日本近年来关于地震预测研究的科学计划和科学理念

尽管日本国土面积只占世界陆地的1%,但发生的地震却占全球地震总数的10%左右。尤其是致灾型大地震的发生率很高。为应对这一问题,日本政府自1965年开始推进地震预测研究计划,并经历了多个阶段的计划和修订。近年来,随着信息科学领域的快速发展,日本政府将信息科学引入到了地震科学研究,开展了《利用信息科学的地震研究》计划,旨在促进面向新地震预测科学的创新性研究。目前,日本地震调查本部对地震预测的总体观点“一定程度上可预测板间地震的发生时间,但现有研究仍无法预测未来地震,当前工作的重点是预测未来地震的震动规模”。地震预测的科学研究理念正从原先的“灾害发生的预测”向“灾害发展过程的预测”转变。

余震的序列参数稳定性和余震短期发生率预测效能的连续评估——以2014年云南鲁甸6.5级地震为例

为考察目前国际上广泛使用、对真实地震序列描述最好的＂传染型余震序列模型＂（ETAS）在主震后的序列参数拟合、余震短期发生率预测的效能,本研究以2014年云南鲁甸MS6.5地震序列为例,采用滑动连续拟合与预测的方式,考察了ETAS模型参数的动态变化和余震短期发生率预测的实际效能.连续滑动拟合结果表明,在主震发生后的早期阶段,α值有明显的不稳定变化,在震后5.10天稳定在1.6~2.0;p值在震后25.00天内由1.07逐渐下降至0.78左右,其后稳定在0.72~0.85;b值在震后35.00天内逐渐由0.80增加至0.95,其后稳定在0.93~0.97.对连续滑动预测结果的N-test检验表明,余震发生率预测会出现部分失效现象,1天预测时间窗失效比例约为12%、3天预测时间窗失效比例为6%.建议可在震后早期采用1天的较短预测时间窗,而在序列参数较为稳定时段采用较长的3天预测时间窗.

地震序列早期参数估计和余震概率预测中截止震级M_c的影响:以2013年甘肃岷县—漳县6.6级地震为例

针对"时空传染型余震序列"(英文简称ETAS)模型在地震序列参数的早期特征和余震短期概率预测研究中的应用问题,重点考察了不同截止震级Mc选取对结果的影响.以甘肃岷县—漳县6.6级地震序列的震后1.677天内的早期阶段为例,考察了ETAS模型和修正的Omori-Utsu公式的适用性问题,发现ETAS模型AIC值在各截止震级Mc下均小于修正的Omori-Utsu公式的结果,表明其适用效果更好.设定Mc=ML1.0,1.1,…,2.5,分别考察了ETAS模型中α值和p值的稳定性,并与2013年芦山7.0级地震序列进行了对比.结果表明,Mc对α值的影响相对较小,p值影响较大.此外,对基于ETAS模型和"瘦化算法"的余震短期概率预测结果进行了N-test检验,结果表明Mc的设定对余震短期概率预测影响较大,对甘肃岷县—漳县6.6级地震,仅当Mc=ML1.0或ML1.1时可获得较好的预测结果.由此,在真正的"向前"的预测实践中,需要首先考察不同的Mc下的余震预测效果.

利用PMC方法评估地震台阵的地震检测能力——以西昌流动地震台阵为例

为实现对高密度、宽频带流动地震台阵地震检测能力的实时、不同深度评估,本研究采用"基于概率的完整性震级"(PMC)方法,以西昌流动地震台阵为例,对2013-01-13—2014-05-14期间平均的地震检测能力、不同震源深度检测能力,以及某一时刻的实时地震检测能力进行了评估.结果表明,PMC方法可识别地震观测资料处理中人为因素对地震检测能力的影响,不同震源深度下地震的检测能力存在差异,其中H=7.5km时,"网内"的完整性震级MP可达ML0.8,而在H=15.0km和25.0km时,"网内"的MP分别为ML1.0和ML1.4.在示例的2014-01-14时刻,非正常运行的台站造成地震检测能力的变化可被清晰识别出.此外,与MAXC和EMR等其它常用方法的对比表明,这些方法可能过高估计了地震台阵的检测能力.

