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); 震情跟踪项目(2023020503).
第一作者简介:薛 艳(1969-),正研级高工,主要从事地震活动性和地震综合预测研究.E-mail:xueyan5619@seis.ac.cn.
通信作者简介:余怀忠(1975-),研究员,主要从事地震孕育机理和预测理论研究.E-mail:yuhz750216@sina.com.
(1.中国地震台网中心,北京 100045; 2.云南省地震局,云南 昆明 650224)
(1.China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China)(2.Yunnan Earthquake Agency,Kunming 650224,Yunnan,China)
comprehensive short-term and imminent earthquake prediction; weight integration method; strong earthquakes; Sichuan-Yunnan region
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0029
1966年河北邢台7.2级地震后,中国开始了有组织的地震预报实践,建立了长、中、短临相结合的渐进式地震预报会商体系。自20世纪70年代以来,中国地震局每年召开全国地震趋势会商会,进行年度中期预报,确定年度地震重点危险区。在此基础上,对年度地震重点危险区开展月、周短临跟踪。特别是月会商,要根据地震活动和各种地球物理观测资料的动态变化,依据测震学、地壳形变、电磁和地下流体四大学科总结的短临预测指标,结合震例类比定性地给出研判意见(邵志刚等,2024)。为了将综合研判从定性走向定量,学者们进行了多种尝试,如邓世广等(2019)基于泊松分布计算预测区域的背景地震概率和单项预测方法的历史预测效能,采用贝叶斯定理计算单项预测方法的短期或年度地震危险概率,进而采用综合概率方法,给出基于多种单项预测方法的短期或年度地震危险概率预测结果; 何畅等(2022)基于贝叶斯概率推导出单个指标出现异常后强震发生的后验概率,在此基础上使用联合概率计算多项指标出现异常后的综合概率,并对四川地区2013年芦山7.0级、2014年康定6.3级和2019年长宁6.0级地震进行了回溯性研究; 钱晓东和贺素歌(2024)挑选了6项测震学异常指标,首先计算每种指标的概率增益,再考察某个时段6项异常指标出现情况(例如存在2项或4项),利用贝叶斯公式计算综合概率P值,由此得到了P值随时间的变化曲线,用来预测云南地区未来中短期发生6级以上地震的可能性; 陈立德(1993)提出了权重集成法,即首先根据各单项异常的历史预报效能计算其权重值,并据此建立权重集成方程。
依据该方程采用历史回代法求权重集成P,最后根据历史上对应有震的权重集成的最小值和对应无震的最大值,求出权重集成值的临界阈值P0。当P≥P0时作有震预报,否则作无震预报。该方法简单、直观、综合性较强。
川滇地区位于青藏高原东南缘,构造运动强烈,是我国大陆地区强震最为频繁的地区之一。该区测震与地球物理观测台站众多,测震学、地下流体、地壳形变和地电地磁异常数量较多,特别是在强震前的短期阶段,异常数量呈显著增多的特点(蒋海昆等,2009)。为了突出强震前异常的群体特征,本文拟使用权重集成法(陈立德,1993)研究川滇地区地震短临综合预报,以为短期综合预报提供定量化的判定依据。
首先对每项异常进行预测效能检验,采用两种方法,分别为R值检验(许绍燮,1989)和异常对应率检验。首先进行R值检验,计算公式为:
R=报对的地震次数/应预报的地震总次数-预报占用时间/预报研究的总时间 (1)
当R≥R0时,异常通过检验。其中R0为具有置信度97.5%的R值。当异常不能通过R值检验时,再进行异常对应率检验,异常对应率为:
式中:N为异常出现的总次数; N'为对应地震的异常次数。例如,共出现10次异常,其中7次异常对应了地震,对应率α=7/10=0.7。当异常对应率α≥Pb时,异常通过检验。其中Pb为背景概率,可采用稳态泊松过程进行计算,公式如下:
