AI算法用于廣西中強(qiáng)地震的回溯性震例研究*

閻春恒，周 斌，陸麗娟，甘延鋒，郭培蘭

0 引言

近年來，一些學(xué)者將現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)物理的理論和方法應(yīng)用到地震預(yù)測研究中，取得了探索性的成果，如地震加速矩釋放 (AMR)現(xiàn)象 (Bufe，Varnes， 1993;Sornette， Sammis， 1995;Knopoff et al，1996;Jaumé，Sykes，1999)、加卸載響應(yīng)比 (LURR)(Yinetal， 1995， 2000，2002;Smith，Sammis，2004;Trotta，Tullis，2006;羅貴安等，1996;陳學(xué)忠等，1996)、基于復(fù)雜系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的圖像信息學(xué)算法 (PI)(Rundle et al，2000a，2000b;Nanjo et al，2006;蔣長勝，吳忠良，2008)、態(tài)矢量 (Reichl，1980;尹祥礎(chǔ)等，2004;余懷忠，程佳，2011)、地震活動加速指數(shù)AI算法 (林柏辰，李顯智，2007;鄭建常等，2010)等。其中，AI算法具有綜合考慮研究區(qū)的地震活動背景，并對地震樣本量要求較低的特點(diǎn)，比較適合于弱震區(qū)地震活動性研究 (馮建剛等，2009;鄭建常等，2010)。鄭建常等 (2010)在林柏辰和李顯智 (2007)研究的基礎(chǔ)上對AI算法做了部分改進(jìn)，在華東地區(qū)地震活動研究中取得較好的效果。廣西及其鄰近北部灣海域地震活動總體水平不高，由于受地震樣本量不足的限制，運(yùn)用傳統(tǒng)地震活動性分析方法開展地震預(yù)測研究的效果不甚理想，本文運(yùn)用改進(jìn)的AI算法對該地區(qū)中強(qiáng)地震前小震活動進(jìn)行回溯性研究，并對AI算法在廣西地區(qū)地震趨勢分析中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 AI算法簡介

AI(Acceleration Index)算法的目的主要是分析地震活動的異常變化，這里的異常是指超過或遠(yuǎn)低于一個地區(qū)正常背景活動水平的變化。正常的背景活動定義為與大地震無關(guān)的時間區(qū)間內(nèi)的地震活動，據(jù)此計(jì)算出的背景值記為UM(Usual mean)。對于和大地震無關(guān)的記錄的選擇，遵照以下原則:(1)刪除ML≥4.5地震后tB時段內(nèi)的余震，雖然精確刪除余震的工作量較大，但是可以保證UM計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性;(2)消除“前震”記錄，考慮到大地震前較短時間內(nèi)地震活動可能受處于臨界狀態(tài)應(yīng)力場的作用，因此舍棄ML≥4.5地震之前tA時段內(nèi)整個研究區(qū)的所有地震記錄。

將研究區(qū)網(wǎng)格化，記為xi(i=1，2，…，N)，N為網(wǎng)格數(shù)。將研究時段的開始時間記為t0，t0～t1為選取的背景活動時段，待研究的大地震的發(fā)生時刻記為t2;背景研究時段內(nèi)發(fā)ML≥4.5地震q個，以tj(j=1，2，…，q)表示這些地震的發(fā)震時刻，第j個地震的前震時段開始時刻記為tAj，余震時段的結(jié)束時刻記為tBj。定義:

式中，n(xi，t0，t1)表示在 t0～t1時段內(nèi)發(fā)生在 xi網(wǎng)格內(nèi)的地震數(shù)。定義UM=NQ/TQ，則UM為背景活動時段內(nèi)小地震發(fā)生的平均速率。將我們所感興趣的大地震前的一段時間區(qū)間記為Δtfor，定義該時段內(nèi)地震活動平均值RM(Resent mean)，表示為

定義地震活動加速指數(shù)

式中，UMmax為所有網(wǎng)格中的背景活動最大值。由式 (4)可以看出，AI反映的是大地震前地震活動速率在研究時段內(nèi)相對于前期背景時段內(nèi)的變化情況。當(dāng)AI值超過或低于設(shè)定的閾值時，就認(rèn)為該地區(qū)地震活動異常，大于正的閾值表示該地區(qū)地震活動開始加速，低于負(fù)的閾值則表明該地區(qū)地震活動異常減弱。在最初的算法中 (林柏辰，李顯智，2007)，采用的是人工給定閾值的方法。鄭建常等 (2010)采用此方法對華東地區(qū)的中強(qiáng)地震作回顧性檢驗(yàn)時，根據(jù)研究區(qū)AI掃描結(jié)果的極值，動態(tài)修改閾值的上下限，取得較好的效果。本文根據(jù)廣西地區(qū)不同閾值選擇的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將閾值設(shè)定為研究區(qū)AI掃描結(jié)果極值的20%，這樣即考慮了廣西地區(qū)地震活動整體水平的“漲落”，也方便系統(tǒng)地計(jì)算研究。

