肖美美，延军平，李光耀

（1.青海师范大学 生命与地理科学学院，青海 西宁 810008；2.陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062；3.天津市滨海新区苏家园学校，天津 300282）

新疆及邻区MS≥7.0地震时空对称性及趋势研究

肖美美1，延军平2，李光耀3

（1.青海师范大学 生命与地理科学学院，青海 西宁 810008；2.陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062；3.天津市滨海新区苏家园学校，天津 300282）

对新疆及邻区1902—2014年间的MS≥7.0级的强震数据，运用可公度计算、蝴蝶结构图、地震震中对称结构等方法对该区域地震灾害的时空对称性规律进行了分析和总结。结果表明：新疆及邻区在2021年发生MS≥7.0地震的信号较强，据蝴蝶结构图计算出2021年发生MS≥7.0地震的概率为68.4%，不漏报置信水平为65%；未来地震震中可能向东北方向迁移，大致的空间位置在41.5oN以北，81oE以东。且地震集中分布在太阳黑子谷年附近，太阳活动目前正处于太阳黑子第24周期极大年附近，预计在2020年进入谷年。因此2021年新疆及邻区发生MS≥7.0地震的概率很大。该区域地震与地球自转速度有一定的关系，在减速期发生地震的可能性较大，且速度转换持续时间越长越易发生地震。对丰富灾害学以及可公度法的探索具有一定价值。

地震；新疆及邻区；时空对称性；可公度；太阳黑子；地球自转速度变化

0 引言

在全球变化背景下，重大自然灾害的发生频率加快，自然灾害对人们生命财产的威胁越来越大[1]。而近年来我国地震频发，新疆的地震活动水平又居全国首位，是我国主要的内陆地震活动区[2]。虽然新疆地广人稀，经济较落后，但是地震活跃地带却多分布于新疆人口集中，经济繁荣发达的绿洲地区，导致产生较大的人员伤亡和经济损失。因此对新疆及对新疆有影响的邻近区域的地震趋势预测尤为重要，这对于给新疆一个稳定的发展环境以及实现区域可持续发展具有重要现实意义。近年来关于地震研究方法的运用日臻成熟，对新疆及邻区地震活动趋势的研究与日俱增[3-10]。

地震具有随机性和突变性，但是仍存在一些规律性即对称性。并且地震等重大自然灾害人为扰动少，其内在规律和演化机制更易于探索研究。而可公度法为地震等自然灾害的预测判断提供了可能的研究方法。可公度法应用在地震上的研究取得了较多成果[11-13]，其在学术界得到了广泛的认可。

新疆是我国一个独立的行政区域，但是与俄罗斯、哈萨克斯坦和塔吉克斯坦等国家和地区在地质构造上有着紧密的联系。这些区域有着共同的物理基础和内在联系，不能孤立地把它们分开。由于区域内地震构造带、板块分区等的相连性，使得区域地震的发生有着一定的联系[14]，故其地震的时空对称性更有规律可循。因此本文将新疆及其邻区作为研究区域（图1）。

本研究是在对称性和可公度方法等科学研究基础上对新疆及邻区进行地震灾害趋势预测，并在地球自转速度与地震关系上有所创新，旨在丰富和完善可公度方法的理论框架及其在自然灾害上的预测运用。以期为我国防震减灾政策的制定和在一定程度上减少人员伤亡和经济损失提供进一步的参考依据。

图 1 新疆及邻区历史地震分布及部分地震区划分Fig.1 The historical earthquake distribution and earthquake zone division in Xinjiang and its neighborhood region

1 研究区地质背景

中新生代以来，随着有“世界屋脊”之称的青藏高原不断隆起，其周缘及后陆地壳强烈活动，活动断裂发育，进而使得该区域地震活动较为频繁[15]。该区域包括阿尔泰—蒙古地震带、横跨五国的天山地震带和塔里木南缘地震带等，地质构造较为复杂。其中横亘亚洲内陆三千多公里的天山地震带是当今巨大的活动造山带，其境内境外强震活动相互间影响十分明显，成为各有关国家关注的焦点。

2 数据来源与研究方法

文中有关地震的经纬度、发震时间等参数主要来源于《全球地震目录》等相关资料，同时在已有研究[4]基础上对所获得的数据进行校正和完善，以使对该地区地震时空对称性规律的分析结果更加可靠。

