基于4種技術方法的地下流體資料預報效能探討

胡小靜 付虹 張翔 李瓊 高文斐

云南省地震局,昆明 650224

0 引言

地下流體普遍存在于地殼介質中,被國內外學者認為是最重要的短臨前兆觀測手段之一(張煒等,1988; 劉耀煒,2006;Wang et al,2009;),在長期的地震預報實踐中,所記錄到的各類流體異常在大震短臨預測過程中發揮了重要的作用(劉耀煒等,2002; 吳忠良等,2007; 晏銳等,2018; 田雷等,2022)。眾多研究結果表明,地下流體資料對孕震區和外圍區介質變化的響應非常靈敏,地震的孕育和發生過程始終伴隨有地下物質運移、能量傳輸和條件改變,從而引起不同含水層之間的交互滲入等,進而導致地下水物理、化學參量和逸出氣體濃度的異常變化(車用太等,1997;Montgomery et al,2003;Zhou et al,2021; 李營等,2022;Chen et al,2022)。

研究結果顯示,2014年魯甸6.5級地震發生前,昭通地區地下流體觀測記錄到了大量的地下流體異常,對滇東北地區乃至川滇交界東部地區的震情趨勢判定發揮著重要的作用(劉耀煒等,2015)。因此,本文對昭通地區地下流體資料開展震情跟蹤技術方法預報效能計算,盡可能從定量化的角度來評估觀測資料在震情預測方面發揮的作用,同時對這些異常產生的孕震機理進行討論。

1 資料概況

昭通地區目前正在觀測的全部地下流體資料包括19個觀測點的47個觀測項,其中模擬觀測17項,包括水氡觀測5項、二氧化碳觀測5項、離子觀測4項、電導率觀測2項、pH觀測1項,數字化觀測30項,均為水溫水位觀測。梳理全部觀測資料后,巧家老店水溫、鹽津水溫、永善蓮峰水溫及水位、魯甸水溫及水位由于觀測時間較短,無法參與計算,其余41個測項全部參與了閾值法、速率變化法、趨勢轉折法和破年變法4種方法的預報效能計算。參與本次預報效能檢驗的震例為2000年以來昭通地區及周邊200km范圍內的5級以上歷史地震,具體震例分布情況見圖1,測點基本信息見表1。

圖1 昭通地區地下流體觀測點及震例分布

2 計算方法

分別采用閾值法、速率變化法、趨勢轉折法和破年變法4種計算方法對昭通地區地下流體觀測資料進行異常提取,并計算其R值進行預報效能檢驗。

(1)閾值法,該方法直接從原始觀測時序數據中識別出異常信息,也稱為原始曲線法。首先求取整個時序數據的標準差,計算最佳閾值(標準差倍數n); 然后查詢超出該閾值的異常數據,得到觀測數據中的高(低)值異常及其時間點。

(2)速率變化法,又稱差分法,是一種壓抑長周期、突出短周期變化的線性濾波。針對原始觀測數據的一階差分序列,使用平穩序列的均方差作為異常控制線,或使用給定的閾值作為異常控制線來判別時間序列中的異常點,突出那些突跳性或離散度較大的異常。當有一組數據(x1,x2,…,xn)時,可計算相鄰2個數據之間的差值(Δxi),并依此按下式計算差分值(絕對值)的平均值

(1)

(3)趨勢轉折法,該方法中的觀測數據趨勢項基于線性擬合方法提取,利用最小二乘法對觀測時序數據進行線性擬合,得到觀測數據的最佳轉折時間點,根據線性擬合速率值出現變化或變化量超出給定閾值來判定是否為趨勢轉折異常。具體如下:給定數據點(xi,yi)(i=0,1,…,m),假定在Kk(xk,yk)(k=1,2,…,m-1)點處出現趨勢轉折,利用最小二乘法求得Kk點前后數據線性變化的斜率kk1和kk2,相應的殘差為ek1和ek2,殘差和(ek1+ek2)最小值所對應的點即為最佳數據轉折點。

