本文研究区为川滇地区和青海地区,受印度洋板块和欧亚板块挤压作用,研究区内构造发育、地震频发,2012—2021年该研究区共发生了M_S≥4.0地震795次。为探究研究区内监测井水位对地震的预测效能,本文参照晏锐等(2018)、钟俊(2021)等研究以及《云南省地震监测志》(云南省地震局,2005),共选取了14口流体监测井,其中10口监测井存在数据缺失严重或距离研究区过远问题,最终选取四川德阳井、云南剑川井、青海佐署井、青海门源井为研究对象,这4口井观测数据连续性好、前兆异常明显。如德阳井水位在2008年汶川8.0级地震前一年就出现趋势下降后无变化(晏锐等,2009); 佐署井和门源井在2021年玛多7.4级地震前均有水位异常现象(王永刚等,2021); 据《云南省地震监测志》(云南省地震局,2005)记载,剑川井水位上升、下降速率加快周围可能出现M_S≥5.0地震,在2021年漾濞6.4级地震前剑川井出现水温异常变化(付虹等,2021)。

自2008年汶川8.0级地震后,中国大陆第一次7.0级以上地震为2013年芦山地震7.0级地震,因此,选取2012年以后上述4口监测井的水位数据进行研究,其中剑川井和佐署井只获取2017年以后的数据,门源井建井时间较晚,只选取该井2018年以后的水位数据。

中强地震引起的流体异常主要集中在震中距300 km内。为获取更多地震样本,探究4口监测井的优势预测地震范围,按照震级与震中距一般

图1 研究区构造背景及监测井与地震分布图(构造分布参照邓起东等,2002,张培震等,2003)
Fig.1 Tectonic settings,monitoring wells,and historical eartquakes in the study area (according to Deng et al,2002,Zhang et al,2003)

对应关系,选取震中距小于250 km的M_S5.0～5.9地震、震中距小于300 km的M_S6.0～6.9地震,震中距小于500 km的M_S≥7.0地震来作为地震样本。地震目录下载自中国地震台网中心 http://www.ceic.ac.cn/history.,震源机制解的断层参数数据来源于CMT https://www.globalcmt.org.。

最终本文选取2012—2022年德阳井区域范围内地震10次、2017—2022年剑川井区域范围内地震5次、2017—2022年佐署井区域范围内地震5次、2018—2022年门源井区域范围内地震3次,其中M_S5.0～5.9地震13次,M_S6.0～6.9地震4次,M_S≥7.0地震3次,共计20次地震(表1),地震分布如图1所示。

表1 本文研究选取地震信息
Tab.1 Parameters of the selected historical earthquakes

4口监测井都分布于断裂带附近(图1),其水位在地震前响应较为灵敏。其中德阳井位于川桂湘赣块体,地处龙泉山构造带东北端的白马关背斜西北侧,观测含水层为砂岩,为静水位观测,该井井深3 072 m,基本不受降水、气压、抽水等因素干扰(四川省地震局,2004)。剑川井(滇6井)位于剑川盆地西缘、中甸—剑川断裂带南段,为静水位观测,井深100 m,无固体潮响应现象(云南省地震局,2005)。佐署井位于日月山断裂和拉脊山断裂交会区域,其北侧为达坂山构造带,西侧为日月山构造带,南侧为拉脊山构造带,该点处在拉脊山构造带的北缘,区内断裂较为发育,水井岩性为砂岩,为动水位观测,井深107 m(青海省地震局,2005)。门源井地处祁连山褶皱构造带内,该构造带是青藏高原的重要活动构造带,该井为静水位观测,井深105 m(汪发耀等,2020)。4口监测井孔周边岩性如图2所示。