重大自然灾害不是孤立的，它们之间彼此联系，彼此影响着。而这种联系可以用事件之间的时空对称性来表示。在时间对称性方面，经过可公度对称法和蝴蝶结构法及可公度结构系的构建，分析历史地震数据的时间间隔等可公度性特征，寻找未来强震发生的趋势。在空间对称性方面，依据24个地震事件的经纬度信息，利用地震震中对称结构、震中迁移等探索震中经向、纬向迁移规律，初步推测下一次强震的空间位置。

3 时间对称性及趋势判断

时间对称性即多周期叠加的对称特征，指某些地理事物的产生和变化存在一定的时间周期或多重时间周期叠加组合的现象[16]。本文中地震年份的间隔周期主要通过三元、四元和五元可公度对称法等进行计算确定，通过对称性蝴蝶结构图和可公度结构系表现出来。

3.1 可公度计算

在分析地震的可公度性时，将相同区域一年内发生的多次地震归结为一次地震事件，其震级取多次震级最大值。自1902年以来，新疆及邻区共发生MS≥7.0地震24次（表1），则把文中24次MS≥7.0强震事件归为19次强震事件。设X1=1902，X2=1906，X3=1911，X4=1914，X5=1924，X6=1931，X7=1944，X8=1946，X9=1949，X10=1955，X11=1974，X12=1978，X13=1985，X14=1990，X15=1992，X16=1996，X17=2003，X18=2008，X19=2014，X20=？

据表2，三元、四元和五元可公度的计算结果分析可知2016年、2018年和2021年的MS≥7.0地震信号较强。为确保新疆及邻区地震未来趋势的预测结果更准确，采用蝴蝶结构图作进一步判断。

表1 新疆及邻区MS≥7.0地震参数（1902—2014）

表2 可公度计算结果

3.2 蝴蝶结构图趋势判断

根据自然灾害的时间对称性构造的蝴蝶结构图表现为周期共振，从周期上可看做长时间作用力累加而形成的交变应力，从时间上可理解为是过去地震释放的能量对将来产生的蝴蝶效应[16]。蝴蝶结构图是可公度关于时间结构的进一步表达[17]，能从中提取所选年份等时间间隔的可公度特性，进而将等时间间隔规律从可公度特征中提取出来，通过构造年份结构关系，绘制具有时间对称性特点的不少于5组的蝴蝶结构图（图2）。分析可知，图中数据具有较好的时间对称性：与2016年相关的周期有3组（5a、13a、72a）；与2018年相关的周期有2组（22a和72a）；与2021年相关的周期有7组（5a、7a、13a、18a、25a、29a和72a）。根据蝴蝶结构的随机性概率T=M/N；不漏报置信水平为（1-a）= M/（N+1）。其中，T为预测年份可能发生的概率； M表示实际参与预测的地震次数，即和主周期相关的年份统计；N为总的地震灾害事件次数[16]。因此计算可得2016年、2018年和2021年新疆及邻区发生MS≥7.0强震的随机性概率分别为52.6%、31.6%、68.4%，不漏报置信水平为50%、30%、65%。蝴蝶结构图显示2021年发生地震的概率最大，2016年次之，2018年则相对较小。

3.3 可公度结构系趋势判断

为更加直观地描述新疆及邻区未来发震趋势，根据图2蝴蝶结构图显示的时间对称性周期特点绘制出可公度结构系（图3）。可以清晰地看出，此24次强震事件的发生年份具有显著的时间对称性。历史地震年份具有良好的可公度性，通过相互嵌套的横向、纵向周期，与预测年份（2016、2018、2021年）形成完整的网络结构。故据该可公度结构系分析得出此区域于2016、2018、2021三年有MS≥7.0的发震信号。

4 空间对称性及趋势判断

4.1 地震震中迁移规律

图 2 新疆及邻区MS≥7.0地震蝴蝶结构图Fig.2 The butterfly structure diagram of MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its neighborhood region

图 3 新疆及邻区MS≥7.0地震可公度结构系Fig.3 Commensurable structure of MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its neighborhood region

