王 燕，楊興悅，陳雪梅，周建強，丁 宏，次卓嘎

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

0 引言

我國地下流體觀測網(wǎng)是根據(jù)大震現(xiàn)場的監(jiān)測預報需要發(fā)展起來的地震前兆觀測系統(tǒng)，目前，我國地震地下流體前兆觀測已進入了全面現(xiàn)代化的新階段，“九五”、“十五”項目期間國家投入大量資金對地下流體觀測技術系統(tǒng)進行了改造和新建，其目的是為了提高觀測資料內在質量，使地下流體觀測資料在我國地震預測實踐中起更大的作用。水位觀測也不例外，隨著“九五”、“十五”的改造，模擬水位觀測逐漸被數(shù)字化水位觀測所取代。甘肅隴01、05、06、18井水位從20世紀80年代開始觀測，2011年10月被數(shù)字化水位儀替代。通過對數(shù)字與模擬水位觀測資料的對比分析，認為其動態(tài)變化特征一致，與固體潮的相關系數(shù)也基本一致，數(shù)據(jù)的相關性及內在質量良好，映震能力相當，數(shù)字化水位儀器可以取代模擬水位觀測儀器(耿杰等，2001;吳敏，趙愛平，2002;解曉靜，2010;楊玲英，毛先進，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，由于這些模擬觀測數(shù)據(jù)觀測時間長，觀測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，是我國大陸強震活動的主要場所之一，歷史上曾發(fā)生過多次強烈地震，現(xiàn)今地震活動仍很頻繁。該區(qū)域地震的主要特點是震源淺、強度大、危害性強、頻度高。甘肅地形狹長，流體測項多，但大多數(shù)測項都集中在甘肅東部，模擬水位更是全部集中在甘肅東部，觀測資料連續(xù)率高，多次在地震預測中得到應用。

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

1 甘肅模擬水位測點概況

甘肅模擬水網(wǎng)觀測是根據(jù)監(jiān)測預報的需求較早成規(guī)模發(fā)展起來的地震前兆觀測系統(tǒng)，1985年前后在甘肅地區(qū)建立了16個觀測點，主要觀測項為水位和流量。隨著地震事業(yè)的不斷發(fā)展，一些內在質量不好的觀測點在清理時被停測，另外一些觀測點的模擬水位儀在“九五”、“十五”期間被數(shù)字化儀器替代。觀測時間較長的模擬水位觀測井有隴01、05、06、18井，測點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)開始觀測。因此筆者選用1985年1月以來的模擬水位資料作為研究對象，并對各測點概況進行簡要介紹。隴01井位于鄂爾多斯地臺，慶陽縣黃土梁峁地區(qū)。該井原為長慶油田測井公司的試驗井，井深221.61 m，套管深52.70 m，觀測層為52.70 m以下的白堊系砂巖，為孔隙承壓水，水位埋深約38 m，降水對水位無影響。該井于1984年4月開始觀測。

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

隴05井位于華亭馬峽井，六盤山斷裂帶東側。井孔處于山間狹窄河谷的一級階地上，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，降水對水位有影響。該井于1982年7月開始觀測。

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泥巖，其厚度為33 m(唐九安等，1993)。該井于1982年10月開始觀測。

隴18井位于蘭州市七里河區(qū)崔家崖大灘，所處構造部位為蘭州斷陷谷地黃河南岸I級階地，地層為第四系河床相沉積，井深82 m。觀測含水層為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)降水補給，地下水類型為局部承壓水(唐九安等，1995;張新基等，2005)。該井于1981年2月開始觀測。

2 地震目錄的選取

考慮本區(qū)地震活動的周期性和強度起伏的特點，選取距測點700 km內的甘肅及其鄰區(qū)5級以上地震作為研究對象。關于前兆資料映震能力范圍，許多學者進行過研究總結，由于各測點地質結構的復雜性和地震震源機制等的不確定性，一些學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級地震，震中距小于500 km的7級地震，震中距小于400 km的6級地震，震中距小于300 km的5級地震。相鄰兩次地震時間間隔小于10個月的，只統(tǒng)計發(fā)生較早的地震，同一地震對不同測點的震中距是不同的，因此按測點的震中距進行篩選地震。遵循上述原則所選出的地震目錄及震中距參數(shù)見表1。