2 研究資料的選取

本文研究區(qū)為廣西及其鄰近北部灣海域 (20°～27°N，104°～113°E)，選取1970 年以來研究區(qū)發(fā)生的13次ML≥4.5地震作為回溯性研究震例。地震目錄來源于廣西地震臺網(wǎng)中心，統(tǒng)一采用ML震級標(biāo)度。根據(jù)廣西區(qū)域測震臺網(wǎng)發(fā)展歷程 (姚宏，2010)，將研究資料分成1970～1986年、1987～1993年、1994～2006年和2007～2013年4個時段，采用G－R關(guān)系分析不同時段地震目錄的完整性和可靠性，將不同時段的震級下限選定為ML2.4、ML2.2、ML2.0和ML1.9(圖1)。同一震例計(jì)算中遇到資料跨越多個時段，統(tǒng)一采用震級最大的下限。

圖1 廣西及其鄰近北部灣海域ML≥1.0地震G－R關(guān)系(a)1970～1986年;(b)1987～1993年;(c)1994～2006年;(d)2007～2013年Fig.1 G －R relationship of ML≥1.0 earthquakes in Guangxi and its adjacent Beibu gulf region

對地震目錄進(jìn)行前震和余震刪除是該算法的一個重要環(huán)節(jié)。目前對于中強(qiáng)地震前震時段的選擇尚無統(tǒng)一的認(rèn)識 (Jones，Molnar，1979;林邦慧等，1994)，林柏辰和李顯智 (2007)，鄭建常等(2010)采用該算法進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，前震時段的改變對背景值的影響并不明顯，考慮到實(shí)際工作中一般將中強(qiáng)地震前90 d視為短期階段，本文選取震前90 d作為前震時段。對于序列余震的處理，本文采用手工方法進(jìn)行逐個核對刪除，以最大化保證資料的完整性。按照以上選取標(biāo)準(zhǔn)，對1970年以來廣西及其鄰近北部灣海域中強(qiáng)地震的前震和余震進(jìn)行了刪除。

3 中強(qiáng)地震的回溯性研究

根據(jù)廣西及其鄰近北部灣海域地震活動的實(shí)際情況，對計(jì)算過程中網(wǎng)格大小、滑動步長、背景時段和研究時段的選取進(jìn)行了對比研究，最終選取計(jì)算窗長為0.6°×0.6°，滑動步長為0.2°，研究時段為中強(qiáng)地震前1年，背景活動時段分別為研究時段前7年、5年、3年和1年共4個階段。按以上參數(shù)分別對13次中強(qiáng)地震前的地震活動進(jìn)行AI值空間掃描計(jì)算，并對不同背景時段的AI圖像進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示，對比不同的背景時段，13次中強(qiáng)地震前1年的AI圖像呈現(xiàn)出“高值異常、低值異常、無明顯異常”3種不同的演化特征 (表1)。由于篇幅所限，本文只展示部分典型震例的掃描結(jié)果。

表1 廣西及其鄰近北部灣海域ML4.5以上地震及AI值掃描結(jié)果Tab.1 ML≥4.5 earthquakes in Guangxi and its adjacent Beibu Gulf region and their AI scanning results

3.1 出現(xiàn)高值異常的典型震例分析

1993年大化4.9級、2007年天峨4.5級和2013年田東、平果、巴馬交界4.9級地震前都出現(xiàn)了顯著高值異常。圖2為大化4.9級地震前AI值空間掃描結(jié)果，與震前7年背景比較，震前1年震中區(qū)60 km范圍內(nèi)出現(xiàn)顯著的AI值高值異常，背景時段縮短至3年和1年，高值異常區(qū)域依然存在，異常極大值由1.168降至0.573。天峨4.5級地震前AI值空間掃描結(jié)果顯示 (圖3)，與震前3年以上背景比較，震前1年研究區(qū)的小震活動主要集中在震中100 km范圍內(nèi)，背景時段縮短至1年，高值異常范圍縮小至震中60 km，天峨4.5級地震剛好發(fā)生在異常最顯著的區(qū)域。大化4.9級和天峨4.5級地震分別發(fā)生于巖灘—大化庫區(qū)和龍灘庫區(qū)，結(jié)合庫區(qū)地震活動的特點(diǎn)分析認(rèn)為震前的高值異?？赡芘c庫區(qū)蓄水的加載作用有關(guān)。

3.2 出現(xiàn)低值異常的典型震例分析

13次震例中，有6次震例表現(xiàn)為低值異常(表1)，占震例總數(shù)的46%。在震前1～3年背景時段下，低值異?，F(xiàn)象較為明顯。隨著背景時段的縮短，1977年平果5.4級、1988年北部灣5.4級 (圖4)和1974年豐塘4.5級地震 (圖5)前伴隨出現(xiàn)低值異常增強(qiáng)或向震中位置收縮現(xiàn)象，2005年平果5.4級和2006年合浦4.5級地震前出現(xiàn)低值異常區(qū)收縮并逐漸消失現(xiàn)象。其中6次低值異常的震例中有5次位于非水庫地區(qū)，表明廣西地區(qū)的構(gòu)造地震發(fā)生前1～3年背景下，震中區(qū)普遍都會出現(xiàn)地震活動“減速”現(xiàn)象，這一特征可作為廣西中強(qiáng)地震活動的中短期異常判定指標(biāo)。

