Statistical analysis of pre-seismic anomalous characteristics of subsurface fluids in Yunnan region
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摘要: 依据 《中国震例》 资料，统计分析了云南地区1966—2006年MS≥5.0地震的地下流体测项异常，结果表明：超过70%的水位和水温震前异常表现为上升，水氡和水位异常出现时间最早；震级越大相应的流体异常范围就越大；大多数震前流体异常会持续到地震发生，说明流体异常与震前地壳活动有关，并据此得出云南地区地震发生时间及异常检测井至震中距离的经验性边界方程。分类汇总云南地区地下流体测项的异常形态，识别出该地区地下流体异常的5种主要异常形态，即趋势转折类、周期类、突变类、阈值类和综合类，并举例阐明了各种异常形态的特征及其可能的成因。本文研究结果对于认识云南地区流体异常特征以及提升流体异常应用水平具有一定的参考意义。Abstract: Based on the information collected from the Earthquake Cases in China from 1966 to 2006, this paper carries out a statistical analysis of the subsurface fluids precursory anomalies of MS≥5.0 earthquakes in Yunnan Province. The results showed that: ① More than 70% water level and water temperature anomalies were observed rising before the earthquakes, and radon and water level anomalies appeared much earlier than temperature anomaly. ② The larger the earthquake magnitude, the larger the corresponding anomaly area of the fluid. ③ Most pre-seismic fluids anomalies persist until the earthquake occurs, indicating that they were related to pre-earthquake crustal activity, and a set of empirical boundary equations were obtained in an attempt to assist in the future earthquake prediction. Five types of groundwater anomaly were identified according to the summary of the abnormal morphology of groundwater, including trend turning class, period class, mutation class, threshold class and synthesis class, and typical cases, as well as possible reasons for each type were presented. The results of this paper could be helpful for understanding the abnormal characteristics of fluid and improving the application of fluid anomaly in the Yunnan region.
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图 1 云南地区1966—2006年MS≥5.0地震空间分布图
Figure 1. Spatial distribution of MS≥5.0 earthquakes from 1966 to 2006 in Yunnan region
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图 2 水氡、水位和水温异常幅值统计图
Figure 2. Statistics of anomaly amplitudes of water radon，water level and water temperature
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图 3 水氡、水位和水温的前兆时间及持续时间统计图
Figure 3. Statistics of duration and precursory time of water radon，water level and water temperature
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图 4 震级-震中距关系图
Figure 4. The relationship between earthquake magnitude and epicentral distance
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图 5 震中距 Δ （a）、震级 M （b）和前兆时间（c）与异常幅值的关系图
Figure 5. The relationship between epicentral distance （a），earthquake magnitude （b），precursory time （c） and anomaly amplitude
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图 7 震中距-前兆时间关系图
Figure 7. The relationship between epicentral distance and precursory time
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图 8 1996—2006年云南MS≥5.0地震地下流体测项异常类型统计
横轴上数值分别表示1趋势转折类；2周期类；3突变类；4阈值类；5综合类 （a）水氡；（b） 水位；（c） 水温
Figure 8. The statistical analysis of abnormal types of subsurface fluid observation items of MS≥5.0 earthquakes from 1966 to 2006 in Yunnan region
1 trend turning class；2 period class；3 mutation class；4 threshold class；5 synthesis class （a） Water radon；（b） Water level；（c） Water temperature
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图 9 地下流体前兆异常形态图
图（a）和（e）分别为腾冲和澜沧的水氡旬均值曲线；图（b），（c），（f）分别为丽江井、大姚井和开远井的水位日均值曲线；(d)为沧源深水井水温日均值曲线
Figure 9. The abnormal shape diagram of subsurface fluids
Figs.（a） and （e） are curves of 10-day mean value of water radon at Tengchong well and Lancang well，respectively；Figs.（b），（c） and （f） are curves of daily mean value of water level at Lijiang well，Dayao well and Kaiyuan well，respectively；Fig.（d） is curve of daily mean value of water temperature at Cangyuan well
表 1 1996—2006年云南MS≥5.0地震前地下流体测项统计
Table 1 The statistics of subsurface fluids precursory anomalies of MS≥5.0 earthquakes from 1966 to 2006 in Yunnan region
MS 台站个数 水氡 水位 水温 离子 水汞 气体类 流量 5.0—5.9 74 25 24 18 16 7 3 6.0—6.9 40 39 17 13 14 8 1 7.0—7.9 33 29 14 15 8 5 2 总数 147 93 55 46 38 20 6 
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表 2 震级MS、震中距Δ、持续时间td和前兆时间tp与异常幅值a之间的相关关系
Table 2 The correlation between earthquake magnitude，epicentral distance，duration，precursory time and the anomaly amplitude
水氡 水位 水温 MS Δ td tp a MS Δ td tp a MS Δ td tp a MS 1 0.659** 0.327** 0.333** −0.138 1 0.484** 0.052 0.085 0.033 1 0.587** 0.007 0.033 0.144 Δ 1 0.306** 0.315** −0.007 1 0.121 0.116 0.037 1 −0.006 0.032 −0.042 td 1 0.938** −0.070 1 0.940** 0.275* 1 0.927** −0.194 tp 1 −0.064 1 0.289** 1 −0.140 a 1 1 1 注：**表示在0.01 水平 （双侧）上显著相关；*表示在 0.05 水平 （双侧）上显著相关。
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表 3 变量共同度
Table 3 Communalities
水氡 水位 水温 初始 提取 初始 提取 初始 提取 MS 1.0 0.823 1.0 0.770 1.0 0.795 Δ 1.0 0.832 1.0 0.756 1.0 0.795 td 1.0 0.965 1.0 0.952 1.0 0.964 tp 1.0 0.965 1.0 0.951 1.0 0.964
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表 5 旋转成分矩阵
Table 5 Rotated component matrix
水氡 水位 水温 F1 F2 F1 F2 F1 F2 MS 0.182 0.889 0.032 0.877 0.015 0.891 Δ 0.129 0.903 0.132 0.859 0.018 0.892 td 0.970 0.159 0.973 0.066 0.982 −0.002 tp 0.967 0.175 0.969 0.115 0.981 0.038
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表 4 旋转前后的公因子方差
Table 4 Total variance explained
测项 成分 提取平方和载入 旋转平方和载入 合计 方差的百分比 累积百分比 合计 方差的百分比 累积百分比 水氡 F1 2.408 60.209% 60.209% 1.924 48.102% 48.102% F2 1.177 29.420% 89.629% 1.661 41.527% 89.629% 水位 F1 2.085 52.121% 52.121% 1.904 47.604% 47.604% F2 1.345 33.616% 85.737% 1.525 38.133% 85.737% 水温 F1 1.939 48.477% 48.477% 1.927 48.184% 48.184% F2 1.579 39.480% 87.957% 1.591 39.773% 87.957%
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