云南水溫異常與MS≥50地震關(guān)系研究

李瓊 付虹 毛慧玲 朱榮歡 何德強(qiáng)

摘要：選取2009—2015年云南地區(qū)觀測連續(xù)、穩(wěn)定的水溫觀測資料共34項，采用異常過程和從屬函數(shù)分析方法聯(lián)合提取異常，分析水溫異常與MS≥50地震的關(guān)系。結(jié)果表明：該方法提取的單項異常，具有短期指示意義，與地震有較好的對應(yīng)關(guān)系，但地震的漏報率較高；采用異常頻次和權(quán)重集成方法提取的全省群體異常與全省的MS≥50地震對應(yīng)較好，減少了漏報，并可以通過置信度為975%的R值評分檢驗。按構(gòu)造和地震活動進(jìn)行分區(qū)后，提取小區(qū)域的水溫群體異常，并只考慮對應(yīng)本區(qū)的地震，則各區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常的虛報和漏報率均顯著增加。分析其原因，認(rèn)為水溫異常和地震都是區(qū)域構(gòu)造活動增強(qiáng)的產(chǎn)物，群體異常能更好地刻畫區(qū)域構(gòu)造活動增強(qiáng)，在構(gòu)造活動增強(qiáng)的背景下是有利于地震發(fā)生的，因此區(qū)域的群體異常有更好的對應(yīng)效能；異常過程和從屬函數(shù)方法提取的水溫異常能較好地表達(dá)震前水溫變化加劇的特征，區(qū)域的群體異?？梢宰鳛樵颇系貐^(qū)有MS≥50地震的短期時間判據(jù)。

關(guān)鍵詞：云南水溫觀測；從屬函數(shù)方法；MS≥50地震；區(qū)域構(gòu)造活動增強(qiáng)；群體異常

中圖分類號：P315723文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2017）02-0233-08

0引言

[KG（0.15mm]地震預(yù)測目前仍處在一個經(jīng)驗積累的探索階段，大量的震例總結(jié)、震前前兆觀測異常特征研究可以為認(rèn)識地震孕育過程提供更多的資料。在云南中等地震前兆異常特征研究方面，眾多學(xué)者作了的工作（付虹等，2007，2008；張立，2013；李瓊等，2014，2016），得到了一些比較有意義的結(jié)果，但這些研究大部分是基于原始數(shù)據(jù)異常識別和震例研究進(jìn)行的。從屬函數(shù)法主要以觀測資料的斜率和相關(guān)系數(shù)作為參量，能較好地表達(dá)地震孕育進(jìn)入短臨階段的漲落變化特征（林輝等，2004），因此適用于前兆觀測資料的短臨異常信息提取。部分地震學(xué)者（葉秀薇，2004；李杰等，2003；高小其等，2012；范雪芳等，2010）采用該方法提取震前短臨異常，取得了較好的結(jié)果。[KG）][JP]

水溫觀測的是不同含水層由于裂隙發(fā)育導(dǎo)致串層溫度混合的結(jié)果，高精度水溫觀測在地震前兆監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用（付子忠，1988）。大量的觀測結(jié)果表明，水溫觀測具有較強(qiáng)的映震能力（車用太等，1999；陳沅俊等，1994a，b）。眾多地震學(xué)者對水溫與地震的關(guān)系進(jìn)行了大量研究（車用太等，2003；金眾范等，2001；李加穩(wěn)，孫文波，2004；田華等，1994；尤傳俠，1990；劉耀煒等，2008；鮮述東等，2011；楊從杰等，2008；張惠等，2013），得出水溫異常主要在地震前的短期階段出現(xiàn)，時間進(jìn)程上具有顯著的短臨異常特征。

本文采用從屬函數(shù)分析方法提取云南水溫前兆異常，以2009—2015年云南省內(nèi)的17組MS≥50地震作為研究樣本，在不知道未來地震震中位置情況下，從全時空的角度對水溫的短期異常及效能進(jìn)行探討。

