0 引言

地震预测是世界性科学难题，目前处在艰难探索阶段，地下流体学科也不例外。1966年邢台地震后，中国开始探索利用地下流体异常进行地震预报，自20世纪70年代初期，历经40多年，提出多种利用地下流体异常预测地震的方法，如：范雪芳等（2007）利用从属函数和剩余曲线方法，提取山西地区水位和水氡观测资料中期或中短期地球物理异常，预测山西及邻区强震; 陆明勇等（2009）采用从属函数、月变差率、趋势速率及月均值变化率方法，提取华北、川滇、青藏东北缘及新疆地区的水位、水温及水氡观测资料长期趋势的地球物理异常，从而预测中国东部及西部地区的强震。

海南地处少震区，岛内及邻区强地震及中强地震发生较少，观测资料和预报实践表明，该区开展近30年的地下流体观测手段，对为数不多的中强地震具有良好的异常反应，但流体震例资料尚无系统总结。文中以海南及邻区M_L 4.0以上中强地震为预测目标，选用效果良好的地震分析方法，试图系统提取地下流体异常，统计分析地球物理异常特征及与地震的关系。海南水温、气氡测项无震例资料，暂无法提取到预测指标，因此现仅以水位测项的前兆异常特征为依据，结合区域内地震活动特征特征，总结提取并建立适用于海南区域特色的地下流体预测方法。

1 海南流体观测背景 1.1 海南地理及地质位置

海南岛位于中国南端，包括岛陆区和南海大部分海盆区，属热带海洋气候，春夏多雷雨，年均气温24℃，年均降水量1 518 mm，降雨量集中在5-10月，约占年降水总量的80%，秋季多台风。

海南地处欧亚板块、印度-澳大利亚和太平洋板块的交汇部位（海南省地震局，2005），属华南地块的一部分，构造应力场受到3个板块之间相互作用的全球动力体系联合控制，同时受到南海海底扩张运动产生的区域性地球动力源影响。

1.2 地下流体观测井概况

海南地下流体水位观测井共计7口，初始观测时间最早为1987年，最晚为2005年（表 1）。按地下流体专业观测井要求，观测井深度均达到100 m以上，其中海口ZK26井井深706.3 m，为海南最深观测井，观测段为第七含水层。观测井井孔位置均位于断裂带或断裂带周边，基岩岩性多为砂砾岩、花岗岩等，地下水类型多为裂隙混合水，观测资料评估结果显示，地下流体观测数据均可靠或基本可靠。

海南地区地下流体水位观测井参数统计结果（解晓静，2015）见表 1，海南地下流体水位观测台站地理及地质构造分布见图 1。

海南省地下流体多数观测井水位受降雨干扰，个别观测井受附近鱼塘排放水及周边农田灌溉等干扰，但各观测点水位观测资料多年来均连续、稳定（或较为稳定）、可靠，且映震能力较强。如：琼海加积井水位于1994年4-9月呈大幅上升态势，最终溢出井口，导致水位仪器超量程无法记录数据，后于同年12月31日和次年1月10日在北部湾分别发生2次6.4级地震，震前异常明显。

2 异常提取

地球物理异常是地震在孕育、发展、发生过程中产生的物理、化学变化，地震预测是根据地球物理异常的变化对未来地震发展趋势进行的判定（陆明勇等，2009）。地震预测按照时间长短，划分为长期预测、中期预测、短期预测和临震预测（赵永红等，2014）。意味着地震发生前几年或几个月、几天，地下流体观测会出现物理、化学等的异常变化等。

2.1 长期异常提取

地震前地球物理异常普遍存在，并具有一定阶段性。以地震发生前地球物理异常出现的时间尺度进行划分，发现通常长期趋势背景异常出现在地震发生前5年以上，意味着提取长趋势异常变化预测指标需基于长期观测资料，而经过数学处理的地下流体观测资料长趋势变化特征将发生变化，不利于真实特征的确定，特别是长趋势起始时间的确定。因此，需使用原始观测资料月均值，确定地下流体长趋势动态变化开始时间与形态。如：陆明勇等（2009）以华北、川滇、青藏块体、新疆等地震危险地区的地下流体观测点为基础，研究关于强震震例的地下流体水位长趋势变化转折与加速变化信息的时空演化特征，并通过研究地下流体长趋势资料处理、干扰排除和异常的提取方法与技术，完成强震震例的长趋势异常分析，从而提取强地震预测指标。本研究针对少震、弱震的海南区域，利用地下流体水位月均值长趋势转折变化信息，进行中强震预测指标的提取分析。

