北京地区小震活动与北京及周边地区显著地震相关性研究

崔博闻，岳晓媛，王丽红

（北京市地震局，北京 100080）

0 引言

众所周知，地震活动的起伏变化可以反映区域地震活动水平的增强或减弱，国内外专家学者对该现象开展了大量研究工作，认为地震活动出现“增强”或“减弱”现象对后续大震的发生具有一定的指示意义。茂木[1]和沙道夫斯基等[2]分析了震源区及周边地区地震活动的异常变化发现，在大震发生前，地震活动出现显著增强；王筱荣等[3]、付虹等[4]和陈学忠等[5]分别结合以往震例，利用地震频度、地震丛集活动等方法对研究区域的地震活动深入分析并确立异常指标，通过震例总结发现地震活动增强是震前最显著的异常特征，认为可以为地震预测提供有效依据。

北京地区最近一次M4.0以上地震是1996年12月16日顺义M4.0地震，至今平静24年，缺震现象显著。自2019年以来，北京地区地震活动出现显著活跃，尤其以ML3.0以上地震更为显著，先后发生海淀ML3.5、怀柔ML3.6、房山ML3.8和门头沟ML4.1地震。其中2019年4月7日海淀ML3.5地震打破北京地区ML3.5以上地震持续18年平静，2020年5月26日门头沟ML4.1地震打破北京地区ML4.0以上地震长达23.5年平静。且北京地区又处于特殊的地理位置，在北京或其周边地区发生显著地震会对社会产生重大影响。因此，广泛深入开展北京地区的震情研究是尤为重要的工作。

本文将对北京地区（行政区）的小震活动开展相关研究，分析其小震活动的起伏变化对周边地区显著地震的影响，并对其相关性进行系统分析，以期为北京及周边地区的显著地震活动趋势提供预测依据。

1 选取资料及地震活动分析

1.1 选取资料

选取北京地区（行政区）为研究区域，地震目录采用全国小震正式目录和快报目录。北京地区自1970年以来共发生10次M4.0以上地震，最近一次为1996年12月16日的顺义M4.0地震。1970—1996年期间，M4.0以上地震年频次0.34次，平均约3～4年发生一次M4.0以上地震，最大地震为1990年7月21日海坨山M4.6地震。自1996年顺义地震后至今，北京地区未发生过M4.0以上地震，最大地震为2020年5月26日北京门头沟M3.6地震，该时段地震活动水平及强度相对较弱。因此，按照M4.0以上地震活动规律，大致将北京地区的地震活动分为活跃和平静两时段，即活跃时段为1970—1996年，平静时段为1997年至今。本文主要针对北京地区地震活动水平相对较弱时段开展分析研究。

1.2 地震活动分析

图1 为北京地区1997年以来ML2.0～2.9地震月频度时序扫描图，北京地区ML2.0～2.9地震月频度均值水平为0.7次，即半年尺度发震频率约4次。如高于均值水平认为小震活动比较活跃，反之显示小震活动处于比较弱的水平，对于增强或减弱均需要给予关注并开展进一步分析工作。小震活动的增强或减弱可以通过地震频度N的增高或降低反映出来，通过对小震频度的分析发现，当北京地区ML2.0～2.9地震月频度大于4的现象，后续在北京及周边地区（39.5°～41°N，115.0°～117.6°E）往往会发生一次或一组ML3.9以上地震。因此认为，北京地区的小震活动的起伏特征和北京及周边地区ML3.9以上地震存在一定相关性。

图1 北京地区ML2.0～2.9地震月频度（30 d窗长，1 d滑动）与北京及周边地区ML3.9以上地震

本文对地震的不同震级范围开展进一步分析，讨论其作为指标阈值的稳定性。图1的震级范围为ML2.0～2.9，对该震级范围邻近震级档做了月频度时序图（30天窗长，1天滑动）（图2）。因为选取的震级范围不同，地震活动水平也会有所差异，结合以往震例分析，地震月频度的高值阈值也各自不同，将分别进行讨论。图2a显示，1997年的地震活动起伏特征在震前反映并不显著，且整个研究时段的地震活动显示，在2019—2020年期间，地震月频度在2次震例前没有达到阈值水平（N=6）。图2b中显示，1997年地震活动起伏特征在震前反映不明显，2012—2020年期间，地震月频度在4次震例前均没有达到阈值水平（N=5），漏报较多。图2c中显示，1997—2002期间，地震月频度在3次震例前均有显著的起伏变化，但自2014以来，地震活动水平不高，起伏特征不显著，地震月频度在4次（组）震例前均没有达到阈值水平（N=4）。图2d中显示，2005—2019年期间，地震活动水平不高，且较平稳，在3次（组）震例前没有达到异常阈值。

