甘東南地區震情預警指標模型及方案研究①

劉小鳳,張 輝,梅秀蘋,鄭衛平

(甘肅省地震局甘肅蘭州 730000)

甘東南地區震情預警指標模型及方案研究①

劉小鳳,張 輝,梅秀蘋,鄭衛平

(甘肅省地震局甘肅蘭州 730000)

依據甘東南地區中強以上地震活動及前兆異常特征,分別確定了判定時間、地點和強度的預測指標體系,并對各指標的預測效能進行了評估,據此建立了甘東南地區5～6級地震的中短期預報方案。在此基礎上利用層次分析法確定了甘東南地區5級地震的震情指標預警模型。依據預警模型及指標分層結果,將各類定量和定性指標轉化為以無量綱的1～4表示的指標值,按成對比較法比較下層各指標兩兩之間對上層某指標的重要程度,計算權重向量,并對模型的整體層次進行一致性檢驗。研究結果顯示,甘東南地區5級地震的預警值為3.11,依據預警等級劃分標準,若滿足各項預測指標,則震情預警級別為紅色。

甘東南地區;地震預測;預報方案;預警指標;預警級別

Abstract:According to seism ic activity and precursoranom aly characteristicsofm id-strong earthquakes in southeast area of Gansu p rovince,the fo recasting index systems for determ ing seism ic time,site and intensity are confirm ed separately,and the p rediction efficiencies of each index are evaluated.Based on thiswo rk,w e constitute scheme of M5～6 earthquakem edium-short term p rediction in this area.Then using level analysis,early warning index system modelof seism ic situation about M5 earthquakes is ensured.On the basisof the earlywarningmodeland leveled index,we translate allqualitative and quantitative index into non-dim ensionalparam etersw ith 1～4,get importance of comparing substrate two ad jacent targets to a upper layer target using paired com parison,calcu late cellw eight vecto r,and check up the coherence of model'swho le levels.The results show that the earlywarning value of M5 earthquake is 3.11 in the area,and by classification standards of early warning scale,early warning lever of seismic situation is red as if each forecasting index be satisfied.

Keywords:Sou theastarea of Gansuprov ince;Earthquake prediction;Prediction scheme;Earlywarning index;Early warninglevel

0 引言

甘東南地區位于青藏塊體東緣,地處南北地震帶中段,其邊界和內部發育多組活動斷裂。在NE～NEE向區域應力場作用下,南北邊界斷裂發生左旋走滑運動,西部邊界斷裂發生右旋走滑活動,導致整個地塊向SE方向擠出,在東南部遇到龍門山中央隆起帶,造成東部邊界地區地殼的縮短和山體的隆升,是青藏高原東北部區域構造活動強烈的地區之一,也是中強震和強震發生的主要場所。

地震預警主要借鑒了海嘯、氣象、森林防火、農業病蟲害等已建立預警機制的基本概念及屬性,根據不同區域地震活動基本特征、短臨階段預報指標做出預警意見,事先向政府發出警報,以便采取有效措施將各種損失降到最低。如日本目前使用的地震預警概念主要是指地震發生后,利用地震波傳播比電磁波慢或地震P波比S波和面波的到達時間早的特點進行地震緊急處置。

國內外處理和解決不確定性突發災害的實踐表明,采取預警模式實行分級管理是一種有效的方法。地震預警要依據地震自然屬性的預測結果,充分考慮地震預測本身的不確定性,考慮發布地震預報造成的社會影響、建(構)筑物和生命線工程的抗震能力等復雜因素,考慮地震預測的風險,同時提出針對地震預警級別的相關措施[1-2]。地震預警如果按照時間進行分類,大體可以分為中長期預警、中期預警、短期預警和臨震預警等。若按照功能進行分類,則可以有僅考慮地震預測自然屬性和預測不確定性的震情預警;在震情預警基礎上考慮區域抗震能力的地震危險性預警;還有考慮人口和經濟狀況的地震災害預警[3]。預警系統具體操作的方式主要有3類,即指標預警法、模型預警法和統計預警法。地震預警方法屬于統計預警法的范疇,絕大多數是利用地震活動和前兆變化的相關統計分析結果,并以此作為建立預警模型的基礎[1-2]。

