基金项目:国家自然科学基金联合基金(U2039205); 国家重点研发计划(2018YFE0109700); 2024年度震情跟踪定向工作(2024010405); 中国地震台网中心青年基金(QNJJ—202304).
第一作者简介:于 晨(1988-),工程师,主要从事地震电磁学方面的研究.E-mail:yuchen@seis.ac.cn.
(1.中国地震台网中心,北京 100045; 2.中国地震局地震预测研究所,北京 100036)
(1.China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China)(2.Institute of Earthquake Forecasting,China Earthquake Administration,Beijing 100036,China)
Multi-Method Earthquake Prediction(MMEP); CSEP; Load/Unload Response Ratio; R-value test; prediction test
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0021
地震是地壳介质在长期构造加载作用下发生变形,导致断层错动,最终发生失稳的结果。地震发生的物理成因虽然已达成广泛共识,但地震预报仍然是世界性难题,其主要原因在于,破坏性地震往往发生在地下数千米至数十千米的深处,导致与地震孕育过程相关的介质物性变化、应力状态和动态演化规律难以被准确观测到。通过在地表布设的观测仪器获得的资料,究竟能为地震预报提供多大程度的帮助,地震学界目前仍未达成共识(陈运泰,2009)。
在地震预测预报研究领域,如何合理地选择地震前兆预测模型是一个比较复杂且关键的问题,不同的模型通常会得到不同的预测结果。随着地震预测研究的不断深入,将现代统计物理的相关理论和方法应用于地震预测预报领域取得了长足的进展,这已经成为物理学和地震学之间一个活跃的交叉研究方向。Rundle等(2003)把统计物理方法应用于地震活动性图像分析,并对美国加州地区的地震活动进行了预测,获得了比较好的预测结果。Bowman和King(2001)、Yu等(2006)根据震前断层间相互作用的库仑应力触发关系,对地震临界区域进行约束,提出了解决统计区域选择的一个途径。这些方法尽管在一定程度上能够确定大地震发生前的孕震区域的应力及地震活动性演化,但是难以提取其中的中短期异常变化信息,因而直接应用在中短期地震预测预报中仍然存在困难。
[HJ2.7mm][KG(0.2mm]为了得到一个简单统一且时间相关的地震预测模型,研究人员尝试将多种前兆模型联合应用于地震预测研究,从而实现在空间上向地震危险区域逐渐逼近,在时间上从长期预测向中短期预测的自然过渡。近年来国际合作的地震预测实验室也给出了组合模型方法的研究方案(Zechar,Jordan,2010),如Gelfand等(1976)最早提出使用组合多种模式识别技术提取不同的地震前兆现象; Shebalin等(2012)尝试不同权重的组合模型方法,为组合速率模型和预警模型提供了方向。本文讨论的多方法组合预测模型(Multi-Method Earthquake Prediction,MMEP),以长、中、短临预报思路为指导,将图像信息(Pattern Informatics,PI)、矩加速释放(Accelerating Moment Release,AMR)、我国学者提出的态矢量(State Vector,SV)和加卸载响应比(Load/Unload Response Ratio,LURR)4种不同时间尺度的预测模型进行合理组合,在近10多年的地震预测实践中取得了较好的效果(马震等,2020; 余怀忠等,2020; 于晨,2022)。