图2 北京地区不同震级档地震月频度（30天窗长，1天滑动）与北京及周边地区ML3.9以上地震

上述分析认为，ML2.0～2.9地震月频度在研究时段的起伏特征较显著，且与以往震例有较好的相关性。

1997年以来，北京及周边地区共发生7次（组）ML3.9以上地震（表1）。震中空间分布（图3）显示，有2次地震分布在北京地区，天津和河北地区各3次地震。从发震时间显示，发震时间间隔在3个月以内的地震可当做一组震例分析，最后共划分成7次（组）地震（表1）。由地震震级显示，后续发生的相关地震震级范围是ML3.9～4.8，没有发生ML5.0以上地震。尤其自2012年以来，相关地震震级均为ML4.0以上地震。因此认为相关地震主要以ML3.9～4.8为主。

表1 1997—2020年北京及周边地区ML3.9以上地震统计

图3 北京地区1997 —2020年ML2.0～2.9地震与北京及周边地区ML3.9以上地震

通过上述分析，最终确定本文研究的异常区域为北京地区，研究的震级范围为ML2.0～2.9地震，预测区域为北京及周边地区，预测震级ML3.9～4.8地震。根据小震月频度与后续地震的映震情况，确定小震月频度异常阈值为4。即当小震月频度大于4，认为出现高值异常现象，后续在北京及周边地区有发生ML3.9～4.8地震的可能。下面将对小震月频度高值异常现象的特点、形成原因及可信度进行研究。

2 小震高频异常成因及特点分析

对于一次异常的提出，分析其异常的成因是有必要的，有效识别真实的异常信息，确认异常的可信度和可靠性，可以为判定地震危险性提供更准确的依据。

引起地震频次升高的因素主要有显著地震的余震、震群活动、地震序列及区域地震活动增强等，上述地震活动均能导致地震总数增加，在测震学参数中可以表现为地震频度的升高。据图2统计，北京地区ML2.0～2.9地震半年发震频率约4次左右，在正常频度背景下如果月尺度发生4次以上ML2.0～2.9地震，认为地震活动偏离正常水平，显示小震活动出现较为活跃迹象。自1997年以来，北京地区ML2.0～2.9地震月高频共出现9次小震高频异常（表2），其中1997年3月和1997年5月两次异常间隔时间约1个半月，间隔较近，可视为一组异常分析，最终共得到8次（组）异常。本文将对这8次（组）小震高频异常的成因及异常可信度进行详细分析。

表2 北京地区ML2.0～2.9地震月高频异常统计

由图4显示，每次高值异常时段的小震在时间分布上没有出现长时间段小震集中现象，较多出现的时间特征是在北京地区一天连续发生2次ML2.0～2.9地震。图4a显示北京地区1997年3月20日连续发生2次ML2.0～2.9地震，结合图5a发现，这2次地震震中位置相距约3 km，在顺义-良乡断裂附近。图4c显示在2002年3月27日连续发生2次地震，2次地震震中相距约41 km（图5c）。图4d显示2004年2月15日连 续发 生2次 地 震，图5d显示2次地震震中为同一地点，在小汤山-东北旺断裂带附近。图4g显示2019年9月26日连续发生2次地震，结合图5g发现2次地震震中相距约3 km，在紫荆关断裂附近。

图4 北京地区高频异常时间段内小震M-t图

图5 北京地区小震高频时段小震（红色）及预测区域震例（蓝色）分布

由上述分析认为，8次（组）高频异常中有4次异常在时间分布上存在同一天连续发生2次地震的现象。结合小震空间分布图像显示，其中有3次发震地点较近或是同一地点。因此，如再次出现高频异常，在异常持续过程中发生上述小震活动现象，认为该异常可信度较高。

综合分析所有高频异常，认为均属于北京地区整体区域小震活动水平增强导致频度升高的特征表现，每次高值时段的小震分布在空间分布上没有出现显著地震、余震、震群活动和小震丛集等现象，地震分布具有普遍性。表2显示，8次（组）高频异常后续有6次地震对应，虚报2次，研究时长范围内共发生7次（组）地震（表1），漏报1次。因此，认为由整体区域地震活动水平增强引起的高频异常可信度较高，也可以解释为北京地区整体区域应力处于较高水平。

目前，本文统计的8次（组）小震高频异常，并没有出现由余震、小震群或小震丛集引起的高值异常。如果以后出现由该类因素导致的高频异常，需另做分析，并通过后续是否有对应的震例加以验证异常的可信度。

