一种新的地震预测方法在华南沿海地震带的检验与应用*

周 斌，阎春恒，李 蕾，陆丽娟，甘延锋，文 翔

(1.广西壮族自治区地震局，广西南宁530022;2.广西防震减灾与紧急救援办公室，广西南宁530022)

0 引言

构造地震特别是板内构造地震是地壳介质在应力场作用下破裂错动或已有断裂重新(破裂)错动的结果(荣代潞等，2006)。尽管国内外已提出了不少孕震理论与预测方法(傅承义，1963;McCann et al，1979;Sobolev et al，1991;Rundle et al，2000;Migna et al，2007)，但大多与岩石破裂力学过程脱节(秦四清等，2010a)。因此，基于岩石破裂失稳演化机理开展地震预测新理论和新方法的研究，是一种有益的探索。秦四清等(2010a)通过对孕震断层中锁固段的临界破坏—断裂力学及其蠕变过程的研究，提出了孕震断层多锁固段脆性破裂理论及包括地震震级、临界应变(对应发震时间)等预测方法。大量震例验证表明，应用该理论方法对强震构造区典型大震的回溯性预测中取得令人满意的结果(秦四清等，2010a～f，2011)。但该新的理论方法能否适用于中等—弱震构造区的地震预测，尚需进一步检验和讨论。

华南地区在新构造运动上属于比较稳定的块体，内部不发育明显的活动断裂和褶皱，只在沿海一带发育了少量的晚更新世活动断裂(张培震等，2002)，形成一条大致与海岸线平行的相对狭长的地震带，称之为华南沿海地震带。该地震带虽然发生过1604年福建泉州海外7级、1605年海南琼山7²级强震，但从频度看，对比于华北、西南、西北等地区，仍属少震区(魏柏林等，2001)。本文以华南沿海地震带为研究区，重点针对孕震断层多锁固段脆性破裂理论方法应用于中等—弱震构造区地震预测的适宜性问题进行了回溯性检验，并对各孕震空间区域未来的地震趋势进行了预测。本文研究成果不仅可为华南沿海地震带地震趋势研判提供重要的参考，而且对其它中等—弱震构造区的地震预测研究也具有借鉴意义。

1 孕震断层的多锁固段脆性破裂理论简介

地震源自于沿断层的滑动。Lei(2003)研究发现，断层的运动模式和地震活动性受断层中一个或多个锁固段所控制。锁固段(如断层中岩桥、障碍体或凸起体)可定义为在断层面上具有较高强度且在地震中释放较大地震矩的部位，一旦锁固段被突破，地震将不可避免地发生。

秦四清等(2010a)应用重正化群理论推导了锁固体在其体积膨胀起点的临界破坏概率，并基于材料脆性破坏的Weibull分布模型给出了单锁固体断裂点(地震发生)与体积膨胀起点位移或应变的表达式为

式中:Sf和Sc分别为对应锁固体断裂点与膨胀起点的应变或位移值;ξ为锁固体断裂点与膨胀起点的应变或位移值之比，其大小与孕震体的均匀性有关，秦四清等(2010a)认为，在室内缓慢加载试验条件下，ξ的平均值为1.48。锁固体变形到膨胀点时，微破裂会向未来的主破裂面丛集，在蠕变位移—时间曲线上表现为位移加速现象，因此Sc容易从蠕变位移—时间观测曲线上确定。由于沿断层面的深部滑动位移不能直接测量，累积Benioff应变可作为深部滑动位移的替代量(Steven，Lynn，1999)。

实际上一个孕震断层可能含多个锁固段。在式(1)的基础上，秦四清等(2010a)推导出适用于孕震断层中多锁固段破裂的临界应变的表达式，即

式中:Sf(k)为第k个锁固段断裂点的临界应变值(即将发生中强地震)，Sc为锁固体膨胀起点的应变值;ξ为每个锁固段断裂点与锁固体加速应变能释放起点的累积Benioff应变之比。式(2)表明，失稳点的临界应变与加速应变起点和锁固段的数目有关，而与锁固段的尺寸和强度无关。

