地震预测是世界性科学难题,目前仍然处于经验性预测阶段。目前的地震预测方法较多,给出的异常项目种类繁多,其中地震活动性异常和数字地震计算的介质变化异常有三四十项,重力形变、电磁和地下流体预测方法和异常项目也有几十项,这些方法总体来说在地震预测上能发挥一定作用,但预测效能不高。因此综合预测可能是未来地震预测的重要途径,已有很多学者对地震综合预测工作进行了探讨,陈立德(1993)对异常进行加权,设定阀值来综合判断地震危险性;韩渭宾等(1997)采用神经网络法进行指标化综合预测;李平等(2000)对测震学指标进行筛选,采用SQIP法对大华北震例进行了综合预测的研究;陈章立等(2008)就浅源地震的物理实质提出优化监测台网,根据不同观测物理量给出异常的综合判定。这些研究都给出了一些综合预测方法和指标,但这些预测指标往往是异常数量的简单统计、加权或者异常时空分布特征。
本文提出一种新的综合预测思路:以虚报率较低的短期异常作为“引信”,在出现1个或数个“引信”短期异常后,再对地震可能发生的地点和震级进行综合判定,该思路的优点是综合预测意见的虚报率低,因为“引信”异常决定了综合预测意见本身具有较高的发震概率。在该思路的指导下,我们在2012年7月20日高邮-宝应4.9级地震和2016年10月20日江苏射阳县4.4级地震震前做出了比较有效的短期预测。
1 短期综合预测思路一般来说,孕震区及其附近地区总是存在一定数量的不同性质的前兆异常,本文给出的短期综合预测思路如下:
(1) 寻找一些可靠的短临异常,这些异常可以理解为短期预测的“引信”,该异常一旦出现,则未来3个月发生地震的可能性很大,其信度高达0.7以上。这样的短临异常不在于多,预测的震级和空间范围可以较大,但要求该异常的人为因素要少、虚报率低。
(2)“引信”异常出现后,先对可能的发震地点进行梳理。一般依据对地点预测较好的方法(如条带、空区、重力、岩石圈磁异常、地磁谐波振幅比等)判定当前可能发生地震的地点,并排除那些发生地震可能性小的地区。
(3) 对可能的发震震级进行预测。分析当前异常对应的总体震级,根据可能的总体震级,对严重不符合总体震级的异常可以进行排除。
2 高邮-宝应4.9级地震震前跟踪 2.1 “引信”短期异常2012年6月底左右,宿迁苏05井水温出现改变原变化趋势的下降异常,下降幅度为0.003℃左右(图 1),虽然下降幅度非常小,但该井自观测以来,水温仪器性能稳定,采样率较高,故障率较低,资料连续可靠,类似异常幅度多次对应了周边400km范围内4≤ML≤5地震,对应率达到11/13,且异常出现时间一般在震前几天至3个月内,大部分在2个月以内(徐桂明等,2010)。同时,盐纺台钙离子、氯离子2012年7月初开始出现同步高值异常,该异常一般对应周围300km范围内4≤ML≤5地震,对应率分别达到8/11和7/9,因此当前的同步高值异常信度也很高(图 2)。这3项流体异常的同步出现具有非常重要的预测意义,满足了短期综合预测思路的第一要素,可以被认为是做出短期预测的“引信”异常。
对于地点的判定,主要依据从2011年2月开始在苏中一带逐步形成的4个小震条带。这4个条带分别为:2011年2~10月在长江口至洪泽湖一带逐渐形成的NW向的ML≥2.0地震带状分布(图 3)、2012年1月以来在启东以东海域至金湖附近地区逐渐形成的NW向ML≥2.0地震条带、2012年1月以来在沿洪泽-沟墩断裂形成的NE向的ML≥2.0地震条带、2012年4月以来短期内形成的沿茅山断裂带及向北延伸的NNE向ML≥1.5带状分布(图 4),4个条带集中交汇在高邮附近地区,该地区很有可能是未来发震区域。
苏05井水温异常对应历史震例震级为4≤ML≤5,盐纺台钙离子、氯离子高值异常对应历史震例震级为4≤ML≤5,ML≥2.0条带和ML≥1.5条带对应的震级为4级左右,因此综合判断未来地震的震级为4≤M≤5。
2.4 综合分析通过以上分析,我们在7月18~19日基本判定短期内高邮及附近地区发生4≤M≤5地震的可能性较大,实际情况是7月20日20时11分发生了高邮-宝应4.9级地震,发震地点和震级基本符合预测意见。地震发生后,对该地震的综合预测进行了反思,并进一步总结了震前未能及时发现的一些前兆异常,包括溧阳苏22井水温下降异常(图 6)、高邮台的地磁谐波振幅比异常(蒋延林等,2016)、江苏水位从2010年4~5月左右开始出现的群体性趋势变化(王维等,2016)、常熟台VS垂直摆急剧北倾及固体潮形态出现突变等,这些手段或方法在预测三要素中都有一定的作用。图 5为高邮-宝应地震的异常总体分布图,从图 5可以看出,信度较高的“引信”异常只有1项,但却是预测结果的关键因素,条带的交汇使得地点预测比较明确,震后的总结和反思也对高邮-宝应地震的发生有了进一步的理解,同时对2016年10月20日射阳4.4级地震前的判定和短临预测起了重要作用。
2016年10月20日江苏盐城射阳县洪泽-沟墩断裂带附近(33.7°N,120.3°E)发生4.4级地震,附近地区有明显震感。本次地震发生在江苏省2017年度趋势会商圈定的5级地震危险区内(2016年10月19日全省会商会),震前3个月内江苏省地震预报研究中心做了很好的震情跟踪。
