姜佳佳,馮建剛,2,曹玲玲,張昱,張麗瓊

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

臨夏地震臺(tái)(以下簡稱“臨夏臺(tái)”)位于甘肅中部的臨夏市，該區(qū)域地處大夏河Ⅰ級(jí)河漫灘階地上，地形開闊平坦。構(gòu)造上位于青藏高原東北部拉脊山東側(cè)，拉脊山位于青藏高原腹地邊緣，是青藏高原主體與黃土高原之間重要的地貌分界線，其南北兩側(cè)為拉脊山北緣斷裂帶和拉脊山南緣斷裂帶所圍限[1]，地勢西南高、東北低，年降水量500 mm，氣候?qū)贉貛О霛駶?、半干旱[1]。臨夏水位觀測井位于臨夏市城鄉(xiāng)結(jié)合部東北方向約7 km處的折橋鎮(zhèn)的臨夏地震臺(tái)院內(nèi)(103.26°E，35.64°N)，院內(nèi)有兩口觀測井，相距10 m，井中架有不同型號(hào)觀測儀器，其中一口井深度為200 m，另外一口井深為70.5 m，地面海拔為1 830 m。

臨夏1號(hào)和2號(hào)井水位自2007年7月觀測以來，500 km 范圍內(nèi)發(fā)生過6級(jí)以上地震4次。其中2次6級(jí)地震，1次7級(jí)地震，1次8級(jí)地震，該區(qū)域存在發(fā)生強(qiáng)震危險(xiǎn)的背景。臨夏1號(hào)和2號(hào)井水位自2018年1月至2019年11月與前兩年同期觀測資料相比略有偏高，且出現(xiàn)的高值與部分前兆觀測資料有準(zhǔn)同步性，所以此高值異常被認(rèn)定為2018年年度異常。從多因素、多角度(地下水類型定量診斷、水化學(xué)組分與同位素分析、觀測干擾因素等)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐卸ㄅR夏1號(hào)和2號(hào)水位資料的高值異常[2-6]，并通過震例分析和Molchan圖表檢驗(yàn)法[7]分析給出其預(yù)報(bào)效能，對(duì)于提高震兆異常的分析識(shí)別和判定能力、加強(qiáng)對(duì)地震孕育過程中地下水前兆現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)來源及其處理流程

中國地震局進(jìn)行“十五”數(shù)字化改造后，臨夏臺(tái)于2007年7月年正式開始水位觀測，目前采用的資料為十五觀測資料，觀測資料穩(wěn)定同步，有明顯的年動(dòng)態(tài)(圖1)。本文首先通過觀測干擾因素排除等對(duì)臨夏1號(hào)和2號(hào)井2018～2019年的高值異常進(jìn)行判定，然后采用臨夏1號(hào)和2號(hào)井2010～2019年的水位數(shù)據(jù)利用多種方法進(jìn)行地下水類型判定[8]，并進(jìn)行水化學(xué)組分和氫氧同位素分析[9]、震例分析及Molchan圖表檢驗(yàn)法檢驗(yàn)分析給出其預(yù)報(bào)效能。

圖1 臨夏水位資料變化曲線

2 異常成因及典型震例分析

2.1 觀測干擾因素分析

對(duì)于2018初出現(xiàn)的高值異常，通過對(duì)供電、避雷及接地參數(shù)檢查，氣象因素、氣壓和固體潮、周圍環(huán)境調(diào)查等分析結(jié)果如下。

(1)供電、避雷及接地參數(shù)檢查。交流供電：測量市電電壓為240 V(正常范圍內(nèi))；避雷系統(tǒng)工作正常；儀器防護(hù)接地正常；接地電阻9.2 Ω·m，當(dāng)?shù)貫楦咦鑼?，臨夏臺(tái)觀測電阻率為260 Ω·m左右，接地電阻正常。

(2)氣象因素分析。2010年以來臨夏水位月均值與降水量月均值對(duì)比結(jié)果顯示(圖2)，該井水位受本區(qū)降水影響，一般情況下呈現(xiàn)降雨增多、水位上升，降雨減少、水位下降的現(xiàn)象，且從同期降雨月均值的最高點(diǎn)和水位月均值的最高點(diǎn)對(duì)比來看，存在1～3個(gè)月左右的滯后現(xiàn)象[10]；但是也有個(gè)別時(shí)候存在降雨顯著增加，水位未上升的現(xiàn)象(圖2)。例如，2012年降雨量顯著增加，但水位并未顯著上升，所以2018年以來的高值異常并非完全由降雨引起。

圖2 臨夏水位月值(a)與降水量月值(b)對(duì)比曲線

(3)氣壓和固體潮。通過卷積回歸法去除氣壓和固體潮影響后[11-12]，數(shù)據(jù)形態(tài)與原始數(shù)據(jù)形態(tài)基本一致(圖3)，說明2018年臨夏水位出現(xiàn)的高值異常不是氣壓和固體潮因素引起的。