(4)破年變法,年變形態或幅度異于多年平均變化的異常,稱之為破年變異常,一般采用矩平分析法識別該類異常。具體為:用多年觀測數據的均值序列(五日、旬、月)之間的相關程度來求觀測點值的正常年動態曲線,再以原來不同年時間段的均值序列和正常年動態曲線的余差序列提取異常指標,用其剩余標準差的2倍或3倍作為閾值控制線。

(5)R值評分,本次預報效能評估是同時進行時間和空間預測的方法,其R值評分計算公式為(許紹燮,1989)

(2)

當R>0時,表示該方法預測效能高于隨機預測,具有預測意義; 當R≥R0時,表明該方法預測效能通過置信度97.5%的顯著性檢驗,具有顯著預測意義。

根據歷史震例的選取原則,空間網格數的確定以震中為圓心,5級地震半徑為200km的范圍,6級地震半徑為300km的范圍,7級地震半徑為300km的范圍。

3 預報效能計算結果

針對昭通地區現有的43項地下流體觀測數據,分別采用4種震情跟蹤技術方法提取異常,并計算其預報效能(具體結果見表1),不同方法具體評估結果如下。

表1

閾值法計算的預報效能R值結果(圖2(a))顯示,水富水位、巧家電導率、巧家鎂離子、樂居水位、茨院水位共計5個測項R≥R0,通過預測效能置信度97.5%的顯著性檢驗,在日常跟蹤分析過程中具有較好的預測意義; 82%的測項具有一定的預測意義; 19%的測項預報效能低于隨機預測,在日常跟蹤過程中無參考價值。從最佳預測時間來看,預測時段在3個月內的測項占比約61%,3～6個月的測項占比約9%,半年以上的測項占30%,表明利用閾值法提取的異常具有較好的短臨預測意義,其次可作為半年以上的年尺度指標。

圖2 不同方法預報效能評估結果

速率變化法計算的預報效能R值結果(圖2(b))顯示,水富水位、水富水溫、巧家電導率、巧家鎂離子、巧家鈣離子、鹽津水氡、茨院水位共計7個測項R≥R0,通過預測效能置信 97.5%的顯著性檢驗,在日常跟蹤分析過程中具有較好的預測意義; 68%的測項具有一定的預測意義; 16%的測項預報效能低于隨機預測,在日常跟蹤過程中無參考價值。從最佳預測時間來看,預測時段在3個月以內的測項占比約70%,3～6個月和半年以上的測項分別占12%和18%,表明利用速率變化法提取的異常其短臨預測意義更為顯著,可作為3個月以內顯著的短臨指標。

破年變法計算的預報效能R值結果(圖2(c))顯示,水富水位、水富水溫、巧家鎂離子、巧家碳酸根、大關電導率、魯甸二氧化碳、昭陽一中水位、茨院水位、茨院水溫共計9個測項R≥R0,通過預測效能置信度97.5%的顯著性檢驗,在日常跟蹤分析過程中具有較好的預測意義; 65%的測項具有一定的預測意義; 14%的測項預報效能低于隨機預測,在日常跟蹤過程中無參考價值。從最佳預測時間來看,預測時段在3個月以內的測項占比56%,具有較好的短臨預測意義,6個月及以上的測項占比32%,可作為半年或年度指標。

趨勢轉折法計算的預報效能R值結果(圖2(d))顯示,水富水位、巧家鈣離子、巧家碳酸根、大關電導率、魯甸二氧化碳共計5個測項R≥R0,通過預測效能置信度97.5%的顯著性檢驗,在日常跟蹤分析過程中具有較好的預測意義; 59%的測項具有一定的預測意義; 約30%的測項預報效能低于隨機預測,在日常跟蹤過程中無參考價值。從最佳預測時間來看,預測時段在3個月以內的測項占比約70%,表明趨勢轉折后將進入顯著的短臨階段。

