基于Molchan模型的乌恰地震窗预测效能评价

基于Molchan模型的乌恰地震窗预测效能评价
张琳琳;敖雪明
【摘要】选取2008年1月～2017年6月新疆乌恰单台小震记录数据,分析了在S-P≤10 s范围内ML≥1.0的小震月频度的变化及其与研究区内中强地震的对应关系.同时基于Molchan模型对乌恰地震窗预测效能进行评价,主要研究结果:(1)当乌恰地震窗小震月频度≥175次/月,即出现异常高值时,多数3个月内其后均有
Ms≥6.3强震发生(2)小震月频度的异常形态表现为高值—发震或高值—低值—发震.(3)基于Molchan模型对乌恰地震窗的预测效能进行评价,结果较好,研究结果可以为新疆南天山西段震情趋势研判提供参考依据.
【期刊名称】《内陆地震》
【年(卷),期】2019(033)001
【总页数】6页(P8-13)
【关键词】Molchan模型;乌恰地震窗;效能评价
【作者】张琳琳;敖雪明
【作者单位】新疆维吾尔自治区地震局,新疆乌鲁木齐830011;新疆维吾尔自治区地震局,新疆乌鲁木齐830011
【正文语种】中文
【中图分类】P315.7
“地震窗”主要是基于区域应力场来表现震源应力场的变化，从而通过地震窗窗口
内的应力变化来进行中强地震的预测[1]。

地震窗口内小震活动的异常变化可以被看作一种窗口效应。

国内许多学者采用地震窗方法对不同研究区域开展了相应的研究，并取得了一定的成果[2]。

地震窗的研究主要是分析窗口内小震或微震频次异常与相应区域内中强地震之间的对应关系、窗口内地震序列的构造应力背景和视应力在中强地震发生前后的显著变化等[3-4]。

但是地震窗范围大小的选取和开窗指标的确定因区域不同而存在一定的差异。

薛丁等分别对海城和邢台地震窗的异常指标进行提取分析并对其预报效能进行评价。

结果显示，地震窗口的小震月频次异常特征具有相对高的预测效能[5-6]。

近年Molchan模型在地震预测指标上的检验和应用研究越来越多，孙丽娜等使用Molchan图表法对华北地区改进后的图像信息学PI算法进行统计检验，结果表明，改进后的PI 算法在地震趋势分析和长期预测方面有较好的应用潜力[7]。

蒋长胜等采用Molchan图表法对地震概率预测进行统计检验和分析，结果表明，Molchan图表法可以通过α(显著性水平)和Gain(概率增益)两个参数对概率预测模型的效能进行有效地评价[8]。

乌恰地震窗位于南天山西段的喀什—乌恰交汇区，该区域是中强地震的集中活动区，该构造区位于塔里木、南天山、西昆仑3个大的构造单元交汇的部位。

区域内主要有近EW、NW向2组活动断裂，近EW向主要为掩冲及推覆构造，NW向多为右旋逆走滑断裂。

卡兹克阿尔特断裂是区内一条EW向的大型断裂，该断裂位于新疆地壳形变量最大的区域。

此处小震活动反映区内断裂构造活动[9]。

乌恰地震窗的选取是以乌恰单台为中心，研究时段为2008年1月～2017年6月，对乌恰单台记录的范围内ML≥1.0小地震资料进行分析和研究，主要是对地震窗口内小震的月频次进行整理和筛选，但是对于其预测效能的统计检验研究较少。

因此，基于Molchan模型对乌恰地震窗预测效能进行评价，从而确定乌恰地震窗的开窗指标，为地震趋势研判提供参考依据。

1 研究资料与方法
1.1 研究资料
自2008年以来，乌恰地震台开始进行数字化记录，本文中采用的研究数据取自乌恰单台记录的数字化微震及小震资料。

研究时段为2008年1月～2017年6月，新疆乌恰及其附近地区为选取的研究区范围，乌恰地震窗开窗指标中震级的选取主要依据研究区的监测能力和参考前人的部分研究成果，乌恰地震窗映震范围内中强地震的地震参数来自中国地震台网分析数据结果。

将乌恰地震窗口所对应的中强地震统计规定如下：若对应中强地震为主—余型地震则仅取其主震作为相应地震，而当中强地震类型为震群型或双震型时，则取震群中最大地震或双震的第1个地震作为其一次大震事件。

