新疆及鄰區MS≥7.0地震時空對稱性及趨勢研究

肖美美，延軍平，李光耀

（1.青海師范大學 生命與地理科學學院，青海 西寧 810008；2.陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062；3.天津市濱海新區蘇家園學校，天津 300282）

新疆及鄰區MS≥7.0地震時空對稱性及趨勢研究

肖美美1，延軍平2，李光耀3

（1.青海師范大學 生命與地理科學學院，青海 西寧 810008；2.陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062；3.天津市濱海新區蘇家園學校，天津 300282）

對新疆及鄰區1902—2014年間的MS≥7.0級的強震數據，運用可公度計算、蝴蝶結構圖、地震震中對稱結構等方法對該區域地震災害的時空對稱性規律進行了分析和總結。結果表明：新疆及鄰區在2021年發生MS≥7.0地震的信號較強，據蝴蝶結構圖計算出2021年發生MS≥7.0地震的概率為68.4%，不漏報置信水平為65%；未來地震震中可能向東北方向遷移，大致的空間位置在41.5oN以北，81oE以東。且地震集中分布在太陽黑子谷年附近，太陽活動目前正處于太陽黑子第24周期極大年附近，預計在2020年進入谷年。因此2021年新疆及鄰區發生MS≥7.0地震的概率很大。該區域地震與地球自轉速度有一定的關系，在減速期發生地震的可能性較大，且速度轉換持續時間越長越易發生地震。對豐富災害學以及可公度法的探索具有一定價值。

地震；新疆及鄰區；時空對稱性；可公度；太陽黑子；地球自轉速度變化

0 引言

在全球變化背景下，重大自然災害的發生頻率加快，自然災害對人們生命財產的威脅越來越大[1]。而近年來我國地震頻發，新疆的地震活動水平又居全國首位，是我國主要的內陸地震活動區[2]。雖然新疆地廣人稀，經濟較落后，但是地震活躍地帶卻多分布于新疆人口集中，經濟繁榮發達的綠洲地區，導致產生較大的人員傷亡和經濟損失。因此對新疆及對新疆有影響的鄰近區域的地震趨勢預測尤為重要，這對于給新疆一個穩定的發展環境以及實現區域可持續發展具有重要現實意義。近年來關于地震研究方法的運用日臻成熟，對新疆及鄰區地震活動趨勢的研究與日俱增[3-10]。

地震具有隨機性和突變性，但是仍存在一些規律性即對稱性。并且地震等重大自然災害人為擾動少，其內在規律和演化機制更易于探索研究。而可公度法為地震等自然災害的預測判斷提供了可能的研究方法。可公度法應用在地震上的研究取得了較多成果[11-13]，其在學術界得到了廣泛的認可。

新疆是我國一個獨立的行政區域，但是與俄羅斯、哈薩克斯坦和塔吉克斯坦等國家和地區在地質構造上有著緊密的聯系。這些區域有著共同的物理基礎和內在聯系，不能孤立地把它們分開。由于區域內地震構造帶、板塊分區等的相連性，使得區域地震的發生有著一定的聯系[14]，故其地震的時空對稱性更有規律可循。因此本文將新疆及其鄰區作為研究區域（圖1）。

本研究是在對稱性和可公度方法等科學研究基礎上對新疆及鄰區進行地震災害趨勢預測，并在地球自轉速度與地震關系上有所創新，旨在豐富和完善可公度方法的理論框架及其在自然災害上的預測運用。以期為我國防震減災政策的制定和在一定程度上減少人員傷亡和經濟損失提供進一步的參考依據。

圖 1 新疆及鄰區歷史地震分布及部分地震區劃分Fig.1 The historical earthquake distribution and earthquake zone division in Xinjiang and its neighborhood region

1 研究區地質背景

中新生代以來，隨著有“世界屋脊”之稱的青藏高原不斷隆起，其周緣及后陸地殼強烈活動，活動斷裂發育，進而使得該區域地震活動較為頻繁[15]。該區域包括阿爾泰—蒙古地震帶、橫跨五國的天山地震帶和塔里木南緣地震帶等，地質構造較為復雜。其中橫亙亞洲內陸三千多公里的天山地震帶是當今巨大的活動造山帶，其境內境外強震活動相互間影響十分明顯，成為各有關國家關注的焦點。

