云南水化學(xué)觀測異常與地震關(guān)系*

李 瓊，付 虹，胡小靜，高文斐

0 引言

受到印度板塊由西向東的強烈側(cè)向擠壓和對西藏地塊正面推擠派生的川滇菱形塊體由北向南的楔入作用，云南地區(qū)地震活動頻繁而強烈(秦嘉政等，2005)。近26年的統(tǒng)計結(jié)果顯示，云南省內(nèi)平均每年約發(fā)生2～3次5級地震，每2年約發(fā)生1次6級地震，甚至一年發(fā)生多次6級以上強震，如2003年7月和10月大姚地區(qū)先后發(fā)生了6.2和6.1級地震(劉麗芳，付虹，2003；周龍泉等，2007)，2014年先后發(fā)生了盈江6.1級、魯?shù)?.5級和景谷6.6級強震(李瓊等，2014，2016；付虹等，2015；劉月，邵志剛，2016)。因此，云南地區(qū)一直是中國地震分析預(yù)報與探索實踐的主體區(qū)域之一(王俊等，2016)。

在地震孕育階段，區(qū)域構(gòu)造活動增強致使應(yīng)力場發(fā)生變化，斷層的封閉性改變，流體活動作用增強，從而引起水化學(xué)異常(Woithetal，2013；Claessonetal，2004；官致君，2003)。云南水化學(xué)觀測始于20世紀(jì)80年代，長期的地震預(yù)測實踐積累了豐富的觀測資料和預(yù)報經(jīng)驗(趙慈平等，2003；寸菊艷，2005)。研究人員主要從兩方面研究云南水化學(xué)異常與地震的關(guān)系：一是從震例總結(jié)的角度，對單個地震事件的現(xiàn)象進行分析，如楊杰英(1997)分析了1995年武定6.5級地震前水化學(xué)異常，指出水化學(xué)項目的繼承性異常和震后異?？梢宰鳛楹罄^地震發(fā)生的判據(jù)；劉耀煒等(2015)研究認(rèn)為2014年魯?shù)?.5級地震前水巖反應(yīng)加劇和地下水混合作用增強，使地下水離子組分濃度發(fā)生變化。二是從觀測資料的角度，提取前兆異常，分析異常與地震的對應(yīng)關(guān)系，總結(jié)異常特征(張立，付虹，2000；田雷等，2018)。

云南水化學(xué)觀測歷經(jīng)近30年，這期間觀測環(huán)境、觀測儀器及觀測方式等均發(fā)生了較大改變，如有些測點已經(jīng)停測，有些測點增加了新的觀測項目，有些臺站增加了新的觀測點等。因此，需要根據(jù)云南水化學(xué)資料的動態(tài)變化情況，不斷更新、完善指標(biāo)，總結(jié)異常特征，才能提高其在震情跟蹤分析中的可操作性。本文以2000—2017年云南水化學(xué)觀測資料為研究樣本，采用在原始觀測曲線上識別異常的傳統(tǒng)分析方法，逐項梳理云南水化學(xué)觀測曲線，提取異常變化，并分析單項及群體異常與MS≥5.0地震的關(guān)系，總結(jié)個性、共性和群體性異常特征。

1 資料選取及處理

云南省目前共有16個水化學(xué)觀測臺站，其中包括3個斷層帶土壤氣CO2(林元武，翟盛華，1993)，共有61個觀測項目用于日常震情跟蹤監(jiān)視，表1列出了13個觀測井(泉)的基本情況。這些臺站分布極不均勻，主要分布在滇西北東帶的保山和大理地區(qū)以及滇東北的昭通地區(qū)，滇西南的耿馬和普洱地區(qū)分別有1個觀測臺站，而滇中、滇東及滇西北的麗江以北地區(qū)則為水化學(xué)的觀測空白區(qū)(圖1)。滇東北地區(qū)有5個水化學(xué)觀測點，其中3個點為接觸下降冷泉；滇西北東帶的水化學(xué)觀測點包含3眼上升泉(2眼溫泉)和6口裂隙承壓水井(表1)。本文選取2000—2017年云南省內(nèi)的全部水化學(xué)觀測資料，并排除環(huán)境、人為、儀器等干擾因素。

