郭 寅， 李 金， 刘建明

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震的孕育、发生是一个非常复杂的过程，伴随着地震的孕育，会产生如地震活动、地壳活动、地下流体变化、地磁、地电等多方面的异常变化。地震学参数如b值、η值、A(b)值、缺震、A值、频度和GL值等能够在一定程度上反映地震的孕震规律，且中强地震前有异常变化，可用于对中强地震的预测。目前不管是测震学异常还是地球物理观测异常多是单一的、定性的异常，虽然有研究者对地震前兆异常有一定的定量研究[1-3]，但是将多个方法组合起来定量研究地震前兆异常的还是较少。研究者致力于地震综合预报，寻求定量的综合预报方法，如1989年朱令人提出地震综合预报的集成预测概率方法[4]。王海涛从信息论基本原理出发，利用合成信息熵方法研究多种前兆群体异常信息变化，提取地震前兆群体异常的识别标志[5]，2003年开始尝试寻找多种地震学参数的综合异常指数，提出综合异常指数ZY[6]，2008年提出利用多种地震学参数进行基于地震对应概率谱的综合研究思路[7]，2009年将该方法重新命名为地震对应相关谱，即Earthquake Corresponding Relevancy Spectrum，简写为ECRS。王琼运用该方法研究南天山西段中强地震前ECRS方法的空间分布特征，并分区研究新疆各区的ECRS时间变化特征[8-9]。唐兰兰对新疆中强地震前的ECRS的空间变化特征做相关研究[10]。二者研究结果表明，在新疆中强地震前ECRS在时间和空间上均有异常变化。卢显将该方法应用到郯庐断裂带，认为该方法对郯庐断裂带中南段中强地震监测预测有一定的可行性[11-12]。虽然王琼和唐兰兰对新疆的ECRS进行研究，得到中强地震前ECRS的异常变化特征，但新疆地域较大，构造复杂，每个地区的地震活动水平不同，对南天山东段的研究相对薄弱。2020年以来，南天山东段5级地震活跃，先后发生2020年3月23日拜城MS5.0地震和2021年3月24日拜城MS5.4地震，远超过该区5级地震的背景水平。新疆5级地震前，往往会出现形变、地震学、地磁等异常[13-15]，因此上述方法常被做为判定震情的可靠依据，但是ECRS依据较少。本文中在参考文献[8-10]基础上，增加2009～2021年3月的数据，分析研究南天山东段地区MS≥5.0地震前后ECRS时空异常特征，以期为该区的震情研判提供参考依据。

1 研究方法

(1)

(2)

在均值和标准差的基础上，值域的分布区间的规则可定义如下,

(3)

2 研究区域及资料选取

本文中选取南天山东段地区(40.83°～42.96° N，80.12°～90.27°E)为研究区域(图1)，该区1979～2021年3月共记录MS≥2.5地震5 126次，其中MS2.5～2.9地震4 240次，MS3.0～3.9地震748次，MS4.0～4.9地震113次，MS5.0～5.9地震24次和1次MS≥6.0地震(1979年3月29日库车MS6.0地震)。图2是1979年以来南天山东段MS≥5.0地震M-t图，南天山东段MS≥5.0地震活动呈现“平静—活跃—平静—活跃”状态。1979年3月29日MS6.0地震之后，南天山东段MS≥5.0地震出现长达7年9个月平静；1987～1999年南天山东段5级地震相对活跃，期间发生了15次MS≥5.0地震；2000年后南天山东段MS≥5.0地震再次出现7年9个月的平静，2007年7月库车MS5.9地震后，南天山东段5级地震进入活跃期，2021年拜城MS5.4地震发生在该活跃期。王琼评估天山南部小地震目录完整性后，认为1977年以来南天山东段地震监测能力达MS1.9[16]，完成数字地震台网改造后2006年底天山中段地区的监测能力达到ML2.0[17-18]。因此根据南天山东段的地震活动特点，本文中采用1979～2021年3月新疆区域数字地震台网定位的MS≥2.5地震目录，分别以1979～2019年南天山东段MS≥5.0地震为目标地震，考察η值，b值，D值、缺震、Mf、频度、小震调制比等地震学参数在目标地震前的时空变化特征，并对2020～2021年3月的地震活动进行预测。

图1 1979年以来研究区中强地震分布图Fig.1 Distribution of moderate-strong earthquakes in study area since 1979

图2 1979年以来南天山东段5级以上地震M-t图Fig.2 M-t diagram of MS≥5.0 earthquakes in eastern of South Tianshan since 1979

3 资料处理及计算结果

3.1 时间扫描结果分析

计算1979～2019年南天山东段地区b、D值、η、缺震、Mf5个地震学参数的地震平均发生概率，并将计算结果作为外推预测学习库数据，将2020年1月～2021年3月的地震活动进行外推。经过计算发现，考察时间为12个月的计算结果效果较好。以1979～2019年作为学习库，当阈值为0.42时，ECRS和中强地震有较好的对应关系。图3为南天山东段ECRS时间序列曲线，该区中强地震均发生在ECRS值均高于0.42阈值时。学习时段内出现过11次高值异常，其中8次高值异常过程中有中强地震发生，且均成组发生。学习时段内南天山东段发生22次MS≥5.0地震，均发生在ECRS高值异常过程中，外推时段2020～2021年3月，研究区共发生了2次MS≥5.0地震，分别为2020年3月23日拜城MS5.0和2021年3月24日拜城MS5.4地震，表明外推预测效果比较好，信度比较高。对比1979年以来南天山东段的地震活动(图2)可以看出，ECRS高值时期多是该区地震活动比较活跃的时期，异常持续时间较长；地震平静期间ECRS多低于阈值。