圖3 原始曲線(a)和去除氣壓和固體潮影響的臨夏水位曲線(b)

(4)周圍環(huán)境調(diào)查分析。臨夏臺(tái)位于臨夏市城鄉(xiāng)結(jié)合部東北方向約7 km處的折橋鎮(zhèn)。觀測井在臺(tái)站院內(nèi)，經(jīng)調(diào)查2017年院外的公路進(jìn)行重新打地基重新鋪油，而2018年以來臺(tái)站周圍觀測環(huán)境沒有發(fā)現(xiàn)明顯的變化，也沒有進(jìn)行大型建設(shè)項(xiàng)目。因此認(rèn)為臺(tái)站周圍觀測環(huán)境無干擾。另外，在此高值異常持續(xù)22個(gè)月后，距離其79 km處發(fā)生了2019年10月28日夏河5.7級(jí)地震，震后資料恢復(fù)正常。分析認(rèn)為2018～2019年臨夏水位的高值異常為流體前兆異常。

2.2 前兆資料準(zhǔn)同步性變化

臨夏水位在2018年初至2019年11月出現(xiàn)高值異常期間，其臨近的武都兩水水位、武山22號(hào)井水氡在2017年底和2016年底出現(xiàn)了同步低值和轉(zhuǎn)折變化；瑪曲地電阻率和自然電位在2018年也出現(xiàn)了同步的破年變異常。

2.2.1 武都兩水水位

觀測資料2017年底以來測值偏低，2019年之后基本恢復(fù)(圖4)，目前年變形態(tài)正常，高值完全恢復(fù)，對(duì)應(yīng)夏河5.7級(jí)地震。

圖4 兩水水位日均值曲線

2.2.2 武山22號(hào)井水氡

武山22號(hào)井水氡距離夏河5.7級(jí)震中221 km。2016年8月開始，水氡月均值加速下降，在下降過程中發(fā)生了2017年8月8日的九寨溝7.0級(jí)地震，但震后趨勢下降并沒有改變。2019年2月測值出現(xiàn)轉(zhuǎn)平變化，轉(zhuǎn)平8個(gè)月后發(fā)生了夏河5.7級(jí)地震?？v觀1995年以來的曲線(圖5)，這種大的轉(zhuǎn)折變化在汶川8.0級(jí)地震和岷縣漳縣6.6級(jí)地震前都出現(xiàn)過。汶川地震發(fā)生在第一次轉(zhuǎn)折后的19個(gè)月，岷縣漳縣地震發(fā)生在第一次轉(zhuǎn)折后的17個(gè)月，從震級(jí)與轉(zhuǎn)折后的持續(xù)時(shí)間來判斷，2019年2月以來的轉(zhuǎn)折變化完全對(duì)應(yīng)了夏河5.7級(jí)地震。

圖5 武山22號(hào)井水氡月均值曲線

2.2.3 瑪曲臺(tái)地電阻率

2019年瑪曲臺(tái)受雷電、漏電、降雨、儀器故障等多種因素影響，數(shù)據(jù)資料波動(dòng)較大，且受2018年10月北京相關(guān)單位對(duì)數(shù)據(jù)挪動(dòng)入庫影響后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)的年變形態(tài)相反的破年變趨勢(圖6)。2019年10月28日發(fā)生了夏河5.7級(jí)地震，震中距離該臺(tái)140 km。

圖6 瑪曲地電阻率日均值

2.2.4 瑪曲臺(tái)自然電位

瑪曲臺(tái)自然電位西北道，2018年出現(xiàn)高值的破年變形態(tài)異常，2018年9月進(jìn)行了異常核實(shí)工作，確定為2019年度新增異常。2019年高值異常仍在持續(xù)，變幅較高于2018年。

圖7 瑪曲自然電位日均值

2.3 地下水類型定量診斷

選取臨夏井的數(shù)字化水位和氣壓整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，利用兩種方法對(duì)該井的地下水類型進(jìn)行了判定。首先利用井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行地下水類型的定量診斷[1]，結(jié)果顯示臨夏井為承壓井(圖8)。其次，通過頻譜分析和各潮汐波分量的預(yù)期響應(yīng)診斷和判別臨夏井地下水類型，結(jié)果顯示：M2 波有，且顯著；S2波有，且顯著；O1波有，K1波有，N2波有，該井為承壓井(圖9、表1)。所以，臨夏井地下水類型為承壓水，對(duì)應(yīng)力變化會(huì)有較好響應(yīng)，觀測質(zhì)量和可信度較高。

