梁卉　向阳　颜龙　朱成英

摘要：基于《中国震例》（1966—2018年）系统分析新疆地区地震前地下流体前兆异常特征，对各测项进行不同震级档预报效能检验。结果表明：新疆地下流体异常数量多集中在100～200 km，异常持续时间多为震前半年内；M_S≤6.5地震新疆地下流体异常测项的平均数量为4项；震前异常月频次主要表现为“持续增长”型和“先增后减”型；新10测点和新04测点是新疆地下流体观测点中的异常“敏感点”，其所在区域及附近可被视作构造“敏感区”；利用R值评分方法对各测项预报效能进行检验，其结果显示不同震级档的R值结果有利于分析提取相应震级所适合的异常指标。

关键词：  地下流体； 异常特征；  预报效能； 新疆地区

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.005

新疆地处欧亚大陆腹地，由南到北分布有西昆仑、天山和阿尔泰3大主要地震带，是大陆板内强地震的多发地区［1］，印度板块向北推挤作用的增强造成新疆块体的周边及内部产生了强烈的构造运动使得中强地震频发［2-3］。地壳流体介质具有显示地震孕育与发生过程中的各种地球物理、地球化学异常信息的能力，从前兆异常的形成原因来看，远强地震孕育与发生本身就是大区域地壳构造运动的一种表现形式。因此，在一个观测点上出现的地下流体异常现象反映了含水層—井（泉）系统的应力—应变场的综合变化。但是，地震前的地下流体异常现象成因比较复杂。目前，只有科学地分析与地震在空间上相邻、时间上相随、成因上相关的流体异常现象，才能逐步揭示地震与流体之间的复杂关系［4］。

《中国震例》系列丛书收录了1966年以来典型震例资料总结研究报告中系统化［5-10］、规范化的震例研究成果［11-14］，是研究地震和探索地震预测预报的重要科学资料。顾瑾萍等［15］、郑兆苾等［16］、蒋海昆等［17］分别基于《中国震例》对中国大陆异常特征进行统计分析，得到不同学科的异常综合特征。王俊等［18］基于《中国震例》（1966—2012年）系统分析了川滇地区强震（M_S≥6.0）前地下流体前兆异常特征，并据此计算川滇地区流体异常预测指标。孙小龙等［19］ 、刘琦等［20］、廖丽霞等［21］依据《中国震例》分别研究了中国大陆地下流体、南北地震带地震前的定点形变、华南地区中强震前流体的异常特征。《中国震例》中含有许多地下流体前兆异常信息，对这些典型地震前兆异常特征进行共性分析，是为解释地下流体地震前兆机理打下一定的基础［22］。在进行地震预报效能评价中，R值评分方法因其思路清晰，概念明确，便于操作，使用方便，一直被广泛使用［23］。前人利用该方法研究讨论了某一测项、某一区域内的前兆观测资料［24-28］、年度地震危险区预测等的实际预报效能，对其地震预测预报水平进行了科学客观的评价［29-31］。

新疆地区地震地下流体观测存在地震多、测点少的明显特征。许多学者从地下流体异常特征入手，开展定量统计分析，研究了地震判定指标［32-36］。从现已发行的《中国震例》来看，新疆地区出现流体前兆异常的M_S≥5.0震例共记有32次，异常数量约130项（包括水位、水温、氡、汞、化学离子及宏观异常）。如何利用有限的流体观测资料来分析地震大形势并准确判断地震危险性，需要对现有资料及其震例进行系统的梳理与分析，对各流体测项进行映震效果检验，进而从中提取有前兆指示意义的预测预报指标信息。本文中基于《中国震例》（1966—2018年）与新疆地下流体相关的前兆异常信息，对新疆地区流体异常与地震活动、地震前流体异常特征进行分析研究，再在《中国震例》的基础上，结合报告、资料实时跟踪分析及相关文献等资料，系统全面的梳理各观测资料的相关震例，利用R值评分方法对新疆地区的流体测项映震效果进行检验，分析适用于会商资料分析中的异常判定指标，以期对新疆地震预报实践工作提供参考。

