張玉鳳,延軍平,李雙雙,萬 佳,武亞群
(陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,西安 710119)
地震是一種具有突發(fā)性、瞬時(shí)性的災(zāi)害現(xiàn)象,在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量能量并具有極大的破壞性[1],給人類社會(huì)發(fā)展帶來巨大的損失。因此,地震預(yù)測逐漸進(jìn)入專家學(xué)者的研究視線[2]。地震預(yù)測是指同時(shí)給出地點(diǎn)、時(shí)間、大小和概率四個(gè)參數(shù),并且每種參數(shù)的誤差小于或等于一定的標(biāo)準(zhǔn)[3]。地震預(yù)測研究可以在災(zāi)害發(fā)生前采取防范措施,對(duì)國家地震災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工程具有重要意義。
國外在地震預(yù)測方面有不同的研究方法[4-5],但較為典型的是英國Crampin小組提出的S波分裂研究方法和俄羅斯Keilis-Borok小組提出的M8算法[6-8];國內(nèi)較為普遍的是信息預(yù)測方法,信息預(yù)測先師翁文波院士將天文學(xué)引入信息預(yù)測學(xué),為地震預(yù)測開拓出新的研究道路[9],并運(yùn)用可公度方法對(duì)中國地震、洪水等災(zāi)害進(jìn)行一系列預(yù)測,成功預(yù)測占83.7%[10]。在此基礎(chǔ)上,延軍平等人沿用可公度方法繼續(xù)研究取得了大量的進(jìn)展[11-13]。
地殼釋放大量能量產(chǎn)生振動(dòng)形成地震[14],中國大陸面積遼闊多形成板內(nèi)地震,由于印度洋板塊和歐亞板塊碰撞,應(yīng)力聚集導(dǎo)致川滇地區(qū)板內(nèi)地震活動(dòng)劇烈[15],形成多條地震斷裂帶,自1900年來7級(jí)及以上地震共發(fā)生26次,其中川滇菱塊區(qū)是地震發(fā)生的最高頻區(qū),該區(qū)人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密集,且地形起伏大,歷史地震損失慘重。對(duì)該區(qū)的地震預(yù)測不僅能減少危險(xiǎn)區(qū)人員傷亡,若能預(yù)先采取防范措施,還能夠盡可能的減少經(jīng)濟(jì)損失,因此具有重要的研究意義。
本文選取1950年以來川滇菱塊地區(qū)MS≥6.0地震事件,借助可公度方法、蝴蝶結(jié)構(gòu)圖、可公度結(jié)構(gòu)系等方法研究川滇菱形塊體地震發(fā)生的時(shí)間周期性并對(duì)地震趨勢進(jìn)行判斷,分析地震序列緯度、經(jīng)度的對(duì)稱規(guī)律和空間遷移特征,結(jié)合郭增建的三性法[16]對(duì)地震序列和預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,在可公度基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善地震預(yù)測研究。
川滇菱塊位于我國西南地區(qū),闞榮舉等人依據(jù)川滇地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場和活動(dòng)斷裂帶空間位置提出 “川滇菱塊”概念并界定范圍,主要包括鮮水河斷裂帶以南、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、小江斷裂帶以西、金沙江斷裂帶、紅河斷裂帶以東區(qū)域[17],其邊界斷裂為先存活動(dòng)斷裂,均屬于全新世斷層。其中,鮮水河斷裂帶和安寧河斷裂帶為左旋走滑型,則木河—小江斷裂帶和紅河斷裂帶為正走滑型,金沙江斷裂帶為典型的逆傾滑型,其內(nèi)部受次級(jí)北東向斷裂的切割又以麗江—小金河斷裂為界分為川西北(甘孜—鹽源斷塊)和滇中(冕寧—楚雄斷塊)2個(gè)次級(jí)塊體[18](圖1),川西次塊體6級(jí)以上地震集中分布在鮮水河斷裂帶,而滇中塊體地震多集中于塊體內(nèi)部。該塊體是我國川滇地區(qū)地震頻發(fā)區(qū),僅1950年以來就發(fā)生26起6級(jí)以上地震,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)物力損失,成為地震學(xué)者最關(guān)注的研究區(qū)域之一。
