakes in Chuandian area

初步判断,川滇地区下一次MS≥7.0地震最有可能发生在三个区域:若以主对称中心C对称,则可能发震于丽江—小金断裂(LJXJ);若以主对称轴带I对称,则可能发震于大盈江断裂(DYJI);若向主对称轴带I迁移,则可能发震于安宁河断裂(ANHE).

3.3 川滇地区MS≥7.0地震空间危险性判断

为了更加准确的判断下一次川滇地区MS≥7.0地震空间位置,从地震离逝时间和地震空区角度分析未来该区地震危险性.

3.3.1 离逝时间

离逝时间是指某条发震断裂距上一次该断裂发生大地震的时间间隔,基于活动断裂的大地震活动往往具有准周期性特点,因此,一条活动断裂带的离逝时间越接近其大地震复发周期,它未来的强震危险性便越高.当一条断裂带的离逝时间接近其大地震复发周期时,便可称为“预警断层”(吴中海等,2014).

将川滇地区MS≥7.0地震序列空间分布按照集群划分,主要地震分布在川滇地震构造外弧带(图 4中主对称轴带):包括玉树—鲜水河—小江大型左旋走滑变形带(其南端包含两条北西向的右旋走滑断裂带:峨山—曲江断裂和石屏—建水断裂);川滇地区地质构造內弧带(包括图 4中次对称轴带):理塘—大理—瑞丽活动构造带;以及一些邻侧断裂带.玉树—鲜水河—小江大型左旋走滑变形带MS≥7.0地震序列的平均发震间隔为15.1 a,发震间隔跨度非常大,从3 a至43 a,在未来仍存在很高的发震可能.但由于中国大陆内部大地震原地复发的时间尺度达百年、甚至千年,因此在这条走滑变形带下一次最有可能发生地震的区域,应该在鲜水河—小江断裂带中段已经历了数百年平静期的安宁河断裂带.其次是川滇地区地震构造內弧带,MS≥7.0地震序列的平均发震间隔为35.5 a,排除已发生地震的断裂带,最有可能发震的地点是理塘断裂带.最后是川滇地区地震构造內弧带西南侧的断裂带,即中缅边境地区,MS≥7.0地震序列的平均发震间隔为15.7 a,发震间隔跨度非常大,从9 a至26 a,最近一次发震时间是1988年,排除已发生地震的断裂带,下一次发震的地点可能在大盈江断裂.

3.3.2 地震空区

地震空区的概念最早由Mogi提出,并定义了两类“空区”(Mogi, 1979).一种“空区”是指断裂带上在最近一次大地震循环过程中尚未被地震破裂覆盖的段落,此类空区通常是该断裂带上未来大地震危险性最高的地段.另一种空区是“地震围空区”,描述某条地震带或活动断裂带发生大震之前,其周围通常被许多中小地震所包围的现象.在一段时期内,被已发生的地震活动所围限,处于“异常平静”状态中的活动断裂带或构造带应是其中未来强震活动危险性最大的区段,并且周边地震活动的强度越大,其未来强震的震级也越大(吴中海等,2014).

图 4可以看出,在川滇地区地质构造外弧带和內弧带之间存在明显的地震空区:LJXJ丽江—小金和断裂;川滇地区地质构造内弧带尾部与邻侧地震区之间也存在地震空区:WLSH无量山断裂.它们也是未来潜在地震的高度危险区.

综合以上分析,并考虑到近5年内鲜水河—安宁河—小江构造下地壳“热河”异常流动带(李德威等,2013),下一次川滇地区MS≥7.0地震活动发震地点可能为:鲜水河—小江断裂带中段安宁河断裂、中缅边境地区的大盈江断裂、丽江—小金断裂,而鲜水河—小江断裂带中段安宁河断裂危险性最高.

4 结论与讨论 4.1 结论

利用多种可公度计算方法、蝴蝶结构图和可公度结构系研究川滇地区地震序列的空间对称性及趋势.利用川滇地区的地质结构,分析川滇地区近115 a间MS≥7.0地震序列的空间对称性及趋势.得出的基本结论如下:

(1) 川滇地区近115 a间MS≥7.0地震具有良好可公度性,2017年发震信号最为强烈.

川滇地区MS≥7.0地震具有良好可公度性,利用三元可公度趋势判断:2020年信号最强,其次是2016年;四元可公度趋势判断:2017年信号最强;五元可公度趋势判断:2016年信号最强,其次是2017年和2018年;利用可公度数计算结果:2017年和2018年信号最强.可公度结构系判断结果显示:2016年和2017年发震信号强烈.蝴蝶结构图外推2016年川滇地区发生MS≥7.0地震的随机概率为56.25%,2017年川滇地区发生MS≥7.0地震的随机概率为65.5%.

综合多种方法,认为川滇地区2017年发震信号最强烈,其次是2016年和2018年.

(2) 川滇地区近115 a间MS≥7.0地震具有良好空间对称性,未来鲜水河—小江断裂带中段安宁河断裂发震信号强烈.

研究发现,川滇地区MS≥7.0地震序列在空间上具有良好的对称性特征,经向对称轴在101°E左右;纬向对称轴大体在27°N左右.地震空间分布存在两个对称轴带,空间区域基本与川滇地区地质构造外弧带和內弧带吻合;存在一个主对称中心,空间位置基本上处于主对称轴带与龙门山断裂带交汇处.鲜水河—小江断裂带中段安宁河断裂、中缅边境地区的大盈江断裂、丽江—小金断裂的地震危险性较高,其中鲜水河—小江断裂带中段安宁河断裂在未来发生MS≥7.0地震信号最强.

4.2 讨论

对称性是自然界中普遍存在的现象,地震时空对称性特征为地震趋势判断提供了新的研究视角.在地震内在机理没有完全确定的情况下,对地震表象特征进行描述,总结地震时空规律,在大量案例研究基础上,“由表及里”逐步揭示地震规律和潜在机理是现实有效的研究途径.在研究过程中,单一方法很难保证结果的准确性,需要充分利用多种方法,相互印证,增加地震趋势判断的精度.文章的创新点集中体现为地震趋势判断的多方法的综合集成.在地震时间趋势判断研究中,首先采用三元可公度、四元可公度、五元可公度和可公度值计算,判断未来发震信号的强度,继而用蝴蝶结构图和可公度结构系方法,对地震时间趋势判断进一步验证.地震空间趋势判断研究中,分析地震序列的经纬度迁移特征,结合川滇地震构造寻找地震序列对称性特征,对未来地震发震地点进行预测,并结合地震危险性判断准则,对地震空间趋势判断进一步验证.

多方法结合应该成为地震趋势判断的一种研究思路,探索新的方法并揭示其隐藏的内在机理是今后进一步研究的方向.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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