1新疆流体异常特征

新疆地区流体观测的显著特点是观测点数量较少、分布间距较大，但新疆地区的地震活动较为频繁，强度较大，且地震多集中在流体观测点较为稀疏的构造带上。《中国震例》（1966—2018年）中有记载的涉及新疆地下流体异常信息的新疆震例约32次， M_S6.0～6.9地震共7次，M_S5.0～5.9地震共25次。虽然新疆地区流体观测点较少，但各观测项目在周边中强地震发生前，仍出现了较多的前兆异常现象。据《中国震例》（1966—2018年）统计，新疆地下流体异常测项涉及水位、水温、水（气）氡、水（气）汞及其他（化学离子、气体、宏观）多种测项，异常类型为阈值类、趋势类以及周期类。

1.1流体异常数量与异常持续时间、震中距以及震级的关系

1.2异常持续时间与震级、震中距的关系

通过图2和图3的统计分析可知新疆地下流体异常数量与持续时间、震中距、震级均具有一定的关系，那么异常持续时间与震级、震中距之间是否存在一定的相关性，对此也进行了统计分析。如图4所示，深蓝色表示M_S［5.0，5.5）地震，浅蓝色表示M_S［5.5，6.0）地震，黄色表示M_S［6.0，6.5）地震，红色表示M_S［6.5，7.0］地震，异常持续时间随震级增大有一定的增加，即震级越大异常持续时间越长，而异常持续时间随震中距增大并未表现出明显的相关性。对于M_S5.0～5.9地震，存在M_S≤5.5地震异常持续时间比M_S＞5.5地震更长、震中距更小的现象，例如1986年6月13日乌鲁木齐M_S5.0地震前，距震中约30 km的新04泉甲烷其异常持续时间长达347 d，而1980年11月6日玛纳斯M_S5.8地震前，距震中105 km的新04泉硫化物异常持续时间最长，持续时间为189 d。这种结果在实际地震预报中难以操作，而且与前人研究结果有所不同，如郑兆苾等［16］通过对中国大陆震例异常统计分析得出震级高异常出现的时间早，异常范围大的结论；付虹等［37］研究云南M_S≥5.0 地震震前异常特征，认为M_S≥6.0地震异常持续时间比M_S≥5.0地震长，异常分布广；刘翔等［38］总结滇西地区前兆观测资料与强震特征提到地震强度越大，前兆异常持续时间越长。因此，不能采用简单的统计关系式（全国统计结果）计算新疆地下流体异常持续时间和震级的关系。

1.3异常时空演化特征

图5为震前异常数量相对较多的地震地下流体异常时空分布，1986年乌鲁木齐M_S5.0地震、1996年沙湾M_S5.2地震和2003年石河子M_S5.4地震前，地下流体异常在空间上分布比较集中，大多位于乌鲁木齐至乌苏一线的北天山山前坳陷带上，而这3次M_S5.0～5.9地震就发生在准噶尔块体和天山相衔接的准噶尔南缘大断裂带［32］，表现出受“构造控制”和“相对集中”的特征。而在1996年沙湾M_S5.2地震和2003年石河子M_S5.4地震前，地下流体异常空间迁移特征为由震中向外发散而后又逐渐向震中收缩靠近。2011年尼勒克M_S6.0地震、2012年新源和静M_S6.6地震和2017年精河M_S6.6地震前，地下流体异常数量较少，空间分布散，大部分统计结果未显出规律性，这可能与新疆地下流体测点分布不均匀、新疆地震都发生在地下流体测点稀疏的构造带上有关。整体看，可能是新疆地下流体监测存在地震多、测点少的缘故，在多数地震前，流体异常的时空演化并没有较好的规律性特征。

此外，對地震前异常月频次也进行统计，其结果显示在14次地震前异常月频次都出现了随时间而明显变化的特征：（1）新疆地下流体异常月频次随时间的推进具有持续增多、接近地震发生时刻转折下降的特征，且异常频次转折下降过程一般在地震发生前3个月内，将其描述为“先增后减”型（图5（g～i）），目前该类型占比29%，这种异常加速—下降的变化特征。（2）新疆地下流体异常月频次随时间的推进逐渐增加，接近地震发生时异常月频次达到最高值，可将其描述为“持续增长”型（图5（j～l）），目前所统计的震例中该类型占比较高，达到71%，而其中异常月频次达到4次以上的比例为70%，故可尝试将异常月频次≥4作为判定发震紧迫性增强的参考依据。

