基于4種技術(shù)方法的地下流體資料預(yù)報(bào)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(zhì)中,被國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)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(yù)報(bào)實(shí)踐中,所記錄到的各類流體異常在大震短臨預(yù)測過程中發(fā)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(jié)果表明,地下流體資料對孕震區(qū)和外圍區(qū)介質(zhì)變化的響應(yīng)非常靈敏,地震的孕育和發(fā)生過程始終伴隨有地下物質(zhì)運(yùn)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(jìn)而導(dǎo)致地下水物理、化學(xué)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(jié)果顯示,2014年魯?shù)?.5級地震發(fā)生前,昭通地區(qū)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(qū)乃至川滇交界東部地區(qū)的震情趨勢判定發(fā)揮著重要的作用(劉耀煒等,2015)。因此,本文對昭通地區(qū)地下流體資料開展震情跟蹤技術(shù)方法預(yù)報(bào)效能計(jì)算,盡可能從定量化的角度來評估觀測資料在震情預(yù)測方面發(fā)揮的作用,同時對這些異常產(chǎn)生的孕震機(jī)理進(jìn)行討論。

1 資料概況

昭通地區(qū)目前正在觀測的全部地下流體資料包括19個觀測點(diǎn)的47個觀測項(xiàng),其中模擬觀測17項(xiàng),包括水氡觀測5項(xiàng)、二氧化碳觀測5項(xiàng)、離子觀測4項(xiàng)、電導(dǎo)率觀測2項(xiàng)、pH觀測1項(xiàng),數(shù)字化觀測30項(xiàng),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?shù)樗疁丶八挥捎谟^測時間較短,無法參與計(jì)算,其余41個測項(xiàng)全部參與了閾值法、速率變化法、趨勢轉(zhuǎn)折法和破年變法4種方法的預(yù)報(bào)效能計(jì)算。參與本次預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)的震例為2000年以來昭通地區(qū)及周邊200km范圍內(nèi)的5級以上歷史地震,具體震例分布情況見圖1,測點(diǎn)基本信息見表1。

圖1 昭通地區(qū)地下流體觀測點(diǎn)及震例分布

2 計(jì)算方法

分別采用閾值法、速率變化法、趨勢轉(zhuǎn)折法和破年變法4種計(jì)算方法對昭通地區(qū)地下流體觀測資料進(jìn)行異常提取,并計(jì)算其R值進(jìn)行預(yù)報(bào)效能檢驗(yàn)。

(1)閾值法,該方法直接從原始觀測時序數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差,計(jì)算最佳閾值(標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)n); 然后查詢超出該閾值的異常數(shù)據(jù),得到觀測數(shù)據(jù)中的高(低)值異常及其時間點(diǎn)。

(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(shù)據(jù)的一階差分序列,使用平穩(wěn)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(diǎn),突出那些突跳性或離散度較大的異常。當(dāng)有一組數(shù)據(jù)(x1,x2,…,xn)時,可計(jì)算相鄰2個數(shù)據(jù)之間的差值(Δxi),并依此按下式計(jì)算差分值(絕對值)的平均值

(1)

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

(4)破年變法,年變形態(tài)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(shù)據(jù)的均值序列(五日、旬、月)之間的相關(guān)程度來求觀測點(diǎn)值的正常年動態(tài)曲線,再以原來不同年時間段的均值序列和正常年動態(tài)曲線的余差序列提取異常指標(biāo),用其剩余標(biāo)準(zhǔn)差的2倍或3倍作為閾值控制線。

(5)R值評分,本次預(yù)報(bào)效能評估是同時進(jìn)行時間和空間預(yù)測的方法,其R值評分計(jì)算公式為(許紹燮,1989)

(2)

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

根據(jù)歷史震例的選取原則,空間網(wǎng)格數(shù)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(yù)報(bào)效能計(jì)算結(jié)果

針對昭通地區(qū)現(xiàn)有的43項(xiàng)地下流體觀測數(shù)據(jù),分別采用4種震情跟蹤技術(shù)方法提取異常,并計(jì)算其預(yù)報(bào)效能(具體結(jié)果見表1),不同方法具體評估結(jié)果如下。

表1

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

圖2 不同方法預(yù)報(bào)效能評估結(jié)果

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

破年變法計(jì)算的預(yù)報(bào)效能R值結(jié)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(guān)電導(dǎo)率、魯?shù)槎趸肌⒄殃栆恢兴弧⒋脑核弧⒋脑核疁毓灿?jì)9個測項(xiàng)R≥R0,通過預(yù)測效能置信度97.5%的顯著性檢驗(yàn),在日常跟蹤分析過程中具有較好的預(yù)測意義; 65%的測項(xiàng)具有一定的預(yù)測意義; 14%的測項(xiàng)預(yù)報(bào)效能低于隨機(jī)預(yù)測,在日常跟蹤過程中無參考價值。從最佳預(yù)測時間來看,預(yù)測時段在3個月以內(nèi)的測項(xiàng)占比56%,具有較好的短臨預(yù)測意義,6個月及以上的測項(xiàng)占比32%,可作為半年或年度指標(biāo)。