2.2 中短期异常提取

（1）小波分析法。数字化地球物理变化过程是典型的观测信号非平稳变化过程，具有不稳定性、变化快等时频特点。对此类数据采用现代时频分析方法，可较好地提取并分析地震异常信息。小波方法在时域、频域具有表征信号局部特征的能力，尤其对于频率成分比较简单的确定性信号，可以将其表示成各频率成分叠加和的形式，特别适用于地震地球物理等不稳定的复杂信号。在此，采用蒋骏等（2000）研制的地震前兆信息系统（EIS 2000）进行小波细节分析，并选用db4小波细节5阶信号值≤0为判定指标，提取地下水位中短期异常的预测指标。

（2）同震响应阶升、阶降井集中区域法。廖丽霞等（2017）利用全球大震同震响应时观测井水位表现为阶升或阶降的井点集中区域，作为该区域未来发生中强地震的空间地点指标。文中借鉴该方法，进行本区域中短期异常范围内中强地震发生地点预测指标的提取及分析。

3 水位异常变化分析 3.1 长期异常变化

选取1987年至2017年7月儋州西流ZK2井、琼海加积ZK14井水位月均值及月累积降雨量观测资料，分析观测井水位长趋势异常变化，见图 2。由图 2可见，1988年11月10日北部湾5.4级、1994年12月31日北部湾6.4级、1999年5月17日陵水近海5.3级和2004年9月17日广东阳江5.2级地震发生前后，2口井水位变化趋势呈明显的转折形态，即2口井水位月均值同时表现为趋势上升或下降4-5年后呈转折下降或上升，而转折后一段时间内，本区域将发生5.0级以上地震。2005-2009年2口井水位呈同步缓慢上升形态，2010年至今，西流ZK2井水位呈转折缓慢下降形态，加积ZK14井水位呈趋势转平形态，且2口井在2个时段内转折期间未相应发生地震，列为虚报。观测井水位长期趋势异常变化映震统计见表 2。

3.2 中短期异常变化 3.2.1 小波分析

选取1987-2018年海口ZK26井、琼海加积ZK14井、儋州西流ZK2井水位月均值数据，进行小波中短期异常变化分析，统计发现，小波细节5阶信号平稳性最好，与海南及邻区中强地震相关性较好，表明小波细节分析方法效果较好。因此，以小波细节5阶信号值≤0为判定指标进行分析，发现1987-2016年，在海南及邻区最多出现8组小波异常，其中：6次小波异常有地震对应，分别是1988年11月10日北部湾M_L 5.4、1994年12月31日北部湾M_L 6.4、1999年5月17日陵水近海M_L 5.3、2004年9月17日广东阳江M_L 5.2、2012年11月5日万宁近海M_L 4.1、2015年11月22日广东徐闻M_L 4.2地震; 1次小波异常为虚报; 1次小波异常仍未结束，但至今未发生相应震级的地震，有待继续跟踪分析。观测井水位中短期异常变化小波细节5阶分析结果见图 3、表 3。

