收稿日期:2010-06-21
基金项目:地震行业科研专项中国大陆地震活动状态动态评价系统研制(200708020)和2010年度震情跟踪合同制定向工作任务(2010010101)联合资助.
基金项目:地震行业科研专项中国大陆地震活动状态动态评价系统研制(200708020)和2010年度震情跟踪合同制定向工作任务(2010010101)联合资助.
Earthquake-catalogue Completeness of the Small Earthquakes in the Southern Tectonic Region of the Tianshan Mountain,Xinjiang in Different Periods
WANG Qiong,QU Yan-jun,GAO Ge,NIE Xiao-hong
(Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi 830011,Xinjiang,China)
southern tectonic region of Xinjiang; different periods; analysis of completeness the of small earthquake catalogue; Tianshan Mountain
备注
摘要
全文
图/表
参考文献
依据天山地区地质构造、运动强度和历史地震活动的差异性,将南部天山地区划分为南天山东段和南天山西段两个构造区。考虑到新疆台网建设的区域差异性和时间的阶段性,在对两个构造区不同震级下限地震频度时间特征分析的基础上,研究了各构造区不同时段的G—R关系和震级分布特征,并运用Z检验方法对各区不同时段小地震目录差异的显著性进行了分析,进而评估了两个构造区1970年以来不同时段的小地震目录完整性,为区域地震活动性研究中地震目录的合理运用提供参考依据。
According to geological tectonics,motion strength and the difference between the historical earthquake activities in the Tianshan Mountain region,we divide the South Tianshan Mountain into two tectonic regions—the eastern segment and the western one.Considering the fact that the sub-stations of Xinjiang Seismic Network was established in different periods and distributed not so well,and based on the analysis of the frequency character with the different magnitude thresholds in the two tectonic regions,we study G-R expression and character of magnitude distribution in different periods in the two regions,and apply Z Test to analyze the difference between the small earthquake catalogues in different periods,then we evaluate the catalogue completeness of small earthquakes in different periods since 1970.The result may provide reference for people to apply reasonably the earthquake catalogue to the regional seismicity research.
引言
地震目录是地震研究的基础资料,其完整性直接影响着地震工作者对地震活动规律的认识(黄纬琼等,1994; 皇甫岗,李忠华,2010)。地震目录完整性是指某一震级以上的地震都能被观测或记录到。许多地震学家对地震目录的完整性都做过研究,黄纬琼等(1994)以构造带为对象,研究了中国大陆几个分区5级以上地震目录的完整性,并对1970年以来全国地方台网监测能力进行了初步分析。苏有锦等(2003)采用G—R关系方法对川滇地区最小完整性震级进行了分析研究。王海涛等(2006)基于震级—频度关系,对新疆及其境内南天山、北天山历史地震目录的完整性进行分析,通过地震频度、b值拟合以及地震遗失率估计,大致确定了不同下限震级(4.7级以上)地震的完整目录起始时间。皇甫岗和李忠华(2010)对20世纪云南地区地震记录完全性进行了评价。
