以往震例总结表明,地震活动往往在大震发生前出现非随机性增强现象,可用地震应变释放曲线呈加速形态、某一时间段内小震次数增多、断层总面积及地震活动性增强度等来表述,如:茂木清夫(1969)指出,在浅源大震发生前的一段时间内,震源区周围广大区域的地震活动明显增强;梅世蓉(1960)指出,我国历史大震,如1668年7月25日山东郯城8½级和1679年9月2日河北三河平谷8级大震前,有感地震频度具有先增加后减弱的变化趋势;张肇诚等(1990)指出,1976年7月28日河北唐山7.8级大震前,燕山地震带东区1974年ML≥4.0地震高达6次(以往年均1次),京津唐渤张东区1973年7月ML≥3.0地震频度显著增高,唐山至五原1976年3月ML≥2.7地震高达45次,均呈现高频次异常;谢智等(1998, 2001, 2007)分析发现,在1983年11月7日山东菏泽6.0级地震前,震中附近地区于1981年12月—1982年7月先后发生4次ML 4.0—4.8地震。
中原地区(31°—37°N,110°—117°E)大致包括河南省、河北省南部、山东省西部、安徽省西北部、湖北省北部及山西省中、南部地区,面积约50万km2。该地区地质构造上跨越华北地块、秦岭大别造山带和扬子地块3个一级大地构造单元。该区地震活动相对较弱,1970年至今发生1次6.0级地震(1983年11月7日山东菏泽MS 6.0地震)、2次MS 5.1地震(即1979年5月22日和2013年12月16日湖北巴东2次MS 5.1地震)、46次ML 4.5—5.3地震。对于少震弱震地区,中等地震前是否存在ML≥3.0地震频次相对增强的异常现象,文中通过统计中原地区1970年以来发生的3.0级以上地震,与该区ML 4.5以上地震进行映震分析,以期得出二者时空对应关系。
1 资料选取采用全国统一地震编目,选取1970年1月—2020年6月中原地区发生的983次ML≥3.0地震目录,按季度(3个月)、半年(6个月)和全年(12个月),统计地震发生频次(图 1),并选取该区同期发生的ML≥4.5地震,回溯检验各时段ML≥3.0地震高频次异常与ML 4.5地震的对应关系。
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图 1 中原地区1970年以来ML ≥ 3.0地震N—t图 (a) 季频次;(b) 半年频次;(c) 年频次 Fig.1 The N-t diagram of earthquakes with ML ≥ 3.0 since 1970 in Central China |
设各时段3级地震频次初始数据为Xi(i = 1,2,…),计算得到平均值X,求取一倍中误差σ(Xi),剔除平均值正负一倍中误差数据,剩余数据为Yi(i = 1,2,…,j;j≤i),求得平均值Y,取大于Y的整数,作为各时段ML≥3.0高频次定量指标。对于中原地区983次ML≥3.0地震,采用上述方法,统计得到季度、半年、年度ML≥3.0高频次定量指标,结果见表 1。
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表 1 中原地区各时段3级地震高频次异常定量指标 Table 1 The quantitative indexes of high-frequency anomalies of earthquakes with ML≥3.0 in Central China for each statistic period |
中原地区1970年1月至2020年6月共发生ML≥4.5地震43次(同一地震序列只计1次最大地震),统计结果见表 2,地震分布见图 2。
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表 2 1970年以来中原地区ML≥4.5地震参数 Table 2 The basic parameters of earthquakes with ML≥4.5 since 1970 in Central China |
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图 2 中原地区1970年以来ML ≥ 4.5地震分布 Fig.2 Distribution of earthquakes with ML ≥ 4.5 since 1970 in Central China |
受资料所限,表 2中序号为1和2,即在1970年发生的2次地震,不计入映震分析统计结果。因此,在以下分析中,ML≥4.5地震指序号3—43的41次地震。
根据表 1所示结果,当ML≥3.0地震季频次≥5、半年频次≥9、年频次≥18时,定为ML≥3.0地震高频次异常,分析高频异常出现后1年内,与研究区所发生的ML≥4.5地震的映震关系,并据许绍燮(1989)提出的预报效能评分标准,计算R值。受篇幅所限,文中仅列出中原地区1970年以来ML≥3.0地震半年高频次异常与ML≥4.5地震的对应关系,结果见表 3,并统计3级地震高频次在不同时段与ML≥4.5地震的对应关系,结果见表 4。
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表 3 中原地区1970年以来ML≥3.0地震半年高频次异常与ML≥4.5地震对应关系 Table 3 The relation statistics between high-frequency anomalies of earthquakes with ML≥3.0 and earthquakes with ML≥4.5 since 1970 in Central China |
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表 4 中原地区1970—2020年各时段3级地震高频次异常与ML≥4.5地震对应关系统计 Table 4 The parameters of relation statistics between the high-frequency anomalies of earthquakes with ML≥3.0 and earthquakes with ML≥4.5 since 1970 in Central China for each statistic period |