本文選取的1950—2010年地震數(shù)據(jù)來源于《全球地震災(zāi)害信息目錄》[19],2010年以后的數(shù)據(jù)來源于中國地震局(http://www.cea.gov.cn),在地震數(shù)據(jù)的選擇上參考闞榮舉關(guān)于川滇菱塊應(yīng)力區(qū)研究未選擇大涼山斷裂帶相關(guān)數(shù)據(jù)[20]。地震序列數(shù)據(jù)主要包括地震發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、震級(jí)三要素;太陽黑子數(shù)來自美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space administration);地球自轉(zhuǎn)日長變化數(shù)據(jù)來自國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織IERS(International Earth Rotation Service)。
圖1 川滇菱塊地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of Sichuan-Yunnan Rhombic Block
1.3.1 可公度方法
可公度方法是一種自然界的秩序,由翁文波院士從天文學(xué)引入信息預(yù)測學(xué),其理論基礎(chǔ)是自然界中許多現(xiàn)象都呈現(xiàn)出明顯的周期性,如四季變換、地震災(zāi)害等,對(duì)自然現(xiàn)象的周期性分析主要引用天文學(xué)中太陽系 “擴(kuò)張波”的特點(diǎn)信號(hào)[21],概括為三元、四元和五元可公度性,不同可公度性對(duì)周期性趨勢分析的計(jì)算公式不同,均用于信息預(yù)測,是對(duì)預(yù)測信號(hào)的多次驗(yàn)證[1],各可公度計(jì)算公式如下:
三元:Xd=Xa+Xb+Xc
四元:ΔX=Xa+Xb-Xc-Xd
五元:Xf=Xa+Xb+Xc-Xd-Xe
其中,三元可公度公式中d=a+b+c;四元可公度公式中a+b=c+d,Xj=Xj-1+ΔX;五元可公度公式中f=a+b+c-d-e。
1.3.2 蝴蝶結(jié)構(gòu)圖
“蝴蝶結(jié)構(gòu)”是包括4個(gè)時(shí)間年份、2個(gè)套合周期的時(shí)間序列組合,是建立在地震序列等周期間隔的基礎(chǔ)上,分析所預(yù)測年份地震發(fā)生趨勢與已發(fā)生年份的時(shí)間周期性,最終得到預(yù)測年份隨機(jī)性概率和不漏報(bào)置信水平[1],具體計(jì)算公式如下:
隨機(jī)性概率:T=M/N
不漏報(bào)置信水平:(1-a) =M/(N+1)
其中,M為參與實(shí)際預(yù)測的地震次數(shù);N為總地震事件次數(shù)。
1.3.3 可公度結(jié)構(gòu)系
可公度結(jié)構(gòu)系是一種時(shí)間周期性的空間表達(dá)方式,它仍以歷史地震年份之間、歷史年份與地震預(yù)測年份之間的等間隔時(shí)間周期為基礎(chǔ),以時(shí)間周期為邊構(gòu)建反映周期規(guī)律強(qiáng)弱的空間結(jié)構(gòu)圖,構(gòu)建的可公度結(jié)構(gòu)系越工整,表明地震序列的周期規(guī)律性越強(qiáng)烈,對(duì)未來地震的時(shí)間趨勢判斷效果也越好[15]。
1.3.4 三性法
三性法是郭增建等于1999年提出的天災(zāi)預(yù)測方法,即周期性、倍周期性和周期的黃金分割性[22],其物理基礎(chǔ)是以T1、T2、T為周期的三個(gè)波的特定疊加。