一定强度的地震按照一定的空间顺序有规律发生的现象即为震中迁移[18]。国内外学者也在积极探讨和总结地震迁移规律。据图4，新疆及邻区从1902年以来MS≥7.0地震的震中大体上呈南北对称回旋迁移，规律较显著。该区域地震活动有3个小活跃期，分别为1902—1914年、1944—1955年和1974—1996年。在这3个小活跃期中，1902—1914年MS≥7.0地震震中迁移表现为逆时针旋转；1944—1955年MS≥7.0地震震中迁移表现为顺时针旋转；而在第3个小活跃期（1974—1996年）中，1974—1990年地震震中迁移表现为顺时针旋转，而到1990—1996年则转变为逆时针旋转。

将地震震中依据发震时间每三个依次连接得到地震震中对称结构（图5），在41.5oN和81oE的交点处即为其对称轴，且震中呈现东北—西南的对称分布，主要分布在一、三象限。

图 4 新疆及邻区Ms≥7.0地震震中迁移Fig.4 Commensurable structure of MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its neighborhood region

图 5 新疆及邻区MS≥7.0地震震中对称结构Fig.5 The MS≥7.0 earthquake commensurable structure in Xinjiang and its neighborhood region

4.2 地震经向、纬向迁移规律

在图6中，新疆及邻区经纬向的震中迁移具有较好的同步性，大体上纬向震中向北迁移和向南迁移时，经向震中则分别向东迁移和向西迁移。

据新疆及邻区地震震中纬向、经向迁移分析，纬向对称轴在41.5oN左右，而经向对称轴在81oE左右。假设新疆及邻区地震具有良好的空间对称性，那么该区域下次地震震中很有可能向东北方向迁移，即41.5oN以北，81oE以东（图6）。

图 6 新疆及邻区MS≥7.0地震纬向、经向迁移Fig.6 The MS≥7.0 earthquake commensurable structure in Xinjiang and its neighborhood region

5 对称性相关机理分析

5.1 新疆及邻区MS≥7.0地震与太阳黑子活动的关系

许多学者对太阳黑子活动与地震之间的关系及其影响机制开展了研究[19-24]，但目前还处于假说阶段。将新疆及邻区发生强震事件所对应年份绘制于太阳黑子数量变化图中（图7），以便对新疆及邻区地震活动与太阳黑子数的呼应关系开展研究，探索其中的某种联系。自1902年至今11个太阳黑子活动的谷值区间范围内，较集中地发生MS≥7.0地震。如果以1902年以来的24次地震MS≥7.0地震时间统计，在谷值区间发生MS≥7.0地震的概率为16/24=66.7%，说明该区域在太阳黑子数量的谷值区间范围内发生强震有较大的可能性。同时，在太阳黑子峰值区间发生的地震均在双周期，5次，分别是第14个周期的1906年地震、第18个周期的1946年和1949年地震、第22个周期的1990年和以及第24个周期的2014年地震。而自2009年起，太阳黑子活动进入第24个周期，目前正处于太阳黑子活动极大年附近，预计在2020年左右，达到本周期的太阳黑子数量谷值。依据前述内容所判断出的新疆及邻区未来发生强震信号最强的年份，2021年正处于第24周期的谷年附近，更进一步增强了趋势判断的可能性。

图 7 太阳黑子活动与新疆及邻区MS≥7.0地震时序分布Fig.7 Sunspot activity and MS≥7.0 earthquake sequence’s regional distribution in Xinjiang and its neighborhood region

5.2 新疆及邻区MS≥7.0地震与地球自转速度变化的关系

据学者研究，地球自转速度的变化会引起地震带上应力的重新分布[25]。故地震的发生与地球自转速度变化有着一定的联系，而发生在加速期或减速期与当地的构造条件有关[26]。图8中，新疆及邻区的地震发生在减速期有13次（3次地震发生年份相同），发生在加速期有11次（2次地震发生年份相同）；减速期地震概率54.2%，加速期地震概率45.8%（图8）。可知地震发生在减速期的概率略大于加速期，且加速、减速相互转换和持续的时间越长，发生地震的频率越高，即发生地震的可能性就越大。

图 8 地球自转速度与新疆及邻区MS≥7.0地震的关系Fig.8 The relationship between the rotation speed of the earth and MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its neighborhood region

