基于Molchan圖表法的流體監(jiān)測(cè)井水位地震預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)

摘要：為了探究水位異常和地震之間潛在的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及監(jiān)測(cè)井水位的地震預(yù)測(cè)效能，通過(guò)差分法和水位固體潮加卸載比法對(duì)德陽(yáng)井、劍川井、佐署井和門(mén)源井水位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并采用Molchan圖表法對(duì)4口監(jiān)測(cè)井水位的不同預(yù)測(cè)期和不同塊體發(fā)生的地震進(jìn)行預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)。結(jié)果表明：兩種方法處理后的Molchan圖表法檢測(cè)效能結(jié)果相似；4口監(jiān)測(cè)井水位在180 d內(nèi)均有較好的預(yù)測(cè)效能，均對(duì)不同范圍中強(qiáng)地震有一定預(yù)測(cè)效能，并且預(yù)測(cè)效能受板塊內(nèi)構(gòu)造分布情況影響，對(duì)構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域預(yù)測(cè)效能更好。

關(guān)鍵詞：井水位；水位異常識(shí)別；Molchan圖表法；預(yù)測(cè)效能

中圖分類(lèi)號(hào)：P135.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2024）02-0200-12

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0011

0 引言

諸多地震發(fā)生之前，都會(huì)引發(fā)周邊地下流體監(jiān)測(cè)井中的水位、水溫或水化學(xué)等出現(xiàn)前兆異常變化，如2018年四川汶川8.0級(jí)地震、2013年四川蘆山7.0級(jí)地震、2017年四川九寨溝7.0級(jí)地震、2021年云南漾濞6.4級(jí)地震和青海瑪多7.4級(jí)地震（晏銳等，2009；鐘俊等，2021；王永剛等，2021；馬玉川等，2021）等，表明地震前地下流體的異常可能對(duì)地震的發(fā)生有指示意義。地震地下流體監(jiān)測(cè)指標(biāo)中水位在震前地下流體響應(yīng)中最為顯著。震前水位變化是地震孕育過(guò)程中構(gòu)造應(yīng)力調(diào)整引起的巖石介質(zhì)變形導(dǎo)致孔隙水壓力變化，進(jìn)而引起的井孔內(nèi)水位波動(dòng)現(xiàn)象（車(chē)用太，魚(yú)金子，2006）。水位的震前異常響應(yīng)總共包含3個(gè)過(guò)程：震前構(gòu)造應(yīng)力的調(diào)整、構(gòu)造應(yīng)力調(diào)整導(dǎo)致的含水層孔壓改變、含水層孔壓變化導(dǎo)致井水位變幅，這3個(gè)過(guò)程的機(jī)制均涉及多學(xué)科交叉理論，定量解釋這一綜合物理過(guò)程難度極大。因此，現(xiàn)有地震預(yù)測(cè)研究大多是基于水位與地震之間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律而開(kāi)展的，如晏銳等（2018）在2008年汶川8.0級(jí)地震后共收集震中距71～1 625 km的地下流體異常共68項(xiàng)，汶川地震的觀測(cè)范圍至少包含該地震３倍破裂尺度甚至更廣，異常出現(xiàn)時(shí)間在震前幾小時(shí)至7年內(nèi)，異常形態(tài)特征較為復(fù)雜；鐘駿等（2021）收集并統(tǒng)計(jì)2013年四川蘆山7.0級(jí)地震、2017年四川九寨溝7.0級(jí)地震和2021年青海瑪多7.4級(jí)地震在震中距500 km范圍內(nèi)分別出現(xiàn)地下流體異常10、14和5次，并發(fā)現(xiàn)震前流體異常形態(tài)存在一定相似性。以上研究表明，現(xiàn)有研究主要是根據(jù)水位與地震的關(guān)聯(lián)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行“地震試預(yù)報(bào)”，并與實(shí)際發(fā)生的地震進(jìn)行對(duì)比。