1水溫資料及地震樣本選取

云南共有52項水溫觀測資料用于日常地震跟蹤監(jiān)視，[HJ2.4mm]資料情況大致可分為3類：（1）觀測不穩(wěn)定，正常和異常動態(tài)不清晰，沒有對應(yīng)地震的實例；（2）觀測穩(wěn)定，呈趨勢性上升或下降，但映震效果不好，在地震監(jiān)測預(yù)報中沒有出現(xiàn)過異常對應(yīng)地震的實例；（3）觀測穩(wěn)定，有異常對應(yīng)地震實例，且有部分異常多次對應(yīng)地震的事實。本研究選取了觀測資料相對連續(xù)、穩(wěn)定、有地震對應(yīng)實例的34項水溫資料，采用從屬函數(shù)計算方法分別提取每項觀測資料的異常，34項水溫測點(diǎn)分布如圖1所示。

2008年汶川大地震后，云南省地震局依托“十五”項目，投入了一批新的水溫觀測力量，這些觀測資料從2009年開始相對穩(wěn)定。考慮到資料的豐富性，選用2009年以來的水溫資料和2009—2015年間發(fā)生在云南省內(nèi)的21次17組（發(fā)生在同一個月內(nèi)的2次地震視為一組）MS≥50地震作為研究樣本，地震參數(shù)和分布見表1和圖1。

2異常提取方法

前兆觀測漲落變化幅度增大和出現(xiàn)加速，是地震孕育進(jìn)入短臨階段的主要特征（林輝等，2004），因此選取了能表征這些特征的數(shù)學(xué)方法來提取短臨異常。

21AP（Abnormal process）方法

[JP2]“AP”值是一階差分絕對值的滑動累加值，通過過程累加可以同時達(dá)到有效抑制較長周期、消除長趨勢變化、使異常變化更突出的效果。該方法可以直接用來提取異常，也可以用來對資料進(jìn)行預(yù)處理（石紹先，曹刻，1999）。計算公式如下：[KH*1][JP]

[JP2] APi+T[KG-*4]=[KG-*2]∑[DD（]i+Ti[DD）][KG-*2][JB<1|]xi+1-xi[KG-*2][JB>1|]（i=1，2，3，…，n）[JY]（1）[KH*1D][JP]

其中：xi為某一測項的觀測值，T為累加過程的時間窗長。本研究選取10天觀測數(shù)據(jù)作為時間窗長，意在凸顯短期變化，為下一步采用從屬函數(shù)法提取異常做準(zhǔn)備。圖2為保山觀測值與AP計算值曲線，從圖中可以看出，原始曲線呈緩升變化，異常不突出，通過計算后，一些在原始觀測曲線上無法識別的加速異常被提取出來。

22從屬函數(shù)方法

前兆觀測量是時間的函數(shù)，前兆異常表現(xiàn)為觀測量隨時間的突出變化，雖然異常形態(tài)多種多樣，但其本質(zhì)都是觀測值曲線隨時間的斜率變化。模糊數(shù)學(xué)方法中的模糊從屬函數(shù)μi就是反映各種地震前兆觀測曲線隨時間的斜率變化的量（賀仲雄，1983）。相應(yīng)的解析式為：[KH*1]

μi=[KG-*4][JB<2[]1+[SX（]∝[JB<1|]ki [KG-*4][JB>1|][KG-*2][JB<1|]ri [KG-*4][JB>1|][SX）][JB>2]]-1（i=1，2，3，…，n）[JY]（2）[KH*1D]

