基于地震活动图像的机器学习地震预测方法及其在华北地区的应用

本文开展了基于地震活动图像预测华北地区地震的机器学习方法研究。根据华北地区M≥5.0中强震、强震及大震的地震平均时间间隔,采用1970年以来华北地区M≥5.0中强震、强震及大震震前大量不同时窗长的M_(L)≥3.0地震活动图像作为输入数据集,提出了基于地震活动图像预测地震的机器学习方法,并进行了震例回溯。利用本文提出的方法选取“未拓展图像数据集”和“含拓展图像数据集”对华北地区发生中强地震进行预测对比,结果显示,数据集样本量的增加有利于提高地震预测模型的精度,其中“含拓展图像数据集”预测地震的准确率可达77%;对于华北地区无震区、少震区的M≥5.0地震,可采用非1年窗长的较大时间间隔(3年、7年以上)的M_(L)≥3.0地震活动图像验证。

基于PI方法的华北2019年以来3次M_(S)≥5.0地震回溯性预测研究

本文应用图像信息(PI)方法对2023年山东平原M_(S)5.5地震、2021年江苏大丰海域M_(S)5.0地震和2020年河北古冶M_(S)5.1地震进行了回溯性预测研究。以华北局部(32°N~42°N,114°E~122°E)为研究区域,在网格尺度分别为0.5°×0.5°和1.0°×1.0°且预测窗长为5 a的两组参数模型下,获取2019—2027年逐年滑动的预测窗热点演化图像。结果显示,当网格尺度为1.0°×1.0°时,PI热点效果优于0.5°×0.5°网格,且对平原地震和大丰海域地震的发震位置指示作用较好。当时间窗长和归一化阈值绝对值同时增大,个别窗口存在古冶地震的有效热点,但未找到热点能同时覆盖3个地震震中所在网格的参数模型。不同参数模型下的PI热点显示,未来3~4 a郯庐断裂带渤海段存在发生M_(S)≥5.0地震的风险。本文研究结果对于华北局部地区M_(S)≥5.0地震危险性分析具有一定的参考意义。

三维地质建模为地震数值预测带来的机遇

地震预测预报亟需从经验性预测向数值预测转变,但是建模难的问题制约了地震数值预测的发展和行业应用。三维地质建模技术的发展及其在地震行业的应用,为地震数值预测带来了解决模型问题的机遇。文中从地震数值预测的概念、发展历程和现状入手,简述了地震数值预测目前存在的难点。随后简述了三维地质建模技术的发展和在地震行业的应用,以及国内外三维公共断层模型的构建和应用情况。结合以上2部分内容,对如何利用三维地质建模技术解决地震数值预测中的难点问题进行了展望,包括多源多精度异构数据的联合建模、地质模型-属性模型-数值模型一体化建模、平直断层结构建模、三维断层结构建模、数据-模型-计算的迭代与相互驱动等。最后简述了三维地质建模在地震数值预测应用中的难点。三维地质建模技术有望为地震数值预测及相关数值计算领域提供更逼近现实的数值模型和几何模型,可缩短建模工期,实现快速更新迭代,从而解决建模难的问题。

中国地震科学实验场BDS-3定位精度和地壳运动初步分析

我国BDS-3卫星导航系统于2020年7月建成,并为全球用户提供服务,自此开始,中国地震科学实验场(简称“实验场”)的GNSS测站相继接收BDS-3卫星数据,目前已经积累了2年多的观测数据,为BDS-3应用于川滇地区地壳运动监测提供了重要平台和数据保障。为评估实验场BDS-3观测数据的精度及其应用于地壳监测的可行性,本文首先根据各测站所记录的BDS-3的B1I和B3I两个频点的多路径效应和信噪比与卫星高度角之间的关系,对BDS-3的数据质量进行评价。然后,基于高精度数据处理软件GAMIT/GLOBK (10.7版)对各测站同期记录的BDS-3和GPS数据分别进行处理,得到BDS-3和GPS坐标时间序列。基于包括线性项、年周期项和半年周期项等分量的函数模型,利用极大似然法分别对BDS-3和GPS时间序列进行拟合估计,得到各测站的线性速度、年周期和半年周期信号,并对拟合结果对比分析,评定BDS-3和GPS的定位精度。最后,讨论BDS-3定位精度的影响因素和BDS-3水平速度场的区域性特征。研究表明:实验场BDS-3与GPS原始数据质量相当,BDS-3坐标时间序列的均方根残差(RMS)的平均值在N、E、U方向上分别为4.42、4.25和8.34 mm,稍大于GPS的结果。BDS-3与GPS速度场在E方向存在约2.0 mm/a系统性差异。在区域分布特征方面,BDS-3和GPS的速度场、周年期和半年信号没有明显差别。认为目前影响BDS-3定位精度的因素主要为卫星轨道产品不够完善,经验型太阳光压模型和卫星天线相位中心改正模型等欠缺。造成BDS-3和GPS速度场差异的原因主要为两者的定位基准不一致。随着实验场BDS-3观测数据的积累和数据解算模型的改进,BDS-3可望达到GPS的定位精度,并形成独立于GPS的监测系统,为该区地壳运动监测和地震预测提供优质的大地测量产品。

