基于跨断层形变资料的地震预测效能回溯性分析——以鲜水河断裂带为例

时间：2024-08-31

马伶俐，洪敏，彭丽媛，李菲菲，郑兵，白云波

(四川省地震局测绘工程院，四川雅安 625000)

0 引言

我国自1966 年邢台地震后开始进行大规模地震预报的实践探索，逐渐形成了长-中-短-临渐进式科学预测思路[1-2]，在实践中获得了5 级以上破坏性地震发生前大量的前兆异常信息。通过对这些前兆资料的系统整理研究，分析总结出地震不同孕育阶段异常变化的时间、空间、强度和频度特征及其与未来地震三要素的关系，建立了经验性和统计性的判据指标和方法。目前比较认可和普遍采用的评价方法是许绍燮提出的R 值评分[3]，其后又经许多地震学者完善后[4-7]，已成为常规的地震预测效能评价方法。

鲜水河断裂带北起自甘孜县东谷区地卡苏，向南经过炉霍县、道孚县、康定一线，至石棉县安顺场一带逐渐减弱消失，全长约400km，总体走向320°～330°，呈略向北东凸出的弧形。根据前人研究，鲜水河断裂带划分为北西段、中段以及南东段三大段落，各段内断裂几何和内部结构又有差异，主要有7 个次级断裂，从北西至南东分别为炉霍、道孚、乾宁、康定-色拉哈、雅拉河、折多塘和磨西等段落[8-10]。

本文选取鲜水河断裂带为研究区域，基于《地震分析会商技术方法测试评估规范》，对破年变、趋势转折、速率类、阈值类、区域综合预测指标等5 个类型的数据分析方法进行试算分析后，总结出了适用于本地区的最优方法为阈值类-速率差分法和斜率差法，本文利用速率差分法对1990年1 月1 日至2018 年9 月30 日鲜水河断裂带的跨断层观测资料进行处理，进一步梳理剔除干扰信息后，结合该时段历史震例，根据R 值评分标准并采用速率差分方法对统计检验和模拟检验结果进行回溯性分析，对M≥6.0 地震的10 个样本分别按6 个月、 3 个月和2 个月窗长进行了多测项统计检验和模拟检验，同时对水平形变单测项按12 个月窗长进行预测效能分析。识别出跨断层原始观测曲线中出现的异常特征，进一步梳理历史类似异常出现的频率及这些异常与地震之间的对应关系。

1 区域场地概述及震例选取

1.1 区域场地概述

图1 为四川地区跨断层场地分布图，本文以鲜水河断裂带为研究对象，选取了该断裂带的10个跨断层场地33 个测项数据，对场马干扰信息进行剔除处理，其中垂直形变测项18 项、水平形变测项15 项，见表1。

表1 研究所用跨断层场地、测项一览表Tab.1 Cross-fault sites and surveying items used in this paper

以上33 个测项中所涉及的场地干扰信息已经进行了剔除处理。

1.2 震例选取

首先，以鲜水河断裂北段侏倭(100.30°E，31.65°N) 场地、岷江断裂川主寺(103.62°E，32.78°N)场地、则木河断裂汤家坪(102.76°E，27.01°N)场地为圆心，400km 范围为半径，做3个圆，以3 个圆东、南、西、北最远端来确定地震目录选取的经纬度范围，以96°～108°E，23°～37°N为范围，选取M≥5.5 级地震共49 个，地震目录和跨断层数据的起止时间为1990 年1 月1 日至2018 年9 月30 日。其次，按预测范围规则进行筛选:5.5 ～5.9 级(≤200km)，6.0 ～6.9 级(≤300km)，7.0 ～7.9 级(≤400km)，8.0 ～8.9(≤500km)。最终选取M≥5.5 地震共24 个。最后，本文选取的地震样本为鲜水河断裂带M≥6.0 地震，共10 个(表2)。

