云南水化學(xué)觀測(cè)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(qiáng)烈側(cè)向擠壓和對(duì)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(dòng)頻繁而強(qiáng)烈(秦嘉政等，2005)。近26年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，云南省內(nèi)平均每年約發(fā)生2～3次5級(jí)地震，每2年約發(fā)生1次6級(jí)地震，甚至一年發(fā)生多次6級(jí)以上強(qiáng)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(jí)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(jí)、魯?shù)?.5級(jí)和景谷6.6級(jí)強(qiáng)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(guó)地震分析預(yù)報(bào)與探索實(shí)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(dòng)增強(qiáng)致使應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，斷層的封閉性改變，流體活動(dòng)作用增強(qiáng)，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(cè)始于20世紀(jì)80年代，長(zhǎng)期的地震預(yù)測(cè)實(shí)踐積累了豐富的觀測(cè)資料和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)(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(duì)單個(gè)地震事件的現(xiàn)象進(jìn)行分析，如楊杰英(1997)分析了1995年武定6.5級(jí)地震前水化學(xué)異常，指出水化學(xué)項(xiàng)目的繼承性異常和震后異常可以作為后繼地震發(fā)生的判據(jù)；劉耀煒等(2015)研究認(rèn)為2014年魯?shù)?.5級(jí)地震前水巖反應(yīng)加劇和地下水混合作用增強(qiáng)，使地下水離子組分濃度發(fā)生變化。二是從觀測(cè)資料的角度，提取前兆異常，分析異常與地震的對(duì)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(cè)歷經(jīng)近30年，這期間觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)儀器及觀測(cè)方式等均發(fā)生了較大改變，如有些測(cè)點(diǎn)已經(jīng)停測(cè)，有些測(cè)點(diǎn)增加了新的觀測(cè)項(xiàng)目，有些臺(tái)站增加了新的觀測(cè)點(diǎn)等。因此，需要根據(jù)云南水化學(xué)資料的動(dòng)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(cè)資料為研究樣本，采用在原始觀測(cè)曲線上識(shí)別異常的傳統(tǒng)分析方法，逐項(xiàng)梳理云南水化學(xué)觀測(cè)曲線，提取異常變化，并分析單項(xiàng)及群體異常與MS≥5.0地震的關(guān)系，總結(jié)個(gè)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(gè)水化學(xué)觀測(cè)臺(tái)站，其中包括3個(gè)斷層帶土壤氣CO2(林元武，翟盛華，1993)，共有61個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目用于日常震情跟蹤監(jiān)視，表1列出了13個(gè)觀測(cè)井(泉)的基本情況。這些臺(tái)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(gè)觀測(cè)臺(tái)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(cè)空白區(qū)(圖1)。滇東北地區(qū)有5個(gè)水化學(xué)觀測(cè)點(diǎn)，其中3個(gè)點(diǎn)為接觸下降冷泉；滇西北東帶的水化學(xué)觀測(cè)點(diǎn)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(cè)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(gè)月內(nèi)、同一個(gè)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(jìn)一步挑選出以每一個(gè)臺(tái)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(jí)和6.0級(jí)以上地震，作為研究單項(xiàng)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(duì)水化學(xué)資料，主要以原始觀測(cè)曲線的背景作為參考，按照曲線的上升或下降變化來識(shí)別異常。本文采用相同的分析方法，同時(shí)為了排除單點(diǎn)突跳或干擾引起的變化，只提取具有一定持續(xù)時(shí)間且相對(duì)觀測(cè)背景變化比較顯著的異常。根據(jù)不同臺(tái)站、不同測(cè)項(xiàng)的實(shí)際觀測(cè)，提取異常時(shí)所選擇的數(shù)據(jù)類型為原始觀測(cè)的日值、5日均值或旬均值，再根據(jù)異常與地震的最佳對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定異常閾值。

按照水化學(xué)資料在日常會(huì)商中的應(yīng)用約定，異常結(jié)束后3個(gè)月內(nèi)發(fā)生的地震為對(duì)應(yīng)，否則視為虛報(bào)。提取單項(xiàng)觀測(cè)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(shí)間和異常持續(xù)時(shí)間等。通過標(biāo)注每次異常開始至地震發(fā)生的間隔時(shí)間和對(duì)應(yīng)地震到臺(tái)站的距離，得到單項(xiàng)異常與地震的對(duì)應(yīng)情況。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)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(xiàng)異常與地震關(guān)系

