中原地区ML 3.0地震高频异常与ML 4.5以上地震时空特征分析

谢健健 孙召华 贾漯昭 邢 康 吴亚峰

（中国郑州 450016 河南省地震局）

0 引言

以往震例总结表明，地震活动往往在大震发生前出现非随机性增强现象，可用地震应变释放曲线呈加速形态、某一时间段内小震次数增多、断层总面积及地震活动性增强度等来表述，如：茂木清夫（1969）指出，在浅源大震发生前的一段时间内，震源区周围广大区域的地震活动明显增强；梅世蓉（1960）指出，我国历史大震，如1668 年7 月25日山东郯城级和1679 年9 月2 日河北三河平谷8 级大震前，有感地震频度具有先增加后减弱的变化趋势；张肇诚等（1990）指出，1976 年7 月28 日河北唐山7.8 级大震前，燕山地震带东区1974 年ML≥4.0 地震高达6 次（以往年均1 次），京津唐渤张东区1973年7 月ML≥3.0 地震频度显著增高，唐山至五原1976 年3 月ML≥2.7 地震高达45 次，均呈现高频次异常；谢智等（1998，2001，2007）分析发现，在1983 年11 月7 日山东菏泽6.0 级地震前，震中附近地区于1981 年12 月—1982 年7 月先后发生4 次ML4.0—4.8地震。

中原地区（31°—37°N，110°—117°E）大致包括河南省、河北省南部、山东省西部、安徽省西北部、湖北省北部及山西省中、南部地区，面积约50 万km2。该地区地质构造上跨越华北地块、秦岭大别造山带和扬子地块3 个一级大地构造单元。该区地震活动相对较弱，1970 年至今发生1 次6.0 级地震（1983 年11 月7 日山东菏泽MS6.0 地震）、2 次MS5.1地震（即1979 年5 月22 日和2013 年12 月16 日湖北巴东2 次MS5.1 地震）、46 次ML4.5—5.3 地震。对于少震弱震地区，中等地震前是否存在ML≥3.0 地震频次相对增强的异常现象，文中通过统计中原地区1970 年以来发生的3.0 级以上地震，与该区ML4.5 以上地震进行映震分析，以期得出二者时空对应关系。

1 资料选取

采用全国统一地震编目，选取1970 年1 月—2020 年6 月中原地区发生的983 次ML≥3.0 地震目录，按季度（3 个月）、半年（6 个月）和全年（12 个月），统计地震发生频次（图1），并选取该区同期发生的ML≥4.5 地震，回溯检验各时段ML≥3.0 地震高频次异常与ML4.5 地震的对应关系。

图1 中原地区1970 年以来ML ≥3.0 地震N—t 图（a）季频次；（b）半年频次；（c）年频次Fig.1 The N-t diagram of earthquakes with ML ≥3.0 since 1970 in Central China

2 ML ≥3.0 地震高频次指标确定

设各时段3 级地震频次初始数据为Xi（i=1，2，…），计算得到平均值，求取一倍中误差σ（Xi），剔除平均值正负一倍中误差数据，剩余数据为Yi（i=1，2，…，j；j≤i），求得平均值，取大于的整数，作为各时段ML≥3.0 高频次定量指标。对于中原地区983 次ML≥3.0 地震，采用上述方法，统计得到季度、半年、年度ML≥3.0 高频次定量指标，结果见表1。

表1 中原地区各时段3 级地震高频次异常定量指标Table 1 The quantitative indexes of high-frequency anomalies of earthquakes with ML ≥3.0 in Central China for each statistic period

3 高频次异常与地震的时序分析

3.1 ML ≥4.5 地震统计

中原地区1970 年1 月至2020 年6 月共发生ML≥4.5 地震43 次（同一地震序列只计1次最大地震），统计结果见表2，地震分布见图2。

图2 中原地区1970 年以来ML ≥4.5 地震分布Fig.2 Distribution of earthquakes with ML ≥4.5 since 1970 in Central China

表2 1970 年以来中原地区ML ≥4.5 地震参数Table 2 The basic parameters of earthquakes with ML ≥4.5 since 1970 in Central China

3.2 ML ≥4.5 地震映震分析

受资料所限，表2 中序号为1 和2，即在1970 年发生的2 次地震，不计入映震分析统计结果。因此，在以下分析中，ML≥4.5 地震指序号3—43 的41 次地震。

根据表1 所示结果，当ML≥3.0 地震季频次≥5、半年频次≥9、年频次≥18 时，定为ML≥3.0 地震高频次异常，分析高频异常出现后1年内，与研究区所发生的ML≥4.5地震的映震关系，并据许绍燮（1989）提出的预报效能评分标准，计算R值。受篇幅所限，文中仅列出中原地区1970 年以来ML≥3.0 地震半年高频次异常与ML≥4.5 地震的对应关系，结果见表3，并统计3 级地震高频次在不同时段与ML≥4.5 地震的对应关系，结果见表4。

表3 中原地区1970 年以来ML ≥3.0 地震半年高频次异常与ML ≥4.5 地震对应关系Table 3 The relation statistics between high-frequency anomalies of earthquakes with ML ≥3.0 and earthquakes with ML ≥4.5 since 1970 in Central China

续表3

表4 中原地区1970—2020 年各时段3 级地震高频次异常与ML ≥4.5 地震对应关系统计Table 4 The parameters of relation statistics between the high-frequency anomalies of earthquakes with ML ≥3.0 and earthquakes with ML ≥4.5 since 1970 in Central China for each statistic period