3 震例分析

3.1 震例回溯

通过对北京地区小震活动高频异常和以往震例的梳理，得到了地震月频度大于4次的高值异常共8次（组）（表3，图5）。第一组高值异常分为2段，分 别 为1997年3月21—29日和1997年5月19—26日，持续时间分别为9天和8天。鉴于第一次异常的结束时间和第二次异常的开始时间间隔为1个半月，间隔时间较短，认为可以将2次异常作为一组异常，发震间隔时间以第二次异常结束时间计算。1997年10月29日在预测区域发生北京海淀ML3.9地震，发震间隔为157天，此次地震是所有震例中发震间隔最长的一次地震。第二组异常持续时间为8天（1998年3月8—15日），异常结束后在预测区域发生1998年8月8日河北宣化ML3.9地震，发震距异常结束间隔为147天。第三组 异 常 持 续 时 间 为30天（2002年3月28日至2002年4月26日），距 异 常 结 束 后100天 发生2002年8月3日沙 城ML4.4和ML3.9地震。第四 组异常持续时间为10天（2004年2月16－25日），后续在预测区域没有发生相应的预测地震，为虚报。第 五 组 异 常 持 续 时 间 为2天（2012年4月15－16日），距异常结束后64天发生2012年6月18日天津宝坻ML4.5，该地震是统计的对应震例中震级最大的一次地震，并于69天后（8月26日）在天津宝坻再次发生ML4.0地震，鉴于两次地震发震间隔时间较短，作为一组震例考虑。第六组异常时间 间 隔 为4天（2016年4月29日 至2016年5月2日），后续在预测区域未发生预测地震，此次异常为虚报。第七组异常持续时间为1天（2019年10月12日），2019年12月23日在天津蓟州发生ML4.0地震，距异常结束时间间隔为73天。最近一组异常持续时间为9天（2020年4月20－28日），距异常结束后29天发生2020年5月26日北京门头沟ML4.1地震，该地震是统计震例中地震发震时间间隔最短的一次地震。

表3 北京地区ML2.0～2.9地震月频度高值异常（大于4.0）与周边地区ML3.9以上地震

由上述震例分析显示，北京地区小震频度高值异常持续时间对后续预测地震的震级大小无指示意义。目前所统计的对应震例中，最大震级为ML4.5，多数震级为ML4.0～4.5，认为此项异常预测震级为中等地震水平。

3.2 2020年5月26日北京门头沟ML4.1地震预测简析

自2019年以来，北京地区ML2.0以上地震活动水平出现活跃现象。2019年4月至2020年1月连续发生3次ML3.5以上地震，地震震级也呈初步升级迹象，无论是地震活动水平还是地震强度均出现明显上升、增强现象。通过分析研究发现，北京地区ML2.0～2.9地震月频度自2020年4月20日出现高值异常；随后在2020年4月22日北京局周会商中将该项指标作为异常项提出，提出需密切跟踪该异常的动态变化，如高频异常结束；据以往震例显示，未来半年北京及周边地区有发生中等地震的可能。2020年4月28日该异常恢复并降至异常阈值以下，距异常结束29天在预测区域发生门头沟ML4.1地震，其发震时间和发震地点都符合异常指标的判定。因此，认为此次异常可以交代给门头沟地震。门头沟地震再次验证了该项异常指标可以为北京及周边地区ML3.9～4.8震情研判提供参考依据。

4 统计检验

4.1 异常指标的建立

通过上述对北京地区小震活动高值异常的分析及判定，结合北京及周边地区以往震例，最终得出异常判定指标。

自1997年以来，北京地区共出现8次（组）小震月频度高值异常。其中共有6次高值异常对应北京及周边地区ML3.9以上地震（北京及周边地区1997年1月至2020年12月共发生6次（组）ML3.9以上地震），所占比例为6/8，两次虚报（2/8），漏报（1/7）；发震特征为高值异常结束后半年内在北京及周边地区发生ML3.9以上地震，其中，发震时间间隔最长为157天，最短为29天的2020年5月26日北京门头沟ML4.1地震。该项异常指标可以作为反映北京及周边地区ML3.9以上地震活动的异常指标（表3）。

4.2 预测检验

为了判别出现的异常是否有预测意义，结合统计震例、采用预测评分R对北京地区ML2.0～2.9地震月频度高值异常的预测效能进行了检验。

根据地震预报清理攻关研究所提出的地震预报能力评分公式：

对预测指标主要开展以下3方面的统计工作：

根据预测规则：①报对地震。出现高值异常后在预报时长范围内发生的6次（组）ML3.9以上地震；②应预报的地震总次数。研究区域出现的小震频度高值异常总次数，共8次；③预报占用时间为预报时长。可选取预测指标的优势预报时长，该指标预报时间为157天；④预报研究的总时间，分析研究所用的数据资料时长，1997年1月1日至2020年12月31日。

