大量研究表明,影响前兆观测资料的因素很多,其质量的优劣不仅取决于观测点的地质条件和周围环境,也受观测仪器稳定性、观测人员的技术和责任心等多方面因素影响。

笔者对滇西前兆台网所有前兆资料全面分析后发现,滇西地区各手段、各测点观测资料质量存在差异性,大致可以分为以下三类:

A类:该类资料有两种变化形态。(1)数据变化比较稳定,相邻数据差异很小;(2)数据变化有比较规则的周期,相邻数据变化差异较小。各类前兆手段资料中均有类似变化。

B类:该类资料变化形态与A类相似,但数据起伏波动相对较大,异常信度比A类低。

C类:该类资料质量比A、B两类差,数据起伏波动大,规律性差,异常信度不高,预报能力低。

滇西地区的模拟前兆观测始于1974年,观测台网建设主要是在上世纪80年代中期、90年代初期和末期三个阶段。由图2a可以看到,到1990年滇西地区前兆测项已超过100台项,随后逐渐增多,最多时达154台项。2003年以后,因为仪器老化、数字化建设和环境破坏等原因,部分模拟前兆手段逐渐停测,目前模拟前兆台项已减至129项。

图2b为现有各测项的台项数在同类前兆测项中所占的比例分布。同类前兆相比,A类测项中比例最高的为形变,其次为水位,分别为47.6%、26.2%; B类测项中比例最高的为形变,占38.3%,其次为水质,占25.5%; C类测项中水质所占的比例最高,为55.5%,其次为形变,占22.5%。水温、水氡、地磁、地电在各类测项中所占的比例均相对偏低。

T:形变; S:水位; W:水温;

R:水氡; C:水质; E:磁电

分类评估的结果是A、B两类资料占了所有前兆资料的大部分,约超过2/3,那么这些资料对滇西地区M≥5.0地震的应震效能究竟如何?

滇西地区前兆测项中,可检测到滇西地区M≥5.0地震前兆信息的测项共有80个左右(部分同一观测点的同类测项可联合预报,归为一项,如保山水质、丽江形变等)。由图3可见,这些测项大部分为A、B两类,C类较少,比例分别为41.9%、50%、8.1%,B类前兆所占比例相对偏高。

上述前兆资料的分类研究带有一定程度的主观性,为了克服这个缺点,笔者从前兆资料检测地震前兆信息效能入手,通过采用我国地震攻关研究中提出的多种前兆异常提取方法,如平滑滤波、差分分析、多项式曲线拟合、傅立叶周期分析、距平分析等,对滇西地区前兆资料进行处理,消除趋势、周期、高频噪声干扰,提取有效异常信息指标,再根据各资料异常指标对地震的应震效能,按A、B、C三个档次判定其资料的优劣。

A类:前兆异常对应率为80～100%;

B类:前兆异常对应率为50～79%;

C类:前兆异常对应率≤49%。

按以上分类规则,对滇西地区所有前兆测项进行全面统计分析,得到A、B、C类前兆的比例分别为43.6%、42.3%、14.1%(图4)。

同类前兆相比(图5,T、S、W、R、C、E的含义同图2b),A类测项中,形变、水位台项所占比例较高,分别为32.4%、29.4%; B类测项中,水质、水氡台项所占比例较高,分别为27.3%、24.2%; C类测项中,地磁、地电台项比例最高,为45.5%,其次是水质和水氡,分别为27.3%、18.2%。由此可见,形变、水位两测项检测地震信息能力最强,水氡次之,磁电较差(虚报率较高)。

前兆定量分类分析结果显示,各类前兆的分布与定性分类结果基本一致。

深入分析研究滇西地区各类前兆与地震强度之间的关系发现:A类前兆对应M≥5.0、M≥6.0地震的台项比例分别为38.7%、61.3%; B类前兆对应M≥5.0、M≥6.0地震的台项比例分别为67.6%、32.4%; C类前兆对应M≥5.0、M≥6.0地震的台项比例分别为33.3%、66.7%(图6)。由此可见,A类前兆强震信息比较强; B类前兆强震信息比较弱; C类前兆能检测地震前兆信息的测项较少,但在M≥6.0地震前其异常的几率比M≥5.0地震前高。

