馬伶俐，洪 敏，彭麗媛，李菲菲，鄭 兵，白云波

(四川省地震局測繪工程院，四川 雅安 625000)

0 引言

我國自1966 年邢臺地震后開始進(jìn)行大規(guī)模地震預(yù)報的實踐探索，逐漸形成了長-中-短-臨漸進(jìn)式科學(xué)預(yù)測思路[1-2]，在實踐中獲得了5 級以上破壞性地震發(fā)生前大量的前兆異常信息。通過對這些前兆資料的系統(tǒng)整理研究，分析總結(jié)出地震不同孕育階段異常變化的時間、空間、強度和頻度特征及其與未來地震三要素的關(guān)系，建立了經(jīng)驗性和統(tǒng)計性的判據(jù)指標(biāo)和方法。目前比較認(rèn)可和普遍采用的評價方法是許紹燮提出的R 值評分[3]，其后又經(jīng)許多地震學(xué)者完善后[4-7]，已成為常規(guī)的地震預(yù)測效能評價方法。

鮮水河斷裂帶北起自甘孜縣東谷區(qū)地卡蘇，向南經(jīng)過爐霍縣、道孚縣、康定一線，至石棉縣安順場一帶逐漸減弱消失，全長約400km，總體走向320°～330°，呈略向北東凸出的弧形。 根據(jù)前人研究，鮮水河斷裂帶劃分為北西段、中段以及南東段三大段落，各段內(nèi)斷裂幾何和內(nèi)部結(jié)構(gòu)又有差異，主要有7 個次級斷裂，從北西至南東分別為爐霍、道孚、乾寧、康定-色拉哈、雅拉河、折多塘和磨西等段落[8-10]。

本文選取鮮水河斷裂帶為研究區(qū)域，基于《地震分析會商技術(shù)方法測試評估規(guī)范》，對破年變、趨勢轉(zhuǎn)折、速率類、閾值類、區(qū)域綜合預(yù)測指標(biāo)等5 個類型的數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行試算分析后，總結(jié)出了適用于本地區(qū)的最優(yōu)方法為閾值類-速率差分法和斜率差法，本文利用速率差分法對1990年1 月1 日至2018 年9 月30 日鮮水河斷裂帶的跨斷層觀測資料進(jìn)行處理，進(jìn)一步梳理剔除干擾信息后，結(jié)合該時段歷史震例，根據(jù)R 值評分標(biāo)準(zhǔn)并采用速率差分方法對統(tǒng)計檢驗和模擬檢驗結(jié)果進(jìn)行回溯性分析，對M≥6.0 地震的10 個樣本分別按6 個月、 3 個月和2 個月窗長進(jìn)行了多測項統(tǒng)計檢驗和模擬檢驗，同時對水平形變單測項按12 個月窗長進(jìn)行預(yù)測效能分析。 識別出跨斷層原始觀測曲線中出現(xiàn)的異常特征，進(jìn)一步梳理歷史類似異常出現(xiàn)的頻率及這些異常與地震之間的對應(yīng)關(guān)系。

1 區(qū)域場地概述及震例選取

1.1 區(qū)域場地概述

圖1 為四川地區(qū)跨斷層場地分布圖，本文以鮮水河斷裂帶為研究對象，選取了該斷裂帶的10個跨斷層場地33 個測項數(shù)據(jù)，對場馬干擾信息進(jìn)行剔除處理，其中垂直形變測項18 項、水平形變測項15 項，見表1。

表1 研究所用跨斷層場地、測項一覽表Tab.1 Cross-fault sites and surveying items used in this paper

以上33 個測項中所涉及的場地干擾信息已經(jīng)進(jìn)行了剔除處理。

1.2 震例選取

首先，以鮮水河斷裂北段侏倭(100.30°E，31.65°N) 場地、岷江斷裂川主寺(103.62°E，32.78°N)場地、則木河斷裂湯家坪(102.76°E，27.01°N)場地為圓心，400km 范圍為半徑，做3個圓，以3 個圓東、南、西、北最遠(yuǎn)端來確定地震目錄選取的經(jīng)緯度范圍，以96°～108°E，23°～37°N為范圍，選取M≥5.5 級地震共49 個，地震目錄和跨斷層數(shù)據(jù)的起止時間為1990 年1 月1 日至2018 年9 月30 日。 其次，按預(yù)測范圍規(guī)則進(jìn)行篩選:5.5 ～5.9 級(≤200km)，6.0 ～6.9 級(≤300km)，7.0 ～7.9 級(≤400km)，8.0 ～8.9(≤500km)。 最終選取M≥5.5 地震共24 個。 最后，本文選取的地震樣本為鮮水河斷裂帶M≥6.0 地震，共10 個(表2)。

