辽宁地区5级地震测震学指标体系研究①

曹凤娟, 孙素梅, 杨牧萍, 张志宏, 刘天龙, 钱　蕊

(辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034)

辽宁地区5级地震测震学指标体系研究①

曹凤娟, 孙素梅, 杨牧萍, 张志宏, 刘天龙, 钱蕊

(辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034)

摘要：基于1970年以来辽宁地区7次5级以上地震，分别从震前中小地震活动图像和时序扫描的角度，对历次地震前的地震学指标进行了系统梳理和提炼，结果显示:空区、条带、b值、A(b)值、D值、缺震及XY值对辽宁地区5级地震的映震效果较好。因此结合以往关于辽宁地区中等地震集中增强和震群特征的研究结果，综合起来初步将其构建为辽宁地区5级地震的地震学指标体系。其中强度预测指标主要有中等地震集中增强、震群序列、条带和空区，未来主震最大震级估算方法为上述四种情况中的最大地震震级加1.5～2.0；地点预测指标与强度指标相同，判定方法是未来5级地震通常位于条带上和空区边缘及其附近地区，若有中等地震集中增强活动，则未来5级地震靠近最近一次中等地震的位置，若出现震群序列，则未来主震发生地点为震群周围200 km(前震序列时，主震就发生在序列原地附近)；时间预测指标除了强度和地点指标中的4项外，还包括b值、A(b)值、D值、缺震和XY值，总体看来后三者异常通常出现在震前的一年左右，空区和条带的解体时间以及b值异常通常出现在震前的半年左右，前震序列开始时间距离主震发生通常在1～20天左右。

关键词：指标体系； 条带； 空区； 震群

0引言

1966 年邢台7.2 级地震后，我国开始地震预测及相应的研究工作，相继开展了“七五”、“八五”等地震预测实用化攻关，逐步形成了长、中、短 临和震后各阶段的渐进式预测科学思路[1-2]，并初步建立了一些较为实用有效的预测指标和方法。“九五”期间，中国地震局监测预报司又重点组织开展了强地震中短期预报方法及其效能研究工作，四川和新疆地区率先完成了中短期前兆指标体系与预报方法效能的评估[3]。由于区域构造和动力源的差异，不同地区的地震活动及震前的异常指标也不尽相同，即使同一地区，也会因为介质的差异而出现不同的地震前兆。例如辽宁的营海岫地区，5级地震前多有前震序列[4-6]，前震序列在1975 年2月4 日海城7.3 级和1999年11月29日岫岩 5.4 级地震的成功预测中起了主导作用，因此前震序列可作为该区M≥5.0 地震前最典型的地震学指标[7-9]。相反，辽宁西部及辽蒙交界地区，1970年以来也相继发生了多次5级以上地震，但震前均未出现前震，只是震源区及其附近中小地震活动有不同程度的增强[10-13]。以往的研究更多地注重于震兆特征的研究，大部分属于定性的描述。文献[7]-[9]尽管从不同侧面建立和研究了辽宁地区中强震前预测预警指标体系，但该体系也只是局限于时间序列的一个预测预警，均未涉及地点和强度方面的指标。

辽宁位于环渤海地区，是一个多震的省份，尽管过去很多学者不同程度地总结和研究了该地区中强震前的异常指标，但随着2013年灯塔5.1级和科尔沁5.3级地震的发生和震例资料的积累，以及当前华北和环渤海地区的震情形势，有必要应用1970年以来的小震资料，对辽宁地区过去所积累的中短期地震学异常指标、地震三要素预报方法的科学性、有效性进行系统的分析和提炼，初步形成一套规范化的、行之有效的中短期地震学异常识别方法及指标体系，为该地区的震情趋势分析和2015年度地震危险区跟踪工作提供借鉴和指导。本项研究也是2015年中国地震局监测预报司力推的辽宁地区指标体系建设中的一项重点工作任务之一。