2新疆流体异常单点特征

在基于《中国震例》的新疆地下流体前兆异常特征统计中，得到了一些共性特征，而群体性异常时空演化特征并不显著，新疆地区地震前地下流体异常空间展布范围很大，异常测点的分布与震级、震中距的关系较为复杂，基本上没有呈现出规律变化。虽然这种关系与发生地震的范围、观测点疏密程度及分布不均有一定关联，但也说明前兆异常不仅受震源的控制，也与地震构造带的活动相关联，需要结合构造环境和区域性特征进行综合分析。统计结果表明，有多次地震前都出现异常变化的观测点和观测项，单点或单测项异常特征显著，说明新疆地区存在流体异常“敏感点”。地震前兆“敏感点”是反映地震前兆信息的重要来源，也是区域应力场对局部构造作用的结果，一般出现在应力集中的部位［39］，因此根据震例和地下流体异常信息筛选出新疆地区的“敏感点”，构建“敏感区”以期对未来中强地震发生的地点有较好的指示意义。

图6为新疆地下流体测点对地震反映的敏感程度，图6（a）中彩色方块表示各测点在多少次地震前出现了异常反映，颜色越红说明该测点对应的震例次数越多，图6（b）表示各测点在不同地震前累计出现异常测项的数量，颜色越红说明累计出现的异常测项越多。研究的新疆32个震例的统计结果显示，乌鲁木齐附近的2个测点，在天山中段的多次地震前反映灵敏，分别是新10测点（包含新10泉和新10井）、新04测点（包含新04泉和新04井），其中新10测点在14次地震前出现了地下流体异常，累计出现的异常项数达32项（主要为水氡、水汞、水化学测项）；新04测点在11次地震前都出现了地下流体异常，累计出现的异常项数24项（主要为水化学、水位、水温测项）。说明这两个测点为新疆地下流体观测点中的异常“敏感点”，其所在的区域附近可视为构造“敏感区”。

3新疆流体资料预报效能分析

3.1研究资料选取及梳理

新疆地下流体前兆监测台网目前有31个专业台（点）合计78个测项（表1、图7），空间上主要分布在北天山地震带。这里以全疆流体资料连续累计3年以上的测项为研究对象，从观测台站、观测项目、开始观测时间、异常识别方法和判定指标、异常开始时间、异常结束时间、异常持续时间、异常最大幅度、对应地震、震中距、异常开始距发震时间等方面进行归纳整理，得到新疆流体资料地震异常特征库。截至2020年12月31日，归纳整理出的新疆流体资料地震异常特征库包含了47个M_S≥5.0地震（表2），其中M_S6.0～6.9地震6个，M_S≥7.0地震4个；异常测点20个，异常测项38项（图7），其中，水位10项，水温6项，水（气）氡3项，水汞1项，气体和水化学14项，流量2项，宏观2项。从异常测项数量来看，水位、气体和水化学的数量较高。

3.2基于R值评分方法的预报效能分析

20世纪70年代由许绍燮院士提出的R值评分方法是针对某种预报方法或学科在一个较长的时间段内，对一定范围内一定震级下限的地震，进行若干次地震预报，报对、报错、漏报都有，评价其整体预报效能的一种方法。1989年许绍燮院士将虚报率b推广到时间域，b（预报占时率）=预报占用时间/预报研究的总时间.（1）R=c-b=报对地震的次数/应报对的地震总次数-预报占用时间/预报研究总时间 . （2）式（1）和（2）实质是剔除随机概率的报准率［40］。

利用R值评分方法对目前归纳整理好的新疆流体资料异常测项进行检验。测项出现的震前异常绝大多数对测点周边中强震有指示意义，因而各测项地震目录的选取原则为震中距300 km范围内的M_S5.0～5.9地震、400 km范围内M_S6.0～6.9的地震及新疆地区M_S≥7.0地震。各测点因处于不同的断裂带、构造部位等，对区域构造应力的反映能力也不尽相同，有些测项对近场中强地震反映灵敏，有些则在远场强震前表现出一定的地震前兆异常。鉴于此，根据震级进行分档，根据预报规则，按照式（2）来计算各测项相对应的R值，汇总见表3。

R值是剔除了随机概率的结果，R≤0，表示无预测意义，R＞0，则表示具有一定的预测意义，R值越大，说明预报效能越好。

对于M_S≥5.0地震，除新10泉氟离子、新10泉电导率、新09泉氟离子和新46井水位这4个测项的R值为负数（11%）外，其余测项的R值均大于0 ，R值为0.007～0.544，表明新疆地下流体资料对M_S≥5.0地震有一定的预报能力，其中0＜R＜0.1的测项有19项，占比50%，R＞0.5 的测项只有1项（3%），为新04泉氢气（R为0.544），反映出有一半的流体测项其预报水平较低。