其中,a、b為正整數(shù),a:b=2:3或a:b=3:5時(shí),以T1、T2為周期的兩個(gè)波進(jìn)行疊加形成T周期波,這是振幅最大的波,其內(nèi)部存在著兩個(gè)次級(jí)振幅的波周期T1、T2,他們以T的黃金分割點(diǎn)為節(jié)點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)于0.382T和0.618T[16]。
三性法成功對(duì)新疆巴楚伽師、四川九寨溝等地震事件進(jìn)行預(yù)測驗(yàn)證[23-24]。在此基礎(chǔ)上,借助于三性法預(yù)測并驗(yàn)證川滇菱塊體的地震可能性。
提取川滇菱塊1950年以來MS≥6的地震災(zāi)害事件時(shí)間序列(表1)進(jìn)行可公度計(jì)算,同一年份多次地震災(zāi)害在可公度計(jì)算中只計(jì)入一次。
表1 川滇菱塊1950年以來MS≥6.0地震事件序列Table 1 The earthquakes sequence with MS≥6.0 in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block since 1950
設(shè)X1=1951;X2=1952;X3=1955;X4=1961;X5=1962;X6=1966;X7=1967;X8=1970;X9=1973;X10=1975;X11=1976;X12=1979;X13=1981;X14=1982;X15=1989;X16=1995;X17=1996;X18=1998;X19=2000;X20=2001;X21=2003;X22=2008;X23=2009;X24=2010;X25=2014;X26=?
據(jù)表1,川滇菱塊1950年以來共發(fā)生26次MS≥6.0地震事件,實(shí)際參與可公度計(jì)算的地震序列共25個(gè)。利用三元、四元和五元可公度公式進(jìn)行趨勢判斷,部分計(jì)算過程如表2。
三元可公度公式:X26=Xa+Xb-Xc,其中a+b-c=26;計(jì)算結(jié)果顯示2020年預(yù)測信號(hào)最強(qiáng);共有16組,其次是2019年共14組。
四元可公度公式:ΔX=Xa+Xb-Xc-Xd,其中a+b=c+d,X26=X25+ΔX;計(jì)算結(jié)果顯示2019年信號(hào)最強(qiáng)共有105組,其次是2020年共有70組。
五元可公度公式:X26=Xa+Xb+Xc-Xd-Xe,其中a+b+c-d-e=26;計(jì)算結(jié)果表明2019年信號(hào)最強(qiáng)烈共有311組,其次是2020年共有231組。
由于在可公度計(jì)算中,優(yōu)先以三元可公度為主,四元和五元可公度是對(duì)三元可公度計(jì)算結(jié)果的進(jìn)一步印證[25]。根據(jù)三元、四元、五元可公度計(jì)算頻數(shù)(表3),川滇菱形塊體未來信號(hào)最強(qiáng)的年份為2020年,其次為2019年。
蝴蝶結(jié)構(gòu)圖能夠直觀反映研究區(qū)域地震發(fā)生的時(shí)間周期性,并有助于計(jì)算相關(guān)預(yù)測年份地震事件發(fā)生的隨機(jī)概率和不漏報(bào)置信水平[25]。繪制川滇菱塊地震蝴蝶結(jié)構(gòu)圖(圖2),與預(yù)測年份2019年相關(guān)的周期有3組,分別是11a、19a、38a;與預(yù)測年份2020年相關(guān)的周期有6組,分別為6a、11a、 19a、 25a、 31a、 38a。 其中, 2019年的隨機(jī)性概率為44.4%,不漏報(bào)置信水平為42%;2020年的隨機(jī)性概率為66.7%,不漏報(bào)置信水平為63.2%。
表2 川滇菱塊MS≥6.0地震部分可公度計(jì)算過程Table 2 The partial commensurability calculation process of earthquakes with MS≥6.0 in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