2 數據來源與研究方法

文中有關地震的經緯度、發震時間等參數主要來源于《全球地震目錄》等相關資料，同時在已有研究[4]基礎上對所獲得的數據進行校正和完善，以使對該地區地震時空對稱性規律的分析結果更加可靠。

重大自然災害不是孤立的，它們之間彼此聯系，彼此影響著。而這種聯系可以用事件之間的時空對稱性來表示。在時間對稱性方面，經過可公度對稱法和蝴蝶結構法及可公度結構系的構建，分析歷史地震數據的時間間隔等可公度性特征，尋找未來強震發生的趨勢。在空間對稱性方面，依據24個地震事件的經緯度信息，利用地震震中對稱結構、震中遷移等探索震中經向、緯向遷移規律，初步推測下一次強震的空間位置。

3 時間對稱性及趨勢判斷

時間對稱性即多周期疊加的對稱特征，指某些地理事物的產生和變化存在一定的時間周期或多重時間周期疊加組合的現象[16]。本文中地震年份的間隔周期主要通過三元、四元和五元可公度對稱法等進行計算確定，通過對稱性蝴蝶結構圖和可公度結構系表現出來。

3.1 可公度計算

在分析地震的可公度性時，將相同區域一年內發生的多次地震歸結為一次地震事件，其震級取多次震級最大值。自1902年以來，新疆及鄰區共發生MS≥7.0地震24次（表1），則把文中24次MS≥7.0強震事件歸為19次強震事件。設X1=1902，X2=1906，X3=1911，X4=1914，X5=1924，X6=1931，X7=1944，X8=1946，X9=1949，X10=1955，X11=1974，X12=1978，X13=1985，X14=1990，X15=1992，X16=1996，X17=2003，X18=2008，X19=2014，X20=？

據表2，三元、四元和五元可公度的計算結果分析可知2016年、2018年和2021年的MS≥7.0地震信號較強。為確保新疆及鄰區地震未來趨勢的預測結果更準確，采用蝴蝶結構圖作進一步判斷。

表1 新疆及鄰區MS≥7.0地震參數（1902—2014）

表2 可公度計算結果

3.2 蝴蝶結構圖趨勢判斷

根據自然災害的時間對稱性構造的蝴蝶結構圖表現為周期共振，從周期上可看做長時間作用力累加而形成的交變應力，從時間上可理解為是過去地震釋放的能量對將來產生的蝴蝶效應[16]。蝴蝶結構圖是可公度關于時間結構的進一步表達[17]，能從中提取所選年份等時間間隔的可公度特性，進而將等時間間隔規律從可公度特征中提取出來，通過構造年份結構關系，繪制具有時間對稱性特點的不少于5組的蝴蝶結構圖（圖2）。分析可知，圖中數據具有較好的時間對稱性：與2016年相關的周期有3組（5a、13a、72a）；與2018年相關的周期有2組（22a和72a）；與2021年相關的周期有7組（5a、7a、13a、18a、25a、29a和72a）。根據蝴蝶結構的隨機性概率T=M/N；不漏報置信水平為（1-a）= M/（N+1）。其中，T為預測年份可能發生的概率； M表示實際參與預測的地震次數，即和主周期相關的年份統計；N為總的地震災害事件次數[16]。因此計算可得2016年、2018年和2021年新疆及鄰區發生MS≥7.0強震的隨機性概率分別為52.6%、31.6%、68.4%，不漏報置信水平為50%、30%、65%。蝴蝶結構圖顯示2021年發生地震的概率最大，2016年次之，2018年則相對較小。

3.3 可公度結構系趨勢判斷

為更加直觀地描述新疆及鄰區未來發震趨勢，根據圖2蝴蝶結構圖顯示的時間對稱性周期特點繪制出可公度結構系（圖3）。可以清晰地看出，此24次強震事件的發生年份具有顯著的時間對稱性。歷史地震年份具有良好的可公度性，通過相互嵌套的橫向、縱向周期，與預測年份（2016、2018、2021年）形成完整的網絡結構。故據該可公度結構系分析得出此區域于2016、2018、2021三年有MS≥7.0的發震信號。

4 空間對稱性及趨勢判斷

4.1 地震震中遷移規律

圖 2 新疆及鄰區MS≥7.0地震蝴蝶結構圖Fig.2 The butterfly structure diagram of MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its neighborhood region

圖 3 新疆及鄰區MS≥7.0地震可公度結構系Fig.3 Commensurable structure of MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its neighborhood region