首都圈地区“重复地震”及其在区域地震台网定位精度评价中的应用

根据Schaff和Richards[1]对"重复地震"的定义,利用波形相关识别出首都圈地区2002～2006年发生的"重复地震事件".对宽频带/甚宽带和短周期记录,分别采用0.5～5.0Hz、1.0～5.0Hz带通滤波,识别出859例"重复地震"事件,占总数约24%.假定"重复地震对"间的距离小于1km,地震台网测得的两个地震之间的距离系台网定位误差所致,而相应的震相走时差为人工拾取误差,给出了首都圈数字地震台网的定位精度估计.结果显示观测条件较好的首都圈东北部地区平均定位精度约为5km;西南部地区约为13km,是观测条件有待改善地区.

PI算法用于川滇-安达曼-苏门答腊地区7.0级以上强震危险性预测的回溯性检验

作为一个中长期地震预测方法,基于复杂系统统计物理的图象信息学PI算法近年来广受关注.针对7级以上强震成组和突发交替的川滇地区,考虑将与其构造和地震活动关系密切,且强震频发的安达曼-苏门答腊地区作为统一的强震预测研究区,使用PI算法进行MW7.0及以上预测"目标震级"的地震危险性分析.计算中使用了1973年以来的NEIC目录,采用10年尺度的地震活动"异常学习"时段和3年尺度"预测时间窗",对预测效果进行了ROC检验.回溯性研究显示,PI算法预测效果较好,表明将川滇-安达曼-苏门答腊地区作为统一的7级以上强震PI算法预测研究区在统计上具有合理性.从统计物理角度,研究区组合前后的各态遍历性曲线显示,组合后的研究区对PI算法的适用程度虽不优于单独考虑川滇地区,但优于安达曼-苏门答腊地区.PI预测图象显示,2008年汶川地震前可能存在中长期尺度的"前兆性"地震活动异常.

中长期地震危险性概率预测中的统计检验方法Ⅰ:Molchan图表法

对中长期地震危险性概率预测结果的统计检验是地震预测预报的重要研究内容,采用通用的统计检验方法是促进地震预测理论、模型"无障碍"交流和发展的必要条件。本文通过对青藏高原东北缘地区PI算法和RI算法回溯性预测结果统计检验的实例,介绍了如何运用CSEP计划中已常规采用的Molchan图表法进行地震概率预测统计检验和分析,并分别考虑了网格权重和地震活动权重两种算法计算"时空占有率"的情况。结果表明,Molchan图表法可通过显著性水平α和概率增益Gain有效地评价概率预测模型的预测能力。此外,对于同样的预测结果,在考察不同的预测策略时得到的统计检验结果也可能不同。其中地震活动权重相对网格权重采用更为严格的统计检验。

利用早期余震预测的Omi-R-J方法对2017年四川九寨沟M_S7.0地震的应用研究

在地震序列的早期阶段获得科学可靠的余震预测结果,始终是地震预测研究的前沿课题.针对新近发展的Omi-R-J方法的适用性问题,以及相比于传统的Reseanberg-Jones(R-J)模型在地震序列参数拟合、余震预测效能上的差异等问题,本文以2017年四川九寨沟M_S7.0地震序列为例,利用多时间窗的连续滑动拟合、预测和检验,以及通过构建重采样随机地震序列目录的系统检验等方式,开展了应用研究和比较研究.结果表明:相比于R-J模型,Omi-R-J方法可在余震记录较不完整的地震序列早期阶段获得稳定、可靠的序列参数,p值、c值和b值的标准差相比于R-J模型参数明显减小.N-test方法检验结果表明,在R-J模型等传统方法无法获得预测结果的地震序列早期阶段,Omi-R-J方法预测结果可以较高的比例通过N-test检验,在后续时段的预测效果也明显优于R-J模型.利用随机地震序列目录的测试结果表明,余震记录完整性下降对Omi-R-J方法预测结果的影响相对较小,在全部时段的完整性下降的影响高于在部分时段的完整性下降.上述结果对进一步地将Omi-R-J方法应用在震后早期余震预测中具有一定科学借鉴意义.