基于数值模拟和地震活动性统计的混合地震预测:在中国地震科学实验场的应用

地震数值预测是近年来最为前沿的科学研究问题之一,但是大部分地震数值预测的探索都受困于数值模拟步长的问题.本文引入混合预测方法,探索了较短预测时长的地震数值预测方法,并在中国地震科学实验场区中进行应用.该混合预测方法主要建立在活动块体理论和构造力学分析的基础上,利用数值模拟推测未来长时间的应力变化量,并引入上一次7级地震之后数十年间,中等强度地震同震应力的影响,最后通过重分类和加权,在应力变化量上叠加年尺度小地震活动异常的统计,从而实现区域地震危险程度的混合评估.基于该方法,我们将地震数值预测的预测时间尺度缩短到年尺度,以年为单位滚动预测了中国地震科学实验场自2021—2030年或更长时间段内可能出现中强地震的区域.2022年芦山6.1级地震、2021年漾濞6.4级地震、2021年泸州6.0级地震和2022年泸定6.8级地震均发生在危险性较高的区域,而2022年马尔康6.0级地震则不在预测区域内.本文展示的混合预测尝试为地震数值预测研究提供了一个可供参考的例证,也为解决数值预测步长控制难的问题提供了一个可能的探索途径.

2023年甘肃积石山6.2级地震发震构造浅析

2023年12月18日23时59分,甘肃临夏州积石山县发生6.2级地震,造成人员伤亡和财产损失。本次地震发生在青藏高原东北缘地区,受青藏高原向NE向扩展挤压作用的影响,区域发育两组较为典型的断裂构造:NWW向大型左旋走滑断裂带是活动块体运动边界,另一组NNW向右旋走滑断裂则发育在块体内部构成次级块体边界。此次积石山6.2级地震就发生在NWW向西秦岭北缘左旋走滑断裂带和NNW向日月山右旋走滑断裂带之间的大型挤压阶区内,初步判定其发震构造为以逆冲作用为主的拉脊山断裂带东南段的积石山东缘断裂。余震展布范围严格限制在黄河以南的积石山东麓大河家第三系盆地内,根据黄河以北拉脊山和以南的积石山山脊线及坡折带存在较大不连续性,且沿黄河南岸发育较明显的断层三角面等构造地貌特征,推测沿黄河发育有一条调节区内挤压变形差异的横向断裂。断裂切断拉脊山北缘断裂带东南段,使积石山东缘断裂成为一个长度不足40 km的独立活动段,判定原震区近期发生更大地震的可能性不大。

静态应力扰动对走滑断层阶区附近地震破裂传播影响的二维数值模拟

动态破裂在走滑断裂带上阶区附近的传播能力控制了地震破裂的可能规模,而非均匀应力场对动态破裂的传播有显著影响。在本研究中,我们通过整合动态破裂模型和静态应力扰动模型,构建了走滑断层上的非均匀应力场,对走滑断层阶区附近前次动态破裂所产生的静态应力扰动对后续破裂传播行为的影响进行了二维动态破裂模型研究。模拟结果表明,当考虑到走滑断层上的地震复发行为时,即使前序地震破裂传播被阶区所阻挡,其所产生的静态应力扰动也可显著提升下次地震跨该阶区传播的能力。另外,不同的初始均匀应力使得动态破裂能够跨大致相同宽度的阶区传播。较大的应力降或者较小的断层强度比(S)能够使得动态破裂在相对较宽的阶区上传播。因此,在研究走滑断裂带不同分段的级联破裂模式时,需要考虑前序地震所造成的静态应力扰动影响。

