基于中国震例统计的华北、东北地区地下流体前兆异常特征分析

杨振鹏，王松阳，赵 倩，付 聪

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

中国地震预测预报实践自1966 年邢台大地震开始，已走过50 多年的历程，取得了显著的成绩。已经出版的《中国震例》系列丛书对1970 年以来中国大陆范围内发生的中强震进行了总结，如张肇诚等[1-5]对震例和前兆的基本情况进行介绍，对中国大陆地震前兆的几条基本的综合特征进行总结。顾瑾萍等[6]基于《中国震例》统计了中国大陆80 多个震例（1987—1999 年）的前兆异常项数量，对强震前流体、形变和电磁三大观测类别的前兆异常项的时空变化属性和综合特征进行研究。在此基础上综合判定指标并用概率增益的方法对中国大陆强震预测开展了一定的应用研究。郑兆芘[7]等以中国大陆地震震例（1986—1999 年）为基础，统计与分析中国大陆及其不同分区的测震和前兆异常。蒋海昆等[8]依据《中国震例》（1966—1999 年）收录的185 次震例的2500 多条地震活动及前兆异常资料，对各学科平均异常数量、空间分布范围、异常时间等统计特征及其与主震震级的关系进行研究。如曲线形态分析异常与震中的关系异常信息的时空演化等。类似对具有共性特点的典型短期前兆异常特征提取，并对其进行量化，是研究分析地下流体短期前兆机理的基础工作。

本文主要基于《中国震例》记录的1967 年以来的历史震例及东北华北地区相关文献资料[9-10]，把华北和东北地区中强震放在一起研究，找出地下流体前兆异常特征。1967—2013年华北、东北地区（包括黑、吉、辽、内蒙、山西、河北、山东、北京、天津等）共发生3次7 级以上地震、9 次6～6.9 级地震、25 次5～5.9 级地震、4 次4.5～4.9 级地震。震例较多，资料丰富，地下流体前兆异常特征明显，统计地下流体前兆异常信息，并按异常测项数量、变化特征和频次，包括异常持续时间和震中距等进行统计。进而分析其统计结果得到更具普遍性的地下流体前兆信息，以期对地震预报实践工作提供参考。

1 华北、东北地区地震震例样本

基于已出版的《中国震例》，时间选取从1967 年至2012 年，范围选取华北、东北地区。因为2013 年灯塔5.1 级地震和科尔沁左翼后旗5.3 级地震时间较近，也作为研究样本。这里还要说明一下，东北、华北地区4 级地震较多，但写入中国震例的较少，所以4 级地震统计会有一些出入。详细情况如表1 所示。

表1 1967 年至2013 年华北、东北地区Ms≥4 级地震研究样本

2 震前异常测项与数量特征

从上述1967—2013 年华北、东北地区发生中强以上地震异常统计结果可见，震前地下流体出现很多异常，包含水位、水温、水（气）氡、水（气）汞及其他（化学离子、气体、同位素、宏观）类地下流体异常，共计187 项，统计如表2 所示。其中水位异常74 项（占总数40%）；水氡异常68 项（占总数36%）；水温异常7 项（占总数4%），离子异常7 项（占总数4%），水汞异常12 项（占总数6%），CO2异常10 项（占总数5%），其他异常9 项（占总数5%）。统计结果显示水位、水氡测项占比突出。由此可以看出1967—2013 年期间发生在华北、东北地区的中强以上地震，震前异常测项中水位和水氡震前映震效果明显（图1）。

表2 不同震级异常测项数

图1 华北、东北地区震前地下流体异常测项数量统计Fig.1 Statistics on the number of anomalies of underground fluids before earthquake in North and Northeast China

