山东东部及近海地区中等以上震例前地震活动性参数群体异常研究

冀东普,郑建常,李冬梅,3,王 鹏

(1.山东省地震局,济南 250014;2.北京大学地球与空间科学学院,北京 100871;

3.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000)

山东东部及近海地区中等以上震例前地震活动性参数群体异常研究

冀东普1,2,郑建常1,李冬梅1,3,王 鹏1

(1.山东省地震局,济南 250014;2.北京大学地球与空间科学学院,北京 100871;

3.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000)

对1975年以来山东东部及近海地区16次 ML≥4.7级地震前的地震学参数群体异常进行了研究。回顾性检验表明,地震活动性单项参数中,反映地震强度、频度及与强度、频度有关的地震参数异常在本区的中强地震预测中较为有效。参数的时程曲线中 Et、Qp和η值一般表现为低值或由高值转为下降异常形态,其余参量多数显示为高值异常。在20余项地震活动性参数中经检验拣择出14项对本区中强地震预测效果较为明显的参数,并确定了这些参数对于本区中强地震预测的群体异常指标:若14项参数中10项以上出现了异常,本区有发生5级以上地震的危险。

山东东部及近海;地震活动性参数;群体异常

0 引言

地震的孕育、发生是一个复杂的非线性系统的演化过程。在演化过程中,携带着震源信息的一些中、小地震事件会显现出由随机无序到规则有序的变化,在时间和空间上出现一些带有震兆信息的异常活动图像,前人已对此进行了大量的总结研究[1-9],提出了上百种地震活动性参数[10],并应用于地震预测预报的实践中。但由于地震孕育过程的非线性及复杂性,加之限制其演化过程的初始和边界条件的多样性,使得其演化过程千差万别,因而所显现的震兆也难免因地、因时、因震而异,这可能就是我们无法以单一震兆、单一参量指标预报地震的主要原因。然而非线性系统本身仍存在某些普适性质,如失稳、确定性混沌、自组织和自相似结构等,与这些性质相应,应该可以找到某些与之相关和相应的群体性震兆。就我们目前的认识,对那些各自携带信息并不充分的震兆、参量进行整体性分析,获得其群体性异常参量有望得到与孕震系统演化相应的普适性特征。基于这一思想,本文进行了山东东部地区中强地震前地震学群体异常特征的尝试性研究。

1 研究区确定及资料选取

山东东部地区及近海尤其是东部海域,近几年地震活动经历了中等地震集中增强—活跃转为平静的起伏过程,震情形势较为复杂。1970年以来,发生了多次中强地震,1995年苍山5.2级地震、1992年南黄海北部5.3级地震等就发生在该区,未来该区仍然面临中强以上地震的危险。根据项目要求和山东地区地震预测实际工作需要,本文选择这一地区开展研究。

研究区的范围见图1。根据山东地区有关震例研究,该区M≥4.7级地震前就可能有明显的中小地震活动图像异常[10,12]。由于山东东部地区人口稠密,经济发达,陆地区若发生 ML≥4.7级地震就会对社会活动产生较大影响。鉴于此,本文研究的震例的下限震级取ML4.7级。自1970年山东地区建立区域地震台网以来,该区(含边缘)共发生 ML≥4.7级地震20次,除去因时间延迟无法分析震前地震学参数异常的4次震例,计有16次震例(图1,参数见表1)。考虑到震级较小的震例异常展布范围较小,以及计算地震学参数时中小地震样本的数量,将研究区划分了3个分区。这16次震例在各分区的分布情况为:AB-1区3次,AB-2区1次,AB-3区及边缘12次。基于山东及邻近地区的地震台网控制能力,计算地震学参数时陆地区AB-2取 ML≥2.0级地震,海域的AB-1区和AB-3区均取 ML≥2.5级地震,其分布见图2。计算参数时采用等时间窗(2年或3年)、等步长(月)滑动计算。

图1 研究区及分区示意和16次 ML≥4.7级震例分布图

图2 计算地震活动性参数使用的地震资料分布图

2 计算结果及分析

根据山东省地震预测实践经验,选择如表1的22项地震活动性参数作为单项参数进行考察,分析表1所列的16次震例前地震学参数的群体异常变化。为了能使震例前所分析的地震学参数具有统一可比性,并考虑提取的指标用于本区中短期地震预测,采用以下原则确定单项异常:(1)单参数异常确定需符合文献[1]“地震学主要参数异常特征与指标判据表”中给出的判别规则和异常标准;(2)一般取震前1～2年出现的异常,超出2年时间的异常不作为该震例的异常进行统计;(3)对于文献[1]中没有给出明确指标的个别参数,参考以往的经验和该区多年的预测经验,一般以量值超出1倍方差作为异常标准。

表1中分别统计了每一次震例前该震例所在分区内的地震活动性参数异常,其中异常形态有高值、低值或由高值转为低值或由低值转为高值4种情况,这4种情况分别使用不同符号表示(表1附有注释)。对照表1,对这16次震例前地震学参数的异常情况分析如下:

