1890—2020年伊朗MS≥6.8地震时空对称性及趋势分析

杨馥宁,延军平,王 婷,肖 南,朱春鸣

(1.陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119;2.内蒙古师范大学 地理科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022)

0 引言

地震是一种具有突发性、瞬时性的自然现象,在短时间内释放出大量能量并具有极大的破坏性,对人类社会影响较大,是世界上最严重的灾害之一[1]。伊朗每年发生3 000多次地震,根据《全球地震目录》等相关资料从20世纪至今(1900—2017年)平均每4.7 a就发生一次MS≥6.7的破坏性强震[2]。地震不仅造成了财产损失和人员伤亡,同时还会引发滑坡、泥石流和瘟疫 等次生灾害,导致伊朗社会秩序混乱。所以地震预测尤为重要,对国家社会经济的发展和稳定具有重要意义。

地震的时空对称性在地震研究中备受关注,孙宗扬[3]认为对称性是物理学中的第一原理。Noether[4]证明对于力学体系中每个连续的对称变换都有一个守恒量与之对应。翁文波院士[5]将可公度性从天文学应用于信息预测科学中,对中国的地震和干旱等灾害进行了一系列预测,使其在理论和方法上得到很大发展。延军平[6]认为自然灾害能量的释放与分布应该具有一定的时间周期和空间累积,所以可能具有一定的自然时空可公度性。近年来一些学者将可公度方法运用到地震的趋势判断中,效果显著,体现出重要的科学价值[7-13]。

本研究选取伊朗1890—2020年MS≥6.8地震数据进行分析,探讨了该区地震活动的时空规律及其物理机理。本研究的预测结果可在一定程度上减少当地的地震灾害损失,对于可公度方法和三性法的应用研究也有重要意义。

1 研究区概况

本研究区由三个构造单元所组成,即南部的扎格罗斯褶皱带、北部的科佩特褶皱带和中—东部伊朗新生代活动带[14](图1)。其中扎格罗斯造山带是世界上发生地震次数最多的造山带之一,属于新特提斯碰撞造山带的一部分[15]。有研究表明,阿拉伯板块以20～25 mm/a的速度向欧亚大陆北移[16-17],两个板块缓慢碰撞推动伊朗扎格罗斯山脉抬升,由此形成了扎格罗造山带。伊朗在大地构造位置上处于欧亚板块与阿拉伯板块之间,并以两者之间的伊朗微板块为主体[14],同时位于地中海—喜马拉雅地震带上,复杂的地质构造是伊朗地震多发的重要原因。伊朗作为海上丝绸之路与陆上丝绸之路的交汇点,自“一带一路”提出以来,成为人们关注的重点区域,对其地震规律的研究具有重要意义。

图1 伊朗地区研究区域示意图(据参考文献[14]修改)Fig.1 Schematic diagram of the study area in Iran (Modified after reference[14])

2 数据来源及方法

2.1 数据来源

伊朗1890—2020年的地震数据(表1)来源于美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA),同时参考了《全球地震灾害信息目录》[18]以及中国地震台网(http://news.ceic.ac.cn)。当数据有偏差时以NOAA为准,这样保证了数据的完整性及准确性,从而确保了对伊朗未来地震趋势判断的准确性。太阳黑子数来自于比利时皇家天文台WDC-SILSO数据库(https://www.sidc.be),自转数据来源于国际地球自转服务https://www.iers.org)。

表1 1890—2020年伊朗MS≥6.8地震参数Table 1 Parameters of MS≥6.8 earthquakes in Iran form 1890 to 2020

2.2 研究方法

2.2.1 可公度理论

可公度性是一种自然界普遍的规律,用来描述自然现象的周期性特征,是时空对称性的统一体现[19-20]。时间对称性意味着有序性,是某种地理模型在时间方面的不变性[21]。空间对称性是指一个时间序列的地理现象或者事件在空间上存在某种对称性[1]。常用的可公度方法主要为三元、四元和五元可公度法,目的是对预测信号的多次验证。由于三元稳定性高,当结果不一致时优选三元可公度法。蝴蝶结构图是可公度方法关于自然灾害时间对称性的进一步表达,主要用于解决可公度计算结果中如果有多个可能年份时,该如何抉择的问题[22]。可公度结构系可以对可能年份做进一步验证。

2.2.2 三性法

三性法是对强震进行中期预测的一种方法,它是由郭增建等[23]提出的。即地震的周期规律、倍周期规律以及黄金分割规律,具体表示方法是:

T=cT1=dT2,其中,c和d为正整数,当c∶d=2∶3或c∶d=3∶5时,以T1和T2为周期的波进行叠加形成振幅最大的T周期波,其中,T1和T2在T的黄金分割点上,分别对应于0.382T和 0.618T[24]。

三性法对新疆于田和四川九寨沟等地震事件的预测验证有一定效果[25-26]。在此基础上,借助于三性法预测并验证未来伊朗强震的可能性。

3 结果分析

3.1 伊朗MS≥6.8地震的时间对称性与趋势判断

3.1.1 可公度计算

本文选取1890—2020年的21次MS≥6.8地震数据作为参数,若同一年中发生多次地震则按一次计算。设X1=1890;X2=1895;X3=1909;……;X20=2013;X21=2017;求解X22=？

