京津冀交界地区小震活动特征研究

岳晓媛，崔博闻，王丽红，马 梁，王 燕

（北京市地震局, 北京 100080）

0 引言

一些大震发生前，在区域构造应力场的作用下，可能会出现多个应力增强集中区，应力增强集中区对未来大震的发生地点具有指示意义。地震活动在时空强等方面出现增强或减弱，在一定程度上可以反映区域构造应力场的强弱变化，因此，通过分析地震活动的起伏变化特征获取区域应力场的变化信息，对地震危险性的研判有重要的研究意义，很多学者据此开展了大量的研究工作。茂木[1]、沙道夫斯基等[2]均提出，在大震发生前的一段时间内，震源区及周围区域的地震活动显著增强，但增强的持续时间对主震发震的时间没有指示意义。梅世蓉[3]对中国历史大震震前的地震频度和地震活动变化趋势开展了分析研究，指出有感地震的频度呈现先增加后减弱的特征。张桂铭等[4]总结了国内外45 例地震预报震例的相关资料，发现利用震前出现的小震活动异常做出临震预测的成功率较高，可作为预测某些类型大震的重要参考指标之一。付虹等[5]、郭培兰等[6]和张博等[7]采用地震频度、震群和地震丛集活动等方法，结合研究区域的以往震例，对地震活动呈现的异常特征进行总结，认为地震活动增强可能携带了丰富的大震信息，具有一定的物理意义。崔博闻等[8]通过分析北京地区的小震活动变化，论证了异常变化特征对北京及周边地区显著地震的影响。上述众多学者对地震活动的研究表明，地震活动分析在地震预测工作中得到了普遍应用，是具有基础性、成熟性和实用性等特点的方法。

京津冀交界地区历史上发生了多次MS5 以上地震，1679 年三河-平谷MS8.0 大地震就发生在该区域内，最近一次MS5 以上地震为2006 年7 月5 日文安MS5.1 地震。文安地震后，该区域地震活动强度有所减弱，主要以中等地震为主，2018 年2 月12 日发生永清ML4.7 地震，该地震打破了京津冀交界地区ML4.0 以上地震长达5 年半的平静，2019 年12 月23 日该地区再次发生蓟州ML4.0 地震，ML4.0 以上地震发震间隔相对以往有缩短趋势，因此，广泛深入开展京津冀交界地区的震情研究具有实际意义。

本文将对京津冀交界地区小震活动的起伏变化开展相关研究，分析其异常变化特征对京津冀交界地区中等以上地震的影响，并对异常变化的成因和可信度开展讨论，最终提取预测指标，以期为京津冀交界地区中等以上地震的危险性研判提供预测依据。

1 选取资料及分析方法

1.1 选取资料

本文选取京津冀交界地区为研究区域（图1），地震目录采用全国小震正式目录。京津冀交界地区北至天津蓟县、南至河北任丘、西至北京大兴、东至天津武清，在华北构造区位于张家口-渤海地震带和河北平原地震带的交汇部位，主要涵盖了大兴隆起、冀中坳陷、沧县隆起和燕山隆起等部分地区，区域内断层分布主要以正断层和正走滑断层为主。自文安地震后，该构造区域的地震活动主要以中小地震为主，尤其小震活动更为突出。刘蒲雄等[9]通过详细的资料深入分析，发现在破坏性有感地震发生前，在较大区域范围内弱震活动显示了一定的异常，有些是很明显的，通过跟踪弱震活动的异常变化可以为破坏性有感地震提供预测依据。本文对不同震级下限（ML1.0、ML2.0、ML3.0）的小震年频度变化进行了分析（图2）。

图1 京津冀交界地区活动构造和历史地震概况Fig.1 Overview of active structures and historical earthquakes in the border region of Beijing-Tianjin-Hebei

图2 京津冀交界不同震级档地震年频度时序曲线图Fig.2 Annual frequency sequence curve of earthquakes with different magnitudes at the border region of Beijing-Tianjin-Hebei