圖2 1993年大化ML4.9地震前研究時段為1年，背景時段分別為7年 (a)、5年 (b)、3年 (c)和1年 (d)的AI指數(shù)掃描結(jié)果Fig.2 AI scanning result in study period of 1 year before Dahua ML4.9 earthquake in 1993 compared to background time of 7 years(a)，5 years(b)，3 years(c)and 1 year(d)respectively

圖3 2007年天峨ML4.5地震前研究時段為1年，背景時段分別為7年 (a)、5年 (b)、3年 (c)和1年的 (d)AI指數(shù)掃描結(jié)果Fig.3 AI scanning result in study period of 1 year before Tian'e ML4.5 earthquake in 2007 compared to background time of 7 years(a)，5 years(b)，3 years(c)and 1 year(d)respectively

圖4 1988年北部灣ML5.4地震前研究時段為1年，背景時段分別為7年 (a)、5年 (b)、3年 (c)和1年 (d)的AI指數(shù)掃描結(jié)果Fig.4 AI scanning result in study period of 1 year before Beibu Gulf ML5.4 earthquake in 1988 compared to background time of 7 years(a)，5 years(b)，3 years(c)and 1 year(d)respectively

圖5 1974年豐塘ML4.5地震前研究時段為1年，背景時段分別為3年 (a)、2年 (b)和1年 (c)的AI指數(shù)掃描結(jié)果Fig.5 AI scanning result in study period of 1 year before Fengtang ML4.5 earthquake in 1974 compared to background time of 3 years(a)，2 years(b)and 1 year(c)respectively

圖6 1983年天峨ML5.0地震前研究時段為1年，背景時段分別為7年 (a)、5年 (b)、3年 (c)和1年 (d)AI指數(shù)掃描結(jié)果Fig.6 AI scanning result in study period of 1 year before Tian'e ML5.0 earthquake in 1983 compared to background time of 7 years(a)，5 years(b)，3 years(c)and 1 year respectively

3.3 無明顯異常的震例分析

1983年天峨5.0級 (圖6)、1995年北部灣6.3、6.4級雙震、1995年那坡4.7級和1998年環(huán)江5.3級地震前的AI值掃描結(jié)果未出現(xiàn)明顯異常。這4次地震的共同特點(diǎn)是都發(fā)生在2000年以前，震中位于廣西較偏遠(yuǎn)地區(qū)，地震監(jiān)測能力相對較弱，AI值掃描結(jié)果可能受震中區(qū)附近地震記錄不完整的影響。

4 結(jié)論

(1)對1970年以來廣西及其鄰近北部灣海域13次4.5級以上中強(qiáng)震進(jìn)行AI值空間掃描，分析了每次地震前1年小震活動相對不同背景時段的掃描圖像，發(fā)現(xiàn)有9次地震前出現(xiàn)了AI值掃描異常，其中6次為低值異常，3次為高值異常，異?，F(xiàn)象在1～3年背景下較突出。6次低值異常震例中有5次位于非水庫地區(qū)，表明震前AI值低值異常是廣西地區(qū)中強(qiáng)構(gòu)造地震孕育過程中較普遍存在的現(xiàn)象。4次位于水庫地區(qū)的震例中有2次出現(xiàn)AI值高值異常，1次出現(xiàn)低值異常，表明水庫地區(qū)中強(qiáng)地震前通常會表現(xiàn)出高值或低值異常。無明顯異常的4次震例都位于廣西地震臺網(wǎng)的網(wǎng)緣地區(qū)，掃描結(jié)果可能受區(qū)域監(jiān)測能力相對較弱的影響。

(2)對廣西及其鄰近北部灣海域ML≥4.5地震的回溯性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明，在小震目錄較為完整的情況下，中強(qiáng)地震震中區(qū)及附近區(qū)域震前1年的小震活動與之前1～7年的活動背景相比，會出現(xiàn)明顯的“加速”或“減速”現(xiàn)象，1～3年背景下異?，F(xiàn)象較為顯著，這顯示廣西中強(qiáng)地震可能存在中短期尺度的“前兆性”異常。雖然部分震例AI值掃描圖像的異常范圍較大，但是異常變化最顯著的區(qū)域基本都位于研究震例所在的地區(qū)，可通過對不同背景時段掃描圖像的比較分析，鎖定未來中強(qiáng)地震的發(fā)震區(qū)域。因此，AI算法對廣西地區(qū)中強(qiáng)地震具有一定的預(yù)測預(yù)報(bào)效能，可為該地區(qū)開展地震趨勢分析提供新的判定指標(biāo)，同時可供其它少震弱震區(qū)參考借鑒。值得注意的是，起算震級的確定、余震記錄的刪除、背景時段和研究時段的選取、研究窗長和掃描步長的選擇是AI算法的關(guān)鍵，應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況具體分析。

感謝鄭建常博士提供計(jì)算程序。

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