3.2.2 同震响应阶升、阶降井集中区域分析

通过对海南省观测井水位进行全时空分析，发现水位同震响应存在不同动态，如：水震波、阶（上）升、阶（下）降、固体潮畸变等。分析发现，如果海南及邻区出现单个或多个阶升或阶降井或阶升阶降的观测井集中在某个区域，则随后该区域发生4.0以上地震的可能性较大。分析2000年以后全球发生的7次8.0级及以上大地震，统计海南出现同震阶（上）升、阶（下）降响应的观测井，结果见表 4。经核实，表中所列井水位出现阶升、阶降的现象，并非观测仪器系统及地球物理异常等因素造成，实属同震响应。由表 4可知，海南及邻区琼海加积井和文昌潭牛井在大震后共出现6组同震阶升或阶降响应现象，其中：5次同震响应对应海南及邻区发生的5次地震，分别是：2006年9月北部湾M_L 4.5、2007年12月广东阳西M_L 4.5、2011年11月北部湾M_L 4.1、2012年12月万宁近海4.1级地震; 1次同震响应为虚报，即汶川8.0级地震发生时，2口观测井水位出现同震阶升及阶降，海南及邻区未发生相应地震。因此，海南观测井水位出现的阶升、阶降均为对较远震的响应，且同震响应后一般有地震对应发生。

海南地下流体观测井水位在7次全球M≥8地震发生时，观测曲线出现阶升、阶降动态，同震响应中短期异常特征统计见表 5，同震响应对应的海南及邻区地震空间分布见图 4，异常变化曲线见图 5。

4 中强震发生时间预测 4.1 发震时间参考指标

拟定发震时间预测指标需要大量统计样本，文中针对海南弱震、少震地区，只能依据有限震例给出参考指标。

为预测中强地震发生时间，参考范雪芳等（2007）研究结果，在长期和中长期时间尺度下，拟定海南地下流体观测井水位异常判定指标，预测M_L 4.0以上地震的发生时间，结果见表 6。由表 6可知：①在长期预测时间尺度下，采用月均值趋势形态方法，以曲线发生转折为异常判定指标，可在M_L 5.0以上地震发生前52-71个月预测到; ②在中短期预测时间尺度下，采用小波细节分析和同震响应形态方法，分别以5阶信号值≤0和同震阶升或阶降或阶升阶降集中区为异常判定指标，对于M_L 4.0以上地震，分别可在震前1-52个月和3-21个月预测。表 6中列出的预测超前时间范围由实际地震观测数据统计所得，系由以上观测井水位各类异常特征参数统计表（表 3-表 5）中所列对应地震（不计最后一个地震）统计所得。

4.2 发震时间预测

（1）单点单项发震时间计算。当第i 个观测井点（i = 1，2，3，…）测项达到异常判定指标j时，即可经由表 6查询预测地震所需最小和最大超前时间ΔT，并由下式计算发震时间

$ \left\{\begin{array}{l}{T_{j, i}^{1}=t_{j, i}+\Delta T_{j, i}^{1}} \\ {T_{j, i}^{2}=t_{j, i}+\Delta T_{j, i}^{2}}\end{array}\right. $

(1)

式中，$T_{j, i}^{1} $为单点单项预测的发震开始时间，$ T_{j, i}^{2}$为单点单项预测的发震终止时间（范雪芳等，2007）; $ t_{j, i}$为达到指标j的时间; $ \Delta T_{j, i}^{1}$和$ \Delta T_{j, i}^{2}$分别为预测的最小和最大超前时间。

（2）多点综合发震时间计算。按照集合运算法则，将各单点单项的预测发震时间进行综合，得到多点综合预测发震时间，计算公式如下

$ \left\{\begin{array}{lll}{T^{1}} & {=\max \left(T_{1}^{1}, \right.} & {T_{2}^{1}, \ldots, } & {T_{m}^{1})} \\ {T^{2}} & {=\max \left(T_{1}^{2}, \right.} & {T_{2}^{2}, \ldots, } & {T_{m}^{2})}\end{array}\right. $

(2)

式中，T¹和T²分别为多点项预测的发震开始和终止时间; （T₁¹，T₂¹，…，T_m¹）分别为第（1，2，…，m）个观测井点测项所预测的发震开始时间; （T₁²，T₂²，…，T_m²）分别为第（1，2，…，m）个观测井点测项所预测的发震终止时间。