式中：ki為觀測值變化斜率，表征的是數(shù)據(jù)變化的幅度；ri為滑動平均值M（t）與時間t之間的相關(guān)系數(shù)，反映了計算序列內(nèi)在質(zhì)量的好壞；∝為經(jīng)驗常數(shù)，不同觀測的∝值需要根據(jù)從屬函數(shù)μi與歷史震例的最佳對應(yīng)關(guān)系來確定，對同一個測項來說，∝值越小，說明測值越穩(wěn)定，通過計算得到的33個∝值均小于1，其中小于001的有22個，說明采用從屬函數(shù)提取異常前先用“AP”方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理是比較理想的；當(dāng)μi≥05時，可視為異常。即當(dāng)斜率增大到一定程度，可視為觀測值的漲落變化增大，發(fā)生地震的危險性增大。圖3為使用從屬函數(shù)方法對AP值進(jìn)行計算后得到的μi值，從計算結(jié)果看，進(jìn)一步計算后，短期異常更為突出、容易識別。[FL）]

[SD30*1，1][JZ][XC李瓊3.TIF][KH*2/3D][HT5K][JZ]

圖3從屬函數(shù)計算值曲線[JZ]

Fig3Graph of calculated values by using the slave function[KH*1]

[BT（12+*4]3初步結(jié)果分析

31單項異常及預(yù)測效能分析[BT）]

對34項實測數(shù)據(jù)分別采用“AP”方法進(jìn)行計算，再以計算結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行從屬函數(shù)計算后，將μ≥05的數(shù)據(jù)作為異常，對每項資料出現(xiàn)異常的起止時間進(jìn)行標(biāo)注，出現(xiàn)異常，規(guī)定異常結(jié)束3個月內(nèi)云南發(fā)生地震為對應(yīng)，否則視為虛報。研究時間段內(nèi)，用對應(yīng)地震的異常次數(shù)除以異?？偞螖?shù)表示對應(yīng)率，虛報地震次數(shù)除以地震總次數(shù)表示漏報率，按此原則得到了每個測項與地震預(yù)測的對應(yīng)效能（表2）。

從單項指標(biāo)分析，雖然地震對應(yīng)率參差不齊，但50%以上的異常都能對應(yīng)云南省內(nèi)的地震，表明提取的水溫短期異常有較好的對應(yīng)地震的能力，但同時對地震都有漏報。

32異常頻次與地震關(guān)系分析

對34項資料的從屬函數(shù)值進(jìn)行0-1化處理，μ≥05用“1”表示，μ<05用“0”表示，以旬為時間單位繪制頻次曲線圖（圖4）。規(guī)定頻次N≥6，并持續(xù)30 d以上視為異常，2009年以來共出現(xiàn)9組異常。

由圖4及表3可見，頻次異常一般持續(xù)時間為40～250 d，異常開始時間超前地震20～230 d，如果每組異常過程只考慮首發(fā)地震，依據(jù)震例總結(jié)規(guī)范（張肇誠等，2013），異常超前地震20～140 d全部為短期異常。8組異常對應(yīng)地震，1組虛報；異常超前地震20～140 d，17組地震報準(zhǔn)13組，漏報4組。如果異常過程中發(fā)震，則后續(xù)50～70 d內(nèi)多有中等地震繼續(xù)發(fā)生；如果異常結(jié)束后才發(fā)生地震，則之后再次發(fā)生中等地震的可能性小。

33權(quán)重集成異常與地震關(guān)系分析

各單項前兆，其過去的預(yù)報效能是不同的，它們有優(yōu)劣之分。用權(quán)重（w）大小對其優(yōu)劣或信度加以區(qū)分，對第i種前兆的預(yù)報結(jié)論yi配一個權(quán)重系數(shù)wi，好的前兆權(quán)重大，差的權(quán)重小。用下式求取權(quán)重集成預(yù)報值（陳立德，1993）：[KH*4]

P=[KG-*3]∑[DD（]ni=1[DD）]w1y1+w2y2+……+wnyn[JY]（3）[KH*2D]

