【doc】郯庐带中强地震前后多参数综合异常时空特征研究

【doc】郯庐带中强地震前后多参数综合异常时空特征研究 郯庐带中强地震前后多参数综合异常时空 特征研究 第32卷第1期 2012年i月 地震 EARTHQUAKE Vo1.32.No.1 Jan.,2012 郯庐带中强地震前后多参数综合 异常时空特征研究 卢显,王琼,刘杰,唐兰兰. (1.中国地震台网中心,北京100045;2.新疆维吾尔自治区 地震局,新疆乌鲁木齐830011) 摘要:本文应用基于地震对应概率谱的多参数滑动极值相关度方法对郯庐断裂带进行时间和空 间扫描计算.时间计算结果显示绝大多数目标地震发生之前均有高值异常现象出现;空间扫描 计算结果显示中强地震前1年左右,震区及其附近区域多参数滑动极值相关度出现高值异常 现象,且异常区域逐渐扩大增强,地震多发生在异常区域内或者附近.中强地震发生后,高值 异常区逐渐缩小,震后1年左右异常区域基本消失;中强地震平静时段的多参数滑动极值相关 度均无高值异常区域出现. 关键词:综合异常;多参数滑动极值相关度;时空特征;郯庐断裂带 中图分类号:P315.7文献码:A文章编号:1000—3274(2012)01—004009 引言 各种地震学参数从不同侧面揭示了地震孕育过程的某些规律,但单项学科和方法的预 测具有一定的局限性口].尝试在单学科异常定量化描述的基础上进行多种方法的综合 分析,对地震预测研究具有重要意义.近年来,国内有许多采用数理统计方法对观测资料 进行异常定量化识别提取的研究.如王海涛在不同考察时长的对应概率谱基础上,将原 始数据时间序列转换成概率时间序列,并采用多点累计滑动平均方法得到平均概率时间进 程曲线,进行地震前兆异常的识别研究;薄万举l3利用多点组斜率法和合成信息流方法将 形变观测资料转换成"化信息曲线";王琼等[4]应用基于地震对应概率谱的多参数滑动 极值概率对新疆南天山西段多种地震学参数资料进行定量化的异常识别提取. 郯庐断裂带是我国东部一条规模最大的深断裂带,也是一条强震活动带.大震活动主 要集中在断裂带中部的下辽河一莱州湾和潍坊一嘉山两段.而历史上危害最大的是潍坊一 嘉山段的强震活动,公元1668年郯城8.5级大震就是一例_5].因此研究郯庐断裂带地震活 动特征具有非常重要的意义.本文基于文献[2]的方法和思路,通过计算各种地震学参数 * 收稿日期:201I-06—08;修改回日期:201卜O7—28 基金项目:国家自然科学基金(41074042)和国家科技支撑子专题(2006BAC01B02—01—05) 作者简介:卢显(1985一),女,山东聊城人,2010年获硕士学位,主要从事地震预报等研究. 1期卢显等:郯庐带中强地震前后多参数综合异常时空特征研究 求得滑动极值平均概率,重点分析了郯庐断裂带中强地震前后的综合异常时空特征,为郯 庐断裂带中强地震的预测研究提供方法和依据. 1研究方法 1.1值域谱分析 假设观测值序列为-z,z,…,z,z为序列中的最大值,z为其最小值.序列 z(一1,2,…,)的均值和标准差分别为. 1 一Xi(1) 厂———————————————一 一 /?(一)./(+1)(2)i=1 在均值和标准差计算的基础上,定义值域分布区间的规则如下: Dxo?(一胁,+胁)(3) Dx1?[+胁,+2)(4) D,x7?L+rnka,…](5) Dx一1?(一2,一](6) Dx?[z,—是口](7) 式(3),(7)中,Dx.,Dx,…,Dx,表示不同值域范围的观测值.根据式(3),(7),统 计观测值序列在各相应区间分布的频次,然后构建值域谱曲线,根据值域谱曲线分析数 据结构并且调整忌,值的大小. 1.2地震对应相关谱和滑动平均概率 在值域谱分析的基础上,可以求解出分值域地震的对应概率谱.利用地震对应概率谱 分析原始观测值序列基本异常特征,判定不同值域数据的异常信度属性. 首先,确定不同研究区内作为回顾性预测检验的目标地震.然后,按观测值时间序列 逐点统计落入从Dx一到Dx(从低到高)值域范围的数据,同时统计不同考察时段t内有 无预测目标震级以上地震,分别进行计数.依据上述规则,对观测值序列逐点统计相应 值域的有震对应计数IClDx和相应值域所有数据点数总和N,并计算两者之比m一 nDx/Nm,统计所有值域相应结果,即可得到某观测值序列不同值域地震对应概率谱. 