1.2 研究方法
自20世纪80～90年代开始，Molchan图表法(Molchan Error Diagram)对已实施的经验性地震预报进行总结分析，主要针对相应研究区中中强地震发震时间这一要素进行分析总结，是一种用于概率解释的统计检验方法[7-8](图1)。

该方法主要涉及的变量为：
图1 Molchan图表法示意图Fig.1 Schematic diagram of Molchan graphology
h—地震预报准数：地震预报准的数量/研究区相应网格数量；
H—地震预报准概率：地震预报准的数量/研究区相应网格数量和实际发震的总数量/所占研究区网格数量之和的比率；
υ—地震漏报概率：即漏报的地震数量/研究区相应网格数量和实际发震的总数量/所占研究区网格数量之和的比率；
τ—地震异常时间和空间的占有比率：达到发震预测指标的时空大小与研究区整体时空大小之比。

Molchan图表法主要使用异常的时空占有概率(τ)和漏报概率(υ)两个变量来进行评
价统计，在最高报准率(υ→0)下异常时空占有率最低(τ→0)即对应最佳的预测效能。

异常占有率(τ)在分析处理过程中需进行加权分析，权重大小因地震预测检验方法
或需求不同而有所差异[8]。

Molchan图表法的概率增益被定义为，
(1)
概率增益Gain值在图表中即被表征为(τ，υ)与(0，1)之间连线的斜率，若当连线
为(0，1)至(1，0)的直线时Gain=1，则表示该预测方法不具备统计显著性。

将τ～υ曲线绘制到Molchan图表中，其中，异常的时空占有概率(τ)的取值范围为0～1，漏报概率(υ)的取值范围为0～1。

可以通过比较τ=0和υ=0的两条Molchan图表边界线与(τ，υ)曲线之间所包围的面积大小对映震效果进行评价分析，面积越小则表明映震结果越好。

地震预报准数变量所对应的显著性水平也应作为考虑因素之一[7-8]。

如果将研究区G划分成尺寸大小相等、形状和位置不重叠的子区域(Gi，i一1，…，k)，加权后的“地震异常时间和空间的占有比率”rw则可表示为[8],
(2)
式中，k为子区域数量，Wi为子区域i的加权值。

此处的Wi值的表示方式可以因预测方法和研究目标的不同而存在差别，如采用子区域面积之比[8],
Wi=子区域的面积/研究区总面积 .
(3)
或采用研究区G内中强地震的对应概率,
Wi=λ(Gi)/λ(G) .
(4)
近些年来各类基于数字模型和物理学进行地震预测预报研究的方法逐渐增多，新方法的出现和应用为地震趋势背景判定和震情跟踪研究提供了较好的参考依据，虽然目前“地震确定性预报”仍旧很难，但是“地震概率性的预测”仍有比较可行的前景[10]。

2 乌恰地震窗的映震分析
以乌恰地震台为中心，分析范围内ML≥1.0地震数据资料，然后系统分析与研究地震窗口内小震月频度与研究区域内中强地震之间的关系，由于最终所获得的小震月频度异常特征对应地震效果较好，况且能通过相应的统计检验，因此，被称作为乌恰地震窗或乌恰窗[11]。

通过分析2008年1月～2017年6月乌恰地震窗口内ML1.0以上地震月频次的大小及其在相应研究区域内的映震效能[11]，根据历史震例分析和异常的最佳对应原则对乌恰地震窗的异常指标进行选取和确定。

图2结果显示出，乌恰地震窗小震月频度相对比较高，其值多数在小于175次/月的范围内随机波动，但是乌恰地震窗窗口内小震月频度曲线上有9个数值点>175次/月，此异常出现后，均有MS≥6.3中强以上地震在1～3个月内对应发生。

乌恰地震窗异常对应的9次中强以上地震震中位置分别位于天山和昆仑山地区，其中天山地震带及其附近区域6次，而昆仑山地区3次，小震月频次异常特征量以及所对应中强以上地震参数见表1。

以更好的表征映震效果的差别即最大限度突出地震窗的异常，最后获取地震窗异常判定指标：将175次作为ML1.0以上小震月频度的阈值，即N≥175次/月则作为异常，异常对应中强以上地震震级为：MS≥6.3。