在地震預(yù)測(cè)過(guò)程中，流體監(jiān)測(cè)井水位信息發(fā)揮了重要作用，如何檢驗(yàn)水位信息結(jié)果的可靠性，以及各流體監(jiān)測(cè)井水位對(duì)地震的預(yù)測(cè)效能，對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題的探究已在“地震可預(yù)測(cè)性合作研究”（CSEP）計(jì)劃中取得了階段性結(jié)果，如王博等（2018）、孫小龍等（2018）分別利用概率預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法Molchan圖表法對(duì)南北地震帶北段流體資料和云南會(huì)澤井水位進(jìn)行地震預(yù)測(cè)效能的定量檢驗(yàn)。其中Molchan圖表法由于能夠客觀和科學(xué)地進(jìn)行地震預(yù)測(cè)評(píng)估，已經(jīng)被較廣泛地應(yīng)用于地震確定性和概率性預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和效能評(píng)估中（孫麗娜等，2012）。雖然近年來(lái)的研究在該方面取得了有益的成果，但地震預(yù)測(cè)效能結(jié)果的可靠性方面的研究仍然較少。

本文選取我國(guó)川滇、青海地區(qū)的4口地震流體監(jiān)測(cè)井作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理，提取地震構(gòu)造應(yīng)力與水位變化的一一對(duì)應(yīng)信息，統(tǒng)計(jì)震前水位明顯異常數(shù)量，匯總分析水位響應(yīng)異常與地震之間存在的潛在聯(lián)系。運(yùn)用Molchan圖表法對(duì)監(jiān)測(cè)井水位進(jìn)行地震預(yù)測(cè)效能定量化評(píng)估，得到具有前兆指示意義的地震預(yù)測(cè)指標(biāo)，以期為后續(xù)研究區(qū)內(nèi)地震危險(xiǎn)判定和震情跟蹤提供一定理論依據(jù)。

1 基礎(chǔ)資料獲取

1.1 監(jiān)測(cè)井與地震選取

本文研究區(qū)為川滇地區(qū)和青海地區(qū)，受印度洋板塊和歐亞板塊擠壓作用，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育、地震頻發(fā)，2012—2021年該研究區(qū)共發(fā)生了M_S≥4.0地震795次。為探究研究區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)井水位對(duì)地震的預(yù)測(cè)效能，本文參照晏銳等（2018）、鐘俊（2021）等研究以及《云南省地震監(jiān)測(cè)志》（云南省地震局，2005），共選取了14口流體監(jiān)測(cè)井，其中10口監(jiān)測(cè)井存在數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重或距離研究區(qū)過(guò)遠(yuǎn)問(wèn)題，最終選取四川德陽(yáng)井、云南劍川井、青海佐署井、青海門(mén)源井為研究對(duì)象，這4口井觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性好、前兆異常明顯。如德陽(yáng)井水位在2008年汶川8.0級(jí)地震前一年就出現(xiàn)趨勢(shì)下降后無(wú)變化（晏銳等，2009）；佐署井和門(mén)源井在2021年瑪多7.4級(jí)地震前均有水位異常現(xiàn)象（王永剛等，2021）；據(jù)《云南省地震監(jiān)測(cè)志》（云南省地震局，2005）記載，劍川井水位上升、下降速率加快周?chē)赡艹霈F(xiàn)M_S≥5.0地震，在2021年漾濞6.4級(jí)地震前劍川井出現(xiàn)水溫異常變化（付虹等，2021）。

自2008年汶川8.0級(jí)地震后，中國(guó)大陸第一次7.0級(jí)以上地震為2013年蘆山地震7.0級(jí)地震，因此，選取2012年以后上述4口監(jiān)測(cè)井的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，其中劍川井和佐署井只獲取2017年以后的數(shù)據(jù)，門(mén)源井建井時(shí)間較晚，只選取該井2018年以后的水位數(shù)據(jù)。

中強(qiáng)地震引起的流體異常主要集中在震中距300 km內(nèi)。為獲取更多地震樣本，探究4口監(jiān)測(cè)井的優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)地震范圍，按照震級(jí)與震中距一般對(duì)應(yīng)關(guān)系，選取震中距小于250 km的M_S5.0～5.9地震、震中距小于300 km的M_S6.0～6.9地震，震中距小于500 km的M_S≥7.0地震來(lái)作為地震樣本。地震目錄下載自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心【http：//www.ceic.ac.cn/history.】，震源機(jī)制解的斷層參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于CMT【https：//www.globalcmt.org.】。

