钱 蕊，王 亮，张志宏，杨士超，夏彩韵

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

地震窗是区域应力场与震源应力场变动效能的一种地震活动表现，我们可以把握地震窗的应力变化来实现对相关地震区的地震预测[1]。同时，地震窗的应力变化也可以用其地震活动起伏来反映。一般大地震前，地震活动增强是普遍存在的现象。地震活动的增强是短期阶段较为普遍的一种地震前兆，对区域地震短期预报具有实用价值[2]。张培震[3]在中国大陆的强震活动与活动版块中提到1975 年海城MS7.3 地震在地震构造划分上位于一级活动地块的边界上，是发生强震的的主要构造部位。也就是说“应力窗口”一般位于地质构造区域活动比较敏感的部位，在某种程度上能灵敏的反应区域构造活动的增强。薛丁[4]在海城地震窗地震活动异常提取及其预报效能中认为，海城地震窗范围的划分是综合断裂构造背景和地震空间分布来确定的。然而，在大部分地震窗研究文献中，对海城地震窗研究相对较少，可能是因为海城地区地质构造复杂，也可能是因为海城地区的地震活动被认为是1975 年海城MS7.3 地震的余震活动，对周边地区的应震效果不是很好，所以没有得到广泛的研究。因此，本文通过断裂的地震构造背景、海城地区小震活动的空间分布及测震学参数对海城地震窗进行分析。以海城地震窗550 km 范围内的11 个MS≥5.0 地震作为震例，研究地震窗内地震活动高频次异常对辽宁及邻区MS5.0 以上地震的预测效能。

1 海城地震窗范围确定及地震资料的选取

辽宁地处华北断块区北部，地质结构复杂。由辽东断块隆起带、下辽河—辽东湾断块凹陷带及辽西断块隆起带组成。该地区不仅受到太平洋板块西向俯冲中国大陆的影响[6]，同时著名的NE 向深大断裂带郯庐断裂带（北段）穿越北区。特别是辽宁南部地区，地处华北以及东北活动地块的交界部位。该区境内主要的断裂为金州断裂、大洋河—康家岭断裂和太子河断裂等。如此复杂的构造背景造就了辽宁地区地震频发的特征。经统计，自1800 年以来辽宁地区共发生MS≥5.0 地震34 次，其中17 次地震发生在辽南地区，占辽宁地区地震整体的50%。近年来，辽南地区发生的MS≥5.0 地震的发震断裂主要集中在营口—海城—岫岩地区的金州断裂和海城河断裂上。因此，该地区一直被重点关注。

1975 年海城MS7.3 地震的发震构造是海城河隐伏断裂。该断裂为全新世活动断裂，断裂位于胶辽台隆区内，太古界、下元古界地层广泛出露，走向北西。海城MS7.3 地震之后，依据构造地裂缝带、前（余）震分布等，确定该隐伏断裂南东至偏岭，北西至旗口，长70 km，地表未见其形迹[5]。基于前人对两次地震的震源机制解、地震精定位等进行的研究结果[7-8]，两次地震的发震构造均为海城河断裂。地震活动性结果分析表明，1975 年海城MS7.3 地震和1999 年岫岩MS5.4 地震均发生在该断裂带上。据统计，1975 年至今共发生ML≥1.0 地震22000 多次，小震活动呈密集的北西西向条带分布，与海城河隐伏断裂走向一致。因此，海城地震窗的边界范围是根据1975 年海城MS7.3地震和1999 年岫岩MS5.4 地震后，余震序列及小震活动的空间分布勾画出来的（图1）。本文选取了1970—2018 年辽宁测震台网记录到的地震资料对海城地震窗活动起伏及映震效能进行研究。

图1 海城地区主要活动断裂和地震窗活动资料选取示意图Fig.1 Selection of the main active faults and seismic window activity data in Haicheng area

选取地震观测资料时，考虑到研究区最小完整性震级选取与台网最低震级下限监测能力的一致性，由于ML0.0～0.9 地震记录相对较少，因此以ML1.0 作为起算震级。根据辽宁南部地区1970—2018 年ML1.0～9.0 的地震目录，采用最大曲率（MAXC)及拟合优度法（CFT-90%)多方法对辽宁南部地区最小完整性震级进行分析。结果显示（图2），1970—1988 年辽宁南部地区最小完整性震级为ML3.0，1989—2007 年辽宁南部地区最小完整性震级为ML1.0～1.5。由于2008 年辽宁地震监测台网升级改造对震级完整性产生了影响，所以为了方便研究，我们统一选取了ML2.0 作为研究区震级下限。