趨勢轉(zhuǎn)折法計(jì)算的預(yù)報(bào)效能R值結(jié)果(圖2(d))顯示,水富水位、巧家鈣離子、巧家碳酸根、大關(guān)電導(dǎo)率、魯?shù)槎趸脊灿?jì)5個測項(xiàng)R≥R0,通過預(yù)測效能置信度97.5%的顯著性檢驗(yàn),在日常跟蹤分析過程中具有較好的預(yù)測意義; 59%的測項(xiàng)具有一定的預(yù)測意義; 約30%的測項(xiàng)預(yù)報(bào)效能低于隨機(jī)預(yù)測,在日常跟蹤過程中無參考價值。從最佳預(yù)測時間來看,預(yù)測時段在3個月以內(nèi)的測項(xiàng)占比約70%,表明趨勢轉(zhuǎn)折后將進(jìn)入顯著的短臨階段。

綜合上述4種方法的結(jié)果分析,速率變化法和破年變法提取的異常預(yù)報(bào)效能更佳; 水富水位、水富水溫、巧家電導(dǎo)率、巧家鈣離子、巧家鎂離子、巧家碳酸氫根、大關(guān)電導(dǎo)率、魯?shù)槎趸肌⒋脑核弧⒋脑核疁亍⒄殃栆恢兴坏裙灿?jì)11個測項(xiàng)可以作為滇東部北地區(qū)年度或日常跟蹤的重點(diǎn)測項(xiàng); 大多數(shù)流體異常的最佳預(yù)測時段在3個月以內(nèi),尤其是速率法提取的異常和趨勢轉(zhuǎn)折后會進(jìn)入較為顯著的短臨預(yù)測階段; 除此之外,約有22%的測項(xiàng)通過震例評估的預(yù)報(bào)效能低于隨機(jī)預(yù)測(R<0),對震情跟蹤判定的預(yù)測意義不大。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

針對上述提取出的預(yù)報(bào)效能較好的測點(diǎn)測項(xiàng),選擇最佳的計(jì)算方法結(jié)果(表2),依據(jù)不同手段的物理意義、異常特征以及流體補(bǔ)給來源,并結(jié)合已有的研究結(jié)果對這些異常產(chǎn)生的孕震機(jī)理進(jìn)行討論。

表2 昭通地區(qū)重點(diǎn)跟蹤測項(xiàng)的預(yù)報(bào)效能信息

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

注: (a)水化學(xué)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(tài)變化可產(chǎn)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(huán)境因子對淺層前兆異常作用的主要力學(xué)機(jī)制之一,孔隙壓力、動水壓力以及化學(xué)腐蝕等原理,是該異常機(jī)理的理論基礎(chǔ)。這種淺層誘發(fā)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(chǎn)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?shù)?.5級地震前,昭通地區(qū)的流體異常產(chǎn)生的原因可能是斷裂帶空隙的開啟與閉合,導(dǎo)致觀測井含水層承壓性發(fā)生改變,引起地下水混合作用增強(qiáng)(劉耀煒等,2015),該研究結(jié)果與上述機(jī)制的理論基礎(chǔ)相符。因此,結(jié)合昭通地區(qū)不同異常所呈現(xiàn)出的較為顯著的時間層次性和形態(tài)差異性,以及大氣降水補(bǔ)給的水化學(xué)特征,認(rèn)為昭通地區(qū)的地下流體異常大多可能屬于這種地下水誘發(fā)的淺層前兆異常。

4.2 結(jié)論

通過對昭通地區(qū)地下流體觀測資料開展異常提取和預(yù)報(bào)效能評估,針對預(yù)報(bào)效能較好的測項(xiàng),依據(jù)不同測項(xiàng)的異常特征和觀測井的水化學(xué)特征,并結(jié)合已有研究成果,對這些異常產(chǎn)生的孕震機(jī)理進(jìn)行討論,得到以下主要認(rèn)識:

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

(2)水富水位、水富水溫、巧家電導(dǎo)率、巧家鈣離子、巧家鎂離子、巧家碳酸氫根、大關(guān)電導(dǎo)率、魯?shù)槎趸肌⒋脑核弧⒋脑核疁亍⒄殃栆恢兴坏裙灿?jì)11個測項(xiàng)的預(yù)報(bào)效能R>R0, 具有顯著的預(yù)測意義,可以作為滇東北地區(qū)日常跟蹤的重點(diǎn)測項(xiàng)。

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