云南水化學觀測異常與地震關系*

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烈側向擠壓和對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，云南地區地震活動頻繁而強烈(秦嘉政等，2005)。近26年的統計結果顯示，云南省內平均每年約發生2～3次5級地震，每2年約發生1次6級地震，甚至一年發生多次6級以上強震，如2003年7月和10月大姚地區先后發生了6.2和6.1級地震(劉麗芳，付虹，2003；周龍泉等，2007)，2014年先后發生了盈江6.1級、魯甸6.5級和景谷6.6級強震(李瓊等，2014，2016；付虹等，2015；劉月，邵志剛，2016)。因此，云南地區一直是中國地震分析預報與探索實踐的主體區域之一(王俊等，2016)。

在地震孕育階段，區域構造活動增強致使應力場發生變化，斷層的封閉性改變，流體活動作用增強，從而引起水化學異常(Woithetal，2013；Claessonetal，2004；官致君，2003)。云南水化學觀測始于20世紀80年代，長期的地震預測實踐積累了豐富的觀測資料和預報經驗(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異常與地震的關系：一是從震例總結的角度，對單個地震事件的現象進行分析，如楊杰英(1997)分析了1995年武定6.5級地震前水化學異常，指出水化學項目的繼承性異常和震后異常可以作為后繼地震發生的判據；劉耀煒等(2015)研究認為2014年魯甸6.5級地震前水巖反應加劇和地下水混合作用增強，使地下水離子組分濃度發生變化。二是從觀測資料的角度，提取前兆異常，分析異常與地震的對應關系，總結異常特征(張立，付虹，2000；田雷等，2018)。

云南水化學觀測歷經近30年，這期間觀測環境、觀測儀器及觀測方式等均發生了較大改變，如有些測點已經停測，有些測點增加了新的觀測項目，有些臺站增加了新的觀測點等。因此，需要根據云南水化學資料的動態變化情況，不斷更新、完善指標，總結異常特征，才能提高其在震情跟蹤分析中的可操作性。本文以2000—2017年云南水化學觀測資料為研究樣本，采用在原始觀測曲線上識別異常的傳統分析方法，逐項梳理云南水化學觀測曲線，提取異常變化，并分析單項及群體異常與MS≥5.0地震的關系，總結個性、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個水化學觀測臺站，其中包括3個斷層帶土壤氣CO2(林元武，翟盛華，1993)，共有61個觀測項目用于日常震情跟蹤監視，表1列出了13個觀測井(泉)的基本情況。這些臺站分布極不均勻，主要分布在滇西北東帶的保山和大理地區以及滇東北的昭通地區，滇西南的耿馬和普洱地區分別有1個觀測臺站，而滇中、滇東及滇西北的麗江以北地區則為水化學的觀測空白區(圖1)。滇東北地區有5個水化學觀測點，其中3個點為接觸下降冷泉；滇西北東帶的水化學觀測點包含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年云南省內的全部水化學觀測資料，并排除環境、人為、儀器等干擾因素。

2000—2017年，云南省境內共發生了51次MS≥5.0地震。將發生在同一個月內、同一個震源區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)。進一步挑選出以每一個臺站為圓心，分別發生在其半徑300 km和500 km范圍內的5.0～5.9級和6.0級以上地震，作為研究單項異常與地震關系的震例樣本。

2 異常與地震關系

在日常震情跟蹤分析中，針對水化學資料，主要以原始觀測曲線的背景作為參考，按照曲線的上升或下降變化來識別異常。本文采用相同的分析方法，同時為了排除單點突跳或干擾引起的變化，只提取具有一定持續時間且相對觀測背景變化比較顯著的異常。根據不同臺站、不同測項的實際觀測，提取異常時所選擇的數據類型為原始觀測的日值、5日均值或旬均值，再根據異常與地震的最佳對應關系，確定異常閾值。

