临夏水位高值异常分析及预报效能检验

姜佳佳,冯建刚,2,曹玲玲,张昱,张丽琼

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

0 引 言

临夏地震台(以下简称“临夏台”)位于甘肃中部的临夏市，该区域地处大夏河Ⅰ级河漫滩阶地上，地形开阔平坦。构造上位于青藏高原东北部拉脊山东侧，拉脊山位于青藏高原腹地边缘，是青藏高原主体与黄土高原之间重要的地貌分界线，其南北两侧为拉脊山北缘断裂带和拉脊山南缘断裂带所围限[1]，地势西南高、东北低，年降水量500 mm，气候属温带半湿润、半干旱[1]。临夏水位观测井位于临夏市城乡结合部东北方向约7 km处的折桥镇的临夏地震台院内(103.26°E，35.64°N)，院内有两口观测井，相距10 m，井中架有不同型号观测仪器，其中一口井深度为200 m，另外一口井深为70.5 m，地面海拔为1 830 m。

临夏1号和2号井水位自2007年7月观测以来，500 km 范围内发生过6级以上地震4次。其中2次6级地震，1次7级地震，1次8级地震，该区域存在发生强震危险的背景。临夏1号和2号井水位自2018年1月至2019年11月与前两年同期观测资料相比略有偏高，且出现的高值与部分前兆观测资料有准同步性，所以此高值异常被认定为2018年年度异常。从多因素、多角度(地下水类型定量诊断、水化学组分与同位素分析、观测干扰因素等)科学严谨的判定临夏1号和2号水位资料的高值异常[2-6]，并通过震例分析和Molchan图表检验法[7]分析给出其预报效能，对于提高震兆异常的分析识别和判定能力、加强对地震孕育过程中地下水前兆现象的认识具有重要的意义。

1 数据来源及其处理流程

中国地震局进行“十五”数字化改造后，临夏台于2007年7月年正式开始水位观测，目前采用的资料为十五观测资料，观测资料稳定同步，有明显的年动态(图1)。本文首先通过观测干扰因素排除等对临夏1号和2号井2018～2019年的高值异常进行判定，然后采用临夏1号和2号井2010～2019年的水位数据利用多种方法进行地下水类型判定[8]，并进行水化学组分和氢氧同位素分析[9]、震例分析及Molchan图表检验法检验分析给出其预报效能。

图1 临夏水位资料变化曲线

2 异常成因及典型震例分析

2.1 观测干扰因素分析

对于2018初出现的高值异常，通过对供电、避雷及接地参数检查，气象因素、气压和固体潮、周围环境调查等分析结果如下。

(1)供电、避雷及接地参数检查。交流供电：测量市电电压为240 V(正常范围内)；避雷系统工作正常；仪器防护接地正常；接地电阻9.2 Ω·m，当地为高阻层，临夏台观测电阻率为260 Ω·m左右，接地电阻正常。

(2)气象因素分析。2010年以来临夏水位月均值与降水量月均值对比结果显示(图2)，该井水位受本区降水影响，一般情况下呈现降雨增多、水位上升，降雨减少、水位下降的现象，且从同期降雨月均值的最高点和水位月均值的最高点对比来看，存在1～3个月左右的滞后现象[10]；但是也有个别时候存在降雨显著增加，水位未上升的现象(图2)。例如，2012年降雨量显著增加，但水位并未显著上升，所以2018年以来的高值异常并非完全由降雨引起。

图2 临夏水位月值(a)与降水量月值(b)对比曲线

(3)气压和固体潮。通过卷积回归法去除气压和固体潮影响后[11-12]，数据形态与原始数据形态基本一致(图3)，说明2018年临夏水位出现的高值异常不是气压和固体潮因素引起的。

图3 原始曲线(a)和去除气压和固体潮影响的临夏水位曲线(b)

(4)周围环境调查分析。临夏台位于临夏市城乡结合部东北方向约7 km处的折桥镇。观测井在台站院内，经调查2017年院外的公路进行重新打地基重新铺油，而2018年以来台站周围观测环境没有发现明显的变化，也没有进行大型建设项目。因此认为台站周围观测环境无干扰。另外，在此高值异常持续22个月后，距离其79 km处发生了2019年10月28日夏河5.7级地震，震后资料恢复正常。分析认为2018～2019年临夏水位的高值异常为流体前兆异常。

2.2 前兆资料准同步性变化

临夏水位在2018年初至2019年11月出现高值异常期间，其临近的武都两水水位、武山22号井水氡在2017年底和2016年底出现了同步低值和转折变化；玛曲地电阻率和自然电位在2018年也出现了同步的破年变异常。

2.2.1 武都两水水位

观测资料2017年底以来测值偏低，2019年之后基本恢复(图4)，目前年变形态正常，高值完全恢复，对应夏河5.7级地震。

图4 两水水位日均值曲线

2.2.2 武山22号井水氡

武山22号井水氡距离夏河5.7级震中221 km。2016年8月开始，水氡月均值加速下降，在下降过程中发生了2017年8月8日的九寨沟7.0级地震，但震后趋势下降并没有改变。2019年2月测值出现转平变化，转平8个月后发生了夏河5.7级地震。纵观1995年以来的曲线(图5)，这种大的转折变化在汶川8.0级地震和岷县漳县6.6级地震前都出现过。汶川地震发生在第一次转折后的19个月，岷县漳县地震发生在第一次转折后的17个月，从震级与转折后的持续时间来判断，2019年2月以来的转折变化完全对应了夏河5.7级地震。

