華南流體預測指標提取及應用實例

廖麗霞，秦雙龍，莫佩嬋

（1.福建省地震局，福州 350001；2.廣西壯族自治區地震局，南寧 530022）

0 引言

2015 年以來為深化會商制度改革，在中國地震局監測預報司的部署和推動下，中國地震局四大學科先后開展了地震預測指標體系清理工作。中國地震局流體學科早在2015 年就率先開展了這項工作，筆者于2016 年初步建立了華南地區流體地震預測指標體系。2017 年按監測預報司的部署，由福建省地震局預報中心牽頭，華南地區測震、流體、形變、電磁四大學科聯合進行了新一輪預測指標的清理工作。

福建、廣西、廣東、海南、江西、湖南六省流體技術骨干歷時一年，在2016 年全國流體學科分析預報技術管理組牽頭完成的華南地區流體地震預測指標體系的基礎上，進一步修改完善，于2017 年底完成并經中國地震局震例組驗收。目前該指標體系已在震情跟蹤工作中應用了4年，有較好的年度地震趨勢判定結果，也有不足之處需改進，本文闡述了該指標體系的提取方法及其在實際震情跟蹤工作中的應用實例，針對其存在問題進行討論并提出改進方案。

1 華南流體臺網及地震概況

截至2022 年1 月，華南地區（包含福建、廣東、廣西、海南、江西、湖南六?。┱＿\行的流體測項共有198 項，觀測站82 個，其中觀測臺站最多的是福建、廣東兩省，均在20 個以上。片區最多的觀測網點是水位76 個，其次是水溫75 個，水氡7 個，水質6 個，氣氡5 個，氣汞3 個，氣體1個。2020 年以來福建和廣西地震局還陸續開展了地球化學流動觀測，主要觀測斷層氣（氡、氫氣和二氧化碳）和溫泉氣體（氡、氫氣、二氧化碳及氦氖碳同位素）及水質。華南地區流體觀測井空間分布情況詳見圖1。

圖1 華南區域流體觀測點空間分布圖Fig.1 Spatial distribution map of fluid observation points in South China

華南是一個少震弱震區，地震以4 級為主。2001 年 1 月 1 日至 2022 年 1 月 31 日發生的 5 級以上地震僅5 次，其中3 次發生在廣西。這些地震分別是2005 年11 月26 日九江—瑞昌5.7 級地震、2016年 7 月 31 日廣西蒼梧 5.4 級 地 震 、2018 年 11 月 26日臺灣海峽6.4 級地震、2019 年10 月12 日廣西北流 5.2 級地震和 2019 年 11 月 25 日廣西靖西 5.2 級地震。其中最大的地震是2018 年11月26日臺灣海峽6.4 級地震；最大的陸域地震是2005 年11 月26 日九江—瑞昌5.7級地震。

2 華南流體預測指標提取

2.1 技術思路

（1）根據多次片區流體臺網監測效能和預報效能評估，對評估效能好的臺站和觀測項目進行重點分析。經過多次片區流體臺網監測效能和預報效能評估，監測效能和預報效能較好的依次為水氡、水質、水位、氣氡（圖2）；氣汞數據突跳較嚴重觀測質量不穩定不可靠，九江2 井新增一套氣汞，運行較穩定，但因觀測時間太短目前沒有震例；水溫觀測時間較長，受電壓不穩及環境干擾較嚴重也沒有取得震例。所以將水氡、水質、水位作為重點研究對象，對監測效能好的臺站如華安汰內井、廈門東孚井、河源黃子洞井、桂平西山井、石康井、香1井、瓊海加積井等觀測資料進行重點分析，提取點的異常指標。

圖2 華南區域流體臺網預報效能評估結果圖Fig.2 Prediction effectiveness evaluation result chart of fluid network in South China