以地震对应概率谱为基础,首先将所研究的不同地震参数时间序列黝(i一1,2,…n; 一 1,2,…,忌;le表示不同的地震学参数个数),按逐点隶属的不同值域地震对应概率谱 p跣转换为不同参数对应的概率值时间序列P,再根据不同考察时段t的长度,选择多 点累加平均,逐点滑动计算方法,得到不同地震学参数的滑动平均概率序列值. 设定t一6,12,18(单位:月),表示的不同考察时长,则得到不同地震学参数的滑动 平均概率序列为 P一(P+(),+…+P(斗卜1),)/t,i一1,2,…,(n—t+1)(8) 通过分析不同地震学参数的滑动平均概率序列,定量识别研究单项地震学参数的 前兆异常特征. 42地震 1.3多点滑动极值相关度 基于以上分析,逐点求解不同参数滑动平均概率序列的多点滑动极值概率序列 M?最后将不同参数的滑动极值概率序列M,求平均值,得到多参数滑动极值概率P值. 为了能够更明显细致的观察曲线变化,文中选取6点作为滑动窗长,将逐点滑动的综合结 果标注在最后一个点的时间坐标上. ,k(尼表示不同的地震学参数),叫一6(叫表示不同点滑动窗长). 设定J一1,2,… M—Max{P,P(汁1)J,…,P(计一1)J},i一1,2,…,(一讪+1),, === (M],,M2",M(一),),J一1,2,…,k 式中,M为不同参数多点滑动极值概率;M,为单项参数J的多点滑动极值概率. 通过求解不同参数M,的平均值,得到多参数滑动极值概率P I P一>M,/k(1o) J=l 2研究区域及资料选取 郯庐断裂带(图1)由多组呈斜列分布的断裂组成,根据各段不同的地质结构,该断裂 带可分为三段[6],即:北段(肇兴一昌图),中段(昌图一嘉山),南段(嘉山一广济).中段又 图1郯庐断裂带构造图(据罗志立等) (红色阴影区域为北区,黄色阴影区域为南区) 1期卢显等:郯庐带中强地震前后多参数综合异常时空特征研究43 可以分成两个亚段,即沈阳到潍坊的渤海亚段和潍坊到嘉山的沂沭亚段.沂沭亚段由4条 主干断裂组成,从东向西分别为昌邑大店断裂,安丘一莒县断裂,沂水一汤头断裂和郎 鄱一葛沟断裂,构成"两堑夹一垒"的构造形态,断裂带宽约50kmE7J.郯庐断裂带南段一 般也都具有宽几十米至上百米的主破碎带.由于中南段为郯庐带主要发震区,根据断裂带 附近地震的分布范围以及断裂带的宽度范围,本文选取如图所示的郯庐断裂带中南段为研 究区域(图1中黄色和红色区域).为了更加准确细致的分析研究区域中强地震前后的异常 时空特征,本文又根据断裂带分布情况以及地震发生规律,将研究区分为北区和南区两个 部分(图1中红色阴影区域为北区,黄色阴影区域为南区). 地震目录的完整性直接影响着对地震活动规律的认识.对于某一构造带,如果地震目 录自某时段起基本完整,那么某震级段地震的年频度应基本接近l8].采用中国地震台网中 心提供的1970年1月至2011年3月全国地震目录,根据研究区不同震级下限的地震频度 变化(图2),计算数据选取研究区域内1978年1月以来M.2.0以上的地震目录,预测目标 地震定为4.8级以上(利用K—K法删除地震数据的前震和余震). 誊 3结果与分析 图2研究区不同震级下限地震频度 3.1时间扫描计算 采用不同的统计窗长和步长进行时间扫描,分析有震对应概率谱和值域谱最为合理的 单参数及其阈值设置.在对南天山西段地震的研究中,当考察时间长度为18个月和6点为 滑动窗长时,研究区内预测目标地震M?5.5强震前多参数滑动极值概率预测效能较 高].本文分别以6个月,12个月和18个月为考察时间长度进行多参数时问扫描,得出以 12个月为滑动窗长时预测效果较好.例如图3(a,b)为考察时段12个月的地震刀值对应概 率谱及其相应的值域谱分布曲线,显示刀值在低值区间有震对应率较高且数据呈近似正态 分布.同理,通过对各种不同参数的概率谱及值域谱分析,选取在低值区或高值区地震较 多且值域谱曲线呈近似正态分布的地震学参数.最终对郯庐断裂带多参数综合异常时空特 征研究选择7个合理参数:能够描述地震活动震级和频度关系的b值,缺震,值;描述地 震危险性的D值;描述地震活动本身强度变化的强度因子Mf值,频度N值;还有环境因 子调制参数Rm值.根据前文中12个月为滑动窗长时预测效果较好的结论,故7个参数的 时间计算窗长均选为1年,计算步长均为1个月,采用6点滑动平均及3点滑动极值算法 对1978年1月至2004年12月的地震数据进行多参数滑动极值平均概率计算,将此计算 结果作为学习库并对2005年1月至2011年3月进行外推预测.