2000—2017年，云南省境內(nèi)共發(fā)生了51次MS≥5.0地震。將發(fā)生在同一個月內(nèi)、同一個震源區(qū)的多次地震視為一組，將51次地震劃分為43組作為震例樣本(圖1)。進一步挑選出以每一個臺站為圓心，分別發(fā)生在其半徑300 km和500 km范圍內(nèi)的5.0～5.9級和6.0級以上地震，作為研究單項異常與地震關(guān)系的震例樣本。

2 異常與地震關(guān)系

在日常震情跟蹤分析中，針對水化學(xué)資料，主要以原始觀測曲線的背景作為參考，按照曲線的上升或下降變化來識別異常。本文采用相同的分析方法，同時為了排除單點突跳或干擾引起的變化，只提取具有一定持續(xù)時間且相對觀測背景變化比較顯著的異常。根據(jù)不同臺站、不同測項的實際觀測，提取異常時所選擇的數(shù)據(jù)類型為原始觀測的日值、5日均值或旬均值，再根據(jù)異常與地震的最佳對應(yīng)關(guān)系，確定異常閾值。

按照水化學(xué)資料在日常會商中的應(yīng)用約定，異常結(jié)束后3個月內(nèi)發(fā)生的地震為對應(yīng)，否則視為虛報。提取單項觀測曲線的異常變化，標(biāo)注其異常形態(tài)、異常幅度、異常起始至結(jié)束時間和異常持續(xù)時間等。通過標(biāo)注每次異常開始至地震發(fā)生的間隔時間和對應(yīng)地震到臺站的距離，得到單項異常與地震的對應(yīng)情況。在此基礎(chǔ)上，進一步研究群體異常與區(qū)域地震的關(guān)系，分析其異常特征。

2.1 單項異常與地震關(guān)系

2.1.1 單項異常預(yù)測效能

通過逐項提取水化學(xué)觀測曲線的異常變化，發(fā)現(xiàn)有6個臺站(大關(guān)、施甸、昌寧、鹽津、永善、洱源溫泉)共27個測項未能提取到有效的異常變化，其它10個觀測臺站共34個測項提取到了清晰的異常變化。這些異常變化具有多種形態(tài)，如全部為高值、低值異常(圖2a)、或破年變異常(圖2b)，或同時出現(xiàn)加速上升、加速下降、高值和低值等多種形態(tài)的異常(圖2c)。

圖2 水化學(xué)觀測曲線的異常形態(tài)

對單項水化學(xué)觀測曲線的異常識別結(jié)果，用對應(yīng)地震的異常次數(shù)除以異?？偞螖?shù)表示地震對應(yīng)率，得到單項異常的地震預(yù)測效能，34個測項的單項異常的地震預(yù)測效能見表2。由表2可見，有30個測項的地震對應(yīng)率高于75%，其中26項的地震對應(yīng)率為100%，沒有出現(xiàn)虛報。對應(yīng)率低于50%的測項有2個，分別為普洱臺水汞和洱源臺水汞。

表2 單項異常的地震預(yù)測效能

34個測項的連續(xù)觀測時間中最長18年、最短4年，觀測10年以上的有28項，占82%。通過統(tǒng)計出現(xiàn)1次異常的間隔時間，發(fā)現(xiàn)共有6個測項自觀測以來僅出現(xiàn)過1次異常，出現(xiàn)異常的間隔時間最長為18年，最短為4年。出現(xiàn)異常間隔時間最短的測項為平均每2年出現(xiàn)1次異常，34個測項平均每6年出現(xiàn)1次異常。以上結(jié)果表明，單項水化學(xué)的異常變化對周邊中強地震的指示性較好，但對地震的漏報也較多。