本文在區域活動構造定量數據和地震活動基本特征研究基礎上,結合甘東南地區地震活動和前兆中短期預測指標效能評估和中短期預測方案研究成果,利用層次分析法,建立了震情指標時間預警模型,定量計算出甘東南地區5～6級地震震情預警值,確定了震情預警級別。

1 區域地震活動基本特征

有史以來甘東南地區一直是強震發生的主要場所之一,歷史上曾發生過1654年天水8級和1789年武都8級地震。自歷史地震資料記載相對完整的1570年開始,甘東南-甘青川交界地區5級以上地震具有平靜和活躍交替活動特征,大體可劃分為6個活躍階段(圖1)。第一階段為1573-1654年,發生4次6級地震和1次8級地震(1654年天水8.0級);第二階段為1718-1765年,發生2次6級地震和1次7級地震(1718年通渭7.5級);第三階段為1819-1850年,發生1次6級地震(1837年岷縣6.0級);第四階段為1879-1936年,發生4次6級地震和1次8級地震(1879年武都8.0級);第五階段為1957-2006年,發生3次6級地震和2次7級地震(1976年松潘7.2級雙震)。每個活躍階段持續時間一般為31～81年,平均約50年。每個活躍階段至少發生4次5.5級以上地震或1次6級以上地震。活躍階段之間為21～64年的平靜時間,一般無5級以上地震發生。1900年以來區域地震活動處在一個相對較弱的階段,僅發生了1976年松潘7.2級雙震,中強以上地震主要以成組活動為主,如1921 -1924年、1930-1936年、1957-1964年、1973-1978年、1987年和2003-2006年,持續時間一般為3～6年。

圖1 甘東南地區M-t圖及應變釋放曲線Fig.1 M-t diagram and release curve of strain in southeast area of Gansu province.

2 中短期預測指標及效能評價

2.1 時間判定指標

1970年以來甘東南地區發生5級以上地震8次,主要以5～6級地震為主。根據這些震例研究結果,確定了甘東南地區5～6級地震時間判定指標。

(1)地震空區。震前中期階段一般存在地震空區或空段,圍空震級為2～3級,圍空時間1.5～4.5年,空區或空段長軸與區域構造基本一致。

(2)中期階段中等地震叢集活動。活躍單元小震活動具有較明顯的成叢性。本區7次地震前1～3年一般出現5～9叢活動,最后一叢距主震一般為2～9個月。發生在迭部-瑪曲構造帶的5級以上地震,其開始活躍時間距發震在1年左右或超過30個月,其月頻次最高點距主震6～27個月。

(3)短期階段出現逼近地震或前兆地震(群)活動。甘東南地區發生的6次地震中有5次震前出現顯著地震活動,這些地震震級一般為MS3.2～4. 5,與主震震級差為1.1～2.6,空間距離6～145 km,與主震之間的時間間隔一般1～5個月。逼近地震一般在震前20個月～4.8年平靜的基礎上,在震前8天～數月內發生。

(4)臨震階段異常不明顯,主要表現為小震活動平穩。在震前1～5個月無3級以上地震發生,表現為平靜異常。

(5)前兆異常的準同步性變化。甘東南地區8個持續觀測的水氡資料,即通渭、武山1號泉和22號井、平涼附件廠、清水、天水花牛、西和、武都水氡等,分別于1998-2000年開始出現趨勢性下降或轉平,年變基本消失,其轉折時間大致由南向北依次推后,又大致同步于2008年年初再次出現趨勢性上升,年變開始恢復。前兆異常的準同步性趨勢變化更接近震中,而短臨異常往往在外圍出現,其中震前5～8個月出現平靜和持續異常,震前4個月均出現了異常項次的準同步性快速增加。

(6)重點前兆出現顯著變化。如清水流量、武山1號泉和22號井水氡、武都水氡等,流體異常一般為破年變異常背景上出現尖峰形態。在異常開始至發震的時間間隔上,5.0～5.9級地震的異常平均間隔時間范圍為4.3～6.3個月,平均間隔時間基本隨震級減小而減小。在異常的平均持續時間上,各學科的異常平均持續時間大部分集中在4～8個月。將異常出現時間按震前3個月內、3～12個月、1年以上分段,震前1年以上的異常平均持續12～14個月,震前3～12個月的異常其平均持續時間為6～8個月,而震前3個月內的異常平均持續時間大部分為2.3個月。