该异常优势预测时长为160天，应报地震8次，其中，报对6次地震，虚报2次；研究时长范围内共发生7次（组）地震，漏报1次；预测评分R值为:R=0.72，R0=0.44，R＞R0，通过预报效能检验。上述检验结果表明，北京地区ML2.0～2.9地震月频度高值异常指标具有统计上的预测意义，且预测效能结果较为理想，可作为北京及周边地区生ML3.9～4.8地震的中短期预测指标。

5 地震活动相关性讨论

北京地区是华北地区断层分布最多、走向最复杂的地区之一，有夏垫、黄庄-高丽营、顺义-良乡等NW向断裂（徐锡伟等[6]）。多条断裂的存在也反映出北京地区介质相对破碎，当大范围区域应力场增强，该地区介质相对其他地区较容易破裂，具有发生小震密集活动的优势，表现出地震活动水平增强的现象，从而成为区域应力场强化过程中较先反应且灵敏的地区。因此，开展北京地区小震活动的相关研究有一定的实际意义，可以得到区域应力场增强的前兆信息（图6）。

图6 北京及周边地区活动断裂分布

刘蒲雄[7]和季同仁等[8]分别对同一构造单元和有密切联系地区的地震活动关系进行了分析，研究结果显示它们之间的地震活动互相联系、互相影响，认为可以在此研究基础上对未来地震趋势做出判断。本文总结的6次对应震例中，共有4次（组）地震发生在北京周边地区，其中2012年6月18日及8月26日天津宝 坻2次地震和2019年12月23日天津蓟州地震均发生在张家口-渤海地震带和华北平原地震带北段的交汇部位，而北京地区大部分区域也位于该交汇区域，因此在构造方面存在互相影响。同样，1998年8月18日河北宣化地震和2002年8月3日河北沙城地震，这两次地震所属构造区域为张家口-渤海地震带和山西地震带北部的交汇区域，而位于北京西部的部分地区也属于该交汇区域。由上述分析，认为北京地区小震活动对山西带北部和华北平原带北部区域的相关性较明显，据以往震例显示，与北京及邻近地区效果更显著。当区域应力场增强时，潜在地震区都是应力集中点（薛丁等[9]），而北京地区由于介质较容易破裂，对周边应力场的变化比较敏感，会出现小震频次增高的现象，即小震活动增强。图2也显示了在显著地震发生前，北京地区呈现小震活动频次显著增高现象，这也是区域应力场应力增强的反映。本文研究结果与上述地震学者的研究结论基本一致。

6 结论与讨论

本文分析了北京地区ML2.0～2.9小震活动的起伏特征，发现月频度大于4高值异常与北京及周边地区ML3.9以上地震有较好的对应关系。经过深入分析并结合以往震例，讨论了两者之间的相关性，并确立了异常指标。

1）当北京地区ML2.0～2.9地震月活动相对正常水平出现活跃现象，可能反映北京及周边地区应力水平处于积累状态。当小震月频度大于4次即达到异常阈值，意味着应力达到较高水平，具有发生ML3.9～4.8地震的可能；当高值异常出现回落降至异常阈值以下，发震紧迫性增强，进入优势发震时间，一般为半年以内；预测区域为北京及周边地区。该预测指标预测效能评分R=0.72，R＞R0，通过了预报效能检验。

2）结合以往震例，对小震高频异常的成因开展了分析研究工作。8次（组）月频度高值异常均是由北京地区整体区域小震活动增强引起，时间分布和空间分布具有普遍性，没有出现余震、震群、小震丛等地震活动，且后续对应震例较好，异常可信度较高。如出现因震群活动或小震丛等其他现象引起的高频异常，需另做分析。并结合后续有无对应震例，检验异常信度的可靠性。

3）北京地区M4.0以上地震自1996年顺义地震后已平静近24年，在此缺震背景下，2019年以来北京地区连续发生多次M2.9以上地震，并于2020年5月26日发生门头沟M3.6地震，活动水平较为活跃。考虑到北京地区M4.0以上地震的平静—活跃与华北地区强震平静—活跃时段大体相同，并结合华北地区进入地震平静期的认识，华北地区进入平静期的依据相对较多等[10]，认为主要关注北京地区地震活动水平为M3.0～4.0的可能。

上述结论反映了北京地区与其周边地区在活动构造及活动断裂上存在一定相关性，相邻区域之间的地震活动和应力场互相影响，开展进一步的分析研究工作具有一定的实际意义。在今后的分析工作中，还需通过震例积累并结合地质构造的研究，逐步提高机理认识，为北京及周边地区显著地震的危险性提供更可靠的预测依据。