2023年12月18日甘肃积石山MS6.2地震触发次生灾害快速评估

2023年12月18日甘肃积石山县发生MS6.2地震,该次地震触发官亭盆地中川乡金田泥流灾害,造成严重的破坏和人员伤亡。通过震前、震后的高分辨率卫星影像对比分析,初步判断此次地震没有引发大型同震滑坡与密集砂土液化,但是震前震中区发育的大量大型黄土滑坡和密集液化砂脉是由更老的地震事件触发。金田泥流灾害是物源区高含水量黏性土在强震动条件下沿沟谷发生流动所致,其发生可能与人类的耕作方式(引黄灌区震前冬季灌溉导致浅表土层含水量提高)有关。

2022年9月5日四川泸定MS6.8地震序列特征及发震构造

2022年9月5日发生的泸定MS6.8地震是鲜水河断裂周边近六年来规模最大的破坏性地震,其对于分析川滇块体东边界潜在的强震活动具有重要的指示意义.本研究采用双差定位技术对2009年1月1日至2022年9月27日在泸定震源区发生的11103次地震进行了精确定位,利用波形拟合技术反演了主震(MS6.8)、12次震级大于或等于3.0的余震以及贡嘎山附近两次震级大于或等于5.0的强震的震源机制解.结合序列b值结果,对泸定地震序列的特征和发震构造进行了分析研究.研究结果表明,泸定MS6.8地震的发震断层为磨西断裂,主震及其余震发生在黑沟—燕子沟镇—田湾段.这次地震填补了磨西断裂段稀疏地震活动的空白区域,发震断层段大致长度约为40 km,走向大致为160°,呈基本直立状态.序列地震以左旋走滑型为主要错动类型.自2009年以来,泸定MS6.8地震主震西侧贡嘎山附近持续发生地震活动,尤其是2015年该区域出现了显著的地震活动集中现象.主震后,贡嘎山附近的浅源地震活动非常活跃,以拉张破裂为主要特征.需要注意的是,这些浅源地震活动属于触发活动,与磨西断裂带的地震活动不同.b值分析结果显示,磨西断裂带南东段湾东村至田湾的b值较低,约为0.5左右;而北西段湾东村至黑沟的b值较高,处于0.8~1.0之间.这表明磨西断裂带上的应力具有明显的分段特征,能量主要在燕子沟至田湾高应力集中段释放.

中强地震发震构造标志浅析——以2023年积石山MS6.2地震为例

地震地表破裂是地震发生的重要特征,是研究地震动力学、构造变形的重要手段。一般认为,M6 3/4以上的地震才会形成地表破裂。但近年来,也有M6.0左右的地震发生了地表破裂。本文旨在探讨中强地震地表破裂的识别方法。中强地震发震构造的识别具有一定的挑战性,主要表现在以下几个方面:(1)中强地震地表破裂的规模(位错量、宽度、长度和深度)较小,容易被黄土层厚覆盖,掩盖地表破裂的痕迹,不易识别;(2)非构造成因裂缝干扰,使得难以区分构造成因地表破裂。本文以2023年积石山MS6.2地震为例,对中强地震构造成因破裂的识别标志进行了初步分析,提出了以下识别标志:(1)地表破裂几何展布和剖面形态,地震伴生的次生灾害(滑坡、崩塌、砂土液化等)的线性分布为识别发震构造提供参考和线索;(2)地表破裂沿破裂走向呈现稳定地穿越不同地貌单元,至少穿越一条沟谷等低凹地貌;(3)地表破裂在地质剖面上表现出稳定的产状;(4)地表破裂伴生构造形态,地表沿破裂发育雁列式褶皱(挤压鼓包)与张裂缝交替出现的现象。本文提出的识别标志为中强地震发震构造的识别提供了新的思路。