表3 川滇菱塊MS≥6.0地震可公度計(jì)算頻數(shù)Table 3 The commensurability calculation frequency of earthquakes with MS≥6.0 in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
為了更好地反映川滇菱塊地震序列的時(shí)間周期規(guī)律,構(gòu)建二維可公度結(jié)構(gòu)系(圖3),橫向主周期為5a、次周期為3a、7a;縱向主周期為6a、次周期為19a、16a,圖中2019年和2020年的地震信號(hào)較強(qiáng),進(jìn)一步反映了川滇菱塊的地震事件的時(shí)間周期規(guī)律。
川滇菱形塊體的地震序列同樣也符合郭增建提出的三性法分布規(guī)律,如1970年云南通海地震與1982年四川甘孜地震發(fā)生的時(shí)間間隔為12年,這與31年大周期的黃金分割短段的11.8年(T2)基本吻合,而1982年到2001年的云南永勝地震的時(shí)間間隔為19年(T1),正好是長段黃金分割,構(gòu)成了一個(gè)大的整周期T;同樣地,以T為整周期,1989年四川巴塘地震與2001年的地震時(shí)間間隔12年。以此規(guī)律外推,2020年正好處在整周期T的長段黃金分割點(diǎn)。
圖2 川滇菱塊MS≥6.0地震蝴蝶結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The butterfly structure map of earthquakes with MS≥6.0 in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
圖3 川滇菱塊MS≥6.0地震序列可公度結(jié)構(gòu)系Fig.3 The commensurability structure system of earthquakes with MS≥6.0 in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
川滇菱塊MS≥6.0地震震中位置經(jīng)度、緯度的遷移圖(圖4)表明,該地區(qū)MS≥6.0地震震中大致呈現(xiàn)出緯向上以29°N為對(duì)稱軸南北對(duì)稱分布,經(jīng)向上以101°E為對(duì)稱軸東西對(duì)稱分布,由于川滇菱形塊體位置范圍確定,按此規(guī)律推測下一次震中可能位于 26°N~29°N、 99°E~101°E 范圍附近。
圖4 川滇菱塊MS≥6.0地震震中經(jīng)向、緯向遷移趨勢Fig.4 The latitudinal and longitudinal migration tendency of earthquakes with MS≥6.0 in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
根據(jù)已有研究,川滇菱塊內(nèi)部包括全新世斷層、晚更新世斷層和早中更新世斷層[26],地震震中主要分布在全新世斷層上,包括鮮水河斷裂帶、甘孜—玉樹斷裂帶、紅河斷裂帶和麗江—小金河斷裂,少數(shù)分布在塊體內(nèi)部。對(duì)25次歷史地震震中空間位置進(jìn)行兩兩連線觀察分析其空間遷移特征,川滇菱塊MS≥6.0地震震中空間上呈現(xiàn)對(duì)稱規(guī)律,存在兩條對(duì)稱軸I、II和一個(gè)主對(duì)稱中心B,其主對(duì)稱軸I位置大致為川西北次級(jí)塊體的西北—東南向和滇中次級(jí)塊體的東南偏南向相連,與川西北和滇中塊體的壓應(yīng)力場的優(yōu)勢方向大體一致[27];次對(duì)稱軸II大致為金沙江斷裂中點(diǎn)和鮮水河斷裂中點(diǎn)相連接;主對(duì)稱中心B大致在麗江—小金河斷裂附近,為了更加清晰的反映川滇菱塊震中位置的分布及其空間對(duì)稱趨勢,繪制了川滇菱塊震中位置對(duì)稱結(jié)構(gòu)圖(圖5),川滇菱塊震中位置的空間對(duì)稱性較為明顯。
圖5 川滇菱塊MS≥6.0地震震中空間對(duì)稱結(jié)構(gòu)Fig.5 The spatial symmetry structure of earthquakes with MS≥6.0 in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
