伊朗高原及周边地区MS≥7.1地震的时空对称性研究及趋势预判

王晓枝,延军平,董治宝

(陕西师范大学地理科学与旅游学院,陕西 西安 710062)

0 引言

地震对人类生活影响重大,强震的发生造成了巨大的人员伤亡和财产损失。地震预测一直以来都是世界公认的难题,若可准确预测地震发生的时间、地点、强度,并采取一定的防范措施,便可拯救成千上万的生命,减少经济损失,因此探索地震发生的时空规律对于防震减震有着重要的意义。

可公度性是时空对称性的一种表现,翁文波[1]院士首先将可公度方法运用于重大自然灾害对称性研究及趋势预判研究中,并成功预测了1976年唐山地震、1982年华北干旱、1991年淮河流域洪水和1992年美国地震[2]。延军平[3]研究团队通过蝴蝶结构图、可公度结构系的构建,对利用可公度方法进行重大自然灾害趋势预判进行了补充和完善,用可公度方法对地震趋势进行预判取得了丰硕成果[4-13]。龙小霞等[4]成功预测2008年汶川地震;延军平等[3]对2008年玉树地震做出了准确预判;李双双等[14]准确预测了2013年鄂霍茨克海地震;王腾等[15]对2013年雅安地震做出准确预测;高新甜等[16]成功预测了2014年厄瓜多尔地震;邢权兴等[17]对2015年阿拉斯加州地震的预测得到验证。但目前研究区仍多以行政区为界,地质构造不完整,以地质构造单元为基础的研究应作为今后的研究重点,且对地震的预测多以一次预测为主,虽表现出较好的可公度性,但不能否认偶然性的存在,预测结果的可信度有待提高。

伊朗高原处在欧亚板块与印度洋板块交汇处,地震频发,伊朗南部、巴基斯坦西部已逐渐成为地震发生的相对热区[18],且周边均为发展中国家,经济发展较为落后,人口密度相对较大,对地震的抗灾救灾能力较弱[19-20]。同时,伊朗高原及周边地区是“一带一路”的重要组成部分,其和平稳定对世界和平发展有着重要意义。因此,对伊朗高原及周边地区强震的时空对称性研究及趋势预判就显得尤为重要。

鉴于此,本文选择在地质构造较完整的伊朗高原及周边地区作为研究区,利用可公度方法对其MS≥7.1级地震的时空对称性进行研究,为周边国家防震减震工作提供参考。同时,在一次预测的基础上进行了二次预测,一是对于一次预测结果的可信度进行检验,二是给出时间尺度更大的预测结果,以给予周边国家地震灾害预警。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

研究区位于伊朗高原及周边地区,横贯土耳其、伊朗、巴基斯坦等国,是阿拉伯板块与欧亚板块汇聚碰撞的产物。高原东南部发育莫克兰俯冲增生造山带,阿拉伯板块上带有洋壳的部分向北俯冲至向欧亚板块下,形成莫克兰俯冲[21]。在莫克兰俯冲带以北有与其大致平行的以塔夫丹火山和巴兹曼火山为代表的现代火山弧,及以贾兹木里安盆地为代表的前弧盆地[22]。高原西南部发育扎格罗斯碰撞造山带,扎格罗斯造山带主要是一个斜向碰撞造山带,因此,伊朗高原广泛发育大型走滑断层及伴生的走滑拉分盆地[23]。高原北部发育北伊朗缝合带,李锦平等[24]研究表明,基米里早期运动使得原与阿拉伯板块为一体的伊朗微板块与之分离并北移,与欧亚板块发生碰撞并拼贴与欧亚大陆南缘,形成现今由科佩特山脉南部至里海南岸一带的北伊朗缝合带。

常承法[25]认为,伊朗的冲断层和褶皱可能比侧向运动更占优势,因为伊朗高原被限制于阿拉伯板块与欧亚板块两个汇聚板块间,又被圈在西面的阿拉伯板块和东小亚细亚与东面的印度板块和欧亚板块的碰撞带间,导致高原的任一块体不易沿某一条主要的走滑断层向外运动。在伊朗主要是通过褶皱作用和沿继承性的壳内逆断层活动来调节阿拉伯板块与欧亚板块间的汇聚。

