新疆庫(kù)爾勒斷層氫氣濃度的影響因素及其地震預(yù)測(cè)的潛在效能評(píng)價(jià)

向陽(yáng) 孫小龍 高小其 朱成英 李娜

1）中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)安寧莊路1號(hào) 100085

2）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市新市區(qū)科學(xué)二街338號(hào) 830011

0 引言

地球內(nèi)部氣體在溫壓梯度差及濃度差的作用下，不停息地向地表大氣逸出（杜樂(lè)天等，2005）。斷層活動(dòng)及地震孕育過(guò)程中，地下介質(zhì)條件在應(yīng)力應(yīng)變作用下改變，造成巖體變形破裂或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致地球放氣異常（Lombardi et al，2010；杜建國(guó)等，1997），而在各種氣體中，氫氣（H2）最為活躍，其具有質(zhì)量最輕、半徑最小、遷移速度快及穿透性極強(qiáng)的特性（車(chē)用太等，2015；Whiticar，1999），被看作是可用于地震預(yù)測(cè)的最靈敏的地球化學(xué)組分之一（張培仁等，1993），同時(shí)，也被認(rèn)為是最有希望在短臨地震前兆異常中獲得突破的測(cè)項(xiàng)（車(chē)用太等，2002；劉耀煒，2006）。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于H2濃度與地震間關(guān)系方面的研究已有近40年的歷史，粟啟初（1992）通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了斷層逸出H2對(duì)地震的誘發(fā)作用；杜樂(lè)天（1999）提到前蘇聯(lián)在1970年達(dá)格斯坦6.7級(jí)地震前記錄到了幅度高于正常背景值5～6個(gè)數(shù)量級(jí)的H2濃度高值異常；杉崎隆一等（1986）在1983年日本海中部7.9級(jí)地震時(shí)觀測(cè)到斷層處幅度高達(dá)7.8%的H2濃度高值異常；黃學(xué)等（2008）研究H2濃度與地震間關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，塔吉克斯坦共和國(guó)2次6級(jí)地震前后均出現(xiàn)H2濃度的變化。大量實(shí)踐及研究表明，H2濃度在地震前的異常非常顯著，異常幅度較大，且多具有短臨異常特性。因此，開(kāi)展H2觀測(cè)及其濃度動(dòng)態(tài)變化特征研究，是探索地震監(jiān)測(cè)與短臨預(yù)測(cè)研究的重要途徑之一（車(chē)用太等，2015；劉耀煒，2006）。

新疆天山中段為近幾年年度重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)之一，也是重要的地震監(jiān)視區(qū)，具有地震多、地下流體觀測(cè)點(diǎn)少的明顯特征。為加強(qiáng)該區(qū)域的震情跟蹤工作，2013年11月在中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所援疆項(xiàng)目的支持下，地下流體學(xué)科組在庫(kù)爾勒地震臺(tái)霍拉山斷裂上開(kāi)展了斷層H2濃度連續(xù)觀測(cè)。斷層H2觀測(cè)儀器為杭州超距科技有限公司研制的ATG6118H痕量H2在線(xiàn)自動(dòng)分析儀，該儀器觀測(cè)精度較高，穩(wěn)定性較好（車(chē)用太等，2015），儀器自帶環(huán)境氣溫傳感器和氣壓傳感器，既滿(mǎn)足了斷層H2濃度連續(xù)觀測(cè)的要求，又得到了與觀測(cè)值同步的溫度、氣壓數(shù)據(jù)，從而有利于對(duì)斷層H2觀測(cè)資料的干擾因素進(jìn)行分析，得到更為準(zhǔn)確的斷層H2濃度變化觀測(cè)結(jié)果，為地震監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