2.1 异常数量

分析16次震例前22项地震活动性参数出现异常的数量,异常次数最多的是17项,占异常总项数的77.3%;最少的4项,平均11.9项,占异常总项数的54.1%。

2.2 异常的种类和出现的比例

22个活动性参数中,在半数及以上震例(9个,占震例总数56.3%)前出现异常的参数为11个,占参数总数的50%。其中,出现异常次数最多的有2个参数,14个震例前有异常,占震例总数的87.5%,它们分别为 A值(与地震频度和强度有关)和 Et(应变能∑ E的释放速率);81.3%的震例(13个)前出现异常的参数有1个,为平均震级(通常称为缺震);68.8%的震例(11个)前出现异常的参数有3个,分别为Ab值(主要与地震强度和频度有关)、△F(地震活动性标度)、S值(反映强度、频度、空间集中及其记忆效应的综合量);62.5%震例(10个)前出现异常的参数也是3个,分别为 Eb(视应变)、^M(等效震级)、Qp(地震概率熵)。这9项参数在表1中的名称上方冠以“★”表示;出现异常最少的是 C值(地震空间集中度)、小震调制比 Rm值和多分维参数qs,只有4个震例前有异常。在8个和9个震例前出现异常的参数共有5项,它们在表1参数名称上方冠以“☆”表示。从对这些参数的简单分析中可看出,对于本研究区中等和中强地震,异常反应敏感的主要是与地震强度和频度有关的参数以及与强度和频度有关的综合参数,在日常地震预测中常用的C值、D值和小震调制比表现比较差,虽然在地震预测中使用最早和最多的 b值也是被选中的参数之一,但它并不是在本区地震预测中的最佳参数[11],这在未来该区应用地震学预测方法时值得注意。

2.3 不同震例前的异常特点

对于不同时间发生的地震,震前异常似乎有不同的变化特点。如1976年10月6日5.8级地震、10月29日4.7级地震、1998年2月10日5.0级地震、2002年7月23日和2003年3月23日、3月30日的3次5.1级地震前,除了异常指标为高值的参数(D、C、M f),多数异常显示低值或是由高转低的异常形态;而1992—1994年期间发生的几次地震,多数震前显示高值异常。从1970年以来AB-3区地震活动历史分析(图3),1992年之前,中等以上地震活动水平不高,但1992—1996年该区中等以上地震较为活跃,显示较高活动水平。由此可以看出,在地震活动水平较高的地震活跃时段,震前异常可能多会表现为高值异常形态,而在地震活动水平较弱的地震相对平静时段,本区上述地震学参数在震前1～2年会出现低值异常或由高转低异常形态。

图3 研究区AB-3分区 ML≥4.5级地震时间分布图

2.4 不同参数的异常特征

A值多数在震前1～2年出现升高,个别震例有低值或下降显示(图4);而应变能释放多数是在震前1～2年出现由加速变为匀速或减速,表现在应变能释放曲线一阶差分曲线上为上升后的急剧下降,表现在应变能曲线上是加速上升后急剧转平(图5),而能量曲线则是由高急剧减低。平均震级 ~MT曲线和S值时序曲线在地震活跃时段可能会表现为高值异常或由低值转折上升为高值,在地震平静时段可能会表现为低值异常,ΔF和Ab值亦然;而地震概率熵Qp值为低值异常。其他异常表现参见表1。

图4 AB-3分区A值时序曲线图

表1 研究区ML≥4.7级地震例前22项地震学参数时间扫描出现的异常统计

图5 AB-3分区应变能释放及其一阶差分曲线图

2.5 本区中强地震前的群体异常指标

在本文重点考察的22个地震活动性参数中,A值、Et(应变能释放速率)、~M(平均震级)表现最佳,震前出现异常的震例占总数的81.3%以上;另有S值、Ab值、ΔF震前出现异常的比例为68.8%;Eb、^M和 Qp震前出现异常的震例均为62.5%。这9项参数可以在研究区未来的中强地震预测中选用,另有地震频度 N和η值震前出现异常的比例为56.3%;Ed、b值和地震加卸载响应比 Y值震前出现异常的比例为50%,它们可以参考使用。

如果去除 D、C、M f、Qn、Rm、qs、Pb和 Zm 值 8项参数,分析余下的14个参数在各震例前出现异常的个数,最多的是13个,最少的是2个,16个震例中有12个震前出现异常的参数在8个以上,即14项参数中57.1%(8/14)显示异常。因此我们可将这14个参数中有8个出现异常作为出现“群体异常”的指标。使用该指标,用16次震例作内符检验,正确识别的为12次。也就是说,如果以14项参数中有8项以上出现异常判断本研究区将发生 ML≥4.7级地震,在已有的16个震例中,正确判别率为75%(12/16);表中4次 M≥5.2级(ML≥5.6)地震中,震前出现异常的参数均在10个(占异常总项数的71.4%)以上,所以可以将14个参数中出现大于或等于70%的异常项作为判断本区将发生M≥5.2级地震的群体异常指标。

