華南地區流體地震預測指標建立、應用和反思*

廖麗霞，秦雙龍，洪旭瑜

(福建省地震局，福建 福州 350003)

0 引言

為深化會商制度改革，不斷完善、提高震例總結的水平和實效，中國地震局監測預報司對流體、測震、電磁、形變四大學科開展了地震預測指標體系清理工作，目前四大學科都在建立各自的指標體系。2015年流體學科就率先開展了這項工作，在分片區梳理異常特征庫、典型干擾庫的基礎上建立了預測指標體系。馮志生等(2019)依托統一的電磁學機理，應用多種方法探討全國范圍地磁日變化與地震三要素的關系，在此基礎上建立地震地磁預測指標體系。王俊等(2016)基于《中國震例》系統分析了強震前川滇地區地下流體異常特征，對該區時空強三要素的預測指標進行了探討；隨后王俊等(2018a，b，2019)又基于華北、安徽地區的中強震震例，系統分析了地震前后流體異常信息特征，初步構建了該區流體預測指標體系。還有專家從地震預測指標體系的建設方法上做了探討，如付虹等(2019)從孕震模型的角度出發，指出中國大陸流體異常預測指標體系的建設應根據不同孕震機理區別對待。目前對已建地震預測指標體系的驗證和反思方面的工作還不多見，且自2016年華南地區流體地震預測指標體系建立以來，已在華南地區震情跟蹤工作中應用了3年，對地震的判定有成功也有失敗的案例，尤其是2019年10月12日廣西北流5.2級地震的發生，暴露了其不足。因此，本文對華南地區流體地震預測指標體系的建立及其在應用過程中存在的問題進行反思，以便能更好地對華南地區的震情進行跟蹤，對未來地震進行更為科學、客觀的預判。

1 地震及流體觀測臺網概況

1.1 地震概況

華南地區是一個相對少震、弱震區，主要以4級地震為主。2001—2019年該區內發生的5級以上地震僅5次，分別是2005年11月26日九江—瑞昌5.7級地震、2016年7月31日廣西蒼梧5.4級地震、2018年11月26日臺灣海峽6.4級地震、2019年10月12日廣西北流5.2級地震和2019年11月25日廣西靖西5.2級地震，其中最大地震是2018年臺灣海峽6.4級地震。華南地區發生ML≥4.0地震的概率也很低，2001—2019年年均只有5.79次，如果同一震群ML≥4.0地震按一次地震事件統計，則年均只有3.74次。具體的地震情況詳見表1。

表1 2001—2019年華南地區ML≥4.0地震事件統計

1.2 流體觀測臺網概況

截至2019年11月，華南地區正常運行的流體測項共有200項，觀測臺站80多個，其中觀測臺站最多的省份是福建和廣東省，均在20個以上。全區觀測站最多的測項是水位(共76個)，其次是水溫(共75個)，水氡(7個)，水質(6個)，氣氡(4個)，氣汞(2個)，氣體(1個)。華南地區的觀測臺站多是綜合觀測站，一個觀測臺站同時擁有多個觀測項目，其中水位、水溫綜合觀測站最多；少數觀測臺站為氡及水質、氣體綜合觀測站。華南地區流體觀測井空間分布情況詳見圖1。

圖1 華南地區流體觀測井空間分布圖

2 流體地震預測指標體系建立和應用

華南地區流體地震預測指標體系是基于《中國震例》之華南歷史震例統計分析及流體臺網監測效能和預報效能評估的基礎上，并充分考慮流體本身的特色及華南地區的區域特色完成的。通過對《中國震例》中華南地區的14個震例(1966—2012年)(張肇誠，1988，1990a，b，1999；陳棋福，2002a，b，c；蔣海昆，2018)分析，發現該地區流體異常表現為以下特征：①流體前兆異常不遵循震級越大異常數量越多、震級越大震中距越遠的常規，它們之間沒有固定的關系；②優勢震中距范圍為60～250 km；③流體異常持續時間及異常出現后半年內發震的比例占多數，是優勢發震時段；④地球化學測項映震效能大大優于地球物理測項，是該地區的特征靈敏組分(廖麗霞等，2019)。本文將以上特征作為提取華南地區流體地震預測指標體系主要依據。由于在水溫日常觀測中沒有提取到可靠的震例，所以無法提取指標；水位日常觀測頻繁受觀測技術系統、降雨、基建、抽水等干擾，在地震頻度、強度較小的華南地區難以提取到具有普適性的臨震及短臨異常，只能更多地從原始動態、趨勢動態和同震響應及震后效應方面進行分析，提取普適性指標；氡和水質對中、小地震反應較為靈敏，為該區的特征靈敏組分，是華南地區較好的時間指標。

