王 燕，楊興悅，陳雪梅，周建強(qiáng)，丁 宏，次卓嘎

(1.甘肅省地震局天水中心地震臺(tái)，甘肅天水741020;2.甘肅省地震局武山地震臺(tái)，甘肅武山741308 3.西藏自治區(qū)地震局，西藏拉薩850000)

0 引言

我國(guó)地下流體觀測(cè)網(wǎng)是根據(jù)大震現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)需要發(fā)展起來(lái)的地震前兆觀測(cè)系統(tǒng)，目前，我國(guó)地震地下流體前兆觀測(cè)已進(jìn)入了全面現(xiàn)代化的新階段，“九五”、“十五”項(xiàng)目期間國(guó)家投入大量資金對(duì)地下流體觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了改造和新建，其目的是為了提高觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量，使地下流體觀測(cè)資料在我國(guó)地震預(yù)測(cè)實(shí)踐中起更大的作用。水位觀測(cè)也不例外，隨著“九五”、“十五”的改造，模擬水位觀測(cè)逐漸被數(shù)字化水位觀測(cè)所取代。甘肅隴01、05、06、18井水位從20世紀(jì)80年代開(kāi)始觀測(cè)，2011年10月被數(shù)字化水位儀替代。通過(guò)對(duì)數(shù)字與模擬水位觀測(cè)資料的對(duì)比分析，認(rèn)為其動(dòng)態(tài)變化特征一致，與固體潮的相關(guān)系數(shù)也基本一致，數(shù)據(jù)的相關(guān)性及內(nèi)在質(zhì)量良好，映震能力相當(dāng)，數(shù)字化水位儀器可以取代模擬水位觀測(cè)儀器(耿杰等，2001;吳敏，趙愛(ài)平，2002;解曉靜，2010;楊玲英，毛先進(jìn)，2011)。甘肅模擬水位雖然被數(shù)字化儀器替代，但資料還是連續(xù)的，由于這些模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，觀測(cè)期間積累了一些非常寶貴的數(shù)據(jù)與震例，有著非常重要的價(jià)值。

甘肅處于青藏塊體的東北緣，祁連山地震帶和南北地震帶橫穿其境內(nèi)，是我國(guó)大陸強(qiáng)震活動(dòng)的主要場(chǎng)所之一，歷史上曾發(fā)生過(guò)多次強(qiáng)烈地震，現(xiàn)今地震活動(dòng)仍很頻繁。該區(qū)域地震的主要特點(diǎn)是震源淺、強(qiáng)度大、危害性強(qiáng)、頻度高。甘肅地形狹長(zhǎng)，流體測(cè)項(xiàng)多，但大多數(shù)測(cè)項(xiàng)都集中在甘肅東部，模擬水位更是全部集中在甘肅東部，觀測(cè)資料連續(xù)率高，多次在地震預(yù)測(cè)中得到應(yīng)用。

甘肅模擬水位觀測(cè)井有著非常好的地球物理環(huán)境，觀測(cè)資料積累時(shí)間長(zhǎng)、連續(xù)、可靠，為了更好地利用所產(chǎn)出的大量數(shù)據(jù)，筆者對(duì)模擬水位資料進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)出適合甘肅模擬水位的分析方法，對(duì)于方法的研究，主要考慮用數(shù)學(xué)方法定量提取異常，這樣可以減少人為“看圖識(shí)字”方法的影響，而且提取出的異常明顯。

