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货号:1001-895601-0000-00

新疆历史地震目录的完整性分析

王海涛1，2，李英珍2，屠红3

基于古腾堡-里克特震级-频度关系，分析了新疆及其南天山和北天山历史地震目录的完整性。通过对地震频率、B值拟合和地震损失率的估计，大致确定了不同下限震级完整目录的起始时间。

新疆M ≥ 6的地震可用于1900年以后的分析，M ≥ 5的地震在1955年以后完成，M ≥ 4.7的地震应使用1965年以后的数据。

南天山和北天山5级以上地震的完整目录可以从1952年开始，4.7级以上地震的完整目录可以推迟到1963年以后。

该结果可为新疆地震活动性分析和地震危险性评估中历史地震目录的震级选择提供参考。

关键词:新疆；地震目录；不完整；损失率

中国图书馆分类编号:P 315.6文件识别码:A

地震目录不仅是地震风险分析的关键数据，也是研究岩石圈动力学过程的重要数据。它在国民经济建设、地震预测、工程抗震、防震减灾等领域发挥着重要作用。

新疆仪器系统地震监测始于1970年，以往的地震目录大多是从地震历史记录中获得的。

由于社会、经济、文化发展的不平衡，地震事件的书写记录能力有限，目录中仍有大量缺失甚至中强地震。

因此，在大城市开展地震中长期预测、工程地震风险评估和活断层探测研究时，必须注意历史地震目录的不完整可能产生的重大影响。

所谓完整的地震目录，是指可以观测或记录一定震级以上的地震。这个震级以上的地震如果有遗漏，就叫不完全地震目录。

国内外地震学家对地震目录的完备性做了大量的研究。冉永康等人采用断层位移限制法和多通道标定法，从地质角度研究了河套断陷带大青山山前断层晚第四纪古地震的完整性。

赖德莱克和萨克斯使用昼夜噪声比的方法来检查当地地震目录的完整性，但不适合像新疆这样人口稀少的地区。

Tinti和Mulargia从地震目录的震级-频度曲线中找出满足理论泊松分布的段，用于确定其他震级范围的发生率[4]，但这种完全随机的分布与新疆地震活动存在静-动交替现象的事实不符，方法过于繁琐。

何宗海利用中国南北地震带中北部地震的历史记录作为数据，也利用震级-频度关系计算了该地区的最小完整震级[5]。

黄伟琼等人在研究中考虑了地震场景，研究了中国大陆几个分区的地震目录的完备性，包括新疆三大地震带[6-7]，但仅限于B值拟合和年地震发生率的比较，检验依据不是很充分。

陈龙生等人还在时间和震级尺度基本不变的情况下，基于地震的震级-频度关系，对地震目录的不完备性进行了定量估计，确定了目录的损失率[8]。

在前人工作的基础上，结合新疆地震活动的特点，利用古腾堡-里克特震级-频度关系计算地震损失率，对新疆和天山历史地震目录的完整性进行了定量分析。

1 .历史地震目录完整性分析方法

1.1信噪比关系和偏差原因

本文认为，历史地震目录完整性分析的主要依据是国际上公认的G-R关系，即地震的频率与震级呈半对数线性关系[9-10]

logN = a――BM。

公式中m为地震震级，n为研究区震级大于等于m的总次数，a和b为统计常数。

G-R关系的明确物理基础尚不清楚，但无数事实表明，G-R关系适用于世界上相当大的震级范围和某一地区。

G-R关系中的B值因研究区域不同而不同，但通常在0.7至1.2之间变化[11]。

统计常数a是M≥0级地震总数的对数，可以认为是反映区域地震活动水平的一种度量。

由实际观测数据导出的G-R关系在低震级端和高震级端往往偏离线性。

实际上，震级高端的偏差是由于实际观测数据中大地震事件稀少而引起的波动，本质上是随机性的反映。

低震级端的偏差主要是由于区域网缺乏足够的地震监测能力，导致地震目录不完整。小星等段相对较大的缺失意味着高星等处的偏差较大。

结果，拟合的G-R关系的斜率低于真实的斜率，地震风险分析中往往高估地震风险，与实际不符。

在分析地震目录的完整性时，有必要估计震级下限的损失率。

1.2地震损失率

本文从完整的地震监测能力这一基本点出发，选择合适的下限震级、滑动窗长度和步长进行G-R分析，利用由此下限震级得到的G-R关系确定各震级的理论数，将得到的理论值与实际观测统计得到的地震数进行对比，得到地震损失率。