位于土耳其北部的北安纳托利亚断裂带属右旋走滑断层,其东部受阿拉伯板块的限制,呈现逆滑,西部在受爱琴海扩张的影响下呈现正滑,强震频发[26]。A.A.Barka等[27]研究表明,发生于该断裂带的强震震源机制解几乎全为纯右旋走滑。K.Ercin Kasapoglu研究结果表示:阿拉伯板块以每年2 cm的速度向北推进和地中海岩石圈向小亚细亚半岛下消减导致的爱琴海地区沿希腊弧的向南不均匀扩张可能是土耳其近代构造活动的主要板块边界力源[28]。

图1 研究区地震概况图[4,7](卫星影像来自Google Earth)Fig.1 Overview of earthquakes in the study area[4,7] (The satellite image is from Google Earth)

1.2 数据来源

根据NGDC(National Geophysical Data Center)的资料,选取1900—2018年的数据,其中MS≥7.1的地震数据共19个,平均每6.3年就会发生一次MS≥7.1的强震。经度范围为36°E～62°E,纬度范围为28°N～40°E,除2013年伊朗地震震源深度为80 km属中源地震外,其余均为浅源地震,震源深度多在35 km以下。

2 研究方法

2.1 可公度理论

可公度性是周期性的扩张[1],是对称性规律的体现,其对称性具有时空统一性,既表现在时间上,又表现在空间上[3,29]。时空可公度反映的是多层时空对称叠加,通过时空震荡呈现一种网络状的对称形式[3]。用可公度理论进行预测主要以三元可公度结果为主,四元、五元可公度结果为辅,以进一步验证。在三元、四元、五元可公度结果不一致时,优先三元可公度结果。

2.2 蝴蝶结构图法与可公度结构系法

蝴蝶结构图法是建立在等时间间隔的基础上,反映时间对称性的一种方法[3],是自然灾害时间对称性的体现[30]。通过构建年份结构关系,确认预测年份及其随机性概率和不漏报置信水平[31]。主要用于解决可公度计算中两信号均较强年份的抉择问题。

表1 伊朗高原及周边地区1900年来MS≥7.1地震参数Table 1 Parameters of MS≥7.1 earthquakes in Iranian Plateau and its surrounding areas since 1900

可公度结构系是依据时间对称性周期特点绘制的自然灾害事件向量图[30],可以用来表示灾害的相互次序[6],并根据其表现出的时间结构规律来预测灾害发生时间。

2.3 二次预测

为提高地震预测结果的可信度,郭增建[31-32]、张玉凤等[33]利用三性法对可公度结果进行检测,朱春鸣等[13]利用自回归模型检验地震预测精度,李双双等[34]在对印度尼西亚岛弧MS≥7.8强震进行趋势预判时,在2012年表现出较强信号后又进行了未来趋势预判,结果也表现出较强的可公度性,且预判结果在2012年得到验证,表明通过二次预测检验的结果可信度更高。基于此,本文利用二次预测对可公度结果进行检验,以提高可公度预测结果的可信度。

二次预测是在假设一次预测事件发生的基础上,对同一时间序列的灾害事件利用可公度理论进行再预测的方法。二次预测的结果可以用于检验一次预测结果的可信度。对于一次预测结果唯一的事件,二次预测的三元可公度结果如果表现出较强的可公度性,则表明一次预测结果可信度较高;对于一次预测结果不唯一的事件,其一次预测任一结果的二次预测三元可公度结果可公度性均较强,且均指向同一年份,则表明一次预测结果的可信度较高。同时,二次预测的结果也指示了未来灾害事件可能发生的时间,对于防灾减灾有一定指导作用。

3 强震的时间对称性及趋势预判

3.1 一次预测

3.1.1 三元可公度趋势预判

三元可公度计算如下:X1=1 909;X2=1 916;X3=1 929;……;X18=2 013;X19=2 017;X20=？

计算结果为:2021年2组;2022年4组;2023年8组;2024年5组;2025年6组;2026年6组;2027年3组;2029年5组;2030年2组;2032年5组;2033年2组;2034年3组;2035年1组;2036年1组;2038年1组;2041年1组。

