基于大地測量應變率的川滇地區淺源地震預測

詹松輝，王華，周波陽，吳希文

(廣東工業大學土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006)

1 引 言

地震給人類，特別是給倍受國內外地震學家關注的川滇地區[1，2]造成了巨大的生命和財產損失。如2008年汶川地震中超過8.7萬人喪生，造成約860億美元的經濟損失。因此，準確的地震預測是十分迫切的，它能為防震減災工作提供科學的基礎資料。常用的地震預測方法有通過適當的平滑算法外推已有的歷史地震目錄、基于活動斷層模型研究以及基于空間大地測量應變率等。通過適當的平滑算法外推已有的歷史地震目錄是一種直接簡單的預測方法，但這種方法易受歷史地震目錄累計時間過短和事件記錄不完整的影響，可能無法全面準確反映局部地區的地震活動水平[3～7]；基于活動斷層模型的預測方法常受已有的活動斷層圖像不夠完整、詳細的限制，但該方法在許多地方都未能得到很好的結果[8～10]；伴隨GNSS技術的快速發展，運用大地測量應變率場預測地震活動成為可能，其優點是應變率場取決于大地測量的空間分辨率。因此，它不受歷史地震目錄和活動斷層圖不完整的約束[11～13]。

本文基于川滇地區最新的應變率場模型——中國地震科學實驗場形變模型(http：//www.cses.ac.cn/?p=3740)，應用Bird等人提出的方法中最優的預測模型SHIFT_GSRM2f預測川滇地區的淺源地震活動[12]。

2 原理與方法

2.1 淺源地震預測原理

研究構造活動斷層附近的應力場有助于了解地震發生的物理過程。大地測量應變率可以轉換為地震矩率，這在預測地震活動中是一個重要的限制因素[14]。為了將獲得的大地應變率結果轉換為川滇地區長期平均地震活動性的預測，我們遵循SHIFT(從構造推斷地震危險性)假設和算法[11，13]。

SHIFT假設的主要思想：①基于最類似的板塊邊界類型的頻率/震級關系，將地震矩率轉化為沿構造斷層的長期地震預測值[13，15]；②構造斷層的地震矩率可以通過最類似的板塊邊界類型的應變速率張量和平均耦合地震厚度(即無量綱地震耦合系數×孕震厚度)來計算[13]。

2.2 淺源地震預測方法

我們使用Brid等[11，12]開發的SHIFT_GSRM2x程序中的最優預測模型SHIFT_GSRM2f。采用GCMT目錄和Bird提出的PB2002剛性板模型[16]、Bird等人建議的板邊界分配規則[11]，以及由Bird等人確定的其他必要參數[15]作為輸入，計算得到川滇地區淺源地震預測值。

3 結果與質量評估

3.1 預測結果

本文以0.1級的震級間隔進行了Mw6.0+至Mw7.4+共15組川滇地區淺源地震預測，如圖1所示。從左往右分別對應Mw6.0+、Mw6.5+、Mw7.0+淺源地震活動的預測結果，其中預測值表示每年每平方千米發生的相應等級的地震數量。

對圖1預測結果中的鮮水河-小江斷裂帶做一個±30 km的緩沖區，如圖2所示，對緩沖區內的面積和預測值(每年每平方公里發生的相應等級的地震數量)進行了統計，結果發現緩沖區面積僅占川滇地區(97.5°-106°E、21°-34°N)的7.9%，但是預測值卻高達14%。

圖1和圖2的結果表明：①最高的預測值主要分布在鮮水河-小江斷裂帶，達到14%；②第二高預測值主要分布在龍門山斷裂帶；③東邊的四川盆地整體預測值較低。

川滇地區百年尺度上不同震級范圍的淺源地震數可以通過對本文15組預測結果進行面積積分。積分結果如圖3A(紅色圓圈)所示，結果表明川滇地區每一百年會發生3次Mw7.0+、8次Mw6.5+、26次Mw6.0+淺源地震。

藍色圓圈表示1900年～2016年USGS地震目錄(https：//earthquake.usgs.gov/)中淺源地震的震中位置，藍色菱形表示中國地震局記錄的2300B.C.-1900年發生在中國大陸的歷史地震的震中位置[17]。

藍色圓圈表示1900年～2016年USGS地震目錄(https：//earthquake.usgs.gov/)中淺源地震的震中位置，藍色菱形表示中國地震局記錄的2300B.C.-1900年發生在中國大陸的歷史地震的震中位置[17]。

3.2 質量評估

從內符合的角度，本文計算了1977年～2016年GCMT地震目錄在百年尺度上不同震級范圍的淺源地震數(即圖3A中的藍色圓圈)，然后和本文基于這目錄的預測結果(即圖3A中的紅色圓圈)進行一致性檢驗。對這兩組“震級-頻度”采用非參數Kendall協調系數W檢驗，得到Kendall-W系數=0.994(見表1)，說明兩者具有較好的一致性。

從外符合的角度，需要將本文預測結果和其他外部地震目錄進行一致性檢驗。在1977年之前，使用較為普遍的是ISC-GEM地震目錄。

本文分別統計了時間跨度同為40年的1937年～1976年和1977年～2016年的ISC-GEM地震目錄和1977年～2016年的GCMT地震目錄在百年尺度上不同震級范圍的淺源地震數量(分別對應于圖3B中的實線-深綠色圓圈、實線-金色圓圈和實線-藍色圓圈)。額外統計了1904年～1976年ISC-GEM目錄中不同震級范圍的淺源地震數量，并將它們規劃到一百年的尺度上(即圖3B中的實線-紫色圓圈)。