Pb=1-e-λt (3)
式中:λ为地震发生率,即单位时间内发生地震的次数; t为预报时窗长度。在效能检验的基础上,进行加权综合。
首先,定义测震学权重集S为某一个时刻出现在预测区域的测震学异常的权重之和:
式中:m为测震学异常总数; Pi为第i个测震学异常的权重,分3种情况取值,具体为:
①Pi=0.1+2(Ri-R0i)(预报效能采用R值评估,通过预测效能检验);
②Pi=0.1+2(αi-Pbi)(当不能通过R值检验时,采用异常对应率检验,且能够通过检验);
③Pi=0.1(异常未通过R值检验,同时也未通过异常对应率检验,权重取值0.1)。
为了将所有异常都利用起来,也对不能通过效能检验的异常进行了加权,权重为0.1。考虑到部分地球物理异常观测时间短,震例少,故本文约定不对地球物理异常进行异常对应率检验。
定义地球物理异常权重G为某一时刻出现在预测区域及附近的地球物理异常的权重之和:
式中:n为地球物理异常总数; Pj为第j个地球物理观测异常权重,分两种情况取值,具体为:
①Pj=0.1+2(Rj-R0j)(通过R值预测效能检验);
②Pj=0.1(未通过R值预报效能检验的异常,权重取值0.1)。
定义预测区域的地震综合权重集成如下:
PZ=S+G (6)
2013年以来川滇地区及其边境附近共发生11次MS≥5.9地震,其基本参数见表1,空间分布如图1所示。其中震源机制解数据来源于全球CMT 目录由图1可见,在11次地震中,2次为逆冲型,发生在龙门山断裂带,其余9次为走滑型。这些地震主要分布在三岔口(龙门山断裂带、鲜水河断裂带与安宁河断裂带的交会区域附近)至川滇交界东部(以下简称“川滇交界东部”)、云南西南地区和云南西北地区。
表1 2013年以来川滇地区MS≥5.9地震基本参数
Tab.1 Earthquake catalogue and source parameters of the MS≥5.9 earthquakes since 2013 in Sichuan-Yunnan region
图1 2013年以来川滇地区MS≥5.9地震震源机制解示意图
Fig.1 The spatial distribution of focal mechanism solution types of the MS≥5.9 earthquakes since 2013 in Sichuan-Yunnan region
限于篇幅,本文以2022年四川泸定MS6.8、2021年云南漾濞MS6.4、2013年四川芦山MS7.0和2014年云南盈江MS6.1地震为例,介绍权重集成PZ值的计算过程。
泸定MS6.8地震发生在川滇交界东部地区,发震断裂为鲜水河断裂带莫西段,为左旋走滑型破裂(易桂喜等,2023)。表2列出了该地震前存在的短期(3个月内)、中短期(6个月内)异常及部分趋势异常的预测三要素、预测效能以及其权重P值。需要说明的是,一些趋势异常随着时间的演化,具有中短期或短期指示意义。例如表2中滇黔桂少震区ML≥4.0地震年频次异常,虽然该异常的预测时间为1年,但由于泸定MS6.8地震发生前,该异常已经持续了350余天,因此具有短期预测意义。本文约定热红外趋势和短期异常配套使用,即由于青藏高原热红外低值异常预测时间较长,单独出现后不进行加权计算,只有当川滇块体或巴颜喀拉地块出现热红外短期异常后,才一起参与计算。由表2可以看出,泸定地震前,川滇地区震群频次、余震区活跃和滇黔桂少震区出现异常,这3项异常预测的区域为整个川滇地区。此外,作为边界动力源的羌塘地块发生显著地震(邵志刚等,2024)。电磁、形变和流体异常具有配套性,且在发生了2022年6月1日四川芦山MS6.1和6月10日马尔康MS6.0地震后,四川及邻区异常数量仍在增多(薛艳等,2022; 解滔等,2023)。泸定地震的综合权重集成PZ=5.0。
表2 2022年四川泸定6.8级地震前测震学和地球物理观测异常及其权重