其中,2023年信号最强,为8组,2025年和2026年次之,均为6组,信号较强。

3.1.2 四元可公度趋势预判

四元可公度计算如下:X1=1 909;X2=1 916;X3=1 929;……;X18=2 013;X19=2 017;X20=？

计算结果为:2021年38组;2022年27组;2023年36组;2024年37组;2025年33组;2026年24组;2027年27组;2028年23组;2029年25组;2030年23组;2031年13组;2032年13组;2033年16组;2034组8组;2035年7组;2036年9组;2037年2组。

其中,2021年信号最强,为38组,2024年、2023年、2025年次之,分别为37组、36组和33组。

在时间趋势预判结果分析中,以三元可公度结果为主,以四元可公度结果为辅,综合三元与四元可公度结果,可以预测2023年伊朗高原及周边地区发生MS≥7.1强震的可能性最大,2025年次之。

3.2 二次预测

在一次预测结果的基础上,对伊朗高原及其周边地区MS≥7.1强震进行二次预测检验。

假设2023年发生地震,即当X20=2 023时。当X1=1 909;X2=1 916;X3=1 929;……;X18=2 013;X19=2 017;X20=2 023;X21=？

三元可公度计算结果为:2024年7组;2025年5组;2026年5组;2027年10组;2028年6组;2029年2组;2030年8组;2031年5组;2032年2组;2033年3组;2034年3组;2035年2组;2036年5组;2037年6组;2038年5组;2039年1组;2040年1组;2041年1组;2043年4组。其中,2027年信号最强,2030年次之。

假设2025年发生地震,即当X20=2 025时。当X1=1 909;X2=1 916;X3=1 929;……;X18=2 013;X19=2 017;X20=2 025;X21=？

三元可公度计算结果为:2026年7组;2027年12组;2028年5组;2029年2组;2030年8组;2031年4组;2032年2组;2033年5组;2034年5组;2035年2组;2036年4组;2037年5组;2038年5组;2039年2组;2040年2组;2041年1组;2043年4组。其中,2027年信号最强,2030年次之。

不难看出,无论下次MS≥7.1级强震发生于2023年或是2025年,其未来趋势均指向2027年和2030年,且以2027年可能性更大。这说明,一次预测的结果可信度较高,具有较高的参考价值。

3.3 时间序列图分析

3.3.1 蝴蝶结构图趋势预判

自然灾害具有时间对称性,蝴蝶结构图就是其对称性结构的一种体现,主要用于解决可公度计算中两信号均较强年份的抉择问题。

(1) 一次预测

根据可公度信息,绘制蝴蝶结构图(图2),可以看出,与2023年相关的周期共有4组,分别是33 a、47 a、60 a、81 a;与2025年相关的周期共有2组,分别是35 a、47 a。

图2 伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震时间序列蝴蝶结构图Fig.2 Butterfly structure map of time series of MS≥7.1 earthquakes in Iranian Plateau and its surrounding areas

若2023年或2025年验证,即2023年或2025年为未知事件,则总灾害事件次数为19,伊朗高原及周边地区2023年、2025年发生MS≥7.1的强震的随机性概率分别为73.68%和52.6 3%,不漏报置信水平分别为70.00%和50.00%。

(2) 二次预测

即2023年或2025年为已知事件,参与预测,总灾害事件次数为20。

若2023年为已知事件,与2027年相关的周期共有3组,分别是16 a、48 a与51 a,伊朗高原及周边地区2027年发生MS≥7.1的强震的随机性概率分别为65.00%,不漏报置信水平分别为61.90%;若2025年为已知事件,与2027年相关的周期共有4组,分别是14 a、16 a、49 a和51 a,伊朗高原及周边地区2027年发生MS≥7.1的强震的随机性概率分别为80.00%,不漏报置信水平分别为76.19%。