由表 4可知:①中原地区ML 3.0地震高频次与其后1年内ML 4.5以上地震有一定相关性;②ML 3.0地震不同时段高频异常后1年内发生ML 4.5地震的映震率分别为0.65、0.63、0.64,表明异常时段不同,映震率差别不大;③映震率随异常时段增大而减小,漏报率则相反;④地震预测效能评分R值分别为0.192、0.318、0.332,均大于97.5%的置信度对应的R0值,表明该指标具有一定预测价值;⑤一次3级地震高频次异常现象出现后,一般只对应1次ML≥4.5地震,少数异常对应2次ML≥4.5地震,偶尔对应3—4次ML≥4.5地震,统计结果详见表 5;⑥ML 3.0地震不同时段高频异常识别中,若前几个月之和已达到各自高频定量指标,则可提前预警,有可能减少地震漏报现象。
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表 5 1次异常后对应ML≥4.5地震统计 Table 5 The number of earthquakes with ML≥4.5 after an anomaly |
综上可知,在不同时段,中原地区ML≥3.0地震高频次异常与ML≥4.5地震的发生,在时间上具有相关性,表明该高频次异常对该区其后1年内ML≥4.5地震的发生具有一定预测价值。
4 高频次异常与地震的空间分布特征一次具有减灾实效的地震预测,要求地震三要素有较明确的表述。据梅世蓉等(1993)的场源统一观,震源及附近地区是应力区,且应力、应变随时间而增长,较大地震发生前,中小地震在空间上的集中分布现象是一种具有意义的地震前兆,而中小地震在空间上的集中,可反映单位面积地震频次的高低。将中原地区(31°—37°N,110°—117°E)按不同形式分割,如以34°N线为界,将研究区分为N(北)半区和S(南)半区,或以113.5°E线为界,将研究区分为E(东)半区和W(西)半区,研究不同分区内地震频次与ML≥4.5地震的位置关系。
以河南省内地震震级ML≥4.5、外围地震震级ML≥5.0为原则,从表 3中选取19次ML≥4.5地震作为震例,进行分区研究。也就是说,若分区中某一小区地震频次较另一小区高,且表 2所列与此异常对应的地震震中恰好位于频次较高的小区,则认为二者的空间相关性较好。如图 3所示进行分区,统计并绘制各小区3级地震高频次异常与ML≥4.5地震分布关系,结果见表 6和图 3。
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图 3 ML 3.0地震高频异常与ML ≥ 4.5地震空间对应关系 Fig.3 The relation statistics between the high-frequency anomalies of earthquakes with ML ≥ 3.0 and epicenters of earthquakes with ML ≥ 4.5 |
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表 6 ML≥3.0高频异常与ML≥4.5地震空间相关统计 Table 6 The spatial relation statistics between the high-frequency anomalies of earthquakes with ML≥3.0 and earthquakes with ML≥4.5 |
表 6显示,在19次震例中,N(北)半区3级地震高频次与ML≥4.5地震震中所在区域一致的有12次,占比63.2%;综合分析发现,在19次震例中,除序号30的震例,其他18次均可预估未来ML≥4.5地震发震区域。尽管该研究结果仍不尽人意,但相对研究区(31°—37°N,110°—117°E)42平方度(6°×7°)面积而言,预测区域将减小到21平方度。若表 6中预测区域能缩小到WN、EN、ES和WS等4个分区中某一个小分区时,预测区域可缩小到10.5平方度,虽然19次震例中仅有6次震例满足异常分布。
如图 3中序号为22的震例,1991年1月—6月ML≥3.0地震频次为9次,满足半年高频次异常判定指标(≥9次)。依时序分析,其后1年内在研究区(31°—37°N,110°—117°E)可能发生ML≥4.5地震,实际情况是,达到异常指标7个月后,即1992年1月14日,河南登封(34.98°N,113.28°E)发生ML 4.7地震。
由于1991年1月—6月ML 3.0地震半年频次达9次,此后可将研究区以34°N为界分为N(北)、S(南)区,由图 3(a)可知,N、S分区分别发生7次和2次3级地震,比较两分区异常频次高低,可判断N分区未来发生ML≥4.5地震的可能较大。以113.5°E为界,将研究区分为E(东)和W(西)区,由图 3(b)可知,E和W区分别发生0次和9次3级地震,对比两区异常频次高低,可推断W分区未来发生ML≥4.5地震的可能较大。将研究区以34°N和113.5°E划分为4个小区(即WN小区、EN小区、ES小区和WS小区),由图 3(c)可见,4个小区3级地震依次发生7次、0次、0次和2次,4个小区比较,西北小区为3级地震集中区,频次为7次,较其他3个小区高,由此可预估未来ML≥4.5地震发生在WN小区的可能性较大,实际上,1992年1月14日河南登封ML 4.7地震震中即位于该研究区的WN小区。
5 结论综上所述,可以得出以下结论:①中原地区ML 3.0地震高频次异常与其后ML 4.5以上地震有一定相关性;②ML 3.0地震季、半年和全年高频次异常定量指标分别为:5次、9次和18次;③高频次异常后1年内发生ML≥4.5地震,映震率分别为0.65、0.63和0.64;④地震预测效能评分R值分别为0.192、0.318、0.332,均大于97.5%的置信度对应的R0值,表明该指标具有一定预测价值;⑤3级地震3个月、半年和年时段内,若前几个月之和已达各自高频次定量指标,则可提前预警,有可能减少地震漏报现象;⑥依据不同形式,将研究区划分为多种小区,探讨3级地震高频次与ML≥4.5地震震中位置的关系,在19次震例中,有18次可将ML≥4.5地震的预测区域从42平方度减小到21平方度,在少震弱震地区地震预测预报日常工作中,具有一定实用价值。
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