“地震可预测性国际合作研究”(Collaboratory [KG(0.2mm]for the Study of Earthquake Predictability,CSEP)计划由美国南加州地震中心(South California Earthquake Center,SCEC)主导,针对地震的可预测性以及如何开展地震预测工作的问题进行研究分析,通过全球不同地区的测试中心,开展类似于竞技运动的活动,鼓励地震工作者开发多种不同时间尺度的地震预测模型。目前,CSEP计划已经由1.0阶段发展到2.0阶段(张盛峰,张永仙,2021),近几年依托国家重点研发计划,CSEP中国检验中心已基本建设完成,开发研制了图像信息(PI)、加卸载响应比(LURR)和态矢量(SV)等预测模块。为了更好地评估CSEP中国检验中心的实用性,本文对基于上述3种预测方法的多方法组合预测模型MMEP的年度预测结果进行了梳理总结,并采用CSEP中国检验中心的R值评分模块对年度预测结果进行了评估。
MMEP方法的建模思路如下:首先采用图像信息(PI)方法对研究区域进行空间扫描,从中长期时间尺度上找出存在地震活动异常的区域,这些区域是未来可能发生大地震的危险区。然后用加卸载响应比(LURR)和态矢量(SV)对上述异常区的地震趋势进行评估,在中短期时间尺度上优化和筛选危险区,最后通过矩加速释放(AMR)方法对筛选的区域中潜在的地震发生时间和震级进行渐近估计,最终确定“时、空、强”三要素。
地震活动率的变化是潜在应力变化的一种表现形式,PI扫描技术方法是建立在此基础上的。该方法通过严格的统计检验,提取地震活动状态显著偏离平均状态的区域(显著平静和显著活动地区),即“地震热点”,是一种预测效能较高的中长期地震预测方法。该方法由Rundle等(2000)提出,Tiampo等(2002)为PI方法赋予了数学概念,并对其计算过程进行了较为合理的解释,他们的研究结果显示PI方法的预测结果比相对强度法(Relative-Intensity,RI)和随机预测更准确,预测的时间尺度为3~10年。
LURR方法通过识别震源介质的稳定状态来探查大地震的发生,SV方法可以探查包含震源区的孕震系统的稳定性,而AMR方法是基于地震可以被视为临界点的假设提出的。LURR方法是基于岩石本构关系动态演化提出的预测方法,是对震源区地壳介质破坏规律的重要发现。Yin 等(1995,2002)研究发现,在大地震之前的数月至数年间,加卸载响应比时间序列会出现明显的异常,这一现象可以被用作预测地震发生的重要前兆规律。SV方法是由尹祥础等(2004)提出的一种地震预测方法。当包含孕震区介质的系统处于稳定状态时,态矢量变化相对平稳,当大地震临近时,则会出现显著异常变化,4个相关参数时间序列会急剧增加。地震学家发现,存在震前地震能量幂率加速释放这一规律,Sammis和Smith(1999)对地壳的间歇性临界状态的研究也得到了类似的结果。根据此规律可以将大地震看作一种地壳的临界现象,而地壳并不是一直处于临界状态。一次大地震发生后,该地区的地壳将远离临界状态,之后构造应力的增加又使地壳逐步趋向临界状态,地壳介质的相关尺度也逐渐增大,而相关尺度的大小与震级有密切的关系。
2006年1月开始,美国南加州地震中心发起了CSEP计划,该计划由全球多个国家的众多科学家组成,该计划的目标是建立虚拟的、分布式的实验室,在全球各区域或全球尺度进行更为广泛的科学预测实验。CSEP计划总部位于美国,日本、欧洲和新西兰已建成CSEP分中心并投入使用,目前中国和冰岛分中心正在积极筹备建设中。2018年开始,CSEP专家组开始倡导CSEP 2.0阶段的工作,提出了针对新时期、新形势下的预测检验平台建设的设计要求和解决方案,并根据当前预测模型和检验方法的发展提出了新的科学问题。在CSEP 2.0阶段,中国依托科技部政府间国际科技创新合作重点专项“中国地震科学实验场的地震可预测性国际合作研究(2018YFE0109700)”,与南加州地震中心合作建立CSEP中国检验中心。
目前,MMEP模型中的PI、LURR和SV方法的预测-检验模块已开发完成,用于震例回溯性检验和实时分析。以LURR模块为例(图1),在预测模块中,地震目录作为输入文件,通过修改震级范围、时间范围、研究区域范围、计算时间窗长和步长和异常阈值等参数,可以得到对应的LURR值异常分布情况。在检验模型中,输入需要检验的地震目录,修改预测最小震级和检验日期范围等参数,得到LURR异常的R值空间检验结果,在完成模型计算和R值检验后,平台可以自动产出检验报告。今后,我国地震工作者将通过CSEP中国检验中心,开发完成MMEP预测检验模块,实现检验报告自动产出。