需注意的是，Benioff应变计算依赖于一个地震周期内完整且准确的地震目录以及对孕震区域的准确识别，故观测和计算误差不可避免。为此秦四清等(2010a)提出一种估算Benioff应变误差的方法。若考虑应变误差Δ，那么加速应变起点和第一个锁固段断裂点的实际应变值分别为Sc+Δ和Sf(1)+Δ，其中Sc和Sf(1)为观测值。由式(3)可求得误差的表达式为

利用式(3)可对加速应变起点和各锁固段断裂点的应变观测值进行误差改正，得到其实际的应变值，以提高预测的精度。

2 研究方法

2.1 孕震空间区域的划分

应用孕震断层多锁固段脆性破裂理论方法对特定区域进行中强地震回溯性预测检验时，合理确定孕震空间区域至关重要，它涉及到地震目录建立、累计Benioff应变计算的边界范围等一系列问题。不同的划分方案，其结果会有所差异，甚至相去甚远，最终会影响到回溯性预测检验的效果。秦四清等(2010b)从潜在震源区划分的层次提出了确定孕震空间区域的原则，此原则应用于强震构造区是可行的，但对于华南沿海，若仍按照此原则确定孕震空间区域，难以满足地震统计样本量的需求，也难以满足孕震空间区域内震级分布合理性的要求。实际上，任何强震孕震空间的形成都不能完全归属于某一条活动断裂，即便该断裂或断裂的某一段是明确的控震构造，也必须由若干次级断裂和无数中小断裂的空间组合才能形成孕震体(王晋南，王华林，1998)。因此，针对中等或弱震构造区，孕震空间区域应该是指受一条大的活动构造带或一组现代构造应力条件和变形条件相似的构造带所控制，具有相同的地震活动周期，大致相同的孕育发展过程，空间上连接成带或相对集中的区域，同时该区域应满足地震统计样本量和震级分布合理性的要求。

华南沿海地震带在大地构造上属加里东褶皱带，该带晚古生代以来大部分为相对隆起区，中生代构造运动强烈，以断裂和断块活动为主，新生代以来断裂继续活动，形成一些断陷盆地。该带主要发育北东、北西和近东西向三组活动断裂，北东向活动断裂为主要的控震构造(任镇寰，罗振暖，1998)，中等强度以上地震一般发生在两组或三组断裂的交汇部位或新生代断陷盆地的边缘部位。华南沿海地震带在呈现出上述地震构造背景和地震活动特征相对一致性的同时，带内不同地区又表现出一定的差异性。首先，华南沿海地震带在地球动力环境上主要受菲律宾海板块北北西向俯冲挤压作用的影响，由于台湾附近欧亚大陆板块的逆向俯冲作用，致使菲律宾海板块传递的推力向华南内陆随着距离的增大而迅速减弱;其次，自燕山运动晚期以来，华南沿海地区发生了多期火山活动和岩浆侵入，现代构造运动比较强烈，最新一组北西向断裂也大多分布于沿海地区，而内陆地区则相对稳定;第三，华南沿海地震带地震活动强度和水平从沿海往内陆由强变弱，在地域上主要集中在东段的闽粤赣交界及近海地区和西段的粤桂琼交界及近海地区。因此，结合地震构造和地震活动性的差异性，并参考黄玮琼等(1998)的研究成果，本文采用了两种不同的孕震空间区域划分方案:(1)以三饶—陆丰断裂接莲花山断裂南段、珠外坳陷北缘穿越北部湾为界，把华南沿海地震带分为内、外两带;(2)以广东省阳山—从化—惠阳一线为界，把华南沿海地震带分为东、西两段。两种划分方案均能满足地震统计样本量和震级分布相对合理的要求。如图1所示，黑色实线所围范围为华南沿海地震带;蓝色虚线为华南沿海地震带内、外带分界线;红色虚线为华南沿海地震带东、西段分界线。

