基于大地測量應(yīng)變率的川滇地區(qū)淺源地震預(yù)測

詹松輝，王華，周波陽，吳希文

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1 引 言

地震給人類，特別是給倍受國內(nèi)外地震學(xué)家關(guān)注的川滇地區(qū)[1，2]造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。如2008年汶川地震中超過8.7萬人喪生，造成約860億美元的經(jīng)濟(jì)損失。因此，準(zhǔn)確的地震預(yù)測是十分迫切的，它能為防震減災(zāi)工作提供科學(xué)的基礎(chǔ)資料。常用的地震預(yù)測方法有通過適當(dāng)?shù)钠交惴ㄍ馔埔延械臍v史地震目錄、基于活動斷層模型研究以及基于空間大地測量應(yīng)變率等。通過適當(dāng)?shù)钠交惴ㄍ馔埔延械臍v史地震目錄是一種直接簡單的預(yù)測方法，但這種方法易受歷史地震目錄累計(jì)時(shí)間過短和事件記錄不完整的影響，可能無法全面準(zhǔn)確反映局部地區(qū)的地震活動水平[3～7]；基于活動斷層模型的預(yù)測方法常受已有的活動斷層圖像不夠完整、詳細(xì)的限制，但該方法在許多地方都未能得到很好的結(jié)果[8～10]；伴隨GNSS技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)用大地測量應(yīng)變率場預(yù)測地震活動成為可能，其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變率場取決于大地測量的空間分辨率。因此，它不受歷史地震目錄和活動斷層圖不完整的約束[11～13]。

本文基于川滇地區(qū)最新的應(yīng)變率場模型——中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場形變模型(http：//www.cses.ac.cn/?p=3740)，應(yīng)用Bird等人提出的方法中最優(yōu)的預(yù)測模型SHIFT_GSRM2f預(yù)測川滇地區(qū)的淺源地震活動[12]。

2 原理與方法

2.1 淺源地震預(yù)測原理

研究構(gòu)造活動斷層附近的應(yīng)力場有助于了解地震發(fā)生的物理過程。大地測量應(yīng)變率可以轉(zhuǎn)換為地震矩率，這在預(yù)測地震活動中是一個(gè)重要的限制因素[14]。為了將獲得的大地應(yīng)變率結(jié)果轉(zhuǎn)換為川滇地區(qū)長期平均地震活動性的預(yù)測，我們遵循SHIFT(從構(gòu)造推斷地震危險(xiǎn)性)假設(shè)和算法[11，13]。

SHIFT假設(shè)的主要思想：①基于最類似的板塊邊界類型的頻率/震級關(guān)系，將地震矩率轉(zhuǎn)化為沿構(gòu)造斷層的長期地震預(yù)測值[13，15]；②構(gòu)造斷層的地震矩率可以通過最類似的板塊邊界類型的應(yīng)變速率張量和平均耦合地震厚度(即無量綱地震耦合系數(shù)×孕震厚度)來計(jì)算[13]。

2.2 淺源地震預(yù)測方法

我們使用Brid等[11，12]開發(fā)的SHIFT_GSRM2x程序中的最優(yōu)預(yù)測模型SHIFT_GSRM2f。采用GCMT目錄和Bird提出的PB2002剛性板模型[16]、Bird等人建議的板邊界分配規(guī)則[11]，以及由Bird等人確定的其他必要參數(shù)[15]作為輸入，計(jì)算得到川滇地區(qū)淺源地震預(yù)測值。

3 結(jié)果與質(zhì)量評估

3.1 預(yù)測結(jié)果

本文以0.1級的震級間隔進(jìn)行了Mw6.0+至Mw7.4+共15組川滇地區(qū)淺源地震預(yù)測，如圖1所示。從左往右分別對應(yīng)Mw6.0+、Mw6.5+、Mw7.0+淺源地震活動的預(yù)測結(jié)果，其中預(yù)測值表示每年每平方千米發(fā)生的相應(yīng)等級的地震數(shù)量。

對圖1預(yù)測結(jié)果中的鮮水河-小江斷裂帶做一個(gè)±30 km的緩沖區(qū)，如圖2所示，對緩沖區(qū)內(nèi)的面積和預(yù)測值(每年每平方公里發(fā)生的相應(yīng)等級的地震數(shù)量)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)面積僅占川滇地區(qū)(97.5°-106°E、21°-34°N)的7.9%，但是預(yù)測值卻高達(dá)14%。