自觀測(cè)以來(lái)，庫(kù)爾勒斷層H2濃度資料連續(xù)可靠，但濃度變化幅度不穩(wěn)定，到目前為止，尚未對(duì)其進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的分析。本文通過(guò)對(duì)比溫度和氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)庫(kù)爾勒斷層H2濃度動(dòng)態(tài)變化及影響因素進(jìn)行了深入分析，并依據(jù)現(xiàn)有的觀測(cè)資料及其周邊地震活動(dòng)情況，用Molchan圖表法對(duì)該測(cè)點(diǎn)的斷層H2濃度觀測(cè)資料進(jìn)行預(yù)測(cè)效能定量化的評(píng)估與檢驗(yàn)，進(jìn)而獲取具有前兆指示意義的地震預(yù)測(cè)指標(biāo)，以期為今后該地區(qū)的震情跟蹤及地震形勢(shì)判定提供可能的判定依據(jù)。

1 觀測(cè)點(diǎn)概況

圖1 庫(kù)爾勒斷層H 2觀測(cè)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)圖與地震震中分布

庫(kù)爾勒斷層H2觀測(cè)點(diǎn)在庫(kù)爾勒臺(tái)地形變前兆綜合觀測(cè)“U”形山洞內(nèi)，在庫(kù)爾勒跨斷層形變儀旁，與形變觀測(cè)共用一個(gè)觀測(cè)室。該觀測(cè)點(diǎn)地處庫(kù)爾勒市北的霍拉山，構(gòu)造上處于北輪臺(tái)-辛格爾斷裂與興地?cái)嗔训慕粎R部位（圖1）。北輪臺(tái)斷裂位于新疆天山南麓與塔里木盆地北緣的交匯部位，整體呈現(xiàn)NWW-EW向展布，全長(zhǎng)約300km，斷層面呈N傾，傾角50°～80°，是一條逆沖兼左旋型斷層，該斷裂分為2支（姚遠(yuǎn)等，2015）。斷層 H2觀測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域?qū)儆诒陛喤_(tái)斷裂的北支斷裂，自鐵門(mén)關(guān)水庫(kù)向東，與辛格爾斷裂相連，長(zhǎng)約100km，整體呈近EW向展布。探槽剖面結(jié)果顯示，該斷裂所在區(qū)域花崗巖基巖巖體與第三系地層（N）、第四系沉積物之間都呈現(xiàn)出不整合接觸，傾向177°～190°，傾角36°～41°，斷層向北逆沖錯(cuò)斷第三系砂礫巖及含礫泥巖層，并推覆到晚更新世洪積角礫巖之上，斷裂的垂直斷距較大，達(dá)幾百米到上千米，在地表形成大型清晰形變帶，說(shuō)明斷層有不同程度的活動(dòng)（羅忠福等，2002；姚遠(yuǎn)等，2015）。該處巖體破碎，易富集和貯存氣體，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘選，庫(kù)爾勒臺(tái)地形變觀測(cè)區(qū)域所在斷裂帶上土壤氣氡和氣汞濃度較高，是理想的斷層氣觀測(cè)點(diǎn)，可以進(jìn)行斷層H2連續(xù)觀測(cè)。

斷層H2觀測(cè)孔由人工開(kāi)挖，孔深1.7m，裸孔直徑1.0m，開(kāi)挖至基巖。觀測(cè)孔內(nèi)放置1根直徑 250mm、長(zhǎng) 135cm的 PVC管，管底50cm打有氣孔（孔徑 10mm），連接集氣花管。PVC管上部通過(guò)4個(gè)變徑管頭（長(zhǎng)35cm）相連，連接處用PVC膠粘接，直徑最終變?yōu)?5mm，而后用橡皮管塞密封，將 H2觀測(cè)軟管插入橡皮管塞中，為利于氣體通過(guò)，在集氣管周?chē)?0cm鋪設(shè)一層透氣性好的礫石層，而后將沙石回填，孔表層用水泥沙漿（5cm）密封（圖2）。