2.1.2 單項異常特征

2000—2017年，34個水化學(xué)測項共出現(xiàn)102次異常，其中86次異常對應(yīng)地震發(fā)生，平均地震對應(yīng)率為84%。異常持續(xù)時間最短為5 d，最長超過600 d，平均為153 d。異常出現(xiàn)后，在地震預(yù)測有效期內(nèi)不管發(fā)生幾次地震，如果只考慮第一個地震，得到異常開始至發(fā)生第一個地震的時間間隔最短為1 d，最長超過700 d，平均為152 d，其中短期異常共有59次，臨震異常12次。由前兆異常數(shù)量的時間進程特征(圖3)可見，約64%的水化學(xué)異常在云南中強地震發(fā)生前3個月內(nèi)出現(xiàn)，表明水化學(xué)異常主要以短臨異常為主，可以作為較好的短臨預(yù)測指標(biāo)。統(tǒng)計所有觀測曲線異常變化與對應(yīng)地震發(fā)生的時間間隔，大于1 a的異常很少，沒有觀測到長期趨勢背景異常。

圖3 前兆異常數(shù)量的時間進程特征

2.2 群體異常與地震關(guān)系

2.2.1 單臺多測項群體異常與地震

云南省有11個綜合觀測離子濃度的臺站，同時觀測多個離子組分的濃度。大關(guān)和施甸臺的觀測資料連續(xù)穩(wěn)定，但沒有提取到與地震有關(guān)的異常變化，因此僅對其余9個觀測臺站中具有映震效果的測項進行群體異常分析。分析單項異常與地震關(guān)系可知，下關(guān)臺和巧家局觀測臺站均有2個單項測項提取到震前異常變化，但均未提取到群體異?，F(xiàn)象，剩下7個臺站的群體異常變化與地震關(guān)系見表3。由表3可見，有4個臺站提取到多次群體異?，F(xiàn)象，分別為保山局、隆陽局、騰沖臺和普洱市局，其余3個臺站均分別提取到1次群體異常，其形態(tài)以高值和大幅波動異常形態(tài)為主，地震對應(yīng)率為100%。異常出現(xiàn)至發(fā)生5.0～5.9級和6.0級以上地震的時間間隔平均分別為90 d和120 d，震中距平均分別為115 km和225 km。以上分析表明，當(dāng)一個臺站的多個測項出現(xiàn)準(zhǔn)同步群體異常變化時，該特征對后續(xù)地震的預(yù)測意義比較明確，增加單臺多測項的綜合觀測，可以減少對干擾的誤判，更清楚地識別震前異常，提高觀測臺站區(qū)域地震的監(jiān)視能力。

表3 單臺群體異常與地震關(guān)系

2.2.2 區(qū)域群體異常與地震

在單項異常與地震關(guān)系分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對34項水化學(xué)測項進行處理：異常的測值用“1”表示，無異常的測值用“0”表示。云南水化學(xué)觀測臺站主要分布在以麗江—大理—保山等為主的滇西北東帶、保山—臨滄—思茅為主的滇西南以及曲靖—昭通為主的滇東北地區(qū)(圖1)，所以本文以旬為時間單位按照這3個地區(qū)分別繪制異常頻次曲線圖，提取區(qū)域群體異常(圖4)。

圖4a為滇西北東帶地區(qū)的異常頻次曲線，區(qū)內(nèi)共有23個測項。由圖4a可見，當(dāng)有3個及以上測項出現(xiàn)準(zhǔn)同步異常，且同步異常持續(xù)時間超過1個月時，其后在小滇西地區(qū)會發(fā)生5.0級以上地震，對應(yīng)率為100%。因此，滇西北東帶地區(qū)出現(xiàn)的群體異常可以作為該區(qū)4～6個月內(nèi)發(fā)生5.0級以上地震的短期預(yù)測指標(biāo)。與該區(qū)群體異常變化關(guān)系對應(yīng)較好的震例主要發(fā)生在瀾滄江以西的小滇西地區(qū)，分析認(rèn)為可能和該區(qū)大多數(shù)觀測臺站和測項集中分布有關(guān)。