表2 研究区选取的地震样本Tab.2 The selected earthquakes in the research area

2 分析方法

2.1 统计检验

当设定某一时间序列的异常阈值后，超出该阈值的情况被视为异常，假设预报窗长为W，某一个异常出现的时间点T1，异常结束的时间点T2，那么，该异常进行预测占用的时间T=T2- T1＋W，当地震时间处于该时间段内，视为地震准确预测了，假设该时间序列共出现了n 次异常，任意异常的时间占用为Ti(i=1……n)，通过对所有异常与地震事件的对应情况进行扫描，准确预测的地震次数为m，地震发生的总次数为n，时间序列总的时间跨度为Ttotal则R 值评分可表示为:

2.2 模拟检验

首先选取最初的两个地震事件作为研究基础，进行回朔性检验，获得预测指标后，对第三个地震事件进行模拟检验，并根据检验结果调整每个测项的权重，合成最终的预测指标，得到指标后，进一步对第四个地震进行模拟检验，以此类推，以获得最终的模拟预测指标及效能评估结果。模拟检验最终的效能评估中所使用的时间占有率、虚报次数、漏报次数等需要每次模拟结果进行分段叠加。指标在同时通过统计检验和模拟检验后，判定有效。

2.3 速率差分

以任意时间为窗长，通过差分可获取不同尺度的活动速率异常，根据窗长选择的差异，可获取短期、中期、趋势速率异常。其中，以1 年为窗长的速率异常可有效去除年周期的影响，获得断层活动的中期异常。

以1 年为窗长，可以有效反映原始时序图中年活动量的大小差异，通过求取年速率，将原始观测曲线用于异常的自动判识与预报效能的评估。年速率异常能够很好地去除原始时间序列中周期项的影响，并直接反映出年速率的异常变化特征。

3 速率合成分析

采用速率差分方法，计算出不同观测曲线的差分时序，再对各个时序相加进行速率合成，反映某些测项或者某一区域断层活动的速率强度。由于鲜水河断裂带以左旋走滑活动为主，故对鲜水河断裂带分北段、中段、南段三段分别进行水平形变速率合成。

首先选取鲜水河北段(侏倭、格篓、虚墟、虾拉沱)场地水平形变跨断层测项进行水平速率合成，从合成结果(图2)可以看出:雅江6.0 级地震前，该段水平形变速率合成曲线在震前出现先减速后加速的活动特征，变化值略超出2 倍标准差范围，地震发生在加速峰值阶段；汶川8.0 级地震前水平形变速率合成曲线出现减速-加速-减速活动特征，变化值超出2 倍标准差范围，地震发生在减速阶段；芦山7.0 级地震前出现持续减速过程，超出2 倍标准差范围，且幅度为历年来最大。地震发生在减速变化谷值阶段，震后出现加速过程，进入震后调整阶段；九寨沟7.0 级地震前则出现加速-减速活动特征，地震发生在减速阶段。

图3 为鲜水河中段(沟普、龙灯坝)场地水平形变跨断层测项水平形变速率合成结果，可以看出:雅江6.0 级地震前，该段水平形变速率合成曲线在震前出现先减速-加速的活动特征，减速过程最小值超出2 倍标准差范围，地震发生在加速峰值阶段。芦山7.0 级地震前出现持续减速过程，但幅度不是特别显著，反而是震后调整阶段的加速活动特别显著，且震后调整幅度较大。

图4 为鲜水河南段(老乾宁、折多塘)场地水平形变跨断层测项水平形变速率合成结果，可以看出:2006—2007 年水平形变速率曲线出现大幅度的加速-减速变化，且加速变化峰值和减速变化谷值均超过2 倍标准差，2007 年下半年曲线出现变化基本停滞，之后发生了汶川8.0 级地震；在芦山7.0 级地震前则出现了显著的减速变化，地震发生在减速变化谷值阶段，震后出现大幅加速调整变化。九寨沟7.0 级地震前出现加速活动，地震发生在加速-减速转折过程中，震后减速调整。

从水平速率合成结果可以看出在多次地震前都会出现显著的速率增强或者速率减弱变化特征，在雅江6.0 级、芦山7.0 级和九寨沟7.0 级地震前均有不同程度变化，其中以芦山7.0 级地震变化最为显著。