图1 华南沿海地震带孕震空间区域划分方案Fig.1 Area partition scheme of earthquake preparation space in the coastal seismic belt of Southern China

2.2 孕震周期起点及起算震级的确定

计算特定孕震空间区域的累计Benioff应变时，需要确定合理的孕震周期时间起点及起算震级。华南沿海地震带地震活动具有低潮期和高潮期交替出现的周期性特征，1400年以来的地震活动可划分为两个活动周期:1400～1710年为第一活动周期;1711年至今为第二活动周期，目前仍处于剩余释放阶段。由于历史原因，1400年以前的地震记载很少，难以划分更早的地震活动周期的时间界限，第一活动周期的起始时间是参照它与第二活动周期的界限而大体确定的(魏柏林等，2001)。因此，选用第二活动周期的起始时间作为累计Benioff应变的时间起点较为合理。前人研究结果表明，华南沿海地震带自1500年以后M≥43/4地震记载臻于完整(杨智娴等，1991;黄玮琼等，1994)。由lgN－M曲线可以看出，1711年以来华南沿海地震带M≥4.7地震相对完整、可靠，可以作为累计Benioff应变计算的震级下限(图2)。

图2 1711年以来华南沿海地震带lgN－M曲线Fig.2 The lgN－M curve of the coastal seismic belt of Southern China since 1711

2.3 回溯性预测检验方法

孕震断层多锁固段脆性破裂预测理论包含两方面的核心内容:一是对于含多个锁固段的孕震断层，每个锁固段断裂点与加速应变能释放起点的累积Benioff应变之比，有着依赖于锁固段个数的指数律关系，这是普适性的规律;二是对于不同地区而言，指数函数的底数均可取1.48。因此，运用该理论对华南沿海地震带进行回溯性预测检验时，指数律关系和指数函数底数值1.48的普适性应该是检验的重点。本文在秦四清等(2010a～f，2011)提出的预测思路的基础上，进行了适当的改进，采用如下方法进行回溯性预测检验。

(1)根据中国地震局监测预报司预报管理处最新整编的《中国地震目录》(公元前23世纪～2010年5月)①中国地震局监测预报司预报管理处.2010.《中国地震目录》(公元前23世纪—2010年5月).、2010年6月以来中国地震台网中心地震目录和部分越南历史地震目录②广东省地震局测震研究室.1986.琼北及其影响区地震活动性研究.，编制了1711年以来华南沿海地震带M≥4.7地震目录。为保证地震事件的相对独立性，同时考虑强余震对累积Benioff应变的影响，删除弱余震，保留M≥6强余震。并结合上述孕震空间区域划分方案，将地震目录分解成华南沿海地震带内、外带和东、西段4个特定孕震空间区域的地震目录。

(2)对每个特定的孕震空间区域，分别计算其累积Benioff应变曲线，并结合中强地震和震群事件发生的情况，判识孕震断层应变能加速释放起点和各锁固段断裂点。

(3)确定ξ的取值(初步试算取1.48，后续计算取第(5)步中的修正值)，利用(3)式求解累计Benioff应变误差(或称背景误差)Δ，对加速应变起点Sc和各锁固段断裂点Sf(k)的应变观测值进行误差改正，得到其实际的应变值Sc+Δ和Sf(k)+Δ。

(4)由于加速应变起点和第一个锁固段断裂点的累计Benioff应变值已经自然满足指数律关系，因此可以从第一个锁固段断裂点开始，利用下式对后续锁固段断裂点进行回溯性预测检验:

(5)若第(4)步回溯性预测检验过程中，大部分被检验锁固段断裂点的实际应变观测值与实际应变预测值之间的相对误差γ＞5%，则重新修正ξ值，重复(3)、(4)步。若绝大部分锁固段断裂点通过相对误差γ≤5%置信水平的检验，则直接跳到第(7)步。

