The Relationship between the Yinchuan Seismic Window and Moderate-strong Earthquakes in the Northwestern Margin of the Ordos Block
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摘要: 为了提取鄂尔多斯块体西北缘中强地震的有效预测指标，通过识别银川地区不同震级、不同范围的小震活动窗口，开展R值和molchan方法评估，选取出有预测意义的地震窗。结果显示：ML4银川窗地震活动对鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震有较好的指示意义；ML3银川窗小震滑动年频次大于2时，对鄂尔多斯块体西北缘未来1年发生5级以上地震有较好的指示意义。Abstract: In order to extract the effective prediction index for moderate-strong earthquakes in the northwestern margin of Ordos block, small earthquake activity windows of different magnitudes and ranges are analyzed in Yinchuan area, a seismic window with predictive significance is selected by calculating the R value and molchan test. The results show that the seismic activity of ML4 Yinchuan window has a good indication for earthquakes with magnitude ~ 6 in the northwestern margin of the Ordos block. When the annual frequency of ML3 seismic activity of the Yinchuan seismic window is greater than 2, it has a good indication for the occurrence of earthquakes with magnitude greater than or equal to 5 in the northwestern margin of the Ordos block in the next year.
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Keywords:
- Yinchuan seismic window /
- Ordos block /
- prediction index /
- prediction efficiency
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0 引言
地震窗是指某些能以弱震活动形式灵敏反映区域应力场变化与震源应力场变动效应的特殊构造部位，可分为震群窗和余震窗[1]。国内一些地震学家发现邢台地震的余震频度在大致遵循大森-宇津公式随时间衰减背景上的增高，往往对应华北地区的大地震[2-3]。还有一些学者均认为某些特殊构造部位小震频度的增高，与短期内附近地区发生的大地震有关[4-5]。随着对地震窗研究的逐渐深入，一些学者总结出不同窗口的开窗指标，并对其进行检验[6]。
银川窗位于鄂尔多斯块体西北缘银川盆地附近，贺兰山东麓断裂西侧和黄河-灵武断裂东侧之间，构造位置敏感。由于印度板块向北东方向的推挤，导致鄂尔多斯块体整体呈右旋态势，推测银川窗的小震活动会对鄂尔多斯块体西北缘的中强地震有预测意义。1900年以后，鄂尔多斯块体6级以上地震主要集中在北缘，研究银川窗对鄂尔多斯块体西北缘地震预测和防灾减灾工作有十分重要的意义。
很多学者总结了鄂尔多斯块体西北缘小震活动与中强地震活动的特征，崔瑾分析了银川盆地周围中强地震与断裂的关系[7]；刘雷等通过GPS总结了银川盆地断裂对地震活动的控制，且GPS平行速率与地震活动有一定的相关性[8]；罗国富等分析了银川地区小震活动分布和特点[9]；马禾青等分析了中强地震活动前地震活动性异常参数[10]；任雪梅等总结了银川地区5级以上地震前会出现中等地震活动增强的特征[11]；曾宪伟等分析了银川地区ML4地震活动特征[12]；蔡新华等分析了银川-鄂尔多斯块体西北缘5级以上地震活动特征[13]；李春贵等分析了2015年阿左旗5.8地震前，银川发生3次ML4以上地震，和鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震有较好的对应关系[14]等等。但上述研究并无系统地分析银川窗与鄂尔多斯块体西北缘地震对应情况和相关指标效能。本文拟通过系统地梳理银川地区地震活动对鄂尔多斯块体西北缘地震活动的影响，探索鄂尔多斯块体西北缘地震预测有效指标。
1 分析方法
银川地区位于鄂尔多斯块体西南边缘弧形断裂束和块体西北缘银川-吉兰泰断陷带的中间过渡区域，构造位置敏感，同时受到鄂尔多斯地块、阿拉善地块推挤，其小震活动容易受到相关构造单元应力作用的影响。该区域地震活动水平可反映鄂尔多斯地块西北缘构造应力变化，本文参考已有研究成果，通过扫描银川地区及周边不同范围、不同震级的小震活动，通过R评分法和Molchan图表法评估预测指标的效能，选取出有预测意义的小震活动窗口。