图5 武山22号井水氡月均值曲线

2.2.3 玛曲台地电阻率

2019年玛曲台受雷电、漏电、降雨、仪器故障等多种因素影响，数据资料波动较大，且受2018年10月北京相关单位对数据挪动入库影响后，数据出现的年变形态相反的破年变趋势(图6)。2019年10月28日发生了夏河5.7级地震，震中距离该台140 km。

图6 玛曲地电阻率日均值

2.2.4 玛曲台自然电位

玛曲台自然电位西北道，2018年出现高值的破年变形态异常，2018年9月进行了异常核实工作，确定为2019年度新增异常。2019年高值异常仍在持续，变幅较高于2018年。

图7 玛曲自然电位日均值

2.3 地下水类型定量诊断

选取临夏井的数字化水位和气压整点值数据，利用两种方法对该井的地下水类型进行了判定。首先利用井水位对气压的阶跃响应函数进行地下水类型的定量诊断[1]，结果显示临夏井为承压井(图8)。其次，通过频谱分析和各潮汐波分量的预期响应诊断和判别临夏井地下水类型，结果显示：M2 波有，且显著；S2波有，且显著；O1波有，K1波有，N2波有，该井为承压井(图9、表1)。所以，临夏井地下水类型为承压水，对应力变化会有较好响应，观测质量和可信度较高。

图8 利用阶跃响应函数法判定临夏井地下水类型

图9 利用潮汐波分量的预期响应判定临夏井1号井(a)和2号井(b)地下水类型

表1 利用潮汐波分量的预期响应对临夏井1号井和2号井判定结果

2.4 水化学组分和同位素分析

图10 临夏井1号井(a)和2号井(b)水化学组分分析结果

图11 临夏井1号和2号井氢氧同位素分析结果

2.5 临夏水位震例分析

临夏水位自2007年7月观测以来，500 km 范围内发生6级以上地震共4次。分别为2013年7月22日岷县漳县6.6级地震，震中距为128 km；2016年1月21日青海门源6.4级地震，震中距为270 km；2017年8月8日四川九寨沟7.0级地震，震中距为265 km；2008年5月12日汶川8.0级地震，震中距为500 km。其中3次地震前观测资料均比较稳定，地震前后无明显变化，只有2013年岷县漳县6.6级地震前，即2013年3月底至4月初出现低值异常。另外，2019年10月28日夏河5.7级地震前(震中距为79 km)，临夏水位2018年初出现高值异常，震后异常恢复。通过研究分析，2018年以来的高值异常非干扰因素引起，为夏河5.7级地震前兆异常。因此，自2007年观测以来，临夏水位异常对应震例有两次(表2)，分别为2013年岷县漳县6.6级地震前低值异常和2019年夏河5.7级地震前的高值异常，结果反映200 km范围内映震效果明显，以低值和高值异常为主。

表2 临夏水位震例分析结果

3 Molchan图表法

Molchan图表法能够客观、科学地进行地震预测评估，目前已被广泛地应用于确定性和概率性预测的统计检验和效能评估中，而且在国际地震可预测性研究计划中已列为常规使用。临夏水位自2007年观测以来，异常对应震例有两次，分别为2013年岷县漳县6.6级地震前低值异常和2019年夏河5.7级地震前的高值异常。采用Molchan图表检验法计算结果显示30天左右的预报效能基本在0.3左右，均低于0.5，且概率增益仅为1；300天左右的预报效能可达到0.5左右，预报效能最高的为120天，可达到0.65，概率增益大于3(图12a)。因此，检验结果显示，临夏井的优势对应地震时间段为4个月左右，4～6个月的中短期的预报效能最佳。

从图12b图检验结果，可以看出在120天圆圈所示位置，300 km范围内，3个实际发生的地震中，报准2个地震，漏报1个地震，报准率高于漏报率。且该点的概率增益(Gain)更靠近最大Gain等值线，预测效果较好，时间占有率较低，说明同样情况下，该点的显著性水平α更接近最小α等值线，置信水平较高，也显示出较好的预测效果。所以，临夏水位的优势对应地震时间段为4个月左右的中短期。

图12 Molchan图表检验法计算结果

4 结 论

(1)临夏水位2018～2019年的高值异常是夏河5.7级地震的前兆异常。

(2)临夏井地下水类型为承压水，观测质量和可信度较高；临夏井地下水处于未成熟水状态，水岩反应未达到平衡，水循环较快；氢氧同位素分析结果显示其地下水来源于大气降水。

(3)临夏水位典型震例分析结果显示200 km范围内映震效果明显，以低值和高值异常为主；Molchan图表检验结果表明其优势对应地震时间段为4个月左右，4～6个月的中短期的预报效能最佳，且其异常特征主要表现为低值或者高值异常。