最終本文選取2012—2022年德陽(yáng)井區(qū)域范圍內(nèi)地震10次、2017—2022年劍川井區(qū)域范圍內(nèi)地震5次、2017—2022年佐署井區(qū)域范圍內(nèi)地震5次、2018—2022年門(mén)源井區(qū)域范圍內(nèi)地震3次，其中M_S5.0～5.9地震13次，M_S6.0～6.9地震4次，M_S≥7.0地震3次，共計(jì)20次地震（表1），地震分布如圖1所示。

1.2 監(jiān)測(cè)井概況

4口監(jiān)測(cè)井都分布于斷裂帶附近（圖1），其水位在地震前響應(yīng)較為靈敏。其中德陽(yáng)井位于川桂湘贛塊體，地處龍泉山構(gòu)造帶東北端的白馬關(guān)背斜西北側(cè)，觀測(cè)含水層為砂巖，為靜水位觀測(cè)，該井井深3 072 m，基本不受降水、氣壓、抽水等因素干擾（四川省地震局，2004）。劍川井（滇6井）位于劍川盆地西緣、中甸—?jiǎng)Υ〝嗔褞隙危瑸殪o水位觀測(cè)，井深100 m，無(wú)固體潮響應(yīng)現(xiàn)象（云南省地震局，2005）。佐署井位于日月山斷裂和拉脊山斷裂交會(huì)區(qū)域，其北側(cè)為達(dá)坂山構(gòu)造帶，西側(cè)為日月山構(gòu)造帶，南側(cè)為拉脊山構(gòu)造帶，該點(diǎn)處在拉脊山構(gòu)造帶的北緣，區(qū)內(nèi)斷裂較為發(fā)育，水井巖性為砂巖，為動(dòng)水位觀測(cè)，井深107 m（青海省地震局，2005）。門(mén)源井地處祁連山褶皺構(gòu)造帶內(nèi)，該構(gòu)造帶是青藏高原的重要活動(dòng)構(gòu)造帶，該井為靜水位觀測(cè)，井深105 m（汪發(fā)耀等，2020）。4口監(jiān)測(cè)井孔周邊巖性如圖2所示。

對(duì)4口井水位數(shù)據(jù)去趨勢(shì)預(yù)處理后，其水位動(dòng)態(tài)曲線變化和典型異常水位局部放大曲線如圖3所示。從圖可知，除劍川井外，其它3口井的水位動(dòng)態(tài)曲線背景值均無(wú)年變；德陽(yáng)井水位整體呈下降趨勢(shì)，劍川井有年變趨勢(shì)，佐署井和門(mén)源井水位整體趨勢(shì)變化不大。從圖3中可見(jiàn)，地震前4口監(jiān)測(cè)井水位在正常背景下都存在一定的異常變化，并且異常變化形態(tài)并不相同，異常時(shí)間多在180 d內(nèi)。其中德陽(yáng)井在2021年瀘縣6.0級(jí)地震（編號(hào)18）前180 d左右出現(xiàn)明顯的水位下降；劍川井在2021年漾濞6.4級(jí)地震（編號(hào)15）前150 d左右水位出現(xiàn)了大幅度的上升；佐署井在2021年瑪多7.4級(jí)地震（編號(hào)17）和2022年門(mén)源6.9級(jí)地震（編號(hào)20）前都發(fā)生水位異常下降；門(mén)源井在2021年瑪多7.4級(jí)地震（編號(hào)17）前140 d左右發(fā)生水位上升。對(duì)圖3中水位存在的異常形態(tài)和異常發(fā)生時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，德陽(yáng)井在10年內(nèi)有5次異常，異常形態(tài)為水位下降、變化后恢復(fù)、上升、趨勢(shì)下降；劍川井5年間有2次異常，異常形態(tài)為水位上升、下降速率變化，佐署井5年間3次異常，異常形態(tài)為水位變化后恢復(fù)和下降，門(mén)源井4年間出現(xiàn)3次異常，異常形態(tài)為下降后恢復(fù)、上升（表2）。當(dāng)水位存在表2所述異常形態(tài)時(shí)，在180 d內(nèi)有較大可能會(huì)發(fā)生中強(qiáng)地震。2019年9—11月門(mén)源井水位發(fā)生巨幅異常變化，鐘駿等（2021）認(rèn)為該異常為2021年5月瑪多7.4級(jí)地震的前兆異常，但是由于該異常和瑪多地震相隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以本文認(rèn)定為虛報(bào)。從圖3還可以看出，大部分水位異常較為明顯，但有些趨勢(shì)性異常被背景動(dòng)態(tài)掩蓋并不突出，難以直觀看出，因此，需要對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以突出不易發(fā)現(xiàn)的異常和排除其他因素影響，從而方便準(zhǔn)確判別地震引起的異常。