对4口井水位数据去趋势预处理后,其水位动态曲线变化和典型异常水位局部放大曲线如图3所示。从图可知,除剑川井外,其它3口井的水位动态曲线背景值均无年变; 德阳井水位整体呈下降趋势,剑川井有年变趋势,佐署井和门源井水位整体趋势变化不大。从图3中可见,地震前4口监测井水位在正常背景下都存在一定的异常变化,并且异常变化形态并不相同,异常时间多在180 d内。其中德阳井在2021年泸县6.0级地震(编号18)前180 d左右出现明显的水位下降; 剑川井在2021年漾濞6.4级地震(编号15)前150 d左右水位出现了大幅度的上升; 佐署井在2021年玛多7.4级地震(编号17)和2022年门源6.9级地震(编号20)前都发生水位异常下降; 门源井在2021年玛多7.4级地震(编号17)前140 d左右发生水位上升。对图3中水位存在的异常形态和异常发生时刻进行统计发现,德阳井在10年内有5次异常,异常形态为水位下降、变化后恢复、上升、趋势下降; 剑川井5年间有2次异常,异常形态为水位上升、下降速率变化,佐署井5年间3次异常,异常形态为水位变化后恢复和下降,门源井4年间出现3次异常,异常形态为下降后恢复、上升(表2)。当水位存在表2所述异常形态时,在180 d内有较大可能会发生中强地震。2019年9—11月门源井水位发生巨幅异常变化,钟骏等(2021)认为该异常为2021年5月玛多7.4级地震的前兆异常,但是由于该异常和玛多地震相隔时间过长,所以本文认定为虚报。从图3还可以看出,大部分水位异常较为明显,但有些趋势性异常被背景动态掩盖并不突出,难以直观看出,因此,需要对水位数据进行处理,以突出不易发现的异常和排除其他因素影响,从而方便准确判别地震引起的异常。

图2 4口监测井井孔柱状图
Fig.2 Histogram of the 4 monitoring wells

表2 4口监测井水位异常信息
Tab.2 Abnormities of the water level of the 4 monitoring wells

图3 德阳井(a)、剑川井(b)、佐署井(c)、门源井(d)水位时间序列观测曲线(图中箭头所指为震前水位异常处)及典型异常水位局部放大曲线
Fig.3 Time-series curves of the water level in Deyang Well(a),Jianchuan Well(b),Zaoshu Well(c)and Menyuan Well(d)and the enlarged parts of the local cures

差分法是一种适用于排除观测数据中的趋势性上升、下降和在短时期内水位有反复升降变化和长周期干扰的线性滤波,主要适用于中期和短临异常判别,中期和短期异常判别适合采用数据类型为日均值(孙其政等,1997)。一阶差分表达式为:

Δy_i=y_i-y_i-1(1)

使用差分法对4口井的原始水位观测数据进行处理的结果取绝对值后如图4所示,图中红虚线为异常阈值,箭头所指为震前水位差分处理后预测期在180 d内异常。从图中可以看出,差分法处理后,德阳井共出现6次震前高值异常,其中有3次高值异常与原始水位异常对应地震是相同的; 剑川井出现2次震前高值异常,佐署井、门源井出现3次震前异常高值,且与原始水位异常对应地震相同。通过分析发现,只有德阳井部分原始水位异常会被水位动态背景所掩盖,其它3口监测井原始水位异常都比较清晰,可直接观测。差分法处理结果中,有些原始水位数据存在的水位异常并没有出现,原始水位的异常是否为干扰,能否作为判别地震异常的依据还存在一定疑问。

地震的加卸载响应比原理是将孕震区作为非线性系统,设法对其输入的某些信号进行连续观

测,该系统在临近失稳时会对输入信号作出各种响应(兰双双,迟宝明,2012)。故该方法可用来研究地球表面观测点周围系统由荷载稳态向失稳演化的过程,固体潮的变化可视为对孕震系统输入的一种周期不断变化的引潮力,不断对地球进行加载与卸载(万永芳,刘特培,2004)。可见,固体潮应力引起了岩石的固体潮应变,导致含水层孔隙压力发生变化,从而导致深层地下水位发生相应的变化,所以距震源区较近的承压井水位有可能反映震前岩体系统失稳的变化(黄春玲等,2013; 马震,2020),进而捕捉到地震前兆异常信息。

地下水位固体潮观测对理论固体潮加卸载的响应可由类似于Nakai拟合模型获得(徐桂明等,2002):

式中:Y(t)为地下水固体潮的实际观测值,即为系统输出; R(t_i)和((dR)/(dt))t_i分别是t_i时刻的体应变固体潮理论值及时间的一阶微商,可通过固体潮理论值准确计算得到; A为拟合潮汐因子(即振幅因子); Δt为时间滞后,是潮汐响应项; K₀、K₁、K₂分别为拟合多项式的各阶系数,是非潮汐的响应项。实际的计算分析中,可选取N=24,48,60,…,120,…(一天为一组),用最小二乘法求解式(2),计算地下水位的加卸载比。