1基于震例的地震学指标提炼

1.1区域构造背景与地震活动

辽宁地区大部分位于中朝地台东北缘，主要构造单元有东部的辽东台隆、中部的下辽河凹陷、西部的燕辽隆起、北部的内蒙地轴以及西南部的渤海坳陷。区域中强地震明显受到郯庐断裂带、金州断裂、鸭绿江断裂、朝阳—北票断裂、海城河断裂等地质构造的控制，形成沿断裂构造的条带状分布;另一方面，在NE、NW等不同走向构造的交汇部位盆地构造较发育[14]。纵贯东部的郯庐断裂是辽宁地区的主要控震构造，多数地震分布在隆起和凹陷的边缘、活动断裂带内的强烈活动地段以及中、新生代断陷盆地的边缘和深部构造变异带上。

自1970年有小震记录以来，辽宁地区(38～44° N，119～126° E，下同)共发生M≥5.0地震7次(由于辽西地区震例较少，故将1988年彰武地震收录在内)(表1)。其中1975年海城7.3级和1999年岫岩5.4级地震位于辽南的老震区，1980年朝鲜天摩山5.7级和1982年朝鲜殷栗5.4级地震靠近该省的辽东半岛一侧，1988年彰武4.8级、2003年巴林左5.9级和2013年科尔沁5.3级地震位于辽西—辽蒙交界地区。本文后续的一些指标均是基于表1中的几次5级震例提炼而来的。

表 11970年以来辽宁及邻区M≥5.0地震

Table 1　The M≥5.0 earthquakes in Liaoning and its adjacent area since 1970

1.2震前中小地震活动图像

为了面向年度会商和震情短临跟踪，同时也为了避免小震活动图像(空区和条带)随时空尺度变化而不稳定的问题，在提炼指标时特约定历次震前的空间扫描范围为35°～45°N，115°～130°E，时间范围为震前1个月～2年，起算震级为ML≥3.0，空区和条带的勾画按照文献[15]的相关规定。为排除老震区地震的影响，在寻找空区和条带时，将海城和唐山老震区的地震只做一个单点(次)考虑。这样在时、空、强都做了统一约定的情况下，就不会出现因人而异和排除了大震的影响，从而提高了震前中小地震活动图像指标的规范性和实用性。

按照上述对时、空、强的界定，辽宁地区历次5级地震前的空间扫描图像(图1)显示：辽宁地区M≥5.0地震前多数存在3级地震条带和空区，且主震通常发生在条带、空区上或其附近地区。图1分别为1975年海城7.3级、1980年朝鲜天摩山5.7级、1982年朝鲜殷栗5.4级、1999年岫岩5.4级、2003年巴林左5.9级、2013年灯塔5.1级和科尔沁5.3级地震。由图1可见上述7次地震前均有3级地震空区出现，除了1999年岫岩和2003年巴林左地震[图1(d)和图1(e)]前没有条带，其余几次地震前均不同程度地出现了3级地震条带。从图中也发现，与空区相比，条带对未来5级地震地点的指示意义更强。例如1980年朝鲜天摩山5.7级[图1(b)]、1982年朝鲜殷栗5.7级[(图1(c)]和2013年灯塔5.1级[(图1(f)]地震均发生在3级条带上。就空区而言，除了1982年殷栗5.4级和2003年巴林左5.9级地震发生在空区边缘[图1(c)和图1(e)]，其余几次地震均发生在空区外围或附近，特别是1980年天摩山5.7级和2013年灯塔5.1级地震前的空区，距离未来主震的距离均超过200 km。有关空区、条带和未来主震的相关参数见表2。其中震级定量的估算方法来自文献[14]，可分别由空区的围空形成时间T(月)和围空长轴L(km)来估算未来中强震的最大震级M，即：

图1　辽宁地区历次M≥5.0地震前1年中小地震活动图像Fig.1　Medium-small seismicity pattern in 1 year before the M≥5.0 earthquakes in Liaoning

(1)

(2)

同样，由条带的持续时间ΔT及其面积S来估算未来主震的震级：

(3)

(4)