一定強度的地震按照一定的空間順序有規律發生的現象即為震中遷移[18]。國內外學者也在積極探討和總結地震遷移規律。據圖4，新疆及鄰區從1902年以來MS≥7.0地震的震中大體上呈南北對稱回旋遷移，規律較顯著。該區域地震活動有3個小活躍期，分別為1902—1914年、1944—1955年和1974—1996年。在這3個小活躍期中，1902—1914年MS≥7.0地震震中遷移表現為逆時針旋轉；1944—1955年MS≥7.0地震震中遷移表現為順時針旋轉；而在第3個小活躍期（1974—1996年）中，1974—1990年地震震中遷移表現為順時針旋轉，而到1990—1996年則轉變為逆時針旋轉。

將地震震中依據發震時間每三個依次連接得到地震震中對稱結構（圖5），在41.5oN和81oE的交點處即為其對稱軸，且震中呈現東北—西南的對稱分布，主要分布在一、三象限。

圖 4 新疆及鄰區Ms≥7.0地震震中遷移Fig.4 Commensurable structure of MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its neighborhood region

圖 5 新疆及鄰區MS≥7.0地震震中對稱結構Fig.5 The MS≥7.0 earthquake commensurable structure in Xinjiang and its neighborhood region

4.2 地震經向、緯向遷移規律

在圖6中，新疆及鄰區經緯向的震中遷移具有較好的同步性，大體上緯向震中向北遷移和向南遷移時，經向震中則分別向東遷移和向西遷移。

據新疆及鄰區地震震中緯向、經向遷移分析，緯向對稱軸在41.5oN左右，而經向對稱軸在81oE左右。假設新疆及鄰區地震具有良好的空間對稱性，那么該區域下次地震震中很有可能向東北方向遷移，即41.5oN以北，81oE以東（圖6）。

圖 6 新疆及鄰區MS≥7.0地震緯向、經向遷移Fig.6 The MS≥7.0 earthquake commensurable structure in Xinjiang and its neighborhood region

5 對稱性相關機理分析

5.1 新疆及鄰區MS≥7.0地震與太陽黑子活動的關系

許多學者對太陽黑子活動與地震之間的關系及其影響機制開展了研究[19-24]，但目前還處于假說階段。將新疆及鄰區發生強震事件所對應年份繪制于太陽黑子數量變化圖中（圖7），以便對新疆及鄰區地震活動與太陽黑子數的呼應關系開展研究，探索其中的某種聯系。自1902年至今11個太陽黑子活動的谷值區間范圍內，較集中地發生MS≥7.0地震。如果以1902年以來的24次地震MS≥7.0地震時間統計，在谷值區間發生MS≥7.0地震的概率為16/24=66.7%，說明該區域在太陽黑子數量的谷值區間范圍內發生強震有較大的可能性。同時，在太陽黑子峰值區間發生的地震均在雙周期，5次，分別是第14個周期的1906年地震、第18個周期的1946年和1949年地震、第22個周期的1990年和以及第24個周期的2014年地震。而自2009年起，太陽黑子活動進入第24個周期，目前正處于太陽黑子活動極大年附近，預計在2020年左右，達到本周期的太陽黑子數量谷值。依據前述內容所判斷出的新疆及鄰區未來發生強震信號最強的年份，2021年正處于第24周期的谷年附近，更進一步增強了趨勢判斷的可能性。

圖 7 太陽黑子活動與新疆及鄰區MS≥7.0地震時序分布Fig.7 Sunspot activity and MS≥7.0 earthquake sequence’s regional distribution in Xinjiang and its neighborhood region

5.2 新疆及鄰區MS≥7.0地震與地球自轉速度變化的關系

據學者研究，地球自轉速度的變化會引起地震帶上應力的重新分布[25]。故地震的發生與地球自轉速度變化有著一定的聯系，而發生在加速期或減速期與當地的構造條件有關[26]。圖8中，新疆及鄰區的地震發生在減速期有13次（3次地震發生年份相同），發生在加速期有11次（2次地震發生年份相同）；減速期地震概率54.2%，加速期地震概率45.8%（圖8）。可知地震發生在減速期的概率略大于加速期，且加速、減速相互轉換和持續的時間越長，發生地震的頻率越高，即發生地震的可能性就越大。

圖 8 地球自轉速度與新疆及鄰區MS≥7.0地震的關系Fig.8 The relationship between the rotation speed of the earth and MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its neighborhood region