对于M_S5.0～5.9地震，存在2项无R值的测项（5%），分别是新46井水位和新11井深层水温，主要因为这2个测项异常未对应M_S5.0～5.9地震，其余测项的R值在0.010～0.65范围内，其中0＜R＜0.1的测项有20项，占比53%，R＞0.5的测项有2项（5%），为新04泉氢气（R为0.657）和阿克苏断层氢（R为0.502）。整体看，仍然有一半的新疆流体测项对其周边M_S5.0～5.9地震的预报效果不是很好，但是，R值超过0.5的测项数量在增加，这里新增阿克苏断层氢，而新04泉氢气的R值也有所提高，说明这2个测项的异常对其周边M_S5.0～5.9地震有较好的指示意义。

对于M_S6.0～6.9地震，有17个测项因震前无明显异常而无R值，其余21个测项的R值均大于0，范围在0.195～0.986，占比55%，而R＞0.5的测项有6项（16%），比例明显增加，所涉及测项按R值由大到小排列依次为新32井水温（R为0.986）、新32井水位（R为0.980）、新04泉氢气（R为0.937）、新10泉氦气（R为0.898）、新11井深层水温（R为0.845）和艾其沟2号泥火山（R为0.805），各测项自观测以来与同期M_S6.0～6.9地震对应情况依次为：新32井水温（1/1）、新32井水位（1/1）、新04泉氢气（4/4）、新10泉氦气（4/4）、新11井深层水温（2/2）和艾其沟2号泥火山（4/4），可见这些测项在其周边M_S6.0～6.9地震前都有异常显示，而R值的差异经分析认为主要体现在预报占时率上，即對应相同数量地震的情况下，异常出现的次数越多，持续时间越长，其预报占时率越大，R值相对越低。

对于M_S≥7.0地震，受地震样本数量限制，可计算R值的测项有8个，占比21%，R值为0.217～0.970，R＞0.5的测项有2项（5%），为艾其沟1号泥火山（R为0.970）和新04泉二氧化碳（R为0.697），其与同期M_S≥7.0地震对应情况依次为：艾其沟1号泥火山（1/1）、新04泉二氧化碳（3/4），由此可见，新04泉二氧化碳对新疆M_S≥7.0地震的对应次数更多，可为新疆地区M_S≥7.0地震形势研判提供参考。

各测项分震级档计算R值所得结果有利于分析提取不同震级、不同区域相应震级所适合的异常指标。（1） 南天山的地下流体定点观测点虽然只有阿克苏断层氢、新46井和新55井3个，但其中的阿克苏断层氢对其周边M_S≥5.0地震的响应十分灵敏，异常对应率为72.7%，漏报率为46.7%，M_S≥5.0地震的R值明显高于其他震级档，故该测项可作为指示南天山西段M_S≥5.0地震的重要预测指标。（2） 北天山流体测点、测项较为丰富，其中乌鲁木齐地区的4个主要观测泉及其附近的观测井已积累了40年的宝贵数据，然而除了新04泉氢气外，其余测项对M_S5.0～5.9地震的漏报率都比较高（75%～90%），因此该区各测项涉及M_S5.0～5.9地震的R值都比较低。根据M_S6.0～6.9地震的R值及观测时段内M_S6.0～6.9地震对应情况，新04泉氢气、新10泉氦气、艾其沟2号泥火山可作为天山中段M_S6.0～6.9地震危险性判定依据。另外，根据M_S6.0～6.9地震对应情况，新05井水位（2/4）、新21泉水位（2/4）、新43泉气氡（2/4）、新11井深层水温（2/2）和新32井水位水温（1/1）对周边M_S6.0～6.9地震有一定比例的震前异常反映，认为可纳入考量。（3） 1980年以来（资料起始观测时间）新疆共发生4次M_S≥7.0地震，结合M_S≥7.0的R值和相应地震对应情况，艾其沟1号泥火山和新04泉二氧化碳可作为判断新疆M_S≥7.0强震的参考依据，而根据M_S≥7.0地震对应情况，新05井水位（2/4）、新04泉甲烷（1/4）、新04井水位（1/4）、新10泉氟离子（1/4）、新10泉甲烷（1/4）和新46井水位（1/2）因其在震前出现过异常，故可纳入进行综合考量。