根據各測項的特點，華南地區流體預測時間指標以氡、水質為主，水位為輔，同時對效能評估好的水化學資料重點分析進行提取；空間指標以水位為主，化學量為輔，從點、線、面展開分析并加以提取。提取原則為：提取地震前表現出較高重現率的前兆標志性異常，同時其漏報率和虛報率盡可能低，虛報率至少應低于50%，且至少對地震三要素之一具有較為明確的指示意義。

2.1 時間預測指標

時間預測指標主要從具體觀測點的具體測項提取，按預測時間的長短分為短期、中期、長期。分析測項以氡和水質為主，根據地震的最佳對應效果確定判據，當達某閾值多次對應地震，這個閾值作為異常判定標準；出現某特征后多次對應地震，則這個特征就作為異常判定標準。華南地區有4口井的氡和水質映震效能較好，分別是華安汰內井、黃子洞井、廈門東孚井、寧德井。當華安汰內井出現氣溫平穩、水氡震蕩這一異常后，與該井周圍250 km范圍內ML≥4.5地震有很好的對應關系，發震時間多數在異常出現后1個月左右，這項異常作為短期預測指標進行提取；當華安汰內井水氡出現隔年原始數據月均值之差≥4 Bq/L這一異常后，與臺灣地區7級以上地震有很好的對應關系，發震時間多數在異常出現后一年左右，這項異常作為長期預測指標進行提取；華安汰內井和廈門東孚井的水質、寧德井的氣氡超出經驗閾值時，與井孔周圍250 km范圍內ML≥4.5地震有較好的對應關系，發震時間一般在異常出現后半年左右，這作為中期預測指標進行提取。

根據歷史震例，這些指標雖然也具有空間的指示意義但指示意義較弱，范圍較大，一般在異常井周圍250 km范圍內。

震情跟蹤工作中，2013年3月應用華安汰內井和廈門東孚井F-高值異常這一中期預測指標對同年9月的仙游ML5.0震群做出過較為準確的預測(廖麗霞等，2019)。2016年以來，利用華安汰內井隔年原始數據月均值之差提取到異常，預測中國臺灣地區會發生7級地震，實際在中國臺灣地區只發生了6.7級地震、臺灣海峽發生了6.4級地震，其它指標均未提取到中短期異常，據此在2016—2019年度華南地區的會商報告中做出的廣東、福建區域下一年度無ML≥4.5地震的判定均符合實際情況。

2.2 空間預測指標

從預報評估等級、觀測儀器運行情況、觀測資料評價情況、各測項主要干擾因素對華南地區水位觀測資料進行調研。因水位資料干擾因素較多，且該區地震強度小、前兆信息弱，臨震及短臨、短期震例較少，為最大限度地應用觀測資料，本文嘗試應用水位趨勢動態、同震響應動態來提取水位趨勢動態、同震響應場的異常信息，探討其與地震的相關性，以期對未來地震做出一定程度的預測。由于預測地震的時間較長，一般是0～3年，地點預測指標只能是一個時間上的長期預測指標，在時間上的預測意義大大弱于空間。

2.2.1 線性地點指標

線性地點指標主要對處于同一構造帶上的觀測井的水位多年趨勢動態進行分析。在福建地區取得多個震例的基礎上推廣至華南地區，通過對華南地區多個震例分析、總結認為：同一構造帶上多井水位(準)同步出現多年趨勢上升(一般持續2年以上)，可以作為該斷裂帶未來發生中強地震的地點指標。如2007年永春ML4.6地震是在永安—晉江斷裂帶上多井水位出現同步趨勢上升的背景下發生的。2007年8月29日永春ML4.6地震前，在永安—晉江斷裂帶這一發震構造帶上，多井水位從2004年開始呈同步或準同步趨勢上升，而同期其它斷裂帶上的水位則未出現趨勢上升現象，地震后水位逐漸恢復到正常值或穩定在高值，如圖2，3所示。同樣，2013年仙游ML5.0地震是在長樂—詔安斷裂帶多井水位同步趨勢上升的背景下發生的，2005年平果ML4.8地震、2013年平果ML4.9地震、2017年靖西ML4.6地震、2019年北流M5.2地震、靖西M5.2地震都是在百色—合浦斷裂帶多井水位同步趨勢上升的背景下發生的。早在2013年的震情跟蹤工作中，筆者曾應用該指標對仙游ML5.0震群做出較為準確的空間預判。