按其空間對(duì)稱性進(jìn)行推斷,若下一次預(yù)測地震沿主對(duì)稱軸I對(duì)稱則為金沙江斷裂;若沿主對(duì)稱中心B對(duì)稱則可能為麗江—小金河斷裂 (圖6)。
將25個(gè)地震序列3個(gè)為一組構(gòu)成空間三角形,共8組完整的三角形結(jié)構(gòu),觀察各組三角形空間旋轉(zhuǎn)及遷移特征(表4)。在空間遷移趨勢上大體呈現(xiàn)逆—順時(shí)針交替變化趨勢,依此交替規(guī)律,下一次地震應(yīng)進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);在第1次遷移中,東西方向上每三組為一序列呈現(xiàn)相同遷移方向,在南北方向上,也以三組為一序列呈現(xiàn)出南北對(duì)稱變化;按此遷移趨勢下一次的地震遷移為東—西、北—南的遷移特征。
將兩次遷移中方向上發(fā)生變化賦值為1,未發(fā)生變化賦值為 0, 圖中大致為(1,1)-(0,1) 的對(duì)稱交替變化規(guī)律,據(jù)此推斷下兩次的遷移變化為(0,1),即東西方向上遷移方向一致、南北方向上發(fā)生變化。按照此空間旋轉(zhuǎn)規(guī)律,下一次地震的大致位置在 26°N~29°N、99°E~101°E 附近, 與震中空間對(duì)稱遷移趨勢的空間范圍相一致。
圖6 川滇菱塊MS≥6.0地震震中空間對(duì)稱遷移趨勢Fig.6 The spatial symmetry migration tendency of earthquakes with MS≥6.0 in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
表4 川滇菱塊MS≥6.0地震震中三角形空間旋轉(zhuǎn)規(guī)律Table 4 The triangular spatial rotation regular of earthquakes with MS≥6.0 in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
根據(jù)已有研究,川滇菱塊地震震源破裂走向與邊界斷裂帶的空間分布、活動(dòng)性質(zhì)具有高度一致性[28],如1973年?duì)t霍7.6級(jí)地震的震源機(jī)制表明為左旋平推,這與鮮水河斷裂的左旋錯(cuò)動(dòng)相一致[20]。在現(xiàn)代應(yīng)力場作用下,小江斷裂和安寧河斷裂發(fā)生左旋錯(cuò)動(dòng),東側(cè)相對(duì)向北,西側(cè)相對(duì)向南;鮮水河斷裂帶也以左旋錯(cuò)動(dòng)為主,北東側(cè)相對(duì)向北西,南西側(cè)相對(duì)向南東;紅河斷裂的錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)以右旋為主,北東側(cè)向南東,南西側(cè)向北西;川滇菱塊總體上向南南東方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)[20],川滇菱塊未來地震的發(fā)生受其運(yùn)動(dòng)方向影響。
由于在長時(shí)期穩(wěn)定的構(gòu)造條件下,受到相同力源的作用,形成相對(duì)穩(wěn)定的能量積累釋放條件,因此地震活動(dòng)具有一定的周期性[29],研究表明地震活動(dòng)除內(nèi)因外還受到太陽黑子、地球自轉(zhuǎn)周期活動(dòng)的外因誘發(fā)[30-31]。
現(xiàn)有研究表明太陽活動(dòng)強(qiáng)度加強(qiáng)或減弱時(shí)都有可能誘發(fā)地震發(fā)生,針對(duì)我國不同區(qū)域地震發(fā)生與太陽活動(dòng)關(guān)系有大量的研究,雖然研究結(jié)論并不統(tǒng)一,但是都基于太陽活動(dòng)極值年與地震發(fā)生的相關(guān)性進(jìn)行研究[32]。