圖2 集氣裝置示意圖

2 庫(kù)爾勒斷層H 2濃度影響因素分析

已有研究表明，H2濃度的動(dòng)態(tài)變化具有較強(qiáng)的映震靈敏性，尤其是短臨階段的映震能力優(yōu)于其他測(cè)項(xiàng)（車(chē)用太等，2002；張培仁等，1993）。但H2濃度異常并非都是地震前兆異常，其動(dòng)態(tài)變化也受到一些干擾因素的影響，其中，氣象因素為主要干擾因素，如氣溫變化可以引起近地表巖石熱彈性應(yīng)變周期變化，進(jìn)而使巖石裂隙中的氣體濃度發(fā)生周期性變化（杜建國(guó)等，1997）；氣壓變化可以改變巖石孔隙中的壓力梯度及斷層中氣體的遷移，造成斷層氣濃度發(fā)生變化（曹玲玲等，2014）。這些因素都可以使H2濃度具有規(guī)律的年變和不規(guī)則的突變，因此，識(shí)別庫(kù)爾勒斷層H2濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響因素，研究H2濃度變化與地震活動(dòng)間的關(guān)系，提取定量化的H2濃度異常判別指標(biāo)，可為地震的短臨預(yù)測(cè)提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

2.1 庫(kù)爾勒斷層H 2濃度變化特征

庫(kù)爾勒斷層H2觀測(cè)始于2013年11月，自觀測(cè)以來(lái)，數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定。圖3、4（a）分別為庫(kù)爾勒斷層H2濃度、氣壓、溫度變化及H2濃度年變化。由圖3、4可見(jiàn)，庫(kù)爾勒斷層H2濃度變化的基本特征為：年變規(guī)律較為明顯，呈現(xiàn)冬高夏低的變化趨勢(shì)，即在每年1～3月、11～12月測(cè)值最高且變化穩(wěn)定，幅度基本在1.2×10-6左右；在4～6月斷層H2濃度下降，9～10月濃度上升，下降上升變化期間的幅度波動(dòng)范圍較大，測(cè)值在0.7×10-6左右；在7～8月H2濃度測(cè)值降到最低（圖 3（b）），測(cè)值變化多在 0.1×10-6～0.2×10-6之間。

圖3 庫(kù)爾勒斷層H 2濃度、氣壓、溫度變化

由圖3還可見(jiàn)，斷層H2濃度日變形態(tài)無(wú)明顯規(guī)律性，存在單峰、雙峰、多峰甚至無(wú)日變等多種變化形態(tài)，但相比而言，庫(kù)爾勒斷層H2濃度日動(dòng)態(tài)變化與氣壓日動(dòng)態(tài)變化具有同步性，而與溫度日動(dòng)態(tài)變化無(wú)關(guān)，說(shuō)明氣壓日動(dòng)態(tài)變化對(duì)庫(kù)爾勒斷層H2濃度有一定的影響，溫度日動(dòng)態(tài)變化對(duì)斷層H2濃度無(wú)影響。

2.2 斷層H 2濃度變化與氣壓、溫度的相關(guān)性

圖4、5分別為庫(kù)爾勒斷層H2濃度與氣壓、溫度間的相關(guān)性，雖然庫(kù)爾勒斷層H2濃度日動(dòng)態(tài)變化受氣壓影響，不受溫度影響，但由圖4、5可知，斷層H2濃度變化與氣壓、溫度的年變化特征卻有一定的關(guān)系。由于該地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，年降雨量較少，降雨影響可忽略不計(jì)。鑒此，為了進(jìn)一步研究庫(kù)爾勒臺(tái)斷層H2濃度變化的影響因素，本文先利用一元線(xiàn)性回歸分析法得到斷層H2濃度與氣壓、溫度年動(dòng)態(tài)變化之間的相關(guān)系數(shù)，再對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到斷層H2濃度與氣壓、溫度年動(dòng)態(tài)變化相關(guān)度的定量結(jié)果。

圖4 庫(kù)爾勒斷層H 2濃度與氣壓相關(guān)性

圖5 庫(kù)爾勒斷層H 2濃度與溫度相關(guān)性

由圖4（c）可知，斷層H2濃度與氣壓間的相關(guān)系數(shù)為0.6735，相關(guān)性較好，擬合方程為：y＝0.03x-25.61，呈正相關(guān)，即隨著氣壓的增大，H2濃度逐漸升高。由圖5（c）可知，斷層H2濃度與溫度之間的相關(guān)系數(shù)為-0.4262，相關(guān)性一般，擬合方程為：y＝-0.30x+6.47，表現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)，即隨著溫度的升高，H2濃度逐漸降低。結(jié)果顯示，氣壓對(duì)斷層H2濃度變化影響較大，溫度影響較小。

