基于大地测量应变率的川滇地区浅源地震预测

詹松辉，王华，周波阳，吴希文

(广东工业大学土木与交通工程学院，广东 广州 510006)

1 引 言

地震给人类，特别是给倍受国内外地震学家关注的川滇地区[1，2]造成了巨大的生命和财产损失。如2008年汶川地震中超过8.7万人丧生，造成约860亿美元的经济损失。因此，准确的地震预测是十分迫切的，它能为防震减灾工作提供科学的基础资料。常用的地震预测方法有通过适当的平滑算法外推已有的历史地震目录、基于活动断层模型研究以及基于空间大地测量应变率等。通过适当的平滑算法外推已有的历史地震目录是一种直接简单的预测方法，但这种方法易受历史地震目录累计时间过短和事件记录不完整的影响，可能无法全面准确反映局部地区的地震活动水平[3～7]；基于活动断层模型的预测方法常受已有的活动断层图像不够完整、详细的限制，但该方法在许多地方都未能得到很好的结果[8～10]；伴随GNSS技术的快速发展，运用大地测量应变率场预测地震活动成为可能，其优点是应变率场取决于大地测量的空间分辨率。因此，它不受历史地震目录和活动断层图不完整的约束[11～13]。

本文基于川滇地区最新的应变率场模型——中国地震科学实验场形变模型(http：//www.cses.ac.cn/?p=3740)，应用Bird等人提出的方法中最优的预测模型SHIFT_GSRM2f预测川滇地区的浅源地震活动[12]。

2 原理与方法

2.1 浅源地震预测原理

研究构造活动断层附近的应力场有助于了解地震发生的物理过程。大地测量应变率可以转换为地震矩率，这在预测地震活动中是一个重要的限制因素[14]。为了将获得的大地应变率结果转换为川滇地区长期平均地震活动性的预测，我们遵循SHIFT(从构造推断地震危险性)假设和算法[11，13]。

SHIFT假设的主要思想：①基于最类似的板块边界类型的频率/震级关系，将地震矩率转化为沿构造断层的长期地震预测值[13，15]；②构造断层的地震矩率可以通过最类似的板块边界类型的应变速率张量和平均耦合地震厚度(即无量纲地震耦合系数×孕震厚度)来计算[13]。

2.2 浅源地震预测方法

我们使用Brid等[11，12]开发的SHIFT_GSRM2x程序中的最优预测模型SHIFT_GSRM2f。采用GCMT目录和Bird提出的PB2002刚性板模型[16]、Bird等人建议的板边界分配规则[11]，以及由Bird等人确定的其他必要参数[15]作为输入，计算得到川滇地区浅源地震预测值。

3 结果与质量评估

3.1 预测结果

本文以0.1级的震级间隔进行了Mw6.0+至Mw7.4+共15组川滇地区浅源地震预测，如图1所示。从左往右分别对应Mw6.0+、Mw6.5+、Mw7.0+浅源地震活动的预测结果，其中预测值表示每年每平方千米发生的相应等级的地震数量。

对图1预测结果中的鲜水河-小江断裂带做一个±30 km的缓冲区，如图2所示，对缓冲区内的面积和预测值(每年每平方公里发生的相应等级的地震数量)进行了统计，结果发现缓冲区面积仅占川滇地区(97.5°-106°E、21°-34°N)的7.9%，但是预测值却高达14%。

图1和图2的结果表明：①最高的预测值主要分布在鲜水河-小江断裂带，达到14%；②第二高预测值主要分布在龙门山断裂带；③东边的四川盆地整体预测值较低。

川滇地区百年尺度上不同震级范围的浅源地震数可以通过对本文15组预测结果进行面积积分。积分结果如图3A(红色圆圈)所示，结果表明川滇地区每一百年会发生3次Mw7.0+、8次Mw6.5+、26次Mw6.0+浅源地震。

蓝色圆圈表示1900年～2016年USGS地震目录(https：//earthquake.usgs.gov/)中浅源地震的震中位置，蓝色菱形表示中国地震局记录的2300B.C.-1900年发生在中国大陆的历史地震的震中位置[17]。

蓝色圆圈表示1900年～2016年USGS地震目录(https：//earthquake.usgs.gov/)中浅源地震的震中位置，蓝色菱形表示中国地震局记录的2300B.C.-1900年发生在中国大陆的历史地震的震中位置[17]。

3.2 质量评估

从内符合的角度，本文计算了1977年～2016年GCMT地震目录在百年尺度上不同震级范围的浅源地震数(即图3A中的蓝色圆圈)，然后和本文基于这目录的预测结果(即图3A中的红色圆圈)进行一致性检验。对这两组“震级-频度”采用非参数Kendall协调系数W检验，得到Kendall-W系数=0.994(见表1)，说明两者具有较好的一致性。