F1：長樂—詔安斷裂；F2：南平—福州斷裂；F3：沙縣—南日島斷裂；F4：永安—晉江斷裂；F5：政和—海豐斷裂

圖3 2007年8月29日永春ML4.6地震前多井水位多年趨勢上升典型動態圖

震情跟蹤工作中，在2017年度華南地區流體會商報告中，利用百色—合浦斷裂帶多井水位趨勢上升對2017年靖西ML4.6地震做出過較為準確的年度趨勢預測判定；2019年度和2020年度在華南地區流體學科會商報告中均指出百色—合浦斷裂帶及鄰近區域存在發生ML4.5地震的可能，結果分別在2019年10月12日發生了北流5.2級地震、2019年11月25日發生了靖西5.2級地震。

2.2.2 面狀地點指標

面狀地點指標主要是圍繞水位同震響應場展開分析。華南地區的震例分析顯示當多個水位井對同一次全球8級大震的同震響應表現為階升形態，且圍成一定的空間區域范圍時，預示未來3年內多個水位同震階升井圍成的空間區域內可能發生ML≥4.0地震，一般在引起水位出現階升的世界巨震發生后2年內發生地震。2006年北部灣ML4.5，2007年順昌ML4.9，4.7，永春ML4.6地震是在2004年印尼8.7級地震水位同震響應階升井集中區內發生的；2008年長泰ML4.7地震是在2008年汶川8.0地震水位同震響應階升井集中區內發生的；2011年北部灣ML4.1，2012年河源ML5.1地震，2013年仙游ML5.0地震是在2011年日本9級地震水位同震響應階升井集中區內發生的(1)華南地區地震預報指標體系清理工作小組.2017.華南地區地震預報指標體系清理工作報告(修改版)：74-77，79-86.。2015年4月25日尼泊爾8.1級地震引起全區大范圍的井出現階升變化，該現象在全區也是較少見的，隨后的2015—2016年華南地區發生了11次ML≥4.0地震，最大為廣西蒼梧5.6級地震，如圖4所示。分析認為這種大范圍的水位同震階升響應跟區域應力增加可能有一定的關聯。筆者曾應用該指標對長泰ML4.7地震、仙游ML5.0震群的發震空間位置做出了較為準確的預判。

圖4 2015年4月25日尼泊爾8.1級地震引起華南地區水位同震階升井及后繼4級以上地震空間分布圖

筆者曾在水位觀測井較為密集的福建地區對水位震后效應場和形變應力場等前兆場的空間變化規律與福建地區地震的相關性進行分析，結果顯示福建多次ML4.5地震孕育過程均伴隨著形變應力及水位震后效應的成場。2007—2008年上半年，福建地區水位同震階升區、壓應力場主要分布在鄭和—海豐斷裂帶及長樂—詔安斷裂帶北段，而2007—2008年上半年福建地區發生的地震，如2007年3月13日順昌ML4.9，4.7地震、2008年3月6日古田ML4.8地震就發生在水位同震階升和壓應力場集中的區域。2008年下半年，福建地區的水位同震階升區、壓應力場集中區均轉移到閩南地區，2008年7月5日長泰ML4.7地震同樣發生在水位同震階升區和壓應力場集中的區域(廖麗霞等，2011)。這也從一個側面驗證了水位同震階升區確實與區域應力增強有關，是未來地震可能的危險區。

近幾年，筆者嘗試將上述地震預測指標應用于華南地區日常震情跟蹤工作及年度會商工作中，通過分析全球8級地震是否引起華南地區水位同震響應的動態變化特征，判定華南地區未來的地震趨勢。2016年以來全球共發生4次8級地震，2016年11月13日新西蘭8.0級地震、2017年9月8日墨西哥8.2級、2018年阿拉斯加灣8.0級地震、2018年8月19 日斐濟群島8.1級地震，全區水位井沒有出現多井同震階升的現象，僅長沙井在阿拉斯加灣8.0級地震前出現單井同震階升，其它井同震響應的動態均是水震波或沒響應，據此在2017，2018，2019年度會商時認為從面上分析華南地區不存在應力高度集中的大面積空間區域，判斷下一年度華南地區發生ML≥4.5地震的可能性較小，實際結果除廣西地區外其它地區確實十分平靜，沒有發生ML≥4.5地震。

3 反思

2016年廣西蒼梧5.4級地震和2019年10月12日北流5.2級地震、11月25日靖西5.2級地震是在面上區域沒提取到空間異常、周圍250 km內地球化學指標沒提取到前兆異常的情況下發生的，這暴露了華南地區流體地震指標體系的不足。尤其是2019年廣西北流5.2級地震，其震中位置周邊分布有許多流體觀測點，對此做如下反思。