表 2　图1中空区和条带的有关参数

注：表2中的①～④分别对应公式(1)～(4)，地震Mmax为组成空区或条带的最大地震。

1.3震前中小地震时序曲线

辽宁省地震局*辽宁省地震局.辽宁省2010年度地震趋势研究报告.2010：72-73.通过震级序号图像和多方法定量分析获得辽宁地区(38°～44°N，119°～126°E)1970年以来完整性震级下限MC在ML3.0左右，1980和1990年以来MC分别为ML2.5和ML2.0。因此，考虑到辽宁地区小震记录的完整性，本研究时序扫描的起算震级为ML≥2.5。为了排除主震和震后效应的影响，时间段通常为历次5级地震前1个月～5年，步长为1个月，窗长为1年。应用Mapsis软件对表1中几次5级地震进行时序扫描，异常识别标准为大于或小于1倍均方差，结果发现，b值、A(b)值、D值、缺震及XY值等5个相对独立的参数在震前的映震效果较好(图2)。相关参数见表3。

1.4震前中等地震集中活动

根据曹凤娟等[12-13]的研究，辽宁地区5级地震前均有中等地震集中增强的现象，针对不同的研究区域，中等地震集中活动的界定有所不同。通常，对辽南地区而言，如果相邻2年内发生 3 次或3次以上中等地震(4.0≤ML≤4.9)，可看作中等地震活动增强。辽西—辽蒙交界地区，由于地震活动相对较弱，故在研究时中等地震的震级下线为ML3.5。通过对辽宁地区历次5级地震前小震活动的统计分析，发现辽宁地区5级地震80%发生在参与增强活动的最近 1次中等地震后的半年内，震中位置靠近最后一次中等地震的可能性较大，震级可通过描述中等地震活动增强的三个参量E、T、R拟合计算来估计。此外，弱震区的4级地震对未来中强震的地点也有一定的指示意义。

1.5震群序列

除了营海岫老震区外，震群活动特别是前震序列是辽宁地区震情研究的特色所在。众所周知，1975年海城7.3级和1999年岫岩5.4级地震的成功预报都得利于震前的前震序列。曹凤娟等[16]对1970年以来辽宁地区25次震群的活动特征进行了详细的统计研究，结果认为，当震群中3、4级地震频次大于等于10次和4次，同时序列的b值介于0.6～0.9之间，此时可判定震群为前兆震群，未来中强震三要素的判定依据为：发震时间为震群开始后1年内，平均6个月；震中位置距离震群所在地的范围约0～400 km，平均为180 km；最大强度为G-R预测的最大地震的震级加2.0级。当b值小于0.5时，震群有可能为前震序列，即震群开始后1～20天内原地有发生5级以上地震的危险。

图2　辽宁地区历次5级地震前A(b)值、缺震、b值、XY值及D值曲线Fig.2　The A (b) value，shock-lacking,b value,XY value,and D value curves before the M≥5.0 earthquakes in Liaoning area

表 3　历次5级地震前时序扫描指标的相关参数信息

注：*所注的均值为排除1975年海城和2013年灯塔地震后的b值均值。

2结果分析

由表2可知多数主震发生在空区解体后4～8个月内，平均5.8个月；而条带的解体时间通常距主震1～9个月，平均4.1个月。主震发生在空区外围附近的概率较大，距空区最近边缘平均85 km，相比之下，主震75%均发生在条带上。由空区的持时和长轴来估算的震级(由于海城地震的震级过大，多数参数估算的震级误差均较大，因此在做平均统计时，暂不包括海城地震)，误差范围在-0.6～1.1级之间，且10项计算结果中，7项震级偏高，平均偏高0.5级。进一步分析发现，由空区形成时间来估算后续主震震级[式(1)]通常偏低0.3级左右；而用空区长轴[式(2)]估算的主震震级平均偏高0.8级。同样，若不考虑1975年海城地震的影响，在6项由条带参数估算主震的震级中，1次偏低0.6级，3次偏高1级左右，平均偏高0.4级。其中以条带持续时间[式(3)]估算震级误差在-0.6～0.9级间，以条带面积[式(4)]估算的震级误差通常偏高0.7级。实际应用中，有关空区和条带的参数，如持时、长轴和面积等很难界定，因此我们试图从组成空白和条带的最大地震出发，以此来估算未来主震的震级。由表2可知，空白和条带中最大地震与主震震级差在0.8～4.1级，同样，若不考虑海城地震的影响，通常用空白或条带的最大地震加1.5～2.0级来估算未来主震的震级。

