1 研究背景

目前, 国际上“地震可预测性合作研究”正在开展不同地震预测模型与不同统计检验方法、“最佳”模型构建方面的实验研究, 并取得了阶段性成果, 其中蒋长胜等（2011）通过对统计检验方法中的Molchan图表（Molchan, 1990）进行研究, 认为利用该方法可客观和科学地进行地震预测评估, 还能解决固定研究区域内地震时间预测问题, 并给出相应的概率解释。近年来, Molchan图表法已被广泛应用于常规确定性和概率性预测统计检验和效能评估, 如: 陈石等（2015）应用Molchan图表对中国西部地区重力数据影响进行统计分析, 得出重力变化的AAS信号可能包含一定地震前兆信息；王博等（2018）利用Molchan图表法对南北地震带北段长时间、连续并有多次震例的流体观测资料进行研究, 认为南北地震带北段各台项预测效能差别较大；向阳等（2018）基于Molchan图表法, 对新疆地区地下流体预报效能评估等级较高的测项进行检验, 在得到最佳阈值所对应异常识别指标基础上, 提取相对应的地震预测指标；张琳琳等（2019）基于Molchan模型, 对乌恰地震窗预测效能进行评价, 所得结果为新疆南天山西段震情趋势研判提供了参考依据。

综上所述, Molchan图表法不仅可对各测项整体预报效能进行直观评价, 还能克服主观因素影响, 客观、科学地给出定量化结果, 在地震预测效能检验中具有一定优势。因此, 尝试将Molchan图表法应用于地电阻率观测手段, 通过对嘉峪关地震台地电阻率资料的定量化梳理, 从异常的物理特征入手, 对地电阻率资料映震效能进行检验并给出可靠性评价, 从而有效揭示地电阻率前兆异常的物理机制及与强震孕育、发生的关系, 使地震预测逐步从目前的统计经验预测过渡到以前兆物理特征为基础的统计检验预测上来。

2 研究内容

Molchan图表法主要是针对预测结果与观测目标地震差异度的检验（Molchan, 1990）, 既能直观地通过预报效能这一指标对观测资料进行评估, 又能对异常进行定量分析, 得到最佳阈值所对应的异常识别指标。

嘉峪关地震台位于祁连山地震带西段, 地电阻率观测资料完整性和连续性较好。利用Molchan图表法, 对该台地电阻率资料进行检验和分析, 可以较为客观地反映其预测效能。通过对历年观测资料的评估和异常的定量分析, 从预测效能高低、时间占有率、概率增益大小、报准率等, 对该台地电阻率资料的预测效能检验结果进行评价, 提取对应的地震预测指标。

3 研究结果 3.1 地震选取

依据《中国震例》及以往相关研究（陈棋福等, 2008；蒋海昆等, 2014, 2018a, b；杨萍等, 2017）, 文中地震检验需要满足以下原则: 5级及以上地震限定在震中300 km范围内、6级及以上地震限定在震中400 km范围内、7级及以上地震限定在震中500 km范围内, 筛选2000—2015年嘉峪关台周边符合条件的5级以上地震, 得到7个震例, 分别为: 2015年11月23日青海祁连M_S 5.2地震（震中距275 km）、2012年5月甘肃金塔M_S 5.4地震（震中距90 km）、2009年10月2日甘肃肃北M_S 5.2（震中距190 km）、2008年3月30甘肃肃南M_S 5.0地震（震中距360 km）、2003年10月25日甘肃民乐—山丹M_S 6.1地震（震中距270 km）、2003年4月17日青海德令哈M_S 6.6地震（震中距293 km）、2002年12月14日甘肃玉门M_S 5.9地震（震中距80 km）。

3.2 原始数据检验

地电阻率资料为时序观测数据, 运用Molchan图表法计算时空占有率时仅需考虑时间占有率。本次检验使用2000—2015年嘉峪关地电阻率日均值观测数据, 根据NE向原始曲线与最佳阈值, 选取得到7个5级及以上地震（嘉峪关台为肃南周边最近台站, 虽然震中距360 km＞300 km, 故仍包含2008年肃南M_S 5.0地震）, 利用Molchan图表法计算得到NE向最佳阈值为27.893 Ω·m。由不同滑动步长检验结果可知, 利用地震漏报率和时间占有率表征的预测期为180 d, 在此条件下, 嘉峪关地电阻率NE向Molchan检验的最优值为时间占有率0.4以下43%的预测率, 即7个地震报准3个, 漏报4个。由概率增益和预测效能来估计检验效果, 虽然有效预测期在180 d的概率增益约2.5倍, 但预测效能仅为43%, 表明地震发生前半年出现异常的概率较大, 但预测效能仍较低。

3.3 一般傅里叶去周期法

采用一般傅里叶去周期法处理嘉峪关地电阻率NE向原始数据, 运用Molchan图表法, 计算所得其最佳阈值为27.809 Ω·m。由检验结果可知, 使用一定方法处理后, 数据检验结果明显较好, 即随着有效预测时长的逐渐缩短, 检验效果逐渐变好, 一般地震前120 d之内检验效果均较好, 漏报率为0.3%, 即7个地震中报准5个, 漏报2个地震, 此时预测效能检验均大于60%, 且概率增益均大于1.5, 表明利用一般傅里叶去周期法, 使得嘉峪关地电阻率NE向映震效能可缩短至中期异常, 明显提升预报效能。

3.4 检验结果

参照上述示例, 运用Molchan图表法, 选用不同数据处理方法, 对嘉峪关地电阻率NE、NW向数据进行预报效能检验, 并与上述两种检验结果进行对比, 可知: ①嘉峪关地电阻率原始数据: 对祁连山西段最佳预报效能约为43%, 最佳对应时间为6个月；②利用一般傅里叶去周期法进行数据处理: 最佳预报效能可达60%, 最佳对应时间缩短至中短期；③利用相关距平法进行数据处理: 最佳预报效能可达70%, 最佳对应时间约为6—8月的中长期, 时长大于一般傅里叶去周期法；④利用多项式拟合法进行数据处理: 最佳对应时间缩短至30 d的短期预报, 但漏报率并未降低, 预报效能效果并不明显；⑤按照对应空间划分: 优势对应祁连山西段范围内发生的4个地震（占所研究地震总数的57%）；⑥按照对应时间（长、中、短）划分: 优势对应短期、中期和长期的比例分别为20%、45%和35%。

综上, 嘉峪关地电阻率资料对祁连山西段地震预测效果较好, 提高预报效能的最佳方法为相关距平法, 最佳对应时间为中长期。

4 结束语

持续时间在半年尺度以上的破年变类异常, 是电阻率异常中重要的信息类型, 也是年度震情分析与地震危险区域判定的重要依据。以往主要从曲线形态和干扰特征中的分类、异常信息的演化特征研究地电阻率前兆异常, 对地电阻率观测资料映震效能的定量检验工作并不多见。嘉峪关台地电阻率资料作为祁连山西段的A类异常信度台项, 通过对不同时间段出现的异常形态、幅度和速率等变化进行回溯性挖掘, 提取具有明确预报意义的数理指标应用于震情跟踪, 可为祁连山西段地震活动年度危险区判定提供参考。

本项工作得到中国地震局监测预报司的支持与资助,课题组成员在理论、数据处理和Molchan图表法程序的运行中给予指导与帮助,在此表示感谢。