2.1.1 單項(xiàng)異常預(yù)測(cè)效能

通過逐項(xiàng)提取水化學(xué)觀測(cè)曲線的異常變化，發(fā)現(xiàn)有6個(gè)臺(tái)站(大關(guān)、施甸、昌寧、鹽津、永善、洱源溫泉)共27個(gè)測(cè)項(xiàng)未能提取到有效的異常變化，其它10個(gè)觀測(cè)臺(tái)站共34個(gè)測(cè)項(xiàng)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(shí)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(cè)曲線的異常形態(tài)

對(duì)單項(xiàng)水化學(xué)觀測(cè)曲線的異常識(shí)別結(jié)果，用對(duì)應(yīng)地震的異常次數(shù)除以異常總次數(shù)表示地震對(duì)應(yīng)率，得到單項(xiàng)異常的地震預(yù)測(cè)效能，34個(gè)測(cè)項(xiàng)的單項(xiàng)異常的地震預(yù)測(cè)效能見表2。由表2可見，有30個(gè)測(cè)項(xiàng)的地震對(duì)應(yīng)率高于75%，其中26項(xiàng)的地震對(duì)應(yīng)率為100%，沒有出現(xiàn)虛報(bào)。對(duì)應(yīng)率低于50%的測(cè)項(xiàng)有2個(gè)，分別為普洱臺(tái)水汞和洱源臺(tái)水汞。

表2 單項(xiàng)異常的地震預(yù)測(cè)效能

34個(gè)測(cè)項(xiàng)的連續(xù)觀測(cè)時(shí)間中最長(zhǎng)18年、最短4年，觀測(cè)10年以上的有28項(xiàng)，占82%。通過統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)1次異常的間隔時(shí)間，發(fā)現(xiàn)共有6個(gè)測(cè)項(xiàng)自觀測(cè)以來僅出現(xiàn)過1次異常，出現(xiàn)異常的間隔時(shí)間最長(zhǎng)為18年，最短為4年。出現(xiàn)異常間隔時(shí)間最短的測(cè)項(xiàng)為平均每2年出現(xiàn)1次異常，34個(gè)測(cè)項(xiàng)平均每6年出現(xiàn)1次異常。以上結(jié)果表明，單項(xiàng)水化學(xué)的異常變化對(duì)周邊中強(qiáng)地震的指示性較好，但對(duì)地震的漏報(bào)也較多。

2.1.2 單項(xiàng)異常特征

2000—2017年，34個(gè)水化學(xué)測(cè)項(xiàng)共出現(xiàn)102次異常，其中86次異常對(duì)應(yīng)地震發(fā)生，平均地震對(duì)應(yīng)率為84%。異常持續(xù)時(shí)間最短為5 d，最長(zhǎng)超過600 d，平均為153 d。異常出現(xiàn)后，在地震預(yù)測(cè)有效期內(nèi)不管發(fā)生幾次地震，如果只考慮第一個(gè)地震，得到異常開始至發(fā)生第一個(gè)地震的時(shí)間間隔最短為1 d，最長(zhǎng)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(shí)間進(jìn)程特征(圖3)可見，約64%的水化學(xué)異常在云南中強(qiáng)地震發(fā)生前3個(gè)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(cè)指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)所有觀測(cè)曲線異常變化與對(duì)應(yīng)地震發(fā)生的時(shí)間間隔，大于1 a的異常很少，沒有觀測(cè)到長(zhǎng)期趨勢(shì)背景異常。

圖3 前兆異常數(shù)量的時(shí)間進(jìn)程特征

2.2 群體異常與地震關(guān)系

2.2.1 單臺(tái)多測(cè)項(xiàng)群體異常與地震

云南省有11個(gè)綜合觀測(cè)離子濃度的臺(tái)站，同時(shí)觀測(cè)多個(gè)離子組分的濃度。大關(guān)和施甸臺(tái)的觀測(cè)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(duì)其余9個(gè)觀測(cè)臺(tái)站中具有映震效果的測(cè)項(xiàng)進(jìn)行群體異常分析。分析單項(xiàng)異常與地震關(guān)系可知，下關(guān)臺(tái)和巧家局觀測(cè)臺(tái)站均有2個(gè)單項(xiàng)測(cè)項(xiàng)提取到震前異常變化，但均未提取到群體異常現(xiàn)象，剩下7個(gè)臺(tái)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(gè)臺(tái)站提取到多次群體異常現(xiàn)象，分別為保山局、隆陽局、騰沖臺(tái)和普洱市局，其余3個(gè)臺(tái)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(dòng)異常形態(tài)為主，地震對(duì)應(yīng)率為100%。異常出現(xiàn)至發(fā)生5.0～5.9級(jí)和6.0級(jí)以上地震的時(shí)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(gè)臺(tái)站的多個(gè)測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)準(zhǔn)同步群體異常變化時(shí)，該特征對(duì)后續(xù)地震的預(yù)測(cè)意義比較明確，增加單臺(tái)多測(cè)項(xiàng)的綜合觀測(cè)，可以減少對(duì)干擾的誤判，更清楚地識(shí)別震前異常，提高觀測(cè)臺(tái)站區(qū)域地震的監(jiān)視能力。