圖8 利用階躍響應(yīng)函數(shù)法判定臨夏井地下水類型

圖9 利用潮汐波分量的預(yù)期響應(yīng)判定臨夏井1號(hào)井(a)和2號(hào)井(b)地下水類型

表1 利用潮汐波分量的預(yù)期響應(yīng)對(duì)臨夏井1號(hào)井和2號(hào)井判定結(jié)果

2.4 水化學(xué)組分和同位素分析

圖10 臨夏井1號(hào)井(a)和2號(hào)井(b)水化學(xué)組分分析結(jié)果

圖11 臨夏井1號(hào)和2號(hào)井氫氧同位素分析結(jié)果

2.5 臨夏水位震例分析

臨夏水位自2007年7月觀測以來，500 km 范圍內(nèi)發(fā)生6級(jí)以上地震共4次。分別為2013年7月22日岷縣漳縣6.6級(jí)地震，震中距為128 km；2016年1月21日青海門源6.4級(jí)地震，震中距為270 km；2017年8月8日四川九寨溝7.0級(jí)地震，震中距為265 km；2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震，震中距為500 km。其中3次地震前觀測資料均比較穩(wěn)定，地震前后無明顯變化，只有2013年岷縣漳縣6.6級(jí)地震前，即2013年3月底至4月初出現(xiàn)低值異常。另外，2019年10月28日夏河5.7級(jí)地震前(震中距為79 km)，臨夏水位2018年初出現(xiàn)高值異常，震后異?；謴?fù)。通過研究分析，2018年以來的高值異常非干擾因素引起，為夏河5.7級(jí)地震前兆異常。因此，自2007年觀測以來，臨夏水位異常對(duì)應(yīng)震例有兩次(表2)，分別為2013年岷縣漳縣6.6級(jí)地震前低值異常和2019年夏河5.7級(jí)地震前的高值異常，結(jié)果反映200 km范圍內(nèi)映震效果明顯，以低值和高值異常為主。

表2 臨夏水位震例分析結(jié)果

3 Molchan圖表法

Molchan圖表法能夠客觀、科學(xué)地進(jìn)行地震預(yù)測評(píng)估，目前已被廣泛地應(yīng)用于確定性和概率性預(yù)測的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和效能評(píng)估中，而且在國際地震可預(yù)測性研究計(jì)劃中已列為常規(guī)使用。臨夏水位自2007年觀測以來，異常對(duì)應(yīng)震例有兩次，分別為2013年岷縣漳縣6.6級(jí)地震前低值異常和2019年夏河5.7級(jí)地震前的高值異常。采用Molchan圖表檢驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果顯示30天左右的預(yù)報(bào)效能基本在0.3左右，均低于0.5，且概率增益僅為1；300天左右的預(yù)報(bào)效能可達(dá)到0.5左右，預(yù)報(bào)效能最高的為120天，可達(dá)到0.65，概率增益大于3(圖12a)。因此，檢驗(yàn)結(jié)果顯示，臨夏井的優(yōu)勢對(duì)應(yīng)地震時(shí)間段為4個(gè)月左右，4～6個(gè)月的中短期的預(yù)報(bào)效能最佳。

從圖12b圖檢驗(yàn)結(jié)果，可以看出在120天圓圈所示位置，300 km范圍內(nèi)，3個(gè)實(shí)際發(fā)生的地震中，報(bào)準(zhǔn)2個(gè)地震，漏報(bào)1個(gè)地震，報(bào)準(zhǔn)率高于漏報(bào)率。且該點(diǎn)的概率增益(Gain)更靠近最大Gain等值線，預(yù)測效果較好，時(shí)間占有率較低，說明同樣情況下，該點(diǎn)的顯著性水平α更接近最小α等值線，置信水平較高，也顯示出較好的預(yù)測效果。所以，臨夏水位的優(yōu)勢對(duì)應(yīng)地震時(shí)間段為4個(gè)月左右的中短期。

圖12 Molchan圖表檢驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)臨夏水位2018～2019年的高值異常是夏河5.7級(jí)地震的前兆異常。

(2)臨夏井地下水類型為承壓水，觀測質(zhì)量和可信度較高；臨夏井地下水處于未成熟水狀態(tài)，水巖反應(yīng)未達(dá)到平衡，水循環(huán)較快；氫氧同位素分析結(jié)果顯示其地下水來源于大氣降水。

(3)臨夏水位典型震例分析結(jié)果顯示200 km范圍內(nèi)映震效果明顯，以低值和高值異常為主；Molchan圖表檢驗(yàn)結(jié)果表明其優(yōu)勢對(duì)應(yīng)地震時(shí)間段為4個(gè)月左右，4～6個(gè)月的中短期的預(yù)報(bào)效能最佳，且其異常特征主要表現(xiàn)為低值或者高值異常。