2.2 地點判定指標

(1)中等地震持續活躍的地區。本區5.0級以上地震前一般存在中等地震持續活躍現象,其中活躍單元的空間尺度一般不超過4平方度,未來主震發生在活躍地區的邊緣與活動構造的交匯部位或空段處。

(2)在地震活躍地區及其附近,出現小震空段或空區,未來主震發生在空段附近、空區內部或邊緣。

(3)出現顯著地震或震群,主震一般發生在100～300 km范圍內。

(4)前兆異常空間分布集中的地區,異常時間較長的前兆異常集中區,或異常時間最長的臺站附近是最可能的地震震中區域。

2.3 強度判定指標

(1)地震活動增強。根據地震增強活動的震級大小,若5～6級地震增強活動,未來震級為7級以上,如1976年松潘7.2級地震前于震前2年在松潘-馬爾康地區中強地震活動明顯增強。若2～4級地震增強,則未來震級為5～6級。

(2)地震成組活動。根據區域地震的成組活動,可以預測中期～短期階段可能發生的最大地震。

(3)空區大小、圍空震級大小、持續時間。甘東南及邊鄰地區空區大小一般為100～300 km,圍空震級為2.0～5.5級,持續時間為1～3.5年,對應地震為5～6級。

(4)前兆異常持續時間。若多數異常持續時間小于1年則震級為5～6,若多數異常持續時間在1年左右則震級可能為6級左右或6級以上,如果持續時間較長的前兆異常表現為較平穩的趨勢性變化,異常時間大于1年,則對應甘東南及附近地區的7級以上地震。

2.4 預報指標效能評價

甘東南地區地震活動性預測指標效能評價采用地震對應率來評估,前兆異常指標效能評價采用R值評分方法[4]。

2.4.1 長期預報指標效能評價

表1 長期預報指標效能評價

基于前述不同階段地震預報指標研究,確定了甘東南地區預報指標效能評估結果(表1)。活動構造定量研究結果主要考慮了不同斷層段的活動習性及大震離逝時間;震源機制解用于確定區域應力狀態;歷史地震活動特征指不同演化階段強震主體活動地區;GPS形變觀測主要側重于1～10年尺度在時間和地點判定上的預報能力。根據汶川8.0級地震后對區域庫侖破裂應力變化的計算結果[5],該地震可能使部分鮮水河斷層、東昆侖斷層大部以及部分岷江斷層更加接近破裂的狀態,有可能觸發或加速這些斷層帶上新的7級以上強震的發生,從而可能造成從四川省康定至道孚,青海省瑪沁至甘肅省迭部以及鄰近區域的強烈震動。并使用由計算得到的汶川地震引起的應力變化以及過去十年里觀測到的背景地震發生率,對該地區在未來十年里發生破壞性地震的概率以及可能的空間分布進行預測。結果表明,該分析區域內在未來十年里發生6級以上地震的概率為57%～71%。

由于該地區活動構造研究基礎較弱,加之1900年以來中強以上地震頻度較低,導致各種預報指標效能不高。

2.4.2 中期預報指標效能評估

甘東南地區中強以上地震前在震源區或附近一般存在地震背景空區或孕震空區,具有較好的映震效能。1900年以來該區5級以上地震存在成組活動的特征,最為典型的是1921年、1936年、1961-1963年、1987年、2003-2006年等。此外該地區地震活動增強是具有一定預報效能的中短期預測方法,如1976年松潘7.2級地震前從1973年開始甘青川交界地區地震活動明顯增強。中短期階段前兆異常的一個主要特征是準同步性變化,異常特征以長趨勢性下降為主,如武山1號泉和22號井水氡、天水水氡、武都水氡等。根據甘東南地區地震中短期預報指標研究結果,得到該地區地震活動性和前兆異常指標效能評價(表2)。