根据确定的损失率阈值等客观标准，我们可以确定地震目录是否被接受。

如果损失率超过给定阈值，则该震级段的地震目录不完整。

1.3研究思路

根据上述方法，对新疆及南、北天山地震带历史地震目录的完整性进行了分析。

主要步骤:①通过频率曲线选择目录可能不完整的时间段；(2)滑动拟合选定时间段内G-R关系的B值与地震目录，观察低端震级的偏差，寻找完整目录可能的起始时间；③估算这些起始时间点前后地震目录的地震损失率，最终确定不同较低震级地震目录趋于完整的起始时间。

2.新疆、南天山和北天山地震带历史地震目录的完整性分析

2.1研究区域和历史地震目录

新疆是我国地震活动水平和强度较高的地区之一。

图1是新疆空历史地震分布的三维图像。显然，1900年以前的新疆地震目录非常不完整，小地震损失严重。

1900年以后，有限的记录主要集中在经济相对发达、人口密集的天山地区。阿勒泰、西昆仑、阿尔金等其他地震带只记录了部分大地震，而新疆现代地震观测主要集中在天山南北地区。因此，本研究主要分为新疆和南、北天山两个不同层次来分析地震目录的完整性。

图1新疆历史地震空分布的三维图像

图1新疆历史地震目录时空分布三维图像

图2研究区分布图

图2研究区域分布

1999年以前，所选地震目录采用中国强震目录中的新疆分目录，1999年以后增加新疆地震局编制的新疆地震目录。

考察历史地震目录中MS≥4.7、MS≥5.0、MS≥6.0的地震相对完整的起始时间。

为了避免前震、余震和震群对分析可能产生的干扰和影响，通过分析序列的震中分布图和M-t图，对目录中的所有前震、余震和震群进行了细致的人工删除，只保留了主震、双震和震群中最大的地震。

新疆地震活动存在一种静-动交替现象。根据仪器记录相对完整的1970年以来的地震目录，新疆6级以上地震前后的平静期短至4年，长至6年；北天山5级以上地震的平静期短至6年，长至13年。

为了消除平静期地震样本量自然减少对目录完整性分析的影响，频率计算、B值计算和拟合均采用10年、15年、20年时间窗和2年滑动步长计算。

经过试算比较，确定用20年窗长，2年步长计算。

2.2频率曲线

根据新疆、南天山和北天山地震目录，分别以MS 4.7、5.0和6.0为震级下限、20年窗长和2年滑动步长制作频率曲线，观测地震频率随时间的变化。

图3是研究区不同低震级的地震频率图。

从图中可以看出，频率曲线有一个比较明显的变化过程，在一定程度上反映了地震目录从不完整到完整的变化，即处于一个相对稳定的波动范围内。

这个变化过程的b值拟合和低端星等拟合的观测可以初步确定完整目录的起始时间。

图3研究区不同震级下限的地震频率图

图3研究区域不同幅度阈值的频率

2.3 b值拟合

根据新疆、南天山和北天山地震目录，分别以4.7级、5.0级和6.0级为震级下限、20年窗长和2年滑动步长制作B值拟合图。

由于空间的限制，图4只显示了新疆和南天山部分震级和时间点的拟合。

以新疆MS≥6.0为例，进行了1890-1936年的b值拟合。

排除样本量小、拟合差、低端震级明显掉头的时间点，在拟合好、稳定一段时间的剩余点寻找可能的6级地震目录完整起始时间。

我们发现B值在1900年、1916年、1932年之后的一段时间内拟合得很好。这三次中的哪一次是新疆6级地震完整目录的可能起始时间？还需要估计这三次前后地震目录的损失率。