Tab.2 Anomalies of the earthquake activity and the geophysical observation and their weights before the 2022 Luding,Sichuan MS6.8 earthquake
漾濞MS6.4地震发生在云南西北部地区,发震断裂为维西—乔后—巍山断裂中段附近的次级断裂,震源机制解为走滑型(王月等,2021),该地震序列为前震-主震-余震型,但是前震在主震前没有被识别,而是作为前兆震群异常(宋俊高等,1989; 付虹等,2021)。表3列出了该地震前存在的短期和中短期异常的预测意义、效能检验和权重P值。该地震前测震学异常比较突出,包括云南地区5级地震平静、滇西北地区ML≥4.0地震平静被2021年3月1日洱源ML4.1地震打破、MS≥3.0地震条带等; 地球物理观测异常方面,与以往该区6级以上地震相比,云南地区的流体异常不突出,而四川毛垭温泉在漾濞MS6.4地震前接连出现2次短期异常,比较突出。漾濞地震前还存在红格地电阻率中短期异常及巧家和永善电磁波短期异常。表3显示,漾濞地震的综合权重集成PZ为3.2。
表3 2021年云南漾濞MS6.4地震前测震学和地球物理观测异常及其权重
Tab.3 Anomalies of the earthquake activity and the geophysical observation and their weights before the 2021 Yangbi,Yunnan MS6.4 earthquake
芦山MS7.0地震发生在龙门山断裂带南段,震源机制解为逆冲型(吕坚等,2013)。震前跨断层形变异常特别突出。2013年1月30日共新增16项跨断层异常,其中3项为短期异常(表4中第8条),13项为中短期异常(表4中第9条),这些异常主要沿鲜水河断裂带、安宁河—则木河与龙门山断裂带分布(杜芳等,2019)。此外,青藏高原、巴颜喀拉地块和川滇块体在该地震前均出现热红外异常(Yang et al,2023),地震发生于青藏高原热红外低值异常结束后115天、巴颜喀拉地块异常开始后2个月、川滇块体异常开始后1.5个月。表4显示,芦山MS7.0地震的综合权重集成PZ值为5.4。
表4 2013年四川芦山MS7.0地震前测震学和地球物理观测异常及其权重
Tab.4 Anomalies of the earthquake activity and the geophysical observation and their weights before the 2013 Lushan,Sichuan MS7.0 earthquake
盈江MS6.1地震发生在云南西北部,发震断层为近 SN 走向的苏典断裂,震源机制解为右旋走滑型(黄小龙等,2015)。本次地震前,地震活动短期异常主要有川滇地区震群频次和余震区活跃、云南西北部ML≥3.0地震显著增强、ML≥3.0震群活跃、小滇西地区ML≥2.5地震高频次等; 地球物理观测方面,流体短期异常突出,且主要集中在震中200 km范围内。云南地区宏观异常达到预测指标,特别是腾冲荷花热水塘水爆异常非常显著,该异常出现在震前1个月,喷出的泥浆、砂石高达12 m,为比较罕见的现象(钱晓东等,2019)。表5显示,该地震前综合权重集成PZ值为2.9。
表5 2014年云南盈江MS6.1地震前测震学和地球物理观测异常及其权重
Tab.5 Anomalies of the earthquake activity and the geophysical observation and their weights before the 2014 Yingjiang,Yunnan MS6.1 earthquake
2013年以来川滇地区共发生11次(10组)MS≥5.9地震,其中川滇交界东部及附近地区5组,云南西南地区3次,云南西北地区2次,表6列出了这些地震前的综合权重集成PZ值。从表6可以看出,川滇交界东部地区6级左右地震的综合权重集成临界值PZ6为2.0~3.3,7级左右综合权重集成临界值PZ7为5.0~5.4; 云南西南地区6级左右地震的综合权重集成临界值PZ6为1.4~2.2,7级左右权重集成临界值PZ7为3左右; 云南西北地区,6级左右地震的综合权重集成临界值PZ6=2.9~3.2。值得指出的是,由于每个重点区域震例少,得到的6级和7级左右地震的综合权重集成临界值,仅作为参考。