3.1 “引信”短期异常射阳地震震前可靠的短临异常比较多,主要有盐纺钙离子、氯离子高值异常及苏05井水温的下降异常、苏22井水温下降恢复中、常熟台VS垂直摆NS向的加速北倾、10月9~15日射阳ML3.5震群震级升高趋势、江苏北部沿海ML2.5地震空区被打破。这些短临异常都比较可靠,历史地震对应率高,因此判断短期发生中等地震的可能性非常大。下面详细介绍各异常。
2016年4月20日苏05井水温开始出现下降变化,到2016年8月27日达到最低值,累计下降幅度为0.002℃,之后一直在低值波动(图 1)。2016年4月29日、9月19日盐纺氯离子、钙离子分别出现下降转上升变化,最大上升幅度分别为2.631、0.539mg/L,尤其是氯离子创了历史新高(图 2)。苏05井水温下降异常和盐纺台钙离子、氯离子高值异常的可靠性前面已做了详细介绍,因此这些变化有非常重要的短临预测意义。
图 6为苏22井水温五日均值曲线, 图 6 显示,水温下降幅度超过0.005℃后,周围300km范围内容易发生4≤ML≤5的地震,并且地震一般发生在水温开始恢复的3个月之内,对应率6/7。2016年2月水温出现新的下降变化,最大下降幅度达到0.013℃,7月11日开始恢复,因此判断未来3个月左右周围300km范围内存在发生4≤ML≤5地震的可能(缪阿丽等,2014)。
图 7、8为常熟台VS垂直摆NS向的分钟值曲线,图 7中显示的是2008年6月18日降雨期间出现正常的南倾变化(下降),而从图 8可以看出2016年10月10日降雨期间反而出现了加速的北倾变化(上升),且北倾速率大于5倍背景速率,该异常现象曾多次出现,并且异常出现后2个月内常熟台N向或EN向300km范围内均有4≤ML≤5地震对应(图 9),对应率为5/7,考虑到本次异常幅度较大,因此判断未来2个月内常熟台N向或EN向存在发生5级左右地震的可能。
有2个地震重叠,实为5个地震 |
图 10为2014年3月24日以来在江苏北部沿海形成的ML≥2.5地震空区,该空区被2016年10月9日射阳ML2.6地震打破,空区打破后,空区内部小震活跃,至2016年10月15日发生射阳ML3.5地震,震级逐渐升高。空区被打破一般为短期异常,该地区1987年射阳5.1级地震前也曾出现过ML≥2.5地震空区,因此,该ML≥2.5地震空区被打破现象可视为“引信”短期异常,该地区地震危险性在增加。
2015年8月6日以来形成的南黄海至河南范县NW向ML≥3.0地震条带(图 11)和2016年1月13日以来形成的安徽怀宁至南黄海NE向ML≥2.5地震条带(图 12)交汇于南黄海海域;由盐城台地磁计算的谐波振幅比,自2015年以来出现了不同周期的趋势性负相关变化(图 13),显示盐城附近地区不同层位的深部电阻率发生了变化,该异常现象在高邮-宝应地震前的高邮台也出现过(蒋延林等,2016)。综合分析盐城以东海域附近地区是当前空区、条带交汇、常熟垂直摆异常、地磁谐波振幅比异常指示的预测区域,该区域也是江苏省2016年度5级地震危险区,因此判断盐城以东海域是未来发震的主体地区。
左侧为NS向,右侧为EW向 |
苏05井水温异常对应历史震例震级为4≤ML≤5,盐纺台钙、氯离子高值异常对应历史震例震级为4≤ML≤5,苏22井水温下降异常对应历史震例震级为4≤ML≤5,江苏北部沿海形成的ML≥2.5地震空区对应历史震例震级为5.0级左右,ML≥3.0地震条带和ML≥2.5地震条带交汇对应历史震例震级为5.0级左右,地磁谐波振幅比异常对应历史震例震级为5.0级左右。考虑到地磁谐波振幅比异常对应5.0级左右地震比较可靠,因此综合判断未来地震的震级为5.0级左右。
3.4 综合分析在日常跟踪分析中,我们在2016年8、9和10月的月会商意见中给出了短期预测结论:未来1个月盐城以东海域附近地区存在发生5.0级左右地震的可能,10月9日射阳发生ML2.6地震,该地震打破ML≥2.5地震空区,震后我们判断该地震原震中区及附近地区有发生强有感地震可能,实际情况是10月20日发生了射阳4.4级地震,发震地点基本位于预测区,实际震级比预测意见略低,但地震确实发生了,没有虚报,是一次较成功的短期综合预测。图 14为射阳地震异常总体分布。总体来说,如图 14所示,射阳4.4级地震前异常略多,尤其是短临异常较突出,信度较高的多项短临异常是本次地震短期预测较成功的关键因素,另外,在发震地点的预测上也比较明确,不存在争议地点,而震级预测偏高的原因是在预测中基本选择了最高震级,实际上给出4≤ML≤5是比较合理的。
炮弹的引信一旦点火,炮弹基本会爆炸的,除非是哑弹,实际中哑弹很少。如何提高综合预测的成功率,减少地震综合预测意见的虚报,降低地震综合预测意见的“哑弹”,预测信度高的异常至关重要,我们将预测信度高的异常形象化地称为“引信”异常,强调的是要重视预测信度高的异常在综合预测中的作用和地位。一次综合预测可能要面对几十个异常判据,但综合预测依据中“引信”异常的多少及其预测信度的高低决定了这次综合预测的成功与否。本文给出的短期综合预测思路经过了2次地震综合短期预测实践,有一定的借鉴之处,对指导今后震情跟踪工作有实际意义。
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