(6)若经反复试算绝大部分锁固段断裂点仍未通过相对误差γ≤5%置信水平的检验，则重新判识孕震断层应变能加速释放的起点和各锁固段断裂点，重复(2)至(5)步。

(7)利用特定孕震空间区域的累计Benioff应变趋势拟合曲线，结合当前累计Benioff应变值，对未来可能发生的中强地震进行预测。

3 检验结果与预测应用

华南沿海地震带是华南地区中强地震活动的主体，历史上几乎所有的M≥6地震都集中在该区域。自1711年以来，华南沿海地震带共记载(记录)M≥4.7地震92次，其中4.7～4.9级32次，5.0～5.9级43次，6.0～6.9级15次，7.0～7.9级2次，最大地震为1918年2月13日广东南澳7.3级和1994年9月16日南海东沙群岛7.3级地震(图1)。本文利用以上地震目录，对华南沿海地震带4个孕震空间区域的中强地震活动进行了回溯性预测检验。经过多轮计算结果的对比分析，确定了各孕震空间区域的ξ值和累积Benioff应变误差Δ(表1)。为便于表述，后文均使用经过误差校正后的累积Benioff应变进行分析讨论，即:Sc表示经过误差校正后加速应变能释放起点的实际应变值，相当于前文中的Sc+Δ;(k)表示经过误差校正后第k个锁固段断裂点的实际应变值，相当于前文中的(k)表示经过误差校正后第k个锁固段断裂点的实际应变预测值，相当于前文中的(k)+Δ。

表1 华南沿海地震带中强地震回溯性预测检验参数Tab.1 Parameters used in retrospective prediction and test for medium-strong earthquakes in the coastal seismic belt of Southern China

3.1 华南沿海地震带内带

华南沿海地震带内带的整体地震活动水平较低，自1711年以来，共记载(记录)M≥4.7地震52次，其中4.7～4.9级24次，5.0～5.9级22次，6.0～6.9级6次，最大为1936年4月1日广西灵山63/4级地震，此次地震也是华南内陆有历史记载以来最大的地震。回溯性预测检验结果显示:以1778年10月29日广西北流5级地震作为加速应变能释放的起点Sc(累计Benioff应变为0.306×108J1/2)，依次可预测各锁固段断裂点(1)、S*f(2)、(3)、(4)、(5)的累计Benioff应变分别为0.419×108J1/2、0.587×108J1/2、0.821×108J1/2、1.150 ×108J1/2、1.610 ×108J1/2，实际上在累计 Benioff应变分别为 0.419×108J1/2、0.590×108J1/2、0.824 ×108J1/2、1.147 ×108J1/2、1.617×108J1/2时发生了1806年1月11日江西会昌6级、1890年8月29日广西陆川6级、1921年3月19日广东南澳西北6级、1936年4月1日广西灵山63/4级和1969年7月26日广东阳江6.4级地震。5个被检验锁固段断裂点的实际应变观测值与实际应变预测值的相对误差γ平均为0.32%、最大为0.58%，全部通过γ≤5%置信水平的检验。进一步预测下一个锁固段断裂点(6)的累计Benioff应变为2.254×108J1/2，目前已经累积了1.755×108J1/2，还差0.499×108J1/2(相当于1次7.0级地震)，据拟合趋势外推结果估计，华南沿海地震带内带可能在2035年左右达到新的锁固段断裂条件(图3a)。

3.2 华南沿海地震带外带

华南沿海地震带外带是华南及近海地震活动水平最高的地区，自1711年以来，共记载(记录)M≥4.7地震40次，其中4.7～4.9级8次，5.0～5.9级21次，6.0～6.9级9次，7.0～7.9级2次，最大为1918年2月13日广东南澳7.3级地震和1994年9月16日南海东沙群岛7.3级地震。回溯性预测检验结果显示:以1874年6月23日广东担杆岛53/4级地震作为加速应变能释放的起点Sc(累计Benioff应变为0.765×108J1/2)，依次预测锁固段断裂点(1)、(2)的累计Benioff应变值分别为1.033×108J1/2、1.395×108J1/2，在其实际应变预测值附近分别发生了2组6级地震，一组是1878年11月23日福建东山海外6²级和1881年6月18日台湾海峡6级地震，另一组是1906年3月28日福建厦门海外6级地震和1911年5月15日广东海丰6级地震;继续预测锁固段断裂点S*f(3)的累计Benioff应变为1.883×108J1/2，而实际上在累计Benioff应变为2.151×108J1/2时发生1918年2月13日广东南澳7.3级地震，由于实际应变观测值与应变预测值之间的相对误差γ＞5%，因此认为第3个锁固段断裂点未通过检验。以(3)实际断裂点作为新一轮加速应变能释放的

