华南地区西倚青藏高原,以龙门山—小江断裂带为界; 北以秦岭—大别造山带为界; 东侧沿东南沿海向北,经台湾海峡,至琉球岛弧西部; 南侧从云南的红河断裂向东南,经北部湾至海南岛(董基恩等,2022)。研究华南地区震群活动除了考虑构造因素外,还需考虑小震目录完备性问题。华南地区西侧为四川省和云南省,当前四川省内最小完备性震级基本达到M_L1.0,四川地区东北部地区最小完备性震级为M_L1.5～2.0; 云南省内最小完备性震级达到M_L1.8,省界附近为M_L2.0(中国地震局监测预报司,2024); 重庆最小完备性震级达到M_L1.5,其中南部地区可达到M_L1.0。因此,综合考虑将华南地区震群的研究区域设定为30°N以南、106°E以东地区,其东与南侧沿用华南地块的边界(邓起东等,2002),研究区范围如图1所示。

1996—2009年华南地区发生M_S≥4.0地震共计27次,M_S≥5.0地震3次,平均每年约发生1.9次M_S≥4.0地震,平均约4.7年发生1次M_S≥5.0地震; 2010—2023年华南地区发生M_S≥4.0地震共计39次,M_S≥5.0地震8次,最大为2018年11月26日台湾海峡M_S6.2地震,平均每年发生约2.8次M_S≥4.0地震,平均1.8年发生1次M_S≥5.0地震。相比较而言,2010—2023年M_S≥5.0地震更丰富,故研究时间段定为2010—2023年。

图1 2010—2023年华南地区ML≥2.0震群与MS≥4.5地震分布
Fig.1 Distribution of ML≥2.0 swarms and MS≥4.5 earthquakes in South China from 2010 to 2023

地震活动分析结果的可靠性依赖于所选取的地震目录(中国地震台网中心月报目录)的最小完备性,使用前需计算地震目录的最小完备性震级M_C,常用的计算方法主要有最大曲率法、拟合优度测试法和b值稳定法等。最大曲率法选取震级-频度曲线中斜率最大值所对应的震级作为M_C,在实际应用中,这个震级往往对应非累积震级-频度分布中拥有最多地震数目的震级(Wiemer,Wyss,2000)。拟合优度测试法通过比较拟合震级-频度分布和观测震级-频度分布之间的差异来计算M_C,用百分比R表示拟合优度,将M_C取为第一个使R达到设定水平(95%或90%)的震级(Wiemer,Wyss,2000)。本文使用拟合优度测试法时,R的水平线优先选择95%,若达不到则取90%,若仍达不到则取R的最大值。b值稳定法将b值的稳定性视为M_C0的函数,并假设b值将会随着M_C0接近M_C而增大,当M_C0≥M_C时,b值将保持稳定,一般用b值的不确定度δb作为稳定的标准(Cao,Gao,2002)。图2为2010—2023年华南地区的震级-频度分布以及分别采用最大曲率法、

拟合优度测试法和b值稳定法计算的M_C 值。图中A点为最大曲率法计算的M_C=0.1; B点为拟合优度测试法计算的M_C=1.0; C点为b值稳定法计算的M_C=0.8。为尽可能确保分析结果的可靠性,本文选取最大值M_L1.0作为后续分析的起始震级。

图2 2010—2023年华南地区地震震级-频度分布(a)和不同方法估计的最小完备性震级(b)
Fig.2 Magnitude-frequency distribution of earthquakes in South China from 2010 to 2023 (a)and the minimum complete magnitudes estimated by different methods(b)

根据华南地区M_S≥5.0地震活动特点和地震完备性分析结果,本文将识别震群时段选定为2010—2023年,识别震群采用的地震数据为中国地震台网中心月报目录(M_L),分析中使用的最小震级确定为M_L1.0。目标地震(M_S≥4.5)则采用中国地震台网中心的速报目录(M_S)。

本文采用的地球物理观测数据为全国各自治区、直辖市地震局每周报送的数据,其中地球物理短期异常为预测时间至报送的时间间隔在3个月以内的异常。

本文采用姜秀娥和陈非比(1983)提出的震群判定条件,具体如下:

(1)在同一地点(半径20 km范围内)的一群地震中,在半个月内至少有3次震级最大的地震,震级满足M₁≥M₂≥M₃,且ΔM_1,2≤1,ΔM_2,3≤1,但2.0≤M₁<6.0,其中ΔM_1,2、ΔM_2,3分别表示 M₁与M₂、M₂与M₃的震级差。

(2)震群活动峰值日(连续24小时内)的地震日频度N需满足以下条件之一:M_L≥1.0,N≥7; M_L≥1.5,N≥5; M_L≥2.0,N≥4; M_L≥2.5,N≥3,当这3次地震中有2次3级以上地震时,M₃≥2.0即可。

(3)对于持续活动数月至数年的震群点,M_L≥1.0地震月频次高于平均值,且与前一次峰值间隔≥6个月,同时满足条件(1)和(2),可记为一次震群。

(4)对于强震的余震活动区,地震活动频次衰减至背景地震活动后,出现高于平均值且满足条件(1)和(2)的情况,记为一次震群。

依据上述震群判定条件,对2010—2023年华南地区5 928次M_L≥2.0地震进行震群识别,得到109次M_L≥2.0震群,震群空间分布如图1所示。识别得到的震群数量约占所有M_L≥2.0地震的1.8%,平均每年发生M_L≥2.0震群约4.5次。震群主要集中于东南沿海地震带,尤其是闽粤及其近海,约占华南地区震群总数的78%。湖南和江西大部分地区震群分布较为稀疏。