3 中短期異常提取方法

甘肅模擬水位資料觀測時間較長，所有觀測數(shù)據(jù)都在26年以上，觀測資料連續(xù)可靠、內在質量高，有些測點資料在鄰近地區(qū)發(fā)生的中強地震前出現(xiàn)了明顯的短臨異常，大致表現(xiàn)為水位測值下降—發(fā)震—回升。但是大多數(shù)中強地震發(fā)生前水位測值都會出現(xiàn)趨勢性變化，這種趨勢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。不管趨勢性異常是否明顯，如果都是用傳統(tǒng)的“看圖識字”方法來判斷，這在很大程度上帶來了一些不確定性，無法定量給出異常開始時間、結束時間及異常變化幅度。為此，筆者采用定量方法來提取水位資料的中短期異常。中國地震工作者在20世紀70年代就提出了長、中、短、臨漸近式預報思路，認為長期異常預報時間為幾年至一二十年，中期異常預報時間為一年至數(shù)年，短期異常預報時間為數(shù)月內，臨震異常預報時間為幾天至十幾天(張國民等，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果，因此在本文中也引入該方法，通過分析比較筆者認為用水位13點滑動平均值作為數(shù)據(jù)序列計算的效果較好，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)過不同程度的人為干擾，人為干擾系指儀器故障、臺站改造、無規(guī)律抽水等引起的臺階變化。在資料處理中，對人為干擾引起的臺階狀變化進行校正，校正后的月均值曲線如圖2所示。本文將預報時間(表3中的超前時間)在1個月至3年定義為中短期異常。異常持續(xù)時間在2年以內，可對應5.5級以下地震;異常持續(xù)3年以內，可對應5.5級以上地震;異常時間超過3年視為不對應地震;震后3個月內在有效震中距范圍內出現(xiàn)異常視為震后效應。

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

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個水位測項的觀測資料，結果表明:統(tǒng)計時段內共出現(xiàn)31次異常(圖3)，其中22次異常很好地對應了表1中所列的5級以上地震。發(fā)生了地震而沒有出現(xiàn)異常就算漏報，共10次;出現(xiàn)了異常而沒發(fā)生地震屬虛報，共9次。中短期異常特征列于表3。通過對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:

(1)異常持續(xù)時間:最短為1個月，最長為24個月，平均為9.1個月。

(2)異常超前時間:最短為1個月，最長31個月，平均為12.0個月。

(3)在異常持續(xù)過程中發(fā)生地震8次，異常結束后發(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)異常對應率為71.0%，漏報率為31.3%，虛報率為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

筆者用變差率方法分析了1985年1月至2011年9月甘肅4個測點的模擬水位觀測資料，統(tǒng)計結果表明:共出現(xiàn)29次異常(圖4)，其中21次異常很好地對應了甘肅及鄰區(qū)5級以上地震。漏報11次，虛報8次。中期異常特征見表4。通過對甘肅東部地下流體資料的研究，總結出甘肅模擬水位變差率中短期異常的特點:

(1)持續(xù)時間:最短為1個月，最長為43個月，平均為18.2個月。

(2)超前時間:最短為0個月，最長31個月，平均為9.3個月。

(3)在異常持續(xù)過程中發(fā)生地震15次，異常結束后發(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)異常對應率為72.4%，漏報率為34.4%，虛報率為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 趨勢速率中期異常特點

筆者用趨勢速率方法分析了1985年1月至2011年9月甘肅4個測項的模擬水位觀測資料，發(fā)現(xiàn)該時段內共出現(xiàn)24次異常(圖5)，其中14次異常很好地對應了甘肅及鄰區(qū)5級以上地震，漏報17次，虛報10次。中期異常特征見表5。通過對這些資料的研究，總結出甘肅模擬水位趨勢速率中短期異常的特點:

(1)持續(xù)時間:最短為2個月，最長為27個月，平均為10.6個月。

(2)超前時間:最短為1個月，最長26個月，平均為11.5個月。

(3)在異常持續(xù)過程中發(fā)生地震6次，異常結束后發(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)對應率為58.3%，漏報率為54.8%，虛報率為41.7%。

5 異常識別方法的效能評價

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

式中，c定義為有震報準率;b的原意義為空報率，

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

在此定義為預報占用時間率。故R值表示為扣除了占時率的報準率。由識別方法評分得到的R值，大于R0值，則表明該方法至少有97.5%的置信度(張國民等，2001;朱成英，高小其，2011)。