表2 中期預報指標效能評價

2.4.3 短期預報指標效能評估

1970年以來本區主要以5級地震為主,在已有的8次震例中除1976年松潘7.2級地震外,最大地震為1987年迭部5.8級。震前地震活動性異常主要為地震空區和條帶、地震活動增強、前兆震群、頻度、b值和地震窗等,其效能評價采用映震率來表述。前兆測項中,劉家峽應力、天水應力,武都應變,天水地磁等至2008年全部完成數字化改造,武山1號泉和22號井水氡、天水水氡、武都水氡等主要表現為長趨勢性的中期異常,短臨異常不明顯。因此在該地區大量前兆異常觀測資料中,具有短期預報意義的僅為天水、臨夏電阻率和清水流量。依據前述重點前兆異常指標特征及震例研究結果,得到預報效能評估。數字化測震資料中震源深度、應力降和震源機制解等具有一定的短臨預報效能;數字化前兆中鉆孔應變和電磁場功率譜在區域中強地震前有一定的異常顯示。由于資料積累時間較短,有些異常識別方法還不太成熟,沒有提煉出共性特征,僅為1～2次震例前出現的異常特征,仍需要進一步完善。

綜合測震、前兆及數字化前兆觀測在短期-短臨階段預報指標,并對其進行效能評估,其中地震活動性指標主要用對應率來表示,前兆觀測以單臺R值評分方法為主,而數字化前兆資料主要根據2003年岷縣5.2級、2006年文縣5.0級及2008年汶川8.0級地震前異常特征研究結果確定(表3)。

3 中短期預報方案

基于甘東南及邊鄰地區活動構造定量數據、歷史地震活動特征、GPS和跨斷層形變觀測、庫侖破裂應力計算等長期預測指標研究結果,結合中強地震活動具有平靜與活躍交替活動、中強地震成組活動及前兆異常準同步性變化等中期預測指標,通過對區域中強以上地震前短期階段地震活動性及前兆異常特征的綜合分析,確定了小震活動增強(或平靜)、地震條帶、地震空區(空段)、前兆震群、逼近地震、重點前兆的突變或階變等時間預測指標,建立了甘東南地區用于判定時間、地點和強度的短期預報方案(圖2)。由于1970年以來甘東南地區主要以5～6級地震為主,因此,該預報指標及方案僅適用于5～6級地震。

表3 短期預報指標效能評價

圖2 甘東南及其鄰區中短期地震預報方案Fig.2 The scheme of mid-short termearthquake prediction in southeastarea and adjacent region of Gansu.

4 地震預警模型及方案

基于甘東南地區地震活動和前兆異常中短期預測指標及效能評價,我們利用層次分析法建立具有區域特征的震情預警指標模型,提取出甘東南地區5～6級地震震情預警指標,確定震情時間預警級別。

4.1 建立層次預警模型

地震預測包括發生的時間、地點和強度三個方面,各方面的評價指標又具有層次結構,這就得采用多層次單目標的決策方法。由于短期階段判定地點和強度的指標相對較少,震情指標預警模型只考慮震級和地點已確定的時間預警模型①楊馬陵,沈繁鑾,等.基于層次分析法的地震預警評價模型. 2009.。具體將預測指標分為三個層次:目標層A、準則層B、指標層C。準則層B可再分為長期B1、中期B 2、短期B 3等;指標層C主要選取目前對地震時間預測有一定效果的預測方法的對應率,也可分為長期C1、中期C2、短期C3等(表4)。

4.2 判定預警級別

4.2.1 建立比較矩陣逐層計算權重

采用1～5為量度對各個指標數字化,按成對比較法比較下層各指標兩兩之間對上層某指標的重要程度:1表示兩個元素具有相同重要性;2～5表示兩個元素相比,前者比后者分別為稍重要、明顯重要、強烈重要和極端重要。據此建立比較矩陣,計算權重向量。

(1)B層對A層

表5為B層對A層的權重計算結果,通過了一致性檢驗。

表4 時間預警層次模型

表5 長、中、短期預報指標權重

(2)C層對B層

依據前述預測指標及預報效能的大小,各個指標分別對長期準則B 1、中期準則B 2和短期準則B 3的重要性進行比較,建立比較矩陣A=(aij)n×n(長期n=4,中期n=4,短期n=12)。其中長期、中期采用1～5的量度,短期采用1～7的量度。求解權重后比較矩陣的一致性通過檢驗(表6、7、8)。

