云南水溫異常與MS≥50地震關系研究

李瓊 付虹 毛慧玲 朱榮歡 何德強

摘要：選取2009—2015年云南地區觀測連續、穩定的水溫觀測資料共34項，采用異常過程和從屬函數分析方法聯合提取異常，分析水溫異常與MS≥50地震的關系。結果表明：該方法提取的單項異常，具有短期指示意義，與地震有較好的對應關系，但地震的漏報率較高；采用異常頻次和權重集成方法提取的全省群體異常與全省的MS≥50地震對應較好，減少了漏報，并可以通過置信度為975%的R值評分檢驗。按構造和地震活動進行分區后，提取小區域的水溫群體異常，并只考慮對應本區的地震，則各區域內出現異常的虛報和漏報率均顯著增加。分析其原因，認為水溫異常和地震都是區域構造活動增強的產物，群體異常能更好地刻畫區域構造活動增強，在構造活動增強的背景下是有利于地震發生的，因此區域的群體異常有更好的對應效能；異常過程和從屬函數方法提取的水溫異常能較好地表達震前水溫變化加劇的特征，區域的群體異常可以作為云南地區有MS≥50地震的短期時間判據。

關鍵詞：云南水溫觀測；從屬函數方法；MS≥50地震；區域構造活動增強；群體異常

中圖分類號：P315723文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）02-0233-08

0引言

[KG（0.15mm]地震預測目前仍處在一個經驗積累的探索階段，大量的震例總結、震前前兆觀測異常特征研究可以為認識地震孕育過程提供更多的資料。在云南中等地震前兆異常特征研究方面，眾多學者作了的工作（付虹等，2007，2008；張立，2013；李瓊等，2014，2016），得到了一些比較有意義的結果，但這些研究大部分是基于原始數據異常識別和震例研究進行的。從屬函數法主要以觀測資料的斜率和相關系數作為參量，能較好地表達地震孕育進入短臨階段的漲落變化特征（林輝等，2004），因此適用于前兆觀測資料的短臨異常信息提取。部分地震學者（葉秀薇，2004；李杰等，2003；高小其等，2012；范雪芳等，2010）采用該方法提取震前短臨異常，取得了較好的結果。[KG）][JP]

水溫觀測的是不同含水層由于裂隙發育導致串層溫度混合的結果，高精度水溫觀測在地震前兆監測中發揮著重要作用（付子忠，1988）。大量的觀測結果表明，水溫觀測具有較強的映震能力（車用太等，1999；陳沅俊等，1994a，b）。眾多地震學者對水溫與地震的關系進行了大量研究（車用太等，2003；金眾范等，2001；李加穩，孫文波，2004；田華等，1994；尤傳俠，1990；劉耀煒等，2008；鮮述東等，2011；楊從杰等，2008；張惠等，2013），得出水溫異常主要在地震前的短期階段出現，時間進程上具有顯著的短臨異常特征。

本文采用從屬函數分析方法提取云南水溫前兆異常，以2009—2015年云南省內的17組MS≥50地震作為研究樣本，在不知道未來地震震中位置情況下，從全時空的角度對水溫的短期異常及效能進行探討。

1水溫資料及地震樣本選取

云南共有52項水溫觀測資料用于日常地震跟蹤監視，[HJ2.4mm]資料情況大致可分為3類：（1）觀測不穩定，正常和異常動態不清晰，沒有對應地震的實例；（2）觀測穩定，呈趨勢性上升或下降，但映震效果不好，在地震監測預報中沒有出現過異常對應地震的實例；（3）觀測穩定，有異常對應地震實例，且有部分異常多次對應地震的事實。本研究選取了觀測資料相對連續、穩定、有地震對應實例的34項水溫資料，采用從屬函數計算方法分別提取每項觀測資料的異常，34項水溫測點分布如圖1所示。

2008年汶川大地震后，云南省地震局依托“十五”項目，投入了一批新的水溫觀測力量，這些觀測資料從2009年開始相對穩定。考慮到資料的豐富性，選用2009年以來的水溫資料和2009—2015年間發生在云南省內的21次17組（發生在同一個月內的2次地震視為一組）MS≥50地震作為研究樣本，地震參數和分布見表1和圖1。

2異常提取方法

前兆觀測漲落變化幅度增大和出現加速，是地震孕育進入短臨階段的主要特征（林輝等，2004），因此選取了能表征這些特征的數學方法來提取短臨異常。

21AP（Abnormal process）方法

[JP2]“AP”值是一階差分絕對值的滑動累加值，通過過程累加可以同時達到有效抑制較長周期、消除長趨勢變化、使異常變化更突出的效果。該方法可以直接用來提取異常，也可以用來對資料進行預處理（石紹先，曹刻，1999）。計算公式如下：[KH*1][JP]