2 水位數(shù)據(jù)處理方法

由于水位數(shù)據(jù)存在降水、固體潮、氣壓等因素的干擾，為盡可能排除這些干擾而突出地震前兆異常，本文采用差分法和固體潮加卸載響應(yīng)比法對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與原始水位曲線進(jìn)行對(duì)比分析，水位數(shù)據(jù)處理使用EIS2000軟件對(duì)應(yīng)插件（蔣駿等，2000）。由于處理的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示并不是每次地震前都會(huì)出現(xiàn)前兆異常，因此運(yùn)用Molchan圖表法對(duì)監(jiān)測(cè)井的預(yù)測(cè)效能進(jìn)行整體定量化檢驗(yàn)。

2.1 差分法

差分法是一種適用于排除觀測(cè)數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)性上升、下降和在短時(shí)期內(nèi)水位有反復(fù)升降變化和長(zhǎng)周期干擾的線性濾波，主要適用于中期和短臨異常判別，中期和短期異常判別適合采用數(shù)據(jù)類(lèi)型為日均值（孫其政等，1997）。一階差分表達(dá)式為：

Δy_i=y_i-y_i-1""" （1）

使用差分法對(duì)4口井的原始水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果取絕對(duì)值后如圖4所示，圖中紅虛線為異常閾值，箭頭所指為震前水位差分處理后預(yù)測(cè)期在180 d內(nèi)異常。從圖中可以看出，差分法處理后，德陽(yáng)井共出現(xiàn)6次震前高值異常，其中有3次高值異常與原始水位異常對(duì)應(yīng)地震是相同的；劍川井出現(xiàn)2次震前高值異常，佐署井、門(mén)源井出現(xiàn)3次震前異常高值，且與原始水位異常對(duì)應(yīng)地震相同。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，只有德陽(yáng)井部分原始水位異常會(huì)被水位動(dòng)態(tài)背景所掩蓋，其它3口監(jiān)測(cè)井原始水位異常都比較清晰，可直接觀測(cè)。差分法處理結(jié)果中，有些原始水位數(shù)據(jù)存在的水位異常并沒(méi)有出現(xiàn)，原始水位的異常是否為干擾，能否作為判別地震異常的依據(jù)還存在一定疑問(wèn)。

2.2 水位固體潮加卸載響應(yīng)比法

地震的加卸載響應(yīng)比原理是將孕震區(qū)作為非線性系統(tǒng)，設(shè)法對(duì)其輸入的某些信號(hào)進(jìn)行連續(xù)觀

測(cè)，該系統(tǒng)在臨近失穩(wěn)時(shí)會(huì)對(duì)輸入信號(hào)作出各種響應(yīng)（蘭雙雙，遲寶明，2012）。故該方法可用來(lái)研究地球表面觀測(cè)點(diǎn)周?chē)到y(tǒng)由荷載穩(wěn)態(tài)向失穩(wěn)演化的過(guò)程，固體潮的變化可視為對(duì)孕震系統(tǒng)輸入的一種周期不斷變化的引潮力，不斷對(duì)地球進(jìn)行加載與卸載（萬(wàn)永芳，劉特培，2004）。可見(jiàn)，固體潮應(yīng)力引起了巖石的固體潮應(yīng)變，導(dǎo)致含水層孔隙壓力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致深層地下水位發(fā)生相應(yīng)的變化，所以距震源區(qū)較近的承壓井水位有可能反映震前巖體系統(tǒng)失穩(wěn)的變化（黃春玲等，2013；馬震，2020），進(jìn)而捕捉到地震前兆異常信息。