圖1和圖2的結(jié)果表明：①最高的預(yù)測值主要分布在鮮水河-小江斷裂帶，達(dá)到14%；②第二高預(yù)測值主要分布在龍門山斷裂帶；③東邊的四川盆地整體預(yù)測值較低。

川滇地區(qū)百年尺度上不同震級范圍的淺源地震數(shù)可以通過對本文15組預(yù)測結(jié)果進(jìn)行面積積分。積分結(jié)果如圖3A(紅色圓圈)所示，結(jié)果表明川滇地區(qū)每一百年會發(fā)生3次Mw7.0+、8次Mw6.5+、26次Mw6.0+淺源地震。

藍(lán)色圓圈表示1900年～2016年USGS地震目錄(https：//earthquake.usgs.gov/)中淺源地震的震中位置，藍(lán)色菱形表示中國地震局記錄的2300B.C.-1900年發(fā)生在中國大陸的歷史地震的震中位置[17]。

藍(lán)色圓圈表示1900年～2016年USGS地震目錄(https：//earthquake.usgs.gov/)中淺源地震的震中位置，藍(lán)色菱形表示中國地震局記錄的2300B.C.-1900年發(fā)生在中國大陸的歷史地震的震中位置[17]。

3.2 質(zhì)量評估

從內(nèi)符合的角度，本文計(jì)算了1977年～2016年GCMT地震目錄在百年尺度上不同震級范圍的淺源地震數(shù)(即圖3A中的藍(lán)色圓圈)，然后和本文基于這目錄的預(yù)測結(jié)果(即圖3A中的紅色圓圈)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。對這兩組“震級-頻度”采用非參數(shù)Kendall協(xié)調(diào)系數(shù)W檢驗(yàn)，得到Kendall-W系數(shù)=0.994(見表1)，說明兩者具有較好的一致性。

從外符合的角度，需要將本文預(yù)測結(jié)果和其他外部地震目錄進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。在1977年之前，使用較為普遍的是ISC-GEM地震目錄。

本文分別統(tǒng)計(jì)了時(shí)間跨度同為40年的1937年～1976年和1977年～2016年的ISC-GEM地震目錄和1977年～2016年的GCMT地震目錄在百年尺度上不同震級范圍的淺源地震數(shù)量(分別對應(yīng)于圖3B中的實(shí)線-深綠色圓圈、實(shí)線-金色圓圈和實(shí)線-藍(lán)色圓圈)。額外統(tǒng)計(jì)了1904年～1976年ISC-GEM目錄中不同震級范圍的淺源地震數(shù)量，并將它們規(guī)劃到一百年的尺度上(即圖3B中的實(shí)線-紫色圓圈)。

圖3B顯示，1977年之前的ISC-GEM與GCMT地震目錄存在明顯的系統(tǒng)偏差。主要是因?yàn)?977年前的ISC-GEM地震目錄存在較大的震級不確定性，導(dǎo)致依據(jù)此目錄得到的結(jié)果不準(zhǔn)確[18]。

為了更合理地對比，本文通過G-R模型方法[19]將1904年～1976年和1937年～1976年的ISC-GEM目錄規(guī)劃到1977年～2016年的ISC-GEM目錄上，分別對應(yīng)圖3B中的虛線-洋紅圓圈和虛線-淺綠色圓圈。然后用本文預(yù)測的結(jié)果分別和1904年～1976年、1937年～1976年、1977年～2016年的ISC-GEM地震目錄的地震事件數(shù)用非參數(shù)Kendall協(xié)調(diào)系數(shù)W進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。結(jié)果表明在95%的置信度下，本文預(yù)測的結(jié)果與ISC-GEM地震目錄的歷史地震數(shù)是一致的，反映本文預(yù)測的結(jié)果質(zhì)量較好，可靠性較高。

同時(shí)將1977年～2016年GCMT地震目錄分為1977年～1996年和1997年～2016年兩段。將基于1977年～1996年GCMT地震目錄計(jì)算的川滇地區(qū)淺源地震預(yù)測結(jié)果(以下稱為實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果)和1997年～2016年GCMT地震目錄、ISC-GRM地震目錄所反映的情況進(jìn)行對比(圖3C1)，同時(shí)根據(jù)下式計(jì)算預(yù)測的成功率R：

(3)

式中Nforecast表示預(yù)測的每一百年某震級以上的地震數(shù)量(即圖3C1中的紅色圓圈)，Nhistory表示1997年～2016年GCMT和ISC-GEM歷史地震目錄中該震級以上的地震數(shù)量規(guī)劃到一百年尺度的結(jié)果(即圖3C1中的藍(lán)色圓圈和金色圓圈)。