3 结论与讨论

(1)研究了山东东部及近海地区中等和中强地震前地震活动性参数的异常变化特征,结合不同分区、不同级别的震例回顾性检验研究,筛选了可用于本区未来中强以上地震预测的较好的地震学参数,分析了该区ML≥4.7级地震前的地震活动性群体异常并初步确定了该区地震活动性参数的群体异常判别指标。

研究区内16次ML≥4.7级的震例前地震学参数回顾性检验研究表明,地震活动性单项参数中,反映地震强度、频度及与强度和频度有关的综合参数在本区的中强地震预测中效果较好,其中 A值、应变能释放(Et)、缺震、地震活动度(S值)、Ab值、地震活动性标度(ΔF)、地震频度(N)、断层总面积(Ed)、η值、地震概率熵(Qp)、视应变(Eb)、b值和地震加卸载响应比(Y)等14项参数可以采用。参数的时程曲线中 Et、Qp和η值一般表现为低值或由高值转为下降异常形态,其余参量多数显示为高值异常。若14项参数中出现了8项以上群体异常,本区有可能发生 ML≥4.7级地震;若出现了10项(占总项数70%)以上参数的群体异常,本区有发生M≥5.2级地震的危险。

(2)研究中发现,在山东省地震分析预测中经常使用的几种地震学参数,如地震空间集中度 C值和小震调制比Rm值等,在该区的这16次震例前却没有较好表现,它们分别只有3个和4个地震前有异常反应,占所有震例的比例分别为18.8%和25%;M f值和地震频度熵Qn各自只有6个震例前有异常,占震例总数的37.5%。另外还有多分维 qs、Pb值和Zm值等,对于中强以上地震预测表现也不理想。这些参数多为根据地震活动的某些模型推导出来的,其表现不理想的原因也许是由于该区地震活动规律与所使用的模型有差异。虽然在地震预测中使用最早和最多的b值作为本区可使用的参数被选中,但它并不是在本区应用的最佳参数,这很值得在未来该区地震预测中注意。但由于该区震例数量有限,上述结果尚需更多资料检验,其原因也有待进一步深入研究。

(3)计算参数的选区问题。1995年苍山 ML5.6级地震,选择了两个区进行参数计算,第一个区即为AB-2区,考虑到该地震的发震部位与发震构造的关系,又选取了范围稍小的区域,即图1中粗线条圈出的斜框范围,参与计算的震级下限均取 ML2.0级。得到的参数在表1的倒数第2～3行给出。从中看到,5.6级地震前的异常也多数显示为低值形态,但较小区域的出现异常参数相对稍多,为16项,而AB-2区异常参数为13项。这可能说明,对于苍山地震来说,AB-2相对较大,“稀释了”异常“浓度”,而较小区域正相反,更充分地显示了该地震的震前异常。这说明计算参数的选区大小对于未来地震预测也很重要。

(4)1995年苍山5.2级地震AB-2分区属于山东地震活动强度水平较低区域,其震前活动性参数的绝大多数显示为低值异常形态,这一现象很有意思。1996—1999年是华北地区6级以上地震的高活动时段,这次地震恰发生在1995年,6级地震活跃时段开始的前一年。研究标志一个地区6级以上强震活跃时段开始前5～6年中强地震的活动及其异常特征,对于判断地震活动大形势极为重要,苍山地震发生在华北6级地震活跃时段开始前,且震前地震活动参数异常显示出低活动特征,这一现象是否与之后的6级以上地震增强有关系,也值得研究和探讨。

(5)研究中对于单项参数出现的无大震对应的“非震异常”没有给予关注和研究,这有待于进一步研究中加以考虑。

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A Study on Group Anomalies of Seismic Activity Parameters before Moderate Earthquakes in the Eastern Shandong and Its Offshore Areas

J I Dong-pu1,2,ZHENGJian-chang1,LI Dong-mei1,3,WANG Peng1
(1.Earthquake Administration of Shandong Province,Jinan 250014,China;
2.School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871,China;
3.Lanzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,China)

In this paper,the group anomalies of seismic activity parameters appeared before sixteen earthquakes ofML≥4.7in eastern Shandong and its offshore areas since 1970are studied.The results show that seismic activity parameters related to seismic intensity and frequency are more sensitive to moderate earthquake.Generally,the values ofEt,Qpandηare in low level or drop from high level before moderate earthquake,while the values of the other seismic parameters are in high level.Fourteen seismic activity parameters sensitive to moderate earthquake are selected from twenties,and the group abnormal indexes of which are determined.If more than ten parameters of the fourteens show abnormal,the area may be at the risk of occurring earthquake ofML≥5.0.

eastern Shandong and its offshore areas;seismic activity parameter;group anomaly

P315.5

A

1003-1375(2011)03-0028-06

2011-03-30

山东省科技发展计划项目(2008GG10008004)

冀东普(1973-),男(汉族),山东省菏泽市人,高级工程师,北京大学在读硕士研究生,主要从事地震预测和研究工作.E-mail:ji.dongpu@163.com