圖3B顯示，1977年之前的ISC-GEM與GCMT地震目錄存在明顯的系統偏差。主要是因為1977年前的ISC-GEM地震目錄存在較大的震級不確定性，導致依據此目錄得到的結果不準確[18]。

為了更合理地對比，本文通過G-R模型方法[19]將1904年～1976年和1937年～1976年的ISC-GEM目錄規劃到1977年～2016年的ISC-GEM目錄上，分別對應圖3B中的虛線-洋紅圓圈和虛線-淺綠色圓圈。然后用本文預測的結果分別和1904年～1976年、1937年～1976年、1977年～2016年的ISC-GEM地震目錄的地震事件數用非參數Kendall協調系數W進行一致性檢驗，檢驗結果見表1。結果表明在95%的置信度下，本文預測的結果與ISC-GEM地震目錄的歷史地震數是一致的，反映本文預測的結果質量較好，可靠性較高。

同時將1977年～2016年GCMT地震目錄分為1977年～1996年和1997年～2016年兩段。將基于1977年～1996年GCMT地震目錄計算的川滇地區淺源地震預測結果(以下稱為實驗預測結果)和1997年～2016年GCMT地震目錄、ISC-GRM地震目錄所反映的情況進行對比(圖3C1)，同時根據下式計算預測的成功率R：

(3)

式中Nforecast表示預測的每一百年某震級以上的地震數量(即圖3C1中的紅色圓圈)，Nhistory表示1997年～2016年GCMT和ISC-GEM歷史地震目錄中該震級以上的地震數量規劃到一百年尺度的結果(即圖3C1中的藍色圓圈和金色圓圈)。

圖3 地震預測結果質量評估

不同地震目錄和本文預測結果的一致性檢驗 表1

根據式(3)分別得到實驗結果預測1997年～2016年ISC-GME地震目錄的預測成功率RISC-GEM和1997年～2016年GCMT地震目錄的預測成功率RGCMT。如圖3C2所示，RISC-GEM在截止震級為Mw6.0、Mw6.1都比RGCMT好；在其余震級的成功率兩者都相等。說明實驗預測結果預測1997年～2016年ISC-GEM外部地震目錄的結果較好，本文的預測結果具有較好的穩健性。

4 討論與分析

4.1 影響預測的主要因素

影響地震預測的主要因素有兩點。其一為大地測量的空間分辨率。隨著大地測量空間分辨率的提高，基于規則格網計算的應變率和原始地震矩率也將會更詳細和準確，這將大大提高地震預測的準確性和可靠性。

其二為全球震源機制解(GCMT)地震目錄的完整性和分類的合理性。全球震源機制解(GCMT)地震目錄是用來優化預測過程中用到的經驗常數，其收集統計的完整性和震源機制解計算分類的準確性和合理性對地震預測的可靠性有著重要的影響。隨著時間和地震事件的積累以及震源機制解計算的優化，全球震源機制解(GCMT)地震目錄將會更完整、穩健、合理，這將會提高地震預測的穩健性。

4.2 川滇地區地震危險性

地震預測結果可以反映研究區域的地震危險性。鮮水河-小江斷裂帶是川滇應變場率模型中變形最顯著的區域，整個斷裂帶都具有較高的應變率，且明顯高于周邊區域。先前的研究沿這一斷裂帶定義了4個地震空區[20，21]，其中道孚-康定地震空區在2014年發生了康定5.9級地震，但是其震級較小，釋放的能量要遠低于積累的能量[22]。因此，這一地震空區的地震危險性依然較高。

4.3 川滇地區的變形模式

地震預測結果能夠反映構造環境長期的地震活動水平。越高的地震預測值意味著越頻發的地震活動，其構造環境就越活躍，從而離剛性塊體的標準也就越遠。

由圖2可知川滇地震主要集中在鮮水河-小江斷裂帶上，預測的地震數量也顯著高于其他地區，占川滇區域的14%，因此，具有明顯的板塊邊界效應。但是同時，其他地區的總應變率和地震預測數量均比較高，其中地震預測數量達到86%，具有一定的連續變形特征。因此，川滇地區的地殼變形非常復雜，無法用簡單的塊體模型和連續變形模型來描述。

5 結 語

本文基于中國地震科學實驗場大地測量應變率模型和1977年～2016年GCMT地震目錄，采用SHIFT_GSRM2f模型，預測川滇地區每一百年將會發生3次Mw7.0+、8次Mw6.5+、26次Mw6.0+淺源地震。

預測結果分別與1977年～2016年的GCMT、ISC-GEM、1904年～1976年和1936年～1976年的ISC-GEM等歷史地震目錄進行置信度為95%的非參數Kendall協調系數W一致性檢驗。結果顯示具有較好的一致性，從內外符合角度說明本文的預測結果較可靠。

預測結果也說明：①川滇地區仍存有較高的地震危險性，如道孚-康定空區；②川滇地區的變形模式非常復雜，無法用簡單的塊體模型和連續形變模型來描述。