地下水位固體潮觀測(cè)對(duì)理論固體潮加卸載的響應(yīng)可由類(lèi)似于Nakai擬合模型獲得（徐桂明等，2002）：

式中：Y（t）為地下水固體潮的實(shí)際觀測(cè)值，即為系統(tǒng)輸出；R（t_i）和（dR/dt）t_i分別是t_i時(shí)刻的體應(yīng)變固體潮理論值及時(shí)間的一階微商，可通過(guò)固體潮理論值準(zhǔn)確計(jì)算得到；A為擬合潮汐因子（即振幅因子）；Δt為時(shí)間滯后，是潮汐響應(yīng)項(xiàng)；K₀、K₁、K₂分別為擬合多項(xiàng)式的各階系數(shù)，是非潮汐的響應(yīng)項(xiàng)。實(shí)際的計(jì)算分析中，可選取N=24，48，60，…，120，…（一天為一組），用最小二乘法求解式（2），計(jì)算地下水位的加卸載比。

本文使用固體潮加卸載比處理4口井水位原始數(shù)據(jù)并取絕對(duì)值，如圖5所示，圖中紅色虛線為異常閾值，箭頭所指為震前水位加卸載比法處理后預(yù)測(cè)期在180 d內(nèi)的異常。從圖可見(jiàn)，固體潮加卸載比法處理后，德陽(yáng)井共出現(xiàn)震前高值異常6次，可識(shí)別的異常有3次，與原始水位異常對(duì)應(yīng)地震相同，其中3次異常與差分法處理結(jié)果對(duì)應(yīng)地震相同；佐署井共出現(xiàn)4次震前高值異常，其中3次與原始水位異常對(duì)應(yīng)地震相同；門(mén)源井共出現(xiàn)3次震前高值異常，與原始水位異常的對(duì)應(yīng)地震相同，但預(yù)測(cè)期變短。由于劍川井無(wú)固體潮響應(yīng)，本文不對(duì)其進(jìn)行處理。本文將4口監(jiān)測(cè)井的原始水位異常與使用固體潮加卸載比法和差分法處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)震前水位高值異常所對(duì)應(yīng)的地震相同情況較多。

根據(jù)4口監(jiān)測(cè)井所屬地震臺(tái)的水位異常核實(shí)報(bào)告，德陽(yáng)井水位觀測(cè)系統(tǒng)分別于2014年7月和2017年3月發(fā)生過(guò)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，所以德陽(yáng)井原始水位在編號(hào)2、3、6地震（表1）前出現(xiàn)的異常并不可取，而使用差分法和固體潮加卸載比法處理后的數(shù)據(jù)對(duì)于缺數(shù)異常都各自?xún)H表現(xiàn)出一、兩次異常，次數(shù)少，并且各不重合；劍川井水位在編號(hào)15地震前1個(gè)月內(nèi)發(fā)生大幅度突降，經(jīng)排查為周?chē)某樗惓８蓴_，差分法處理后水位異常也并不明顯；佐署井和門(mén)源井水位異常并未受到其周?chē)h(huán)境的干擾。綜上可得，兩種方法對(duì)水位干擾異常有一定抑制作用，并且可以突出震前部分不明顯異常，但從處理后的水位數(shù)據(jù)依舊能夠觀測(cè)到較為清晰的同震異常，說(shuō)明這兩種方法對(duì)于同震異常的排除并不理想。