震群频次研究主要取决于时间窗长、频次异常阈值、对应地震震级参数的选取,因此本文针对不同参数的震群频次开展预测效能检验,以期获得最优预测效能的华南地区震群频次。

对2010—2023年华南地区震群数据,震群频次统计的时间窗长选取30、60、120、150、180和365 d,对应的地震震级按M_S≥4.5、M_S≥4.8、M_S≥5.0选取,频次异常的阈值至少大于平均值的1倍方差。2010—2023年华南地区不同时间窗长的震群频次曲线与M_S≥4.5地震如图3所示,图中水平直线表示异常阈值; 水平虚线表示1倍方差。从图可以看出,2010—2023年华南地区震群频次曲线呈起伏变化,大致在2010、2013、2014、2015、2019和2023年前后震群较为活跃,不同时间窗的震群频次与M_S≥4.5地震的对应关系较为复杂。因此,无法直接评估震群频次的预测效能优劣,需对华南地区震群预测效能开展较为系统的检验。

本文采用国家地震局科技监测司(1990)推出的预测效能R值方法评价华南地区震群频次效能,当R>0、R≥R₀时才有一定预报效能,其中R₀为按二项式分布原则保证97.5%置信的最低R值。

图3 2010—2023年华南地区不同时间窗长(1日滑动)的震群频次与MS≥4.5地震
Fig.3 The frequency of earthquake swarms with different statistical window lengths(1-day sliding) and earthquakes with MS≥4.5 in South China from 2010 to 2023

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)

式中:R=1表示全部预测正确; R=-1表示全部预测错误。

通过R值方法评估不同统计时间窗长震群频次及其对应地震震级条件下的预测效能见表1。从表1给出的不同时间窗长的震群频次与相对应地震的预测效能结果来看,2个月和3个月的震群频次预测效能相对优于其他时间窗的震群频次预测效能,其他时间窗长的震群频次的预测效能R<R₀,未通过检验,预测意义不显著。华南地区2个月震群频次预测M_S≥5.0地震效果最佳(R=0.48、R₀=0.40)。从不同时间窗长的震群频次与相对应地震的优势预测时间结果(表1)来看,3个月、5个月震群频次对应统计震级条件下的地震优势预测时间相对较短,其中5个月震群频次预测效能R<R₀,未通过检验; 3个月震群频次预测效能R>R₀,通过了检验,其对华南地区M_S≥4.5、M_S≥4.8、M_S≥5.0地震的优势预测时间均为20天(M_S≥5.0地震的预测效能最好,R=0.43、R₀=0.34),具有短期特征。综合来看,2个月和3个月时间窗长的震群频次的优势预测时间相对较短,预测效能较好,异常阈值均为4次。

表1 不同统计时间窗长震群频次及其对应地震震级条件下的预测效能
Tab.1 Prediction efficiency results of earthquake swarms' frequency in different time windows and corresponding earthquake magnitudes

梳理预测效能检验较好的2个月、3个月震群频次,出现异常后距离M_S≥5.0地震发生的时间,结果见表2。其中2010年7月和2013年4月,华南2个月、3个月震群频次出现异常,2010年10月、2014年1月和2015年5月华南3个月震群频次出现异常,这些异常发生后1年内华南地区均未发生M_S≥5.0地震,因此,表内未列入这些异常。总体来看,华南2个月、3个月震群频次异常时间大致同步,只有2017年、2022年略有差异。2017年重庆武隆M_S5.0和2023年北部湾M_S5.0地震前仅3个月震群频次出现异常。对于2个月震群频次,2010—2023年共出现8次异常,其中6次异常后200天内发生M_S≥5.0地震,2016年之后的5次异常距离首次M_S≥5.0地震的时间间隔均在4个月内; 短期(≤90 d)发生的地震有3次,其中2次地震发生在震群出现异常后3天内。对于3个月震群频次,2010—2023年共出现15次异常,其中10次异常后1年内华南地区发生M_S≥5.0地震,200 d内发生的地震为7次,短期(≤90 d)发生的地震为5次,占总异常数的1/3。因此,华南地区2个月和3个月 M_L≥2.0震群高频异常对该区M_S≥5.0地震有中短期预测意义,部分震例有短期特征,尤其是3个月震群频次。本文得出的华南地区震群高频异常对中强地震具有较好的预测效果这一结论,与郭培兰等(2022)关于华南地区西部震群频度的起伏可以反映区域地震活动水平的强弱的认识一致。

表2 2010—2023年华南地区MS≥5.0地震前震群高频异常统计
Tab.2 Statistics of high-frequency anomaly of earthquake swarms before MS≥5.0 earthquakes in South China from 2010 to 2023

从表2分析2010—2023年华南地区M_S≥5.0地震前震群与目标地震的空间分布特征。华南地区2个月、3个月震群频次异常时段大致同步,因此,以华南地区2个月M_L≥2.0震群频次为主,补充了2017年11月23日重庆武隆5.0级和2023年6月24日北部湾5.0级地震前3个月震群频次震例,震群频次达到异常阈值4次及以上、1年内发生M_S≥5.0地震的空间分布如图4所示。2010—2023年华南地区共发生M_S≥5.0地震8次,震前1年内均出现震群活跃现象。其中2015年贵州剑河M_S5.5、2016年广西苍梧M_S5.4和2017年重庆武隆M_S5.0地震(3次)与震群空间分布无显著关系(图4a～c),2018年台湾海峡M_S6.2,2019年广西北流M_S5.2、广西靖西M_S5.2,以及2023年北部湾M_S5.0、广东南澳海域M_S5.0地震(5次)与震群空间分布较为密切(图4d～g),占华南地区M_S≥5.0地震总数的5/8。在开展地震预测工作时,震群空间集中尺度可能偏大,可结合其它预测方法,进一步确定危险区域。