图2 1970—2018 年辽宁南部地区最小完整性震级Fig.2 Minimum magnitude of completeness in Southern Liaoning Province from 1970 to 2018

基于震例研究提取海城地震窗的开窗指标，选取1975 年至今海城地震窗550 km 范围内MS≥5.0 地震作为研究对象。据统计，1975 年海城MS7.3 地震发生后，该区域内共发生MS5.0以上地震10 个。由于辽西地区震例较少，故将1988 年彰武MS4.8 地震作为震例进行研究。因此，本文选取海城地震窗550 km 范围内11 个地震进行震例回溯性检验（表1）。从空间分布上来看，1976 年唐山MS7.8 地震位于华北平原拗陷带和燕山隆起的结合部位，1980 年朝鲜天摩山MS5.7 地震和1982 年朝鲜殷栗MS5.4 地震靠近我省的辽东半岛一侧，1988 年彰武MS4.8地震、2003 年巴林左MS5.9 地震和2013 年科尔沁MS5.3 地震位于辽西—辽蒙交界地区，1999年岫岩MS5.4 地震发生在1975 年海城MS7.3 地震形成的余震窗内部，2006 年吉林乾安MS5.0地震、2013 年前郭MS5.8 震群和2018 年吉林松原MS5.7 地震位于辽宁北部的辽吉交界地区（图3）。

图3 海城地震窗550 km 内11 个震例空间分布Fig.3 Spatial distribution of 11 earthquake cases within 550 km of Haicheng seismic window

表1 1975—2018 年海城地震窗500 km 范围内MS≥5.0 地震

2 异常指标提取及预测效能分析

2.1 异常提取方法

利用1970—2018 年海城地震窗内ML2.0 以上地震目录，对海城地震窗550 km 范围内选取的11 个地震震前小震活动进行研究（表1）。在大地震发生前，分别统计震前1 个月～5 年时段和震前1 个月内，海城地震窗ML2.0 和ML3.0地震的月频次。将大地震发生前1 个月～5 年时段，不同震级档的平均月频次作为背景指标，震前1 个月的频次作为临震指标进行比较分析。与此同时，为了避免1975 年海城MS7.3 地震余震对后续研究的影响。将1980 年朝鲜天摩山MS5.7 地震前的背景频次指标的统计时间进行了调整。选取1977—1979 年海城地震窗内ML2.0和ML3.0 地震的月频次作为背景指标，以此确保指标提取的准确性。

2.2 异常指标的判定及分析

从表2 可以看出，1988 年彰武MS4.8 地震发生前一个月内，海城地震窗出现ML2.0 和ML3.0 地震小震活动显著增强的现象，且远高于背景频次；1999 年岫岩MS5.4 地震，震前一个月内不同震级档的小震月频次均高于背景水平，出现小震活动增强的现象；2013 年辽宁灯塔MS5.1 地震，震前一个月内ML3.0 地震小震月频次略高于背景水平；灯塔MS5.1 地震发生后，海城地震窗内小震地震活动显著增强，随后4月22 日在内蒙古科尔沁旗发生了MS5.3 地震。据统计震前一个月内海城震情窗发生ML2.0 以上地震14 次，远高于背景水平；同样，在2018 年5 月28 日吉林松原发生MS5.7 地震前，海城地震窗内也出现了小震频次增强的现象。我们又对不同震级频次的总月平均值分析发现，震前一个月月频次是平均月频次的1～1.5 倍。因此，我们认为在震前一个月小震频次急剧增加，并且高于月频次平均值1 倍左右，未来在海城地震窗550 km 范围内有发生MS5.0 以上地震的危险。

表2 1970—2018 年海城地震窗内500 km 范围内Ms≥5.0 地震前小震月频次统计表

在中强地震发生前，高频次异常特征可能会出现单点异常或者群次异常，如1975 年海城MS7.3 地震和1999 年岫岩MS5.4 地震前就出现多次异常。一般来说海城和岫岩地区发生群次异常，对应的地震是地震窗原地或者附近地区，而出现单点频度高值异常，很可能对应的是海城地震窗550 km 范围内的中强地震。

根据1975—2018 年海城地震窗内ML3.0 地震月频次时序曲线，对海城地震窗550 km 范围内11 个震例震前小震活动情况进行分析。结果显示（图4），在研究时段内，以起始震级为ML3.0，高于月频次1.0 倍方差作为异常判据，共有37 个月出现地震活动高频次异常。11 个震例中，有4 个地震，在震前出现地震窗内ML3.0 以上地震月频次显著增强的现象。