圖6為庫(kù)爾勒斷層H2濃度及氣壓、溫度效應(yīng)所引起的H2濃度變化。由圖6可見(jiàn)，在觀測(cè)點(diǎn)巖性、構(gòu)造、覆蓋層等地質(zhì)因素基本固定、儀器工作條件及參數(shù)不變的情況下，氣壓、溫度季節(jié)性變化引起了H2濃度的年變化，即每年4～6月溫度逐漸升高時(shí)，斷層H2濃度開(kāi)始下降，7～8月溫度達(dá)到最高值時(shí)，斷層H2濃度測(cè)值則為最低值，直到9月以后溫度逐漸降低，斷層H2濃度又開(kāi)始回升，并且下降、上升幅度都大于1.1×10-6。

圖6 庫(kù)爾勒斷層H2濃度與氣壓效應(yīng)和溫度效應(yīng)圖

以上分析結(jié)果表明，氣象因素（氣壓、溫度）是引起庫(kù)爾勒斷層H2濃度年變的主要因素，從相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果可看出，氣壓與斷層H2濃度的相關(guān)性大于溫度與斷層H2濃度的相關(guān)性，說(shuō)明氣壓對(duì)斷層H2濃度的影響比溫度更明顯，這與部分前人研究結(jié)果所得到的斷層H2濃度主要受溫度影響的結(jié)論截然相反（王博等，2010）。原因可能是：①前人的研究大部分是基于斷層H2觀測(cè)數(shù)據(jù)的短期變化和相應(yīng)時(shí)間段的氣溫、氣壓短期數(shù)據(jù)，所選的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、分析時(shí)段不同和研究尺度不同造成結(jié)果的不同（曹玲玲等，2014）；②斷裂帶中氣體的來(lái)源和運(yùn)移方式不同，這與其自身的性質(zhì)和外部環(huán)境有關(guān)（張榮華等，2010），即不同環(huán)境下H2濃度變化特征存在個(gè)體差異也可能導(dǎo)致得出的結(jié)論與本文不一致。另外，氣壓可直接影響斷裂帶或土壤的孔隙壓力，當(dāng)大氣壓力改變時(shí)，斷層孔隙和裂隙中存在的大量氣體，在壓力差的作用下，其遷移發(fā)生改變，從而造成H2濃度的動(dòng)態(tài)變化。

此外，雖然溫度對(duì)斷層H2濃度的影響較小，但二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的變化，即斷層H2濃度變化表現(xiàn)為“夏低冬高”。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，測(cè)點(diǎn)周?chē)寥辣韺泳植砍睗?，冬季氣溫在零度以下時(shí)，潮濕土壤中的水分凍結(jié)，形成凍土層，當(dāng)凍土層達(dá)到一定的厚度時(shí)形成良好的封閉系統(tǒng)，阻止深部氣體逸出，使其下方地層所含氣體濃度相對(duì)增高，當(dāng)采氣裝置埋設(shè)在凍土層以下時(shí)，所測(cè)得的斷層H2濃度相對(duì)較高（常秋君等，1993）；僅之，當(dāng)采氣裝置埋設(shè)在凍土層以上時(shí)，所得到的斷層H2濃度一般較低。

由于條件所限，庫(kù)爾勒斷層H2測(cè)點(diǎn)沒(méi)有獨(dú)立的氣象要素監(jiān)測(cè)儀器，所以，本研究使用H2觀測(cè)儀器產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)，觀測(cè)的是儀器所在山洞環(huán)境的溫度，該溫度與土壤內(nèi)部的溫度有很大區(qū)別。因此，在條件允許的情況下，可結(jié)合地溫和濕度的變化，更為詳細(xì)地分析氣象因素的影響。