由表4 可知：①中原地区ML3.0 地震高频次与其后1 年内ML4.5 以上地震有一定相关性；②ML3.0 地震不同时段高频异常后1 年内发生ML4.5 地震的映震率分别为0.65、0.63、0.64，表明异常时段不同，映震率差别不大；③映震率随异常时段增大而减小，漏报率则相反；④地震预测效能评分R值分别为0.192、0.318、0.332，均大于97.5%的置信度对应的R0值，表明该指标具有一定预测价值；⑤一次3 级地震高频次异常现象出现后，一般只对应1 次ML≥4.5 地震，少数异常对应2 次ML≥4.5 地震，偶尔对应3—4 次ML≥4.5地震，统计结果详见表5；⑥ML3.0 地震不同时段高频异常识别中，若前几个月之和已达到各自高频定量指标，则可提前预警，有可能减少地震漏报现象。

表5 1 次异常后对应ML ≥4.5 地震统计Table 5 The number of earthquakes with ML ≥4.5 after an anomaly

综上可知，在不同时段，中原地区ML≥3.0 地震高频次异常与ML≥4.5 地震的发生，在时间上具有相关性，表明该高频次异常对该区其后1 年内ML≥4.5 地震的发生具有一定预测价值。

4 高频次异常与地震的空间分布特征

一次具有减灾实效的地震预测，要求地震三要素有较明确的表述。据梅世蓉等（1993）的场源统一观，震源及附近地区是应力区，且应力、应变随时间而增长，较大地震发生前，中小地震在空间上的集中分布现象是一种具有意义的地震前兆，而中小地震在空间上的集中，可反映单位面积地震频次的高低。将中原地区（31°—37°N，110°—117°E）按不同形式分割，如以34°N 线为界，将研究区分为N（北）半区和S（南）半区，或以113.5°E线为界，将研究区分为E（东）半区和W（西）半区，研究不同分区内地震频次与ML≥4.5地震的位置关系。

以河南省内地震震级ML≥4.5、外围地震震级ML≥5.0 为原则，从表3 中选取19 次ML≥4.5 地震作为震例，进行分区研究。也就是说，若分区中某一小区地震频次较另一小区高，且表2 所列与此异常对应的地震震中恰好位于频次较高的小区，则认为二者的空间相关性较好。如图3 所示进行分区，统计并绘制各小区3 级地震高频次异常与ML≥4.5地震分布关系，结果见表6 和图3。

图3 ML 3.0 地震高频异常与ML ≥4.5 地震空间对应关系Fig.3 The relation statistics between the high-frequency anomalies of earthquakes with ML ≥3.0 and epicenters of earthquakes with ML ≥4.5

表6 显示，在19 次震例中，N（北）半区3 级地震高频次与ML≥4.5 地震震中所在区域一致的有12 次，占比63.2%；综合分析发现，在19 次震例中，除序号30 的震例，其他18 次均可预估未来ML≥4.5 地震发震区域。尽管该研究结果仍不尽人意，但相对研究区（31°—37°N，110°—117°E）42 平方度（6°×7°）面积而言，预测区域将减小到21 平方度。若表6 中预测区域能缩小到WN、EN、ES 和WS 等4 个分区中某一个小分区时，预测区域可缩小到10.5 平方度，虽然19 次震例中仅有6 次震例满足异常分布。

表6 ML ≥3.0 高频异常与ML ≥4.5 地震空间相关统计Table 6 The spatial relation statistics between the high-frequency anomalies of earthquakes with ML ≥3.0 and earthquakes with ML ≥4.5

如图3 中序号为22 的震例，1991 年1 月—6 月ML≥3.0 地震频次为9 次，满足半年高频次异常判定指标（≥9 次）。依时序分析，其后1 年内在研究区（31°—37°N，110°—117°E）可能发生ML≥4.5 地震，实际情况是，达到异常指标7 个月后，即1992年1 月14 日，河南登封（34.98°N，113.28°E）发生ML4.7 地震。

由于1991 年1 月—6 月ML3.0 地震半年频次达9 次，此后可将研究区以34°N 为界分为N（北）、S（南）区，由图3（a）可知，N、S 分区分别发生7 次和2 次3 级地震，比较两分区异常频次高低，可判断N 分区未来发生ML≥4.5 地震的可能较大。以113.5°E 为界，将研究区分为E（东）和W（西）区，由图3（b）可知，E 和W 区分别发生0 次和9 次3级地震，对比两区异常频次高低，可推断W 分区未来发生ML≥4.5 地震的可能较大。将研究区以34°N 和113.5°E 划分为4 个小区（即WN 小区、EN 小区、ES 小区和WS 小区），由图3（c）可见，4 个小区3 级地震依次发生7 次、0 次、0 次和2 次，4 个小区比较，西北小区为3 级地震集中区，频次为7 次，较其他3 个小区高，由此可预估未来ML≥4.5 地震发生在WN 小区的可能性较大，实际上，1992 年1 月14 日河南登封ML4.7 地震震中即位于该研究区的WN 小区。

5 结论

综上所述，可以得出以下结论：①中原地区ML3.0 地震高频次异常与其后ML4.5 以上地震有一定相关性；②ML3.0 地震季、半年和全年高频次异常定量指标分别为：5 次、9次和18 次；③高频次异常后1 年内发生ML≥4.5 地震，映震率分别为0.65、0.63 和0.64；④地震预测效能评分R值分别为0.192、0.318、0.332，均大于97.5%的置信度对应的R0值，表明该指标具有一定预测价值；⑤3 级地震3 个月、半年和年时段内，若前几个月之和已达各自高频次定量指标，则可提前预警，有可能减少地震漏报现象；⑥依据不同形式，将研究区划分为多种小区，探讨3 级地震高频次与ML≥4.5 地震震中位置的关系，在19 次震例中，有18 次可将ML≥4.5 地震的预测区域从42 平方度减小到21 平方度，在少震弱震地区地震预测预报日常工作中，具有一定实用价值。