1975 年2 月4 日海城MS7.3 地震发生后，该地区余震活动持续，ML3.0 以上地震处于相对活跃阶段，且高于1 倍均方差，随后在1976 年7 月28 日河北唐山MS7.8 地震；1978 年6 月海城地震窗内出现ML3.0 以上地震显著增强现象，之后平静了1.5 年，在1980 年1 月初发生了朝鲜天摩山MS5.7 地震；1982 年2 月朝鲜殷粟MS5.4 地震发生前半年内，海城地震窗内出现频次异常现象；1999 年岫岩MS5.4 地震发生前1～2 月内，也出现ML3.0 以上地震月频次显著增强现象。因此，我们认为在海城地震窗内出现ML3.0 以上地震月频次显著增强的现象时，未来1～1.5 年内海城地震窗550 km 范围有发生MS5.0以上地震的可能。受最小完整性震级影响，1989—2018 年海城地震窗内选取ML2.0 作为初始震级。研究发现，海城地震窗内小震活动与东北5 级地震活跃期存在一定的相关性。1900 年以来，中国东北地区5 级以上地震经历5 个平静活跃周期。如图5 所示，以1999 年11 月29 日岫岩MS5.4 地震为标志，中国东北地区浅源地震进入第5 个活跃周期，活跃期长12～16 年。与此同时，为了研究1999 年岫岩MS5.4 地震前是否存在异常，因此，剔除1989—1997 年地震平静时段。

图4 1975—2018 年海城地震窗内ML3.0 地震频度图Fig.4 ML3.0 seismic frequency curve in Haicheng seismic window from 1975 to 2018

图5 东北地区5 级以上地震M-t 图Fig.5 M-t map of M≥5.0 earthquakes in Northeast China

根据1998—2018 年海城地震窗内小震频次时序曲线结果显示（图6），以海城地震窗ML2.0地震月频次高于1.0 倍均方差为异常指标。在研究时段内，共有20 个月出现地震活动月频次异常现象。1999 年岫岩MS5.4 地震震前一个月内，海城震情窗ML2.0 以上地震出现小震月频次高值现象；2003 年内蒙古巴林左MS5.9 地震前，分别在2001 年8 月、2002 年3—4 月和2002 年10 月出现了ML2.0 以上地震频次升高的现象；2013 年1 月23 日辽宁灯塔MS5.1 地震发生后，高值异常持续，随后在4 月22 日发生了内蒙古科尔沁MS5.3 地震和10 月31 日吉林前郭MS5.8 震群；2018 年5 月28 日吉林松原MS5.7 地震震前，出现了ML2.0 地震月频次升高的现象。因此，认为当海城地震窗内ML2.0 地震月频次高于1 倍均方差时，1～2 年内海城地震窗550 km 范围有发生中强地震的可能。也就说明该区域异常对周边550 km 范围内中强地震发生有一定的对应关系，对未来判定中强地震的发生有一定的指示意义。

图6 1998—2018 年海城地震窗内ML2.0 地震频度图Fig.6 ML2.0 seismic frequency curve in Haicheng seismic window from 1998 to 2018

2.3 预测效能分析

20 世纪80 年代初期，国内很多研究者一直在寻找能够客观和准确地评价地震预报能力的方法，R 值评分方法得到了大家的广泛关注。许绍燮[9]最先提出了R 值评分的方法，该方法在时序研究中应用较多。随后，很多地震预报领域的专家和学者对该方法进行广泛的应用[10-13]。随着R 值评分方法的不断完善，目前，该方法已在历年年度预测效能的检验中得到了较好的应用。

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：

本文对于地震报准和虚报的认定，一般按照频度异常出现后，1～1.5 年内对应地震的情况来判定异常。若1～1.5 年内未发生，中强地震可顺延半年有效期。若有效期内发生中强地震即为报准，否则为虚报；若发生中强地震有效期内无异常，则为漏报。

以起始震级为ML3.0，地震活动月频次高于1 倍均方差作为异常指标。由于1975 年2—4月异常与海城MS7.3 地震时间较近，故不作统计范围。根据1975—2018 年海城地震窗月频度曲线来看，海城地震窗内一共出现8 次异常，其中有4 次异常对应了地震，报准率达50%。通过震例回溯性研究发现，11 个震例中，报准地震4 个，漏报地震7 个，虚报的有4 个。将异常出现后两年作为预测时间，则预测总时间为37 个月，预报研究的总时间为523 个月，则根据公式（1），预报效能评分R 为0.293。具有97.5%置信水平的R0为0.255，显然R＞R0，即当海城地震窗内ML3.0 地震活动频次显著升高，月频次高于1 倍均方差时，可作为未来海城地震窗550 km 范围内有发生中强地震的预测指标（表3-4）。