3 震前异常形态变化特征

地下流体水物理量、水化学参量的前兆异常是指在强震前观测值出现的非正常变化。基于1967—2013 年华北、东北地区4 级以上地震，按震前形态异常变化特征进行统计，发震前异常特征主要包括周期性变化（打破正常年变规律）、阈值类变化（高低值、突跳等）及趋势类（上升、下降）变化等。统计如表3 所示，其中上升发震形态84 个（占总数41%），下降发震47 个（占总数23%），突跳异常30 个（占总数14%），恢复发震10 个（占总数5%），其他36 个（包括突变、幅度增大、高值脉冲等）（占总数17%）。结果显示上升和下降趋势类异常特征占比较高。由此可以看出1967—2013 年期间发生在华北、东北地区的4 级以上地震，震前形态异常变化特征上升趋势类异常最多，几乎占到了一半比重，其次是下降趋势类异常特征较多，如图2 所示。

表3 不同震级异常形态统计

图2 华北、东北地区震前地下流体异常特征统计Fig.2 Statistics on the abnormal characteristics of underground fluids before earthquake in North and Northeast China

4 不同震级地下流体异常频次特征

按照不同震级，对异常频次进行统计。统计结果如图3 所示，7 级地震地下流体前兆异常测项主要包括水氡异常（频次占总数59%），水位异常（频次占总数21%），离子异常（频次占总数12%），其他异常（CO2、地温、水汞）（频次占总数8%）；6 级地震地下流体前兆异常测项主要包括水氡异常（频次占总数18%），水位异常（频次占总数48%），水温异常（频次占总数5%），水汞异常（频次占总数12%），CO2异常（频次占总数6.6%），氢气异常（频次占总数5%），其他异常（地温、离子）（频次占总数4.9%）；5 级地震地下流体前兆异常测项主要包括水氡异常（频次占总数40%），水位异常（频次占总数44%），离子异常（频次占总数2.2%），水温异常（频次占总数3.6%），水汞异常（频次占总数6.3%），CO2异常（频次占总数3.6%），断层气异常（频次占总数1.6%）；4 级地震地下流体前兆异常测项主要包括水氡异常（频次占总数23%），水位异常（频次占总数53%），水温异常（频次占总数12%），气氡异常（频次占总数6%），水汞异常（频次占总数6%）；4 级地震这里说明一下，东北、华北地区4 级地震较多，但写入中国震例的较少，所以统计结果的代表性较差。从地震前兆异常测项上述频次看，水氡、水位异常测项占比较高，其次是水温测项。由此可以看出1967—2013 年期间发生在华北、东北地区的中强以上地震，地下流体异常频次水氡、水位测项占比较高。

图3 华北、东北地区中强震前异常频次统计Fig.3 Statistics of anomalies before strong earthquakes in North China and Northeast China

5 不同震级持续时间和震中距特征

地震预报的时间分段有不同的分法，我国学者多采用长、中、短、临的四分法。每个分段有一个特定的时间域，如长期阶段为几年到十几年；中期为一至几年；短期为一至数月；临震为几天至十几天。震中距范围一般随着震级加大，范围相应扩大。