綜合上述4種方法的結果分析,速率變化法和破年變法提取的異常預報效能更佳; 水富水位、水富水溫、巧家電導率、巧家鈣離子、巧家鎂離子、巧家碳酸氫根、大關電導率、魯甸二氧化碳、茨院水位、茨院水溫、昭陽一中水位等共計11個測項可以作為滇東部北地區年度或日常跟蹤的重點測項; 大多數流體異常的最佳預測時段在3個月以內,尤其是速率法提取的異常和趨勢轉折后會進入較為顯著的短臨預測階段; 除此之外,約有22%的測項通過震例評估的預報效能低于隨機預測(R<0),對震情跟蹤判定的預測意義不大。

4 討論與結論

4.1 討論

針對上述提取出的預報效能較好的測點測項,選擇最佳的計算方法結果(表2),依據不同手段的物理意義、異常特征以及流體補給來源,并結合已有的研究結果對這些異常產生的孕震機理進行討論。

表2 昭通地區重點跟蹤測項的預報效能信息

從不同觀測測項異常的最佳預測時段來看,不同測項的異常具有一定的階段性特征,其中水溫和水化學離子異常大多數出現在震前2個月以內,表現出較為明顯的短臨特征; 而水位、電導率異常大多數出現在震前半年或一年左右,表現出一定的中期到年度的前兆特征。從提取出的異常形態來看,水溫和水化學離子主要表現為測值的速率變化,反映的是震前觀測項在短周期范圍的高頻異常信息; 水位、電導率主要表現為原始測值正常年變超出正常閾值范圍或者趨勢形態發生改變,主要反映的是觀測項在長周期范圍的變化過程。整體來看,不同的觀測手段呈現出較為顯著的時間層次性和形態差異性。

注: (a)水化學Piper圖; (b)Na-K-Mg三角圖; (c)氫氧同位素組成圖。

研究表明,降水等因素造成的地下水動態變化可產生一種作用于地殼巖石的附加流體力,地震前多種流體力的作用過程是環境因子對淺層前兆異常作用的主要力學機制之一,孔隙壓力、動水壓力以及化學腐蝕等原理,是該異常機理的理論基礎。這種淺層誘發前兆異常非常顯著的一個特征是異常變化的層次性,即在這種作用力的影響下,會產生不同時間尺度的異常變化(王吉易等,2002)。此外也有研究表明,2014年8月3日魯甸6.5級地震前,昭通地區的流體異常產生的原因可能是斷裂帶空隙的開啟與閉合,導致觀測井含水層承壓性發生改變,引起地下水混合作用增強(劉耀煒等,2015),該研究結果與上述機制的理論基礎相符。因此,結合昭通地區不同異常所呈現出的較為顯著的時間層次性和形態差異性,以及大氣降水補給的水化學特征,認為昭通地區的地下流體異常大多可能屬于這種地下水誘發的淺層前兆異常。

4.2 結論

通過對昭通地區地下流體觀測資料開展異常提取和預報效能評估,針對預報效能較好的測項,依據不同測項的異常特征和觀測井的水化學特征,并結合已有研究成果,對這些異常產生的孕震機理進行討論,得到以下主要認識:

(1)昭通地區大多數流體異常的最佳預測時段在3個月以內,尤其是速率法提取的異常和趨勢轉折后會進入較為顯著的短臨階段。

(2)水富水位、水富水溫、巧家電導率、巧家鈣離子、巧家鎂離子、巧家碳酸氫根、大關電導率、魯甸二氧化碳、茨院水位、茨院水溫、昭陽一中水位等共計11個測項的預報效能R>R0, 具有顯著的預測意義,可以作為滇東北地區日常跟蹤的重點測項。

(3)大氣降水是昭通地區地下水動態變化的主要因素,其可以產生一種作用于地殼巖石的附加流體力,結合不同測項的異常呈現出較為顯著的時間層次性和形態差異性,推測認為大多數異常屬于這種流體力作用誘發的淺層前兆異常。