0 引言

跨断层形变观测为监测地壳形变的方法，研究人员可通过观测断层附近跨断层点位间的相对位移变化来研究断层的运动特征（张磊，2017）。目前，国内外跨断层形变场地观测方法有短程测距、短基线测量、短水准测量和GPS观测（剖面测量）等，这些方法在地震预测研究中均得到了较好应用。施顺英等（2007）利用云南地区跨断层短水准和短基线观测资料，并结合蕴震系统信息合成方法，对1994年至2005年的地震预测情况与实际发生地震情况进行了检验，结果表明，年度预测准确率可达60%；苏琴等（2012）利用鲜水河断裂带跨断层短水准、短基线资料，提取了测区内外5.5级以上地震地球物理异常特征，结果显示，跨断层形变观测资料异常出现在震前1—3年，表现形式多为断层活动停滞、反向、突跳，其地球物理意义明确；陈长云等（2016）利用西秦岭北缘断裂及其邻区GPS观测数据，基于跨断层速度剖面，结合断裂带邻区应变率场的分布，综合分析了断裂带的分段运动变形特征，并结合地震学和地质学研究结果探讨了各分段之间的相互关系及其构造意义。本文对河南省豫北地区跨断层形变观测资料进行异常提取，依据震例对应规则，使用不同类别异常提取方法进行R值检验，并结合对比分析结果总结出适用于该地区跨断层形变观测的预测策略。

1 豫北跨断层场地概况及异常变化情况 1.1 跨断层场地概况

安阳南断裂（简称安南断裂）西起冶许家沟附近，东经安阳市区以南直到内黄、清丰一带，为长约100 km的隐伏断裂，断层为走向N75°W、倾向N70°的正断层，北有安阳北断裂，2个断裂之间形成东西方向小地堑；南侧分布N30°E走向的汤西断裂、汤东断裂。安阳跨断层场地布设有安阳1基、2基、3基、4基等4个基本水准标石，标石材料为钢筋混凝土，共3个测段，测线与断层交角105°，测线长度1—2为42 m，2—3为330 m，3—4为45 m（图 1）。

汤西断裂位于新乡卫辉市太公泉乡西代村一带，属太行山前断裂带，长约80 km，断层为走向N15°E、倾向E60°的正断层，与其东侧的汤东断裂构成汤阴地垫。西代村跨断层场地布设有5座基本水准标尺，0号为基岩点，1基、2基、3基、4基均为土层点，标石材料为钢筋混凝土，共4个测段，测线与断层交角105°，基点间直线距离1—2为42 m，2—3为250 m，3—4为40 m，0—3约500 m（图 1）。

1.2 跨断层资料异常变化情况

自2002年开始观测至2019年，已累计得到近20年的豫北跨断层形变观测资料，每年观测6期，间隔时间为2个月。为了凸显地震地球物理信息，首先排除了观测时段内由于人为干扰、仪器故障、观测环境等因素造成的异常变化，删除观测时段内非地震的地球物理信息干扰数据。2012年，豫北跨断层场地的2个测点发生同步趋势性异常变化，具体表现为安阳2—3测段由张性变化转为压缩变化，同时期西代村3—0测段出现加速张性变化，此次异常持续到2016年11月前后，此后，安阳2—3测段呈现每年6月至10月加速变化、12月至次年4月变化变缓的新情况，至今该变化仍持续（图 2）。

2 震例选取规则及场地周边地震统计

根据已有研究可知，跨断层异常特征主要为逆断加速—转折、突跳、活动加剧、大幅变化、趋势转折等，大致可归为趋势异常、突跳、大幅变化和活动加剧等4类。大幅变化异常在震前半年、距震中约200 km的范围内出现，大幅变化异常具有中短期地球物理意义（李杰等，2010；张希等，2012；苏琴等，2012；李瑞莎等，2016）。豫北跨断层监测场地位于安南断裂、汤西断裂、汤东断裂、新乡—商丘断裂等4条正断层包围的地堑构造上，由于监测区及附近强震震例相对较少，因此，在此次研究中适当降低了震级下限，筛选场地周边2002—2019年200 km范围内M_L≥4.0中等强度地震，共计15次（表 1）。其中，7次地震发生在河南濮阳范县，其震中距跨断层场地较近。另外，3次地震发生在河北境内；1次地震发生在河南太康，从构造角度来看，这4次地震震中距跨断层场地较远（图 3）。

3 异常分析思路和方法

异常分析的基本思路是利用跨断层观测资料，在排除相关干扰时段的基础上，选取特定的分析方法提取异常，通过设定不同的计算参数，异常出现次数和持续时间均会产生变化。针对提取出的异常，利用预报效能R值检验方法（许绍燮，1989），对特定计算参数下得到的异常进行预报效能评估，最终确定R值最大时的最佳阈值和预报时长，从而得出该异常提取方法的最佳计算参数。R值的计算公式如下

$ R = \frac{报对地震次数}{应预报地震总次数} - \frac{预报占用时间}{预报研究的总时间} $

(1)

将计算所得的R值与具有97.5%置信水平的R₀值进行比较，若R＞R₀，则通过检验。

我们以西代村场地为例，对其进行阈值类异常的提取。阈值类异常的提取思路为将数据变化曲线最终归算为1条无显著趋势的曲线，设定某个标准差为阈值，超出阈值部分确定为异常，通过调整阈值可增加或减少异常的次数和持续时间。

以特征强度指标为例，设某断裂段上有m个场地，每个场地统一上、下盘后跨断层测段观测值序列为h_i^k（i =1，…，n；k =1，…，m；m、n为总观测期数）。则对每个场地，定义其单期观测相对上期观测变化量与平均变化幅度的比率，即