按照水化學資料在日常會商中的應用約定，異常結束后3個月內發生的地震為對應，否則視為虛報。提取單項觀測曲線的異常變化，標注其異常形態、異常幅度、異常起始至結束時間和異常持續時間等。通過標注每次異常開始至地震發生的間隔時間和對應地震到臺站的距離，得到單項異常與地震的對應情況。在此基礎上，進一步研究群體異常與區域地震的關系，分析其異常特征。

2.1 單項異常與地震關系

2.1.1 單項異常預測效能

通過逐項提取水化學觀測曲線的異常變化，發現有6個臺站(大關、施甸、昌寧、鹽津、永善、洱源溫泉)共27個測項未能提取到有效的異常變化，其它10個觀測臺站共34個測項提取到了清晰的異常變化。這些異常變化具有多種形態，如全部為高值、低值異常(圖2a)、或破年變異常(圖2b)，或同時出現加速上升、加速下降、高值和低值等多種形態的異常(圖2c)。

圖2 水化學觀測曲線的異常形態

對單項水化學觀測曲線的異常識別結果，用對應地震的異常次數除以異?？偞螖当硎镜卣饘?，得到單項異常的地震預測效能，34個測項的單項異常的地震預測效能見表2。由表2可見，有30個測項的地震對應率高于75%，其中26項的地震對應率為100%，沒有出現虛報。對應率低于50%的測項有2個，分別為普洱臺水汞和洱源臺水汞。

表2 單項異常的地震預測效能

34個測項的連續觀測時間中最長18年、最短4年，觀測10年以上的有28項，占82%。通過統計出現1次異常的間隔時間，發現共有6個測項自觀測以來僅出現過1次異常，出現異常的間隔時間最長為18年，最短為4年。出現異常間隔時間最短的測項為平均每2年出現1次異常，34個測項平均每6年出現1次異常。以上結果表明，單項水化學的異常變化對周邊中強地震的指示性較好，但對地震的漏報也較多。

2.1.2 單項異常特征

2000—2017年，34個水化學測項共出現102次異常，其中86次異常對應地震發生，平均地震對應率為84%。異常持續時間最短為5 d，最長超過600 d，平均為153 d。異常出現后，在地震預測有效期內不管發生幾次地震，如果只考慮第一個地震，得到異常開始至發生第一個地震的時間間隔最短為1 d，最長超過700 d，平均為152 d，其中短期異常共有59次，臨震異常12次。由前兆異常數量的時間進程特征(圖3)可見，約64%的水化學異常在云南中強地震發生前3個月內出現，表明水化學異常主要以短臨異常為主，可以作為較好的短臨預測指標。統計所有觀測曲線異常變化與對應地震發生的時間間隔，大于1 a的異常很少，沒有觀測到長期趨勢背景異常。

圖3 前兆異常數量的時間進程特征

2.2 群體異常與地震關系

2.2.1 單臺多測項群體異常與地震

云南省有11個綜合觀測離子濃度的臺站，同時觀測多個離子組分的濃度。大關和施甸臺的觀測資料連續穩定，但沒有提取到與地震有關的異常變化，因此僅對其余9個觀測臺站中具有映震效果的測項進行群體異常分析。分析單項異常與地震關系可知，下關臺和巧家局觀測臺站均有2個單項測項提取到震前異常變化，但均未提取到群體異常現象，剩下7個臺站的群體異常變化與地震關系見表3。由表3可見，有4個臺站提取到多次群體異常現象，分別為保山局、隆陽局、騰沖臺和普洱市局，其余3個臺站均分別提取到1次群體異常，其形態以高值和大幅波動異常形態為主，地震對應率為100%。異常出現至發生5.0～5.9級和6.0級以上地震的時間間隔平均分別為90 d和120 d，震中距平均分別為115 km和225 km。以上分析表明，當一個臺站的多個測項出現準同步群體異常變化時，該特征對后續地震的預測意義比較明確，增加單臺多測項的綜合觀測，可以減少對干擾的誤判，更清楚地識別震前異常，提高觀測臺站區域地震的監視能力。