4结论与讨论

新疆地下流体异常数量与异常持续时间、震中距有一定的相关性，表现为地下流体异常多在离震中100～200 km范围之内，异常持续时间多为半年以内，震级与持续时间、震中距没有明显的规律，M_S≤6.5地震新疆地下流体异常测项的平均数量在4项左右，此特征可作为发生相应震级地震危险性的参考依据。新疆地下流体群体性异常时空演化特征并无统计学显著相关性，地震前地下流体异常空间展布范围都很大，异常测点的分布与震级、震中距的关系较为复杂。但震前异常月频次变化特征明显，主要为“持续增长”型和“先增后减”型两类，而“先增后减”型异常特征，可作为判定地震发生时间的重要指标，对于“持续增长”型则可尝试将异常月频次≥4作为判定发震紧迫性增强的参考依据。新10测点和新04测点的不同测项在地震前异常反映显著，对于多次地震，异常重现性较高，是新疆地下流体“敏感点”，对预测未来中强地震发生的地点具有特殊的意义。新疆地下流体受地质构造环境、地震活动及观测点密度分布不均匀影响，群体特征不明显，单个测点或单测项（水位、流量、氡、汞、甲烷等）的异常特征显著，更适合开展单项参数异常指标与群体异常参数指标的综合研究。

地下流体在地震前出现的显著异常往往反映了其所处区域经历了强烈的构造活动。深循環温泉和井水温升高、深部气体的逸出和承压含水层井水位的突升显示出区域应力加载作用下断裂带裂隙开启、闭合，深部物质活动及构造活动的增强。地震前地下水水化学组分浓度升高是区域构造活动引起的断层封闭性改变、促使流体活动作用增强的表现［41］。根据大量震例提取各测项异常的共性特征，这种特征具有更好地统计意义，可在地震预报实践中提供参考。在涉及R值评分方法研究的47个震例中，有6次M_S6.0～6.9地震和4次M_S≥7.0地震，M_S≥5.0 地震占比79%，然而天山中段的多数测项对M_S≥5.0地震的漏报率可达75%～90%，故包含M_S≥5.0地震的半数左右的测项R值都普遍较低，预报能力较差。各测项M_S5.0～5.9地震目录是以震中距300 km为限定所筛选得出，根据震例适当缩小地震目录选取范围对该震级档R值计算结果有何影响，还有待进一步研究。随着震级提高到M_S6.0，有16%的测项的R值出现了明显的增加，震级下限的提高使得报准率也跟着提高了，可考虑作为天山中段M_S6.0地震危险性判定依据进行跟踪分析。M_S≥7.0地震因样本数量有限，故需结合地震对应情况对参考指标进行综合考量分析。南疆虽然测点数量少、分布较散，但拥有阿克苏断层氢这种异常对应率高、地震漏报率低的地球化学测项，这也为该区丰富前兆监测手段提供了可借鉴的思路。

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STATISTICAL ANALYSIS OF ANOMALY CHARACTERISTICS

OF GROUND FLUID IN XINJIANG REGION AND

VERIFICATION OF PREDICTION EFFICIENCY

LIANG Hui XIANG Yang YAN Long ZHU Cheng-Ying

（1. Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang ，China;

2. China University of Mining & Technology，Beijing 100083，China;

3. Shenzhen Academy of Disaster Prevention and Reduction，Shenzhen 518003，Guangdong，China）

Abstract： Based on the “China Earthquake Examples” （1966～2018）， the characteristics of ground fluid precursor anomalies before earthquakes in Xinjiang region were systematically analyzed， and the prediction effectiveness of different magnitude ranges was tested for each measurement item. The results show that the number of ground fluid anomalies in Xinjiang is mostly concentrated in 100～200 km， and the duration of anomalies is mostly within half a year before the earthquake; The average number of ground fluid anomalies in Xinjiang during earthquakes with M_S≤6.5 is 4; The monthly frequency of anomalies before earthquakes is mainly manifested as a “sustained growth” type and a “first increase then decrease” type; Xin10 and Xin04 measuring points are abnormal “sensitive points” in ground fluid observation points in Xinjiang， and their location and vicinity can be considered as structural “sensitive areas”; The R value scoring method was used to test the prediction effectiveness of each measurement item， and the results showed that the R value results of different magnitude ranges were conducive to analyzing and extracting anomaly indicators suitable for the corresponding magnitude.

Key words： Ground fluid; Anomaly features; Forecasting effectiveness; Xinjiang region