由图2 可见，ML1.0 以上小震频度自2010 年以来有较明显的上升趋势，造成此现象可能与研究区域内小震活动水平活跃有关，还可能和近年来地震台网监测能力逐渐提升有关，ML1.0 地震的监测能力越来越完善；牟磊育等[10]分析了2002—2013 年京津冀地震台网的监测能力，认为在此期间，北京西部和北部地区台站稀疏，理论上不能满足ML1.0 的监测下限，地震目录会有缺失，2002 年之前ML1.0 地震目录更不完整。考虑到在不同时段地震监测能力水平不同，选取震级下限为ML1.0 的地震可能会对京津冀交界地区不同时间的地震活动水平分析结果造成影响。图3c 显示，ML3.0 以上地震频度时序曲线由于地震样本数的限制，即ML3.0 以上地震活动水平不高，时序变化不连续，地震活动的起伏变化特征不显著，由此也说明该区的小震活动主要以ML1.0～2.9 地震为主。相较于图3a 和图3c，图3b 呈现的ML2.0 以上地震频度在时序变化上是连续的，且地震台网对ML2.0 地震的监测能力相对完备，可以保证在同一监测能力下分析小震活动起伏特征的可信度。因此，考虑到研究所需的地震样本数及台网的地震监测能力水平，本文将研究震级范围设定为ML2.0～2.9。

图3 京津冀交界地区ML2.0～2.9 年频度时序曲线图Fig.3 ML2.0-2.9 Frequency Time Series Curve of the Beijing-Tianjin-Hebei Border Region

京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震年活动水平大致可分为2 个阶段（图3），1970—1991 年地震活动水平较高（蓝色框），其中主要受1976 年唐山大地震余震的影响，地震活跃现象一直持续到1991 年结束。1992 年至今（红色框），该地区的地震活动水平相对之前有所减弱，属于2 个不同的地震活动水平，因此，考虑余震的影响和地震活动水平的划分，确定研究的起始日期为1992 年。

自1992 年以来，京津冀交界地区共发生6 次ML4.0 以 上 地 震， 2012 年6 月18 日 和2012 年8 月26 日在天津宝坻相继发生ML4.5 和ML4.0 地震，发震时间间隔较短（1.5 个月），将这2 次地震作为一组震例总结。此外，1996 年12 月16 日北京顺义ML4.0 地震发生在距该区域约6 km 处，发震空间距离较近，因此，将顺义地震也作为相关震例研究，最后共有6 次（组）震例参与分析（表1，图4）。

表1 1992 年1 月至2020 年12 月京津冀交界地区ML4.0 以上地震统计Table 1 Statistics of earthquakes above ML4.0 in the Beijing-Tianjin-Hebei border region from January 1992 to December 2020

图4 京津冀交界地区1992—2020 年ML2.0～2.9 地震与ML4.0以上地震Fig.4 The 1992 to 2020 ML 2.0～2.9 earthquakes and earthquakes above ML4.0 in the border region of Beijing-Tianjin-Hebei

1.2 分析方法

地震活动的增强或减弱可以通过地震频度N的时序变化表述，图3 红色框内为京津冀交界地区1992 年以来ML2.0～2.9 地震年频度时序变化图，频度均值水平约为16 次。本文对不同时间窗长(1～12 个月)的地震频度曲线也开展了对比分析，因篇幅有限，不逐一列举图幅。经对比分析发现，不同时间窗长内的地震样本数直接影响小震活动的起伏变化，地震样本数太少会造成时序变化不连续，地震样本数太多会使得地震活动变化太平稳，2 种情况都会造成其起伏特征不显著。经反复对比分析，认为时间窗长为4 个月的频度曲线可以较显著呈现小震活动的起伏特征，即4 个月内ML2.0 以上地震平均发生约5 次，将平均值作为该地区地震活动背景水平，如高于背景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，以此作为地震活动增强或减弱的分析基础。以4 个月（120 天）为统计窗长、10 天滑动做时序扫描图，结合1992 年以来ML4.0 以上震例分析，发现当京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震4 个月频度出现大于10 次的现象，即超过一倍均值水平，后续在京津冀交界地区可能会发生1 次或1 组ML4.0 以上地震（图5）。据统计，1992—2020 年，京津冀交界地区ML2.0～2.9 频度共出现5 次大于10 次的地震活动增强现象，其中只有1 次未对应地震，其余4 次均对应ML4.0 以上地震，有较好的对应关系。后续将对小震频度高值异常的特点、形成原因及可信度进行研究。