各單項前兆的權(quán)重可以用下式求得：[KH*4]

wi=[HT10.][SX（][SX（]1第i種前兆虛報數(shù)+1[SX）]∑[DD（]ni=1[DD）][SX（]1第i種前兆虛報數(shù)+1[SX）][SX）][JY]（4）[KH*2D]

權(quán)重wi符合條件：[KH*2]

∑[DD（]ni=1[DD）]wi=w1+w2+……+wn=1[JY]（5）[KH*2]

根據(jù)各項異常與地震的對應(yīng)關(guān)系，由式（4）計算得到各單項水溫的權(quán)重（表2），從屬函數(shù)值μ≥05，則y為“1”，μ<05則為“0”，同樣以旬為時間單位繪制權(quán)重集成信度值曲線（圖5）。當(dāng)權(quán)重集成信度值大于02，并持續(xù)20 d以上為異常，2009年以來共出現(xiàn)9組異常。

由圖5及表4可見，9組異常持續(xù)時間20～200 d，異常開始時間超前地震10～180 d，為短期異常。8組異常對應(yīng)地震發(fā)生，1組虛報；17組地震報準(zhǔn)12組，漏報5組。

34R值評分結(jié)果

采用許紹燮（1989）的R值評分法，對頻次疊加值和權(quán)重集成值出現(xiàn)異常預(yù)報地震的效能進(jìn)行評價。計算公式如下：[KH*5/4]

R=[HT10.][SX（]報準(zhǔn)次數(shù)地震總次數(shù)[SX）]-[SX（]預(yù)報占用時間研究占用時間[SX）] [JY]（6）[KH*5/4]

根據(jù)表3和表4結(jié)果，R頻次=[SX（]1317[SX）]-[SX（]8902 280[SX）]=03744≈0374，R權(quán)重=[SX（]1217[SX）]-[SX（]6802 280[SX）]=0407 6≈0408，置信水平為975%的隨機(jī)預(yù)報R0值分別為0318和0299。R頻次>0318，R權(quán)重>0299，異常頻度和權(quán)重集成信度值預(yù)測方法，均能通過R值評分檢驗，說明云南地區(qū)水溫用AP方法提取異常過程后，再用從屬函數(shù)提取異常的研究結(jié)果對省內(nèi)5級以上中等地震具有較好的時間預(yù)測意義。

35分區(qū)異常與異常區(qū)內(nèi)地震相關(guān)關(guān)系分析

為了追蹤未來地震的發(fā)震地點(diǎn)，采用更小區(qū)域的異常與該區(qū)地震對應(yīng)，根據(jù)地震活動特點(diǎn)，將云南分為多個不同的區(qū)域，以旬為單位給出分區(qū)的水溫異常頻次（圖6），選擇發(fā)生在區(qū)內(nèi)的MS≥50地震作為研究樣本，采用最佳對應(yīng)原則，確定各區(qū)的異常判定閾值，其分區(qū)和地震對應(yīng)情況如下：

（1）滇東北地區(qū)：26°N以北，102°E以東的云南境內(nèi)地區(qū)，共有東川、會澤、宣威、昭通、漁洞5個測點(diǎn)，將至少有2個測項出現(xiàn)異常（N≥2）視為異常，共出現(xiàn)6組異常，對應(yīng)地震3次、虛報3次。

（2）滇中至滇西北地區(qū)：紅河斷裂以東、小江斷裂帶以西的云南境內(nèi)，共有麗江、永勝、姚安、元謀、華寧、江川等15個測點(diǎn)，異常頻次N≥4，且持續(xù)時間在20 d以上視為異常，共出現(xiàn)8組異常、2組對應(yīng)地震、6組虛報、漏報地震4組。

（3）小滇西至滇西南地區(qū)：瀾滄江以西的云南境內(nèi)，共有保山、騰沖、孟連等8個測點(diǎn)，將異常頻次N≥3，且持續(xù)時間在20 d以上視為異常，共出現(xiàn)6組異常、2組對應(yīng)地震、4組虛報；區(qū)內(nèi)共5組地震，對應(yīng)2組、漏報3組。[JP2]