R值评分方法是一种目前广泛使用的地震预报效能评价方法自20世纪70年代至今经过不断改进完善,在地震年度危险区预报效能评估等工作中发挥了重要的作用。本文采用R值评分方法对MMEP近几年的结果进行评价。
根据许绍燮(1989)的计算思路,采用地震报准率和预测的时间或空间占有率之差计算R值:
式中:h和τ分别表示地震报准率和预测区域的空间占有率; 在年度预测检验中,NH和NT分别表示本年度报准的地震个数和本年度发生的地震总数; SP和ST分别表示预测区的面积和全国国土总面积。通常认为,当预报的成功率高于随机概率的成功率,即R>0时,该预测结果具有一定的预测效能(张国民等,2002)。由于年度危险区的空间形状是不规则的,面积各有不同,为了能够精简R值评分方法的计算过程,CSEP中国检验分中心采用1°×1°的网格划分方法进行计算,因此式(1)可修改为:
式中:NP和NG分别表示地震危险区覆盖的网格数和中国大陆覆盖的网格数; NH为该年度落入MMEP年度危险区网格内的地震个数; NT为该年度发生的地震总数。
MMEP方法基于Yu等(2006)、Bowman和King(2001)等的研究成果,将PI、LURR、SV和AMR这4种不同时间预测尺度的方法进行有机的结合,捕捉孕震过程中异常演化的共性特征。在年度预测过程中,地震工作者对模型在地震响应的空间尺度上进行改进,针对不同地区地震活动水平自动设定空间扫描参数; 在时间尺度预测方面,随着震例的不断积累,地震工作者会选择合适的预测模型,对发震时间做出预测。
由表1可见,2018年度中国大陆共发生5级以上地震16次,其中12次地震发生在MMEP方法给出的年度危险区或附近区域,预测的10个危险区中,有7个发生了显著的地震事件,R值评分为0.65。并且对中国大陆西部的预测结果要优于东部——吉林松原5.7级地震不在预测区内,而东部2个预测区内没有发生目标地震,这可能与东部地区的地震活动水平以及地震发生周期有关(薛艳等,2020)。针对不同地区,如何给出合适尺度的时间预测结果,尚需改进。值得注意的是,2018年2月12日河北永清4.3级地震发生在 “渤海湾西段5.0”预测区内,而西部地区的10月16日新疆精河5.4级和9月12日陕西宁强5.3级地震不在危险区内。梳理周、月会商跟踪资料发现,天山中段的LURR值异常开始于2018年下半年,2018年年初不具备年度预测的条件。同样,宁强5.3级地震前的LURR值异常主要发生在2018年5—7月,也不具备年度预测的条件。
2019年度中国大陆共发生5级以上地震20次,其中10次地震发生在预测的危险区附近,R值评分为0.38,而该年度最显著的地震事件——四川长宁6.0级地震就发生在预测意见给出的“川滇交界东部6±”预测区内。进一步分析发现,长宁6.0级地震以及多次5级以上地震和四川威远5.4级地震均发生在该预测区内。从LURR方法的时间序列演化看,从2018年初开始,LURR值快速增加并在2018年年中达到峰值,LURR值异常持续至长宁6.0级地震,并在震后逐渐回落(马震等,2020),这表明长宁6.0级地震发生前,震源区介质存在明显的应力累积过程。西藏墨脱6.3级地震不在预测区内,这可能与地震发生的位置较为偏僻,地震目录不完备有一定关系。总体来看,中国大陆西部地区的预测结果优于东部地区。
2020年度中国大陆及台湾地区附近海域共发生5级以上地震28次,其中17次发生在MMEP方法年度预测区及附近,R值评分为0.51。2020年1月19日新疆伽师6.4级和6月26日新疆于田6.4级地震分别发生在用MMEP方法得出的 “南天山西段6.5±”和“西昆仑6.2±”危险区内。于晨等(2020)、余怀忠等(2020)和刘月等(2023)研究发现,于田及其附近地区存在明显的PI热点异常,异常持续时间长、范围大; LURR扫描结果显示,2018年于田地区存在异常,但并不显著,2018年12月 —2019年11月异常明显增强,随后开始减弱,2020年6月26日于田发生6.4级地震。正是根据LURR值的时空演化特性并结合PI异常分布,地震工作者在2020年度地震趋势预测中确定了新疆、西藏交界处的地震危险区。7月23日西藏尼玛6.6级地震并不在地震趋势预测中给出的危险区内,震后回溯性研究发现在震前3个月震中附近出现LURR值异常,该异常可能与该地区构造环境有关,因此不具备年度预测条件。