1951年以來川滇菱塊MS≥6.0地震發(fā)生與太陽活動(dòng)存在一定的相關(guān)性(圖7),具體表現(xiàn)為:①從極值年看,太陽黑子極值年及其前后一年易發(fā)生地震,共計(jì)發(fā)生次數(shù)13次,占地震事件的52%;②從太陽黑子活動(dòng)周期上看,單雙周期交匯處地震事件占48%。其中雙周向單周的地震次數(shù)為7次,占比28%;單周向雙周的地震次數(shù)占比20%。2020年正處在太陽黑子極小值附近及雙周期向單周期轉(zhuǎn)變的交匯期,地震發(fā)生的信號(hào)較強(qiáng)。
圖7 川滇菱塊MS≥6.0地震與太陽黑子數(shù)的關(guān)系Fig.7 The relationship between earthquakes with MS≥6.0 and sunspot number in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
陳學(xué)忠等人研究表明地球自轉(zhuǎn)速率變化與地震具有顯著的相關(guān)性,只是不同研究區(qū)域地球自轉(zhuǎn)速率變化對(duì)觸發(fā)地震的可能性存在差異[33-34]。從圖8中可以看出,1951年以來川滇菱塊MS≥6.0地震分別發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)加速期和減速期的比例為16:9,加速期地震次數(shù)占64%。地球自轉(zhuǎn)速度加速期地震發(fā)生的可能性較大。按此趨勢分析,2020年地球自轉(zhuǎn)速度仍處于加速期,地震趨勢判斷的信號(hào)較強(qiáng)。
圖8 川滇菱塊MS≥6.0地震與地球自轉(zhuǎn)日長的關(guān)系Fig.8 The relationship between earthquakes with MS≥6.0 and the earth rotation in the Sichuan-Yunnan Rhombic Block
運(yùn)用可公度理論對(duì)川滇菱塊MS≥6.0地震進(jìn)行時(shí)間趨勢判斷,并結(jié)合三性法驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上,通過蝴蝶圖、可公度結(jié)構(gòu)系等分析地震發(fā)生的時(shí)間周期性;在川滇菱塊構(gòu)造斷裂帶的基礎(chǔ)上分析6級(jí)以上地震震中遷移的空間對(duì)稱規(guī)律并做出趨勢判斷;最后結(jié)合太陽黑子數(shù)、地球自轉(zhuǎn)速度對(duì)其相關(guān)機(jī)理進(jìn)行探討。主要結(jié)論如下:
(1)通過三元、四元、五元可公度計(jì)算,下一次川滇菱塊MS≥6.0地震2020年信號(hào)最強(qiáng),隨機(jī)性概率為66.7%;其次為2019年,概率為44.4%。
(2)在時(shí)間周期上,川滇菱塊地區(qū)MS≥6.0地震序列存在較好的周期性,周期有31a、25a、19a、11a、6a。該地區(qū)地震發(fā)生規(guī)律和預(yù)測年份同樣符合三性法分布特征。
(3)在空間對(duì)稱上,川滇菱塊震中分布具有對(duì)稱性,震中存在沿對(duì)稱軸I、II和主對(duì)稱中心B對(duì)稱分布,據(jù)此推斷下一次該地區(qū)MS≥6.0地震可能發(fā)生在金沙江斷裂帶和麗江—小金河斷裂帶上。
(4)從機(jī)理上分析,川滇菱塊地震與太陽黑子、地球自轉(zhuǎn)速度具有相關(guān)性,地震主要發(fā)生在太陽黑子極值年附近、地球自轉(zhuǎn)的加速期。
本文對(duì)川滇菱塊MS≥6.0地震借助可公度法、蝴蝶圖、三性法等進(jìn)行時(shí)間預(yù)測和趨勢判斷,但未從其震源發(fā)震機(jī)制上進(jìn)行詳細(xì)分析,震源發(fā)震機(jī)制對(duì)地震的預(yù)測和研究也存在較大的價(jià)值;雖對(duì)川滇菱塊地震發(fā)生的三要素進(jìn)行預(yù)測,但預(yù)測精度還不能達(dá)到準(zhǔn)確的地震預(yù)報(bào)程度,這在以后的研究中亟待發(fā)展。