本次《中国震例》1967—2013 年华北、东北地区中强以上地震统计中，不同震级统计呈如下特征（表2）。7 级地震发生前地下流体异常测项出现范围0 至324 km，震中距最小0 km，为河北唐山7.8 级地震前唐山水厂氯离子上升；震中距最大324 km，为渤海7.4 级地震前北京小汤山、沙河一带水氡升降异常。平均震中距136 km。异常测项持续时间横跨短临到长期，持续时间范围从震前3 小时至2555 天，最短的为海城7.3 级地震发震前盘锦水氡3 小时的突跳；最长的为海城7.3 级地震发震前2555 天鞍钢厂观测CO2浓度波形振幅变大。平均持续时间477 天。6 级地震异常测项出现范围0 至300 km，震中距最小0 km，为内蒙古五原6.0级地震前五原地区水位升降异常；震中距最大300 km，为山西大同—阳高6.1 级地震前武清县河西务水位下降。平均震中距160 km。异常测项持续时间横跨短临到长期，持续时间范围震前1 天至870 天，最短的为包头西6.4 级地震发震巴盟临河探井水汞突降，最长的为河北省张北县6.2 级地震震前870 天内蒙兴和水位趋势上升。平均持续时间131 天。5 级地震异常测项出现范围10 至380km，震中距最小10km，为宁河5.5 级地震双桥水位正异常；震中距最大380 km，为山东省菏泽5.9 级地震震前东营鲁08 井水位突降转回升。平均震中距112 km。异常测项持续时间横跨短临到长期，持续时间范围震前1 天至1005 天，最短的为山西省忻州5.1 级地震发震前太原谷旦井水位突降，最长的山西省忻州5.1 级地震震前1005 天定襄水氡高值异常。平均持续时间74 天。4 级地震异常测项震中距出现范围3 至203 km，震中距最小3 km，为河北省唐山4.8 级地震马家沟矿马01井水位突升异常；震中距最大203 km，为山西省河津4.8 级地震震前泾阳水位高频突跳。平均震中距75 km。异常测项持续时间横跨短临到长期，持续时间范围震前4 天至1615 天，最短的为山西省河津4.8 级地震发震前泾阳水位高频突跳；最长的为河北省唐山4.8 级地震震前1615 天昌黎井水氡幅度增大，平均持续时间119 天。

表4 不同震级异常测项震中距和出现时间统计

从表4 可以看出，1967—2013 年期间发生在华北、东北地区的4 级以上地震统计的地下流体异常测项，从震中距看，5 级到7 级地震震中距范围300 km 以上，平均震中距136 km，4 级地震震中距范围200 km 以上，平均震中距75 km；从异常出现时间来看，均有长、中、短临异常出现，7 级地震持续时间最长2555 天，平均发震天数477 天，表明震级越大，异常出现时间越早，能量积累时间越长；6 级地震持续时间最长870 天，平均发震天数131 天；5级地震持续时间最长1005 天，平均发震天数74 天；4 级地震持续时间最长1615 天，平均发震天数119 天。由统计结果看出，4 级到7 级地震震中距范围不是成正比例的，但5 级以上地震震中距是300 到400 km 范围内，4 级地震是200 km 范围内；7 级地震震中距最大，4 级地震震中距最小；从异常出现时间来看，4 级到7 级地震异常出现天数范围也不是成正比例的，但是7 级地震异常出现天数范围最大，4级地震异常出现天数范围其次，6 级地震异常出现天数范围最小。这里还是说明一下，东北、华北地区4 级地震较多，但写入中国震例的较少，所以统计结果的代表性较差。

6 结论

本文中基于对《中国震例》中流体异常震例的进行统计分析，得到以下几点认识：

（1）基于震例统计的187 个流体异常中水位和水氡异常数量是流体前兆异常中占比最多的测项；具有时间、空间上的协调性（同步性、加速性、分异性、阶段性等）特征。

（2）从统计频次来看，7 级地震前涉及地下流体异常测项主要有水氡、水位、离子、CO2等；6 级地震前涉及地下流体异常测项水氡、水位、水温、水汞等；5 级地震前涉及地下流体异常测项水氡、水位、水汞、CO2等；4 级地震前涉及地下流体异常测项水氡、水位、水温、气氡等，从异常测项频次看地震前流体观测项目中均以水氡、水位异常为主，其次是水温异常。

（3）地震地下流体前兆异常可归类为上升、下降、突跳、破年变等四种典型的异常形态。其中，上升异常所占比例最大，其次是下降异常，恢复发震异常所占比例最小。

（4）从不同震级震中距特征中看，4 级到7级地震震中距范围不是成正比例的，但5 级以上地震均震中距范围是300 到400 km，4 级地震是200 km 范围内；7 级地震震中距最大，4级地震震中距最小；从异常出现时间来看，4级到7 级地震异常出现天数范围也不是成正比例的，但是7 级地震异常出现天数范围最大，4级地震异常出现天数范围其次，6 级地震异常出现天数范围最小。可以得出，7 级地震震中距最大和异常持续时间最长，其他震级地震震中距和异常持续时间不成比例。