6 结论

通过1902年以来新疆及邻区MS≥7.0地震的可公度结构系、蝴蝶结构图和震中经纬向迁移等时空对称性分析，得出以下结论：

（1）可公度结构系和蝴蝶结构图表明新疆及邻区MS≥7.0地震具有较显著的时间对称性。利用三元、四元和五元可公度对称法计算得出，在2016、2018和2021三年有强烈的地震灾害信号。

（2）据蝴蝶结构图研究得出新疆及邻区2016年、2018年和2021年发生MS≥7.0地震的概率分别为52.6%、31.6%和68.4%，而可公度结构系进一步显示2021年具有强烈的地震信号。

（3）地震震中对称结构和震中空间经纬向迁移显示新疆及邻区MS≥7.0地震的空间纬向迁移和经向迁移的同步性和对称性较好。其中纬向震中迁移和经向震中迁移的对称轴分别在41.5oN、 81oE左右。地震震中呈现东北—西南的对称分布，主要分布在一、三象限。未来地震震中可能向东北方向迁移，即在41.5oN以北，81oE以东。

（4） 新疆及邻区MS≥7.0地震与地球自转速度变化之间有一定的联系，并与太阳黑子活动的相关性特征表现显著。减速期的地震比加速期略多；且加速、减速相互转换和持续的时间越长，发生地震的可能性就越大。地震较多地发生在太阳黑子谷年附近，而具有强烈地震信号的2021年正处于太阳黑子活动第24个周期的谷值区间范围内。

基于可公度方法的新疆地区地震的趋势预测已有学者开展研究[4,7],但是本文立足于新疆及其邻区。因为新疆在地质构造上与哈萨克斯坦、俄罗斯等邻区有着密不可分的关系，并且在相对独立的地质区域上的地震灾害预测更具有物理基础支撑，更有规律可循。在该区域未来地震趋势预测中，利用较成熟的可公度计算、蝴蝶结构图等方法，并探讨了该区域地震与地球自转速度的对应关系。逐渐逼近地震三要素的预测内容，以期为今后新疆及邻区地震趋势的研究提供一定的数据支撑和方法基础。但是为了力求更加完善，在地震发生与太阳黑子活动和地球自转速度的物理机制方面以及空间对称性与可公度的内在联系等方面还有突破的空间，需要进一步探索研究。

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The Time-Space Symmetry and the Tendency Research of MS≥7.0 Earthquake in Xinjiang and Its Neigbourhood Region

XIAO Mei-mei1, YAN Jun-ping2, LI Guang-yao3
（1. College of Life & Geography Science, Qinghai Normal University, Qinghai Xining 810008，China；2. College of Tourism & Environment, Shanxi Normal University, Shanxi Xi’ an 710062, China；3. Sujiayuan School in Costal New-region of Tianjin, Tianjin 300282, China）

Based on MS≥7.0 earthquakes data of Xinjiang and its neighbourhood region from 1902 to 2014, this paper analyses and summarizes the rule of earthquake’ s time-space symmetry in this area, by using methods like commensurable calculation, map of butterfly structure and earthquake commensurable structure. The results show that the seismic signal of MS≥7.0 is strong in 2021, and the butterfly structure diagram shows that the probability of occurrence of MS≥7.0 earthquake in 2021 is 68.4%, the no missing confidence level is 65%; the earthquake epicenter may move to the northeast region in the future, the general spatial position is in the north of 41.5oN and east of 81oE. It is also found that MS≥7.0 earthquake concentrate near the valley years of sunspots, the solar activity is in the 24th sunspots cycle which is near the Great Years, and maybe in the valley year in 2020. Therefore the possibility of MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its adjacent region in 2021 is very strong. The earthquake of this region has a certain relationship with the rotation speed of the earth, and the possibility is higher in the deceleration phase, and the longer conversion, the more possible earthquakes happen. The research has value for enriching science of disaster and commensurability.

earthquake; Xinjiang and its neighbourhood region; time-space symmetry; commensurability; sunspots; the change of the rotation speed of the earth

P315.01

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.004

1674-8565（2017）01-0024-08

国家社会科学基金重点项目“西部重大灾害时空规律的统计研究” （14AZD094）资助

2016-11-12

2017-01-14

肖美美(1991-)，女，重庆市人，硕士研究生，现主要从事环境演变方向的研究工作。E-mail: meimei_xiaofly@sina.com