表2 研究區(qū)選取的地震樣本Tab.2 The selected earthquakes in the research area

2 分析方法

2.1 統(tǒng)計檢驗

當(dāng)設(shè)定某一時間序列的異常閾值后，超出該閾值的情況被視為異常，假設(shè)預(yù)報窗長為W，某一個異常出現(xiàn)的時間點T1，異常結(jié)束的時間點T2，那么，該異常進(jìn)行預(yù)測占用的時間T=T2- T1＋W，當(dāng)?shù)卣饡r間處于該時間段內(nèi)，視為地震準(zhǔn)確預(yù)測了，假設(shè)該時間序列共出現(xiàn)了n 次異常，任意異常的時間占用為Ti(i=1……n)，通過對所有異常與地震事件的對應(yīng)情況進(jìn)行掃描，準(zhǔn)確預(yù)測的地震次數(shù)為m，地震發(fā)生的總次數(shù)為n，時間序列總的時間跨度為Ttotal則R 值評分可表示為:

2.2 模擬檢驗

首先選取最初的兩個地震事件作為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行回朔性檢驗，獲得預(yù)測指標(biāo)后，對第三個地震事件進(jìn)行模擬檢驗，并根據(jù)檢驗結(jié)果調(diào)整每個測項的權(quán)重，合成最終的預(yù)測指標(biāo)，得到指標(biāo)后，進(jìn)一步對第四個地震進(jìn)行模擬檢驗，以此類推，以獲得最終的模擬預(yù)測指標(biāo)及效能評估結(jié)果。模擬檢驗最終的效能評估中所使用的時間占有率、虛報次數(shù)、漏報次數(shù)等需要每次模擬結(jié)果進(jìn)行分段疊加。 指標(biāo)在同時通過統(tǒng)計檢驗和模擬檢驗后，判定有效。

2.3 速率差分

以任意時間為窗長，通過差分可獲取不同尺度的活動速率異常，根據(jù)窗長選擇的差異，可獲取短期、中期、趨勢速率異常。 其中，以1 年為窗長的速率異常可有效去除年周期的影響，獲得斷層活動的中期異常。

以1 年為窗長，可以有效反映原始時序圖中年活動量的大小差異，通過求取年速率，將原始觀測曲線用于異常的自動判識與預(yù)報效能的評估。年速率異常能夠很好地去除原始時間序列中周期項的影響，并直接反映出年速率的異常變化特征。

3 速率合成分析

采用速率差分方法，計算出不同觀測曲線的差分時序，再對各個時序相加進(jìn)行速率合成，反映某些測項或者某一區(qū)域斷層活動的速率強度。 由于鮮水河斷裂帶以左旋走滑活動為主，故對鮮水河斷裂帶分北段、中段、南段三段分別進(jìn)行水平形變速率合成。

首先選取鮮水河北段(侏倭、格簍、虛墟、蝦拉沱)場地水平形變跨斷層測項進(jìn)行水平速率合成，從合成結(jié)果(圖2)可以看出:雅江6.0 級地震前，該段水平形變速率合成曲線在震前出現(xiàn)先減速后加速的活動特征，變化值略超出2 倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍，地震發(fā)生在加速峰值階段；汶川8.0 級地震前水平形變速率合成曲線出現(xiàn)減速-加速-減速活動特征，變化值超出2 倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍，地震發(fā)生在減速階段；蘆山7.0 級地震前出現(xiàn)持續(xù)減速過程，超出2 倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍，且幅度為歷年來最大。地震發(fā)生在減速變化谷值階段，震后出現(xiàn)加速過程，進(jìn)入震后調(diào)整階段；九寨溝7.0 級地震前則出現(xiàn)加速-減速活動特征，地震發(fā)生在減速階段。

圖3 為鮮水河中段(溝普、龍燈壩)場地水平形變跨斷層測項水平形變速率合成結(jié)果，可以看出:雅江6.0 級地震前，該段水平形變速率合成曲線在震前出現(xiàn)先減速-加速的活動特征，減速過程最小值超出2 倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍，地震發(fā)生在加速峰值階段。 蘆山7.0 級地震前出現(xiàn)持續(xù)減速過程，但幅度不是特別顯著，反而是震后調(diào)整階段的加速活動特別顯著，且震后調(diào)整幅度較大。

