基于Benioff應(yīng)變能量釋放對郯廬地震帶中南段未來地震活動活動分析

陳德興 邱劍鋒

（1.滁州市地震局，安徽滁州 239000；2.安徽大學(xué)，安徽合肥 230000）

0.引言

由于受多種復(fù)雜因素的影響，如何準(zhǔn)確地對地震發(fā)生的機(jī)理進(jìn)行研究，并對未來的可能發(fā)生的地震進(jìn)行預(yù)測已經(jīng)成為世界性難題之一。地震的破壞性已經(jīng)給國家和人民生命財產(chǎn)帶來重大及難以挽回的損失。地震預(yù)測是減少地震損失的有效方法之一，其目的是通過對已有的歷史數(shù)據(jù)分析，以達(dá)到來未來地震可能發(fā)生的時間、地點(diǎn)和震級的一個較為準(zhǔn)確的判斷。因此，有效的地震預(yù)測方法可以極大地降低地震的破壞性，對國家和社會具有重要意義[1-3]。累積Benioff 應(yīng)變與地震活動之間的依賴關(guān)系近年來成為眾多學(xué)者的所關(guān)注的熱點(diǎn)之一。蔣長勝等[4]利用 Benioff應(yīng)變釋放對中國及周邊地區(qū)未來10年的7級以上地震規(guī)律做出預(yù)測；倪紅玉等[5]在“地震應(yīng)變加速釋放模型在華東地區(qū)應(yīng)用”一文中提到在蘇魯皖及南黃海地區(qū)5級以上地震的地震應(yīng)變加速釋放與時間之間的關(guān)系進(jìn)行分析比較，從而對該地區(qū)中強(qiáng)地震活動特征進(jìn)行總結(jié)和比較；鄭建常等[6]利用華北地區(qū)各地震帶的 Benioff 應(yīng)變累積釋放序列，對各地震帶未來1～3年的應(yīng)變釋放能量及相應(yīng)的震級進(jìn)行預(yù)測。

張毅等[7]從重磁場分析的角度表明2008年以來郯廬斷裂帶中南端地震活動趨于活躍；2019年之后中國地震局進(jìn)行地震趨勢綜合分析，明確提出“蘇魯皖交界至南黃海”為全國重點(diǎn)危險區(qū)之一，未來郯廬地震帶中南段地震危險性有升高趨勢[8]。2011年以來該區(qū)域相繼發(fā)生安慶4.8級、桐城3.6級、九江4.6級、合肥長豐3.2級、六安4.3級、天長3.0級和定遠(yuǎn)3.3級等多次中等強(qiáng)度地震，中等地震活動水平較前期顯著增強(qiáng)并持續(xù)活躍。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，通過搭建Benioff能量應(yīng)變釋放模型，基于各種方程及公式對模型進(jìn)行綜合比較研判，以對目標(biāo)區(qū)域?qū)淼牡卣鸢l(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行綜合研判。

1.資料選取及數(shù)據(jù)處理

1.1 地震資料的選取

在郯廬斷裂帶中南段地震活動水平主要受地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力變化控制，一直以來都是蘇、魯、皖等省所關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域。由于受各種不同的北東向構(gòu)造影響和控制作用，該目標(biāo)區(qū)域受不同構(gòu)造單元控制差異性較大，從而導(dǎo)致其不同部位應(yīng)力累計情況不同。

根據(jù)國家相關(guān)研究部門所提供的數(shù)據(jù)資料，利用最小二乘法對1897—2021年郯廬地震帶中南段的地震活動情況進(jìn)行震級-頻度關(guān)系的線性擬合得到該區(qū)域ML≥4.0震中分布圖，如圖1所示。

圖1 郯廬斷裂帶地震震中分布圖（19701.1-2021.12.27，ML≥4.0）

1.2 Benioff應(yīng)變累積釋放序列的計算

對研究時段內(nèi)郯廬地震帶中南段內(nèi)的相應(yīng)地震情況根據(jù)震級MS，依次計算面波震級ML，地震矩M0，地震能量E及Benioff能量值。本文采用國家地震局震害防御司提供的換算公式ML=(Ms+1.08)/1.13。對第i次地震，其Benioff累積應(yīng)變值為：

