基金项目:2016年度震情跟踪定向任务“青海地区地震序列参数的早期特征研究”(2016010133)资助.
(Earthquake Administration of Qinghai Province,Xining 810001,Qinghai,China)
epidemic type aftershock sequence model; aftershocks sequence; stability analysis; Menyuan MS6.4 earthquake
备注
基金项目:2016年度震情跟踪定向任务“青海地区地震序列参数的早期特征研究”(2016010133)资助.
采用时间序列的“传染型余震序列”(ETAS)模型和最大似然法,对2016年1月21日门源MS6.4地震序列参数进行估计。选用截止震级MC=ML1.0对门源地震余震序列整体的参数进行连续滑动拟合。结果 表明:在主震发生后的早期阶段,α值有明显的不稳定变化,震后3天稳定在1.0~1.4; p值在震后第1~6天由0.98逐渐上升到1.77,其后逐渐下降到1.42,最后相对稳定在1.1~1.3; b值则在震后早期有缓慢升高的变化,但变化幅度不大,由0.77增至0.82,其后稳定在0.81~0.82。门源MS6.4地震后的早期阶段震源区的应力积累水平逐渐减弱,在序列衰减逐渐减缓的过程中,伴随着激发次级余震能力减弱的现象。
Using time series “epidemic type aftershock sequence”(ETAS)model and the maximum likelihood method,we estimate the parameters of aftershocks sequence of the Menyuan MS6.4 earthquake on Jan.21,2016,and then select the cutoff magnitude MC=ML1.0 to do continuous sliding fitting on these parameters. The result shows the α value changed unstable in the early stage after the main shock,then it was stable in the range of 1.0~1.43 days after the mainshock. The p value increased gradually from 0.98 to 1.77 within 1~6 days after the mainshock and then gradually decreased to 1.42,and finally remained steady at 1.1~1.3. And the b value increased from 0.77 to 0.82 in the early stage after the mainshock,and then remained steady at 0.81~0.82. The stress accumulation level was gradually weakened in the focal area in the early stage after the main shock,and in the process of gradually slowing down the aftershock attenuation,there appeared a weak triggering ability in generating secondary aftershocks.
引言
中强地震发生后,不同构造区域、序列类型、主震的震源机制类型、震源区局部构造应力水平以及大地热流等地球物理特征都可能表现为序列参数的显著差异(Kagan et al,2010),且余震序列的衰减特征和激发余震的能力可通过序列的统计参数来表征,因此,获得准确可靠的地震序列参数对快速判定地震序列类型、研究震源区特征和评估后续地震危险性均具有重要的参考价值(蒋海昆等,2007; Guo,Ogata,1997),这也是强震后政府和社会最为关注的问题之一。目前国际上采用时间序列的“传染型余震序列”(Epidemic Type Aftershock Sequence,简称ETAS)模型(Ogata,1988,1989; Zhuang,2011)计算地震序列参数得到广泛的认可,拟合得到的地震序列参数中α值和p值对地震序列的研究有重要意义。
由于地震序列的复杂性,截止震级的选取、震后早期阶段震源区应力场的调整等均影响地震序列参数并可能引起其变化(蒋长胜等,2013a,b,2014; Wang et al,2010),这对震后快速、准确获取地震序列参数带来较大挑战。因此,强震发生后,必须选取合理的截止震级,利用ETAS模型计算其序列参数。本文采用滑动拟合,考察ETAS模型参数的动态变化,判断门源MS6.4地震后早期阶段激发余震的能力和震源区应力积累水平。
1 资料选取和序列完整性分析