3.1 關于區域性

由于華南地區地震震級小而少，線性地點指標是在4級以上地震的震例基礎上提取的，習慣于關注較小的空間區域，如只是一條、一條斷裂帶地掃描，只要同一條斷裂帶上多口井水位沒有出現趨勢上升就認為該斷裂帶是安全的。在北流地震300 km范圍內共有16個水位觀測站，其中三水、信宜、羅屋、石埠、九塘、海口、向榮、火山8口井的水位在震前有持續3年以上的趨勢上升，如圖5，6所示。另外北海、桂平、陽西3口井的水位從2018年開始也呈趨勢上升，其中北海、桂平井2018年還同步出現水位破年變高值異常。所有這些井多分屬不同斷裂及3個不同省份，但均分布在震中300 km范圍內。因此，有理由認為中強地震受力范圍更廣，應該從更大的范圍跨不同斷層來分析。如果一定的空間范圍內多口井出現水位趨勢上升，則這些井圍成的空間區域亦存在發生中強地震的可能，不應只把注意力集中在某條斷裂帶上，而應關注同一方向的成組斷裂帶。

圖5 北流地震300 km范圍內水位觀測井空間分布圖

圖6 北流地震300 km范圍內多井水位多年趨勢上升動態圖

3.2 關于異常與干擾

廣西省地震局在2019年5月22日發現北海井(震中距約為166 km)水位出現破年變異常，2次到現場進行異常核實。該井距海岸線約1.5 km，村民反映近兩三年民用井井水口感變咸，且北海井水樣測試結果分析表明，觀測井水鹽度較高，為溶濾鹵水，說明井孔深部含水層受到海水倒灌影響(2)莫佩蟬，黃美麗，黃惠寧，等.2019.異常核實——2019年5月22日廣西北海咸田井水位.2019年度廣西局異常核實報告.。雖給出的結論認為北海井水位破年變上升的現象在一定程度上是由構造運動引起的，反應了區域應力的變化，應作為地震異常進行跟蹤，但無法給出較高的異常信度。同樣的海口井(震中距239 km)、向榮井(震中距243 km)、火山井(震中距242 km)的水位趨勢上升也因周邊存在大范圍的抽水干擾，異常核實被定性為抽水干擾(3)解曉靜.2018.異常核實——2018年5月2日海南海口ZK26井水位、向榮村ZK46井水位、火山流體922K5井水位.2018年度海南局異常核實報告.；石埠井(震中距249 km)也因2019年8月4日井壁破裂、井水溢出，觀測技術系統受損而取消這項水位趨勢上升年度異常。

那么會不會有這種可能：北海區域水井海水的混入本身就是因震前應力加劇產生各種新的裂隙或促使微裂隙擴張引起的呢？有可能干擾其實是構造運動一因多果的產物。而石埠井井壁破裂本身有可能就是構造運動導致的？海南的3口水位趨勢上升井雖有抽水的干擾，但在趨勢上升過程中在250 km范圍內相繼發生了雷州4.1、北流

5.2級地震，那么是否可以認為這些井水位的趨勢上升也包含區域應力增強的成分呢？畢竟大自然是一個復雜的系統，不會有那么絕對的干擾和地震前兆的界限，況且同在250 km范圍內還有5口井出現同步或準同步趨勢上升，它們并不存在干擾。另外北流地震前還存在海口、北海、桂平3口井水位的破年變異常現象。因此今后異常核實是否需要從更大、更廣的空間范圍跨省來對比分析，而結論是否應該更充分地考慮更多方面的因素，而不能因周邊有干擾因素就直接否定其構造成因呢？如果異常具有空間性，雖此處存在干擾但它處不存在干擾是否可以加大其地震前兆的異常信度呢？日常震情跟蹤僅從一個省的資料孤立地分析是否會限制其空間的廣度，而無法客觀全面的進行判定？

3.3 關于地球化學量指標在異常核實中的應用

取水樣進行水質全分析或土壤氣測量是目前流體觀測在異常核實中判定異常是否是構造成因的重要手段之一，但地球化學含量的變化尺度如何把握？變化多少才算能引起地震的量呢？是不是所有的構造地震都存在深部物質的上涌而引起地球化學成分發生變化呢？這還需要更多的震例或實驗加以論證，不能因其地球化學成分變化不大就完全否定其地震成因。比如2017—2018年海口井的破年變高值異常，雖然其水樣水質分析的結果與原背景值相比顯示該井水型保持一致，水化學含量沒有發生較大的變化，但其水位變化趨勢與信宜井的水位及信宜1號井的流量一致，同時信宜1號井的流量、北海水位、桂平水位亦先后出現破年變高值異常，如圖7所示。因此地球化學量指標只能作為輔助手段，應結合其它手段進行異常成因的綜合判定。