为了除去1975 年海城MS7.3 地震余震活动的影响。以起始震级为ML2.0，地震活动月频次高于1 倍均方差作为异常指标，对1998—2018年海城地震窗月频次时序曲线进行分析。结果显示，海城地震窗一共出现11 次异常，其中有4 次异常对应了地震，报准率达36.4%。通过震例回溯性研究发现，7 个震例中，报准地震5个，漏报地震2 个，虚报的有7 个。将异常出现后两年作为预测时间，则预测总时间为20 个月，预报研究的总时间为252 个月，则根据公式（1），预报效能评分R 为0.634。具有97.5%置信水平的R0为0.425，显然R＞R0。因此，认为当海城地震窗内ML2.0 地震活动月频高于1倍均方差时，可作为未来海城地震窗550 km 范围内有发生中强地震的预测指标（表5-6）。

表3 ML3.0 以上地震月频次高值与中强以上地震

表4 辽宁地震窗地震ML3.0 月频次对历史震例预报效能评价结果

综上所述，1975 年海城MS7.3 地震后，受海城地震余震影响的20 多年时间里，当海城地震窗MS3.0 地震月频次高值异常，且高于1 倍均方差时，我们发现1～2 年内海城地震窗550 km 范围对应中强地震的效果较好，具有一定的预报效能；剔除海城余震活动的影响后，以海城地震窗MS2.0 地震月频次高于1 倍均方差作为异常指标时，对海城地震窗550 km 范围内的中强地震映震效果较好。因此，认为未来1～2年内在该范围有发生中强地震的可能。

表5 ML2.0 以上地震月频次高值与中强以上地震

表6 辽宁地震窗地震1998—2018 年ML2.0 月频次对历史震例预报效能评价结果

3 认识与讨论

许多理论研究表明地震孕育发生的过程可分为三个阶段，分别是弹性变形、非弹性变形和破裂加速。我们认为地表下的微破裂发育、发展、裂隙作用、体积膨胀、流体运移的非弹性变形以及向破裂加速发展的一系列发育过程是特殊构造部位地震活动增强的一种表现形式。随着小震活动的局部增强，该阶段的地壳应力水平也不断的增强和集中，因此导致局部变形，加速部位地壳破裂。也就是说，大地震发生前，在一些特殊的部位会产生一些特殊的地震，其表现形式有前震、震群、逼近地震和地震窗等。一般来说，前震和前震序列常常发生在未来震源或附近地区，而地震窗反映的是与震源相关联的区域构造活动，中强地震往往发生在比较远的构造部位。它不是震源区异常，而是较大范围内中强地震孕育过程中的一个现象。

本文通过对海城地震窗内不同震级档的小震月频次时序曲线进行分析，得到以下几点认识：

（1）在研究海城地震窗内地震活动时序曲线时发现，以震前1 个月～5 年的平均月频度作为背景指标，震前1 个月的频次作为临震指标进行对比分析，结果表明，11 个震例中，有5个地震在震前出现海城地震窗内ML2.0 和ML3.0地震月频次不同程度增加现象，且高于背景指标1～1.5 倍。因此，我们认为未来在海城地震窗550 km 范围内有发生MS5.0 以上地震的危险。

（2）根据1975—2018 年海城地震窗内ML≥3.0 小震月频次时序曲线，以地震窗内ML≥3.0 地震月频次高于1 倍均方差作为异常指标，结果表明，海城地震窗内一共出现8 次异常，其中有4 次异常对应了地震，报准率达50%。通过震例回溯性研究发现，11 个震例中，报准地震4 个，漏报地震7 个，虚报的有4 个。预报效能评分R 为0.293，具有97.5%置信水平的R0为0.234，显然R＞R0。

（3）研究表明，海城地震窗内小震活动与东北5 级地震活跃期存在一定的相关性。为了剔除1975 年海城MS7.3 地震的余震和东北地震平静时段的影响，选取1998—2018 年海城地震窗内ML≥2.0 地震月频次高于1 倍均方差作为异常标，用R 值评分方法对异常进行效能评估。结果表明，海城地震窗一共出现11 次异常，其中有4 次异常对应了地震，报准率达36.4%。报准地震5 个，漏报地震2 个，虚报的有7 个。预报效能评分R 为0.634，具有97.5%置信水平的R0为0.425，显然R＞R0。该异常指标具有一定的预报能力，对地震预报有较好的参考价值。

综上三点结论，我们认为海城地震窗具有“窗口效应”。当海城地震窗内小震活动频次出现异常时，未来1～2 年内在海城地震窗550 km范围有发生中强地震可能。