由此構(gòu)造郯廬地震帶中南段1897-2021年間Benioff能量累積變化序列，如圖2所示。

圖2 郯廬地震帶中南段1897—2021年Benioff能量累積變化曲線圖

2.原理與模型

2.1 對Benioff能量累計變化趨勢的相關(guān)研究

根據(jù)地球物理場研究表明，地球的能量釋放是有其自身規(guī)律；將地震的樣本數(shù)據(jù)看成大致符合某一概率分布模式，盡管存在一定的不確定性，但這種不確定性通常可以由地震的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行估計，在利用樣本數(shù)據(jù)建立概率模型的基礎(chǔ)上，最終利用該模型對研究區(qū)域未來地震活動進(jìn)行預(yù)測和危險性評估。因此本文在假設(shè)地震帶能量釋放保持現(xiàn)有速率不變的情況下，采用各種不同的數(shù)學(xué)模型，對目標(biāo)區(qū)域1970—2021年的地震能量釋放進(jìn)行定量計算，對未來1～3年內(nèi)Benioff應(yīng)變釋放量進(jìn)行預(yù)測，以探討該區(qū)域今后地震可能發(fā)生的情況。

2.2 利用非線性方程構(gòu)建目標(biāo)研究模型

為了準(zhǔn)確地反映Benioff應(yīng)變值與時間的對應(yīng)變化，本次研究通過以各種非線性方程對已有的Benioff應(yīng)力積累序列加以擬合，以對目標(biāo)區(qū)地震變化情況做出判斷。

（1）多項式擬合。其擬合方程表示為：

（2）高斯擬合。其擬合方程表示為：

（3）指數(shù)函數(shù)擬合。假定地震能量的釋放和累計是以指數(shù)函數(shù)的形式遞減或快速增長，其擬合方程一般表示為：

（4）傅立葉函數(shù)擬合。利用傅立葉級數(shù)展開的形式對目標(biāo)集進(jìn)行數(shù)學(xué)極值擬合，其擬合方程的形式為：

3.實(shí)驗結(jié)果與分析

對郯廬地震帶中南段1897—2021年累積Benioff應(yīng)變釋放序列進(jìn)行擬合分析，為了剔除1975年遼寧海城7.3級地震對地震帶的影響，我們以1897年為初始年份，進(jìn)行趨勢擬合分析。圖3所示為1897—2021年郯廬地震帶中南段3級以上累積Benioff應(yīng)變釋放序列圖。

圖3 郯廬地震帶中南段1897—2021年Benioff累積應(yīng)變釋放序列

3.1 Benioff累積應(yīng)變趨勢擬合對郯廬地震帶中南段已有震例的檢驗

我們選取郯廬斷裂帶中南段1979—2021年的能量累計釋放序列，利用各種擬合方程對目標(biāo)集進(jìn)行趨勢比較判斷，以對將來一段時間內(nèi)的地震能量釋放及活動性極值進(jìn)行驗證，驗證的結(jié)果見表1。

表1 對郯廬地震帶中南段應(yīng)變釋放趨勢驗證結(jié)果（2011—2021年）

3.2 Benioff累積應(yīng)變趨勢擬合對郯廬地震帶中南段未來地震活動的分析預(yù)測

基于上述結(jié)論，利用不同的非線性函數(shù)對已有的Benioff累積應(yīng)變釋放序列（1979—2021年）進(jìn)行趨勢擬合分析，并根據(jù)震級頻度關(guān)系進(jìn)行最大震級預(yù)測，結(jié)果如表2所示，未來1～3年趨勢預(yù)測如圖4～圖7所示。

表2 郯廬地震帶中南段Benioff累積應(yīng)變趨勢擬合分析及未來1～3年預(yù)測結(jié)果

圖4 多項式擬合預(yù)測結(jié)果

圖5 傅立葉函數(shù)擬合預(yù)測結(jié)果

圖6 高斯函數(shù)擬合預(yù)測結(jié)果

圖7 指數(shù)函數(shù)擬合預(yù)測結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗結(jié)果，利用多項式、傅立葉函數(shù)及高斯函數(shù)的擬合結(jié)果能夠更好地反映郯廬地震帶中南段未來1～3年Benioff累積應(yīng)變釋放的變化趨勢，得到如下結(jié)論：未來3年郯廬地震帶中南段存在發(fā)生ML6.1～6.7級地震背景。

4.研究結(jié)論

根據(jù)地球物理場研究結(jié)果，假定在構(gòu)造帶邊界能量釋放在一定時期內(nèi)不發(fā)生大的變化的情況下，從地球動力學(xué)角度，認(rèn)為該區(qū)域的應(yīng)力場處于某一區(qū)間范圍內(nèi)，據(jù)此對其釋放的累積Benioff應(yīng)變，采用不同的非線性方程對其進(jìn)行比較擬合分析，并對已有震例的驗證和對未來最大震級進(jìn)行了估計。據(jù)此，我們對未來1～3年郯廬地震帶中南段活動趨勢給出如下判定：郯廬地震帶中南段未來1～3年仍有發(fā)生Ms 6.0以上地震可能。