（2）結合中國震例中華南震例統計分析結果，進行華南流體預測指標提取。通過中國震例中華南片區的14 個震例（1966—2012）[1-8]的統計數據分析，華南地區流體前兆異常震中距范圍在60～250 km 區間的最多占75.51%，為主流震中距；流體異常持續時間在半年內的占62.24%；異常出現距發震時間為半年的占61.10%，因此半年之內為優勢發震時間；地球化學測項是該區的特征靈敏組分，占總映震數的77.1%（圖3），尤其是氡和水質，由于其對中、小地震反應較為靈敏，是華南地區較好的時間指標[9]。早在2002年，廖麗霞等就對中酸性巖漿巖地區水文地球化學組分映震能力做了分析，并從礦物學角度出發，認為中酸性巖漿巖中含有大量的長石、云母，即含有大量的不穩定因子［AlO4］。在孕震過程中隨溫度壓力的改變，［AlO4］四面體中四配位的Al 極易在六配位、八配位的Al 之間轉變，而礦物則在四配位的長石、云母和六配位、八配位的高嶺石、綠簾石間轉變，從而使動態平衡反應失衡，導致各種離子及二氧化硅含量發生改變，從而使這些地球化學指標具備了映震能力[10]。華南地區燕山期出現大規模的中酸性巖漿巖侵入，為地球化學量作為該區特征靈敏組分提供了物質基礎及理論依據。據此將以地球化學組分作為時間指標進行重點分析，而預測時間及震中距則根據中國震例統計的結果，依優勢發震時間，預測時間一般定為半年，依主流震中距，預測震中距一般定在250 km內。

圖3 華南區域歷史震例中異常測項占比情況圖Fig.3 The percentage of abnormal items in historical earthquakes in South China

（3）根據流體各觀測項目資料本身的特點進行綜合分析。水位由于觀測資料頻繁受觀測技術系統、降雨、基建、抽水等干擾，在地震頻度、強度較小的華南地區難以提取到具有普適性的可靠的臨震及短臨異常信息，故在此結合區域背景應力場的概念，從趨勢動態提取中期指標，在同一時期，對全區進行時空掃描，如單個或多個水井水位出現年動態畸變、同一構造帶上多個水井水位持續多年趨勢上升等則認為這些水位井所在的區域可能是應力水平增強區，把這些線或點的異常作為空間異常指標來提??；而水溫因觀測質量較差，歷史震例很少，日常工作中沒取得可靠的震例，未能提取到具有普適性的可靠指標。

（4）根據華南地區的區域特點進行面的指標提取。利用華南地區部分省份如福建水位觀測井密度大，對世界巨震及中國大震、區域中強地震同震響應震例較多的特點，從同震響應角度進行分析，從同震響應的不同動態推測區域背景應力場的不同狀態對未來發震空間的指示意義提取面的指標，增加了資料的可用性。

綜合以上特點，時間預測指標以氡、水質為主，水位為輔，結合效能評估好的水化學資料加以提??；空間指標以水位為主，化學量為輔從點、線、面展開分析，加以提取。根據資料特點給出不同臺站不同觀測手段異常提取方法和判定標準。異常的提取原則為：提取地震前有較高重現率的前兆標志性異常，提取的異常指標要求對地震的對應率要高、漏報率和虛報率盡可能低，虛報率最少低于50%，且至少對地震三要素之一具有較為明確的指示意義。

2.2 預測指標提取

2.2.1 時間預測指標提取

歷史震例分析顯示地球化學測項的主要特點是時間指示意義強，空間和強度指示意義相對弱，因此預測的時間指標主要從地球化學測項進行提取，提取原則為：根據地震的最佳對應效果確定判據，在排除干擾的前提下當達某閾值多次對應地震且符合孕震機理，這個閾值則作為異常判定標準；或當出現某特征后多次對應地震，這個特征則作為異常判定標準；依據華南歷史震例統計規律一般將異常出現后半年左右作為發震預判時間。同時根據不同測項的映震規律，將預測時間指標分為短期、中期、長期。短期指標主要以水氡為主，中期指標主要以水質為主，長期指標主要以水位為主。