[JP2] APi+T[KG-*4]=[KG-*2]∑[DD（]i+Ti[DD）][KG-*2][JB<1|]xi+1-xi[KG-*2][JB>1|]（i=1，2，3，…，n）[JY]（1）[KH*1D][JP]

其中：xi為某一測項的觀測值，T為累加過程的時間窗長。本研究選取10天觀測數據作為時間窗長，意在凸顯短期變化，為下一步采用從屬函數法提取異常做準備。圖2為保山觀測值與AP計算值曲線，從圖中可以看出，原始曲線呈緩升變化，異常不突出，通過計算后，一些在原始觀測曲線上無法識別的加速異常被提取出來。

22從屬函數方法

前兆觀測量是時間的函數，前兆異常表現為觀測量隨時間的突出變化，雖然異常形態多種多樣，但其本質都是觀測值曲線隨時間的斜率變化。模糊數學方法中的模糊從屬函數μi就是反映各種地震前兆觀測曲線隨時間的斜率變化的量（賀仲雄，1983）。相應的解析式為：[KH*1]

μi=[KG-*4][JB<2[]1+[SX（]∝[JB<1|]ki [KG-*4][JB>1|][KG-*2][JB<1|]ri [KG-*4][JB>1|][SX）][JB>2]]-1（i=1，2，3，…，n）[JY]（2）[KH*1D]

式中：ki為觀測值變化斜率，表征的是數據變化的幅度；ri為滑動平均值M（t）與時間t之間的相關系數，反映了計算序列內在質量的好壞；∝為經驗常數，不同觀測的∝值需要根據從屬函數μi與歷史震例的最佳對應關系來確定，對同一個測項來說，∝值越小，說明測值越穩定，通過計算得到的33個∝值均小于1，其中小于001的有22個，說明采用從屬函數提取異常前先用“AP”方法進行數據預處理是比較理想的；當μi≥05時，可視為異常。即當斜率增大到一定程度，可視為觀測值的漲落變化增大，發生地震的危險性增大。圖3為使用從屬函數方法對AP值進行計算后得到的μi值，從計算結果看，進一步計算后，短期異常更為突出、容易識別。[FL）]

[SD30*1，1][JZ][XC李瓊3.TIF][KH*2/3D][HT5K][JZ]

圖3從屬函數計算值曲線[JZ]

Fig3Graph of calculated values by using the slave function[KH*1]

[BT（12+*4]3初步結果分析

31單項異常及預測效能分析[BT）]

對34項實測數據分別采用“AP”方法進行計算，再以計算結果為基礎數據，進行從屬函數計算后，將μ≥05的數據作為異常，對每項資料出現異常的起止時間進行標注，出現異常，規定異常結束3個月內云南發生地震為對應，否則視為虛報。研究時間段內，用對應地震的異常次數除以異常總次數表示對應率，虛報地震次數除以地震總次數表示漏報率，按此原則得到了每個測項與地震預測的對應效能（表2）。

從單項指標分析，雖然地震對應率參差不齊，但50%以上的異常都能對應云南省內的地震，表明提取的水溫短期異常有較好的對應地震的能力，但同時對地震都有漏報。

32異常頻次與地震關系分析

對34項資料的從屬函數值進行0-1化處理，μ≥05用“1”表示，μ<05用“0”表示，以旬為時間單位繪制頻次曲線圖（圖4）。規定頻次N≥6，并持續30 d以上視為異常，2009年以來共出現9組異常。

由圖4及表3可見，頻次異常一般持續時間為40～250 d，異常開始時間超前地震20～230 d，如果每組異常過程只考慮首發地震，依據震例總結規范（張肇誠等，2013），異常超前地震20～140 d全部為短期異常。8組異常對應地震，1組虛報；異常超前地震20～140 d，17組地震報準13組，漏報4組。如果異常過程中發震，則后續50～70 d內多有中等地震繼續發生；如果異常結束后才發生地震，則之后再次發生中等地震的可能性小。

33權重集成異常與地震關系分析

各單項前兆，其過去的預報效能是不同的，它們有優劣之分。用權重（w）大小對其優劣或信度加以區分，對第i種前兆的預報結論yi配一個權重系數wi，好的前兆權重大，差的權重小。用下式求取權重集成預報值（陳立德，1993）：[KH*4]

P=[KG-*3]∑[DD（]ni=1[DD）]w1y1+w2y2+……+wnyn[JY]（3）[KH*2D]