圖3 地震預(yù)測結(jié)果質(zhì)量評估

不同地震目錄和本文預(yù)測結(jié)果的一致性檢驗(yàn) 表1

根據(jù)式(3)分別得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測1997年～2016年ISC-GME地震目錄的預(yù)測成功率RISC-GEM和1997年～2016年GCMT地震目錄的預(yù)測成功率RGCMT。如圖3C2所示，RISC-GEM在截止震級為Mw6.0、Mw6.1都比RGCMT好；在其余震級的成功率兩者都相等。說明實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果預(yù)測1997年～2016年ISC-GEM外部地震目錄的結(jié)果較好，本文的預(yù)測結(jié)果具有較好的穩(wěn)健性。

4 討論與分析

4.1 影響預(yù)測的主要因素

影響地震預(yù)測的主要因素有兩點(diǎn)。其一為大地測量的空間分辨率。隨著大地測量空間分辨率的提高，基于規(guī)則格網(wǎng)計(jì)算的應(yīng)變率和原始地震矩率也將會更詳細(xì)和準(zhǔn)確，這將大大提高地震預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

其二為全球震源機(jī)制解(GCMT)地震目錄的完整性和分類的合理性。全球震源機(jī)制解(GCMT)地震目錄是用來優(yōu)化預(yù)測過程中用到的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其收集統(tǒng)計(jì)的完整性和震源機(jī)制解計(jì)算分類的準(zhǔn)確性和合理性對地震預(yù)測的可靠性有著重要的影響。隨著時(shí)間和地震事件的積累以及震源機(jī)制解計(jì)算的優(yōu)化，全球震源機(jī)制解(GCMT)地震目錄將會更完整、穩(wěn)健、合理，這將會提高地震預(yù)測的穩(wěn)健性。

4.2 川滇地區(qū)地震危險(xiǎn)性

地震預(yù)測結(jié)果可以反映研究區(qū)域的地震危險(xiǎn)性。鮮水河-小江斷裂帶是川滇應(yīng)變場率模型中變形最顯著的區(qū)域，整個(gè)斷裂帶都具有較高的應(yīng)變率，且明顯高于周邊區(qū)域。先前的研究沿這一斷裂帶定義了4個(gè)地震空區(qū)[20，21]，其中道孚-康定地震空區(qū)在2014年發(fā)生了康定5.9級地震，但是其震級較小，釋放的能量要遠(yuǎn)低于積累的能量[22]。因此，這一地震空區(qū)的地震危險(xiǎn)性依然較高。

4.3 川滇地區(qū)的變形模式

地震預(yù)測結(jié)果能夠反映構(gòu)造環(huán)境長期的地震活動水平。越高的地震預(yù)測值意味著越頻發(fā)的地震活動，其構(gòu)造環(huán)境就越活躍，從而離剛性塊體的標(biāo)準(zhǔn)也就越遠(yuǎn)。

由圖2可知川滇地震主要集中在鮮水河-小江斷裂帶上，預(yù)測的地震數(shù)量也顯著高于其他地區(qū)，占川滇區(qū)域的14%，因此，具有明顯的板塊邊界效應(yīng)。但是同時(shí)，其他地區(qū)的總應(yīng)變率和地震預(yù)測數(shù)量均比較高，其中地震預(yù)測數(shù)量達(dá)到86%，具有一定的連續(xù)變形特征。因此，川滇地區(qū)的地殼變形非常復(fù)雜，無法用簡單的塊體模型和連續(xù)變形模型來描述。

5 結(jié) 語

本文基于中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場大地測量應(yīng)變率模型和1977年～2016年GCMT地震目錄，采用SHIFT_GSRM2f模型，預(yù)測川滇地區(qū)每一百年將會發(fā)生3次Mw7.0+、8次Mw6.5+、26次Mw6.0+淺源地震。

預(yù)測結(jié)果分別與1977年～2016年的GCMT、ISC-GEM、1904年～1976年和1936年～1976年的ISC-GEM等歷史地震目錄進(jìn)行置信度為95%的非參數(shù)Kendall協(xié)調(diào)系數(shù)W一致性檢驗(yàn)。結(jié)果顯示具有較好的一致性，從內(nèi)外符合角度說明本文的預(yù)測結(jié)果較可靠。

預(yù)測結(jié)果也說明：①川滇地區(qū)仍存有較高的地震危險(xiǎn)性，如道孚-康定空區(qū)；②川滇地區(qū)的變形模式非常復(fù)雜，無法用簡單的塊體模型和連續(xù)形變模型來描述。