3 Molchan圖表法地震預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)

地震孕育與發(fā)生時(shí)，地下應(yīng)力或應(yīng)變發(fā)生改變引起地殼形變，斷層活動(dòng)性增強(qiáng)，導(dǎo)致地下氣體濃度發(fā)生變化，各種氣體中H2最為活躍，H2測(cè)項(xiàng)是探索短臨地震前兆異常的重要手段之一（劉耀煒，2006）。以往受觀測(cè)條件與技術(shù)的限制，對(duì)于斷層H2尚未達(dá)到連續(xù)觀測(cè)。近年來(lái)，針對(duì)H2的觀測(cè)與研究取得了一些新的進(jìn)展，積累了一定數(shù)量的H2前兆異常震例（車(chē)用太等，2015；范雪芳等，2015）。

那么，如何利用現(xiàn)有的觀測(cè)資料對(duì)震例進(jìn)行系統(tǒng)分析，并從中提取有前兆指示意義的預(yù)測(cè)指標(biāo)信息，已成為當(dāng)前前兆觀測(cè)及分析預(yù)測(cè)亟須解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。由前述可知，庫(kù)爾勒斷層痕量H2受氣壓、溫度的影響出現(xiàn)年動(dòng)態(tài)變化，但無(wú)法單獨(dú)去除氣壓和溫度引起的H2變化量，那么，當(dāng)H2濃度變化小于年變幅度時(shí)，將很難判斷短時(shí)間內(nèi)H2濃度的快速變化是短臨異常還是與氣象因素有關(guān)，這就給觀測(cè)資料的分析工作帶來(lái)了困難。因此，對(duì)于這種年變幅度較大，而觀測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度較小的情況，需要采用一定的處理方法先對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再利用定量化的方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的地震依次進(jìn)行映震效能的檢驗(yàn)與分析。

鑒于此，本研究先對(duì)庫(kù)爾勒斷層H2濃度原始數(shù)據(jù)采用小波分析進(jìn)行去趨勢(shì)處理，并采用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)提供的地震目錄，依據(jù)M4地震小于200km、M5地震小于250km、M6地震小于300km、M7以上地震小于500km的規(guī)范，篩選了2014～2016年自觀測(cè)以來(lái)斷層H2觀測(cè)點(diǎn)周?chē)l(fā)生的地震，共12次，其中，4.0～4.9級(jí)地震9次，5.0～5.9級(jí)地震3次（圖1）；然后利用Molchan圖表法對(duì)斷層H2濃度及相應(yīng)的地震依次進(jìn)行檢驗(yàn)，分別得到該測(cè)項(xiàng)的整體預(yù)測(cè)效能、最佳閾值（異常的最佳判別指標(biāo)）及優(yōu)勢(shì)對(duì)應(yīng)時(shí)間。

Molchan圖表法（Molchan Error Diagram），主要是針對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果與觀測(cè)目標(biāo)地震差異度的檢驗(yàn)（Molchan，1990），它既能直觀地反映預(yù)測(cè)效能，對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行評(píng)估，又能對(duì)異常進(jìn)行定量分析，得到最佳閾值所對(duì)應(yīng)的異常識(shí)別指標(biāo)。Molchan圖表中，橫坐標(biāo)為時(shí)間占有率τ，縱坐標(biāo)為漏報(bào)率v，隨機(jī)預(yù)測(cè)線(xiàn)（Gain＝1）將圖表分為左下和右上兩部分。每一個(gè)閾值確定一組τ-v值，閾值由大到小滑動(dòng)后得到τ-v曲線(xiàn)，τ-v曲線(xiàn)與縱、橫坐標(biāo)圍成的面積大小即表示其預(yù)測(cè)效能，面積越小，預(yù)測(cè)效能越高；反之，則越低（Molchan，1990）。另一方面，還需考察報(bào)準(zhǔn)數(shù)h所對(duì)應(yīng)的顯著性水平α（Zechar et al，2008）和概率增益 Gain（Molchan，1991），顯著性水平α越低、概率增益Gain越大時(shí)，預(yù)測(cè)效果越好。所計(jì)算的變量有：