3.3.2 可公度结构系趋势判断

根据蝴蝶结构图构造伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震时间序列可公度结构系(图3),据此推演下次地震的发生时间[35],以加强可公度预测结果的准确性,弥补仅靠一种分析方法判断的局限性[36]。从图3可以看出,横向主周期为21 a,纵向主周期为33 a,无论是横向右移还是纵向下移,最终均指向2023年,表明伊朗高原及周边地区2023年发生MS≥7.1强震的信号最强。

图3 伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震时间 序列可公度结构系Fig.3 The commensurability structure system of time series of MS≥7.1 earthquakes in the Iranian Plateau and its surrounding areas

4 强震的空间对称性及趋势预判

4.1 震中迁移特征

震中迁移一直是国内外学者关注的现象[37-38]。从图4可以看出伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震震中在1960年前后呈现不同的特征,1960年前整体呈大幅度东西迁移,震中多位于研究区的西北部,以45°E,37.5°N对称;1960年后整体呈大幅度南北迁移,震中从西北部向东南方向迁移,以55°E,35°N对称。1960年前完成一次回旋所需经历的强震事件较多,1960年后一次回旋多由3或4个强震构成。1909年、1916年、1929年、1930年、1939年、1942年和1957年构成第1次大范围东西迁移,1957年、1962年、1963年构成第2次小范围南北回旋迁移,1968年、1976年、1978年、1979年构成第3次小范围东西回旋迁移,1979年、1981年、1990年、1997年构成第4次较大范围南北回旋迁移,2011年、2013年、2017年构成第5次大范围南北回旋迁移。

图4 伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震震中迁移Fig.4 Migration of MS≥7.1 strong earthquakes in the Iranian Plateau and its surrounding areas

除第5次回旋迁移外,1960年后震中回旋迁移均为闭合环状,可以据此推测,2011年、2013年、2017年MS≥7.1强震只是第5次回旋迁移的一部分,而伊朗高原及周边地区下次MS≥7.1强震将使其成为一闭合南北回旋迁移,那么它则有可能出现在44°E,37°N附近。

4.2 震中经向、纬向迁移

从图5可看出,伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震经向震中迁移东西交替规律明显,且在1960年左右对称轴发生了转移,从1960年前的以43°E对称转为1960年后的以53°E对称。与经向迁移特征相似,纬向上也在1960年后展现出较好的南北迁移规律,大体上以35.5°N为对称轴,在1960年前纬向上的对称性不明显,纬向震中迁移呈“M”型。

图5 伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震经向、纬向迁移Fig.5 Longitudinal and latitudinal migration of MS≥7.1 earthquakes in the Iranian Plateau and its surrounding areas

根据经向、纬向震中迁移规律,可以推测下次伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震震中有两种迁移可能。一是向西北方向小幅度迁移,可能发生在44°E,36°N附近;二是向东北方向大幅度迁移,可能发生在60°E,43°N附近。综合震中迁移特征分析结果,下次伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震最有可能向西北方小幅度迁移,发生在44°E,37°N附近,位于伊拉克境内。

5 结论

(1) 伊朗高原及周边地区1900年以来MS≥7.1强震的时间对称性表现明显。根据伊朗高原及周边地区1900年以来MS≥7.1强震年份的三元可公度计算结果,辅以四元可公度计算结果可预测2023年伊朗高原及周边地区发生MS≥7.1强震的可能性最大;预测结果通过二次预测检验,表明预测结果具有较高的可信度;根据蝴蝶结构图计算出2023年发生MS≥7.1强震的随机性概率最大,为73.68%,不漏报置信水平为70.00%;可公度结构系的横、纵主周期也均指向2023年。

(2) 伊朗高原及周边地区1900年以来MS≥7.1强震的空间对称性显著。震中迁移在1960年前呈大幅度东西迁移,多位于研究区西北部,在1960年后呈大幅度南北迁移,震中向东南方向迁移,3或4个强震可构成一次回旋,且多为闭合环状。经向震中迁移表现为双对称轴形式,在1960年左右对称轴发生了转移,从1960年前的以43°E对称转为1960年后的以53°E对称,纬向震中迁移在1960年后表现为以35.5°N为对称轴。据此预测2023年伊朗高原及周边地区MS≥7.1强震可能发生于44°E,37°N附近,位于伊拉克境内。