表6 2013年以来川滇地区11次(10组)震例的综合权重集成PZ值
Tab.6 The integrated synthetical weight PZ-value of 11(or 10 groups of)strong earthquakes in Sichuan-Yunnan region since 2013
依据宏、微观异常报告,计算2020—2023年川滇地区3个重点区域每个月的综合权重集成PZ值,并绘制曲线图(图2)。
由图2a可以看出,在川滇交界东部地区,从2020年9月开始PZ值逐渐增大,于2021年5月达到峰值点,PZ值为3.76,在此期间虽然区域内部没有发生强震,但在其附近发生了2021年5月22日青海玛多MS7.4地震。2022年5月开始,PZ值再次逐渐增大,9月达到峰值,PZ值为5.0,在此期间,区域内部先后发生2022年6月1日芦山MS6.1、6月10日马尔康MS6.0和9月5日泸定MS6.8地震。泸定地震后,由于一些地震活动和地球物理观测异常权重降低,PZ值显著下降,2023年4—12月PZ值维持在较高水平,最高值为3.66(图2a)。依据表6,该值明显高于2014年康定MS6.3地震前PZ值,并略高于2022年芦山MS6.1和马尔康MS6.0地震PZ值,但是实际上川滇交界东部地区并未发生6级以上地震。
图2 2020—2023年川滇地区3个重点区域综合权重集成PZ值随时间的变化曲线与MS≥5.5地震
Fig.2 Time history of PZ-value and the MS≥5.5 earthquakes in three key areas in Sichuan-Yunnan region druing 2020-2023
图2b是云南西南地区综合权重集成PZ值随时间的变化曲线,可以看出,该区PZ值一直未达到2014年景谷MS6.4地震前的水平,2021年8月至2023年PZ值呈持续、缓慢的上升状态。在此期间我国境内没有发生MS≥6.0地震,但边境地区先后发生了2021年12月24日老挝MS6.0、2022年7月22日缅甸MS5.9和2023年11月17日缅甸MS5.9地震。老挝MS6.0地震发生在2021年7—9月PZ高值结束后的2个月,2次缅甸MS5.9地震在PZ值较高的背景上发生。
图2c是2020—2023年云南西北地区每个月综合权重集成PZ值随时间的变化曲线,可以看出,PZ值曲线共出现2个峰值点,第一个峰值点为2021年5月,发生了5月21日漾濞MS6.4地震; 第二个峰值点出现在2022年5月,6—9月PZ值有所降低,但仍处于高值状态,这可能跟9月5日川滇交界东部泸定MS6.8地震有关。2023年该区PZ值一直处于较低水平。
为了定量地刻画强震前异常的群体特征,本文使用权重集成法回溯性计算了川滇地区11次(10组)强震前短临阶段测震学和地球物理观测异常的综合权重集成PZ值,并由此得到了3个重点区域6级左右和7级左右综合权重临界值,为川滇地区短临综合研判提供定量依据。
(1)研究结果显示,不同区域同等强度地震的综合权重集成临界值存在差异,这可能与不同区域地震活动特点和地球物理观测台网密度不同有关。
(2)本文对测震学异常权重赋值时考虑了3种情况:①能够通过R值检验; ②不能通过R值检验,但可以通过异常对应率检验; ③不能通过统计检验。这里的异常对应率检验指异常对应率要大于背景概率。对于地球物理观测异常,仅使用R值检验,这主要是考虑到部分地球物理观测时间短,震例少,如果使用对应率则没有统计意义。
(3)对于区域异常(即预测区域为川滇地区),考虑到异常对应地震的样本量有限,我们直接将其权重同时赋给3个重点区域。
(4)根据2020—2023年宏、微观异常报告,计算了川滇地区3个重点区域每个月的综合权重集成PZ值,结果显示,6级以上地震主要发生在PZ值峰值点或PZ值快速增加的过程中,少数地震发生在PZ高值后降低的过程中。