华南流体预测指标提取及应用实例

廖丽霞，秦双龙，莫佩婵

（1.福建省地震局，福州 350001；2.广西壮族自治区地震局，南宁 530022）

0 引言

2015 年以来为深化会商制度改革，在中国地震局监测预报司的部署和推动下，中国地震局四大学科先后开展了地震预测指标体系清理工作。中国地震局流体学科早在2015 年就率先开展了这项工作，笔者于2016 年初步建立了华南地区流体地震预测指标体系。2017 年按监测预报司的部署，由福建省地震局预报中心牵头，华南地区测震、流体、形变、电磁四大学科联合进行了新一轮预测指标的清理工作。

福建、广西、广东、海南、江西、湖南六省流体技术骨干历时一年，在2016 年全国流体学科分析预报技术管理组牵头完成的华南地区流体地震预测指标体系的基础上，进一步修改完善，于2017 年底完成并经中国地震局震例组验收。目前该指标体系已在震情跟踪工作中应用了4年，有较好的年度地震趋势判定结果，也有不足之处需改进，本文阐述了该指标体系的提取方法及其在实际震情跟踪工作中的应用实例，针对其存在问题进行讨论并提出改进方案。

1 华南流体台网及地震概况

截至2022 年1 月，华南地区（包含福建、广东、广西、海南、江西、湖南六省）正常运行的流体测项共有198 项，观测站82 个，其中观测台站最多的是福建、广东两省，均在20 个以上。片区最多的观测网点是水位76 个，其次是水温75 个，水氡7 个，水质6 个，气氡5 个，气汞3 个，气体1个。2020 年以来福建和广西地震局还陆续开展了地球化学流动观测，主要观测断层气（氡、氢气和二氧化碳）和温泉气体（氡、氢气、二氧化碳及氦氖碳同位素）及水质。华南地区流体观测井空间分布情况详见图1。

图1 华南区域流体观测点空间分布图Fig.1 Spatial distribution map of fluid observation points in South China

华南是一个少震弱震区，地震以4 级为主。2001 年 1 月 1 日至 2022 年 1 月 31 日发生的 5 级以上地震仅5 次，其中3 次发生在广西。这些地震分别是2005 年11 月26 日九江—瑞昌5.7 级地震、2016年 7 月 31 日广西苍梧 5.4 级 地 震 、2018 年 11 月 26日台湾海峡6.4 级地震、2019 年10 月12 日广西北流 5.2 级地震和 2019 年 11 月 25 日广西靖西 5.2 级地震。其中最大的地震是2018 年11月26日台湾海峡6.4 级地震；最大的陆域地震是2005 年11 月26 日九江—瑞昌5.7级地震。

2 华南流体预测指标提取

2.1 技术思路

（1）根据多次片区流体台网监测效能和预报效能评估，对评估效能好的台站和观测项目进行重点分析。经过多次片区流体台网监测效能和预报效能评估，监测效能和预报效能较好的依次为水氡、水质、水位、气氡（图2）；气汞数据突跳较严重观测质量不稳定不可靠，九江2 井新增一套气汞，运行较稳定，但因观测时间太短目前没有震例；水温观测时间较长，受电压不稳及环境干扰较严重也没有取得震例。所以将水氡、水质、水位作为重点研究对象，对监测效能好的台站如华安汰内井、厦门东孚井、河源黄子洞井、桂平西山井、石康井、香1井、琼海加积井等观测资料进行重点分析，提取点的异常指标。

图2 华南区域流体台网预报效能评估结果图Fig.2 Prediction effectiveness evaluation result chart of fluid network in South China