4 预测效能评估分析

以鲜水河断裂带为研究对象，利用R 值评分方法指标通过速率差分策略对已有震例的预测效能进行评估，开展M≥6.0 级地震的多测项和单测项回溯性分析。

本文利用R 值评分方法指标通过速率差分策略对已有震例的预测效能进行评估，该指标的预测效能需要与地震事件结合后再进行评估，文中涉及的预测窗长是指异常结束后所延长的时间，异常结束和开始是以阈值线为标准。

图5、图6 分别为鲜水河断裂带M≥6.0 级地震6 个月预测窗长统计检验、模拟检验预测指标。统计检验结果显示共33 个测项，其中有效测项20 个，无效测项13 个。地震样本数10个，该指标准确预测次数为10 次，漏报数为0次，虚报11 次(指标出现而未发生地震)。 R 为0.61，R0为0.31，R＞R0，该预测指标通过了效能评价。模拟检验结果显示指标准确预测次数为6 次，漏报数为2 次，虚报5 次(指标出现而未发生地震)。 R 为0.52，R0为0.40，R＞R0，该预测指标通过了预测效能评价，但虚报次数较多。指标同时通过了统计检验和模拟检验，指标有效。

图7、图8 分别为鲜水河断裂带M≥6.0 级地震3 个月窗长统计检验、模拟检验预测指标。统计检验结果显示共33 个测项，其中有效测项13个，无效测项20 个。地震样本数10 个，该指标准确预测次数为9 次，漏报数为1 次，虚报13 次(指标出现而未发生地震)。 R 为0.57，R0为0.34，R＞R0，该预测指标通过了效能评价。模拟检验结果显示指标准确预测次数为4 次，漏报数为4 次，虚报10 次(指标出现而未发生地震)。 R 为0.26，R0为0.34，R＜R0，该预测指标未通过效能评价。指标仅通过了统计检验，未通过模拟检验，该指标无效。

图9、图10 分别为鲜水河断裂带M≥6.0 级地震2 个月窗长统计检验、模拟检验预测指标。统计检验结果显示共33 个测项，其中有效测项15 个，无效测项18 个。地震样本数10 个，该指标准确预测次数为9 次，漏报数为1 次，虚报14次(指标出现而未发生地震)。 R 为0.62，R0为0.34，R＞R0，该预测指标通过了效能评价。模拟检验结果显示指标准确预测次数为4 次，漏报数为4 次，虚报6 次(指标出现而未发生地震)。 R为0.36，R0为0.34，R＞R0，该预测指标通过了预测效能评价，但虚报次数较多。指标同时通过了统计检验和模拟检验，指标有效。

从鲜水河断裂带M≥6.0 级地震6 个月、3 个月、2 个月窗长的预测效能评估结果来看，3 个月窗长预测效能评估结果仅通过了统计检验，指标无效，而6 个月和2 月窗长预测效能评估结果分别同时通过了统计检验和模拟检验，指标有效。

从鲜水河断裂带M≥6.0 地震的统计检验和模拟检验结果可以看出，指标显示在芦山7.0级、鲁甸6.5 级、康定6.3 级、九寨沟7.0 级地震前出现了超出正常阈值范围的高频信息，且幅度较大，同时在这些地震前跨断层原始数据观测曲线也出现了多场地不同程度的异常信号[1-14]，这些信息对强震的发生在时间上有一定的指示意义。

对多测项的预测效能分析，经过R 值评分的统计检验后，再首先选取最初的两个地震事件作为研究基础，进行回朔性检验，获得预测指标后，对第三个地震事件进行模拟检验，并根据检验结果调整每个测项的权重，合成最终的预测指标，以此类推，以获得最终的模拟预测指标及效能评估结果，即最终获得由效能分析中所使用的时间占有率、虚报次数、漏报次数等每个震例的模拟结果进行分段叠加后所得的最终模拟检验结果，认为有效。从目前已有的M≥6.0 震例来看[15]，该预测指标对地震发生的时间具有较好的预测能力，该异常指标出现明显异常，且异常结束后的未来6 个月内和2 个月内发生6.0 级以上地震的概率较高。