2013年芦山M_S7.0地震序列参数的早期特征:传染型余震序列模型计算结果

为考察2013年4月20日芦山MS7.0地震震后序列参数的早期特征,利用"传染型余震序列"(ETAS)模型和最大似然法进行了参数估计.设定截止震级Mc=ML2.0,拟合时段为震后0.31—24.12天,计算获得α=1.89,p=1.22,同时利用最大似然法估计获得b=0.72.与中国大陆地区其它中强震的余震序列参数的比较表明,芦山MS7.0地震序列参数表现为触发次级余震的能力较弱和序列衰减速率较快的特征,反映出余震区相对较高的应力水平.为检测结果的稳定性,设定不同的截止震级Mc以及不同的拟合截止时间,分别进行参数拟合和参数标准差估计.结果表明,Mc的选取对α值影响明显,对p值影响则较小.此外,震后10天内获得的参数拟合结果随时间变化较为明显,而其后各参数变化总体较为平稳.

2010年玉树M_S7.1地震前的中长期加速矩释放(AMR)问题

2010年4月14日青海玉树Ms7.1地震前的加速矩释放(AMR)现象的研究,对理解这次地震的孕震过程、对于时间相依的地震危险性分析(或中长期地震预测)具有重要意义.鉴于以往AMR研究中的争论,本文不刻意选取AMR分析的时空尺度,而是在已知发震时刻和震中位置情况下,对T-R-M。三维空间中矩释放指数m值的分布进行分析,结果表明玉树Ms7.1地震前在时间尺度T=10～20y和空间尺度R=50～120 km范围内,存在较稳定的AMR,但AMR的时、空尺度与以往研究中得到的AMR定标率不吻合.在多时间尺度下,无法在空间上惟一地识别玉树M_S7.1地震震中附近的AMR"热点".但如借鉴"迁移图像"的做法考察AMR"热点"的演化,则可见震前似存在AMR逐渐向震中附近"迁移"的现象.

新疆于田地区2008年以来3个地震序列的参数早期特征

考察新疆于田地区2008年以来发生的2008年3月21日MS7.3、2012年8月12日MS6.3和2014年2月12日MS7.3等3个地震序列的参数早期特征,利用"时空传染型余震序列"(ETAS)模型进行了参数估计.统一选用截止震级Mc=ML3.0,并使用最大似然法分别估算了这3个序列不同持续时间的α、p和b等参数.研究结果表明,3个地震序列的参数差异明显,其中:2014年MS7.3地震序列α值与2012年MS6.3地震序列接近,但高于2008年MS7.3地震序列;2014年MS7.3地震序列p值较低,表明当前序列衰减缓慢;2012年MS6.3地震序列b值最大,2014年MS7.3地震序列次之,2008年MS7.3地震序列最小.此外,2008年MS7.3地震序列参数在震后20天内变化较为显著,而2014年MS7.3地震序列的α值和p值在震后3.5天内则相对稳定.

中强震前地震活动矩释放加速现象(AMR)的普遍性问题

地震前的矩释放加速现象 (AMR)作为一种预测中强震发生的方法 ,近年来得到普遍关注 ,所以有必要对这一现象的普遍性进行讨论。我们考虑 1978年以来中国大陆MS5 7以上地震的情况 ,用贝尼奥夫应变作为地震矩释放的量度。采用规则的空间区域和统一的时间尺度 ,通过直接判断和对曲线进行非线性拟合 ,最终确定矩释放的加速或减速特征。所考虑的1978年以来MS5 7以上主震事件共 10 9例 ,其中具有加速特征的 5 5例 ,具有减速特征的 2 3例 ,因数据不足而无法判断加减速特征的 9例 ,加减速特征不稳定的 2 2例。