现代小震记录的完整性依赖于地震台网的监控能力。随着台网建设的发展和完善,新疆地震台网的地震监控能力逐步提高,对小地震的记录能力逐渐提升。新疆地震台网的发展经历了5个阶段(朱令人,2002),小地震的记录能力也不断提升。1964～1970年,仅在乌鲁木齐地区建成监测网; 1971～1975年,新疆台站数量和分布面积有所增大,对全新疆地震有了初步监测能力,南天山西段监测能力达MS≥3.5; 1976～1992年,新疆测震台站迅猛发展,南北天山地震台站密度明显增大,监控能力大大增强。南天山东段和南天山西段喀什以东地区监测能力达MS≥2.5; 喀什—乌恰地区监测能力达MS≥3.0。1993年,由于遥测台网的建成和台网的现代化、数字化改造,新疆测震台站达到34个,台网监测能力日趋稳定。南天山东段和南天山西段阿合奇以东地区的监测能力达MS≥1.2; 南天山西段阿合奇以西至乌恰地区监测能力达MS≥1.8; 喀什—乌恰地区监测能力达MS≥2.3。2005年以来,经过“十五”测震台网建设,新疆的国家级和区域测震台站达63个,其中包括15个国家级数字地震台和48个区域数字地震台。“十五”区域数字地震台网的建成,使得天山地区地震监控能力普遍提高,南天山东段和南天山西段现今的地震监测能力达到MS≥1.0～1.5,喀什重点监视区监测能力达到MS≥0.5～1.8(尹光华等,2010)。
以往学者主要侧重于中强以上地震目录的完整性分析,而地震活动性特征研究很大程度上依赖于小地震目录的完整性,如地震活动图像中条带、空区等的识别,以及频度、b值等的计算。本研究拟对1970年以来新疆南部天山地区不同时段小地震目录的完整性进行评估分析,为区域地震活动性研究中地震目录的合理应用提供参考依据。
依据地质构造、运动强度和历史地震活动的差异性,本研究将南部天山地区划分为南天山东段和南天山西段两个构造区。考虑到新疆台网建设区域的差异性和时间的阶段性,本研究对这两个构造区1970年以来的小地震目录完整性进行了分时段评估分析。首先,在南天山东段和西段不同震级下限地震频度时序分析的基础上,初步确定两个区域的小震目录的时间分段。然后,分析各区不同时段的G—R关系和震级分布特征,并应用Z检验方法对比各区不同时段小地震目录的差异特征,进而评估各区不同时段的地震目录完整性。
1 小地震目录完整性分析方法
1.1 年频度时序分析对于某个构造区带,其地震活动有其自身规律,即相同震级段地震的年频度基本上接近(黄纬琼等,1994)。通过比较不同震级下限范围地震年频度时间演化特征,寻找年频度接近的时间段,就可以初步划分出小地震目录完整性分析的时间分段。
1.2 G—R关系G—R关系是地震活动研究中一个普适的关系,它表明地震的频次与震级之间存在一定的关系,是当前地震目录完整性分析的主要依据(王海涛等,2006; 马宏升等,2005)。在较大区域或地震带上统计各种震级的频度,存在地震频度与震级呈半对数—线性的G—R关系(Gutenberg,Richter,1941)
lgN=a-bM.(1)
式中,M为地震震级,N为震级范围为M～(M+ΔM)的地震数,a和b为统计常数。
由实际观测资料导出的G—R关系常常在低震级端和高震级端偏离线性(王海涛等,2006),在高震级端的偏离是由于实际观测资料中统计的大震事件稀少而带来的涨落以及震级饱和引起的,从实质上说是随机性的反映。在低震级端的偏离主要是由于区域台网缺乏足够的地震监测能力,也是由于地震目录的不完全性而引起。在实际工作中,可以将系统偏离直线初始点lgN所对应的震级看作是记录地震的下限值。
1.3 震级年频度分布对于某一构造带,若某震级段地震目录自某时段起基本完整,那么该震级段地震的年频度基本上接近(黄纬琼等,1994)。通过比较各时段不同震级范围地震年频度分布,寻找到年频度接近的震级段,从而确定不同时段地震目录的最小完整震级。
Z检验通常用来检验来自同一序列的两组独立样本平均值之间的差异。当│Z│≥2.58时,差异非常显著; 当│Z│<1.96时,差异不显著(Aron,Hardebeck,2009)。Z值定义为
Z=(x^-1-x^-2)/(((σ21)/(n1)+(σ22)/(n2))1/2).(2)
式中,x^-1、x^-2为某个目标时间点前后两个时期样本组的平均值,σ1和σ2为标准偏差,n1和n2为各组中的样本数。Z为负值或正值,分别表示后面时期平均值比前面时期的大或小。
通过Z检验方法,分析不同时段小地震目录存在显著差异的震级段,就可定量分析小地震目录完整的起始震级。
2 研究区域和资料的选取
依据南部天山地区地质构造、运动强度、历史地震活动和地壳缩短速率的差异性(马集遐,1994; 李莹甄等,2005; 张培震等,2002; 邓起东等,2003),笔者将南部天山地区划分为南天山东段(Ⅰ)和南天山西段(Ⅱ)2个构造区(图1),再采用新疆区域台网测定的1970～2009年0级以上地震目录研究这两个区域地震目录的完整性。
图1 研究区范围示意图
Fig.1 Sketch of the study area3 南部天山构造区分时段小地震目录完整性分析
4 结论
(1)南天山东段1977年以来地震监控能力达MS≥1.9,2.0级以上地震记录较为完备; 1987～1997年地震监控能力达MS≥1.3,1.8级以上地震记录较为完整; 1998～2009年地震监控能力达MS≥1.1。总体来说,1977年以来该区2.0级以上地震记录较为完整。
(2)南天山西段1979～1986年时段的地震监控能力达MS≥1.9地震,2.5级以上地震记录较为完整; 1987～2005年监控能力达MS≥1.1,1.8级以上地震记录较为完整; 2006～2009年监控能力可能达MS≥0.9。总体来说,1979年以来该区2.5级以上地震目录较为完整。