這些指標根據歷史震例雖然也具有空間指示意義但較弱，范圍也較大，一般在異常測點周圍250 km范圍內。

華南地區內有四口井的氡和水質映震效能較好，它們是華安汰內井、黃子洞井、廈門東孚井、寧德井。如當華安汰內井水氡出現隔年原始數據月均值之差≥4 Bq/L 這一經驗閾值后，與臺灣地區7 級以上地震有很好的對應關系，地震發生時間多數在超閾值后一年左右，這作為中期預測指標進行提??；出現與氣溫不同步的震蕩，氣溫平穩水氡震蕩這一異常后，與臺站周圍250 km 范圍內ML≥4.5 地震有很好的對應關系，地震發生時間多數在異常出現后1個月左右，黃子洞水氡日測值超過25 Bq/L 與東源ML3.5～4.5地震有較好的對應關系，地震發生時間一般在異常出現后15 d 內，這些作為短期（短臨）預測指標進行提??；華安汰內井和廈門東孚井的水質、寧德井的氣氡超經驗閾值與井孔周圍250 km 范圍內ML≥4.5 地震有較好的對應關系，地震發生時間一般在異常出現后半年左右，這作為中期預測指標進行提??；黃子洞水氡五日均值超1.7倍均方差并持續2個月以上與河源ML4.5以上地震有較好的對應關系，地震發生時間一般在異常出現14 個月內等。另外，分析還發現廣西部分水井水位沒有出現正常的夏高冬低年動態，出現破年變異常時，臺站300 km 左右范圍內一般一年內存在發生5級以上地震的可能。雖然震例不多，但同一區域同步出現2 口（含2 口）以上水井水位破年變異常，異?？尚哦葧?。2016 年廣西蒼梧地震就是在桂平西山井和石康井水位出現破年變異常近一年后發生的。因此也將水位破年變異常作為時間的中期指標。時間預測指標的典型震例如圖4。

習近平總書記指出：“愛國，不能停留在口號上，而是要把自己的理想同祖國的前途、把自己的人生同民族的命運緊密聯系在一起，扎根人民，奉獻國家?！盵注]習近平：《在北京大學師生座談會上的講話》，《人民日報》2018年5月3日，第2版。愛國不能只是一句口號，必須要將愛國認知和愛國情感轉化為愛國行動、愛國實踐。

圖4 華南地區時間預測指標典型震例圖Fig.4 Typical earthquake case diagram of time prediction index in South China

2.2.2 空間預測指標提取

空間指標以水位為主，化學量為輔。對全區流體觀測資料從預報評估等級、觀測儀器運行情況、觀測資料評價情況、各測項主要干擾因素進行調研，水位受氣侯、觀測環境及觀測技術系統影響較大，外加該區地震強度小，前兆信息弱很難提取到臨震及短臨、短期異常，實際上該區水位的歷史震例也較少，時間指標較難提取，為最大限度地應用觀測資料，充分應用其數字化資料采樣率高的優勢，從同震響應分鐘值資料結合趨勢動態進行分析，提取水位趨勢動態、同震響應場的信息，探討其與地震的空間相關性，提取了未來地震的空間指標。

空間預測指標的主要指示意義在于未來的發震空間，對時間的指示意義較弱，出現異常地震可以在近期也可能在未來的較長時間如3 年內發生，但能判定發震地點，某種意義上也是一項時間上的長期預測指標。

線性地點指標提取方法：線性指標主要是圍繞處于同一構造帶上的觀測井水位多年趨勢動態展開分析進行提取，該指標是在福建地區2007 年以來取得多個震例的基礎上推廣至華南地區的。通過華南地區多個震例分析、總結發現：同一構造帶上多井水位（準）同步出現多年趨勢上升（一般持續2 年以上）該斷裂帶未來均有中強地震發生，因此可以作為地點的判定指標。如：2007 年永春ML4.6 地震在永安—晉江斷裂帶多井水位同步趨勢上升的背景下發生；2013 年仙游ML5.2 地震在長樂—詔安斷裂帶多井水位同步趨勢上升的背景下發生；2005 年平果4.8 級地震、2013 年平果ML4.9地震、2017 年靖西ML4.6 地震、2019 年北流 5.2 級地震、靖西5.2 級地震都是在百色—合浦斷裂帶多井水位同步趨勢上升的背景下發生的；北部灣地區的多次ML5.0 以上地震是在儋州西流井、瓊海加積井水位持續趨勢上升或下降4 至5 年，爾后轉折下降或上升后約1～2年內發生。線性空間預測指標的典型震例如圖5。