1 甘肅模擬水位測(cè)點(diǎn)概況

甘肅模擬水網(wǎng)觀測(cè)是根據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的需求較早成規(guī)模發(fā)展起來(lái)的地震前兆觀測(cè)系統(tǒng)，1985年前后在甘肅地區(qū)建立了16個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，主要觀測(cè)項(xiàng)為水位和流量。隨著地震事業(yè)的不斷發(fā)展，一些內(nèi)在質(zhì)量不好的觀測(cè)點(diǎn)在清理時(shí)被停測(cè)，另外一些觀測(cè)點(diǎn)的模擬水位儀在“九五”、“十五”期間被數(shù)字化儀器替代。觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的模擬水位觀測(cè)井有隴01、05、06、18井，測(cè)點(diǎn)主要集中在甘肅東部(圖1)，這幾口井從1981年2月至1984年4月陸續(xù)開(kāi)始觀測(cè)。因此筆者選用1985年1月以來(lái)的模擬水位資料作為研究對(duì)象，并對(duì)各測(cè)點(diǎn)概況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。隴01井位于鄂爾多斯地臺(tái)，慶陽(yáng)縣黃土梁峁地區(qū)。該井原為長(zhǎng)慶油田測(cè)井公司的試驗(yàn)井，井深221.61 m，套管深52.70 m，觀測(cè)層為52.70 m以下的白堊系砂巖，為孔隙承壓水，水位埋深約38 m，降水對(duì)水位無(wú)影響。該井于1984年4月開(kāi)始觀測(cè)。

圖1 甘肅模擬水位監(jiān)測(cè)臺(tái)分布圖Fig.1 Distribution of analogue water level monitoring stations in Gansu Province

隴05井位于華亭馬峽井，六盤(pán)山斷裂帶東側(cè)。井孔處于山間狹窄河谷的一級(jí)階地上，與河床水平距離約20 m，高出河水面約3 m。井深225.5 m。含水層為上元古界白云巖巖溶裂隙承壓水層，降水對(duì)水位有影響。該井于1982年7月開(kāi)始觀測(cè)。

隴06井位于甘肅省靜寧縣，井深401 m，水位埋深8 m左右。井水為志留系砂巖裂隙承壓水，上覆地層為不良透水性的第三系砂質(zhì)泥巖，其厚度為33 m(唐九安等，1993)。該井于1982年10月開(kāi)始觀測(cè)。

隴18井位于蘭州市七里河區(qū)崔家崖大灘，所處構(gòu)造部位為蘭州斷陷谷地黃河南岸I級(jí)階地，地層為第四系河床相沉積，井深82 m。觀測(cè)含水層為45 m以下的砂礫石層，在18 m以下含砂量增高，并夾有薄層粘性土，局部呈半膠結(jié)狀態(tài)，井水位埋深約12 m。地下水主要由蘭州市南七道梁山區(qū)降水補(bǔ)給，地下水類(lèi)型為局部承壓水(唐九安等，1995;張新基等，2005)。該井于1981年2月開(kāi)始觀測(cè)。

2 地震目錄的選取

考慮本區(qū)地震活動(dòng)的周期性和強(qiáng)度起伏的特點(diǎn)，選取距測(cè)點(diǎn)700 km內(nèi)的甘肅及其鄰區(qū)5級(jí)以上地震作為研究對(duì)象。關(guān)于前兆資料映震能力范圍，許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究總結(jié)，由于各測(cè)點(diǎn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和地震震源機(jī)制等的不確定性，一些學(xué)者給出了前兆資料映震能力大概的定量范圍，這些定量范圍更多的是定性成份。因此筆者分別選取震中距小于700 km的8級(jí)地震，震中距小于500 km的7級(jí)地震，震中距小于400 km的6級(jí)地震，震中距小于300 km的5級(jí)地震。相鄰兩次地震時(shí)間間隔小于10個(gè)月的，只統(tǒng)計(jì)發(fā)生較早的地震，同一地震對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的震中距是不同的，因此按測(cè)點(diǎn)的震中距進(jìn)行篩選地震。遵循上述原則所選出的地震目錄及震中距參數(shù)見(jiàn)表1。