（4）滇南至滇西南地區(qū)：25°N以南，995°E以東的云南境內(nèi)，共有華寧、峨山、鎮(zhèn)沅、大寨等11個測點(diǎn)，將異常頻次N≥3且持續(xù)時間在20 d以上視為異常，共出現(xiàn)6組異常、1組對應(yīng)地震、5組虛報；區(qū)內(nèi)共2組地震，對應(yīng)1組、漏報1組。[JP]

分區(qū)的結(jié)果顯示，如果把云南劃分為更小的構(gòu)造單元，用更小構(gòu)造單元的異常對應(yīng)本單元的地震，虛報、漏報率會大大增加，這一結(jié)果表明：地震不一定都發(fā)生在異常集中的地區(qū)，異常集中的小區(qū)域也不一定發(fā)生地震，這一觀測事實表明如果跟著異常走，地點(diǎn)錯報的可能性會加大。分析認(rèn)為當(dāng)云南地區(qū)構(gòu)造活動增強(qiáng)時，表現(xiàn)為大范圍多點(diǎn)的前兆觀測出現(xiàn)異常，以云南地區(qū)大區(qū)域為單元，當(dāng)異常增加的時候是有利于地震發(fā)生的。

4結(jié)論及討論

利用從屬函數(shù)方法提取單項水溫異常，分析地震預(yù)測效能，對單項異常進(jìn)行頻次疊加，提取綜合異常，分析與地震的關(guān)系。根據(jù)本文研究結(jié)果，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識：[JP2]

（1）云南目前上報數(shù)據(jù)用于會商的水溫觀測資料共有52項，其中挑選出34項相對較好的資料，表明云南水溫資料的利用率大致為65%，有35%的資料沒有應(yīng)用效能。34個測項資料中，通過采用AP和從屬函數(shù)計算方法提取異常，出現(xiàn)異常后，14個測項對應(yīng)率在70%～89%間，4個測項對應(yīng)率在60%～69%間；8個測項對應(yīng)率在50%～59%間；若全省有8個測項同時出現(xiàn)異常，其后云南省內(nèi)發(fā)生5級以上地震的對應(yīng)率為100%，表明水溫在震前短臨階段的漲落變化是存在的，井水溫對地震在時間上有相對較好的預(yù)測效能。[JP]

（2）全省水溫的異常頻次和權(quán)重集成方法對省內(nèi)MS≥5地震都有較好的預(yù)測能力，預(yù)測效能都能通過置信水平為975%的R值評分檢驗。從2種方法的結(jié)果看，權(quán)重集成比直接用頻次預(yù)測，漏報多1次。說明在云南的水溫觀測中，出現(xiàn)異常的數(shù)量更為重要，異常數(shù)量足矣刻畫云南的構(gòu)造活動特征，并可用該特征進(jìn)行發(fā)震時間預(yù)測。

（3）如果把水溫測點(diǎn)按照構(gòu)造和地震活動進(jìn)行分區(qū)，用區(qū)內(nèi)的異常對應(yīng)區(qū)內(nèi)的地震，虛報率和漏報率都大大增加，說明在云南地區(qū)，采用水溫異常找未來的地震地點(diǎn)是困難的，水溫的異常變化更適合作短期尺度的時間預(yù)測。

