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。

基于随机森林的地震灾害直接经济损失评估研究——以中国西部地区为例

为快速评估地震直接经济损失,针对我国西部地区,尝试采用随机森林机器学习回归算法,以1993—2017年震害数据为基础,结合各年份经济数据与抗震设计数据,经特征选择与参数优化后,进行模型的训练与测试。实验结果表明,在减少模型输入特征的情况下,优化后的随机森林模型可得到更优的评估结果。通过删除含有缺失特征样本的数据预处理方法,评估模型的决定系数R2达到0.86,优于中值补齐缺失特征数据预处理下的评估模型,更适用于地震直接经济损失的评估。实例验证表明该模型评估结果与实际经济损失有较好的一致性,可为抗震救灾提供决策支持。

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。

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.

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。

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。

利用黏弹性球体位错理论研究2004年苏门答腊地震震后效应对华南块体的影响

本文基于黏弹性球体位错理论和GNSS观测资料,约束东南亚地区大范围地幔黏滞性结构,探讨该地震的震后形变及其对华南块体的影响.首先收集泰国地区震后位移资料,考虑兼顾稳态和瞬态震后形变的Burgers黏弹性体,利用黏弹性球体位错理论进行模拟,得到软流圈麦克斯韦黏滞性系数(η_(m))为5×10^(18)Pa·s,开尔文体黏滞性系数与麦克斯韦体比值(α)为0.3,开尔文体剪切模量与麦克斯韦体比值(γ)为0.33.进而收集和模拟华南块体及其周边区域震后形变,GNSS流动站观测资料显示震后2年形变主要集中于华南块体南部,观测与模拟震后位移方向整体一致,往西南方向指向震中,震后形变量上存在明显差异,云南地区模拟值偏大,而华南块体南部模拟值偏小.GNSS连续站观测资料显示,华南块体受苏门答腊地震震后形变的影响在2010年后明显减弱.后续地壳变形研究以华南块体为参考基准时,建议基于2016年以后的观测提取速度场.

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。

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。

盲逆断层震后变形耦合机制研究——以2017年伊朗M_(W)7.3地震为例

震后变形是地震周期中一个重要阶段,深入研究其产生机制有助于提高对地震演化过程、断层性质及地震危险性评估的认识.2017年伊朗M_(W)7.3地震InSAR观测资料丰富,为研究扎格罗斯造山带山前褶皱带盲逆冲断层震后变形机制提供了切入点.合理详细的震源模型及高精度的形变观测是开展震后余滑或黏弹松弛研究的首要前提,本文采用多视角InSAR资料联合远场波形数据反演该地震的破裂滑动分布,并解算得到伪三维地表位移,利用InSAR时序分析提取震源区主震后一年半内变形特征,显示震源区震后形变特征与同震位移场类似,LOS向形变速率最大值约8 cm·a^(-1),震后变形预示震源区可能存在明显的震后应力调整现象.利用震后半年内形变资料约束的纯运动学余滑模型表明同时期释放能量为矩震级M_(W)6.7,进一步探讨应力驱动震后余滑及下地壳黏弹性松弛对震后变形的贡献,基于分层黏弹模型的模拟计算表明震后余滑和黏弹松弛效应的耦合模型可以更好地解释地表震后变形特征,其中震后余滑主要分布在同震破裂区的上方浅部,对主震后一年半内震后地表变形起主导作用,震源区壳下黏滞系数量级下限约为10^(19)Pa·s,震后变形对扎格罗斯褶皱带的生长有一定的促进作用,更长周期的震后变形机制研究还需长期高精度观测和顾及岩石圈流变结构的横向不均一性.