3 中短期異常提取方法

甘肅模擬水位資料觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，所有觀測(cè)數(shù)據(jù)都在26年以上，觀測(cè)資料連續(xù)可靠、內(nèi)在質(zhì)量高，有些測(cè)點(diǎn)資料在鄰近地區(qū)發(fā)生的中強(qiáng)地震前出現(xiàn)了明顯的短臨異常，大致表現(xiàn)為水位測(cè)值下降—發(fā)震—回升。但是大多數(shù)中強(qiáng)地震發(fā)生前水位測(cè)值都會(huì)出現(xiàn)趨勢(shì)性變化，這種趨勢(shì)性變化在有些地震前非常明顯，在有些地震前不是特別突出。不管趨勢(shì)性異常是否明顯，如果都是用傳統(tǒng)的“看圖識(shí)字”方法來(lái)判斷，這在很大程度上帶來(lái)了一些不確定性，無(wú)法定量給出異常開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間及異常變化幅度。為此，筆者采用定量方法來(lái)提取水位資料的中短期異常。中國(guó)地震工作者在20世紀(jì)70年代就提出了長(zhǎng)、中、短、臨漸近式預(yù)報(bào)思路，認(rèn)為長(zhǎng)期異常預(yù)報(bào)時(shí)間為幾年至一二十年，中期異常預(yù)報(bào)時(shí)間為一年至數(shù)年，短期異常預(yù)報(bào)時(shí)間為數(shù)月內(nèi)，臨震異常預(yù)報(bào)時(shí)間為幾天至十幾天(張國(guó)民等，2001)。

表1 1987～2011年甘肅及鄰區(qū)發(fā)生的MS≥5.0地震參數(shù)Tab.1 Parameters of MS≥5.0 earthquakes from 1987 to 2011 in Gansu Province and its adjacent regions

興悅等(2006，2011)曾利用從屬函數(shù)、變差率、趨勢(shì)速率方法提取了甘東南水氡資料的中期異常，得出了較為理想的結(jié)果，因此在本文中也引入該方法，通過(guò)分析比較筆者認(rèn)為用水位13點(diǎn)滑動(dòng)平均值作為數(shù)據(jù)序列計(jì)算的效果較好，其效果明顯優(yōu)于直接使用月均值提取異常。異常判定方法見(jiàn)表2。

表2 中短期異常判定方法表Tab.2 Anomaly judgment methods in middle-short term

4 模擬水位資料中短期異常分析

文中所選的4口井資料都出現(xiàn)過(guò)不同程度的人為干擾，人為干擾系指儀器故障、臺(tái)站改造、無(wú)規(guī)律抽水等引起的臺(tái)階變化。在資料處理中，對(duì)人為干擾引起的臺(tái)階狀變化進(jìn)行校正，校正后的月均值曲線如圖2所示。本文將預(yù)報(bào)時(shí)間(表3中的超前時(shí)間)在1個(gè)月至3年定義為中短期異常。異常持續(xù)時(shí)間在2年以?xún)?nèi)，可對(duì)應(yīng)5.5級(jí)以下地震;異常持續(xù)3年以?xún)?nèi)，可對(duì)應(yīng)5.5級(jí)以上地震;異常時(shí)間超過(guò)3年視為不對(duì)應(yīng)地震;震后3個(gè)月內(nèi)在有效震中距范圍內(nèi)出現(xiàn)異常視為震后效應(yīng)。

圖2 甘肅模擬水位月均值曲線Fig.2 Month mean values curves of analogue water level in Gansu Province

4.1 從屬函數(shù)中短期異常特點(diǎn)

筆者用從屬函數(shù)法分析1985年1月至2011年9月甘肅東部4個(gè)水位測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)資料，結(jié)果表明:統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)共出現(xiàn)31次異常(圖3)，其中22次異常很好地對(duì)應(yīng)了表1中所列的5級(jí)以上地震。發(fā)生了地震而沒(méi)有出現(xiàn)異常就算漏報(bào)，共10次;出現(xiàn)了異常而沒(méi)發(fā)生地震屬虛報(bào)，共9次。中短期異常特征列于表3。通過(guò)對(duì)甘肅模擬水位資料的研究，得出從屬函數(shù)中短期異常的特點(diǎn):