（2）结合中国震例中华南震例统计分析结果，进行华南流体预测指标提取。通过中国震例中华南片区的14 个震例（1966—2012）[1-8]的统计数据分析，华南地区流体前兆异常震中距范围在60～250 km 区间的最多占75.51%，为主流震中距；流体异常持续时间在半年内的占62.24%；异常出现距发震时间为半年的占61.10%，因此半年之内为优势发震时间；地球化学测项是该区的特征灵敏组分，占总映震数的77.1%（图3），尤其是氡和水质，由于其对中、小地震反应较为灵敏，是华南地区较好的时间指标[9]。早在2002年，廖丽霞等就对中酸性岩浆岩地区水文地球化学组分映震能力做了分析，并从矿物学角度出发，认为中酸性岩浆岩中含有大量的长石、云母，即含有大量的不稳定因子［AlO4］。在孕震过程中随温度压力的改变，［AlO4］四面体中四配位的Al 极易在六配位、八配位的Al 之间转变，而矿物则在四配位的长石、云母和六配位、八配位的高岭石、绿帘石间转变，从而使动态平衡反应失衡，导致各种离子及二氧化硅含量发生改变，从而使这些地球化学指标具备了映震能力[10]。华南地区燕山期出现大规模的中酸性岩浆岩侵入，为地球化学量作为该区特征灵敏组分提供了物质基础及理论依据。据此将以地球化学组分作为时间指标进行重点分析，而预测时间及震中距则根据中国震例统计的结果，依优势发震时间，预测时间一般定为半年，依主流震中距，预测震中距一般定在250 km内。

图3 华南区域历史震例中异常测项占比情况图Fig.3 The percentage of abnormal items in historical earthquakes in South China

（3）根据流体各观测项目资料本身的特点进行综合分析。水位由于观测资料频繁受观测技术系统、降雨、基建、抽水等干扰，在地震频度、强度较小的华南地区难以提取到具有普适性的可靠的临震及短临异常信息，故在此结合区域背景应力场的概念，从趋势动态提取中期指标，在同一时期，对全区进行时空扫描，如单个或多个水井水位出现年动态畸变、同一构造带上多个水井水位持续多年趋势上升等则认为这些水位井所在的区域可能是应力水平增强区，把这些线或点的异常作为空间异常指标来提取；而水温因观测质量较差，历史震例很少，日常工作中没取得可靠的震例，未能提取到具有普适性的可靠指标。

（4）根据华南地区的区域特点进行面的指标提取。利用华南地区部分省份如福建水位观测井密度大，对世界巨震及中国大震、区域中强地震同震响应震例较多的特点，从同震响应角度进行分析，从同震响应的不同动态推测区域背景应力场的不同状态对未来发震空间的指示意义提取面的指标，增加了资料的可用性。

综合以上特点，时间预测指标以氡、水质为主，水位为辅，结合效能评估好的水化学资料加以提取；空间指标以水位为主，化学量为辅从点、线、面展开分析，加以提取。根据资料特点给出不同台站不同观测手段异常提取方法和判定标准。异常的提取原则为：提取地震前有较高重现率的前兆标志性异常，提取的异常指标要求对地震的对应率要高、漏报率和虚报率尽可能低，虚报率最少低于50%，且至少对地震三要素之一具有较为明确的指示意义。

2.2 预测指标提取

2.2.1 时间预测指标提取

历史震例分析显示地球化学测项的主要特点是时间指示意义强，空间和强度指示意义相对弱，因此预测的时间指标主要从地球化学测项进行提取，提取原则为：根据地震的最佳对应效果确定判据，在排除干扰的前提下当达某阈值多次对应地震且符合孕震机理，这个阈值则作为异常判定标准；或当出现某特征后多次对应地震，这个特征则作为异常判定标准；依据华南历史震例统计规律一般将异常出现后半年左右作为发震预判时间。同时根据不同测项的映震规律，将预测时间指标分为短期、中期、长期。短期指标主要以水氡为主，中期指标主要以水质为主，长期指标主要以水位为主。

