華南地區(qū)基于小波變換的地震活動性分析

董非非，呂 堅，鄧 輝

（江西省地震局，南昌 330039）

華南地區(qū)基于小波變換的地震活動性分析

董非非，呂 堅，鄧 輝

（江西省地震局，南昌 330039）

根據(jù)1500年以來東南沿海地震帶與長江中游地震帶的本尼奧夫應變曲線資料，運用小波變換的方法，以不同的小波尺度分析得到了不同時間尺度下的地震活躍期和平靜期。結(jié)果表明：東南沿海地震帶5級以上地震10年尺度內(nèi)的活動周期大約為300年；1970年以來ML≥4.0級地震大致呈現(xiàn)出5年左右的周期，目前正在進入ML4.0級以上地震的活躍期。長江中游地震帶5級以上地震可看出較為清晰的 “集中活躍-間歇平靜”特征，目前處于第4個活躍幕；1970年以來ML≥4.0級地震，共有3個活躍期，未來數(shù)年可能仍處于ML≥4.0級地震的活躍時段。

本尼奧夫應變；小波變換；活躍期；平靜期

0 引言

華南地區(qū)在新構(gòu)造運動上屬于比較穩(wěn)定的地塊，內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的活動斷裂和褶皺，其地震活動性與華北和西部相比相對較弱。然而，華南地區(qū)位于我國東部，是我國人口集中及經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)，一旦發(fā)生破壞性地震，將會造成極大的社會影響和經(jīng)濟損失。因此開展本區(qū)域的地震活動性研究是非常有必要的。

地震活動性的研究有助于我們了解區(qū)域地震活動的周期、特征以及預測未來的發(fā)展趨勢。其中，地震能量釋放是區(qū)域構(gòu)造應力活動的最直觀反映，也是地震活動性研究的基礎。在研究中通常采用應變釋放來表征地震的能量釋放[1]。1951年，Benioff首先使用這一概念，繪制了給定地區(qū)在給定時間內(nèi)的積累應變釋放曲線，又稱為本尼奧夫應變曲線[2]。在我國有多位學者利用應變釋放資料在地震活動性研究中取得了較為顯著的成果[3-9]。

地震資料具有多尺度的特點，分析這類數(shù)據(jù)小波變換是有效的方法之一。小波變換最早是1984年在進行地震信號分析時提出的，具有能夠根據(jù)分析對象自動調(diào)整有關參數(shù)的 “自適應性”和能夠根據(jù)觀測對象自動 “調(diào)焦”的特性。在地震資料研究中，相比與傳統(tǒng)的M-T圖（橫坐標表示時間，縱坐標表示震級），小波變換方法具有快速準確識別突變點，多尺度分析的特點。因而廣泛應用于地震震相識別[10]、地震波形反演等研究領域。其中以高斯函數(shù)及其一階導數(shù)為小波基的小波變換具有：對稱、可微、可積、時頻兩域都是高斯型且呈平方型指數(shù)衰減特性，且在時頻兩域均有較好的局域性[11]。萬永革[3]，張小濤[7]等利用該函數(shù)為小波基，較清晰地分辨出了應變釋放曲線的突變點，得到了中國大陸及華北地區(qū)不同時間尺度下的地震活動性特征。

本文將沿用上述兩位學者的方法，利用華南地區(qū)的東南沿海地震帶和長江中游地震帶的本尼奧夫應變曲線資料，采用小波變換方法，分析不同時間尺度和震級尺度上地震帶內(nèi)所對應的地震活躍期和平靜期，以期為我國華南地區(qū)地震活動性發(fā)展趨勢的判斷，以及防震減災事業(yè)的開展提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域及資料選取

華南地區(qū)屬于中國大陸及鄰區(qū)6個Ⅰ級活動地塊區(qū)之一[12-13]，其南部受到太平洋、菲律賓海板塊與歐亞板塊的相互作用[14]，出現(xiàn)板塊俯沖、島弧形成、大陸增生的地球動力學特征；而其西部則主要受到青藏高原隆升推擠形成系列造山帶，引起巖石圈內(nèi)部變形的構(gòu)造特征。

結(jié)合有史志記載以來5級以上地震的空間分布特征、地震構(gòu)造特征以及地殼結(jié)構(gòu)和地球物理場特征，又可將華南地塊區(qū)劃分出東南沿海地震帶和長江中游地震帶（圖1），開展相應的震情形勢研究工作。近幾年的地震動力學研究表明，菲律賓海板塊向歐亞板塊的不均勻擠壓碰撞作用主導了東南沿海地震帶的地震活動趨勢，形成海強陸弱，東強西弱的總體格局。長江中游地震帶的地震活動則受到青藏地塊區(qū)的向東運動以及華南、華北兩個活動地塊區(qū)的邊界動力作用影響。