表3 單臺群體異常與地震關系

2.2.2 區域群體異常與地震

在單項異常與地震關系分析結果的基礎上，對34項水化學測項進行處理：異常的測值用“1”表示，無異常的測值用“0”表示。云南水化學觀測臺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(圖1)，所以本文以旬為時間單位按照這3個地區分別繪制異常頻次曲線圖，提取區域群體異常(圖4)。

圖4a為滇西北東帶地區的異常頻次曲線，區內共有23個測項。由圖4a可見，當有3個及以上測項出現準同步異常，且同步異常持續時間超過1個月時，其后在小滇西地區會發生5.0級以上地震，對應率為100%。因此，滇西北東帶地區出現的群體異?？梢宰鳛樵搮^4～6個月內發生5.0級以上地震的短期預測指標。與該區群體異常變化關系對應較好的震例主要發生在瀾滄江以西的小滇西地區，分析認為可能和該區大多數觀測臺站和測項集中分布有關。

圖4b為滇西南地區的異常頻次曲線，該區有2個觀測臺站(耿馬局和普洱局)，共6個觀測項目。由圖4b可見，2000—2017年有2個及以上測項的觀測曲線同時出現異常的情況共7次，只有1次虛報，地震對應率約為86%。震例結果顯示異常出現后的3個月內，主要對應發生5.0級以上地震；當異常持續時間超過3個月，則對應發生6.0級以上地震。

圖4 云南水化學異常頻次疊加值曲線

3 結論與討論

利用在原始觀測曲線上識別異常的傳統分析方法，提取2000—2017年云南地區水化學單項異常，分析單項及單臺群體異常的地震預測效能。根據觀測臺站的區域分布特征，對單項異常進行頻次疊加，分區域提取綜合異常，分析其與地震的關系，得出如下主要結論：

(1)目前，云南省用于日常及年中、年度震情會商的水化學觀測資料有16個觀測臺站，共計61個測項，其中5個觀測臺站的27項觀測資料沒有對應震例，占總測項的44%；有對應地震的測項中，88%的測項出現異常的地震對應率超過75%，其中26個測項的異常變化沒有出現虛報，地震對應率為100%。云南水化學觀測資料的地震預測有效占比僅為56%，觀測臺站的映震能力是不均一的，這反映出水化學觀測臺站在構造活動引起的水巖反應程度上有較大差異，且具有多種成因的特征(張煒等，1988；魚金子等，2000)。因此，地震異常靈敏點的選擇及高質量的觀測資料是獲取地震前兆異常的基礎條件。

(2)單項異常從出現至發生地震的時間間隔平均為116 d，短臨異常約為總異常的70%，臨震異常為12次，沒有觀測到長趨勢背景異常。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的深部熱物質活動以及不同層位地下水的相互作用(劉耀煒，施錦，2000)，也充分表明強構造活動是形成區域水化學地震前兆的關鍵因素。

(3)根據云南水化學觀測臺站的集中分布區域，分區提取群體異常，結果顯示：當異常測項增多時，該區5級及周邊6級以上地震的對應率均大于85%。滇西北東帶地區的觀測臺站密集，群體異常最顯著，滇西南和滇東北地區的觀測臺站相對較少，能覆蓋的區域有限，群體異常與地震有一定的相關性，但僅有1～2個異常測項，異常的顯著程度沒有滇西北東帶地區強。這表明研究區域的測項具有一定的規模和數量是提高群體異常可信度的前提。水化學測站相對密集地區的異常數量較多且地震對應率較高，進一步印證了在復雜構造條件下，有較高密度觀測點的區域才能有效觀測到流體活動加劇的前兆現象這一結論(劉耀煒等，2015)。因此，繼續推進高質量水化學觀測點的建設，包括密集式低成本斷層氣連續觀測點的布設，是今后提高地震地球化學監測預測能力的重要基礎。