選取表1中的地震進行分析。從屬函數(shù)、變差率、趨勢速率異常開始到發(fā)震時間的具體計算分別見表3、表4、表5。甘肅4個模擬水位資料，從屬函數(shù)時間段:1986年9月～2011年9月;變差率和趨勢速率時間段: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日地震前趨勢速率異常開始時間不能確定，因此選用趨勢速率時間段為1990年11月～2011年9月。異常識別方法效能評價參數(shù)見表6。

表5 甘肅模擬水位趨勢速率中短期異常特征統(tǒng)計表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種識別方法的R＞R0，說明甘肅模擬水位從屬函數(shù)、變差率、趨勢速率值具有實效性。R0值從許紹燮研究的具有97.5%置信水平的R值表查出(張國民等，2001)。

6 結論與討論

(1)用從屬函數(shù)、變差率、趨勢速率方法提取甘肅模擬水位資料的異常明顯，對應地震效果比較理想;通過對異常識別方法的效能評價，認為甘肅模擬水位從屬函數(shù)、變差率、趨勢速率值具有實效性。

表6 異常識別方法效能評價參數(shù)Tab.6 Efficiency evaluation parameters of abnormal identification method

(2)趨勢異常本身并不是某一個地震的“專有”前兆，而是多個地震的“共同前兆”。從成因來看，趨勢異常不是來自震源的“源兆”，而是“外因性”的“場兆”(張國民等，2001;范雪芳等，2010)。這一特點決定了依據(jù)這類異常提出的發(fā)震時間的預測，只是一個“可能的發(fā)震時段”，即并不是每一次異常都對應地震。一組趨勢異常變化并不只對應一個地震，而是對應一個地震的活躍時段，即趨勢異常為多個強震、中強震的共同前兆。

(3)從統(tǒng)計結果看(表3～5)，用從屬函數(shù)、變差率、趨勢速率方法在異常持續(xù)過程發(fā)震的次數(shù)分別為8、15、6次，異常結束后發(fā)震的次數(shù)分別為14、6、8次。異常持續(xù)過程和異常結束后發(fā)震的總次數(shù)大致相當，分別為29次和28次。異常最大變幅的大小、異常持續(xù)時間的長短與震級的大小沒有直接關系，這可能與地震的發(fā)震機理有關，地震引起的水位變化認為不僅與觀測點的水文地質條件有關，也與巖石應力—應變的作用有關。

范雪芳，劉耀煒，吳桂娥，等.2010.華北地區(qū)水位、水位中期異常特征研究［J］.地震研究，33(2):147－158.

耿杰，任桂香，王忠民，等.2001.山東數(shù)字化水位觀測資料與模擬觀測資料的對比分析［J］.地震地質，23(3):455－463.

解曉靜.2010.瓊海加積井水位模擬觀測與數(shù)字觀測資料對比分析［J］.地震地磁觀測與研究，31(3):83 －87.

唐九安，白亞平，楊淑英，等.1993.甘06井水位潮汐參數(shù)的震前中期異常［J］.地震，13(6):21－28.

唐九安，常千軍，白亞平，等.1995.甘18井水位觀測結果與景泰地震［J］.地震地磁觀測與研究，16(3):56 －61.

吳敏，趙愛平.2002.南昌地震臺數(shù)字水位與模擬水位觀測對比研究［J］.華南地震，22(4):70 －73.

楊玲英，毛先進.2011.云南部分水位觀測點模擬與數(shù)字化并行觀測資料對比分析［J］.地震研究，34(3):291 －295.

楊興悅，王燕，緱亞江，等.2011.甘肅東南部水氡中期異常特征研究［J］.地震研究，31(1):8 －18.

楊興悅，王燕，閆萬生，等.2006.武山22號井水位中期異常與地震關系的探討［J］.西北地震學報，28(4):378－380.

張國民，傅征祥，桂燮泰，等.2001.地震預報引論［M］.北京:科學出版社.

張新基，趙儀全，劉耀煒，等.2005.甘肅省地震監(jiān)測志［M］.甘肅:蘭州大學出版社.

朱成英，高小其.2011.新20號井水位異常特征分析［J］.內陸地震，25(2):158－165.