圖5 華南地區線性地點預測指標典型震例圖Fig.5 Typical earthquake case of linear location prediction index in South China

面狀地點指標提取方法：面狀地點指標主要是對水位同震響應形態深入分析提取的空間指標。華南地區的震例分析顯示當多個水位井對同一次世界8級大震的同震響應表現為階升形態，且圍成一定的空間區域范圍時，預示未來3年內多個水位同震階升井圍成的空間區域內多有ML≥4.0 地震發生，地震一般發生在引起水位出現階升的世界巨震發生后2 年內。如：2006 年北部灣ML4.5、2007年順昌ML4.9、4.7、永春ML4.6 地震都發生在2004年印尼8.7 級地震同震響應階升集中區內；2008 年長泰ML4.7 地震發生在2008 年汶川8.0 級地震同震響應階升集中區內；2011 年北部灣ML4.1、2012 年河源ML5.1 地震、2013 年仙游ML5.2 地震都發生在2011年日本9級地震同震響應階升集中區內。2015年4 月25 日尼泊爾8.1 級地震引起華南全區大范圍水井水位出現階升，這種規模較大的水位階升在整個華南地區也是較少見的，隨后在2015 至2016年間華南地區發生了11 次ML≥4.0 的地震，最大地震為廣西蒼梧5.6級。

分析認為這種大范圍的水位同震階升響應跟區域應力增加可能有一定的關聯。實際上面上指標有其地球物理學依據。筆者曾對水位觀測井較為密集的福建地區的水位震后效應區和形變異常區及福建區域地震活動的相關性進行分析，結果顯示福建多次ML4.5 地震孕育過程均伴隨著形變異常及水位階升震后效應的同步性。2007—2008 年上半年，福建地區水位同震階升區、壓應力場（利用福建省流動跨斷層短水準、定點形變的伸縮儀和鉆孔體應變觀測資料，統計分析各臺項趨勢受力情況中受壓的各觀測點圍成的空間范圍）主要分布在鄭和-海豐斷裂帶及長樂—詔安斷裂帶北段，而2007—2008 年上半年福建地區的地震如2007 年3 月 13 日順昌ML4.9、4.7 地震、2008 年 3 月 6 日古田ML4.8 地震都發生在水位同震階升和形變壓應力集中的區域。2008 年下半年，福建地區的水位同震階升區、形變壓應力集中區均轉移到閩南地區，2008 年7 月5 日長泰ML4.7 地震同樣發生在水位同震階升區和形變壓應力集中的區域[11]。這也從另一個側面驗證了水位同震階升區與水位趨勢上升區可能確實與區域應力水平增強有關，可作為未來地震的危險地點的判定依據。

面狀空間預測指標的典型震例如圖6。

圖6 華南地區面狀地點預測指標典型震例圖Fig.6 Typical earthquake case of areal location prediction index in South China

3 華南流體預測指標應用

近幾年，筆者嘗試將上述預測指標應用到華南地區日常震情跟蹤及年度會商工作中，一是通過分析全球8級地震在華南地區引起水位同震響應的動態變化特征，來判斷華南地區未來的地震趨勢。2016年以來全球共發生4次8級地震，從2016年11月13日新西蘭8.0級地震到2017年9月8日墨西哥8.2、2018年阿拉斯加灣8.0級地震、2018年8月19 日斐濟群島8.1級地震，全區水位井沒有出現多井同震階升的現象，僅長沙井在阿拉斯加灣8.0級地震時出現單井同震階升，其它井同震響應的動態均是水震波或沒響應，據此在2017、2018、2019、2020 年度會商時認為從面上分析華南地區不存在應力高度集中的大面積空間區域，判斷下一年度華南區域發生ML≥4.5 地震的可能性較小，實際結果除廣西地區外其它地區均沒有發生ML≥4.5 地震。二是通過掃描全區多個斷裂帶，水位是否存在多井同步或準同步趨勢上升，捕捉到百色—合浦、巴馬—博白斷裂帶上存在多井水位趨勢上升，據此在2017 年度會商報告中對2017 年靖西ML4.6 地震做出過較為準確的年度趨勢預測判定；同時在2019、2020 年度華南地區流體學科會商報告中均明確指出百色—合浦斷裂帶及鄰近區域存在發生ML4.5 地震的可能，結果在2019 年10月 12 日發生了北流 5.2 級地震、2019 年 11 月 25 日發生了靖西5.2 級地震。三是應用福建及廣東的水氡、水質指標進行年度預判，除2017 年華安汰內井隔年原始數據月均值之差提取到異常，預判臺灣地區2018 年度存在發生7 級地震可能，但臺灣2018 年度并沒發生預判的7 級地震，只發生6.7 級地震及臺灣海峽發生了6.4 級地震外，其它指標均未提取到中短期異常，據此在2016—2021 年度的會商報告中做出的廣東、福建區域下一年度無ML≥4.5地震、2019—2021年度臺灣無7級地震的判定，這些年度判定均符合實際情況。