三元可公度得出结果为:2021年5组;2022年8组;2023年3组;2024年5组。其中2022年信号最强,其次为2021年和2024年。

四元可公度得出结果为:2021年49组;2022年32组;2023年20组;2024年24组。其中2021年信号最强,其次为2022年。

同样对地震数据进行五元可公度计算,得出的结果为2021年103组;2022年91组;2023年74组;2024年59组。2021年信号最强,其次为2022年。

综上,2022年的地震信号强于其他各个年份,其次为2021年和2024年。为了使结果更加精确,应用蝴蝶结构图来进行进一步判断。

3.1.2 蝴蝶结构图趋势判断

蝴蝶结构图是由等时间间隔的多种周期组成的,它反映的是多变量间的一种周期性共振变化,最终可得到预测年份随机性概率和不漏报置信水平[1]。具体公式如下:

随机性概率:Ta=M/N,不漏报置信水平:(1-α)=M/(N+1)。其中,Ta是灾害事件时间序列中预测年份发生的可能概率,N为灾害事件总次数,M为参与实际预测的灾害次数。

与2021年相关的周期有49 a和40 a;与2022年相关的周期共有4组,分别为5 a、9 a、66 a和41 a;与2024年相关的周期有27 a、34 a和67 a(图2～3)。由于N=21,M2021=14,M2022=17,M2024=16,所以伊朗地区2021年发生MS≥6.8地震的随机概率为66.7%,2022年为81%,2024年为76.2%;不漏报置信水平分别为63.6%、77.3%和72.7%。

图2 伊朗地区MS≥6.8强震的2022年时间序列蝴蝶结构图Fig.2 Butterfly structure diagram of the 2022 time series of MS≥6.8 strong earthquakes in Iran

图3 伊朗地区MS≥6.8强震的2021年和2024年时间序列蝴蝶结构图Fig.3 Butterfly structure diagram of the 2021 and 2024 time series of MS≥6.8 strong earthquakes in Iran

综上,伊朗在2021、2022和2024年都有可能发生强震,但是2022年发生MS≥6.8地震的概率最大。

3.1.3 可公度结构系趋势判断

可公度结构系是一种时间网络结构图,它清晰地反映出了各个地震年份之间的相互关系,是可公度法的补充和验证的有效途径[5]。结构系横向以34 a为主周期,以32 a为次周期,纵向呈现9 a和6 a的周期(图4)。由此可见,2022年发生强震的可能性较大,这与可公度计算和蝴蝶结构图趋势判断结果相一致。

图4 伊朗地区MS≥6.8地震可公度结构系Fig.4 The commensurability structure system of MS≥6.8 earthquakes in Iran

3.1.4 伊朗地震的三性分布

通过分析发现伊朗地震符合三性法分布。例如1890年与1923年发生了两次MS≥6.8地震,时间间隔为33 a;1929年和1956年伊朗分别发生了7.4级和6.8级地震,间隔也是33 a。以33 a作为大周期的黄金分割长段间隔为33×0.618=20.39 a。1957年12月发生7.1级强震,按照规律下次地震可能会在1977年7月发生,该预测与1977年3月发生的6.9级地震相差约4个月。1990年6月在德黑兰西北部发生7.3级强震和1977年的时间间隔为13 a,这与黄金分割短段的12.6年相差了7个月,二者构成了33 a的整周期。结合可公度预测结果以此规律外推,2022年底发生MS≥6.8地震的可能性更大。该方法可能将地震预测误差缩小到几个月以内,提高了趋势分析的可靠程度。

3.2 区域强震的空间分布特征

3.2.1 震中经向、纬向迁移特征

地震的空间对称性是其发生机理的外在表现形式,也就是说它可能是反映地球内部运动状况的指标之一[27]。从纬度迁移图中可以看出,震中纬度主要集中在32°N及其周围地区。从19世纪90年代到20世纪30年代,震中南北平稳迁移;20世纪50年代到70年代初,震中集中在32°N以北地区;从20世纪70年代至21世纪,震中又回到了南北平稳迁移的特征。经向上以54°E为对称轴,从19世纪90年代到20世纪70年代初,震中东西平稳迁移;而后集中在54°E以东地区,到20世纪80年代初从东到西平稳迁移。

从震中空间迁移图中还可以看出,除个别年份外,震中经向迁移与纬向迁移具有同步性,当震中纬度向北迁移时,经度向西迁移。假设伊朗地区的强震分布有较好的对称性,那么下次区域强震很有可能向东南方向迁移,在32°N以南,54°E以东地区。

图5 伊朗地区MS≥6.8地震震中纬向、经向迁移Fig.5 Epicenter migration of MS≥6.8 earthquakes of Iran in the latitude and longitude