本文采用時振梁等[15]的公式計算研究區(qū)域的本尼奧夫應變曲線值，并以高斯函數(shù)為小波基對歷史地震0.1年之內(nèi)的本尼奧夫應變積累做小波變換，其結(jié)果對應于地震活動的平滑結(jié)果；且以高斯函數(shù)的一階導數(shù)為小波基做小波變換，其結(jié)果用于檢測地震活動的突變點，若脈沖向上則表示信號增大，向下表示信號減弱[3，7]。

據(jù)研究[16-18]華南地區(qū)5級及以上地震自1500年以來記錄相對較為完整。1970年以后，隨著全國測震區(qū)域臺網(wǎng)的布設，地震的監(jiān)測能力得到了有效提高，ML4.0級以上地震基本可以做到無遺漏。ML4.0級地震對中強震的發(fā)生有很大的影響，選取這個震級更符合實際的地震能量的釋放演化過程。因此本文將對華南地區(qū)1500年以來的5級以上地震以及1970年以來ML4.0級以上地震進行分析，包括東南沿海地震帶和長江中游地震帶兩個區(qū)域發(fā)生地震的本尼奧夫應變曲線的小波分析。以下分別討論。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 東南沿海地震帶

東南沿海地震帶1500年以來5級以上地震活動具有明顯的平靜-活躍交替的特征（圖2），活動周期平均約300年左右，平靜期約100年，活躍期約200年。第一活動期間發(fā)生了1600年廣東南澳7.0級、1604年泉州海外71/2級、1605海南瓊山71/2級3次7級以上地震；第二活動期間發(fā)生了2次7級以上地震，分別為1918年廣東南澳7.3級地震和1994年臺灣海峽南部7.3級地震。

圖1 華南地區(qū)1500年以來M≥5級地震分布及地震帶的劃分Fig.1 Epicenter distribution of earthquakes with M≥5 in South China since 1950 and the division of seismic zone

圖2 東南沿海地震帶1500年以來M≥5級地震的M-T圖Fig.2 The M-T figure of the southeast coastal seismic belt （since 1500， M≥5）

對東南沿海地震帶1500年至2016年7月以來M≥5級地震資料，應用上述方法進行本尼奧夫應變曲線及其相應的小波變換計算，圖3中左右兩圖最上端一條是本尼奧夫應變?nèi)ゾ档脑假Y料曲線，左圖下邊為不同時間尺度以高斯函數(shù)為小波基的小波變換曲線；右圖下邊是不同時間尺度以高斯函數(shù)一階導數(shù)為小波基的小波變換，圖中數(shù)字是對應的小波時間尺度。圖5、圖7及圖9圖示類同）。從小波變換曲線能夠看出，總體上東南沿海地震帶M≥5級地震的活動周期約為300年，無論采用哪種小波尺度，這種周期性都較為明顯，且在該段時間內(nèi)東南沿海地震帶大致經(jīng)歷了兩個活動期。運用小波變換得出東南沿海地震帶的周期性變化和活躍期高峰與圖2分析結(jié)果一致，這說明小波變換的分析結(jié)果是可信的。從1900年以來東南沿海地震帶5級以上地震的以高斯函數(shù)一階導數(shù)為小波基的小波變換結(jié)果來看，該時間段內(nèi)5年尺度內(nèi)可看出較為清晰的活躍與平靜交替的幕式分布特征。2016年7月31日廣西蒼梧發(fā)生的5.4級地震，打破了東南沿海地震帶5級以上地震長達16.6年的地震平靜。結(jié)合此分析，東南沿海地震帶可能會開始新的地震活躍幕。

1970年至今，東南沿海地震帶發(fā)生ML≥4.0級地震293次，其中ML4.0～4.9級地震247次，ML5.0～5.9級地震44次，ML6.0～6.9級地震5次，ML7.0～7.9級地震1次，最大地震為1994年9月16日臺灣海峽南部的7.3級地震（圖4）。從圖4可看出該時段內(nèi)地震活動具有一定的叢集活動特征，但周期較難分辨。最近的一叢活動大約從2012年開始，2016年仍在持續(xù)活躍，發(fā)生了6月18日福建漳浦海域ML4.0級、7月8日湖南郴州ML4.1級以及7月31日廣西蒼梧5.4級地震。

圖3 東南沿海地震帶1500年以來M≥5級地震的本尼奧夫應變曲線的小波變換Fig.3 The wavelet transform result of benioff strain curves of the earthquakes(southeast coastal earthquake belt,since 1500，M≥5)