3 預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)與分析

3.1 檢驗(yàn)方法

Molchan圖表法主要是針對(duì)預(yù)測(cè)值與目標(biāo)地震差異度的檢驗(yàn)（Molchan，1990），該方法能夠直觀反映觀測(cè)資料的整體預(yù)測(cè)效能和定量分析異常。該方法主要使用的變量有：漏報(bào)率v，該變量可預(yù)測(cè)無(wú)震而實(shí)際發(fā)震的數(shù)量與研究時(shí)間段內(nèi)所收集地震數(shù)量的比值；異常的時(shí)空占有率τ，該變量為不同閾值提取的地震異常的時(shí)空范圍與研究總的時(shí)空范圍的比值（孫小龍等，2018），水位資料僅需要考慮τ。

該方法主要通過(guò)不斷降低數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)閾值，計(jì)算不同閾值下的v與τ。以τ為橫坐標(biāo)，v為縱坐標(biāo)得到的τ-v曲線，預(yù)測(cè)效能為1-S，S表示曲線與橫縱坐標(biāo)所圍成的面積，即面積S越小預(yù)測(cè)效能越好；并且還需要參考概率增益G（Molchan，1990；Zechar，Jordan，2008）：

G值越大，預(yù)測(cè)效能越好；當(dāng)G趨近于1時(shí)，表示預(yù)測(cè)方法無(wú)統(tǒng)計(jì)意義。檢驗(yàn)過(guò)程中給定閾值后，超出閾值的數(shù)據(jù)為異常值，地震發(fā)生在異常值所在時(shí)段及其有效預(yù)測(cè)期（30、60、90、180 d）之外時(shí)，稱(chēng)為漏報(bào)。

3.2 檢驗(yàn)結(jié)果

由于影響水位形態(tài)變化的因素較多，不同的水位處理方法得到的異常結(jié)果也有所差異。所以本文使用差分法和固體潮加卸載比法對(duì)水位處理后，再利用Molchan圖表法對(duì)水位預(yù)測(cè)期內(nèi)相應(yīng)的地震依次進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)不同處理方法的檢驗(yàn)結(jié)果加以分析。最終得到4口監(jiān)測(cè)井的預(yù)測(cè)效能（圖6）以及對(duì)不同預(yù)測(cè)期和板塊的優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)定量結(jié)果。

從圖6可以看出，從180 d到30 d監(jiān)測(cè)井v-τ所圍成的面積越來(lái)越小，G值也在增大，說(shuō)明30 d內(nèi)預(yù)測(cè)效能最高，表明水位異常出現(xiàn)時(shí)異常點(diǎn)周?chē)貐^(qū)在30 d內(nèi)發(fā)生地震概率較大；在30、60和90 d監(jiān)測(cè)井v-τ所圍成面積大小相差很小，且G值都在3左右，說(shuō)明在90 d內(nèi)的短期預(yù)測(cè)效果較好；4口監(jiān)測(cè)井在180 d內(nèi)的預(yù)測(cè)效能都在0.75以上，概率增益G值也接近2，說(shuō)明井水位數(shù)據(jù)在差分法和固體潮加卸載比法處理后180 d內(nèi)預(yù)報(bào)效能可信度也較高。通過(guò)Molchan法的計(jì)算結(jié)果可知，這兩種處理數(shù)據(jù)的方法都比較適用于短臨預(yù)測(cè)。德陽(yáng)井、佐署井、門(mén)源井水位數(shù)據(jù)在兩種方法處理后得到的檢測(cè)效果基本一致，佐署井水位經(jīng)固體潮加卸載比法處理后在180 d內(nèi)預(yù)測(cè)效能更好（圖6c），說(shuō)明未對(duì)應(yīng)地震的異常可靠性較高。