由此可见,前兆资料质量的优劣对准确预测地震强度大小有明显的影响。

图7为上述10个震例的前兆异常台项分布图。从图中可看出,地震强度越大,前兆异常台项数越高。根据10个震例的前兆异常台项统计结果:5级与6级的分界为12项,M≥6.0地震的前兆异常台项高于12项,其中丽江7.0级地震的前兆异常台项最多,为32项。此外,1994年缅甸6.7级地震的异常台项较其它6.0级以上地震的少,客观而言,该地震发生于境外,资料不完善,因此异常特征不能与其它6级以上地震相比。

地震孕育是一个漫长的过程,在孕育早期地壳应力较弱不易出现前兆,当进入非弹性变形阶段才会显示出一些与应力、应变及微破裂发展有关的异常现象。随着应力的增加,非弹性变形会进一步发展,出现加速变化,达到峰值应力以后,进入软化阶段,应力下降,变形继续发展,在一定条件下发生突变,大量释放积累的应变能而发生地震。在此过程中,震中周围前兆观测资料也会相继出现不同类型、不同形态的异常变化。

笔者按前兆异常发展持续时间的长度,将地震前兆分为长期、中期、中短期、短期和短临异常共5个级别。

若视T为前兆异常持续时间,对滇西地区各类异常做以下约定:

短临:T≤1个月;

短期:1个月<T≤3个月;

中短期:3个月<T≤1年;

中期:1年<T≤3年;

长期:T≥3年。

将10次震例的前兆异常按异常持续时间划分异常类别,各类异常的台项分布见图8。图中纵轴表示前兆异常台项数,横轴按地震震级由小到大依次排列10个地震,以5种不同颜色的直方图代表5个异常类别。

由图可见,地震强度越大,前兆异常持续时间长的测项就越多。其中,5级和M≥6.0地震的短期异常台项以7台项作为划分指标,当短期异常台项数大于等于7时,确定其为M≥6.0地震的短期异常台项数,当短期异常台项数小于7时,确定其为5级地震的异常台项数。总的看来,5.0～5.9级地震前兆异常类别以短临、短期、中短期为主,中期和长期异常很少; 6.0～6.9级地震前兆异常类别以短期、中短期为主,7级地震前兆异常类别主要为中短期、中期与长期,其中中期异常台项数最高。

以上研究表明,不同强度地震的各级别前兆异常差异较大,但这种差异性对地震强度的预测是很有意义的,其中,前兆短临异常对发震时间的预报起着非常重要的作用。

笔者全面清理研究了10次滇西5.0级以上地震前1个月内,滇西地区出现的前兆短临异常,并按前兆观测项目进行了分类统计,结果列入表2。

由表2可以看到:(1)滇西地区5.0级以上地震前1个月内,该地区均有短临前兆异常出现,10次地震有5次短临前兆异常大于等于5项,比例为50%,最高达8项;(2)从前兆异常的项目统计分析得出,滇西地区5.0级以上地震的短临前兆异常出现频率最高的项目分别是地磁地电、水质,概括率为60%,这两个项目也是异常台项数最多的,最高可达5个台项。此外,水温、形变、水氡、水位等震前有短临异常的项目概括率分别为50%、40%、20%、10%。其中,水位在震前1个月出现异常的概率较低。显然,地震短临阶段,观测质量为C类的地磁地电、水质的异常显示度较大,其次为水温,而观测质量比较好的A类项目的水位,在地震短临阶段的异常显示度则较低,很难发挥作用。

由此认为,在地震预报分析过程中,我们不仅要分析前兆异常的异常信度,也要研究异常项目、异常级别的配套性和协调性。首先我们要分析观测质量较好的趋势性异常台项(这类异常往往信度较高),当其达到一定地震强度的异常指标后,特别是在趋势结束或出现转折时,我们就要重点关注短临异常尤其是观测质量为C类的地磁地电、水质的异常变化及水温测项的异常等,这些短临异常可能是短临震兆,可作为地震短临预测预报的重要依据。