自然灾害综合风险普查数据成果质量控制研究与实践——以地震灾害为例

国务院于2020年5月启动第一次全国自然灾害综合风险普查工作,地震灾害风险普查是自然灾害综合风险普查的重要组成内容。地震灾害风险普查由地震部门组织实施,数据成果采用双重审核机制,制作的调查和评估与区划数据经过地震部门审核通过后,汇交到国务院普查办,国务院普查办在地震部门数据质量控制的基础上,对汇交数据开展综合性审核,保证数据入库前“最后一道关口”的质量。基于国务院普查办面向地震灾害风险普查数据成果质量综合性审核需求,设计审核业务流程框架,采用软件自动检查和人工抽样复核相结合的审核技术方法,建立可读性、完整性、规范性、合理性、一致性5大审核规则体系,涵盖数据清单、属性指标、空间特征审核维度,提高了数据审核的时效性和准确性,形成可置入软件系统且可动态更新维护的审核规则库。本文系统梳理归纳本次灾害风险普查工作中地震行业汇交数据综合性审核发现的7类常见问题,并给出了可操作的解决办法,确保地震行业汇交数据的合理性和可用性,建立的综合性审核体系在地震灾害风险普查数据综合性审核中得到了较好的应用和检验,为后期审核规则的常态化更新奠定了基础,也为普查成果在风险空间管控、抗灾设防能力与应急能力提升、基层能力建设等方面的应用提供了数据保障。

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.

工业生产诱发地震成因与研究进展

近年来,随着社会经济的不断发展,水库蓄水和地下工业开发活动规模不断增大,由此引起的诱发/触发的地震活动与日俱增,造成的破坏损失也逐年提升.因此,人类的工业生产行为如何对区域地震活动产生影响,如何安全开展工业生产而不诱发/触发地震是社会公众与科研界讨论与关注的热点话题.本文概述了国内外诱发/触发地震事件,探讨了诱发/触发地震形成的物理机制,从控制方程出发,对目前学术界常用的研究诱发/触发地震的手段进行了综述和讨论.本文认为,随着科学技术和计算能力的不断发展,数值模拟将会发挥其独有的优势,成为研究诱发/触发地震的重要科学手段.近年来,国内外研究学者已经利用数值模拟方法对诱发地震开展了一系列有意义的研究工作,诱发/触发地震的物理机制将会逐渐揭开,人类对于此类地震的防治手段将会逐渐丰富,有效减少由于工业开采等活动引起地震对社会的危害,并降低触发大震的风险.然而,目前地震数值预测工作仍存在很多挑战,不仅需要完善的物理机制和先进的计算方法,更需要完备的观测与工业生产资料系统的建立.

基于地震观测数据的机器学习地震预测研究综述

机器学习突出的隐式特征提取和复杂任务处理能力正推动着地震预测科学的发展,为系统了解机器学习技术在地震预测领域的发展现状,从指定时空窗的地震震级预测、发震位置和发震时间估计三方面,综述了国内外机器学习在地震预测领域中的应用,其中在震级预测问题上AI应用最为广泛;总结了机器学习地震预测的主要特征参数、模型和评价相关问题,从多种评价机制中探索地震活动性参数对地震预测结果的影响,并对地震预测领域存在的问题进行初步讨论和展望。在可预见的未来,AI技术的引入和应用领域的拓展,有可能引领地震预测领域的持续发展。

2021年玛多M_(S)7.4地震的PI热点特征回溯性预测研究

应用图像信息(PI)方法研究2021年玛多M_(S)7.4地震前后的热点特征变化。以8 a预测窗长、0.8°×0.8°网格尺度为主要参数,获取2009—2028年逐年滑动的预测窗热点分布图像。结果显示:(1)在2009—2020年的5个连续回溯性预测窗口中,玛多地震的震中所在网格及其摩尔邻近网格持续存在密集热点,对发震地点指示作用较强。(2) 2014—2028年,多数预测窗口内玛多地震震中或摩尔邻近网格出现过PI热点;在最后3个连续预测窗口内(2019—2026年、2020—2027年、2021—2028年),震中附近出现密集深色热点且呈逐渐收缩的趋势,对发震紧迫性具有一定的指示意义。(3)综合2009年以来的热点演化图像可知,巴颜喀拉地块、柴达木地块、祁连地块和羌塘地块内都出现过热点,出现在巴颜喀拉地块与柴达木地块交界玛多县附近的热点频次高、颜色深、覆盖面较大,表明青藏块体内部巴颜喀拉地块中北缘地震活动性较强、相对发震风险较高。