由于4口監(jiān)測(cè)井所處構(gòu)造位置不同（圖1），對(duì)地震發(fā)震地點(diǎn)可提供一定的指示意義，故對(duì)研究區(qū)不同塊體發(fā)生的地震進(jìn)行分選后，使用Molchan圖表法進(jìn)行預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)，選出優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)塊體。本文參考Lai等（2021）、孫小龍等（2018）研究，選取4口監(jiān)測(cè)井周?chē)?00 km范圍內(nèi)M_S≥5.0地震作為地震樣本。德陽(yáng)井位于川桂湘贛斷塊西部，定義川桂湘贛斷塊為塊體A，其它為塊體B（圖7a）；劍川井位于川滇斷塊和滇西南斷塊交界處，定義這兩個(gè)斷裂為塊體C，其它為塊體D（圖7b）；佐署和門(mén)源井位于祁連山斷塊，井區(qū)周?chē)鷺?gòu)造發(fā)育，定義祁連山斷塊及其以北斷塊為塊體E，其它為塊體F（圖7c）。發(fā)生在塊體A地震有13次，塊體B有13次，2個(gè)塊體內(nèi)的地震都分布在德陽(yáng)井周?chē)?00 km范圍內(nèi)；發(fā)生在塊體C的地震6次，且都發(fā)生于劍川井周?chē)?00 km范圍內(nèi)，發(fā)生在塊體D的6次地震的震中距都大于300 km；與佐署井與門(mén)源井同處塊體E的地震分別為4次和3次，且祁連山斷塊上地震都分布在250 km范圍內(nèi)，塊體F分別為5次和3次，震中距大于250 km。

本文按照不同斷塊上的地震進(jìn)行分選，使用Molchan圖表法檢驗(yàn)4口監(jiān)測(cè)井對(duì)不同斷塊的地震預(yù)報(bào)效能，如圖8所示。從圖中可以看出，德陽(yáng)井與塊體A的v-τ面積大于塊體B的v-τ面積，即塊體B預(yù)測(cè)效能高于塊體A；劍川井對(duì)于塊體C的v-τ面積大于塊體D，說(shuō)明劍川井對(duì)于塊體C上的地震具有一定的預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)；門(mén)源井和佐署井塊體F的v-τ面積大于塊體E，說(shuō)明兩口監(jiān)測(cè)井對(duì)塊體E上的地震比對(duì)塊體F上的地震更具預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)。

從圖8可以看出，4口監(jiān)測(cè)井在90 d內(nèi)整體預(yù)測(cè)效能較好，概率增益值G都在3左右，在180 d內(nèi)預(yù)測(cè)效能在0.75左右，說(shuō)明使用這兩種方法處理水位數(shù)據(jù)都比較適合短臨預(yù)報(bào)。

德陽(yáng)井對(duì)塊體A發(fā)生的地震沒(méi)有明顯預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)，反而對(duì)塊體B發(fā)生的地震有優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)，其原因可能為德陽(yáng)井位于川桂湘贛塊體以西，更加靠近塊體分界處，且該井對(duì)其500 km范圍內(nèi)的M_S≥5.0地震在90 d內(nèi)都具有較好預(yù)測(cè)效能，如魯?shù)镸_S6.5地震的原始和固體潮加卸載比處理后的水位數(shù)據(jù)都出現(xiàn)異常，震中距達(dá)476 km；2016年的甘孜理塘M_S5.1地震與2021年巧家M_S5.0地震原始和兩種方法處理后的水位數(shù)據(jù)中都存在異常，震中距分別為482和472 km。對(duì)于劍川井，由于塊體C構(gòu)造較為發(fā)育，并且發(fā)生于塊體C內(nèi)的地震震中距更小，所以劍川井對(duì)塊體C內(nèi)地震預(yù)測(cè)效能優(yōu)于塊體外地震，當(dāng)水位出現(xiàn)異常時(shí)，井區(qū)周?chē)?00 km內(nèi)出現(xiàn)M_S5.0地震概率較大。佐署井與門(mén)源井都位于祁連山塊體。綜上，門(mén)源井對(duì)于其周?chē)?50 km內(nèi)M_S≥5.0地震有較好的預(yù)測(cè)效能，其周?chē)?00 km內(nèi)的M_S≥7.0地震也具有一定預(yù)測(cè)效能；佐署井對(duì)其500 km內(nèi)的M_S≥5.0地震也具有一定預(yù)測(cè)效能，但是主要集中在佐署井西南部，對(duì)于發(fā)生在該井東南部的九寨溝等地震未出現(xiàn)異常。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)四川德陽(yáng)井、云南劍川井、青海佐署井、青海門(mén)源井井水位在地震前出現(xiàn)的異常形態(tài)進(jìn)行差分法和加卸載比法處理分析，發(fā)現(xiàn)4口監(jiān)測(cè)井對(duì)周?chē)卣鸲加休^強(qiáng)的映震能力，最后利用Molchan圖表法對(duì)4口監(jiān)測(cè)井進(jìn)行定量檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