部分指標早在2007 年以來就一直應用在福建日常震情跟蹤工作中。2008 年筆者在汶川地震后曾應用福建地區水位對汶川地震的同震階升集中區，對2008 年7 月5 日長泰ML4.7 地震的空間位置做出較為準確的預判；2013 年應用華安汰內井、漳州龍師1號井和廈門東孚井氟離子高值異常這一中期預測指標，于2013 年3 月8 日對同年9 月的仙游ML5.2 震群做出一定程度的時間預測[12]，并綜合應用多井氟離子高值異常、日本9級地震福建區域水位的同震階升集中區、長樂—詔安斷裂帶上多井水位同步趨勢上升這些異常進行分析，對仙游ML5.2 震群的空間位置做出較為準確的預判[13]。說明這些指標曾得到了部分地震檢驗。

4 預測指標應用過程中存在問題

存在問題1：由于華南地處少震弱震區，線性指標是根據福建地區4級地震的震例基礎上推廣應用并進行提取的。因地震小故關注的區域空間較小，如只是針對一條、一條斷裂帶進行掃描，只要同一條斷裂帶沒出現多井水位趨勢上升就認為該斷裂帶是安全的。因此預測指標初建時線性指標是將地震發生預判地點定在多水井水位趨勢上升所在的斷裂上，但地震常常發生在與預測斷裂平行的構造帶上，如2016 年來賓地震、2019 年北流地震、靖西地震、2021 年德保地震。以北流地震為例，北流地震前在提取到百色—合浦斷裂帶上香1 井、平1 井、石埠井3 井水位準同步趨勢異常，另外巴馬—博白斷裂上還有一口九塘井水位也同步趨勢上升，據此認為百色—合浦斷裂帶及鄰近區域在2019 年度有發生ML4.5 以上地震的可能。震后從廣西、廣東、海南三省收集資料進行分析，發現北流地震300 km 范圍內共有16 個水位觀測站，其中三水、信宜、羅屋、石埠、九塘、?？?、向榮、火山等8 口井的水位在震前持續3 年以上的趨勢上升，如圖7；另外北海、桂平、陽西三口井的水位從2018 年開始也呈趨勢上升，其中北海、桂平井2018 年還同步出現水位破年變高值異常。

圖7 北流地震300 km范圍內觀測井水位多年趨勢上升動態圖Fig.7 Dynamic diagram of multi-year rising trend of water level of observation wells within 300 km of Beiliu earthquake

存在問題2：從圖1 中可見華南地區流體臺網分布不均、不足。從圖5c 中可見地震頻率相對華南其它地區更高的靖西—崇左斷裂帶上沒布設觀測點、巴馬—博白斷裂帶上也僅有九塘一個觀測點。因觀測點密度不夠導致出現預測盲區，就是有空間指標也難以判定這些斷裂未來的發震情況。

存在問題3：流體測項占比不科學，映震效能較好的地球化學量僅占全區總測項數的23.7%，導致時間預測指標較少或缺失。多個省份缺乏地球化學量或有效地球化學量的觀測，如有的雖有地球化學量觀測但因觀測技術系統不穩或周邊干擾嚴重觀測質量不佳：廣東?？蝶}場、三元里水質多受抽水、海水侵入干擾資料不可靠；湖南湘鄉井、海南蘭洋溫泉臺氣氡受抽水、降雨等干擾資料不可靠；江西九江臺2號井、會昌井氣汞因觀測技術系統資料不可靠等，均難以提取到震例；廣西沒有地球化學觀測臺站；福建流體臺網地球化學測項僅占21.05%，且流體臺網多是地方自主建設，專業臺站僅占所有正常觀測臺站的9.38%。