3.3 华南沿海地震带西段

华南沿海地震带西段自1711年以来，共记载(记录)M≥4.7地震35次，其中4.7～4.9级11次，5.0～5.9级18次，6.0～6.9级6次，最大为1936年4月1日广西灵山63/4级地震。回溯性预测检验结果显示:以1871年6月26日琼州海峡5级地震作为加速应变能释放的起点Sc(累计Benioff应变为0.129×108J1/2)，依次预测锁固段断裂点(1)、(2)、(3)的累计Benioff应变值分别为0.180×108J1/2、0.252×108J1/2、0.353×108J1/2，在实际累计Benioff应变为0.180×108J1/2、0.260×108J1/2时发生了1874年6月23日广东省担杆岛53/4级地震和1890年8月29日广西陆川6级地震，在实际累计Benioff应变为0.340×108J1/2附近，集中发生了1899年广西武宣5级、1903年越南荣市5.2级、1905年广东澳门外海5级、1911年广西贵港5级和1913年海南省琼山5级共5次M≥5地震。继续预测锁固段断裂点(4)的累计Benioff应变为0.484×108J1/2，而实际上在累计Benioff应变为0.676×108J1/2时发生1931年9月21日南海63/4级地震，由于实际应变观测值与应变预测值之间的相对误差γ＞5%，因此认为该锁固段断裂点未通过检验。继续以第4个锁固段断裂点做为新一轮加速应变能释放的起点，预测锁固段断裂点(5)、(6)的累计Benioff应变为0.946×108J1/2、1.324×108J1/2，实际累计Benioff应变分别为0.975×108J1/2、1.364 ×108J1/2时发生了1936年4月1日广西灵山63/4级地震和1994年12月31日北部湾6.1级地震。6个锁固段断裂点中有5个通过相对误差γ≤5%置信水平的回溯性预测检验，5个通过检验点的相对误差γ平均为2.53%、最大为3.65%。进一步预测下一个锁固段断裂点(7)的累计Benioff应变为1.854×108J1/2，目前已经累积了1.508×108J1/2，还差0.346×108J1/2(相当于1次6.9级地震)，据拟合趋势外推结果估计，华南沿海地震带西段可能在2020年左右达到新的锁固段断裂条件(图3c)。

3.4 华南沿海地震带东段

华南沿海地震带东段自1711年以来，共记载(记录)M≥4.7地震57次，其中4.7～4.9级21次，5.0～5.9级25次，6.0～6.9级9次，7.0～7.9级2次，最大为1918年2月13日广东南澳7.3级地震和1994年9月16日南海东沙群岛7.3级地震。回溯性预测检验结果显示:以1806年1月11日江西会昌6级地震作为加速应变能释放的起点Sc(累计Benioff应变为1.031×108J1/2)，依次预测锁固段断裂点(1)、(2)的累计Benioff应变值为1.341×108J1/2、1.743 ×108J1/2，在其实际应变预测值附近分别发生了2组6级地震，一组是1878年11月23日福建东山海外6²级和1881年6月18日台湾海峡6级地震，另一组是1906年3月28日福建厦门海外6级地震和1911年5月15日广东海丰6级地震。继续预测锁固段断裂点(3)的累计Benioff应变为2.267×108J1/2，在实际累计Benioff应变为2.467×108J1/2时发生1918年2月13日广东南澳7.3级地震，由于实际应变观测值与应变预测值之间的相对误差γ＞5%，因此认为该锁固段断裂点未通过检验。继续以第3个锁固段断裂点做为新一轮加速应变能释放的起点，预测锁固段断裂点(4)、(5)的累计Benioff应变为3.201×108J1/2、4.169×108J1/2，在实际累计Benioff应变分别为3.184×108J1/2、4.167×108J1/2时发生了1962年3月19日广东河源6.1级地震和1994年9月16日南海东沙群岛7.3级地震。5个锁固段断裂点中有4个通过相对误差γ≤5%置信水平的回溯性预测检验，4个通过检验点的相对误差平均为0.76%、最大为2.30%。进一步预测下一个锁固段断裂点(6)的累计Benioff应变为 5.420×108J1/2，目前已经累积了4.296×108J1/2，还差1.124×108J1/2(相当于1次7.5级地震)，据拟合趋势外推结果估计，华南沿海地震带东段可能在2027年左右达到新的锁固段断裂条件(图3d)。