这些指标根据历史震例虽然也具有空间指示意义但较弱，范围也较大，一般在异常测点周围250 km范围内。

华南地区内有四口井的氡和水质映震效能较好，它们是华安汰内井、黄子洞井、厦门东孚井、宁德井。如当华安汰内井水氡出现隔年原始数据月均值之差≥4 Bq/L 这一经验阈值后，与台湾地区7 级以上地震有很好的对应关系，地震发生时间多数在超阈值后一年左右，这作为中期预测指标进行提取；出现与气温不同步的震荡，气温平稳水氡震荡这一异常后，与台站周围250 km 范围内ML≥4.5 地震有很好的对应关系，地震发生时间多数在异常出现后1个月左右，黄子洞水氡日测值超过25 Bq/L 与东源ML3.5～4.5地震有较好的对应关系，地震发生时间一般在异常出现后15 d 内，这些作为短期（短临）预测指标进行提取；华安汰内井和厦门东孚井的水质、宁德井的气氡超经验阈值与井孔周围250 km 范围内ML≥4.5 地震有较好的对应关系，地震发生时间一般在异常出现后半年左右，这作为中期预测指标进行提取；黄子洞水氡五日均值超1.7倍均方差并持续2个月以上与河源ML4.5以上地震有较好的对应关系，地震发生时间一般在异常出现14 个月内等。另外，分析还发现广西部分水井水位没有出现正常的夏高冬低年动态，出现破年变异常时，台站300 km 左右范围内一般一年内存在发生5级以上地震的可能。虽然震例不多，但同一区域同步出现2 口（含2 口）以上水井水位破年变异常，异常可信度会更高。2016 年广西苍梧地震就是在桂平西山井和石康井水位出现破年变异常近一年后发生的。因此也将水位破年变异常作为时间的中期指标。时间预测指标的典型震例如图4。

习近平总书记指出：“爱国，不能停留在口号上，而是要把自己的理想同祖国的前途、把自己的人生同民族的命运紧密联系在一起，扎根人民，奉献国家。”[注]习近平：《在北京大学师生座谈会上的讲话》，《人民日报》2018年5月3日，第2版。爱国不能只是一句口号，必须要将爱国认知和爱国情感转化为爱国行动、爱国实践。

图4 华南地区时间预测指标典型震例图Fig.4 Typical earthquake case diagram of time prediction index in South China

2.2.2 空间预测指标提取

空间指标以水位为主，化学量为辅。对全区流体观测资料从预报评估等级、观测仪器运行情况、观测资料评价情况、各测项主要干扰因素进行调研，水位受气侯、观测环境及观测技术系统影响较大，外加该区地震强度小，前兆信息弱很难提取到临震及短临、短期异常，实际上该区水位的历史震例也较少，时间指标较难提取，为最大限度地应用观测资料，充分应用其数字化资料采样率高的优势，从同震响应分钟值资料结合趋势动态进行分析，提取水位趋势动态、同震响应场的信息，探讨其与地震的空间相关性，提取了未来地震的空间指标。

空间预测指标的主要指示意义在于未来的发震空间，对时间的指示意义较弱，出现异常地震可以在近期也可能在未来的较长时间如3 年内发生，但能判定发震地点，某种意义上也是一项时间上的长期预测指标。

线性地点指标提取方法：线性指标主要是围绕处于同一构造带上的观测井水位多年趋势动态展开分析进行提取，该指标是在福建地区2007 年以来取得多个震例的基础上推广至华南地区的。通过华南地区多个震例分析、总结发现：同一构造带上多井水位（准）同步出现多年趋势上升（一般持续2 年以上）该断裂带未来均有中强地震发生，因此可以作为地点的判定指标。如：2007 年永春ML4.6 地震在永安—晋江断裂带多井水位同步趋势上升的背景下发生；2013 年仙游ML5.2 地震在长乐—诏安断裂带多井水位同步趋势上升的背景下发生；2005 年平果4.8 级地震、2013 年平果ML4.9地震、2017 年靖西ML4.6 地震、2019 年北流 5.2 级地震、靖西5.2 级地震都是在百色—合浦断裂带多井水位同步趋势上升的背景下发生的；北部湾地区的多次ML5.0 以上地震是在儋州西流井、琼海加积井水位持续趋势上升或下降4 至5 年，尔后转折下降或上升后约1～2年内发生。线性空间预测指标的典型震例如图5。