2021年度中国大陆及台湾地区附近海域发生5级以上地震37次,其中24次发生在MMEP方法年度预测区及附近,R值评分为0.52。5月22日青海玛多7.4级地震为本年度最大震级地震,位于地震趋势预测中给出的“甘青川6±”和“青藏交界东部6~7”2个预测区中间。青海、四川、西藏交界地区是震前3年使用MMEP方法得出需重点关注的存在发生6.5级以上强震的地区,并且在2021年将青海、西藏交界东部的震级水平由前2年的“6.5±”调整为“6~7”。云南漾濞6.4级地震发生在“川滇藏交界6±”预测区南部地区,距离预测区大约60 km。本年度由于LURR值异常分布面积的变化,研究人员缩小了该地区的预测区范围,同样是根据LURR值异常回落变化,2021年将地震预测区从连续跟踪3年的祁连山地震带的西部地区调整到东部地区,因此未能预测到青海茫崖5.8级和甘肃阿克塞5.5级地震。LURR值异常回落所预示的预测时间尺度究竟是多大,还需要对已有震例进行系统性回溯研究。
2022年度全国共发生5级以上地震53次,其中35次发生在MMEP年度预测区内及边缘,R值评分为0.53。9月5日四川泸定6.8级地震位于“川滇藏交界M6.5”预测区东侧,距离预测区约80 km。研究人员在周、月会商跟踪过程中发现,三岔口南部地区自2021年12月1日之后就存在LURR值异常,异常沿鲜水河断裂边缘呈北西向分布,2022年7月异常向震源区扩展,异常空间展布逐渐增大,并一直持续到泸定6.8级地震。泸定地震后,震中附近地区的LURR值开始减弱并逐渐消失(于晨,2022)。此外,该年度祁连山地震带地震活动非常活跃,虽然地震带的东段和西段均存在PI异常,但年度预测时LURR值异常集中在西段,因此尚不具备对青海门源6.9级、德令哈6.0级地震做出年度预测的条件。
2023年度全国共发生16次5级以上地震,其中7次发生在预测意见给出的预测区内及边缘,R值评分为0.33。该年度中国大陆地区5级以上地震活动明显偏弱,大陆东部及附近海域地震活动有所增强,这也增加了本年度预测的难度。值得注意的是,新疆沙雅6.1级和温宿5.1级地震位于年度预测意见给出的“天山中段6~7”危险区西南部约50 km处。在做年度预测时,震源区LURR值异常不显著,但地震发生前LURR值异常呈现由北向南扩展的趋势性变化。在回溯性分析中发现,震前一周的LURR值计算结果显示,新疆沙雅6.1级和温宿5.1级地震发生在LURR值异常区域的边缘,这为今后在中短期时间尺度上预测地震的发震地点提供了新的思路。
本文介绍了CSEP中国检验中心已开发完成的PI、LURR、SV等预测模块,采用CSEP中国检验中心的R值评分模块,对基于上述方法的MMEP模型2018—2023年度全国预测意见的效能进行了评估,得到以下结论:
(1)2018—2023年度MMEP模型预测结果的R值评分均值为0.3~0.4,年度预测效能波动较小,其中2020—2022年连续3年R值超过0.5。
(2)中国大陆西部地区的预测结果要优于东部地区。在年时间尺度上对2019年四川长宁6.0级、2020年新疆伽师6.4级以及2020年于田6.4级地震进行了预测,在中短期时间尺度对2022年四川泸定6.8级地震进行了预测,预测给出的“时、空、强”三要素基本正确。2018年河北永清4.3级地震发生在 “渤海湾西段5.0”预测区内,但预测震级偏高。
(3)针对不同地区,如何选择合适的预测时间尺度和空间扫描参数,对预测效能的高低起到重要的作用,因此在今后的预报实践中需对预测结果进行梳理和总结,不断完善各方法的时空预测参数。
(4)MMEP模型中的PI、LURR和SV 3种方法的预测检验模块已在CSEP中国检验中心开发完成,计划未来将引入完整的MMEP预测检验模块,实现检验报告自动产出等功能。
本研究使用了CSEP中国检验中心R值评分模块,在此表示衷心感谢。