（4）震前大范圍水溫異常增多的事實，與前兆觀測到的大量異常是區(qū)域構(gòu)造活動增強(qiáng)的結(jié)果，異常與地震都是區(qū)域應(yīng)力水平增加的認(rèn)識是一致的（陳立德，付虹，2003），當(dāng)區(qū)域構(gòu)造活動增強(qiáng)時，我們能觀測到整個區(qū)域的異常增多，這個結(jié)果為地震短期預(yù)測提供了可能。從2009年以來的水溫群體異常特征還發(fā)現(xiàn)，如果地震發(fā)生在異常結(jié)束以后，其后繼續(xù)發(fā)生中等地震的可能性小，反之則有繼續(xù)發(fā)生地震的危險。表明前兆異常數(shù)量居高不下，可能反映的是區(qū)域應(yīng)力水平繼續(xù)維持高值，在這種狀態(tài)下有利于地震的發(fā)生，這與數(shù)值模擬得到的結(jié)果也是一致的（耿魯明等，1993），表明異常的持續(xù)發(fā)展可以作為判斷后續(xù)是否有地震的指標(biāo)。

（5）微觀前兆異常是監(jiān)視區(qū)域地殼應(yīng)力增強(qiáng)作用下地殼介質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力集中并達(dá)到一定量的結(jié)果和傳遞出的信息。水溫測值異?？杀灰暈楫?dāng)構(gòu)造活動增強(qiáng)時，觀測站及附近地殼中含流體的介質(zhì)受力后其裂隙、孔隙、裂縫等發(fā)生變化，引起流體移動速度及物質(zhì)交換發(fā)生變化的結(jié)果（陳立德等，2008）。

（6）當(dāng)區(qū)域構(gòu)造活動增強(qiáng)，應(yīng)力水平發(fā)生變化時，水溫短期群體異常增多，與地震有較好的相關(guān)性，因此可以作為云南有震的時間判別指標(biāo)，但地點(diǎn)需要用其他方法進(jìn)行確定，如云南4級地震活動增強(qiáng)的區(qū)域多為未來6級地震發(fā)生的地區(qū)（付虹等，2015）。如果每個觀測手段均發(fā)揮自己的優(yōu)勢，統(tǒng)籌考慮其作用，可能對提高地震短期預(yù)測水平更行之有效。

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[STHZ][WT4HZ][JZ]Study on the Relationship Between Abnormal Water[JZ]Temperature and Earthquakes in Yunnan Area

[WT5B1][STBZ][JZ]LI Qiong1，F(xiàn)U Hong1，MAO Huiling1，ZHU Ronghuan2，HE Deqiang3

[WT5"B1X][JZ]（1 Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China）[JZ]

（2 Earthquake Administration of Kunming Municipality，Kunming 650500，Yunnan，China）[JZ]

（3 Earthquake Administration of Zhaotong Municipality，Zhaotong 657000，Yunnan，China）

[WT5HZ][JZ]Abstract[WTB1]

This paper selects the observations data of a total of 34 continuous and stable water temperature，using the aomalous process and subordinate function analysis method to extract abnormal jointly and analyze the relationship between water temperature and the MS≥50 earthquakes The results show that the single anomaly extracted by this method has short-term implications and good relationship with earthquake，but increased the omission rate of earthquake；The groups anomalies in Yunnan Province extracted by anomaly frequency and weight integration method have obvious correspondence with MS≥50 earthquakes，which reduce the omission，and can pass the R-value inspection of a confidence level of 975%；After Yunnan region has been divided into different areas by tectonic and seismic activity，we extracted small area groups anomaliesOnly considering earthquake at the same area，then the omission and false rate of earthquake significantly increased in each area；Analyzes its reason，we found that the water temperature anomaly and earthquake are the products of increasing regional tectonic activities，and the water temperature shows a better characteristics of increasing regional tectonic activities，and the earthquake will occur easily based on increasing regional tectonic activities，therefore regional groups anomalies have more correspondent potency；The temperature abnormity extracted by using the anomalous process and subordinate function analysis method shows the characteristic of accelerated water temperature before earthquake，and regional groups anomalies can be used as short-term time indicators of the earthquakes（ MS≥50）in Yunnan region

[WTHZ]Keywords：[WTB1]water temperature observation in Yunnan；subordinate function analysis method； MS≥50 earthquakes；increasing of regional tectonic activities；groups anomalies[LM]