圖7 海口井水位、信宜井水位、信宜1號井流量動態圖

3.4 關于地球化學指標映震效能

北流地震250 km范圍內有氣體(氡氣、甲烷、氦氣、氮氣、氣體總量)和水質各一個觀測點如圖8所示，但震前和震后均未提取到前兆異常。其中信宜1號井氣體離震中僅33 km，沒有出現前兆異常是因為該觀測井處于是應力閉鎖區？雷州水質(震中距198 km)主要觀測Cl-，Ca2+，Mg2+，由于該觀測井地處海邊，這些測項背景值很高，應力引起的變化很可能被掩蓋在正常的波動范圍中。因此，未提取到地球化學異常并不意味著該區域未來無震，亦不能作為未來該區域無震的唯一依據。總之，不能孤立地應用該指標，應根據不同區域特點并結合水位及其它學科資料進行綜合判定。

圖8 北流地震300 km范圍內地球化學觀測井空間分布圖

3.5 關于震級判定的偏差

由于指標體系總結的歷史震例均為ML4.5左右，沒有5級的震例，因此提取到的異常只能判定存在發生ML≥4.5地震的可能，無法做出更為準確的強度預測，這導致對華南地區尤其是廣西地區地震震級的判定出現偏差，總是偏小，如2019年北流和靖西5.2級地震，今后應吸收這些新震例對指標做出進一步的修正。

3.6 關于會商機制

目前的會商機制是在每年年底全國按四大學科分別進行學科會商，分片區進行匯報，但在學科會商會之前的整個會商年度中，華南地區各省的流體學科都只分析本省資料，缺乏一個充分溝通、交流的平臺，對其它省流體觀測儀器運行、資料干擾情況及動態也不夠了解，而地震的孕育、構造運動是不分省界的，視野的局限性也限定了地震預測的準確性。

4 結論和建議

通過對華南地區流體資料分析提取如下預測指標：華南地區流體預測時間指標以氡、水質為主，水位為輔；空間指標應以水位為主、化學量為輔，從點、線、面展開分析并加以提取。具體判定標準為：當氡、水質的測值達某閾值或出現某特征后多次對應地震，則這個閾值或這個特征就作為異常判定標準；當同一構造帶上多井水位(準)同步出現多年趨勢上升，則該斷裂帶可以作為未來發生中強地震的地點指標；當多個水位井對同一次全球8級大震的同震響應出現階升形態，則這些階升水井圍成的空間區域可以作為未來發生ML≥4.0地震的空間指標。

由于華南地區為少震、弱震區，目前在歷史地震基礎上總結提取的預測指標不夠充分，還應在今后更多的地震事件中不斷補充、完善和修正；單一的預測指標用于地震預測時，如能根據不同區域特點，并結合流體學科其它測項和其它學科資料進行綜合判定，將會得到更為準確的判定結果；日常的震情跟蹤、預測及異常核實工作必須打破省域的局限性，按構造帶從更大的區域范圍或按震例總結的觀測點范圍250 km范圍內用預測指標體系進行綜合分析，才能逐漸接近地震孕育的真實場景，據此做出更為準確的預測及判定；前兆異常和干擾有時是共生或伴生關系，不能因周邊有干擾就直接否定其構造成因，應從更大的范圍及更多其它的資料綜合分析論證。

建議震情分析應從場的角度出發，不局限于省域范圍；加強各省流體學科間的聯動，如重大異常的核實應設立鄰省聯動機制，從更大的范圍全面調查分析才能找到客觀、真實的異常成因；日常工作中應加強各片區內部省份的學科交流，如臺站250 km范圍內的所有觀測站資料進行交換、每月會商進行片區視頻會商、全國學科會商會之前召開一次片區學科會商會，放眼更大的空間區域、開通各種渠道的學科交流等，如能這樣這次北流地震還是可以做出一定程度預測的，畢竟震中250 km范圍內水位還是出現了諸多破年變、高值、趨勢上升的異常現象。

對于較為分散在多條斷裂上的前兆分布，要判定震中范圍有一定難度。目前對地震空間的判定主要靠多觀測點來劃定區域，對較為分散的前兆要依靠豐富的震例資料提高單測點或少數觀測點的前兆信度，才能進行判定，而華南地區屬少震、弱震區，震例不多，因此更為有效的方法是加大綜合觀測密度，沿斷裂帶多布設一些綜合觀測點。

感謝劉錦、莫佩蟬、張帆提供了所在省局的觀測資料，感謝田雷提供了相關基礎資料。