根据研究区域目标地震的 时间分布,既要保证学习库有充分的样本资料,又要保证有一定数量的目标地震用来检验 外推预测效果,所以此处学习库截止时间选择为2004年12月. 44地震 鏖 (b) / {,, }! f | j.. K,/ f } 一 / 图3郯庐断裂带值地震对应概率谱和值域谱 (a)各区间参数有震对应分布曲线;(b)数据分布曲线 图4为上述7个参数滑动极值平均概率曲线,显示1978--2004年的学习库时段地震 对应率较好,在11次目标地震发生之前均有高值异常现象出现,但在2001年虚报1次. 2005年1月之后为预测外推时段,期间发生了1次ML6.0地震和两次ML4.8地震,分别 为2005年l1月26日九江一瑞昌M6.0地震,2008年11月14日海城ML4.8地震和 2011年1月19日安庆M4.8地震.九江一瑞昌地震之前出现了明显的高值异常现象,另 外两次地震也均出现在高值异常附近,外推预测信度较高. 份 图4郯庐断裂带多参数滑动极值平均概率曲线 3.2空间扫描计算 应用时间计算中效果较好的7个参数对研究区域南北区(图1)分别进行空间扫描.即 选择1978年1月至2011年3月Ms?2.0地震目录,空间扫描叩值,6值,D值,M,缺 震,频度,调制比等7种地震学参数.根据发震情况,北区目标地震设为研究区内ML? 5.O地震,南区目标地震设为研究区内ML?4.7地震,以2.×2.为空间窗长,0.2.为步长, 以12个月为考察时间长度进行计算,得到多参数滑动极值概率的逐月空间分布.鉴于北区 最近一次发生的目标地震日期为2000年1月,故设置北区学习库时间段为1978年1月至 1999年12月,2000年1月至2011年3月为外推预测时段,其中有5次目标地震在 震前1 年的时间均出现高值异常,且在震后异常区逐渐缩小并消失.同时设置南区学习库时间段 1期卢显等:郯庐带中强地震前后多参数综合异常时空特征研究45 为1978年1月至2007年12月,2008年1月至2011年3月为外推预测时段,南区5次目 标地震在震前1年的时问也均出现高值异常,且在震后异常区逐渐缩小并消失. 3.2.1北区学习库时段1999年岫岩ML5.9与外推预测时段2000年岫岩ML5.5地震 北区为图1中红色阴影区域,主要包含海城老震区.图5为学习库时段1999年11月 29日和外推预测时段2000年1月12Ft岫岩M…59与岫岩M【5.5地震前后的多参数滑动 极值概率空间异常演化结果.自1999年1月区域开始出现高值异常并且逐渐扩大,在当年 的11月即发生M【5.9地震,震后高值异常没有消失而是继续增强,直至发生2000年1月 发生M…55地震.两次地震之后,震区异常区逐渐消失,表明外推预测效果较好. 图51999年11月29日和2000年1月12日岫岩M】5.9与ML5.5 地震前后多参数滑动极值概率空间异常演化 3.2.2郯庐带南段学习库时段2005年11月26日九江M6.0和2006年7月26日定远 ML4.7地震 南区为图l黄色阴影区域.图6显示的郯庐断裂带南区在2004年9月开始出现高值 异常,异常区逐渐扩大并增强,同时在安徽和湖北两省交界处也出现异常现象,至2005年 11月与2006年7月分别发生M6.0与4.7地震,发震后异莆区逐渐削弱减退,2007 年7,月异常区基本消失 46地震32卷 O.050i0i5—— 图6郯庐断裂南部2005年11月26日九江6. 0级地震和2006年7月26日定远4.7级 地震前后多参数滑动极值概率空间异常演化 3.2.3郯庐带南段外推预测时段2011年1月19日安庆M4. 8地震 2011年1月19日安庆M【4.8地震发生前,南区在2008年4月出现了高值异常区,并 且一直持续到2010年底,说明南区的外推结果也较为理想.由于数据只采集到2011年3 月份,故图7显示南区高值异常现象还未消失. 4结论与讨论 以郯庐断裂带中南段为研究对象,利用1978年以来M12.0以上的地震,预测目标地 震定为Mj,4.8以上(数据均删除前震和余震).选取7个预测参数进行时间扫描计算.7个 参数滑动极值平均概率曲线显示,1978—2O04年的学习库时段内,在11次目标地震发生 之前均有高值异常现象出现,虚报1次.外推预测时段的3次目标地震也都出现在高值异 常附近. 1期卢显等:郯庐带中强地震前后多参数综合异常时空特征研究47 0.O50.10.15O2 图7郯庐断裂南段2011年1月19日安庆4.8地震前后 多参数滑动极值概率空间异常演化 空间扫描计算郯庐断裂带北部研究区和郯庐断裂带南部研究区的地震,不论是学习库 时段还是外推预测时段的目标地震均在震前1年的时间出现了高值异常现象,且 在震后异 常区逐渐缩小并消失.