2016年1月21日在全新世活动的冷龙岭断裂附近发生门源MS6.4地震。该断裂为左旋走滑兼逆断断裂,断裂走向近NW,由一组近乎平行的次级断裂组成,其西段活动年代为晚更新世晚期(何文贵等,2000)。图1给出了门源MS6.4地震序列及其周围地震分布情况。本文选取分布相对集中在(36.00°~38.50°N,100.00°~103.00°E)内的地震事件作为研究对象。地震事件基本参数使用了中国地震台网中心“全国地震编目系统” 提供的《全国统一正式目录》,选用2016年1月1日至4月25日0.0级以上的地震用于地震序列完整性分析。
在实际的地震序列选取中,为降低不同算法的人为主观性,本文参照蒋长胜等(2014)“自然边界法”的做法,采用纬度-时间图、经度-时
图1 门源MS6.4地震序列空间分布图
Fig.1 Spatial distribution of the Menyuan MS6.4 earthquake sequence图2 门源MS6.4地震序列目录的完整性分析(a)纬度-时间图;(b)经度-时间图;(c)空间分布图;(d)震级-序号图
Fig.2 Catalogue completeness analysis for the Menyuan MS6.4 earthquake sequence (a)latitude-time plot;(b)longitude-time plot;(c)spatial distribution plot;(d)magnitude-rank plot间图及震中分布图相结合的方式,根据地震时空的自然边界选取地震序列,选取过程如图2所示。由于在一些强震发生后的短时间内,主震的波形振幅较大、面波等波列持续时间较长等原因,可能会发生大量的震级小的余震被“淹没”以及余震区甚至更大范围内的地震监测能力显著降低(Akaike,1974)的现象。为确保地震序列的完整性,研究中采用“震级-序号”法(Huang,2006; 蒋长胜等,2014; Zhuang et al,2012)进行定性讨论,“震级-序号”法按地震发生时间的先后顺序排序,地震密度较大的区域的连线大致为MC的时序变化。在主震发生后的0.024 8天,序列的完整性震级MC=ML1.0。根据上述时空选取方法,得到序列中ML1.0~1.9的地震639个、ML2.0~2.9的地震119个、ML3.0~3.9的地震15个、ML4.0~4.9的地震1个,无5.0级以上的余震。
2 序列ETAS模型拟合情况
2.1 时间序列ETAS模型目前国际上对地震序列参数计算主要采用了时间序列的ETAS模型(Ogata,1988,1989; Zhuang,2011)。假设所有的余震均可按照“大森-宇津”公式(Omori,1894; Utsu 1961)激发自己的余震
f(t)=μ+k/(t+c)p.(1)
式中,f(t)为t时刻的余震发生率,t为主震发生后的离逝时间,μ为背景地震的发生率,p表示余震序列衰减的快慢,c为主震后余震频次达到峰值时所对应的时间,k用于描述余震的活跃程度。
实际的地震序列活动往往比较复杂,强余震常会伴有比自己更高阶的余震发生,部分地震序列也不完全按修正的Omori公式衰减,地震序列受激发次级余震的影响出现较大的起伏活动。为解决每个余震都可激发次级余震的情况,Ogata(1988,1989,2001)将自相似思想引入修正的大森公式,提出了ETAS模型,并对其参数及其模型进行了系统研究。ETAS模型假定余震遵从Omori-Ustu公式激发自己的余震,且震级的分布是独立的,主震的发生为初始零时刻,在其后的一个观测时间段[0,T]内的地震序列{(ti,Mi); i=1,2,…,N}的强度函数可表示为(Ogata,1988)
λ(t)=μ+k∑ti<t(eα(Mi-M0))/((t-ti+c)p).(2)
其中,Mi和ti分别表示第i个事件的震级和发生时间; M0为参考震级,一般可取截止震级,Mi>M0。p与修正的“大森—宇津”公式中的p有相同的物理含义,表示序列衰减的快慢,p越大衰减越快。α表示触发次级余震的能力,对于震群型序列,一般情况下α<1,而当地震序列中无明显的被激发的次级余震时,α一般大于1(Ogata,2001)。
2.2 ETAS模型参数的最大似然估计和残差分析ETAS模型参数一般使用最大似然法进行估计。在拟合时间[S,T]范围内,其中0<S<T,似然函数L的形式为
lgL=∑i:S≤ti<Tlgλ(ti)-∫STλ(t)dt.(3)
即可对ETAS模型参数[μ,k,c,α,p]进行最大似然估计。
中强地震发生后,尽快获得可靠的地震序列参数在判断地震序列类型的时效性方面有重要的现实意义。对于门源MS6.4地震序列参数早期特征的考察,选定了2016年1月21日至2月16日ML≥1.0的地震目录,设定参数拟合时段为震后第0.024 8~26.28天,进行MC=ML1.0下的ETAS模型参数的最大似然估计。图3给出了利用ETAS模型拟合的门源MS6.4地震序列的条件强度曲线,其中参数μ=0.000,k=0.030 2,c=0.014 4,α=1.402 6,p=1.303 5。由图3可见,在震后26.28天内,较大余震事件引起的条件强度曲线变化较为明显。
为检验2016年门源MS6.4地震序列ETAS模型的拟合效果,使用“转换时间”域的“残差分析”法(Ogata,1988),可将时间上复杂的地震序列{ti}转化为服从单位速率的稳态泊松分布{τi}(Utsu,1961),并在“转换时间”域{τ}进行拟合效果分析,考察实际地震序列和理论值的拟合情况:
t|→ τ=Λ(t)=∫0tλ(u)du.(4)
如果在残差分析中,转换时间域的累计频次近似直线,并与理论曲线较为接近,则拟合效果较好(Zhuang et al,2012)。由图4给出的门源地震序列累计地震数与ETAS拟合曲线在转换时间域的比较可见,在研究时段内地震序列累计地震数与ETAS模型拟合曲线较为接近,拟合效果较理想。
图3 利用ETAS模型拟合ML≥1.0地震的条件强度曲线(a)和M-t图(b)
Fig.3 Conditional intensity curve of ML≥1.0 earthquakes fitted by the ETAS model(a)and M-t plot(b)图4 利用ETAS模型对ML≥1.0地震的拟合情况(a)累计地震数与ETAS拟合曲线在“转换时间”(τ)域的比较; (b)M-τ图,τ为将时间转换为稳态泊松分布的“转换时间”
Fig.4 Fitting situation of ML≥1.0 earthquakes based on ETAS model (a)comparison of cumulative earthquake number and ETAS fitting curve in transformed time(τ)domain; (b)M-τ plot,in which τ is the transformed time which is according to the stationary Poisson process3 序列ETAS模型参数稳定性分析
利用ETAS模型进行连续、滑动拟合,考察模型参数随序列持续时间变化的稳定性。地震序列参数中的α值代表激发次级余震的能力,α值大则代表产生次级余震的能力弱,反之则强; p值代表序列衰减水平,p值大表示衰减的快,反之则衰减慢; b值表示余震区的应力积累状态。
在使用ETAS模型对门源MS6.4地震序列进行连续、滑动拟合中,将拟合时间窗的起始时刻固定为0.024 8天,序列持续时间t2以1天为步长,自主震后1天增加至26.28天,进行时间窗滑动模型参数拟合,获得α、b和p值随序列持续时间t2的变化(图5)。由图5可见,α值在震后早期的第1~3天变化较为剧烈,之后相对稳定在1.0~1.4,到震后第25天出现突增现象,其后回到之前相对稳定的范围; p值在震后第1~6天的序列早期阶段出现上升—下降—趋于稳定的现象,自0.98逐渐上升到1.77,再逐渐下降到1.42,其后相对稳定在1.1~1.3; b值则在震后早期有缓慢升高的变化,但变化幅度不大,由0.77增至0.82,其后稳定在0.81~0.82。
从图5可以看出,拟合参数α、b和p值相互之间的时间变化特性,如果不考虑主震后第1~2天α值误差较大、数值较高,其他时段α值和p值呈反比例关系,即随着序列持续时间的增加,α值增加则p值降低。由此表明,在门源MS6.4地震序列从衰减到逐渐减缓的过程中,伴随着激发次级余震能力减弱的现象。其次,随着序列持续时间的增加,b值有趋势性升高的序列早期特征,p值在主震后1~3天上升变化,其后时段出现相反的下降变化特征。上述分析表明,主震后的早期阶段震源区的应力积累水平逐渐减弱,在主震后前3天序列衰减速度较快,其后序列缓慢衰减。最后,b值在震后早期有缓慢升高的变化,α值在震后2天内与b值呈短暂的正比关系,其他时段不稳定变化,二者间无明显的规律性关系。
4 结论
本文根据中强地震震情跟踪需要,研究门源MS6.4地震序列发展过程中ETAS模型参数的连续变化特征,开展了ETAS模型参数连续、滑动拟合。采用“自然边界法”选取地震序列,确定序列的完整性震级,并利用最大似然法对地震序列参数进行拟合研究,获得了如下认识:
(1)选用截止震级MC=ML1.0、拟合起始时间C0=0.024 8d的拟合结果表明,门源MS6.4地震序列ETAS模型参数μ=0.000,k=0.030 2,α=1.029,b =0.747 和p=1.667。比较蒋海昆等(2006,2007)给出的中国大陆 294次5.0级以上中强余震序列ETAS模型拟合参数,发现门源MS6.4地震余震序列参数b值低于上述文献研究的相同区域(西北地区)、主震类型和主震震级的平均结果; p值明显高于上述文献研究结果,表明门源地震序列衰减速率较快; α值高于玉树地震序列(α=0.948 2)的结果,显示了门源MS6.4地震序列在震后早期阶段的触发次级余震的能力比玉树MS7.1地震激发次级余震的能力弱。
(2)对门源MS6.4地震序列ETAS模型参数的连续、滑动拟合结果表明,α值在震后早期的第1~3天期间变化较为剧烈,由较高的5.9急速降至0.9,之后相对稳定在1.0~1.4; p值在震后早期的第1~6天自0.98逐渐上升到1.77,然后下降到1.42,其后相对稳定在1.1~1.3; b值缓慢升高,但变化幅度不大,由0.77增至0.82,其后稳定在0.81~0.82。此外,如果不考虑主震后第1~2天α值误差较大、数值较高,α值与p值总体呈现反比例变化; b值与p值也呈反比例关系; α值与b值没有明显的相关性。由此表明,门源MS6.4地震序列在衰减逐渐减缓的过程中,伴随着激发次级余震的能力减弱、震源区应力积累水平减小的现象。
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