甘肃模拟水位资料处理方法研究及映震效能评估*

王 燕，杨兴悦，陈雪梅，周建强，丁 宏，次卓嘎

(1.甘肃省地震局天水中心地震台，甘肃天水741020;2.甘肃省地震局武山地震台，甘肃武山741308 3.西藏自治区地震局，西藏拉萨850000)

0 引言

我国地下流体观测网是根据大震现场的监测预报需要发展起来的地震前兆观测系统，目前，我国地震地下流体前兆观测已进入了全面现代化的新阶段，“九五”、“十五”项目期间国家投入大量资金对地下流体观测技术系统进行了改造和新建，其目的是为了提高观测资料内在质量，使地下流体观测资料在我国地震预测实践中起更大的作用。水位观测也不例外，随着“九五”、“十五”的改造，模拟水位观测逐渐被数字化水位观测所取代。甘肃陇01、05、06、18井水位从20世纪80年代开始观测，2011年10月被数字化水位仪替代。通过对数字与模拟水位观测资料的对比分析，认为其动态变化特征一致，与固体潮的相关系数也基本一致，数据的相关性及内在质量良好，映震能力相当，数字化水位仪器可以取代模拟水位观测仪器(耿杰等，2001;吴敏，赵爱平，2002;解晓静，2010;杨玲英，毛先进，2011)。甘肃模拟水位虽然被数字化仪器替代，但资料还是连续的，由于这些模拟观测数据观测时间长，观测期间积累了一些非常宝贵的数据与震例，有着非常重要的价值。

甘肃处于青藏块体的东北缘，祁连山地震带和南北地震带横穿其境内，是我国大陆强震活动的主要场所之一，历史上曾发生过多次强烈地震，现今地震活动仍很频繁。该区域地震的主要特点是震源浅、强度大、危害性强、频度高。甘肃地形狭长，流体测项多，但大多数测项都集中在甘肃东部，模拟水位更是全部集中在甘肃东部，观测资料连续率高，多次在地震预测中得到应用。

甘肃模拟水位观测井有着非常好的地球物理环境，观测资料积累时间长、连续、可靠，为了更好地利用所产出的大量数据，笔者对模拟水位资料进行系统分析，总结出适合甘肃模拟水位的分析方法，对于方法的研究，主要考虑用数学方法定量提取异常，这样可以减少人为“看图识字”方法的影响，而且提取出的异常明显。

1 甘肃模拟水位测点概况

甘肃模拟水网观测是根据监测预报的需求较早成规模发展起来的地震前兆观测系统，1985年前后在甘肃地区建立了16个观测点，主要观测项为水位和流量。随着地震事业的不断发展，一些内在质量不好的观测点在清理时被停测，另外一些观测点的模拟水位仪在“九五”、“十五”期间被数字化仪器替代。观测时间较长的模拟水位观测井有陇01、05、06、18井，测点主要集中在甘肃东部(图1)，这几口井从1981年2月至1984年4月陆续开始观测。因此笔者选用1985年1月以来的模拟水位资料作为研究对象，并对各测点概况进行简要介绍。陇01井位于鄂尔多斯地台，庆阳县黄土梁峁地区。该井原为长庆油田测井公司的试验井，井深221.61 m，套管深52.70 m，观测层为52.70 m以下的白垩系砂岩，为孔隙承压水，水位埋深约38 m，降水对水位无影响。该井于1984年4月开始观测。

图1 甘肃模拟水位监测台分布图Fig.1 Distribution of analogue water level monitoring stations in Gansu Province

陇05井位于华亭马峡井，六盘山断裂带东侧。井孔处于山间狭窄河谷的一级阶地上，与河床水平距离约20 m，高出河水面约3 m。井深225.5 m。含水层为上元古界白云岩岩溶裂隙承压水层，降水对水位有影响。该井于1982年7月开始观测。

陇06井位于甘肃省静宁县，井深401 m，水位埋深8 m左右。井水为志留系砂岩裂隙承压水，上覆地层为不良透水性的第三系砂质泥岩，其厚度为33 m(唐九安等，1993)。该井于1982年10月开始观测。

陇18井位于兰州市七里河区崔家崖大滩，所处构造部位为兰州断陷谷地黄河南岸I级阶地，地层为第四系河床相沉积，井深82 m。观测含水层为45 m以下的砂砾石层，在18 m以下含砂量增高，并夹有薄层粘性土，局部呈半胶结状态，井水位埋深约12 m。地下水主要由兰州市南七道梁山区降水补给，地下水类型为局部承压水(唐九安等，1995;张新基等，2005)。该井于1981年2月开始观测。