图4三个时间点地震频率曲线和B值的拟合

图4频率曲线及3点b值拟合

2.4地震损失率和完整地震目录的开始时间

1970年以后，新疆利用现代地震仪系统观测地震活动，基本上实现了我国所有4.7级以上地震，中强地震目录比较完整。因此，现代地震目录的G-R关系公式可以用来推导历史地震的真实发生次数。

新疆地震目录仍以此为例。

表1列出了1970-2005年新疆不同窗长和不同低震级地震目录拟合得到的b值。

可以看出，当时间窗足够长时，G-R关系的B值基本保持在0.76-0.81之间。

而且不同窗长、同量级的b值波动大致为0.01；相同窗长不同幅度的B值最大波动为0.04。

因此，用20年4.7以上的大样本地震目录计算新疆的G-R关系并外推至其他历史时期应该是可行的。

表1 1970-2005年新疆不同窗长和震级的平均B值计算

窗口长度×步长

不同量值的MS≥4.7 b值

MS平均值≥5.0

MS≥5.5

MS≥6.0

10×2

0.72 0.74 0.75 0.77

15×2 0.76 0.77 0.79 0.80

20×2 0.77 0.79 0.80 0.81

21×2 0.76 0.77 0.79 0.80

利用1970-2005年新疆4.7级以上地震目录，以20年窗长和2年滑动步长计算了A值和B值。取平均值后，得到如下G-R关系

lgN=5.76-0.77M。

由公式计算出ms 4.7 ~ 4.9，ms 5.0 ~ 5.9，MS≥6.0的理论出现频率NL。

与某一历史时期实际记录的每个震级的数值Nj相比较，可以得到地震损失率R。

r=1-Nj/NL

考虑到地震平静期的存在，损失率r = 0.22作为阈值[8]。如果多个时间点地震损失率连续≤0.22，则认为目录完整，第一个时间点为地震完整目录的起始时间。

图4中，新疆6级以上地震前后20年的地震损失率，1900年前后分别为0.36和0.08；1916年前后分别为0.08和0；0和0.22，那么1900年是新疆6级以上地震完整目录的起始时间。

表2新疆几个不同时间点前后20年历史地震目录中MS级地震损失率

大小

不同时间点前后MS的地震损失率R

1900 1916 1932 1943 1955 1965

前后，前后，前后，前后

4.7~4.9 1.00 0.88 0.88 0.51 0.70 0.25 0.44 0.08

5.0~5.9 0.82 0.00 0.00 0.06 0.25 0.00 0.00 0.00

≥6.0 0.36 0.14 0.15 0.00 0.00 0.21 0.14 0.07

表3北天山几个不同时间点前后20年历史地震目录中MS级地震损失率

大小

不同时间点前后MS的地震损失率R

1923、1935、1945、1955和1963年

前后，前后，前后

4.7~4.9 0.63 0.75 0.88 0.88 0.75 0.63 0.88 0.13 0.75 0.00

5.0~5.9 0.29 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

表4南天山几个不同时间点前后20年历史地震目录中MS级地震损失率

大小

女士

不同时间点前后地震损失率r

1924, 1938

1940, 1948

1952, 1963

前后，前后，前后，前后

4.7~4.9 0.87 0.63 0.87 0.43 0.90 0.30 0.90 0.16 0.47 0.10

5.0~5.9 0.95 0.00 0.10 0.28 0.05 0.23 0.00 0.10 0.41 0.05 0.18 0.13

根据上述分析方法，我们还可以得到北天山地区的震级-频度公式LGN = 6.71-1.18米，可以用来计算理论地震频率4.7-4.9和5.0级，而南天山地区的理论地震频率4.7-4.9和5.0级可以用公式LGN = 5.23-0.71米来计算..