图3 华南沿海地震带内带(a)，外带(b)，西段(c)，东段(d)累积Benioff应变—时间曲线Fig.3 Cumulative Benioff strain-time curve of inner zone(a)，outer zone(b)，west segment(c)，east segment(d)in the coastal seismic belt of Southern China

4 结论与讨论

(1)依据孕震断层多锁固段脆性破裂理论及改进的回溯性预测检验方法，对华南沿海地震带内带、外带、西段、东段4个孕震空间区域进行了中强地震回溯性检验，21个锁固段断裂点中有18个通过了相对误差γ≤5%置信水平的检验，通过率86%。特别是地震活动水平较弱的华南沿海地震带内带，5个被检验锁固段断裂点的实际应变观测值均十分接近预测值，最大相对误差为0.58%。这说明对于华南沿海地震带这样的中等—弱震构造区，孕震断层多锁固段断裂点与加速应变能释放起点的累积Benioff应变之比，基本符合依赖于锁固段个数的指数律关系，证实了对于特定孕震区内的任何破裂都是有联系的，任何事件都不是孤立发生的，都与锁固体在不同变形阶段的破裂过程密切相关。

(2)在中强地震回溯性检验的基础上，给出了4个孕震空间区域未来强震的临界应变值、可能的发震时间和根据临界Benioff应变与当前Benioff应变的差值估算的震级。在应用于地震综合预测时，还必须充分考虑研究区地震活动的时间不均匀性。未来百年内，华南沿海地震带将处在本活动期的剩余释放阶段和下一活动期的前期，各孕震空间区域可能不是以1次7级左右地震的形式集中释放，而是以多次5～6级地震的形式释放掉积累的能量。

(3)回溯性预测检验结果表明，华南沿海地震带内带、外带、西段、东段的ξ值分别取1.40、1.35、1.40和1.30时，才能使绝大部份锁固段断裂点通过相对误差γ≤5%置信水平的检验。华南沿海地震带的ξ值与秦四清等(2010a)推算的平均值1.48存在差别，可能与以下因素有关:一是不同研究区地壳介质均匀程度的差异。对于特定的孕震区域，ξ的大小取决于地壳介质的均匀程度，介质越均匀，ξ也就越高。华南沿海地震带地质历史上遭受多期构造运动的改造，地壳介质比较破碎、均匀程度较差，故ξ较低。二是地质环境与实验室条件的差异。秦四清等(2010a)依据室内缓慢加载试验条件下得出的岩样均匀性指标，推算出ξ的平均值为1.48，而实际上地震的演化过程是一个长期过程，可长达数百年乃至数千年，地壳岩石的加载速率远低于室内岩样。三是地震目录的缺失也可能对ξ产生影响。

(4)虽然本文以华南沿海地震带为剖析的对象，针对孕震断层多锁固段脆性破裂理论方法应用于中等—弱震构造区的适宜性问题进行了讨论，也得到一些初步的认识，但由于研究对象比较单一，所以这些认识很可能是片面性的，能否推广应用到其他中等—弱震构造区，还需进一步开展深入研究和应用检验。

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