图5 华南地区线性地点预测指标典型震例图Fig.5 Typical earthquake case of linear location prediction index in South China

面状地点指标提取方法：面状地点指标主要是对水位同震响应形态深入分析提取的空间指标。华南地区的震例分析显示当多个水位井对同一次世界8级大震的同震响应表现为阶升形态，且围成一定的空间区域范围时，预示未来3年内多个水位同震阶升井围成的空间区域内多有ML≥4.0 地震发生，地震一般发生在引起水位出现阶升的世界巨震发生后2 年内。如：2006 年北部湾ML4.5、2007年顺昌ML4.9、4.7、永春ML4.6 地震都发生在2004年印尼8.7 级地震同震响应阶升集中区内；2008 年长泰ML4.7 地震发生在2008 年汶川8.0 级地震同震响应阶升集中区内；2011 年北部湾ML4.1、2012 年河源ML5.1 地震、2013 年仙游ML5.2 地震都发生在2011年日本9级地震同震响应阶升集中区内。2015年4 月25 日尼泊尔8.1 级地震引起华南全区大范围水井水位出现阶升，这种规模较大的水位阶升在整个华南地区也是较少见的，随后在2015 至2016年间华南地区发生了11 次ML≥4.0 的地震，最大地震为广西苍梧5.6级。

分析认为这种大范围的水位同震阶升响应跟区域应力增加可能有一定的关联。实际上面上指标有其地球物理学依据。笔者曾对水位观测井较为密集的福建地区的水位震后效应区和形变异常区及福建区域地震活动的相关性进行分析，结果显示福建多次ML4.5 地震孕育过程均伴随着形变异常及水位阶升震后效应的同步性。2007—2008 年上半年，福建地区水位同震阶升区、压应力场（利用福建省流动跨断层短水准、定点形变的伸缩仪和钻孔体应变观测资料，统计分析各台项趋势受力情况中受压的各观测点围成的空间范围）主要分布在郑和-海丰断裂带及长乐—诏安断裂带北段，而2007—2008 年上半年福建地区的地震如2007 年3 月 13 日顺昌ML4.9、4.7 地震、2008 年 3 月 6 日古田ML4.8 地震都发生在水位同震阶升和形变压应力集中的区域。2008 年下半年，福建地区的水位同震阶升区、形变压应力集中区均转移到闽南地区，2008 年7 月5 日长泰ML4.7 地震同样发生在水位同震阶升区和形变压应力集中的区域[11]。这也从另一个侧面验证了水位同震阶升区与水位趋势上升区可能确实与区域应力水平增强有关，可作为未来地震的危险地点的判定依据。

面状空间预测指标的典型震例如图6。

图6 华南地区面状地点预测指标典型震例图Fig.6 Typical earthquake case of areal location prediction index in South China

3 华南流体预测指标应用

近几年，笔者尝试将上述预测指标应用到华南地区日常震情跟踪及年度会商工作中，一是通过分析全球8级地震在华南地区引起水位同震响应的动态变化特征，来判断华南地区未来的地震趋势。2016年以来全球共发生4次8级地震，从2016年11月13日新西兰8.0级地震到2017年9月8日墨西哥8.2、2018年阿拉斯加湾8.0级地震、2018年8月19 日斐济群岛8.1级地震，全区水位井没有出现多井同震阶升的现象，仅长沙井在阿拉斯加湾8.0级地震时出现单井同震阶升，其它井同震响应的动态均是水震波或没响应，据此在2017、2018、2019、2020 年度会商时认为从面上分析华南地区不存在应力高度集中的大面积空间区域，判断下一年度华南区域发生ML≥4.5 地震的可能性较小，实际结果除广西地区外其它地区均没有发生ML≥4.5 地震。二是通过扫描全区多个断裂带，水位是否存在多井同步或准同步趋势上升，捕捉到百色—合浦、巴马—博白断裂带上存在多井水位趋势上升，据此在2017 年度会商报告中对2017 年靖西ML4.6 地震做出过较为准确的年度趋势预测判定；同时在2019、2020 年度华南地区流体学科会商报告中均明确指出百色—合浦断裂带及邻近区域存在发生ML4.5 地震的可能，结果在2019 年10月 12 日发生了北流 5.2 级地震、2019 年 11 月 25 日发生了靖西5.2 级地震。三是应用福建及广东的水氡、水质指标进行年度预判，除2017 年华安汰内井隔年原始数据月均值之差提取到异常，预判台湾地区2018 年度存在发生7 级地震可能，但台湾2018 年度并没发生预判的7 级地震，只发生6.7 级地震及台湾海峡发生了6.4 级地震外，其它指标均未提取到中短期异常，据此在2016—2021 年度的会商报告中做出的广东、福建区域下一年度无ML≥4.5地震、2019—2021年度台湾无7级地震的判定，这些年度判定均符合实际情况。