从外符合的角度，需要将本文预测结果和其他外部地震目录进行一致性检验。在1977年之前，使用较为普遍的是ISC-GEM地震目录。

本文分别统计了时间跨度同为40年的1937年～1976年和1977年～2016年的ISC-GEM地震目录和1977年～2016年的GCMT地震目录在百年尺度上不同震级范围的浅源地震数量(分别对应于图3B中的实线-深绿色圆圈、实线-金色圆圈和实线-蓝色圆圈)。额外统计了1904年～1976年ISC-GEM目录中不同震级范围的浅源地震数量，并将它们规划到一百年的尺度上(即图3B中的实线-紫色圆圈)。

图3B显示，1977年之前的ISC-GEM与GCMT地震目录存在明显的系统偏差。主要是因为1977年前的ISC-GEM地震目录存在较大的震级不确定性，导致依据此目录得到的结果不准确[18]。

为了更合理地对比，本文通过G-R模型方法[19]将1904年～1976年和1937年～1976年的ISC-GEM目录规划到1977年～2016年的ISC-GEM目录上，分别对应图3B中的虚线-洋红圆圈和虚线-浅绿色圆圈。然后用本文预测的结果分别和1904年～1976年、1937年～1976年、1977年～2016年的ISC-GEM地震目录的地震事件数用非参数Kendall协调系数W进行一致性检验，检验结果见表1。结果表明在95%的置信度下，本文预测的结果与ISC-GEM地震目录的历史地震数是一致的，反映本文预测的结果质量较好，可靠性较高。

同时将1977年～2016年GCMT地震目录分为1977年～1996年和1997年～2016年两段。将基于1977年～1996年GCMT地震目录计算的川滇地区浅源地震预测结果(以下称为实验预测结果)和1997年～2016年GCMT地震目录、ISC-GRM地震目录所反映的情况进行对比(图3C1)，同时根据下式计算预测的成功率R：

(3)

式中Nforecast表示预测的每一百年某震级以上的地震数量(即图3C1中的红色圆圈)，Nhistory表示1997年～2016年GCMT和ISC-GEM历史地震目录中该震级以上的地震数量规划到一百年尺度的结果(即图3C1中的蓝色圆圈和金色圆圈)。

图3 地震预测结果质量评估

不同地震目录和本文预测结果的一致性检验 表1

根据式(3)分别得到实验结果预测1997年～2016年ISC-GME地震目录的预测成功率RISC-GEM和1997年～2016年GCMT地震目录的预测成功率RGCMT。如图3C2所示，RISC-GEM在截止震级为Mw6.0、Mw6.1都比RGCMT好；在其余震级的成功率两者都相等。说明实验预测结果预测1997年～2016年ISC-GEM外部地震目录的结果较好，本文的预测结果具有较好的稳健性。

4 讨论与分析

4.1 影响预测的主要因素

影响地震预测的主要因素有两点。其一为大地测量的空间分辨率。随着大地测量空间分辨率的提高，基于规则格网计算的应变率和原始地震矩率也将会更详细和准确，这将大大提高地震预测的准确性和可靠性。

其二为全球震源机制解(GCMT)地震目录的完整性和分类的合理性。全球震源机制解(GCMT)地震目录是用来优化预测过程中用到的经验常数，其收集统计的完整性和震源机制解计算分类的准确性和合理性对地震预测的可靠性有着重要的影响。随着时间和地震事件的积累以及震源机制解计算的优化，全球震源机制解(GCMT)地震目录将会更完整、稳健、合理，这将会提高地震预测的稳健性。

4.2 川滇地区地震危险性

地震预测结果可以反映研究区域的地震危险性。鲜水河-小江断裂带是川滇应变场率模型中变形最显著的区域，整个断裂带都具有较高的应变率，且明显高于周边区域。先前的研究沿这一断裂带定义了4个地震空区[20，21]，其中道孚-康定地震空区在2014年发生了康定5.9级地震，但是其震级较小，释放的能量要远低于积累的能量[22]。因此，这一地震空区的地震危险性依然较高。

4.3 川滇地区的变形模式

地震预测结果能够反映构造环境长期的地震活动水平。越高的地震预测值意味着越频发的地震活动，其构造环境就越活跃，从而离刚性块体的标准也就越远。

由图2可知川滇地震主要集中在鲜水河-小江断裂带上，预测的地震数量也显著高于其他地区，占川滇区域的14%，因此，具有明显的板块边界效应。但是同时，其他地区的总应变率和地震预测数量均比较高，其中地震预测数量达到86%，具有一定的连续变形特征。因此，川滇地区的地壳变形非常复杂，无法用简单的块体模型和连续变形模型来描述。

5 结 语

本文基于中国地震科学实验场大地测量应变率模型和1977年～2016年GCMT地震目录，采用SHIFT_GSRM2f模型，预测川滇地区每一百年将会发生3次Mw7.0+、8次Mw6.5+、26次Mw6.0+浅源地震。

预测结果分别与1977年～2016年的GCMT、ISC-GEM、1904年～1976年和1936年～1976年的ISC-GEM等历史地震目录进行置信度为95%的非参数Kendall协调系数W一致性检验。结果显示具有较好的一致性，从内外符合角度说明本文的预测结果较可靠。

预测结果也说明：①川滇地区仍存有较高的地震危险性，如道孚-康定空区；②川滇地区的变形模式非常复杂，无法用简单的块体模型和连续形变模型来描述。