采用地震窗进行目标地震的地点判定的确定性一般，只能根据震例总结分析，地震窗异常的映震范围多数为其附近区域，但是具体范围的大小还难以判定。

乌恰地震窗所对应9次中强以上地震震中距离在70～830 km范围内变化，其中5次对应地震的震中距为350 km范围以内。

根据乌恰窗的小震月频度资料异常与中强以上地震对应情况分析，
9组地震窗异常对应了9次中强以上地震，异常对应率高。

依据许绍燮的地震预报能力评分方法[12]，对乌恰地震窗窗口异常进行R值评分检验，R值评分为0.8，高于具有97.5%的置信度水平的R值，表明该方法具有较高的短期预报效能。

图2 乌恰地震窗内小震月频度及其映震关系图(MS≥6.3)Fig.2 Corresponding relationship between small earthquake frequency of Wuqia earthquake windowa nd strong earthquakes (MS≥6.3)表1 乌恰地震窗内小震月频度异常与映震关系表(MS≥6.3)
异常时间T1(年-月)对应地震发震时间T2(年-月-日)地点φN(°)λE(°)震级(MS)T2-
T1/月距离/km2008-012008-03-21于田35.881.437.31.76502008-062008-
10-05乌恰39.4574.036.83.2702012-062012-06-30新源
43.4384.776.608302012-122013-01-29哈萨克斯坦
42.6279.636.31.04202013-11～122014-02-12于田36.1282.57.31.47102015-052015-07-03皮山37.678.26.51.13502015-10～112015-12-07塔吉克斯坦
38.0572.977.40.22702016-052016-06-26吉尔吉斯斯坦
39.473.36.71.01702016-082016-11-25阿克陶39.274.16.73.8117
3 基于Molchan模型的乌恰地震窗预报效能评价
首先将2008年以来乌恰地震窗的小震月频度数据以及所对应中强以上地震进行整理；接着基于Matlab程序进行小震月频度数据和所对应地震之间的关系进行分析；然后在统计检验时，可以根据映震时间的长短进行不同开窗指标的验证；最后获取用于绘制Molchan检验图的数据，同时依据地震漏报概率和预报地震时空占有概率之间的比率大小进行效能评价。

图3 乌恰地震窗Molchan检验效果图Fig.3 Molchan checkout effect for Wuqia earthquake window
当Gain=1时，则表示预测方法无统计显著性。

预测效果通过比较τ=0和υ=0的
2条Molchan图表边界线与(τ，υ)曲线之间所包围的面积大小进行评价分析，面
积越小则表明映震效果越好。

由图3可以看出，(τ，υ)曲线与Molchan图表的边界线τ=0和υ=0所包围的面积多数位于Gain=2以左的范围内，预测效果相对较好。

同时结合上述R值评分检验结果，分析认为，乌恰地震窗预报效能较好，可
以将其作为中短期异常指标进行日常跟踪。

4 结论与讨论
(1) 以乌恰单台为中心，选取范围内的ML≥1.0小地震的月频度，当小震月频度
≥175则构成异常。

2008年以来乌恰地震窗小震月频度共出现异常次数为10次，其中有两次异常可以看作1组，其中9组异常结束后研究区域内均有MS6.3以上地震相对应发生，异常结束后中强以上地震发震的优势时间为3个月以内，优势
发震区域为：南天山西段和西昆仑。

(2) 遵循地震预测研究中“源的过程追踪和场的动态监视”这一科学思想，潜在震源区随着局部应力场增强逐渐成为应力聚集点，而乌恰地震窗背景介质的破碎度随之增加而出现小震活动增强现象，多数存在原地重复性特征，即多组的小震集中活动的异常，从而反应地震的孕育和发生，通过乌恰地震窗的异常特征可以判断南天山西段和西昆仑地区地震发震时间，但对震中具体位置不好判定。

导致局部应力场增强的原因较多，如大震应力触发、地震构造活动等[11,13]。

(3) 基于Molchan模型的乌恰地震窗预报效能评价结果表明，乌恰地震窗预报效
能相对较好，可以将其作为中短期异常指标进行日常跟踪。

基于Molchan模型对乌恰地震窗的检验属于初步尝试研究，一些参数的设置需要经过不断的调试进行完善，如开窗指标的条件和时间，这些参数都需要经过对不同地震窗预测效能的检验评价进行总结。

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