(1)異常持續(xù)時(shí)間:最短為1個(gè)月，最長(zhǎng)為24個(gè)月，平均為9.1個(gè)月。

(2)異常超前時(shí)間:最短為1個(gè)月，最長(zhǎng)31個(gè)月，平均為12.0個(gè)月。

(3)在異常持續(xù)過(guò)程中發(fā)生地震8次，異常結(jié)束后發(fā)生地震14次。

(4)異常變幅:最小為0.51，最大為0.79，平均為0.61。

(5)異常對(duì)應(yīng)率為71.0%，漏報(bào)率為31.3%，虛報(bào)率為29.0%。

圖3 甘肅模擬水位從屬函數(shù)異常曲線Fig.3 Abnormal curves of subordinate function of analogue water level in Gansu Province

4.2 變差率中期異常特點(diǎn)

筆者用變差率方法分析了1985年1月至2011年9月甘肅4個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬水位觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:共出現(xiàn)29次異常(圖4)，其中21次異常很好地對(duì)應(yīng)了甘肅及鄰區(qū)5級(jí)以上地震。漏報(bào)11次，虛報(bào)8次。中期異常特征見(jiàn)表4。通過(guò)對(duì)甘肅東部地下流體資料的研究，總結(jié)出甘肅模擬水位變差率中短期異常的特點(diǎn):

(1)持續(xù)時(shí)間:最短為1個(gè)月，最長(zhǎng)為43個(gè)月，平均為18.2個(gè)月。

(2)超前時(shí)間:最短為0個(gè)月，最長(zhǎng)31個(gè)月，平均為9.3個(gè)月。

(3)在異常持續(xù)過(guò)程中發(fā)生地震15次，異常結(jié)束后發(fā)生地震6次。

(4)異常變幅:最小為0.5%，最大為62.6%，平均為13.4%。

(5)異常對(duì)應(yīng)率為72.4%，漏報(bào)率為34.4%，虛報(bào)率為27.6%。

表3 甘肅模擬水位從屬函數(shù)中短期異常特征統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Anomaly feature statistics of subordinate function of analogue water level in middle-short term in Gansu Province

表4 甘肅模擬水位變差率中短期異常特征統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Anomaly feature statistics of variation rate of analogue water level in middle-short term in Gansu Province

圖4 甘肅模擬水位變差率異常曲線Fig.4 Abnormal curves of variation rate of analogue water level in Gansu Province

4.3 趨勢(shì)速率中期異常特點(diǎn)

筆者用趨勢(shì)速率方法分析了1985年1月至2011年9月甘肅4個(gè)測(cè)項(xiàng)的模擬水位觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)該時(shí)段內(nèi)共出現(xiàn)24次異常(圖5)，其中14次異常很好地對(duì)應(yīng)了甘肅及鄰區(qū)5級(jí)以上地震，漏報(bào)17次，虛報(bào)10次。中期異常特征見(jiàn)表5。通過(guò)對(duì)這些資料的研究，總結(jié)出甘肅模擬水位趨勢(shì)速率中短期異常的特點(diǎn):

(1)持續(xù)時(shí)間:最短為2個(gè)月，最長(zhǎng)為27個(gè)月，平均為10.6個(gè)月。

(2)超前時(shí)間:最短為1個(gè)月，最長(zhǎng)26個(gè)月，平均為11.5個(gè)月。

(3)在異常持續(xù)過(guò)程中發(fā)生地震6次，異常結(jié)束后發(fā)生地震8次。

(4)異常變幅:最小為0.53，最大為1.00，平均為0.71。

(5)對(duì)應(yīng)率為58.3%，漏報(bào)率為54.8%，虛報(bào)率為41.7%。

5 異常識(shí)別方法的效能評(píng)價(jià)

20世紀(jì)70年代初，許紹燮提出了R值評(píng)分，延用至今，現(xiàn)已成為我國(guó)地震分析預(yù)報(bào)研究工作中使用最為廣泛的一種評(píng)分法，將R值定義為