表3 單臺(tái)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(xiàng)異常與地震關(guān)系分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)34項(xiàng)水化學(xué)測(cè)項(xiàng)進(jìn)行處理：異常的測(cè)值用“1”表示，無異常的測(cè)值用“0”表示。云南水化學(xué)觀測(cè)臺(tái)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(shí)間單位按照這3個(gè)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(gè)測(cè)項(xiàng)。由圖4a可見，當(dāng)有3個(gè)及以上測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)準(zhǔn)同步異常，且同步異常持續(xù)時(shí)間超過1個(gè)月時(shí)，其后在小滇西地區(qū)會(huì)發(fā)生5.0級(jí)以上地震，對(duì)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(gè)月內(nèi)發(fā)生5.0級(jí)以上地震的短期預(yù)測(cè)指標(biāo)。與該區(qū)群體異常變化關(guān)系對(duì)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(cè)臺(tái)站和測(cè)項(xiàng)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(gè)觀測(cè)臺(tái)站(耿馬局和普洱局)，共6個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目。由圖4b可見，2000—2017年有2個(gè)及以上測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)曲線同時(shí)出現(xiàn)異常的情況共7次，只有1次虛報(bào)，地震對(duì)應(yīng)率約為86%。震例結(jié)果顯示異常出現(xiàn)后的3個(gè)月內(nèi)，主要對(duì)應(yīng)發(fā)生5.0級(jí)以上地震；當(dāng)異常持續(xù)時(shí)間超過3個(gè)月，則對(duì)應(yīng)發(fā)生6.0級(jí)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(cè)曲線上識(shí)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(xiàng)異常，分析單項(xiàng)及單臺(tái)群體異常的地震預(yù)測(cè)效能。根據(jù)觀測(cè)臺(tái)站的區(qū)域分布特征，對(duì)單項(xiàng)異常進(jìn)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(huì)商的水化學(xué)觀測(cè)資料有16個(gè)觀測(cè)臺(tái)站，共計(jì)61個(gè)測(cè)項(xiàng)，其中5個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的27項(xiàng)觀測(cè)資料沒有對(duì)應(yīng)震例，占總測(cè)項(xiàng)的44%；有對(duì)應(yīng)地震的測(cè)項(xiàng)中，88%的測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)異常的地震對(duì)應(yīng)率超過75%，其中26個(gè)測(cè)項(xiàng)的異常變化沒有出現(xiàn)虛報(bào)，地震對(duì)應(yīng)率為100%。云南水化學(xué)觀測(cè)資料的地震預(yù)測(cè)有效占比僅為56%，觀測(cè)臺(tái)站的映震能力是不均一的，這反映出水化學(xué)觀測(cè)臺(tái)站在構(gòu)造活動(dòng)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(diǎn)的選擇及高質(zhì)量的觀測(cè)資料是獲取地震前兆異常的基礎(chǔ)條件。

(2)單項(xiàng)異常從出現(xiàn)至發(fā)生地震的時(shí)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(cè)到長(zhǎng)趨勢(shì)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(qiáng)的深部熱物質(zhì)活動(dòng)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(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)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(cè)臺(tái)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(cè)項(xiàng)增多時(shí)，該區(qū)5級(jí)及周邊6級(jí)以上地震的對(duì)應(yīng)率均大于85%。滇西北東帶地區(qū)的觀測(cè)臺(tái)站密集，群體異常最顯著，滇西南和滇東北地區(qū)的觀測(cè)臺(tái)站相對(duì)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(gè)異常測(cè)項(xiàng)，異常的顯著程度沒有滇西北東帶地區(qū)強(qiáng)。這表明研究區(qū)域的測(cè)項(xiàng)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(cè)站相對(duì)密集地區(qū)的異常數(shù)量較多且地震對(duì)應(yīng)率較高，進(jìn)一步印證了在復(fù)雜構(gòu)造條件下，有較高密度觀測(cè)點(diǎn)的區(qū)域才能有效觀測(cè)到流體活動(dòng)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(jìn)高質(zhì)量水化學(xué)觀測(cè)點(diǎn)的建設(shè)，包括密集式低成本斷層氣連續(xù)觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，是今后提高地震地球化學(xué)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)能力的重要基礎(chǔ)。