表6 長期預報指標權重

表7 中期預報指標權重

對總層次的一致性檢驗,由高層到低層逐層進行。指標層C對目標層A的層次結構通過了一致性檢驗,并得到了各指標的權重計算結果(表9)。

(3)計算組合權向量及指標無量綱化

表8 短期預報指標權重

利用公式(1)計算組合權向量這里wi(k)代表上一層的權重;wi(jk-1)代表下一層的權重;Pij代表指標層對目標層的權重。

同時將最底層(指標層C)的各類定量和定性指標轉化為以整數表示的指標值。即以無量綱的1～4表示,分別對應較低、一般、較高、高四種發震可能性(表9)。

4.2.2 計算預警值Y

預警目標值①

表9 指標層C對目標層A的權重及指標無量綱化

建立預警等級的判斷標準。將預警等級分為紅、橙、黃、藍四個等級,分別對應的預警目標值范圍(表10)。

按照公式(2)、(3)計算預警值Y=3.11。依據預警等級劃分標準,當上述指標全部滿足時,甘東南地區震情預警等級為紅色。

5 結論和討論

5.1 結論

(1)根據甘東南地區不同階段實用化地震預測指標研究結果,結合區域中強地震前地震活動和前兆場動態圖像和演化特征,提煉出地震前不同階段判定時間、強度和地點較為有效的地震活動和前兆異常指標,進一步拓展了甘東南地區地震預測指標體系,進而建立了甘東南地區中強地震短期預報方案。由于1970年以來甘東南地區主要以5～6級地震為主,因此該預報指標及方案僅適用于5～6級地震。

表10 預警值劃分范圍

(2)在對甘東南地區地震活動和前兆中短期預測指標效能評估和分區中短期預測方案研究的基礎上,利用層次分析法建立了甘東南地區5～6級地震的震情指標預警模型。依據分級預警模型及震情預警指標分層結果,將指標層C的各類定量和定性指標轉化為以無量綱的1～4表示的指標值,按成對比較法比較下層各指標兩兩之間對上層某指標的重要程度,計算權重向量。對比較矩陣進行一致性檢驗,從低向高逐層建立比較矩陣,按步驟計算權重向量,對模型的整體層次進行一致性檢驗。在此基礎上分別計算出各個構造區的預警目標值,進而確定了震情預警級別。研究結果顯示東南地區5～6級地震的預警值為3.11。依據預警等級劃分標準,若滿足各項預測指標則震情預警級別為紅色。

5.2 討論

綜觀整個研究過程,仍然有一些問題需要今后開展深入工作。

(1)在研究過程中依據甘東南地區中短期預測指標體系建立的震情指標預警模型,主要選取具有一定預測效能或重現性較好的預測指標,而本區震例研究結果顯示并非所有的震情預測指標在某一次地震前同時出現,因此在實際震情短臨跟蹤過程中要做出橙色或紅色預警仍有一定的困難。

(2)本文初步建立了震級和地點已確定的震情指標時間預警模型,計算出了甘東南地區的預警值。由于選取的研究區范圍較大,在實際應用中仍有一定的局限性。

(3)各種預測指標的效能評價及震情指標的量化仍屬于經驗性的,包含了一定的人為因素,進一步的研究可側重于完善短期-短臨震情指標的提取,使預測指標的效能評估更趨于科學合理。

致謝:本文采用楊馬陵“區域強震預測預警技術研究”課題中有關預警模型和預警值定量計算方法,在此表示感謝!

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Study on the EarlyWarning Index Modeland Scheme of Seismic Situation in Southeast Area of Gansu Province

L IU X iao-feng,ZHANG Hui,MEIiX iu-ping,ZHENGWei-ping

(Earthquake Adm inistration of Gansu Province,Lanzhou 730000,China)

P315.75

A

1000-0844(2010)03-0237-07

2009-04-13

“十一五”國家科技支撐計劃子專題(2006BAC01B03-04-02);中國地震局蘭州地震研究所論著編號:LC2010034

劉小鳳(1965-),女(漢族),甘肅靜寧人,研究員,主要從事地震預報和地震地質研究工作.