本文主要采用R评分法和Molchan图表法评估预测指标的效能，并对预测指标参数优化。R值评分法[15]中R值的含义是扣除了随机概率的预报成功率，R值大于零表明预测方法有效，R值越高则效果越好。许绍燮[15]编制了保证97.5%置信水平的最低R值表（R0），如果实际计算R值大于表中对应值，则认为该R值有至少97.5%信度。
R值定义为：
$$R=\frac{\text{报对地震次数}}{{\text{应报地震总次数}}}-\frac{{\text{预报占用时间}}}{{\text{预报研究的总时间}}}$$ (1) Molchan图表法[16]将时空占有率τ和漏报率ν的关系在二维空间中表示出来。将异常阈值由最高改变到最低时，时空占有率τ从0上升到1，漏报率ν从1下降到0，当最大预测成功率和付出最小的时空代价时达到最优预测效能。将τ-ν曲线和显著性水平α（式（2））或概率增益Gain值（式（3））对比，可以评价预测方法的效果和显著性。
$$ \alpha ={\sum }_{i=h}^{N} \left[\left(\begin{array}{l}N\\ i\end{array}\right){\tau }^{i}(1-\tau {)}^{N-i}\right],\left(\begin{array}{l}N\\ i\end{array}\right)=\frac{N!}{i!(N-i)!} $$ (2) 式中：N为地震数；h为击中数。
$${\rm{ Gain}} =\frac{1-\nu }{\tau } $$ (3) 2 ML4银川窗分析
分析银川地区1970年以来ML4地震活动（38.3～38.6°N，106.1～106.5°E)与鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震活动的相关性，发现有较好的对应关系（图1，表1）。从时序图的对应关系看，银川窗的ML4地震活动和鄂尔多斯北缘5.8级以上地震具有时间上的同步性，且往往是银川窗先活跃，然后鄂尔多斯北缘发生5.8级以上地震。
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图 1 银川窗ML4地震活动与鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震对应情况Figure 1. Correspondence between ML4 earthquake in Yinchuan seismic window and M6 earthquakes in the northwestern margin of Ordos block表 1 银川地区ML≥4.0地震与鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震对应情况（预测窗长30个月）Table 1. Correspondence between ML≥4 earthquake in Yinchuan seismic window and M6 earthquakes in the northwestern margin of Ordos block (The prediction window length is 30 months)序号 银川窗ML4信号地震 是否报准 对应鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震 时间间隔 1 1972-02-18 贺兰ML4.0 否 2 1973-11-18银川ML4.2 是 1976-09-23内蒙古巴音木仁6.2级 24月 3 1978-05-04永宁ML4.3 是 1979-08-25内蒙古五原6.0级 15月 4 1994-03-16永宁ML4.0 是 1996-05-03内蒙古包头6.4级 26月 5 1998-11-05银川ML4.0 否 6 2010-06-22永宁ML4.9 否 7 2012-11-20永宁ML4.9 否 8 2015-02-05永宁ML4.0 是 2015-04-15内蒙古阿拉善左旗5.8级 2月 鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震发生后，可能诱发银川地区的中等地震，这些地震不纳入震前信号（6级左右地震发生1年内的ML4地震），所以1970年以来符合开窗的地震共8次（表1）。分别考虑两种窗长的效果，30个月（中期）和60个月（长期，5年）。设置预测窗长为30个月时，共有8次报警，其中4次对应了6级左右地震，R值为0.34（R0为0.34），达到97.5%信度，具有一定的预测效果。如果将预测窗长设为60个月，考虑中长期的预测效果，则8次报警全部命中，R值为0.5，也达到97.5%信度。在两种窗长下，ML4银川窗均可作为预测指标，且具有预测效能。
2016年以来，该区域范围没有发生ML4地震活动，预测未来30个月鄂尔多斯块体西北缘发生6级左右地震的可能性不大。
3 ML3银川窗分析
扫描银川地区及周边不同范围的ML3小震活动，分析银川窗ML3以上地震（38.25～38.6°N，105.95～106.45°E）的滑动年频次和鄂尔多斯块体西北缘5级以上地震对应关系（图2)。