(3)由于区域地震活动存在非平稳性,因此,依据年频度时序分析划分小震监测能力时间段具有一定的局限性。对于年频度出现显著偏离的时段,可以与其它时段台网的监测能力作对比以及分析该时段的地震活动特征,如震群活动、强震活动等。
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在南天山东段和西段不同震级下限地震年频度时序分析的基础上,初步确定两个区域小地震目录时间分段。然后,分析各区不同时段G—R关系和震级分布特征,并应用Z检验方法对各构造区不同时段小地震目录的差异特征进行分析,进而定量分析1970年以来不同时段的小地震目录完整性。研究中运用K—K法删除了余震。
3.1 年频度时序分析3.1.1 南天山东段1975年以前南天山东段仅有两个临时台站,1976年以后测震台逐步增加,1993年增至6个,经过“十五”数字化改造和建设,2008年该区测震台达8个。
图2a是1970～2009年南天山东段分别以MS1.0、MS1.5、MS2.0和MS2.5作为震级下限,1 a为时间窗、1个月为步长的地震频度图。图中竖线划分出4个地震频度时段。由图2a可见,1977年以后MS≤1.5地震频度逐步增加,总体上呈阶段性上升趋势,特别是1987年以来的趋势上升变化,与该区监测能力逐步提高有关。各时段频度曲线显示,1977～1986年2.0级以下地震频度存在起伏波动变化,2.5级以上地震频度较为稳定; 1987～1997年1.5级以下地震频度存在起伏上升变化,2.0级以上地震频度较为稳定; 1998～2009年1.5级以下地震频度仍呈波动变化,其波动变化可能与区域小地震活动有关,而与记录能力无关(与前一时段相比,该时段测震台仅增加2个)。总体来说,1977年以来该区MS≥2.5地震频度较为稳定,1987年以来MS≥2.0地震频度较为稳定。
3.1.2 南天山西段1978年以前,南天山西段台站变迁及增减变化较大,1979年以后测震台逐步增加至5个,1985～1993年该区测震台基本稳定在7个,经过“十五”数字化改建后,该区测震台增至14个。
图2b是1970～2009年南天山西段分别以MS1.0、1.5、2.0和2.5作为震级下限,1 a为时间窗、1个月为步长的地震频度图。由图2b可见,1979年以前,该区2.0级以下地震频度与其后各时段相比,地震年频度极不稳定,这种现象与该时段该区台站变迁及增减变化较大有关,而1972～1973年该区2.0级以下地震频度异常变化与该时段柯坪块体小震群异常活跃有关。1979年以后2.0级以下地震频度逐步增加,总体来说呈阶段性上升趋势并趋于稳定。各时段频度曲线显示,1979～1986年2.0级以下地震频度存在起伏波动变化,2.0级以上地震频度则趋于稳定; 1987年以来1.5级以下地震频度出现起伏波动变化,2.0级以上地震频度则趋于稳定; 2006年以来1.5级以下地震出现明显的波动上升变化,这可能与测震台网经过“十五”数字化改造和建设以后,该区台网监测能力大幅提高有关(该时段测震台7个增至14个); MS≥1.5地震频度相对稳定。总体来说,该区1979年以来MS≥2.5地震频度较为稳定,1987年以来MS≥2.0地震频度较为稳定,2006年以来MS≥1.5地震频度较为稳定。
图2 研究区不同震级下限地震频度时序图
(a)南天山东段;(b)南天山西段
Fig.2 Frequency curves for different magnitude thresholds in the study regions(a)East part of South Tianshan Mountain; (b)West part of South Tianshan Mountain3.2 G—R关系分析依据南天山东段和西段年频度时序分析,将台网在各区的小地震的记录能力划分为不同阶段。由震级—频度关系lgN=a-bM初步确定出不同时段偏离线性关系的震级下限和上限,然后通过同时变化震级上、下限确定拟合标准差最小的震级下限和上限,从而确定不同时段台网的小地震监控能力。
3.2.1 南天山东段依据南天山东段年频度时序分析,将台网在该区的小地震记录能力划分为1977～1986年、1987～1997年和1998～2009年3个阶段。
由震级—频度关系初步确定南天山东段1977～1986年时段偏离线性关系的震级下限和上限分别为MS1.8和MS4.8(图3a),在此基础上,通过改变震级上、下限范围,确定拟合标准差最小的震级区间为MS1.9～5.0(表1)。由此,确定南天山东段该时段的小地震监控能力为MS1.9。同理,初步确定该区1987～1997年和1998～2009年时段偏离线性关系的震级下限和上限分别为MS1.4和MS5.7、MS1.2和 MS5.0(图3a),拟合最小标准差
分析得到表1,1987～1997年南天山东段小地震监控能力为MS1.3; 1998～2009年南天山东段的小地震监控能力为MS1.1。总体来说,1977年以来该段地震监控能力达MS≥1.9。
图3 南天山东段不同时段震级—频度关系
(a)1977～1986年;(b)1987～1997年;(c)1998～2009