6 結論

通過1902年以來新疆及鄰區MS≥7.0地震的可公度結構系、蝴蝶結構圖和震中經緯向遷移等時空對稱性分析，得出以下結論：

（1）可公度結構系和蝴蝶結構圖表明新疆及鄰區MS≥7.0地震具有較顯著的時間對稱性。利用三元、四元和五元可公度對稱法計算得出，在2016、2018和2021三年有強烈的地震災害信號。

（2）據蝴蝶結構圖研究得出新疆及鄰區2016年、2018年和2021年發生MS≥7.0地震的概率分別為52.6%、31.6%和68.4%，而可公度結構系進一步顯示2021年具有強烈的地震信號。

（3）地震震中對稱結構和震中空間經緯向遷移顯示新疆及鄰區MS≥7.0地震的空間緯向遷移和經向遷移的同步性和對稱性較好。其中緯向震中遷移和經向震中遷移的對稱軸分別在41.5oN、 81oE左右。地震震中呈現東北—西南的對稱分布，主要分布在一、三象限。未來地震震中可能向東北方向遷移，即在41.5oN以北，81oE以東。

（4） 新疆及鄰區MS≥7.0地震與地球自轉速度變化之間有一定的聯系，并與太陽黑子活動的相關性特征表現顯著。減速期的地震比加速期略多；且加速、減速相互轉換和持續的時間越長，發生地震的可能性就越大。地震較多地發生在太陽黑子谷年附近，而具有強烈地震信號的2021年正處于太陽黑子活動第24個周期的谷值區間范圍內。

基于可公度方法的新疆地區地震的趨勢預測已有學者開展研究[4,7],但是本文立足于新疆及其鄰區。因為新疆在地質構造上與哈薩克斯坦、俄羅斯等鄰區有著密不可分的關系，并且在相對獨立的地質區域上的地震災害預測更具有物理基礎支撐，更有規律可循。在該區域未來地震趨勢預測中，利用較成熟的可公度計算、蝴蝶結構圖等方法，并探討了該區域地震與地球自轉速度的對應關系。逐漸逼近地震三要素的預測內容，以期為今后新疆及鄰區地震趨勢的研究提供一定的數據支撐和方法基礎。但是為了力求更加完善，在地震發生與太陽黑子活動和地球自轉速度的物理機制方面以及空間對稱性與可公度的內在聯系等方面還有突破的空間，需要進一步探索研究。

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The Time-Space Symmetry and the Tendency Research of MS≥7.0 Earthquake in Xinjiang and Its Neigbourhood Region

XIAO Mei-mei1, YAN Jun-ping2, LI Guang-yao3
（1. College of Life & Geography Science, Qinghai Normal University, Qinghai Xining 810008，China；2. College of Tourism & Environment, Shanxi Normal University, Shanxi Xi’ an 710062, China；3. Sujiayuan School in Costal New-region of Tianjin, Tianjin 300282, China）

Based on MS≥7.0 earthquakes data of Xinjiang and its neighbourhood region from 1902 to 2014, this paper analyses and summarizes the rule of earthquake’ s time-space symmetry in this area, by using methods like commensurable calculation, map of butterfly structure and earthquake commensurable structure. The results show that the seismic signal of MS≥7.0 is strong in 2021, and the butterfly structure diagram shows that the probability of occurrence of MS≥7.0 earthquake in 2021 is 68.4%, the no missing confidence level is 65%; the earthquake epicenter may move to the northeast region in the future, the general spatial position is in the north of 41.5oN and east of 81oE. It is also found that MS≥7.0 earthquake concentrate near the valley years of sunspots, the solar activity is in the 24th sunspots cycle which is near the Great Years, and maybe in the valley year in 2020. Therefore the possibility of MS≥7.0 earthquake in Xinjiang and its adjacent region in 2021 is very strong. The earthquake of this region has a certain relationship with the rotation speed of the earth, and the possibility is higher in the deceleration phase, and the longer conversion, the more possible earthquakes happen. The research has value for enriching science of disaster and commensurability.

earthquake; Xinjiang and its neighbourhood region; time-space symmetry; commensurability; sunspots; the change of the rotation speed of the earth

P315.01

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.004

1674-8565（2017）01-0024-08

國家社會科學基金重點項目“西部重大災害時空規律的統計研究” （14AZD094）資助

2016-11-12

2017-01-14

肖美美(1991-)，女，重慶市人，碩士研究生，現主要從事環境演變方向的研究工作。E-mail: meimei_xiaofly@sina.com