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图 2 银川窗ML3地震滑动年频次与鄂尔多斯块体5级以上地震对应情况Figure 2. The correspondence between the annual slip frequency of ML3 earthquake in Yinchuan seismic window and earthquakes of M≥5 in the northwestern margin of Ordos block以窗口内ML3以上地震的滑动年频次为预测指标，该频次超过阈值为报警条件，预测范围为鄂尔多斯西北缘，预测窗长1年，考察不同阈值时的R值、时空占有率、命中率，绘制R值曲线和Molchan图表。图3b中灰色线表示不同显著性水平的等值线，蓝色线表示不同概率增益的等值线。Molchan曲线在对角线下方，且包围面积较大，表明指标预测效果显著，最高信度达到99%以上，概率增益达到2.5左右。R值显示，当阈值为2时，R值最高达到0.6，且超过对应R0值。综上，ML3银川窗地震滑动年频次可作为预测指标，最佳阈值为2。
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图 3 银川窗ML3地震预测效能检验Figure 3. The Yinchuan seismic windowearthquake prediction efficiency test with ML3 event目前ML3银川窗地震滑动年频次小于2，预测未来1年鄂尔多斯块体西北缘发生5级以上地震的可能性不大。
4 讨论及结论
以R值和Molchan图标为评估标准，考察了银川窗ML4地震和ML3地震对鄂尔多斯块体西北缘中强地震的预测效果，并对指标参数优化，以分析近期鄂尔多斯地块北缘地震形势。
1）扫描银川地区不同范围、不同震级的小震活动窗，得到2个有效的窗口指标：ML4银川窗地震活动对鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震有较好的指示意义；ML3银川窗小震滑动年频次大于2时，对鄂尔多斯块体西北缘未来1年发生5级以上地震有较好的指示意义。
2）银川窗目前无异常，需关注ML3地震滑动年频次升高和出现ML4地震的情况。
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图 1 银川窗ML4地震活动与鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震对应情况
Figure 1. Correspondence between ML4 earthquake in Yinchuan seismic window and M6 earthquakes in the northwestern margin of Ordos block
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图 2 银川窗ML3地震滑动年频次与鄂尔多斯块体5级以上地震对应情况
Figure 2. The correspondence between the annual slip frequency of ML3 earthquake in Yinchuan seismic window and earthquakes of M≥5 in the northwestern margin of Ordos block
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图 3 银川窗ML3地震预测效能检验
Figure 3. The Yinchuan seismic windowearthquake prediction efficiency test with ML3 event
表 1 银川地区ML≥4.0地震与鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震对应情况（预测窗长30个月）
Table 1 Correspondence between ML≥4 earthquake in Yinchuan seismic window and M6 earthquakes in the northwestern margin of Ordos block (The prediction window length is 30 months)
序号 银川窗ML4信号地震 是否报准 对应鄂尔多斯块体西北缘6级左右地震 时间间隔 1 1972-02-18 贺兰ML4.0 否 2 1973-11-18银川ML4.2 是 1976-09-23内蒙古巴音木仁6.2级 24月 3 1978-05-04永宁ML4.3 是 1979-08-25内蒙古五原6.0级 15月 4 1994-03-16永宁ML4.0 是 1996-05-03内蒙古包头6.4级 26月 5 1998-11-05银川ML4.0 否 6 2010-06-22永宁ML4.9 否 7 2012-11-20永宁ML4.9 否 8 2015-02-05永宁ML4.0 是 2015-04-15内蒙古阿拉善左旗5.8级 2月 
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