Fig.3 Magnitude-frequency maps for different periods in the eastern segment of South Tianshan Mountain(a)1977-1986;(b)1987-1997;(c)1998-20093.2.2 南天山西段依据南天山西段年频度时序分析划分的台网在该区的小地震目录记录能力分为1979～1986年、1987～2005年和2006～2009年3个阶段。
由震级—频度关系lgN=a-bM初步确定南天山西段1979～1986年、1987～2005年和2006～2009年3个阶段偏离线性关系的震级下限和上限分别为MS1.9和MS5.4、MS1.2和MS5.2、MS1.0和MS5.1。拟合最小标准差分析得到南天山西段1979～1986年的小地震监控能力为MS1.9; 1987～2005年的小地震监控能力为MS1.1; 2006～2009年的小地震监控能力为MS0.9(表1)。总体来说,1979年以来该带地震监控能力达MS≥1.9。
本文关于南天山东段和西段小地震监测能力的研究结果与朱令人(2002)、尹光华等(2010)的研究结果具有一致性,但由于研究时段、区域和方法的不同,结果也存在一定的差异。
3.3 震级年频度分布年频度时序分析显示,台网在南天山东段和西段的小地震记录能力存在阶段性。通过对比分析各时段不同震级档小地震频度的差异性,就可以定量分析不同时段研究区地震目录的最小完整震级。
3.3.1 南天山东段图4为南天山东段和西段不同时段各震级档年频度分布图。由图可见1987～1997年,0≤MS≤1.9地震的年频度明显高于1977～1986年的年频度,而MS≥2.0地震年频度基本变化不大(图4a中虚线)。1977～1986年年频度最大值为1.9(图4a中竖线),1987～1997年年频度最大值为1.4(图4a中竖线)。1998～2009年0≤MS≤1.7地震的年频度明显高于1987～1997年时段的年频度,而1987年以来MS≥1.8地震的年频度变化不大(图4b中虚线)。1987～1997年最大年频度对应的震级下限为MS1.4(图4b中竖线); 1998～2009年最大年频度对应的震级下限为MS1.1(图4b中竖线)。
Z检验表明(表2),1977～1986年、1987～1997年两个时段0≤MS≤1.9地震的年频度差异
表1 南天山东段和西段不同震级限地震G—R关系拟合b值和标准差表
Tab.1 b value and standard deviation fitted by G—R relation with different magnitude thresholds in the eastern and western segment of South Tianshan Mountain注:Mmin为拟合震级下限,Mmax为拟合震级上限,S为拟合标准差.
表2 南天山东段和西段不同时段各震级档年频度Z值
Tab.2 Z value for the different magnitude scale at the different phases in the eastern and western segment of South Tianshan Mountain
图4 南天山东段和西段不同时段各震级档年频度分布图(a)、(b)南天山东段;(c)、(d)南天山西段
Fig.4 Annual frequency distribution map for the different magnitude scales in different periods in the eastern(a),(b)and western(c),(d)segment of South Tianshan Mountain非常显著,而两个时段MS≥2.0地震的年频度差异并不显著。1987～1997年、1998～2009年两个时段0≤MS≤1.7地震的年频度差异非常显著,而两个时段MS≥1.8地震的年频度差异并不显著。
由此得出,1977年以来南天山东段MS≥2.0地震目录相对较为完整,1987年以来南天山东段MS≥1.8地震目录相对较为完整。
3.3.2 南天山西段图4c、d为南天山西段不同时段各震级档年频度分布图。1987～2005年0≤MS≤2.4地震的年频度明显高于1979～1986年的年频度,而这两个时段的MS≥2.5地震的年频度差别不大(图4c中虚线)。1979～1986年年频度最大值为1.9(图4c中竖线),1987～2005年年频度最大值为1.2(图4c中竖线)。2006～2009年0≤MS≤1.7地震的年频度高于1987～2005年,而1987年以来MS≥1.8地震的年频度变化不大(图4d中虚线)。1987～2005年最大年频度对应的震级下限为MS1.2(图4d中竖线),2006～2009年最大年频度对应的震级下限为MS0.6(图4d中竖线)。
Z检验方法显示(表2),1979～1986年、1987～2005年2个时段的0≤MS≤2.4地震的年频度差异非常显著,而MS≥2.5地震年频度差异并不显著。1987～2005年、2006～2009年2个时段0≤MS≤1.7地震的年频度差异非常显著,而MS≥1.8地震年频度差异不大。由此得出该区1979年以来MS≥2.5地震目录相对较为完整,而1987年以来MS≥1.8地震目录相对较为完整。