報(bào)準(zhǔn)數(shù)h：預(yù)測(cè)有震的數(shù)量與實(shí)際發(fā)震數(shù)之比。

漏報(bào)率v：預(yù)測(cè)無(wú)震而實(shí)際發(fā)震的數(shù)量與總的實(shí)際發(fā)震數(shù)之比。

異常的時(shí)間占率τ：不同的閾值提取異常的時(shí)間范圍與總的時(shí)間范圍之比。

4 結(jié)果分析

4.1 預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)與預(yù)測(cè)指標(biāo)提取

圖7為庫(kù)爾勒斷層H2濃度原始值及去趨勢(shì)圖。由圖7（a）可見(jiàn)，H2濃度年變特征較為明顯。對(duì)于這類(lèi)具有明顯年變規(guī)律的資料，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。而小波分析方法具有較強(qiáng)的識(shí)別、分離功能，對(duì)趨勢(shì)變化和短期異常能進(jìn)行有效分離（宋治平等，2001）。因此，本文先利用小波分解法對(duì) H2濃度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去年變處理，得到去趨勢(shì)后的曲線(xiàn)（圖7（b））；之后，依據(jù)所篩選的12個(gè)地震，利用 Molchan圖表法對(duì)其進(jìn)行地震預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)（圖8），并提取相應(yīng)的預(yù)測(cè)閾值。

圖7 庫(kù)爾勒斷層H 2濃度原始值（a）及去趨勢(shì)圖（b）

圖8 庫(kù)爾勒斷層H2預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)

由圖8（a）可見(jiàn)，庫(kù)爾勒斷層H2預(yù)測(cè)效能較好，即所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的概率增益均大于1，而且預(yù)測(cè)效能絕大部分在0.6以上，具有統(tǒng)計(jì)和檢驗(yàn)意義。圖8（b）中柱子上沿為本月內(nèi)第1天值，下沿為本月內(nèi)最后1天值，上方豎線(xiàn)表示最高值，下方豎線(xiàn)表示最低值，實(shí)心柱表示在1個(gè)月內(nèi)隨著時(shí)間增大預(yù)測(cè)效能升高，空心柱表示在1個(gè)月內(nèi)隨著時(shí)間增大預(yù)測(cè)效能下降。可以看出，該測(cè)點(diǎn)H2測(cè)項(xiàng)在2～3月內(nèi)的短期和4～5月內(nèi)的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)效果更好，預(yù)測(cè)效能均在0.7左右。再結(jié)合圖8（a）可知，在預(yù)測(cè)效能相當(dāng)?shù)那闆r下，短期的概率增益基本都大于2，而中長(zhǎng)期的概率增益大部分都小于2，綜合分析認(rèn)為，庫(kù)爾勒斷層H2測(cè)項(xiàng)短期預(yù)測(cè)效果更好。

基于對(duì)庫(kù)爾勒斷層H2測(cè)項(xiàng)預(yù)測(cè)效能的檢驗(yàn)結(jié)果，利用Molchan圖表法定量提取庫(kù)爾勒斷層H2濃度在1～12個(gè)月內(nèi)預(yù)測(cè)效能較好時(shí)段的異常判定指標(biāo)。由于該觀測(cè)點(diǎn)斷層H2測(cè)項(xiàng)短期（3個(gè)月以?xún)?nèi)）預(yù)測(cè)效果較好，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果可知，最佳閾值所對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)時(shí)間為55天（圖9）。其中，圖9（a）為庫(kù)爾勒斷層H2濃度去趨勢(shì)曲線(xiàn)與最佳閾值，紅色空心五角星為12個(gè)實(shí)際發(fā)生的地震，紅色虛線(xiàn)為最佳閾值線(xiàn)；圖9（b）為庫(kù)爾勒斷層H2濃度τ-v曲線(xiàn)及概率增益（Gain）等值線(xiàn)；圖9（c）為庫(kù)爾勒斷層 H2濃度τ-v曲線(xiàn)及顯著性水平α，不同顏色曲線(xiàn)為實(shí)際發(fā)生12個(gè)地震情況下不同顯著性水平α等值線(xiàn)。圖9（b）、9（c）中紅色粗階梯線(xiàn)為預(yù)測(cè)閾值從大到小滑動(dòng)得到的τ-v曲線(xiàn)，藍(lán)色圓圈代表最接近原點(diǎn)（0，0）的τ-v值，其閾值可視為最佳閾值。