德陽(yáng)井和門(mén)源井水位數(shù)據(jù)經(jīng)固體潮加卸載比法和差分法處理后預(yù)測(cè)效能結(jié)果相差很小；佐署井水位數(shù)據(jù)經(jīng)固體潮加卸載比法處理后預(yù)測(cè)效能更具優(yōu)勢(shì)。使用Molchan圖表法對(duì)兩種方法處理后的水位數(shù)據(jù)的檢測(cè)效能結(jié)果相似，其中固體潮加卸載比對(duì)地震異常指示性更強(qiáng)，其物理意義也更為明顯。但是劍川井沒(méi)有固體潮現(xiàn)象，則不能做此分析，因此固體潮加卸載比法對(duì)于處理無(wú)固體潮現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)井時(shí)存在一定的局限性。

4口監(jiān)測(cè)井的預(yù)測(cè)效能均較好，預(yù)測(cè)時(shí)間在90 d內(nèi)概率增益值G都在3左右，在180 d的概率增益G在2左右，預(yù)測(cè)效能較好。以上說(shuō)明4口監(jiān)測(cè)井水位異常180 d內(nèi)與周邊地震活動(dòng)存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，其水位數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)差分法處理和固體潮加卸載比法處理后的優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)時(shí)間為180 d內(nèi)。

德陽(yáng)井對(duì)其周?chē)?00 km范圍內(nèi)M_S≥5.0地震預(yù)測(cè)效能較好，但對(duì)其西部斷塊的地震預(yù)測(cè)效能更好；劍川井對(duì)其周?chē)?00 km范圍的M_S≥5.0地震的預(yù)測(cè)效能較好，對(duì)滇西斷塊和川滇斷塊地震預(yù)測(cè)效能更優(yōu)；門(mén)源井和佐署井對(duì)于井區(qū)300 km范圍內(nèi)M_S≥5.0地震預(yù)測(cè)效能較好，對(duì)祁連山及以北斷塊地震預(yù)測(cè)效能更優(yōu)。這4口監(jiān)測(cè)井優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)范圍與前人研究結(jié)果也較符合，說(shuō)明監(jiān)測(cè)井水位的地震預(yù)測(cè)效能與監(jiān)測(cè)井周?chē)鷫K體構(gòu)造與震中距具有一定聯(lián)系，并且塊體內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，預(yù)測(cè)效能更好。

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Effectiveness Test of Seismic Prediction of Water Level in Fluid Monitoring

Well Based on the Molchan Diagram Method

LU Minggui¹，GU Hongbiao^1，2，GONG Haobo³，ZHANG Wenxu¹，CHI Baoming¹

（1.Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，Hebei，China）

（2.Hebei Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Sanhe 065201，Hebei，China）

（3.Chongqing Earthquake Agency，Chongqing 401147，China）

Abstract

In order to study the prediction efficiency of the water level in the observational wells，and to explore the relationship between the water-level anomaly and the earthquake，we process the observed water-level data of Deyang Well，Jianchuan Well，Zuoshu Well and Menyuan Well by the difference method and the tidal load-unloading ratio method.Then，using the Molchan chart，we test the prediction efficiency of the 4 monitoring wells for the prediction of the occurrence-time，and the magnitude of the earthquakes in different blocks.The results show that the water level in the 4 monitoring Wells are efficient for the prediction of earthquakes which may occur within 180 days，and effect for the prediction of the moderate- and strong-earthquakes within a certain range.The prediction efficiency is affected by the distribution of tectonic structures；in the structure-developed areas，the water-level anomaly is efficient for the earthquake prediction.

Keywords：well-water level；water-level anomaly discrimination；the Molchan chart；prediction efficiency