图4 德阳井(a)、剑川井(b)、佐署井(c)、门源井(d)水位数据的差分法处理结果
Fig.4 Results from the difference method applied to the water level data of Deyang Well(a),Jianchuan Well(b),Zuoshu Well(c),and Menyuan Well(d)

本文使用固体潮加卸载比处理4口井水位原始数据并取绝对值,如图5所示,图中红色虚线为异常阈值,箭头所指为震前水位加卸载比法处理后预测期在180 d内的异常。从图可见,固体潮加卸载比法处理后,德阳井共出现震前高值异常6次,可识别的异常有3次,与原始水位异常对应地震相同,其中3次异常与差分法处理结果对应地震相同; 佐署井共出现4次震前高值异常,其中3次与原始水位异常对应地震相同; 门源井共出现3次震前高值异常,与原始水位异常的对应地震相同,但预测期变短。由于剑川井无固体潮响应,本文不对其进行处理。本文将4口监测井的原始水位异常与使用固体潮加卸载比法和差分法处理结果进行对比,发现震前水位高值异常所对应的地震相同情况较多。

图5 德阳井(a)、 佐署井(b)、门源井(c)水位数据的固体潮加卸载比处理结果
Fig.5 Results fromthe earth tide,load-unload response ratio method applied to the water level data of Deyang Well(a),Zuoshu Well(b),and Menyuan well(c)

根据4口监测井所属地震台的水位异常核实报告,德阳井水位观测系统分别于2014年7月和2017年3月发生过故障,导致数据缺失,所以德阳井原始水位在编号2、3、6地震(表1)前出现的异常并不可取,而使用差分法和固体潮加卸载比法处理后的数据对于缺数异常都各自仅表现出一、两次异常,次数少,并且各不重合; 剑川井水位在编号15地震前1个月内发生大幅度突降,经排查为周围井的抽水异常干扰,差分法处理后水位异常也并不明显; 佐署井和门源井水位异常并未受到其周围环境的干扰。综上可得,两种方法对水位干扰异常有一定抑制作用,并且可以突出震前部分不明显异常,但从处理后的水位数据依旧能够观测到较为清晰的同震异常,说明这两种方法对于同震异常的排除并不理想。

Molchan图表法主要是针对预测值与目标地震差异度的检验(Molchan,1990),该方法能够直观反映观测资料的整体预测效能和定量分析异常。该方法主要使用的变量有:漏报率v,该变量可预测无震而实际发震的数量与研究时间段内所收集地震数量的比值; 异常的时空占有率τ,该变量为不同阈值提取的地震异常的时空范围与研究总的时空范围的比值(孙小龙等,2018),水位资料仅需要考虑τ。

该方法主要通过不断降低数据的预测阈值,计算不同阈值下的v与τ。以τ为横坐标,v为纵坐标得到的τ-v曲线,预测效能为1-S,S表示曲线与横纵坐标所围成的面积,即面积S越小预测效能越好; 并且还需要参考概率增益G(Molchan,1990; Zechar,Jordan,2008):

G=(1-v)/τ(3)

G值越大,预测效能越好; 当G趋近于1时,表示预测方法无统计意义。检验过程中给定阈值后,超出阈值的数据为异常值,地震发生在异常值所在时段及其有效预测期(30、60、90、180 d)之外时,称为漏报。

由于影响水位形态变化的因素较多,不同的水位处理方法得到的异常结果也有所差异。所以本文使用差分法和固体潮加卸载比法对水位处理后,再利用Molchan图表法对水位预测期内相应的地震依次进行检验,并对不同处理方法的检验结果加以分析。最终得到4口监测井的预测效能(图6)以及对不同预测期和板块的优势预测定量结果。