由表3的历次5级地震前时序指标的相关参数发现，b值、A(b)值、D值、缺震、XY值异常出现时间距离主震发生均在10.3～18.2个月之间，异常结束时间距主震发生在5.3～14.6个月之间，从时间尺度上看大部分属中期预测指标。其中b值属中期向短期过度的一个指标，例如1999年岫岩5.4级和2003年巴林左5.9级地震均发生在低b值出现的3个月内，某种程度上相当于短期指标( 由于海城和灯塔地震前的低b值时段均出现在震前3年之前，从中短期的角度考虑，在统计b值平均值时未统计出现在主震前3年的异常)。

3指标体系构建

基于上述的统计分析和已有的部分研究成果，可初步得到辽宁地区5级地震的指标体系。从年度会商和短临跟踪的角度，这里的时间尺度暂时没有考虑5级地震复发周期等长期的预测指标，主要侧重提炼中期和短期预测方法和异常判定指标(表4)。

表 4　基于5级地震震例的辽宁地区地震学指标体系

为了检验指标体系中各指标的映震效能，特对1970年无5级以上地震发生的两个时段进行指标体系中的9项指标扫描，即1989年11月—1994年10月和2004年1月—2007年12月。结果发现，上述两个时段9项指标中分别存在6项和5项异常，见图3和表5。单从异常项次来看，似乎指标体系中指标的虚报率较高，但值得注意的是，上述两个时段分别发生了1995年4月15日营口M4.6地震和2008年11月海城4级震群，因此若考虑4.5级以上地震，则某种程度上也不算虚报。由于灯塔地震距离2013年科尔沁5.3级地震仅3个月左右，因此很多指标都没有异常显示。总体上看，当异常项次大于等于6项时，发生5级以上地震的概率约为50%；大于等于8项时，发生5级以上地震的概率为80%以上。当然即便异常项次相同，还有异常显著与否的区别，总之，这只是针对时间序列的粗略统计检验，关于空区和条带的详细检验和效能评估有待后续进一步完善。

4结论与讨论

(1) 由于辽宁台网的大部分数字观测资料开始于2000年前后，观测以来中强震例较少，多数数字地震学方法还处于探索和积累经验阶段，因此在本次建立的指标体系中暂没考虑数字地震学指标。

(2) 在辽宁地区5级地震的指标体系构建中，最主要的是时间和地点的预测问题，但本次构建的指标体系大多为中期或中期向短期过渡的指标，短临的较少(表4)。众多研究表明，前兆的同步和宏观异常的流体学科短临阶段的指示比较好[8-9]，实际应用中最好结合前兆和宏观异常情况，进一步减小对时间和地点预测的误差。

图3　辽宁地区ML2.5地震两个时段的相关时序扫描曲线Fig.3　The sequential scanning curves of ML2.5 earthquakes in two terms in Liaoning

表 5　辽宁地区地震学指标体系中各指标的映震情况

注：1代表有异常，1+代表异常显著，1-代表异常不显著，0代表无异常。

(3) 该指标体系只是基于震例提炼的结果，首先由于震例的局限，样本数不多；其次没有考虑小震活动图像的全时空扫描结果，即有异常无地震的情况；再次时间预测指标总体上有9项，那么这9项指标的相对权重如何，整个指标体系的效能评估结果等，这些问题都需后续逐步完善。

参考文献(References)

[1]丁国瑜,梅世蓉,马宗晋.地震预测方法[C]//国际地震预报讨论会论文选.北京:地震出版社,1981： 413-415.

DING Guo-yu,MEI Shi-rong,MA Zong-jin,et al.Method of Earthquak Prediction[C]//Selected Papers of the International Symposium on Earthquake Prediction.Beijing:Seismological Press,1981：413-415.(in Chinese)

[2]梅世蓉,冯德益,张国民,等.中国地震预测概论[M].北京:地震出版社,1993.