圖9 庫(kù)爾勒斷層H 2濃度Molchan檢驗(yàn)結(jié)果

由圖9（a）可見(jiàn)，庫(kù)爾勒斷層 H2濃度去趨勢(shì)后的最佳閾值為 0.3392×10-6。圖9（b）、9（c）右下角（1，0）點(diǎn)表示地震全都報(bào)準(zhǔn)，但它的時(shí)間占有率也是最大的，覆蓋數(shù)據(jù)的整個(gè)時(shí)間段；縱坐標(biāo)代表漏報(bào)率（左）和報(bào)準(zhǔn)數(shù)（右），漏報(bào)率越大則報(bào)準(zhǔn)數(shù)就越小，例如，左上角（0，1）點(diǎn)表示地震全部漏報(bào)即一個(gè)都沒(méi)有報(bào)準(zhǔn)，而它的時(shí)間占有率卻是最小的，可先判斷各自的預(yù)測(cè)效果，進(jìn)而綜合分析判斷庫(kù)爾勒斷層H2濃度的預(yù)測(cè)效果。

從庫(kù)爾勒斷層H2濃度Molchan檢驗(yàn)結(jié)果可看出，在55天圓圈所示位置，12個(gè)實(shí)際發(fā)生的地震中，報(bào)準(zhǔn)10個(gè)地震，漏報(bào)2個(gè)地震，報(bào)準(zhǔn)率較高，且概率增益較大，時(shí)間占有率較低，顯著性水平α更接近最小α等值線(xiàn)，置信水平較高，說(shuō)明預(yù)測(cè)效果很好。所以，該斷層H2濃度的優(yōu)勢(shì)對(duì)應(yīng)地震時(shí)間段為2個(gè)月以?xún)?nèi)的短期，尤其在2個(gè)月時(shí)效果更好，在55天的最佳閾值為0.3392×10-6，此閾值可作為相應(yīng)時(shí)間段的“警報(bào)”閾值。

基于以上分析結(jié)果，將庫(kù)爾勒斷層H2濃度異常指標(biāo)定為0.3392×10-6，對(duì)報(bào)準(zhǔn)的10個(gè)地震與異常的對(duì)應(yīng)關(guān)系情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1）。由表1可知，庫(kù)爾勒斷層H2濃度變化幅度與震級(jí)、震中距間沒(méi)有明顯的線(xiàn)性關(guān)系，但從異常開(kāi)始到發(fā)震的時(shí)間都小于2個(gè)月，最短為5天，最長(zhǎng)為56天，這與由Molchan圖表法定量提取的優(yōu)勢(shì)時(shí)間段（2個(gè)月內(nèi)）結(jié)果一致，說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)斷層H2測(cè)項(xiàng)短期預(yù)測(cè)效果好。

表1 庫(kù)爾勒斷層H 2濃度異常與地震對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.2 基于Molchan圖表法的預(yù)測(cè)效能分析

庫(kù)爾勒斷層H2濃度氣壓效應(yīng)和溫度效應(yīng)明顯，二者同時(shí)作用引起H2濃度年動(dòng)態(tài)變化，但這2種影響因素又無(wú)法同時(shí)去除，故在日常觀測(cè)資料分析中很難判定H2濃度真實(shí)變化。因此，對(duì)于這類(lèi)數(shù)據(jù)，在用Molchan圖表法進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)需要對(duì)H2濃度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行小波去趨勢(shì)處理，以針對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果綜合分析報(bào)準(zhǔn)率、概率增益和時(shí)空占有率等。