图5 京津冀交界ML2.0～2.9 地震频度与ML4.0 以上地震Fig.5 The frequency of earthquakes between ML2.0～2.9 at the border region of Beijing-Tianjin-Hebei and earthquakes above ML4.0

2 小震高频异常特征分析

出现异常后，开展异常核实和分析十分重要，确定异常的可信度对后续判定地震危险性具有指导意义。

区域内发生震群活动或地震序列、显著地震后续的余震、地震活动增强等都会造成地震数量增加，在测震学参数中可以表现为地震频度的上升。自1992 年以来，京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震4 个月频度共出现5 次高频异常（表2），频度高值异常持续时间均为6 个月以内，最短持续时间为1 个月，最长持续时间为6 个月，即2020 年5 月2 日出现的高值异常。在每次小震高频时段内，京津冀交界地区小震增强表现在120 天内发生ML2.0～2.9 地震10～17 次。

表2 京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震120 天高频异常统计表Table 2 The 120 days high frequency anomaly statistical table of earthquakes between ML2.0～2.9 in the Beijing-Tianjin-Hebei border region

图6 为5 次小震高频时段内M-t 图，图7 为5 次高频异常时段内ML2.0～2.9 地震及后续主震分布，结合时间分布和空间分布共同分析5 次异常的异常特征及可信度。

图6 京津冀交界地区高频异常时间段内小震M-t 图Fig.6 M-T diagram of small earthquakes during the high frequency anomaly time period in the border region of Beijing-Tianjin-Hebei

图7 京津冀交界地区小震高频时段小震（红色）及预测区域震例（蓝色）分布图Fig.7 Distribution map of small earthquakes (red) and predicted regional earthquake cases (blue) during the high-frequency period of small earthquakes in the border region of Beijing-Tianjin-Hebei

图6a 显示在1993 年11 月10 日高频异常时段范围内，时间分布上没有出现小震丛集现象，但是在10 月21 日连续发生2 次地震，由图7a 可见，2 次地震基本属于同一震中位置，均发生在二十里长山断裂带和夏垫断裂交汇处，主震发生在新安镇断裂附近，这2 次地震距主震空间距离约60 km，2 次小震与主震同属于冀中坳陷区；高频异常时段内发生的ML2.0～2.9 地震在空间分布上较分散，没有出现相对集中现象。图6b 为1996 年5 月28 日高频异常 时 段M-t 图，5 月4 日 河 北 大 城 连 续 发 生4 次ML2.0～2.9 地震，在时间分布上出现小震丛集现象，该小震丛集发生在沧县隆起区内天津南断裂附近（图7b），距主震约130 km，1996 年12 月16 日顺义ML4.5 地震位于北京坳陷区，距离最近的断层是黄庄-高丽营断裂，该断裂以正走滑为主。5 月22 日再次连续发生2 次ML2.0～2.9 地震，但2 次地震不属于同一震中。小震空间分布显示，在河北大城及附近小震分布较为集中，自2 月11 日至6 月2 日连续发生8 次ML2.0～2.9 地震。2018 年1 月13 日高频异常时段范围内没有出现小震丛集和一天2 次地震的现象（图6c），在空间分布上，地震分布较分散，没有出现小震集中现象，距离主震最近断裂为河西务断裂。2019 年6 月27 日高频异常时段内（图6d），在时间分布上，于6 月19 日出现了小震丛集现象，即在河北廊坊连续发生4 次ML2.0～2.9 地震，该小震丛集发生在冀中坳陷，距离最近的断裂为河西务断裂，距主震约70 km，2019 年12 月23 日天津蓟州ML4.0 地震发生在蓟县山前断裂附近（距离约14 km）。10 月11 日再次连续发生2 次ML2.0～2.9地震，但2 次地震不属于同一震中。在空间分布上（图7d），高频异常时段内发生的地震主要集中在河北任丘及附近，空间上小震集中现象较显著。2020 年5 月2 日高频异常时段内，在时间分布上（图6e）出现一次小震丛集和一天内连续发生2 次地震的现象。小震丛集为4 月13 日，且在河北任丘连续发生5 次ML2.0～2.9 地震，7 月30 日连续发生的2 次地震也均发生在河北任丘，在空间上集中分布较显著，此次异常具有持续时间长、小震分布集中的特点，但后续并未发生ML4.0 以上地震，为虚报。