MEI Shi-rong,FENG De-yi,ZHANG Guo-min,et al.Introduction to Chinese Earthquake Prediction[M].Beijing:Seismological Press,1993.(in Chinese)

[3]中国地震局监测预报司.强地震中短期预报方法及其效能研究[M].北京:地震出版社,2002.

Department of Earthquake Monitoring and Prediction of China Earthquake Administration.Study on Medium-short Term Strong Earthquake Prediction Method and Its Predictive Efficiency[M].Beijing:Seismological Press,2002.(in Chinese)

[4]王安东,谷光裕,黄河,等.1999 年11月29日和2000年1月12日辽宁省海城—岫岩5.4和5.1级地震[M]//中国震例1997-1999、北京:地震出版社,2000：429-467.

WANG An-dong,GU Guang-yu,HUANG He,et al.Haicheng-Xiuyan Earthquakes ofMS5.4 on Nov.29,1999 andMS5.1 on Jan.12,2000 in Liaoning Pronvince[M]//Earthquake Cases in China,1997-1999.Beijing:Seismological Press,2000：429-467.(in Chinese)

[5]朱凤鸣.1975年海城地震[M].北京:地震出版社,1982.

ZHU Feng-ming.Haicheng Earthquake of 1975[M].Beijing:Seismological Press,1982.(in Chinese)

[6]曹凤娟,王亮,焦明若,等.2012年2月2日盖州ML4.7震群序列特征及发震构造探讨[J].地震地质,2013,35(4):842-852.

CAO Feng-juan,WANG Liang,JIAO Ming-ruo,et al.Discussion on the Characteristics and Seismo-tectonics of the GaizhouML4.7 Earthquake Swarm Sequence on February 2,2012[J].Seismology and Geology,2013,35(4):842-852.(in Chinese)

[7]曹凤娟,焦明若.基于层次分析的辽宁地区中强震预测指标体系及效能评估[J].中国地震,2012, 28 (4) :415-424.

CAO Feng-juan,JIAO Ming-ruo.Efficiency Evaluation of Prediction Indictors for Medium-strong Earthquakes in the Liaoning Area Based on Analytic Hierarchy[J].Earthquake Research in China,2012,28(4):415-424.( in Chinese)

[8]曹凤娟,焦明若.辽宁地区震情预测预警层次分析模型研究[J].西北地震学报,2012,34(2):167-173.

CAO Feng-juan,JIAO Ming-ruo.Study on Analytic Hierarchy Model of Early-warning of Earthquake Activity in Liaoning Area[J].Northwestern Seimological Journal,2012,34(2):167-173.( in Chinese)

[9]曹凤娟,焦明若,王海燕,等.基于层次分析的辽宁地区震情指标预警模型研究[J].华南地震,2010,30(2):88-96.

CAO Feng-juan,JIAO Ming-ruo,WANG Hai-yan,et al. Early-warning Model of Earthquake Situation Index of Liaoning Area Based on Analytic Hierarchy Process[J].South China Journal of Seismology,2010,30(2):88-96. ( in Chinese)

[10]曹凤娟,王亮,李君,等.东北地区地震大形势预测回溯性检验[J].地震工程学报,2014,36(2):301-308.

CAO Feng-juan,WANG Liang,LI Jun,et al.The Retrospective Test of the Earthquake Great Situation in Northeast China[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(2):301-308.( in Chinese)

[11]曹凤娟,焦明若,王亮,等.东北地区M≥5.0地震前中等地震集中活动的震兆研究[J].地震工程学报,2013,35(2):385-393.

CAO Feng-juan,JIAO Ming-ruo,WANG Liang,et al.Research on the Precursor of Moderate Earthquakes beforeM≥5.0 Seismic in the Northeast Region[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(2):385-393.( in Chinese)

[12]曹凤娟,郭晓燕,乔艳芬,等.辽宁地区ML≥5.0 地震前中等地震集中活动的震兆研究[J].地震地磁观测与研究,2009,30(2):22-30.

CAO Feng-juan,GUO Xiao-yan,QIAO Yan-fen,et al.Research on the Precursor of Medium Earthquakes (ML≥5.0 S)Activities in Liaoning Province[J].Seismological and Geomagnetic Observation and Research,2009,30(2):22-30. ( in Chinese)

[13]曹凤娟,徐心同. 辽宁地区M≥5.0地震前4级地震集中活动的震兆研究[J].防灾减灾学报,2010,26(3):18-24.