南、北天山6级地震样本在20 ~ 30年窗长内较小，不足以进行B值拟合计算，故未作分析。

表2-4显示了三个研究区域的选定时间点和估计地震损失率。表中粗体和下划线损失率对应的时间是不同量值完整目录的开始时间。

可见，新疆6级以上地震的完整目录是1900年以后；新疆和南天山5级地震的完整目录大致在20世纪50年代。新疆、南天山、北天山4.7～4.9级地震的完整目录大致在20世纪60年代。

值得注意的是，北天山5级地震的损失率自1923年以来没有变化，完全为零，这是1970年以来北天山地震活动明显减少造成的。

根据1970年后资料拟合的LGN = 6.71-1.18 m公式，北天山20年内5级地震的理论发生频率为7次，但从1923年到1969年，当地震目录可能缺失时，北天山20年内记录的5级地震平均次数仍为12次，高于1970年以来的平均值。因此，1923年不能作为北天山5级地震目录的完整起始年。

3结论

由于历史上记录中强地震的能力有限，新疆历史地震目录不完整。

基于G-R关系，分析了我国新疆、南天山和北天山4.7级、5.0级和6.0级历史地震目录的完备性，通过地震频率曲线、B值拟合和地震损失率估计，粗略确定了不同下限震级完整目录的起始时间。

新疆M ≥ 6的地震可用于1900年以后的分析，M ≥ 5的地震在1955年以后完成，M ≥ 4.7的地震应使用1965年以后的数据。

南天山和北天山5级以上地震的完整目录可以从1952年开始，4.7级以上地震的完整目录可以推迟到1963年以后。

本文的结论可为地震活动性分析和地震风险评估提供参考。

参考文献:

新疆维吾尔自治区地震局。地震数据的编辑。北京:地震出版社，1985。

冉永康，张培珍，陈丽淳。河套断裂带大青山山前断裂晚第四纪古地震完整性研究。地球科学前沿，2003，10: 207-216。

〔3〕赖德莱克，萨克斯，检验地震目录的完整性和自相似性假设。自然，1989，337:251-253。

〔4〕地震目录完整性分析。年鉴地球物理学，1985，3:407-414。

何宗海。中国南北地震带中北部最小完整震级的讨论。西北大学学报，1994，24: 411-416。

黄伟琼，黎文翔，曹雪峰。中国大陆地震资料完整性研究——以华北地区为例。地震学报，1994，16: 273-280。

黄伟琼，黎文翔，曹雪峰。中国大陆地震资料完整性研究(二)——区域地震资料基本完整的初始年分布图像。地震学报，1994，16: 423-432。

陈龙生，陈其福，陈颖，等。中国大陆、香港及周边地区地震目录的完整性分析。中国地震，1997，13: 311-320。

〔9〕李希特《初级地震学》。弗里曼，旧金山，1958年。

〔10〕古腾堡B，里克特C F .地震震级，烈度，能量，加速度。扯淡。地震。社会主义者Am。, 1956, 46:105-143.

〔11〕艾文登。区域地震活动及其相关问题的研究。布尔地震。社会主义者Am。,1970, 60: 393-446.

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地震目录

王海涛1，3李英珍2屠宏伟3

文摘:根据古腾堡-里克特震级-频度关系，分析了新疆及新疆境内天山南北的地震目录的完整性。通过估计地震频度、b值拟合和地震损失率，得到不同震级阈值的综合目录的初始时间。新疆6级以上地震目录从1900年开始有，Ms≥5.0地震目录从1955年开始整合，Ms≥4.7地震目录从1965年开始较好。天山南北5级以上地震目录自1952年开始整合，1963年以后4.7级以上地震目录更加整合。该结论为新疆地震活动性分析和地震危险性评估中历史地震目录震级阈值的选取提供了参考。

重点:新绛；地震目录；非完整性损失率