式中，c定義為有震報(bào)準(zhǔn)率;b的原意義為空?qǐng)?bào)率，

圖5 甘肅模擬水位趨勢(shì)速率異常曲線Fig.5 Abnormal curves of trend rate of analogue water level in Gansu Province

在此定義為預(yù)報(bào)占用時(shí)間率。故R值表示為扣除了占時(shí)率的報(bào)準(zhǔn)率。由識(shí)別方法評(píng)分得到的R值，大于R0值，則表明該方法至少有97.5%的置信度(張國(guó)民等，2001;朱成英，高小其，2011)。

選取表1中的地震進(jìn)行分析。從屬函數(shù)、變差率、趨勢(shì)速率異常開(kāi)始到發(fā)震時(shí)間的具體計(jì)算分別見(jiàn)表3、表4、表5。甘肅4個(gè)模擬水位資料，從屬函數(shù)時(shí)間段:1986年9月～2011年9月;變差率和趨勢(shì)速率時(shí)間段:1987年1月至2011年9月，其中隴01井水位資料變化幅度較大，1990年10月20日地震前趨勢(shì)速率異常開(kāi)始時(shí)間不能確定，因此選用趨勢(shì)速率時(shí)間段為1990年11月～2011年9月。異常識(shí)別方法效能評(píng)價(jià)參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 甘肅模擬水位趨勢(shì)速率中短期異常特征統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Anomaly features of trend rate of water level in middle-short term in Gansu Province

從表6中可以看出3種識(shí)別方法的R＞R0，說(shuō)明甘肅模擬水位從屬函數(shù)、變差率、趨勢(shì)速率值具有實(shí)效性。R0值從許紹燮研究的具有97.5%置信水平的R值表查出(張國(guó)民等，2001)。

6 結(jié)論與討論

(1)用從屬函數(shù)、變差率、趨勢(shì)速率方法提取甘肅模擬水位資料的異常明顯，對(duì)應(yīng)地震效果比較理想;通過(guò)對(duì)異常識(shí)別方法的效能評(píng)價(jià)，認(rèn)為甘肅模擬水位從屬函數(shù)、變差率、趨勢(shì)速率值具有實(shí)效性。

表6 異常識(shí)別方法效能評(píng)價(jià)參數(shù)Tab.6 Efficiency evaluation parameters of abnormal identification method

(2)趨勢(shì)異常本身并不是某一個(gè)地震的“專(zhuān)有”前兆，而是多個(gè)地震的“共同前兆”。從成因來(lái)看，趨勢(shì)異常不是來(lái)自震源的“源兆”，而是“外因性”的“場(chǎng)兆”(張國(guó)民等，2001;范雪芳等，2010)。這一特點(diǎn)決定了依據(jù)這類(lèi)異常提出的發(fā)震時(shí)間的預(yù)測(cè)，只是一個(gè)“可能的發(fā)震時(shí)段”，即并不是每一次異常都對(duì)應(yīng)地震。一組趨勢(shì)異常變化并不只對(duì)應(yīng)一個(gè)地震，而是對(duì)應(yīng)一個(gè)地震的活躍時(shí)段，即趨勢(shì)異常為多個(gè)強(qiáng)震、中強(qiáng)震的共同前兆。

(3)從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(表3～5)，用從屬函數(shù)、變差率、趨勢(shì)速率方法在異常持續(xù)過(guò)程發(fā)震的次數(shù)分別為8、15、6次，異常結(jié)束后發(fā)震的次數(shù)分別為14、6、8次。異常持續(xù)過(guò)程和異常結(jié)束后發(fā)震的總次數(shù)大致相當(dāng)，分別為29次和28次。異常最大變幅的大小、異常持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短與震級(jí)的大小沒(méi)有直接關(guān)系，這可能與地震的發(fā)震機(jī)理有關(guān)，地震引起的水位變化認(rèn)為不僅與觀測(cè)點(diǎn)的水文地質(zhì)條件有關(guān)，也與巖石應(yīng)力—應(yīng)變的作用有關(guān)。

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