黑龙江省及邻区地震趋势可公度性建模

李太岩 马宝君 郑宝仁 赵建通

(黑龙江省牡丹江地震台,黑龙江 牡丹江157009)

现阶段的地震预测预报工作,主要还是基于统计的经验预报。对于地震物理机理预测预报的世界难题,可按照由表及里逐步逼近的思路,探讨构建地震预测圈层结构的可能性。以地震数学分析预测方法补充和完善物理预测方法-可应用可公度方法进行地震趋势探索研究[1]。翁文波院士首先将可公度性预测方法应用到了预测科学中来, 并曾利用可公度信息系对1976年唐山地震、1982 年华北干旱、1991 年长江流域洪水、1992 年美国加州地震等自然灾害现象作过成功的预测。龙小霞在川滇地区[2]、闫军辉在新疆喀什地区[3]、鲁云在云南地区[4]都采用了可公度法进行地震趋势预测,收到了较好的效果。

本文分别采用可公度法及蝴蝶结构图,对20 世纪以来黑龙江省及邻区Ms≥5.2 级地震序列建立可公度模型,旨在为地震会商工作提供理论依据,以期在防御重大灾害时,尽可能减少伤亡及经济损失。

1 可公度性理论

可公度性源于天文学, 标示自然界事物之间的一种秩序,是自然现象周期性的一种客观外在反映, 同时也是对称性规律的一种体现,所以是一种信息系[5]。这种信息系不仅在天文学研究领域中有明显的表现,而且在其它领域中也广泛的存在,因此可以以它作为对自然现象进行预测研究的依据和方法。从数据中的可公度性可抽提出并非偶然的信号,以增加错认(或虚惊) 概率为代价, 可以在很宽频谱范围内分辨微弱的信号[6]。翁文波先生主要是用由可公度性理论而建立的可公度性公式来预测天灾的发生时间的,常用的公式有三个:

公式中A、B、C、D、E 为以前的重要历史数据,N 为预测的未来时间。我们根据20 世纪以来黑龙江省及邻区Ms≥5.2 级地震的26 个发生年份,依据可公度性的原理和方法进行建模。

2 应用于黑龙江省及邻区算例

2.1 研究范围及资料来源

黑龙江省及邻区为我国大陆强震活动区域之一,处于东北亚中心地带,位于西伯利亚、华北、太平洋三大板块之间,北部和东部与俄罗斯接壤,南部、西部与吉林省和内蒙古自治区毗邻。地质构造上处于蒙古-鄂霍茨克结合带与西拉木伦-敦化-延吉-结合带之间,中央锡霍特-阿林走滑断裂构造带以西至省界[7]。

研究区域选取42o～54oN ,120o～135oE。地震目录取自黑龙江省地震局。资料选取时间为1900-2020 年。经过三元、四元、五元可公度计算并检验后发现: 当震级选择Ms≥5.2 级时,历史地震数据检验拟合效果最佳。

2.2 三元可公度法计算

20 世纪以来黑龙江省及邻区发生Ms≥5.2 地震的年份为26 个(表1)。

表1 20 世纪以来黑龙江省及邻区Ms≥5.2 地震序列表

用三元可公度计算法计算下一次可能发生地震的年份X27=Xj+Xk-Xl其中X27为整数,j+k-l=27:设X1=1902, X2=1919,……X26=2018。

对上述26 次历史地震年次进行计算,未来5 年内可公度频数大于6 的年份有2019 年、2020 年、2021 年、2023 年(表2)。

表2 黑龙江省及邻区未来地震年份三元可公度式

由三元可公度计算可以发现:在2018 年以后的八年内,在黑龙江省及邻区均有发生Ms≥5.2 地震的可能性,其中2019、2020、2021、2023 年灾害信号相对较强。

2.3 四元、五元可公度法计算

四元可公度计算方法:X27=Xj-Xk+Xl-Xm,其中j-k+l-m=27；五元可公度计算方法:X27=Xj-Xk+Xl-Xm+Xn,其中j-k+l-m+n=27。

根据可公度计算结果,得出三元、四元、五元频次对比图(图1)。从图中可以看出2021 年、2023 年黑龙江省及邻区发生Ms≥5.2 级地震的相对可能性较大。

图1 频次对比图

2.4 模型验证

根据上述建模原理,从2004 年开始,发生地震后我们对地震序列进行可公度建模,计算下个地震发生的年份,以计算出的频次最大三个年份作为模型结果,以三元可公度法为例,计算结果见表3。

表3 三元可公度模型验证表

根据表3 可以得出,三元可公度模预测型准确率为57.1%。同理,得到四元、五元可公度模型预测准确率,均为71.4%。

3 蝴蝶效应图

蝴蝶图是可公度法的推广,使用可公度信息绘制的蝴蝶图是灾害时间对称性的体现。从图2 可以看出,黑龙江省及邻区地震活动具有一定周期性特点,主要表现为6 年、7 年周期。我们对蝴蝶结构的随机进行以下定义P=m/n。其中P 为灾害时间序列中所预测年份可能发生地震的概率; n 为灾害年份数,m 为参与实际预测的年份数,即和主周期相关联年份统计,没有参与实际预测的周期,仍可以表明此灾害时间具有时间可公度性规律。基于上述思路,历史发生灾害年份数n=26,以2023 年作为预测年份,实际参与灾害的预测的年份数m=13,计算得出2023 年前后黑龙江省及邻区发生Ms≥5.2 地震的随机概率为13/26,即50%。

图2 黑龙江及邻区Ms≥5.2 时间序列蝴蝶结构图

结束语

从可公度建模结果看,在2021、2023 年左右,黑龙江省及邻区发生Ms≥5.2 地震的可能性较大,预测的准确率均高于50%。可公度法在新疆和川滇地区应用取得了不错的效果,该法是否适用于黑龙江省及邻区,其实际效果有待实践检验。