部分指标早在2007 年以来就一直应用在福建日常震情跟踪工作中。2008 年笔者在汶川地震后曾应用福建地区水位对汶川地震的同震阶升集中区，对2008 年7 月5 日长泰ML4.7 地震的空间位置做出较为准确的预判；2013 年应用华安汰内井、漳州龙师1号井和厦门东孚井氟离子高值异常这一中期预测指标，于2013 年3 月8 日对同年9 月的仙游ML5.2 震群做出一定程度的时间预测[12]，并综合应用多井氟离子高值异常、日本9级地震福建区域水位的同震阶升集中区、长乐—诏安断裂带上多井水位同步趋势上升这些异常进行分析，对仙游ML5.2 震群的空间位置做出较为准确的预判[13]。说明这些指标曾得到了部分地震检验。

4 预测指标应用过程中存在问题

存在问题1：由于华南地处少震弱震区，线性指标是根据福建地区4级地震的震例基础上推广应用并进行提取的。因地震小故关注的区域空间较小，如只是针对一条、一条断裂带进行扫描，只要同一条断裂带没出现多井水位趋势上升就认为该断裂带是安全的。因此预测指标初建时线性指标是将地震发生预判地点定在多水井水位趋势上升所在的断裂上，但地震常常发生在与预测断裂平行的构造带上，如2016 年来宾地震、2019 年北流地震、靖西地震、2021 年德保地震。以北流地震为例，北流地震前在提取到百色—合浦断裂带上香1 井、平1 井、石埠井3 井水位准同步趋势异常，另外巴马—博白断裂上还有一口九塘井水位也同步趋势上升，据此认为百色—合浦断裂带及邻近区域在2019 年度有发生ML4.5 以上地震的可能。震后从广西、广东、海南三省收集资料进行分析，发现北流地震300 km 范围内共有16 个水位观测站，其中三水、信宜、罗屋、石埠、九塘、海口、向荣、火山等8 口井的水位在震前持续3 年以上的趋势上升，如图7；另外北海、桂平、阳西三口井的水位从2018 年开始也呈趋势上升，其中北海、桂平井2018 年还同步出现水位破年变高值异常。

图7 北流地震300 km范围内观测井水位多年趋势上升动态图Fig.7 Dynamic diagram of multi-year rising trend of water level of observation wells within 300 km of Beiliu earthquake

存在问题2：从图1 中可见华南地区流体台网分布不均、不足。从图5c 中可见地震频率相对华南其它地区更高的靖西—崇左断裂带上没布设观测点、巴马—博白断裂带上也仅有九塘一个观测点。因观测点密度不够导致出现预测盲区，就是有空间指标也难以判定这些断裂未来的发震情况。