CAO Feng-juan,XU Xin-tong.Research on the Precursor Activities of the ConcentratedML≥4.0 Earthquakes beforeM≥5.0 in Liaoning Province[J].Journal of Disaster Prevention and Reduction,2010,26(3):18-24.( in Chinese)

[14]万波,贾丽华,戴盈磊,等.辽东半岛中强地震活动及其与构造相关性[J].地震地质,2013,35(2):300-314.

WAN Bo,JIA Li-hua,DAI Ying-lei,et al.Moderate-strong Earthquakes and Their Tectonic Correlation in the Liaodong Peninsula[J].Seismology and Geology,2013,35(2):300-314.(in Chinese)

[15]中国地震局预测预防司.测震学分析预报方法[M].北京:地震出版社,1997.

Department of Prediction and Prevention of China Earthquake Administration.Method of Seismological Analysis and Prediction[M].Beijing:Seismological Press,1997.(in Chinese)

[16]曹凤娟,翟丽娜,殷轶娜,等.辽宁地区震群序列统计特征及预测意义研究[J].中国地震，2015,31(1):45-55.

CAO Feng-juan,ZHAO Li-na,YIN Yi-na,et al.The Study on the Statistical Characteristics of the Earthquake Swarms in Liaoning and the Prediction Significance[J].Earthquake Research in China,2015,31(1):45-55.(in Chinese)

Study of Seismometry Index System forM≥5.0 Earthquakes in Liaoning

CAO Feng-juan, SUN Su-mei, YANG Mu-ping , ZHANG Zhi-hong, LIU Tian-long, QIAN Rui

(EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince,Shenyang110034,Liaoning,China)

Abstract：The seismological prediction indexes of seven earthquakes (M≥5.0) occurring in Liao-ning since 1970 were analyzed from medium-small seismicity images and sequential scanning. Results show that the earthquake-reflecting effect of certain parameters, i.e. seismic gap, seismic belt, b value, A(b)value, D value, earthquake deficiency, and XY value is relatively good. Combining previous results of enhancements, concentration of moderate earthquakes, and characteristics of earthquake swarms in Liaoning, a seismological index system of earthquakes with a magnitude of M≥5.0 was constructed. Earthquake intensity prediction indexes mainly include the enhancement and concentration of moderate earthquakes, earthquake swarm sequences, seismic gaps, and belts, and the maximum magnitude of a forthcoming main shock is estimated by adding 1.5～2 to the value of the maximum magnitude of the earthquake for the above four items. The location prediction index is similar to the earthquake intensity prediction index, and the method determined shows the following: earthquakes with a magnitude of M≥5.0 generally occur in the seismic gap and belt or nearby region; if there is an increase and concentration in moderate earthquakes the location of forthcoming earthquakes with M≥5 will be close to where the last moderate earthquake occurred; if there is an earthquake swarm sequence, the forthcoming main shock will occur within 200 km of the swarm (if there is a foreshock sequence, the main shock will occur near the location of the sequence). In addition to the four items used in earthquake intensity and location prediction indexes, the seismic time prediction indexes include the b value, A(b) value, D value, earthquake deficiency, and the XY value. Furthermore, the anomalies of A(b)value, D value, earthquake deficiency, and XY value commonly occur about one year before the earthquake; disappearance of the seismic belt and seismic gap, and b value anomalies commonly occur about half a year before an earthquake; and the foreshock sequence commonly occurs about 1 to 20 days before the main shock.

Key words：earthquake-reflecting; index system; seismic belt; seismic gap; earthquake swarm

收稿日期：①2015-05-12

基金项目：辽宁省科学技术计划项目(2014231003)；辽宁省地震局重点实验室项目(LZ-Z201501-2)；中国地震局2016年度震情跟踪定向工作任务(2016020104)

作者简介：曹凤娟，女，高工，主要从事地震学综合分析与预测。E-mail: Cao99@sina.com。

中图分类号:P315

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)03-0398-09

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0398