4.3 发震时间检验性预测

采用表 3-表 5中所列的各个观测井水位，利用不同方法预测未来发生的地震，以最后一个对应地震为例，在不同时间尺度下，对发震时间进行检验性预测。

4.3.1 长期预测

跟踪分析1999-2009年儋州西流井和琼海加积井水位月均值长期趋势数据资料，结果见图 6。由图 6可见：2004年9月17日广东阳江M_L 5.2地震发生前后，2口井水位月均值表现为明显的转折形态，异常开始时间分别为1999年1月、2000年1月，查表 6可知预测超前时间为52-71个月，按照公式（1），分别计算2口井水位月均值趋势转折长期异常的发震时间以及实际地震在预测期内的发生月，结果见表 7。

综合分析认为，据表 6拟定的预测参考指标，2004年9月17日广东阳江M_L 5.2地震分别在西流ZK2井、加积ZK14井出现长期趋势转折异常后预测期内第17个月及第5个月发震。

4.3.2 中短期预测

（1）小波分析。跟踪分析2010-2016年琼海加积井、儋州西流井及海口ZK26井水位月均值，分析小波细节异常变化，结果见图 7，可见：2015年11月22日广东徐闻4.2级地震发生前，3口观测井水位均出现小波细节分析5阶信号值≤0的中短期异常变化，异常开始时间分别为2012年4月、2013年12月、2012年12月，查表 6可知预测超前时间为1-52个月，按照公式（1）计算各观测井点小波中短期异常发震时间，分析对应地震在预测期的发生月，统计结果见表 8。由表 8可见，在加积ZK14井、西流ZK2井及海口ZK26井均出现小波细节分析5阶信号值≤0的中短期异常变化后，分别在预测期内第43个月、第23个月及第35个月发生2015年11月22日广东徐闻4.2级地震。

（2）同震响应中短期预测。跟踪分析海南各观测井水位对全球8级以上大震的同震响应形态，以2012年4月11日北苏门答腊西海岸远海先后发生的M_S 8.6、M_S 8.2大震为例，分析同震响应形态，其中琼海加积井和文昌潭牛井水位均表现为同震阶升，见图 4(d)、图 4(e)，且随后发生2012年11月5日万宁近海4.1级地震，同震响应对应地震的空间分布见图 5(d)。即同震中短期异常开始时间为2012年4月11日，查表 6可知预测超前时间为3-21个月，按照公式（1）计算发震时间，计算结果见表 9，可知2012年11月5日万宁近海4.1级地震在预测期内第5个月发生。

5 结论

对海南及邻区地下流体观测井水位长期和中短期异常特征及全球8级及以上大震进行映震分析，提出预测海南及邻区中强震发生时间的预测方法。

（1）地球物理异常形态特征。长期异常形态表现为水位月均值出现趋势性转折变化，如：琼海加积井和儋州西流井水位趋势转折异常，即水位月均值趋势上升或下降约4-5年后呈转折下降或上升，而发生转折后一段时间内，海南及邻区将相应发生地震; 中短期异常形态判定指标为：水位月均值小波细节分析5阶信号值≤0，单个或多个观测井水位对全球8级及以上大震的同震响应呈阶升或阶降或阶升阶降集中在某个区域的异常变化形态。

（2）长期异常提取方法和预测指标。通过观测资料的分析及发震时间的检验性预测，认为：对于海南及邻区中强地震，可采用水位月均值长趋势转折法提取长期异常，预测的最小超前时间为52个月，最大超前时间为71个月，预测震级为M_L 5.0以上。

（3）中短期异常提取方法和预测指标。采用水位月均值小波细节分析方法和井水位对全球大震同震响应为阶升阶降形态的方法提取中短期异常。小波分析中短期预测的最小超前时间为1个月，最大超前时间为52个月。同震阶升阶降响应中短期预测的最小超前时间为3个月，最大超前时间为21个月。中短期预测震级为M_L 4.0以上。

本着“边研究、边应用”的精神，上述预测方法和指标已在地震年会商、半年会商中使用，并提供了比较实际的预测意见。

预测指标的总结工作基于观测资料，而观测资料的时间长度对预测指标的研究起着关键性作用。随着地震资料的累积，震例增多，预测指标也将不断更新调整，使之更具科学性、严谨性，从而为地震预测预报工作的逐步突破提供坚实的依据。