图3 南天山东段ECRS时间序列曲线Fig.3 Time series curve of ECRS in eastern of South Tianshan

对南天山东段ECRS时间扫描异常开始时间、持续时间以及结束时间进行统计研究(表1)，结果表明：目标地震多发生在高值异常过程中，且在高值过程中有多个MS≥5.0地震发生，地震个数为2～5个，首个5级地震的发震时间与异常开始时间间隔为3～10个月，其中6个月以内的4次，最后一个地震发生后1年内ECRS恢复低值状态。每段异常的持续时间不同，最短的为16个月，最长的为46个月，如2017年以来的高值异常，该异常持续了46个月。异常幅度、异常持续时间与目标地震个数、震级之间均没有很好的相关性，如1986～1988年的高值异常幅度和异常持续时间均小于1990～1993年的高值异常，但是1986～1988年高值异常中的最大地震为MS5.9地震，而1990～1993年的最大地震为MS5.7地震，2个高值异常过程中均有4次目标地震发生。

表1 南天山东段ECRS时间扫描目标地震异常特征

3.2 空间扫描结果分析

王琼探讨南天山西段多种地震学参数不同考察时长的前兆异常时空特征：当考察时长为18个月和6点为滑动窗长时，该区目标地震前该方法的预测效能较高[8]。本文中以2°×2°为空间窗长，0.2°×0.2°为步长，分别以6个月，12个月和18个月为考察时长，对南天山东段η，CN，b，频度，调制比，缺震，Mf7个参数进行了全时空扫描计算。计算结果表明当考察时间为12个月，震例回顾效果较好。研究结果显示，1979～2021年3月以来南天山东段库尔勒以东地区发生了9次MS≥5.0地震，地震发生前均无异常变化，但库尔勒—拜城地区MS5.0地震前，多数地震前ECRS空间扫描结果出现高值异常：学习时段内发生了13次MS≥5.0地震，其中8次中强地震前震中及其附近地区ECRS空间扫描结果出现了高值异常，且地震发生在异常过程中。由表2可以看出，ECRS空间扫描高值异常开始后4～10个月内发震，地震后2～11个月内异常消失(表2)，异常面积、幅度及持续时间和震级无相关性。本文中列出1999年3月库尔勒—拜城地区3次5级地震前后以及外推时间内2020年3月23日拜城MS5.0和2021年3月24拜城MS5.4地震前后ECRS的空间演化图像(图4～5)。

图4 1999年3～9月南天山东段3次5级地震前后ECRS空间异常演化(a) 1998年8月 (b) 1999年1月 (c) 1999年3月 (d) 1999年5月 (e) 1999年6月 (f) 1999年9月 (g) 2000年1月 (h) 2000年9月Fig.4 ECRS spatial anomaly evolution of three MS5.0 earthquakes from March to September,1999

表2 南天山东段ECRS空间扫描目标地震异常特征

3.2.1 1999年3月15日库车MS5.7、6月17日拜城MS5.0和9月23日轮台MS5.1地震

1998年8月开始，在拜城北面和轮台北面开始出现ECRS高值异常，之后异常面积增大，异常强度增高，并开始向震中集中。1999年3月15日在2个异常区域之间发生库车MS5.7地震，地震后异常面积和异常强度继续增大。1999年6月17日在异常区边缘发生拜城MS5.7地震，地震后异常面积和强度均无明显变化。1999年9月23日在异常区域内发生了轮台MS5.1地震，震后，异常持续。自2000年1月异常面积减小，异常强度减弱，2000年9月异常消失。

3.2.2 2020年3月23日拜城MS5.0和2021年3月24日拜城MS5.4地震

2019年5月在拜城北面出现高值异常，2019年6月～2020年1月高值异常持续，异常面积和强度均无明显的变化，2020年3月23日在异常区边缘发生拜城MS5.0地震，震后异常面积和强度持续，2020年10月～2021年3月异常面积增大，2021年3月在异常区边缘发生拜城MS5.4地震(图5)。

图5 拜城MS5.0和拜城MS5.4地震前后ECRS空间异常演化(a) 2019年5月 (b) 2020年3月 (c) 2020年10月 (d) 2021年3月Fig.5 ECRS spatial anomaly evolution of Baicheng MS5.0 and MS5.4 earthquake

4 结 语

南天山东段ECRS时间扫描结果显示，1979～2019年学习时段内南天山东段共发生22次MS≥5.0地震，均发生在多参数对应概率谱的高值异常过程中，地震对应率较高，确定该区的阈值为0.42，外推时段内在高值过程中发生了2020年以来拜城2次5级地震，表明该外推结果可信度较高。1979年以来，该区出现了11次高值异常，其中8次高值异常过程中南天山东段有MS≥5.0地震发生，且有多个5级地震发生。首个地震多发生在异常开始后6个月内，异常持续时间和幅度均和震级无相关性。多参数空间扫描结果显示，库尔勒以东地区中强地震前无ECRS高值异常，库尔勒—拜城地区多数中强地震前1年内出现ECRS高值异常，地震发生在高值异常内部或者周围，地震后异常面积逐渐减小，异常幅度逐渐减弱，震后1年内异常消失。若地震后异常面积和幅度无明显变化对后续中强地震仍有预测意义。地震学多参数对应概率谱的滑动极值平均概率的时间和空间高值异常，均对南天山东段中强地震有一定的时间预测意义，能为该区MS≥5.0地震的预测提供参考依据。