2 地震目录的选取

考虑本区地震活动的周期性和强度起伏的特点，选取距测点700 km内的甘肃及其邻区5级以上地震作为研究对象。关于前兆资料映震能力范围，许多学者进行过研究总结，由于各测点地质结构的复杂性和地震震源机制等的不确定性，一些学者给出了前兆资料映震能力大概的定量范围，这些定量范围更多的是定性成份。因此笔者分别选取震中距小于700 km的8级地震，震中距小于500 km的7级地震，震中距小于400 km的6级地震，震中距小于300 km的5级地震。相邻两次地震时间间隔小于10个月的，只统计发生较早的地震，同一地震对不同测点的震中距是不同的，因此按测点的震中距进行筛选地震。遵循上述原则所选出的地震目录及震中距参数见表1。

3 中短期异常提取方法

甘肃模拟水位资料观测时间较长，所有观测数据都在26年以上，观测资料连续可靠、内在质量高，有些测点资料在邻近地区发生的中强地震前出现了明显的短临异常，大致表现为水位测值下降—发震—回升。但是大多数中强地震发生前水位测值都会出现趋势性变化，这种趋势性变化在有些地震前非常明显，在有些地震前不是特别突出。不管趋势性异常是否明显，如果都是用传统的“看图识字”方法来判断，这在很大程度上带来了一些不确定性，无法定量给出异常开始时间、结束时间及异常变化幅度。为此，笔者采用定量方法来提取水位资料的中短期异常。中国地震工作者在20世纪70年代就提出了长、中、短、临渐近式预报思路，认为长期异常预报时间为几年至一二十年，中期异常预报时间为一年至数年，短期异常预报时间为数月内，临震异常预报时间为几天至十几天(张国民等，2001)。

表1 1987～2011年甘肃及邻区发生的MS≥5.0地震参数Tab.1 Parameters of MS≥5.0 earthquakes from 1987 to 2011 in Gansu Province and its adjacent regions

兴悦等(2006，2011)曾利用从属函数、变差率、趋势速率方法提取了甘东南水氡资料的中期异常，得出了较为理想的结果，因此在本文中也引入该方法，通过分析比较笔者认为用水位13点滑动平均值作为数据序列计算的效果较好，其效果明显优于直接使用月均值提取异常。异常判定方法见表2。

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

4 模拟水位资料中短期异常分析

文中所选的4口井资料都出现过不同程度的人为干扰，人为干扰系指仪器故障、台站改造、无规律抽水等引起的台阶变化。在资料处理中，对人为干扰引起的台阶状变化进行校正，校正后的月均值曲线如图2所示。本文将预报时间(表3中的超前时间)在1个月至3年定义为中短期异常。异常持续时间在2年以内，可对应5.5级以下地震;异常持续3年以内，可对应5.5级以上地震;异常时间超过3年视为不对应地震;震后3个月内在有效震中距范围内出现异常视为震后效应。

图2 甘肃模拟水位月均值曲线Fig.2 Month mean values curves of analogue water level in Gansu Province

4.1 从属函数中短期异常特点

笔者用从属函数法分析1985年1月至2011年9月甘肃东部4个水位测项的观测资料，结果表明:统计时段内共出现31次异常(图3)，其中22次异常很好地对应了表1中所列的5级以上地震。发生了地震而没有出现异常就算漏报，共10次;出现了异常而没发生地震属虚报，共9次。中短期异常特征列于表3。通过对甘肃模拟水位资料的研究，得出从属函数中短期异常的特点:

(1)异常持续时间:最短为1个月，最长为24个月，平均为9.1个月。

(2)异常超前时间:最短为1个月，最长31个月，平均为12.0个月。

(3)在异常持续过程中发生地震8次，异常结束后发生地震14次。

(4)异常变幅:最小为0.51，最大为0.79，平均为0.61。

(5)异常对应率为71.0%，漏报率为31.3%，虚报率为29.0%。

图3 甘肃模拟水位从属函数异常曲线Fig.3 Abnormal curves of subordinate function of analogue water level in Gansu Province

4.2 变差率中期异常特点

笔者用变差率方法分析了1985年1月至2011年9月甘肃4个测点的模拟水位观测资料，统计结果表明:共出现29次异常(图4)，其中21次异常很好地对应了甘肃及邻区5级以上地震。漏报11次，虚报8次。中期异常特征见表4。通过对甘肃东部地下流体资料的研究，总结出甘肃模拟水位变差率中短期异常的特点:

(1)持续时间:最短为1个月，最长为43个月，平均为18.2个月。

(2)超前时间:最短为0个月，最长31个月，平均为9.3个月。

(3)在异常持续过程中发生地震15次，异常结束后发生地震6次。

(4)异常变幅:最小为0.5%，最大为62.6%，平均为13.4%。

(5)异常对应率为72.4%，漏报率为34.4%，虚报率为27.6%。

表3 甘肃模拟水位从属函数中短期异常特征统计表Tab.3 Anomaly feature statistics of subordinate function of analogue water level in middle-short term in Gansu Province

表4 甘肃模拟水位变差率中短期异常特征统计表Tab.4 Anomaly feature statistics of variation rate of analogue water level in middle-short term in Gansu Province

图4 甘肃模拟水位变差率异常曲线Fig.4 Abnormal curves of variation rate of analogue water level in Gansu Province

4.3 趋势速率中期异常特点

笔者用趋势速率方法分析了1985年1月至2011年9月甘肃4个测项的模拟水位观测资料，发现该时段内共出现24次异常(图5)，其中14次异常很好地对应了甘肃及邻区5级以上地震，漏报17次，虚报10次。中期异常特征见表5。通过对这些资料的研究，总结出甘肃模拟水位趋势速率中短期异常的特点:

(1)持续时间:最短为2个月，最长为27个月，平均为10.6个月。

(2)超前时间:最短为1个月，最长26个月，平均为11.5个月。

(3)在异常持续过程中发生地震6次，异常结束后发生地震8次。

(4)异常变幅:最小为0.53，最大为1.00，平均为0.71。

(5)对应率为58.3%，漏报率为54.8%，虚报率为41.7%。

5 异常识别方法的效能评价

20世纪70年代初，许绍燮提出了R值评分，延用至今，现已成为我国地震分析预报研究工作中使用最为广泛的一种评分法，将R值定义为

式中，c定义为有震报准率;b的原意义为空报率，

图5 甘肃模拟水位趋势速率异常曲线Fig.5 Abnormal curves of trend rate of analogue water level in Gansu Province

在此定义为预报占用时间率。故R值表示为扣除了占时率的报准率。由识别方法评分得到的R值，大于R0值，则表明该方法至少有97.5%的置信度(张国民等，2001;朱成英，高小其，2011)。

选取表1中的地震进行分析。从属函数、变差率、趋势速率异常开始到发震时间的具体计算分别见表3、表4、表5。甘肃4个模拟水位资料，从属函数时间段:1986年9月～2011年9月;变差率和趋势速率时间段:1987年1月至2011年9月，其中陇01井水位资料变化幅度较大，1990年10月20日地震前趋势速率异常开始时间不能确定，因此选用趋势速率时间段为1990年11月～2011年9月。异常识别方法效能评价参数见表6。

表5 甘肃模拟水位趋势速率中短期异常特征统计表Tab.5 Anomaly features of trend rate of water level in middle-short term in Gansu Province

从表6中可以看出3种识别方法的R＞R0，说明甘肃模拟水位从属函数、变差率、趋势速率值具有实效性。R0值从许绍燮研究的具有97.5%置信水平的R值表查出(张国民等，2001)。

6 结论与讨论

(1)用从属函数、变差率、趋势速率方法提取甘肃模拟水位资料的异常明显，对应地震效果比较理想;通过对异常识别方法的效能评价，认为甘肃模拟水位从属函数、变差率、趋势速率值具有实效性。

表6 异常识别方法效能评价参数Tab.6 Efficiency evaluation parameters of abnormal identification method

(2)趋势异常本身并不是某一个地震的“专有”前兆，而是多个地震的“共同前兆”。从成因来看，趋势异常不是来自震源的“源兆”，而是“外因性”的“场兆”(张国民等，2001;范雪芳等，2010)。这一特点决定了依据这类异常提出的发震时间的预测，只是一个“可能的发震时段”，即并不是每一次异常都对应地震。一组趋势异常变化并不只对应一个地震，而是对应一个地震的活跃时段，即趋势异常为多个强震、中强震的共同前兆。

(3)从统计结果看(表3～5)，用从属函数、变差率、趋势速率方法在异常持续过程发震的次数分别为8、15、6次，异常结束后发震的次数分别为14、6、8次。异常持续过程和异常结束后发震的总次数大致相当，分别为29次和28次。异常最大变幅的大小、异常持续时间的长短与震级的大小没有直接关系，这可能与地震的发震机理有关，地震引起的水位变化认为不仅与观测点的水文地质条件有关，也与岩石应力—应变的作用有关。

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