由上述分析可知， 5 次高频异常时段内发生的小震有3 次出现小震丛集现象（包括1 次虚报），占比50 %，有4 次出现一天之内发生2 次地震的现象（包括1 次虚报），占比75 %，因此认为在时间分布上，出现一天发生2 次的现象，此次异常的可信度较高；在空间分布上，5 次高频异常时段内发生的地震中有3 次出现相对集中分布的现象（包括1 次虚报），占比50%，出现2 次一天内发生2 次地震且震中位置较近的现象（包括1 次虚报），占比25%，无论是小震集中分布还是连续发生2 次地震的震中空间分布对后续发生的主震位置并无指示意义。

本文统计的5 次（组）小震高频异常，主要以地震活动增强或小震丛集为主，如以后出现由余震或小震群等地震活动引起的高频异常，需开展进一步分析，并结合震例识别该类异常的可信度，增加对小震高频活动的认识。

3 震例分析

通过上述对小震高频异常的分析及以往震例的梳理，研究时段内小震频度出现大于9 次的高值异常共5 次（表3，图5）。1993 年11 月10 日出现小震高频异常，异常持续时间为1.5 个月，于12 月20 日结束，11 月18 日在预测区域内发生天津宝坻ML4.4 地震，距异常开始时间间隔为8 天，此次地震是所有震例中发震间隔最短的一次地震。第二次高频异常自1996 年5 月28 日至9 月5 日，持续时间3 个月，距异常开始后220 天在距预测区域6 km处连续发生1996 年12 月16 日北京顺义ML4.5 和ML4.0 地震，这是所有对应震例中仅有的成组震例，也是发震间隔时间最长的一次震例。第三组异常起始时间为2018 年1 月13 日，持续时间1 个月，于1 月23 日结束，距异常开始后30 天在预测区域内发生2018 年2 月12 日河北永清ML4.7 地震，此次震例是所有对应震例中震级最大的一次地震；第四组 异 常 持 续 时 间 为3.5 个 月（2019 年6 月27 日—10 月15 日），距异常开始后179 天在预测区域内发生2019 年12 月23 日天津蓟州ML4.0 地震；第五组高频 异常自2020 年5 月2 日 至2021 年1 月7 日，持续时间为6 个月，后续在预测区域内未发生对应地震，为虚报，此次高频异常是5 次异常中持续时间最长的一次，也是仅有的一次虚报，因此认为，异常持续时间过长，虚报的几率较大，异常信度降低。

表3 京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震120 天频度高值异常与ML4.0 以上地震Table 3 The 120 day high frequency anomaly of ML2.0～2.9 earthquakes in the border region of Beijing-Tianjin-Hebei and earthquakes above ML4.0

在 统 计 震 例 中，2006 年7 月4 日 文 安ML5.5、2012 年6 月18 日 宝 坻ML4.5 和8 月26 日 宝坻ML4.0 地震为漏报地震，即震前未出现ML2.0～2.9地震高频异常，ML2.0～2.9 地震活动比较弱。震前能量释放的表现方式有很多种，有的表现为断层长期蠕动造成区域地震活动增强，这也是重要的震前异常现象；有的表现为断层突然活动引发震前能量直接释放，如文安和宝坻2 次（组）漏报地震。因此，不同的震前能量释放方式、速度可能会造成不同的结果。