圖4 為鮮水河南段(老乾寧、折多塘)場地水平形變跨斷層測項水平形變速率合成結(jié)果，可以看出:2006—2007 年水平形變速率曲線出現(xiàn)大幅度的加速-減速變化，且加速變化峰值和減速變化谷值均超過2 倍標(biāo)準(zhǔn)差，2007 年下半年曲線出現(xiàn)變化基本停滯，之后發(fā)生了汶川8.0 級地震；在蘆山7.0 級地震前則出現(xiàn)了顯著的減速變化，地震發(fā)生在減速變化谷值階段，震后出現(xiàn)大幅加速調(diào)整變化。 九寨溝7.0 級地震前出現(xiàn)加速活動，地震發(fā)生在加速-減速轉(zhuǎn)折過程中，震后減速調(diào)整。

從水平速率合成結(jié)果可以看出在多次地震前都會出現(xiàn)顯著的速率增強或者速率減弱變化特征，在雅江6.0 級、蘆山7.0 級和九寨溝7.0 級地震前均有不同程度變化，其中以蘆山7.0 級地震變化最為顯著。

4 預(yù)測效能評估分析

以鮮水河斷裂帶為研究對象，利用R 值評分方法指標(biāo)通過速率差分策略對已有震例的預(yù)測效能進(jìn)行評估，開展M≥6.0 級地震的多測項和單測項回溯性分析。

本文利用R 值評分方法指標(biāo)通過速率差分策略對已有震例的預(yù)測效能進(jìn)行評估，該指標(biāo)的預(yù)測效能需要與地震事件結(jié)合后再進(jìn)行評估，文中涉及的預(yù)測窗長是指異常結(jié)束后所延長的時間，異常結(jié)束和開始是以閾值線為標(biāo)準(zhǔn)。

圖5、圖6 分別為鮮水河斷裂帶M≥6.0 級地震6 個月預(yù)測窗長統(tǒng)計檢驗、模擬檢驗預(yù)測指標(biāo)。 統(tǒng)計檢驗結(jié)果顯示共33 個測項，其中有效測項20 個，無效測項13 個。 地震樣本數(shù)10個，該指標(biāo)準(zhǔn)確預(yù)測次數(shù)為10 次，漏報數(shù)為0次，虛報11 次(指標(biāo)出現(xiàn)而未發(fā)生地震)。 R 為0.61，R0為0.31，R＞R0，該預(yù)測指標(biāo)通過了效能評價。 模擬檢驗結(jié)果顯示指標(biāo)準(zhǔn)確預(yù)測次數(shù)為6 次，漏報數(shù)為2 次，虛報5 次(指標(biāo)出現(xiàn)而未發(fā)生地震)。 R 為0.52，R0為0.40，R＞R0，該預(yù)測指標(biāo)通過了預(yù)測效能評價，但虛報次數(shù)較多。指標(biāo)同時通過了統(tǒng)計檢驗和模擬檢驗，指標(biāo)有效。

圖7、圖8 分別為鮮水河斷裂帶M≥6.0 級地震3 個月窗長統(tǒng)計檢驗、模擬檢驗預(yù)測指標(biāo)。 統(tǒng)計檢驗結(jié)果顯示共33 個測項，其中有效測項13個，無效測項20 個。 地震樣本數(shù)10 個，該指標(biāo)準(zhǔn)確預(yù)測次數(shù)為9 次，漏報數(shù)為1 次，虛報13 次(指標(biāo)出現(xiàn)而未發(fā)生地震)。 R 為0.57，R0為0.34，R＞R0，該預(yù)測指標(biāo)通過了效能評價。 模擬檢驗結(jié)果顯示指標(biāo)準(zhǔn)確預(yù)測次數(shù)為4 次，漏報數(shù)為4 次，虛報10 次(指標(biāo)出現(xiàn)而未發(fā)生地震)。 R 為0.26，R0為0.34，R＜R0，該預(yù)測指標(biāo)未通過效能評價。 指標(biāo)僅通過了統(tǒng)計檢驗，未通過模擬檢驗，該指標(biāo)無效。