从图6可以看出,从180 d到30 d监测井v-τ所围成的面积越来越小,G值也在增大,说明30 d 内预测效能最高,表明水位异常出现时异常点周围地区在30 d内发生地震概率较大; 在30、60和90 d监测井v-τ所围成面积大小相差很小,且G值都在3左右,说明在90 d内的短期预测效果较好; 4口监测井在180 d内的预测效能都在0.75以上,概率增益G值也接近2,说明井水位数据在差分法和固体潮加卸载比法处理后180 d内预报效能可信度也较高。通过Molchan法的计算结果可知,这两种处理数据的方法都比较适用于短临预测。德阳井、佐署井、门源井水位数据在两种方法处理后得到的检测效果基本一致,佐署井水位经固体潮加卸载比法处理后在180 d内预测效能更好(图6c),说明未对应地震的异常可靠性较高。

图6 4口监测井水位的Molchan图表法检验结果
Fig.6 Results from the Molchan chart method applied to the water level in the 4 monitoring wells

由于4口监测井所处构造位置不同(图1),对地震发震地点可提供一定的指示意义,故对研究区不同块体发生的地震进行分选后,使用Molchan图表法进行预测效能检验,选出优势预测块体。本文参考Lai等(2021)、孙小龙等(2018)研究,选取4口监测井周围500 km范围内M_S≥5.0地震作为地震样本。德阳井位于川桂湘赣断块西部,定义川桂湘赣断块为块体A,其它为块体B(图7a); 剑川井位于川滇断块和滇西南断块交界处,定义这两个断裂为块体C,其它为块体D(图7b); 佐署和门源井位于祁连山断块,井区周围构造发育,定义祁连山断块及其以北断块为块体E,其它为块体F(图7c)。发生在块体A地震有13次,块体B有13次,2个块体内的地震都分布在德阳井周围500 km范围内; 发生在块体C的地震6次,且都发生于剑川井周围300 km范围内,发生在块体D的6次地震的震中距都大于300 km; 与佐署井与门源井同处块体E的地震分别为4次和3次,且祁连山断块上地震都分布在250 km范围内,块体F分别为5次和3次,震中距大于250 km。

F₁:祁连—海原断裂; F₃:昆仑断裂; F₄:龙门山断裂; F₅:玉树—鲜水河断裂; F₇:小江断裂;

F₉:红河断裂; F₁₀:华蓥山断裂; F₁₁:小金河断裂; F₁₂:拉脊山断裂

图7 研究区不同块体地震的震源机制解分布
Fig.7 Distribution of the earthquake focal mechanisms of the earthquakes in different blocks

本文按照不同断块上的地震进行分选,使用Molchan图表法检验4口监测井对不同断块的地震预报效能,如图8所示。从图中可以看出,德阳井与块体A的v-τ面积大于块体B的v-τ面积,即块体B预测效能高于块体A; 剑川井对于块体C的v-τ面积大于块体D,说明剑川井对于块体C上的地震具有一定的预测优势; 门源井和佐署井块体F的v-τ面积大于块体E,说明两口监测井对块体E上的地震比对块体F上的地震更具预测优势。

从图8可以看出,4口监测井在90 d内整体预测效能较好,概率增益值G都在3左右,在180 d内预测效能在0.75左右,说明使用这两种方法处理水位数据都比较适合短临预报。

德阳井对块体A发生的地震没有明显预测优势,反而对块体B发生的地震有优势预测,其原因可能为德阳井位于川桂湘赣块体以西,更加靠近块体分界处,且该井对其500 km范围内的M_S≥5.0地震在90 d内都具有较好预测效能,如鲁甸M_S6.5地震的原始和固体潮加卸载比处理后的水位数据都出现异常,震中距达476 km; 2016年的甘孜理塘M_S5.1地震与2021年巧家M_S5.0地震原始和两种方法处理后的水位数据中都存在异常,震中距分别为482和472 km。对于剑川井,由于块体C构造较为发育,并且发生于块体C内的地震震中距更小,所以剑川井对块体C内地震预测效能优于块体外地震,当水位出现异常时,井区周围300 km内出现M_S5.0地震概率较大。佐署井与门源井都位于祁连山块体。综上,门源井对于其周围250 km内M_S≥5.0地震有较好的预测效能,其周围500 km内的M_S≥7.0地震也具有一定预测效能; 佐署井对其500 km内的M_S≥5.0地震也具有一定预测效能,但是主要集中在佐署井西南部,对于发生在该井东南部的九寨沟等地震未出现异常。

图8 监测井不同块体Molchan图表法检验结果
Fig.8 Results from the Molchan chart method applied to the monitoring wells in different blocks