由上述震例分析可知，京津冀交界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，但就目前统计震例来看，异常持续时间过长会影响异常信度，虚报的可能性较大。目前统计的对应震例中，最大震级范围为ML4.0～ML4.7，认为京津冀交界小震高频异常的预测地震主要为中等地震。

4 统计检验

4.1 异常指标的建立

通过对京津冀交界地区小震活动高频异常的分析及判定，结合该区域以往震例，最终得出异常判定指标。

自1992 年以来，京津冀交界地区共出现5 次ML2.0～2.9 地震120 天频度≥10 高值异常。其中，有4 次在后续发生了ML4.0 以上地震，所占比例为4/5，京津冀交界地区1992 年1 月至2020 年12 月共发生6 组（8 次）ML4.0 以上地震，一次虚报（1/5），2 次漏报（2/6）；发震特征为距高值异常开始8 个月内，在京津冀交界地区，且震级在ML4.0 以上，发震时间间隔最长为220 天，最短为8 天。该项异常指标可以作为反映京津冀交界地区ML4.0 以上地震活动的异常指标（表3）。

4.2 预报效能分析

为了判别异常指标是否具有预测意义，采用预测评分R对京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震120 天频度高值异常的预测效能进行检验。

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：

预测规则：京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震4 个月频度≥10，预测未来8 个月内京津冀交界地区可能发生ML4.0 以上地震。

对预测指标主要开展以下3 个方面的统计工作：①预报研究的总时长与预报占用时间：预报研究总时长为1992—2020 年，348 个月，共预测32 个月；②报对地震次数与应预报地震总次数：统计时段内，京津冀交界地区共发生ML4.0 以上地震6 组（8 次），其中报对地震4 次；③在统计震例期间，漏报虚报地震情况：虚报1 次，2 组（3 次）。

预测评分R值为：R=4/6-32/348=0.57，R0=0.44，R＞R0，通过预报效能检验。上述检验结果表明，京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震120 天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，可作为京津冀交界地区ML4.0 以上地震的短期预测指标。

5 结论与讨论

本文梳理并总结了京津冀交界地区ML2.0～2.9小震活动的起伏特征，发现120 天频度出现≥10 高值异常与ML4.0 以上地震有较好的对应关系，对出现的高频地震活动特征进行总结，得到以下结论：

1）京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震活动对该地区应力水平的变化较为敏感，当京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震活动水平高于背景值时，认为相对正常水平出现活跃现象，可能反映京津冀交界地区应力水平处于逐渐增强状态。当小震频度高于背景值1 倍以上即达到异常阈值时，意味着应力达到峰值水平，有发生ML4.0 以上地震的可能，优势发震时间为8 个月，优势发震地点为京津冀交界地区。

2）对小震高频异常的时空特征及可信度开展分析研究。5 次频度高值异常在时间上多具有小震丛集或一天之内发生2 次地震的现象，出现由这2 种地震活动引起的高频异常后，发生地震的概率占50%～75%。在空间分布上多具有小震集中分布现象，在高频异常时段内出现该现象，后续发生地震的概率占50%，但小震集中分布的空间地点对后续发生的主震位置并无指示意义。因此，可将小震丛集和小震集中分布现象作为衡量异常可信度的参考依据。

3）通过对小震高频成因种类的梳理，目前尚未发现由余震和震群活动导致地震总数增加产生的高频异常，在异常成因方面还需进一步积累。

上述结论表明京津冀交界地区ML2.0～2.9 地震活动的起伏变化，对区域ML4.0 以上地震的震情研判有一定的短期指示意义，且提取的预测指标预测效能评分R值大于R0，通过了预报效能检验，可以作为短期预测指标，为震情分析提供参考依据。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，逐步提高对地震活动增强的机理认识，以期为区域显著地震危险性提供依据。