各單項前兆的權重可以用下式求得：[KH*4]

wi=[HT10.][SX（][SX（]1第i種前兆虛報數+1[SX）]∑[DD（]ni=1[DD）][SX（]1第i種前兆虛報數+1[SX）][SX）][JY]（4）[KH*2D]

權重wi符合條件：[KH*2]

∑[DD（]ni=1[DD）]wi=w1+w2+……+wn=1[JY]（5）[KH*2]

根據各項異常與地震的對應關系，由式（4）計算得到各單項水溫的權重（表2），從屬函數值μ≥05，則y為“1”，μ<05則為“0”，同樣以旬為時間單位繪制權重集成信度值曲線（圖5）。當權重集成信度值大于02，并持續20 d以上為異常，2009年以來共出現9組異常。

由圖5及表4可見，9組異常持續時間20～200 d，異常開始時間超前地震10～180 d，為短期異常。8組異常對應地震發生，1組虛報；17組地震報準12組，漏報5組。

34R值評分結果

采用許紹燮（1989）的R值評分法，對頻次疊加值和權重集成值出現異常預報地震的效能進行評價。計算公式如下：[KH*5/4]

R=[HT10.][SX（]報準次數地震總次數[SX）]-[SX（]預報占用時間研究占用時間[SX）] [JY]（6）[KH*5/4]

根據表3和表4結果，R頻次=[SX（]1317[SX）]-[SX（]8902 280[SX）]=03744≈0374，R權重=[SX（]1217[SX）]-[SX（]6802 280[SX）]=0407 6≈0408，置信水平為975%的隨機預報R0值分別為0318和0299。R頻次>0318，R權重>0299，異常頻度和權重集成信度值預測方法，均能通過R值評分檢驗，說明云南地區水溫用AP方法提取異常過程后，再用從屬函數提取異常的研究結果對省內5級以上中等地震具有較好的時間預測意義。

35分區異常與異常區內地震相關關系分析

為了追蹤未來地震的發震地點，采用更小區域的異常與該區地震對應，根據地震活動特點，將云南分為多個不同的區域，以旬為單位給出分區的水溫異常頻次（圖6），選擇發生在區內的MS≥50地震作為研究樣本，采用最佳對應原則，確定各區的異常判定閾值，其分區和地震對應情況如下：

（1）滇東北地區：26°N以北，102°E以東的云南境內地區，共有東川、會澤、宣威、昭通、漁洞5個測點，將至少有2個測項出現異常（N≥2）視為異常，共出現6組異常，對應地震3次、虛報3次。

（2）滇中至滇西北地區：紅河斷裂以東、小江斷裂帶以西的云南境內，共有麗江、永勝、姚安、元謀、華寧、江川等15個測點，異常頻次N≥4，且持續時間在20 d以上視為異常，共出現8組異常、2組對應地震、6組虛報、漏報地震4組。

（3）小滇西至滇西南地區：瀾滄江以西的云南境內，共有保山、騰沖、孟連等8個測點，將異常頻次N≥3，且持續時間在20 d以上視為異常，共出現6組異常、2組對應地震、4組虛報；區內共5組地震，對應2組、漏報3組。[JP2]

（4）滇南至滇西南地區：25°N以南，995°E以東的云南境內，共有華寧、峨山、鎮沅、大寨等11個測點，將異常頻次N≥3且持續時間在20 d以上視為異常，共出現6組異常、1組對應地震、5組虛報；區內共2組地震，對應1組、漏報1組。[JP]

分區的結果顯示，如果把云南劃分為更小的構造單元，用更小構造單元的異常對應本單元的地震，虛報、漏報率會大大增加，這一結果表明：地震不一定都發生在異常集中的地區，異常集中的小區域也不一定發生地震，這一觀測事實表明如果跟著異常走，地點錯報的可能性會加大。分析認為當云南地區構造活動增強時，表現為大范圍多點的前兆觀測出現異常，以云南地區大區域為單元，當異常增加的時候是有利于地震發生的。

4結論及討論

利用從屬函數方法提取單項水溫異常，分析地震預測效能，對單項異常進行頻次疊加，提取綜合異常，分析與地震的關系。根據本文研究結果，得出如下幾點認識：[JP2]

（1）云南目前上報數據用于會商的水溫觀測資料共有52項，其中挑選出34項相對較好的資料，表明云南水溫資料的利用率大致為65%，有35%的資料沒有應用效能。34個測項資料中，通過采用AP和從屬函數計算方法提取異常，出現異常后，14個測項對應率在70%～89%間，4個測項對應率在60%～69%間；8個測項對應率在50%～59%間；若全省有8個測項同時出現異常，其后云南省內發生5級以上地震的對應率為100%，表明水溫在震前短臨階段的漲落變化是存在的，井水溫對地震在時間上有相對較好的預測效能。[JP]