3.2.2 震中的空间旋转规律

将伊朗1890年以来MS≥6.8的21次地震事件按照发生的先后顺序3个为一组构成若干个三角形,分析震中的空间迁移特征。伊朗强震呈明显的东西对称分布,迁移的主方向为“西北-东南”(图6)。其中,西北向东南迁移了6次,东南向西北的迁移有5次,具有良好的空间对称性。强震在空间旋转趋势上大体呈现顺时针-逆时针交替变化的规律。依据此变化规律可推测下一次地震应该是逆时针旋转。

图6 伊朗地区MS≥6.8强震震中三角迁移Fig.6 Epicenter triangle migration of MS≥6.8 strong earthquakes in Iran

从图中可以看出空间三角形大致以东北-西南方向为对称轴,主要集中在第一、二和四象限。三角形的底边主要集中在第一和第四象限,顶点震中位置集中在第二象限,且对称轴南北两侧的地震有较好的对应关系。2013～2017年震中跨越对称轴向西北方向移动,预计下次区域强震向东南方向迁移的可能性较大。这与震中经纬向迁移趋势一致。

19世纪90年代到20世纪60年代构成第一次回旋迁移,表现为大范围的东西跨跃。20世纪初到20世纪30年代为一个平静期,20世纪30年代到60年代为一个相对活跃期。从20世纪60年代到21世纪以后,构成第二次回旋迁移,集中于克尔曼沙汗地区。其中,1968年、1972年、1977年、1978年和1979年是一个小活跃期,呈现为小范围的南北回旋迁移,集中在呼罗珊地区;20世纪80年代以后,迁移至克尔曼地区,同时小范围回旋迁移。

3.3 相关物理机理探讨

3.3.1 太阳黑子与伊朗强震的关系

揭示地震的内在机理,可能是地学对自然灾害研究的重要贡献之一[28]。其中,太阳黑子与地震的发生关系一直是学者关注的重要话题[29-30]。有研究表明,对于不同区域太阳活动增强或减弱都有可能导致地震的发生。地震与太阳活动的关系总体上是基于太阳黑子的极值年或上升段与下降段来展开的[30-31]。从图7中可以看出:(1)太阳黑子单双周期交汇处地震事件占 52.3%,单周年地震发生了12次,占比达到57.1%。(2)在这21次强震事件中,有12次地震发生太阳黑子的极值年及其附近年份。而且强震易发生在太阳黑子活动周期的下降段。2022年处于太阳黑子的第25周期上,即进入单周年时期,同时在太阳黑子的极值附近并且处于黑子活动的下降段,所以地震的发生信号较强。

图7 太阳黑子活动与伊朗强震的关系Fig.7 The relationship between sunspot activity and strong earthquakes in Iran

3.3.2 地球自转与伊朗强震的关系

地球自转速度呈现波动变化,地球加速度变化产生的附加应力,会影响其各圈层的物质运动,块体之间由于质量、大小不同,应力增减的程度随之改变,会发生分离或追尾运动,从而触发地震[32]。有研究表明地球自转速率变化与发震时间具有良好的相关性[33-34]。地球自转速度用日长LOD表示,即当地球自转速度增加时,日长相对变短,反之亦然。从图8中可知:(1)地球自转减速期发生地震12次,加速期发生地震9次;减速期发生强震的概率为57.1%。由此可知地球处于自转减速期时,发生强震的可能性较大。有研究发现,自转速度的减慢,会使地表深处的岩石承受的压力加大,从而引发地震[5]。(2)自1890年以来,地震发生在日长极值年及其附近年份的次数为13次,占比61.9%。从图8中可知目前日长基本处于极小值,之后推断可能会上升,所以2022年很有可能发生强震。

图8 地球自转日长与伊朗强震的关系Fig.8 The relationship between LOD and strong earthquakes in Iran

4 结论

本文依据伊朗地区1890年以来MS≥6.8地震资料,利用可公度法和三性法对强震的发展趋势进行研究,可得到以下结论:

(1) 根据三元、四元和五元可公度计算结果,2022年伊朗发生MS≥6.8地震的可能性最高,随机性概率为81%,2024年次之,随机性概率为76.2%;伊朗127年MS≥6.8的地震序列符合三性法分布且有较好的周期性,横向以34a为主周期,纵向呈现9a和6a的周期。

(2) 伊朗震中分布有良好的空间对称性。其中,纬向对称轴在32°N左右,经向对称轴在54°E左右,处于扎格罗斯褶皱带上,整体上以东北-西南向为对称轴。而且经纬向迁移具有同步性,大体上当震中纬度向北迁移时,经度向西迁移。推断下一次该地区MS≥6.8地震可能发生在克尔曼地区。

(3) 从发震机理上看,1890年以来伊朗MS≥6.8地震多发生在太阳黑子的下降段和极值年附近,同时多发生在地球自转减速期。

本研究借助可公度法、蝴蝶图和三性法对伊朗MS≥6.8地震进行时空趋势判断,研究方法是基于灾害事件的对称性展开的,因此尚未达到地震预报的精确程度,并结合太阳黑子数和地球自转速度变化简单探讨了地震发生的物理基础,并未从震源发震机制上进行详细分析,相关深层机理还需进一步的研究。