表2為庫(kù)爾勒臺(tái)斷層H2濃度在不同預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)的最佳閾值、預(yù)報(bào)效能、概率增益（Gain）、時(shí)間占有率τ和漏報(bào)率v等。由表2可見(jiàn)，雖然132天時(shí)預(yù)測(cè)效能最高（0.772），但漏報(bào)率也相對(duì)較高（0.25）。55、105天的漏報(bào)率較低（0.167），但時(shí)間占有率相對(duì)較高。105、132天的預(yù)測(cè)效能也較高，圖10為二者檢驗(yàn)結(jié)果。由圖10可見(jiàn)，105天（4個(gè)月內(nèi)）和132天（5個(gè)月內(nèi)）的面積相對(duì)較小，但二者的最佳閾值即圓圈所在位置卻不同，表現(xiàn)為在105天時(shí)報(bào)準(zhǔn)10個(gè)地震，漏報(bào)2個(gè)地震；在132天時(shí)報(bào)準(zhǔn)9個(gè)地震，漏報(bào)3個(gè)地震；105天的報(bào)準(zhǔn)率大于132天。而此時(shí)，132天時(shí)概率增益大于2，大于105天時(shí)的概率增益，并且時(shí)空占有率更小，說(shuō)明在中期預(yù)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，132天即5個(gè)月內(nèi)的預(yù)測(cè)效果更好。以上結(jié)果都說(shuō)明，庫(kù)爾勒斷層H2濃度的映震效果較好，優(yōu)勢(shì)對(duì)應(yīng)時(shí)段為中短期，尤其是短期。

表2 庫(kù)爾勒斷層H 2預(yù)測(cè)效能評(píng)估與預(yù)報(bào)指標(biāo)

圖10 庫(kù)爾勒斷層H 2濃度不同預(yù)測(cè)時(shí)間的預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)結(jié)果

利用Molchan圖表法分析前兆數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)效能時(shí)，需充分考慮由以上各種因素得到的綜合檢驗(yàn)結(jié)果，不能簡(jiǎn)單依據(jù)預(yù)測(cè)效能值的大小來(lái)提取最佳預(yù)測(cè)指標(biāo)。

5 結(jié)論與討論

本文主要從2個(gè)方面對(duì)庫(kù)爾勒臺(tái)斷層H2濃度觀測(cè)資料進(jìn)行分析，首先分析了斷層H2濃度與氣壓、溫度的相關(guān)性特征，然后基于Molchan圖表法對(duì)斷層H2濃度映震效能進(jìn)行了定量檢驗(yàn)及其預(yù)測(cè)指標(biāo)提取。得到以下初步認(rèn)識(shí)。

（1）庫(kù)爾勒臺(tái)斷層H2濃度與氣壓之間的相關(guān)系數(shù)為0.6735，呈正相關(guān)，氣壓增大，H2濃度升高；斷層H2濃度與溫度之間的相關(guān)系數(shù)為-0.4262，呈負(fù)相關(guān)，溫度升高，H2濃度降低。氣壓對(duì)斷層H2濃度的影響較大，溫度對(duì)斷層H2濃度的影響較小。

（2）庫(kù)爾勒臺(tái)斷層H2濃度氣壓效應(yīng)和溫度效應(yīng)顯著，二者同時(shí)作用共同引起了H2濃度年變變化，每年4～6月開(kāi)始下降，7～8月濃度達(dá)到最低值，9月又開(kāi)始回升，并且下降、上升幅度都在1.1×10-6以上，年變幅度較大，而H2濃度變化小于年變幅度變化，因此，分析該觀測(cè)點(diǎn)H2濃度數(shù)據(jù)時(shí)有必要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理。

（3）利用Molchan圖表法，對(duì)庫(kù)爾勒臺(tái)斷層H2濃度的映震效能進(jìn)行了檢驗(yàn)和定量化的預(yù)測(cè)判定指標(biāo)提取。結(jié)果顯示，優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)地震對(duì)應(yīng)時(shí)段為2個(gè)月內(nèi)，最佳閾值為0.3392×10-6，該閾值可作為庫(kù)爾勒臺(tái)斷層H2濃度的短臨異常預(yù)測(cè)指標(biāo)。