（2）全省水溫的異常頻次和權重集成方法對省內MS≥5地震都有較好的預測能力，預測效能都能通過置信水平為975%的R值評分檢驗。從2種方法的結果看，權重集成比直接用頻次預測，漏報多1次。說明在云南的水溫觀測中，出現異常的數量更為重要，異常數量足矣刻畫云南的構造活動特征，并可用該特征進行發震時間預測。

（3）如果把水溫測點按照構造和地震活動進行分區，用區內的異常對應區內的地震，虛報率和漏報率都大大增加，說明在云南地區，采用水溫異常找未來的地震地點是困難的，水溫的異常變化更適合作短期尺度的時間預測。

（4）震前大范圍水溫異常增多的事實，與前兆觀測到的大量異常是區域構造活動增強的結果，異常與地震都是區域應力水平增加的認識是一致的（陳立德，付虹，2003），當區域構造活動增強時，我們能觀測到整個區域的異常增多，這個結果為地震短期預測提供了可能。從2009年以來的水溫群體異常特征還發現，如果地震發生在異常結束以后，其后繼續發生中等地震的可能性小，反之則有繼續發生地震的危險。表明前兆異常數量居高不下，可能反映的是區域應力水平繼續維持高值，在這種狀態下有利于地震的發生，這與數值模擬得到的結果也是一致的（耿魯明等，1993），表明異常的持續發展可以作為判斷后續是否有地震的指標。

（5）微觀前兆異常是監視區域地殼應力增強作用下地殼介質產生應變和應力集中并達到一定量的結果和傳遞出的信息。水溫測值異常可被視為當構造活動增強時，觀測站及附近地殼中含流體的介質受力后其裂隙、孔隙、裂縫等發生變化，引起流體移動速度及物質交換發生變化的結果（陳立德等，2008）。

（6）當區域構造活動增強，應力水平發生變化時，水溫短期群體異常增多，與地震有較好的相關性，因此可以作為云南有震的時間判別指標，但地點需要用其他方法進行確定，如云南4級地震活動增強的區域多為未來6級地震發生的地區（付虹等，2015）。如果每個觀測手段均發揮自己的優勢，統籌考慮其作用，可能對提高地震短期預測水平更行之有效。

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[STHZ][WT4HZ][JZ]Study on the Relationship Between Abnormal Water[JZ]Temperature and Earthquakes in Yunnan Area

[WT5B1][STBZ][JZ]LI Qiong1，FU Hong1，MAO Huiling1，ZHU Ronghuan2，HE Deqiang3

[WT5"B1X][JZ]（1 Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China）[JZ]

（2 Earthquake Administration of Kunming Municipality，Kunming 650500，Yunnan，China）[JZ]

（3 Earthquake Administration of Zhaotong Municipality，Zhaotong 657000，Yunnan，China）

[WT5HZ][JZ]Abstract[WTB1]

This paper selects the observations data of a total of 34 continuous and stable water temperature，using the aomalous process and subordinate function analysis method to extract abnormal jointly and analyze the relationship between water temperature and the MS≥50 earthquakes The results show that the single anomaly extracted by this method has short-term implications and good relationship with earthquake，but increased the omission rate of earthquake；The groups anomalies in Yunnan Province extracted by anomaly frequency and weight integration method have obvious correspondence with MS≥50 earthquakes，which reduce the omission，and can pass the R-value inspection of a confidence level of 975%；After Yunnan region has been divided into different areas by tectonic and seismic activity，we extracted small area groups anomaliesOnly considering earthquake at the same area，then the omission and false rate of earthquake significantly increased in each area；Analyzes its reason，we found that the water temperature anomaly and earthquake are the products of increasing regional tectonic activities，and the water temperature shows a better characteristics of increasing regional tectonic activities，and the earthquake will occur easily based on increasing regional tectonic activities，therefore regional groups anomalies have more correspondent potency；The temperature abnormity extracted by using the anomalous process and subordinate function analysis method shows the characteristic of accelerated water temperature before earthquake，and regional groups anomalies can be used as short-term time indicators of the earthquakes（ MS≥50）in Yunnan region

[WTHZ]Keywords：[WTB1]water temperature observation in Yunnan；subordinate function analysis method； MS≥50 earthquakes；increasing of regional tectonic activities；groups anomalies[LM]