$ S_i^k = (h_i^k - h_{i - 1}^k)/\left( {\frac{1}{{n - 1}}\sum\limits_{i = 2}^m {\left| {h_i^k - h_{i - 1}^k} \right|} } \right) $

(2)

若此场地有不止1条跨断层测段，便可以获得不止1个结果，删除干扰较大或周期性变化显著的测段，剩下的取均值，若计算结果为负，则表明逆断变化；若结果为正，则表明正断变化。

其次，为反应观测曲线的趋势性，计算各场地趋势因子和稳定因子，即

$ {\delta _k} = \left| {\sum\limits_{i = 2}^n {(h_i^k - h_{i - 1}^k)} } \right|/\sum\limits_{i = 2}^m {(h_i^k - h_{i - 1}^k)} $

(3)

$ {\varepsilon _k} = \frac{1}{{n - 1}}\sqrt {\sum\limits_{i = 2}^n {(\left| {h_i^k - h_{i - 1}^k} \right|} - \frac{1}{{n - 1}}\sum\limits_{i = 2}^n {\left| {h_i^k - h_{i - 1}^k} \right|)} } $

(4)

最后，将δ_k /ε_k作为每个场地断层形变特征强度指标的权值，计算该断裂断层形变特征强度，即

$ S{R_k} = \sum\limits_{k = 1}^m {\frac{{{\delta _k}}}{{{\varepsilon _k}}}} {S_i}^k{\rm{ /}}\sum\limits_{k = 1}^m {\frac{{{\delta _k}}}{{{\varepsilon _k}}}} $

(5)

因此，利用特征强度提取异常的方法可以反映不同时间点的变化量与历史变化量相比的异常程度，变化量绝对值的标准差可以反映变化量的稳定性和波动范围（张希等，2010）。

在进行中短临预测时，需要获取在长期趋势变化背景下（图 4）的短期异常波动，因此，需要先对观测数据应变时间序列进行去趋势处理，采用线性去趋势方法，设定阈值为2倍标准差（图 5）。通过计算发现，在15次地震中，报准地震9次，漏报6（图 5中带框震例）次，虚报0次（指标出现但未发生地震）。也就是说，从目前已有震例来看，出现异常后278天内发生M_L≥4.0地震的准确率为60%。预报效能评分R值为0.29，R₀为0.28，R＞R0，在97.5%置信度下，该指标通过了预报效能检验。

如果调整阈值为6倍标准差（图 6），则报准地震13次，漏报2次（图 6中带框震例）虚报0次。也就是说，出现异常后360天内发生M_L≥4.0地震的准确率为87%。预报效能评分R值为0.46，R₀为0.27，同样R＞R0，预报效能检验通过，且地震报准率较高。

对比2次设定不同阈值后计算所得结果可见，设定阈值为6个月的预报效能评分较高，因此，对于西代村场地利用特征强度指标来提取阈值类异常时，我们采用6倍标准差作为异常参数。采用以上异常识别思路，对西代村3—0测段和安阳2—3测段的观测数据在进行速率、破年变等类别异常提取的同时，分别设定不同的计算参数，择优选取预报效能较好的预报策略作为该跨断层场地观测的最佳预报方法。

4 预报效能评价结果及分析

通过计算和筛选最优R值指标，最终选出12项可用指标（表 2）。其中，速率类异常指标占大多数，主要采用了速率差和速率异常识别等方法（吕戈培，1994）；阈值类异常指标采用了对数据去趋势后提取特征强度指标的方法；破年变类异常指标1项，采用了破年变探测方法（吕戈培等，1999）。

由表 2可见，6项可用指标的预报时间为200—400天，以中长期为主，报准率均大于60%。在考虑地震报准率的同时，虚报率也是一项重要指标。2个场地使用同一种预报策略进行异常提取时，我们发现使用速率差方法，设置资料背景长度为12个月、差分窗长为6个月所得报准率较高，虚报率为0，R值评分也能达到平均以上的水平。在实际应用中，虚报率较低的异常指标其应用更方便，因此，该策略今后可用于对豫北跨断层场地观测资料的异常提取。

5 结论和讨论

通过对豫北跨断层地区200 km范围内M_L≥4.0地震对应的形变观测资料异常提取和R值检验，得到以下结论。

（1）利用现有资料计算得出的异常指标均通过R值检验，R值为0.27—0.46，预报时间有50%集中在200天以上中长期，对于同一参数下的异常提取方法，西代村3—0测段的地震报准率普遍高于安阳2—3测段。

（2）基于固定的异常指标提取方法发现，随着数据的变化和地震样本的积累，R值评分是动态变化的。在日常地震研判中，通过R值检验的方法可作为有效方法在一定时间内应用，但有必要定期跟踪R值的变化。随着时间和震例的积累应不断修正异常分析方法参数，以确保每次震情研判时R值通过预报效能检验，即R＞R₀。

（3）现有研究时段内豫北跨断层断裂带及附近中强地震震例较少，这对研究中强震的预测指标有一定影响。就目前跨断层形变监测而言，利用单手段、单测线的方法进行地震预测难度较大，因此，需要利用多手段、多测线、多学科综合分析的方法。同时，震例选择的合理性也很重要，由于地质条件本身的复杂性，并非远场地震在测项上就没有响应，因此，震例的选取需要不断尝试和优化。

通过尝试使用多种预报方法，并进行效能评估，得到了豫北及周边地区中强震前跨断层场地出现的一些异常信息，从效能评估结果（R值检验）来看，这些信息具有一定的可操作性，随着资料及地震的不断丰富，综合使用这些效能评估结果较好的方法，能够对今后该地区震情研判起到积极作用。

洪敏高级工程师提供了相关的计算软件，在此表示感谢。