走滑断层几何结构复杂区对地震破裂传播影响的研究回顾

活动走滑断裂带上强震频发,对几何结构复杂区及其导致的分段破裂模式开展研究对于评估区域潜在地震的最大震级具有重要意义。文中从野外地质调查和数值模型研究2个方面入手,对走滑断层上地震破裂行为中的几何结构、断层分段和级联破裂等相关研究进行回顾总结。野外地质调查发现,走滑断裂带上广泛存在的断层几何结构复杂区可能会终止地震破裂的传播。前人基于地表破裂带野外调查,给出了走滑断裂带上几何结构复杂区对地震破裂方式的影响,以及这种影响程度的统计分析结果。另一方面,与断层动态破裂过程相关的数值模拟研究,不仅从动力学角度展示了断层几何结构复杂区对断层动态破裂传播的控制作用,还表明初始应力、岩石介质性质等其他因素也影响了断层动态破裂的传播。在研究程度较高的中国地震科学实验场区,基于断层探测、地球物理场密集观测和高性能计算的3D动力学模拟有望进一步深化对区域复杂断层系统中破裂行为的认识,并为判定区域最大潜在震级提供帮助。

2023年12月18日甘肃积石山6.2级地震震源机制解

使用区域台网资料,采用CAP方法反演了2023年12月18日甘肃省积石山6.2级地震的震源机制解,结果显示,该地震为逆冲型地震,与GCMT、 GFZ和USGS的震源机制解基本一致。震源机制解节面Ⅱ的走向与积石山东缘断裂大致相同。

区域地震记录揭示的2023年甘肃积石山6.2级地震震源破裂过程

基于有限断层模型反演方法,利用区域宽频带地震波形数据,反演了2023年12月18日甘肃临夏积石山6.2级地震的震源破裂过程,获得了积石山地震破裂滑动时空分布:此次地震是逆冲兼少量走滑型地震,破裂持续时间约为9 s,主体能量在前6 s释放,地震破裂主要沿断层走向向NW方向拓展,计算得到的标量地震矩为1.39×10^(18)N·m,相当于MW6.02,破裂尺度约10 km左右,最大同震滑动量为35 cm。

2023年12月18日积石山6.2级地震的深浅变形构造分析

2023年12月18日甘肃积石山6.2级地震震源区及邻区绝对板块运动方向与岩石圈方位各向异性有很好的一致性,区域浅地表变形与上地壳各向异性反映的变形特征都出现明显的空间扰动,上地壳的局部不均匀变形和物性差异是积石山地震的深部发震构造背景。地震发生在积石山东缘断裂,该断裂长约30~40 km,短期内不具备发生相当震级或更大地震的深部蕴震构造条件。

2024年1月1日能登半岛M_(W)7.5地震作为一个可能的“龙王”事件

本文试图探讨,从“龙王”理论的角度看,2024年1月1日日本能登半岛M_(W)7.5地震是否可被视为一次“龙王”事件.本文分析了日本气象厅(JMA)2004年以来的地震矩张量解目录,针对样本数不够多的情况,用“级序分析”方法确定这一M_(W)7.5事件是否显著偏离Gutenberg-Richter幂律.结果表明在2006至2024年期间,M_(W)7.5地震还不能被视为显著的“龙王”事件;但在2021至2024年期间,该地震作为一次“龙王”事件特点十分明显,这一结果似乎与2020年底以来出现了复杂的前兆行为的报道吻合,标志着“龙王”事件的某种可预报性.本文建议,根据以往的研究结果,对这次地震的震源过程和余震序列进行详细刻画,附之以对地震前兆的回溯性研究,或可有助于“地震龙王”理论本身的发展和地震预测研究的进步.本文还讨论了“黑天鹅”事件、“龙王”事件及“灰犀牛”事件的相互关系,这几个概念是近年来减灾领域讨论较多的概念.