圖9、圖10 分別為鮮水河斷裂帶M≥6.0 級地震2 個月窗長統(tǒng)計檢驗、模擬檢驗預(yù)測指標(biāo)。統(tǒng)計檢驗結(jié)果顯示共33 個測項，其中有效測項15 個，無效測項18 個。 地震樣本數(shù)10 個，該指標(biāo)準(zhǔn)確預(yù)測次數(shù)為9 次，漏報數(shù)為1 次，虛報14次(指標(biāo)出現(xiàn)而未發(fā)生地震)。 R 為0.62，R0為0.34，R＞R0，該預(yù)測指標(biāo)通過了效能評價。 模擬檢驗結(jié)果顯示指標(biāo)準(zhǔn)確預(yù)測次數(shù)為4 次，漏報數(shù)為4 次，虛報6 次(指標(biāo)出現(xiàn)而未發(fā)生地震)。 R為0.36，R0為0.34，R＞R0，該預(yù)測指標(biāo)通過了預(yù)測效能評價，但虛報次數(shù)較多。 指標(biāo)同時通過了統(tǒng)計檢驗和模擬檢驗，指標(biāo)有效。

從鮮水河斷裂帶M≥6.0 級地震6 個月、3 個月、2 個月窗長的預(yù)測效能評估結(jié)果來看，3 個月窗長預(yù)測效能評估結(jié)果僅通過了統(tǒng)計檢驗，指標(biāo)無效，而6 個月和2 月窗長預(yù)測效能評估結(jié)果分別同時通過了統(tǒng)計檢驗和模擬檢驗，指標(biāo)有效。

從鮮水河斷裂帶M≥6.0 地震的統(tǒng)計檢驗和模擬檢驗結(jié)果可以看出，指標(biāo)顯示在蘆山7.0級、魯?shù)?.5 級、康定6.3 級、九寨溝7.0 級地震前出現(xiàn)了超出正常閾值范圍的高頻信息，且幅度較大，同時在這些地震前跨斷層原始數(shù)據(jù)觀測曲線也出現(xiàn)了多場地不同程度的異常信號[1-14]，這些信息對強震的發(fā)生在時間上有一定的指示意義。

對多測項的預(yù)測效能分析，經(jīng)過R 值評分的統(tǒng)計檢驗后，再首先選取最初的兩個地震事件作為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行回朔性檢驗，獲得預(yù)測指標(biāo)后，對第三個地震事件進(jìn)行模擬檢驗，并根據(jù)檢驗結(jié)果調(diào)整每個測項的權(quán)重，合成最終的預(yù)測指標(biāo)，以此類推，以獲得最終的模擬預(yù)測指標(biāo)及效能評估結(jié)果，即最終獲得由效能分析中所使用的時間占有率、虛報次數(shù)、漏報次數(shù)等每個震例的模擬結(jié)果進(jìn)行分段疊加后所得的最終模擬檢驗結(jié)果，認(rèn)為有效。 從目前已有的M≥6.0 震例來看[15]，該預(yù)測指標(biāo)對地震發(fā)生的時間具有較好的預(yù)測能力，該異常指標(biāo)出現(xiàn)明顯異常，且異常結(jié)束后的未來6 個月內(nèi)和2 個月內(nèi)發(fā)生6.0 級以上地震的概率較高。

5 結(jié)論

通過對1990 年1 月1 日至2018 年9 月30日鮮水河斷裂帶跨斷層觀測資料進(jìn)行處理并進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論:

(1)從水平速率合成結(jié)果可以看出在多次地震前都會出現(xiàn)顯著的速率增強或者速率減弱變化特征。

(2)從預(yù)測指標(biāo)分析方法可以看出，通過年速率的差分計算，可以有效地消除年周期變化的影響，能夠有效提取到曲線的加速、減速等活動特征，并且通過該處理過程，得到的新時間序列可進(jìn)行閾值類的效能檢驗，實現(xiàn)計算機自動識別異常并進(jìn)行效能評估[16]。

(3)因鮮水河斷裂帶以左旋走滑活動為主，故水平形變測量優(yōu)于垂直形變測量，后續(xù)將會開展單測項的預(yù)測效能回溯性分析。

(4)由于采用不同震例選取方式所獲取的地震樣本，計算出的預(yù)測指標(biāo)分析結(jié)果可能會不同。在今后的工作中，還應(yīng)嘗試運用不同的震例選取方法進(jìn)行預(yù)測指標(biāo)效能評估。

(5)預(yù)測指標(biāo)效能評估研究工作具有一定難度，還需要進(jìn)行深入研究、反復(fù)論證和提煉才能運用于工作中。