GNSS在中国大陆的地震预测应用研究进展与展望

GNSS技术的快速发展为地震预测研究提供了前所未有的大尺度、高精度的观测结果,为强震变形模型的发展提供了可靠的观测约束。本文针对GNSS技术在中国大陆地震预测中的应用,系统梳理了断裂带滑动特征描述、变形场动态演化解析、应变集中过程识别、潜在震源危险程度判断等方面的研究进展。通过典型震例总结了GNSS资料在长、中、短临不同的地震预测阶段的应用。针对地震中长期预测,基于构造动力过程给出了强震危险性时空逼近的科学思路,即"板块边界动力作用—大-中尺度动态形变场—应力应变增强/集中区—孕震危险段中短期危险性的时空逼近"的过程。在此基础上,针对GNSS监测能力提升、地震孕育过程相关的多尺度地壳形变动态信息获取、GNSS多参量动力学模型构建及产出等问题进行了讨论和发展展望。总体而言,GNSS技术的应用显著增强了我国地震预测的地壳形变观测基础支撑,丰富了对大陆地震孕育发生物理过程的科学认识,推动了大陆地震预测科学思路和预测方法的发展,并促进了地震预测由经验预测向物理预测的拓展。

2020年前中国大陆发生7级以上大地震频次和最大震级预测的初步研究

应用多重贝努利独立试验模型，研究2006～2020年问大陆发生7级以上大地震的频次及其概率，以及最大震级的预测问题。研究结果表明，2006～2020年问大陆发生7．0～7.9级和7．5～7．9级大地震1次以上的概率为1．00，发生8级大地震1次以上的概率为0．67，或者说其间肯定会发生7级大地震，而发生10次7．0～7．9级和1次7．5～7．9级大地震的可能性最大。若按超过概率水平0．10而论，发生7．0～7．9级地震最少发生8次，最多发生12次；发生7．5～7．9级地震为l～4次，发生1～2次8．0～8．9级大地震可能性最大。2020年前中国大陆发生最大地震的震级可能为7．5～7．9级。不排除发生8级地震的可能。

面向地震风险评估的中国大陆区县级人口总量时空预测方法研究

以中国大陆区县级历史人口数据为基础,研究人口总量和人口增长率的时间序列变化规律,并综合运用阻滞模型、指数模型、对数模型、线性模型等拟合方法,得到相当精度的拟合预测模型,获得了经验证较可靠的中国大陆未来区县级总人口预测结果。同时,以2020年预测人口为例,定量分析了2010—2020年人口空间分布格局,各区县未来人口增减变化情况,其能够较准确的表达未来人口空间分布。本研究旨在为地震风险评估对人口在时间变化和空间分布上的未来预测需求提供可靠数据。

基于图像信息方法的南北地震带地震预测研究

图像信息法(PI)计算过程涉及地震活动性的归一化,因此针对地震活动性相似的地区PI预测效能较好。以南北地震带为研究区域,对图像信息法(PI)在南北地震带不同范围的预测效能进行了研究。采用中国地震台网中心提供的1970年以来中国地震目录,选取5年尺度的“异常学习窗”和“预测时间窗”以及1°×1°网格,以2017年以来发生的MS≥6地震为目标,通过ROC检验,对地震进行回溯性预测研究。研究结果显示:① PI方法对南北地震带南段、中段、北段区域进行计算的预测效能呈现逐渐降低的趋势,但幅度较小,显示PI方法的预测效能可能受到区域内地震活动性强度的影响。② PI方法对南北地震带分段计算的预测效能优于对整个南北地震带进行计算的预测效能。其中,把南北地震带北段、中段合起来作为一个计算区域时预测效能最好,南段、中段、北段预测效果次之,把中段、南段合起来作为一个计算区域时预测效能相对较低,南北地震带整体的预测效能最低。通过地震活动性对南北地震带进行区域划分能使得预测效能提高。③计算结果显示,滇西南永德—泸水地区、龙门山断裂南段附近存在“热点”,未来5年内这些地区为M_(S)≥6地震值得关注的重点区域。