强震前的“加速矩释放”(AMR)现象:对一个有争议的地震前兆的回溯性震例研究

近年来,国际上对于强震前的加速矩释放(AMR)现象是否可作为一种可靠的、带有普遍性的地震前兆现象争议较大.本文以2008年3月21日新疆于田 M_s 7.3地震为例,试图从前兆存在的客观性和与地震发生的物理相关性两方面考察本次地震前的 AMR 现象.用"破裂时间分析"方程中的幂指数 m 作为描述震前加速矩释放"程度"的参量,在时间-空间-地震序列截止震级组成的三维参数空间(T,R,M_c)内考察 AMR 现象存存的客观性.考虑了多种因素对 m(T,R,M_c)分布图像可能的影响,其中,余震是否删除和 M_c 对计算影响不大,但 M_L 6.0以上"干扰"事件的影响则较大.结果表明,于田地震前的确存在 AMR 现象,但得到的 m(T,R,M_c)分布图像较为复杂,可观测到两个明显的 AMR 集中分布区.此外,在以实际震中为圆心的多个圆形区域内,使用固定时间窗向实际发震时刻滑动逼近,可观测到 m 值逐渐减小,即加速特征逐渐明显的过程.对震前矩释放程度 m 值的时-空扫描结果显示,出现 AMR 现象的空间区域与震中位置似有较好的对应,但其时-空演化图像与滑动时-空窗的选取有关.这表明,本次 M_s 7.3地震前的确存在 AMR 现象,并与其孕震过程在物理上相关.但本文仅是一个震例的研究,无法给出具有统计显著性的结论。此外,用 AMR 来约束地震发生的时间看来是困难的.

亚洲地区Benioff应变释放和强震活动的周期性特征研究

为研究亚洲地区强震Benioff应变释放和周期性活动特征,本研究采用了1900—1999年的IASPEI百年目录和2000—2008年的全球CMT目录组成的混合目录,分别考察了亚洲地区1900—2008年MW6.9以上强震的Benioff应变释放时间演化、深浅源地震的累积Benioff应变线性偏离和MW8.0以上强震周期性活动的Rydelek-Sacks检验三方面内容。结果表明,Benioff应变释放整体上大致存在30年左右的强弱起伏;深、浅源地震的累积Benioff应变线性偏离具有不同的周期性活动,其中深源地震约为40年左右,浅源地震具有更长的活动周期;MW8.0以上强震的发生存在33±2年的周期性活动。作为结果的外推,亚洲地区未来10年的强震活动正处于以1990—2020年为活动周期的后三分之一阶段,应变释放水平相对2000—2010年较低,可能与1990—2000年的水平相当。

地震的“序列归属”问题与ETAS模型——以唐山序列为例

历史上发生过强震地区的余震活动可能持续较长时间,而余震序列在何时可被看作正常的"背景地震活动",即"序列归属"问题在地球动力学和地震物理中有重要意义.时-空"传染型余震序列"(ETAS)模型可分离"背景"地震和"丛集"地震,并用概率形式表示作为相应事件的可能性,为考察此问题提供了可能.本文以1976年唐山MS7.8地震序列为例,对唐山地区1970年以来的ML4.0以上地震进行了时-空ETAS模型拟合,并以2010年以来发生的3次MS4.0以上地震为例讨论了它们的"序列归属"问题.研究结果显示,3次MS4.0以上地震的背景地震概率分别为0.72、0.88和0.76,表明它们作为1976年唐山MS7.8的余震的可能性较低,更可能为背景地震.