圖4b為滇西南地區(qū)的異常頻次曲線，該區(qū)有2個觀測臺站(耿馬局和普洱局)，共6個觀測項目。由圖4b可見，2000—2017年有2個及以上測項的觀測曲線同時出現(xiàn)異常的情況共7次，只有1次虛報，地震對應(yīng)率約為86%。震例結(jié)果顯示異常出現(xiàn)后的3個月內(nèi)，主要對應(yīng)發(fā)生5.0級以上地震；當(dāng)異常持續(xù)時間超過3個月，則對應(yīng)發(fā)生6.0級以上地震。

圖4 云南水化學(xué)異常頻次疊加值曲線

3 結(jié)論與討論

利用在原始觀測曲線上識別異常的傳統(tǒng)分析方法，提取2000—2017年云南地區(qū)水化學(xué)單項異常，分析單項及單臺群體異常的地震預(yù)測效能。根據(jù)觀測臺站的區(qū)域分布特征，對單項異常進行頻次疊加，分區(qū)域提取綜合異常，分析其與地震的關(guān)系，得出如下主要結(jié)論：

(1)目前，云南省用于日常及年中、年度震情會商的水化學(xué)觀測資料有16個觀測臺站，共計61個測項，其中5個觀測臺站的27項觀測資料沒有對應(yīng)震例，占總測項的44%；有對應(yīng)地震的測項中，88%的測項出現(xiàn)異常的地震對應(yīng)率超過75%，其中26個測項的異常變化沒有出現(xiàn)虛報，地震對應(yīng)率為100%。云南水化學(xué)觀測資料的地震預(yù)測有效占比僅為56%，觀測臺站的映震能力是不均一的，這反映出水化學(xué)觀測臺站在構(gòu)造活動引起的水巖反應(yīng)程度上有較大差異，且具有多種成因的特征(張煒等，1988；魚金子等，2000)。因此，地震異常靈敏點的選擇及高質(zhì)量的觀測資料是獲取地震前兆異常的基礎(chǔ)條件。

(2)單項異常從出現(xiàn)至發(fā)生地震的時間間隔平均為116 d，短臨異常約為總異常的70%，臨震異常為12次，沒有觀測到長趨勢背景異常。這種以短臨異常為主的特征表明在地震孕育的短臨階段具有較強的深部熱物質(zhì)活動以及不同層位地下水的相互作用(劉耀煒，施錦，2000)，也充分表明強構(gòu)造活動是形成區(qū)域水化學(xué)地震前兆的關(guān)鍵因素。

(3)根據(jù)云南水化學(xué)觀測臺站的集中分布區(qū)域，分區(qū)提取群體異常，結(jié)果顯示：當(dāng)異常測項增多時，該區(qū)5級及周邊6級以上地震的對應(yīng)率均大于85%。滇西北東帶地區(qū)的觀測臺站密集，群體異常最顯著，滇西南和滇東北地區(qū)的觀測臺站相對較少，能覆蓋的區(qū)域有限，群體異常與地震有一定的相關(guān)性，但僅有1～2個異常測項，異常的顯著程度沒有滇西北東帶地區(qū)強。這表明研究區(qū)域的測項具有一定的規(guī)模和數(shù)量是提高群體異常可信度的前提。水化學(xué)測站相對密集地區(qū)的異常數(shù)量較多且地震對應(yīng)率較高，進一步印證了在復(fù)雜構(gòu)造條件下，有較高密度觀測點的區(qū)域才能有效觀測到流體活動加劇的前兆現(xiàn)象這一結(jié)論(劉耀煒等，2015)。因此，繼續(xù)推進高質(zhì)量水化學(xué)觀測點的建設(shè)，包括密集式低成本斷層氣連續(xù)觀測點的布設(shè)，是今后提高地震地球化學(xué)監(jiān)測預(yù)測能力的重要基礎(chǔ)。