其主要异常特征如下: (1)中强地震前1年左右,震区及其附近区域多参数滑动极值相关度出现高值异常现 象,且异常区域逐渐扩大增强,地震多发生在异常区域内或者附近. (2)中强地震发生后,高值异常区逐渐缩小,震后1年左右异常区域基本消失. (3)中强地震平静时段的多参数滑动极值相关度均无高值异常区域出现. 参考文献: ,王海涛,王琼.新疆地区中强地震前ECRS方法空间异常图像识别研究[1]唐兰兰 [J].西北地震学 报,2011,12(2):1627. [2]王海涛,王琼.基于地震对应概率谱分析的前兆异常识别研究.地震研究,2008,31(4):330334. E37薄万举,吴翼麟.异常信息流的标准化方法及其应用[J].地壳形变与地震,1993,13(2):915. [4]王琼,王海涛,等.基于地震对应概率谱的多参数综合异常空间特征研究[J].中国地震,2009,27 (3):76—89. [5]晁洪太,李家灵.郯庐活断层与1668年郯城8.5级地震灾害[J].海洋地质与第四纪地质,1995,15 (3):69—80. [6]罗志立,李景明,李小军,等.试论郯城一庐江断裂带形成,演化及问题[J].吉林大学(地球科 学版),2005,35(6):699—706. E7]LinAiming,MiyataT,WanTian{eng.Tectoniccharacteristicsofthecentralsegmentofth e 48地震32卷 Es] Eg] Tancheng-Lujiangfau1tz.ne'Shand.nPeninsula'easternChinaEJ].TectonoF)hy,1998,293 85,104. 黄玮琼,李文香,曹学锋.中国大陆地震资料完整性研究之二[J]?地震,1994'16(4) 423—432. 王琼,王海涛.基于地震对应概率谱的多参数综合异常空间特征研究[J]?地 震,2.1O'3.(1) QR一1n7 Temporal?'spatialCharacteristics0fMulti—parametric AnomalybeforeandafterModerate'strong EarthquakesontheTanluFaultZone LUXianl,WANGQiong,LIUJie,TANGLan—lan (1.ChinaEarthquakeNetw.rksCenter,Beijing100045,China;2.EathquakeAdi"ii." .fXinjiangUygu1Autom.riousRegi.n,Urumqi830011,Chin) Abstract:Usingthemethodofmulti—parametricmovingmaximumprobabilitybasedon earthquakecorrespondingprobabilityspectrum,wetrytotemporal-spatallYscanmoder— ate—strongearthquakesofTanlufaultzone.Thetemporalresultshowsthattherearegreat changesofmulti-parametricmovingmaximumprobabilitybeforethetargetearthqua上 【es? ThesDatialTesuhshowsthattherearehighanomalyphenomenaneartheePcentralareaa— bout1yearbef.remoderate—strongearthquakes.Thehighanomalyareasgraduallyenlarge andenhanceandthenearthquakesoccur.About1yearaftermoderate—strongearthquaKes' anomalyareasdissipate,decreaseordisappear.Generally,therearenohighanomalyarea ofmovingmaximumprobabilityinquietperiods. Keyw.rds:Multi—ParametricmovingmaximuInprobability;IntegratedAnomaly;T.m pora1-spatia1anomalycharacteristics;Tanlufaultzone