圖4 東南沿海地震帶1970年以來ML4.0級以上地震的M-T圖Fig.4 The M-T figure of the southeast coastal seismic belt(since 1970， ML≥4.0)

對東南沿海地震帶1970年以來ML≥4級地震的本尼奧夫應變曲線以高斯函數(shù)及其一階導數(shù)為小波基進行小波變換，小波變換曲線見圖5。從圖中可以看出， 自1970年以來，在1～5年的時間尺度上該地區(qū)ML≥4.0級地震一共有7個活躍期，大致呈現(xiàn)出5年左右的周期，而且其強度隨時間在變化，隨著小波尺度的增加，地震活躍期突跳更加平滑。第一個活躍期對應的是1972年臺灣臺南西海中5.1級地震前后，第二個對應1977年廣西平果5.0級地震前后，第三個對應1982年云南富寧東5.8級地震前后，第四個對應1986年南海東沙群島東北5.4級地震和1987年南海東沙群島東5.5級地震前后，第五個對應1992年南海東沙群島東北海域5.9地震前后以及1994年臺灣海峽南部7.3級地震前后，第六個對應1999年臺灣海峽5.0級地震前后，第七個對應2004年廣東陽江4.9級地震和2007年福建順昌4.7級地震前后。根據(jù)曲線分析，結(jié)合M-T圖（圖4）的分析結(jié)果，可得出在5年以下的時間尺度上，研究區(qū)內(nèi)目前應該正處于ML4.0級以上地震的活躍期。

2.2 長江中游地震帶

長江中游地震帶歷史上發(fā)生了5～5.9級地震48次，6～6.9級地震7次，未發(fā)生過7級以上地震（圖6）。1970年迄今，發(fā)生了1979年5月22日湖北秭歸-巴東5.1級、2005年11月26日江西九江-瑞昌5.7級、2013年12月16日湖北巴東-秭歸5.1級和2015年3月30日貴州劍河5.5級4次5級以上地震。從圖6可看出，該時段內(nèi)叢集活動特征明顯，存在3組顯著的地震活躍時段，1856—2015年為第三組叢集活動。結(jié)合從1500年以來長江中游地震帶5級以上地震的本尼奧夫應變曲線以高斯函數(shù)一階導數(shù)為小波基的小波變換結(jié)果來看（圖7），該時間段內(nèi)5年尺度內(nèi)可看出較為清晰的 “集中活躍-間歇平靜”特征。本帶可以劃分出4個平靜幕和3個活躍幕，每個活躍幕持續(xù)數(shù)十年。2013年12月16日湖北巴東-秭歸5.1級和2015年3月30日貴州劍河5.5級地震，標志著長江中游地震帶已經(jīng)進入了第4個活躍幕。

圖5 東南沿海1970年以來ML≥4.0級地震的本尼奧夫應變曲線的小波變換Fig.5 The wavelet transform result of benioff strain curves of the earthquakes(southeast coastal earthquake belt，since 1970，ML≥4.0)

圖6 長江中游地震帶1500年以來5級以上地震的M-T圖Fig.6 The M-T figure of the middle reach of Yangtze River seismic belt(since 1500， M≥5)

1970年至今，長江中游地震帶發(fā)生ML≥4.0級地震73次，其中ML4.0～4.9級地震45次，ML5.0～5.9級地震7次，ML6.0～6.9級地震1次，最大地震為2005年11月26日九江-瑞昌5.7級地震（圖8）。從圖8可看出，1970年以來，區(qū)域內(nèi)地震在時間上分布較為均勻，叢集活動特征不明顯，最近的叢集活動始于2013年7月重慶石柱ML4.8級地震，研究時段內(nèi)最后一個地震為2015年6月江西九江ML4.2級地震，這組地震叢集活動水平較高，表明該帶的地震能量有加速釋放的趨勢。運用小波變換對長江中游地震帶1970年以來ML≥4.0級地震的本尼奧夫應變曲線進行分析，結(jié)果見圖9。根據(jù)小波變換曲線，長江中游地震帶1970年以來，ML≥4級地震在5年內(nèi)的時間尺度上目前共有3個活躍期，但周期不明顯。第一個活躍期對應的是1979年湖北秭歸5.1級地震前后，第二個對應2005年九江-瑞昌5.7級地震前后，第三個對應著2011年安慶4.8級地震和瑞昌-陽新4.6級地震，結(jié)合M-T圖（圖8）分析結(jié)果，可得出本研究區(qū)可能仍處于第三活動期內(nèi)，未來數(shù)年也可能仍處于ML≥4.0級地震的活躍時段。

