受到印度板块由西向东的强烈侧向挤压和对西藏地块正面推挤派生的川滇菱形块体由北向南的楔入作用,云南地区地震活动频繁而强烈(秦嘉政等,2005)。近26年的统计结果显示,云南省内平均每年约发生2～3次5级地震,每2年约发生1次6级地震,甚至一年发生多次6级以上强震,如2003年7月和10月大姚地区先后发生了6.2和6.1级地震(刘丽芳,付虹,2003; 周龙泉等,2007),2014年先后发生了盈江6.1级、鲁甸6.5级和景谷6.6级强震(李琼等,2014,2016; 付虹等,2015; 刘月,邵志刚,2016)。因此,云南地区一直是中国地震分析预报与探索实践的主体区域之一(王俊等,2016)。

在地震孕育阶段,区域构造活动增强致使应力场发生变化,断层的封闭性改变,流体活动作用增强,从而引起水化学异常(Woith et al,2013; Claesson et al,2004; 官致君,2003)。云南水化学观测始于20世纪80年代,长期的地震预测实践积累了丰富的观测资料和预报经验(赵慈平等,2003; 寸菊艳,2005)。研究人员主要从两方面研究云南水化学异常与地震的关系:一是从震例总结的角度,对单个地震事件的现象进行分析,如杨杰英(1997)分析了1995年武定6.5级地震前水化学异常,指出水化学项目的继承性异常和震后异常可以作为后继地震发生的判据; 刘耀炜等(2015)研究认为2014年鲁甸6.5级地震前水岩反应加剧和地下水混合作用增强,使地下水离子组分浓度发生变化。二是从观测资料的角度,提取前兆异常,分析异常与地震的对应关系,总结异常特征(张立,付虹,2000; 田雷等,2018)。

云南水化学观测历经近30年,这期间观测环境、观测仪器及观测方式等均发生了较大改变,如有些测点已经停测,有些测点增加了新的观测项目,有些台站增加了新的观测点等。因此,需要根据云南水化学资料的动态变化情况,不断更新、完善指标,总结异常特征,才能提高其在震情跟踪分析中的可操作性。本文以2000—2017年云南水化学观测资料为研究样本,采用在原始观测曲线上识别异常的传统分析方法,逐项梳理云南水化学观测曲线,提取异常变化,并分析单项及群体异常与M_S≥5.0地震的关系,总结个性、共性和群体性异常特征。

云南省目前共有16个水化学观测台站,其中包括3个断层带土壤气CO₂(林元武,翟盛华,1993),共有61个观测项目用于日常震情跟踪监视,表1列出了13个观测井(泉)的基本情况。这些台站分布极不均匀,主要分布在滇西北东带的保山和大理地区以及滇东北的昭通地区,滇西南的耿马和普洱地区分别有1个观测台站,而滇中、滇东及滇西北的丽江以北地区则为水化学的观测空白区(图1)。滇东北地区有5个水化学观测点,其中3个点为接触下降冷泉; 滇西北东带的水化学观测点包含3眼上升泉(2眼温泉)和6口裂隙承压水井(表1)。本文选取2000—2017年云南省内的全部水化学观测资料,并排除环境、人为、仪器等干扰因素。

2000—2017年,云南省境内共发生了51次M_S≥5.0地震。将发生在同一个月内、同一个震源区的多次地震视为一组,将51次地震划分为43组作为震例样本(图1)。进一步挑选出以每一个台站为圆心,分别发生在其半径300 km和500 km范围内的5.0～5.9级和6.0级以上地震,作为研究单项异常与地震关系的震例样本。

图1 云南水化学观测台站与2000—2017年MS≥5.0地震震中分布
Fig.1 Distribution of stations of water isotope observation and MS≥5.0 earthquakes in Yunnan from 2000 to 2017

表1 水化学观测井(泉)基本情况
Tab.1 Basic information of hydrochemical observation wells(springs)

利用在原始观测曲线上识别异常的传统分析方法,提取2000—2017年云南地区水化学单项异常,分析单项及单台群体异常的地震预测效能。根据观测台站的区域分布特征,对单项异常进行频次叠加,分区域提取综合异常,分析其与地震的关系,得出如下主要结论:

(1)目前,云南省用于日常及年中、年度震情会商的水化学观测资料有16个观测台站,共计61个测项,其中5个观测台站的27项观测资料没有对应震例,占总测项的44%; 有对应地震的测项中,88%的测项出现异常的地震对应率超过75%,其中26个测项的异常变化没有出现虚报,地震对应率为100%。云南水化学观测资料的地震预测有效占比仅为56%,观测台站的映震能力是不均一的,这反映出水化学观测台站在构造活动引起的水岩反应程度上有较大差异,且具有多种成因的特征(张炜等,1988; 鱼金子等,2000)。因此,地震异常灵敏点的选择及高质量的观测资料是获取地震前兆异常的基础条件。

(2)单项异常从出现至发生地震的时间间隔平均为116 d,短临异常约为总异常的70%,临震异常为12次,没有观测到长趋势背景异常。这种以短临异常为主的特征表明在地震孕育的短临阶段具有较强的深部热物质活动以及不同层位地下水的相互作用(刘耀炜,施锦,2000),也充分表明强构造活动是形成区域水化学地震前兆的关键因素。

(3)根据云南水化学观测台站的集中分布区域,分区提取群体异常,结果显示:当异常测项增多时,该区5级及周边6级以上地震的对应率均大于85%。滇西北东带地区的观测台站密集,群体异常最显著,滇西南和滇东北地区的观测台站相对较少,能覆盖的区域有限,群体异常与地震有一定的相关性,但仅有1～2个异常测项,异常的显著程度没有滇西北东带地区强。这表明研究区域的测项具有一定的规模和数量是提高群体异常可信度的前提。水化学测站相对密集地区的异常数量较多且地震对应率较高,进一步印证了在复杂构造条件下,有较高密度观测点的区域才能有效观测到流体活动加剧的前兆现象这一结论(刘耀炜等,2015)。因此,继续推进高质量水化学观测点的建设,包括密集式低成本断层气连续观测点的布设,是今后提高地震地球化学监测预测能力的重要基础。