两种短期概率预测模型在2017年九寨沟7.0级地震中的应用和比较研究

本文选用"传染型余震序列"(ETAS)模型和Reasenberg-Jones(R-J)模型,分别对九寨沟M_s7.0地震序列的模型参数稳定性、余震发生率预测和余震概率预测进行了比较研究,并利用"地震信息增益"(IGPE)、N-test和Ttest检验方法对预测效果进行了评价.研究结果表明,ETAS模型和R-J模型的序列参数分别在震后t_2=2.0天和t_2=1.50天后趋于稳定,此次九寨沟M_s7.0地震序列的衰减较为正常;对未来1天的余震发生率预测和余震概率连续滑动预测表明,ETAS模型给出的余震发生率和余震概率数值均低于R-J模型预测结果;IGPE结果显示,ETAS模型在95%的置信区间上预测效果明显优于R-J模型;统计检验结果表明,在序列参数较不稳定的震后早期阶段,ETAS模型预测失效而R-J模型预测效果较好,在序列参数稳定阶段,ETAS模型预测效果较好而R-J模型预测失效.根据上述分析,在与此次九寨沟M_s7.0地震类型相同的地震的余震预测策略上,如可在序列参数不稳定的震后早期阶段使用R-J模型、在此后使用ETAS模型,或可取得较好的预测效果.

由“重复地震”给出的中国地震台网的定位精度估计

用Schaff和Richards(2004)给出的中国及邻区“重复地震对”的结果,即假定“重复地震对”之间的距离小于1km,而地震台网测得的两个地震之间的距离X是地震台网定位误差的结果,评估了中国地震台网的定位精度及其区域分布。结果显示中国台网的定位误差平均为10km的数量级。X值的空间分布显示青藏高原、新疆西部和北部、内蒙东部等地区是定位精度需要改善的地区。

国家地震烈度速报与预警工程——测震台网的机遇与挑战

我国已启动的"国家地震烈度速报与预警工程",将建设世界上规模最大、总数超过10000个台站的地震烈度速报与预警观测网络,这将显著提升国家防震减灾的服务能力和水平。对建设中的国家烈预工程与现有地震监测台网的发展关系进行科学的分析,具有重要的现实意义。研究表明,国家烈预工程将在地球科学研究、地震速报与地震应急处置、地震预测预报等方面为现有地震监测台网带来难得的发展机遇。国家烈预工程建设中已显现出一些新的问题,包括系统运行的稳定性与可靠性、烈度仪数据的可用性、观测数据的综合利用、以及跨学科数据共享服务等。此外,为做好国家烈预工程建成后的运行和服务工作,需要从地震观测学科角度开展大型观测台网的运行模式研究,以进一步优化测震台站布局;同时,需要开展地震预警关键技术和检测系统等实用化研究工作。

2004年12月26日印尼北苏门答腊以西近海M_W9.0地震与地震的类临界点模型

使用哈佛CMT资料,研究了2004年12月26日印尼北苏门答腊以西近海MW9.0地震前的长期地震活动.这次地震前,在1/4世纪的时间尺度、1500km的空间尺度上,存在加速矩释放(AMR)现象.在这一空间尺度范围内,MW9.0地震仍落在分段的幂律分布上.因此,从地震的类临界点模型的角度考虑,对这次特大地震的发生和地震的大小既无预测、亦无预报的情况,并非由物理上的“不可预测性”所致.

基于时-空ETAS模型给出的川滇地区背景地震活动和强震潜在危险区

利用基于时-空传染型余震序列(Epidemic Type Aftershock Sequence,简称ETAS)模型的随机除丛法,重新审视了2008年5月12日汶川M_S8.0地震前可能存在的长期地震活动异常,研究了川滇地区背景地震活动特征,并评估了当前的强震危险状态.对川滇地区1 970年以来的M_L3.0以上的背景地震和丛集地震活动的研究结果表明,该地区地震丛集特征明显、时空分布很不均匀、地震序列常有前震事件.直接将概率值作为地震计数的权重,对地震丛集率空间分布图像分析表明,汶川M_S8.0地震前,龙门山断裂带中南段存在着长期、大范围的地震丛集率低值区,震前该段处于应力闭锁状态.对川滇地区地震从集率低值区内背景地震与全部地震的累积次数、b值和新定义的Δb等统计参量的分析表明,龙日坝与龙门山断裂带具有地震活动的关联性,川滇地区当前的强震潜在危险区可能是巧家地区和汶川M_S8.0地震破裂尚未穿越的龙门山断裂带南段.此外,还发现b值倾向于反映局部应力场变化,而△b能较为敏感地给出更大范围应力场的相对变化.