3 結(jié)語

通過運用不同尺度的小波變換分別對東南沿海地震帶和長江中游地震帶M≥5.0級地震及1970年以來ML≥4.0級地震的本尼奧夫應變曲線進行小波變換，得到了不同時間尺度下的地震平靜期和地震活躍期。分析表明：

東南沿海地震帶：M≥5級地震10年尺度內(nèi)活動周期約為300年；1900年以來5年尺度內(nèi)該區(qū)域可看出較為清晰的活躍與平靜交替的幕式分布特征；1970年以來ML≥4.0級地震一共有7個活躍期，大致呈現(xiàn)出5年左右的周期，研究區(qū)內(nèi)目前應該正在進入ML4.0級以上地震的活躍期。

長江中游地震帶：M≥5級地震5年尺度內(nèi)可看出較為清晰的 “集中活躍-間歇平靜”特征，可劃分出4個平靜幕和3個活躍幕，目前處于第4個活躍幕；長江中游地震帶1970年以來，ML≥4.0級地震在5年的時間尺度內(nèi)共有3個活躍期，未來數(shù)年可能處于ML≥4.0級地震的活躍時段。

圖7 長江中游地震帶1500—2016年M≥5級地震的本尼奧夫應變曲線的小波變換Fig.7 The wavelet transform result of benioff strain curves of the earthquakes（middle reach of Yangtze River seismic belt， since 1500 to 2016， M≥5）

圖8 長江中游地震帶1970年以來ML4.0級以上地震的M-T圖Fig.8 The M-T figure of the middle reach of Yangtze River seismic belt(since 1970， ML≥4.0)

小波變換方法的應用，使得我們在分析地震活動性時更加有了針對性，可以較快速準確地在不同的時間尺度上找出地震活動特征及突變點的位置，得到所對應的活躍期與平靜期。然而此方法的應用，需要建立在合理的地震地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)，以及可靠的地震資料的基礎上。不同地區(qū)的地震活動特征本身就存在著較大的差異，如果不考慮地震地質(zhì)構(gòu)造特征就分析其活動周期是沒有意義的。不同的地震資料起算震級對分析結(jié)果也是有一定影響的，起算震級越小，包含的樣本數(shù)量越多，能夠反映的細節(jié)特征就越多，但是過小的起算震級又會造成結(jié)果里的趨勢特征被過多的細節(jié)特征所掩蓋。因此，在應用小波變換方法分析不同時間尺度上區(qū)域地震活動性時，要首先結(jié)合研究區(qū)域的地震地質(zhì)構(gòu)造特征分區(qū)，根據(jù)地震資料的完整性與準確性，采用合適的起算震級地震資料，才能最終得到分區(qū)內(nèi)的較為合理的地震活動性的特征。

圖9 長江中游1970年以來ML≥4.0地震的本尼奧夫應變曲線的小波變換Fig.9 The wavelet transform result of benioff strain curves of the earthquakes（middle reach of Yangtze River seismic belt,since 1970， ML≥4.0）

致謝：感謝萬永革研究員以及張小濤工程師對本文給予的指導和支持！

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The Characteristics of Seismic Activity in South China by Using Wavelet Transform

DONG Feifei， LYU Jian， DENG Hui
（Jiangxi Earthquake Agency， Nanchang 330039， China）

With the benioff strain curve data of the southeast coastal seismic belt and middle reaches of Yangtze River seismic zone since 1 500，the paper achieves the seismic active and quiet periods in different time scales by using multi-scale wavelet transform method.The results show that the active period of earthquake with M≥5 in southeast coastal seismic belt in 10 years scale is about 300 years， the active period of earthquake with ML≥4 （since 1970） is about 5 years,and now this area is stepping into an ML≥4 active period.The middle reaches of Yangtze River seismic belt has an obvious"active-quiet period" feature,and currently in its fourth active period.Since 1970， earthquake with ML≥4 has 3 active periods and it may be still in ML≥4 active period in the next several years.

Benioff strain curve； Wavelet Transform； Active periods； Quiet periods

P315.7

A

1001-8662（2017）03-0018-07

10.13512/j.hndz.2017.03.003

董非非，呂 堅，鄧 輝.華南地區(qū)基于小波變換的地震活動性分析[J].華南地震，2017，37（3）：18-24.[DONG Feifei，LYU Jian，DENG Hui.

The Characteristics of Seismic Activity in South China by Using Wavelet Transform[J].South China journal of seismology，2017，37（3）：18-24.]

2016-10-19

中國地震局地震科技星火計劃 （XH16023）

董非非（1982-），女，工程師，主要從事地震學及地震預測方法研究工作。

E-mail：agnes516@126.com.