存在问题3：流体测项占比不科学，映震效能较好的地球化学量仅占全区总测项数的23.7%，导致时间预测指标较少或缺失。多个省份缺乏地球化学量或有效地球化学量的观测，如有的虽有地球化学量观测但因观测技术系统不稳或周边干扰严重观测质量不佳：广东海康盐场、三元里水质多受抽水、海水侵入干扰资料不可靠；湖南湘乡井、海南兰洋温泉台气氡受抽水、降雨等干扰资料不可靠；江西九江台2号井、会昌井气汞因观测技术系统资料不可靠等，均难以提取到震例；广西没有地球化学观测台站；福建流体台网地球化学测项仅占21.05%，且流体台网多是地方自主建设，专业台站仅占所有正常观测台站的9.38%。

存在问题4：数据共享渠道还不够畅通、便利。北流地震前如能便利获取300 km 范围内所有16 个水位观测站的资料进行分析，如此规模的群体异常，应会对地震的判定帮助很大，也能更准确的判定地震的空间及强度。

5 指标改进方案及流体台网优化建议

5.1 指标改进方案

2017 年指标梳理完成以来，一直边应用、边实践、边完善，目前已进行了二个方案的改进。

改进方案1：鉴于流体台网现状，对空间线性指标进行改进，不再把注意力集中在某条断裂带上，而是关注同一方向的成组断裂带。由于中强地震受力范围更广，应该从更大的范围跨不同断层来分析、判定。线性指标提取方法改为：如果一定的空间范围内平行的多条断裂带上出现多口水位趋势上升水井，则这些井所在的这组断裂带区域存在发生中强地震的可能。

改进方案2：由于多个省份缺少地球化学量这些映震效能较好的时间指标，数字化水位受观测技术系统、周边环境及降雨干扰较难提取到可靠的时间指标，因此一是结合区域应力水平增强的概念，广泛应用水位年动态畸变作为时间预测的中期指标。二是2019 年开始充分应用辅助观测资料流量（流量因是模拟观测，不受观测技术系统影响，资料较为可靠）与水位进行综合分析，将流量纳入预测指标。2017 年指标梳理时仅桂平西山井和石康井水位出现过1 次年动态畸变异常的震例，在2019 年度华南流体学科会商工作中，通过对水位及流量资料的综合分析，发现北海井水位、桂平井水位及信宜1号井流量同步在苍梧、来宾地震前出现年动态畸变的现象，梳理后认为是较好的中期指标，据此对北流地震做出了一定程度的年度预测，如图8。

图8 北海井、桂平井水位及信宜1号井流量对周边地震映震图Fig.8 Seismic response map of water level of Beihai well，Guiping well and Xinyi No.1 well discharge to surrounding earthquakes

5.2 流体台网优化建议

建议1：提高台网密度。由于华南流体观测井网稀疏、空间分布极不均匀，且地球化学观测点整体观测密度较低，未能全面监控全区的地下流体活动情况，建议根据各省测点布设情况增加相应的流体观测点，提高华南区域台网的整体监测密度。在一条关键断裂带至少布3个观测点以便可以从场上进行线和面的分析判定。对于不方便设立固定观测站的地方，可考虑应用华南地区温泉遍布的地域优势，建立温泉流动观测点按一定周期进行现场观测、取样或委托当地村民取样寄实验室进行水质分析。

建议2：提高台网监测效能：对监测效能差的仪器及观测点进行清理，如是观测技术系统问题，能改善的改善，无法改善的淘汰并调研性能更稳定观测质量更高的仪器进行观测技术系统升级；如是观测点的问题，若长期干扰严重且无法排除、避免，则另找观测点取代。适当增加华南地区映震特征灵敏组分地球化学量的观测，以便可以应用地球化学参数从时间上对地震进行预测，这将有助于提高片区地震短期、短临预测能力。另外在选择、建设相应流体观测井网时，切实勘察，尽可能建设深井流体观测，减少诸多干扰因素。

建议3：完善数据库，疏通数据共享通道：一是要将早期未入库的观测资料按最新规范要求的数据格式入库；二是早期未配备气象三要素观测的台站，从当地气象部门获取并补充完善；三是建立便捷的数据共享通道，加强片区各省、各地方地震部门的数据共享及会商联动机制，以便对片区进行时空全方位深入分析，提高片区地震预测水平。