存在問題4：數據共享渠道還不夠暢通、便利。北流地震前如能便利獲取300 km 范圍內所有16 個水位觀測站的資料進行分析，如此規模的群體異常，應會對地震的判定幫助很大，也能更準確的判定地震的空間及強度。

5 指標改進方案及流體臺網優化建議

5.1 指標改進方案

2017 年指標梳理完成以來，一直邊應用、邊實踐、邊完善，目前已進行了二個方案的改進。

改進方案1：鑒于流體臺網現狀，對空間線性指標進行改進，不再把注意力集中在某條斷裂帶上，而是關注同一方向的成組斷裂帶。由于中強地震受力范圍更廣，應該從更大的范圍跨不同斷層來分析、判定。線性指標提取方法改為：如果一定的空間范圍內平行的多條斷裂帶上出現多口水位趨勢上升水井，則這些井所在的這組斷裂帶區域存在發生中強地震的可能。

改進方案2：由于多個省份缺少地球化學量這些映震效能較好的時間指標，數字化水位受觀測技術系統、周邊環境及降雨干擾較難提取到可靠的時間指標，因此一是結合區域應力水平增強的概念，廣泛應用水位年動態畸變作為時間預測的中期指標。二是2019 年開始充分應用輔助觀測資料流量（流量因是模擬觀測，不受觀測技術系統影響，資料較為可靠）與水位進行綜合分析，將流量納入預測指標。2017 年指標梳理時僅桂平西山井和石康井水位出現過1 次年動態畸變異常的震例，在2019 年度華南流體學科會商工作中，通過對水位及流量資料的綜合分析，發現北海井水位、桂平井水位及信宜1號井流量同步在蒼梧、來賓地震前出現年動態畸變的現象，梳理后認為是較好的中期指標，據此對北流地震做出了一定程度的年度預測，如圖8。

圖8 北海井、桂平井水位及信宜1號井流量對周邊地震映震圖Fig.8 Seismic response map of water level of Beihai well，Guiping well and Xinyi No.1 well discharge to surrounding earthquakes

5.2 流體臺網優化建議

建議1：提高臺網密度。由于華南流體觀測井網稀疏、空間分布極不均勻，且地球化學觀測點整體觀測密度較低，未能全面監控全區的地下流體活動情況，建議根據各省測點布設情況增加相應的流體觀測點，提高華南區域臺網的整體監測密度。在一條關鍵斷裂帶至少布3個觀測點以便可以從場上進行線和面的分析判定。對于不方便設立固定觀測站的地方，可考慮應用華南地區溫泉遍布的地域優勢，建立溫泉流動觀測點按一定周期進行現場觀測、取樣或委托當地村民取樣寄實驗室進行水質分析。

建議2：提高臺網監測效能：對監測效能差的儀器及觀測點進行清理，如是觀測技術系統問題，能改善的改善，無法改善的淘汰并調研性能更穩定觀測質量更高的儀器進行觀測技術系統升級；如是觀測點的問題，若長期干擾嚴重且無法排除、避免，則另找觀測點取代。適當增加華南地區映震特征靈敏組分地球化學量的觀測，以便可以應用地球化學參數從時間上對地震進行預測，這將有助于提高片區地震短期、短臨預測能力。另外在選擇、建設相應流體觀測井網時，切實勘察，盡可能建設深井流體觀測，減少諸多干擾因素。

建議3：完善數據庫，疏通數據共享通道：一是要將早期未入庫的觀測資料按最新規范要求的數據格式入庫；二是早期未配備氣象三要素觀測的臺站，從當地氣象部門獲取并補充完善；三是建立便捷的數據共享通道，加強片區各省、各地方地震部門的數據共享及會商聯動機制，以便對片區進行時空全方位深入分析，提高片區地震預測水平。