地震流体地球化学短临预测研究进展与展望

建立地震短临预测方法是减轻地震灾害损失的最有效手段,也是科学难题。流体是地球内部最为主动、活跃的组分,携带了地球各圈层的地球化学信息。地震流体地球化学的组成和变化对地下物理化学条件的改变响应灵敏,是指示地震和构造活动的有效指标。文中综述了国内外流体地球化学短临预测机理的研究进展,介绍了国内外已经建立的流体地球化学地震短临预测模型和方法,利用《中国震例》数据对主要预测模型和方法进行了检验分析,评述了各方法的适用性和效能。结合团队已有的工作基础,提出了基于前兆机理进行地震流体地球化学短临预测的思路,并对中国地震科学实验场地球化学子系统的地震短临预测研究和应用进行了展望。

基于小震经验格林函数研究中等地震破裂方向性:以2008年攀枝花M_(S)6.1地震为例

中小地震破裂方向性研究在确定实际发震面以及地震灾害评估中具有非常重要的意义.本文以2008年8月30日攀枝花M_(S)6.1地震为研究实例,以较小余震作为经验格林函数地震,利用表观震源时间函数随台站方位角变化特性,确定了主震的破裂方向、破裂尺度以及破裂速度,验证了该方法的适用性和可行性.研究结果表明,主震的破裂方向为几乎正南的184°,破裂长度8.05 km,破裂速度3.35 km·s^(-1),进一步确认了主震震源机制解其中沿南北向的节面是地震实际发震面,主震在水平方向沿着南北向元谋断裂从北往南破裂.攀枝花地震震源破裂速度接近地壳剪切波速度,这可能是造成此次地震虽然震级不大但破坏性严重的重要原因.本文综合分析主震的矩心深度、震源机制解、破裂方向性以及构造应力背景等信息,探讨了地震发生的破裂过程以及灾害严重的原因.

时序数据年变信息提取及地震预测指标评估方法研究

针对时序数据中的破年变异常,基于S变换时频方法构建信息提取流程,在提取常规短周期破年变信号(ONA)的同时分析背景年变信号(ANA)的演化过程。在此基础上,基于双向非对称阈值策略,结合R值评分及Molchan图表法构建预测指标确定和效能定量评估方法。新疆库尔勒水平摆倾斜北南测项的实际应用结果显示,该测项的ANA信息对台站周边250 km内6级以上地震具有较好的预测效能,ONA信息对200 km范围内5级以上地震的预测效果相对更优。

影响地震生命损失的若干因素探讨——以2023年积石山6.2级地震为例

2023年12月18日午夜,我国甘肃省临夏州积石山县发生6.2级地震,地震造成灾区严重的人员伤亡、建筑物和基础设施损失。该地震造成遇难和失踪人数达151人,相对于其震级大小,是典型的“中震大灾”。本文初步分析了积石山地震区域地震构造与震源破裂特点、人口与房屋建筑分布与抗震能力影响、地震次生地质灾害的作用,以及地理气象环境、发震时间与季节等因素对加重本次地震灾害的影响。结果有助于开展综合多因素的地震灾害损失评估方法研究,提高地震损失评估的准确性,提升震后应急处置效果。

2024年1月23日新疆乌什M_(S)7.1地震地质灾害和地表破裂

2024年1月23日新疆乌什M_(S)7.1地震是自1992年吉尔吉斯斯坦Suusamyr M_(S)7.3地震以来发生在天山地震带内的最大地震。主余震初步精定位和第一时间野外调查结果表明,乌什MS7.1地震的余震带总体走向NE,长约62km,主要分布在盆山交接部位。地震产生了边坡失稳、岩崩、滚石、地裂隙等次生地质灾害,主要集中在沿构造走向微观震中两侧30km范围内。由微观震中向N约7km、向S约13km以外,地质灾害迅速减轻,且山前断层陡坎(F_(5))未见任何新鲜的活动迹象。结合中国地震局地质研究所产出的InSAR同震形变场初步结果,判定此次主震的发震断层为一条倾向NW、未错出地表的逆冲断层。在GCMT震中所在的恰勒玛提河,沿西域砾岩背斜南翼发现了总体走向N60°E、长约2km、最大垂直位错约1m的地震地表破裂带。该地表破裂在较老地貌面上基本沿先存断层陡坎发育,总体受一条倾向SE、与主震发震断层倾向相反的逆断裂控制。地表破裂带长2km,规模远小于乌什M_(S)7.1地震余震带,其是由M_(S)7.1主震所致还是因M_(S)5.7余震造成的,以及产生地表破裂的SE倾逆断层与NW倾主震发震断裂之间是何种关系,还需进一步研究。