地震前兆资料

前兆资料

地震前兆观测资料包括大地形变、地下流体和重力、地磁、地电、电磁波观测资料。前兆资料处理主要有三方面工作：资料的预处理，包括数据的采集整理、检查验收、归档、建立数据库；资料的预报分析处理，采用数理统计、滤波分析等各种计算方法对干扰进行排除；根据各手段需要和要求绘制有关图件。

(一)大地形变测量资料

大地形变测量资料包括1972年开始的监视地壳垂直运动的面上国家Ⅰ等精密水准网资料、跨断层短水准测量资料，监视地壳水平运动的跨断层小三角网、基线、激光测距资料，以及1995年布设的卫星定位系统GPS观测资料。

1972～1997年，地震综合队严格执行国家测绘总局和国家地震局有关规范，对形变选点、埋石、观测资料实行三级检查、二级验收，各观测组对资料进行200％的检查，地震综合队进行100％的检查验收，省地震局进行100％的检查验收，观测手簿抽查30%～60％。经检查、验收确认合格后，上交资料室归档，录入数据库。

对形变资料的分析预报处理主要进行观测值归算和形变网平差。绘制的图件主要有垂直形变速率图和等值线图、水平位移矢量图和应变分布图。

三角测量归算还包括垂线偏差改正、照准点高度改正、截面差改正，并进行高斯投影平面计算，距离、方向改正计算，子午线收敛角计算等。

1.面上水准

70年代开始的大面积水准测量归算，还加入尺长改正、正高改正、重力异常改正、潮汐改正以及拼环检查质量精度。大面积水准网平差通常采用动态速率平差，计算地面测点的运动速率和垂直形变量。

面上水准观测资料多，数据量大，网点覆盖范围广，复测周期长，因而计算处理工作量大。70年代，主要用算盘和手摇计算机进行平差计算，手工绘制垂直形变等值线图和垂直形变剖面图。80年代，逐步采用电子计算器和计算机处理。90年代，由于计算机的普及应用，实用化攻关成果软件的推广应用，建立了面上水准数据库，对面上水准资料进行多网多环的经典、自由、拟稳的动态平差，解算出监测点的垂直运动速率，然后再采用多面函数拟合的方法，求得监测区域的地面运动速率函数，绘制垂直运动速率图。

2.跨断层短水准

1983年开始，利用计算机采用傅利叶级数对观测值进行拟合计算以排除雨量、温度、地下水等干扰因素，绘制相应的拟合曲线、残差曲线和断层运动模式图。对个别场地也采用直接图示法或高程变化分析法。1992年，建立跨断层短水准数据库，应用实用化攻关成果软件，使数据资料处理更加规范化，并提高图件绘制速度。

3.定点跨断层形变

1991年开始，天马定点形变台跨断层水准资料处理主要采用多元线性回归法、动态灰箱法、褶积滤波法、带控制项的自回归模型(CAR模型)法、卡尔曼滤波等。90年代开始采用国家地震局推广使用的“DDPS”软件系统，用低通滤波方法对长趋势异常进行识别，对异常信息进行速率、频次合成，以提高异常信息的置信度。

4.跨断层小三角

1982年，采用秩亏自由网平差方法对观测方向值进行平差，根据计算的点位位移矢量并以观测误差的三倍作误差椭圆衡量断层运动，作相应的应力应变分析，绘制相应的图件，对断层的水平运动状态进行评定。

5.激光测距

1989年开始，采用秩亏自由网平差方法对观测网边长进行平差，采用位移矢量法、应力应

变法对监测区的水平运动及应力状态进行分析。

6.基 线

1976年开始，对跨断层的基线丈量资料直接采用对比法进行应力应变分析。

7.地倾斜

定点地形变观测资料处理主要提取形变速率、方向及岩石物性数据。形变速率和形变方向的变化可以从形变观测数据直接取得，而岩石物性则从倾斜固体潮振幅因子及潮汐形态中获得。 地倾斜观测受多种因素干扰，资料情况复杂，包含观测环境(洞室与地形效应、墩基变形、降雨、温度、气象)影响，仪器因素及人为干扰(工业、运输、排灌、人员出入洞室等)影响，观测台站多，数据量浩大，资料处理繁重。70年代，主要用手工方法处理，80年代，开始逐步改用计算器、电子计算机计算。1990年后，应用改进实用化攻关软件，工作效率提高。

地倾斜观测资料预报分析处理方法主要有5种：(1)形态分析判别法，绘制单分量五日均值图、日均值图，必要时再加整点值图及矢量图；(2)差分法，倾斜单分量一阶差分计算，同时绘制五日均值序列、日均值序列、整点值序列图；(3)固体潮振幅M2波γ值计算，用维尼科夫调和分析和卡尔曼滤波递推相结合的方法进行计算，并绘制图件；(4)契比雪夫多项式拟合计算及图件绘制；(5)排除降雨及其记忆影响进行褶积滤波分析及图件绘制。

8.全球卫星定位系统GPS

1995年开始，利用GPS观测资料研究福建地壳运动。除本省资料外，还包括上海、日本(USU3)、台湾、韩国(TAEJ)、海口、印度(IISC)、乌兹别克(KIT3、POL2)资料。1995年共有153条基线，平均边长1871.0公里，最长6269.4公里，最短50.9公里。1997年共有231条基线，平均边长2061.4公里，最长6269.4公里，最短25.5公里。

以天为计算时段，一天计算一个成果。对一天中所有的GPS观测数据同时计算，使用的是IGS精密星历。数据处理控制选择：采样间隔为120秒，最大历元720，截止高度角15度；基线

处理采用松弛解GAMIT软件；对流层误差模型采用Saastamoinen模型和缺省气象参数；天顶延迟参数个数13，电离层延迟，消除电离层的LC观测量；卫星轨道参数9个，6个开普勒根数，3个太阳幅射压参数。数据清理采用AUTCLN软件。基线的相对精度1995年为3.7×10-9，1997年为3.3×10-9。

(二)地下流体资料

地震地下流体监测资料包括地震地下水动态监测资料和地震水文地球化学监测资料。

1.地下水动态

80年代初，逐步建立福建省地震地下水动态观测网，观测井均系中、深井，属基岩裂隙承压水，有明显年动态规律性，水位的季节性、周期性变化是其主要特征。资料处理工作主要有3种：(1)根据资料要连续和稳定的要求，对缺数或非自然因素引起的测值突变，分析前要做资料预处理，对少数缺数的断点，采用插值法补上，对突跳和阶跃现象首先分析原因，确认为观测的偶然事件可将突跳值舍弃，若系阶跃，则要调整基线，将阶跃前后的观测值归算到同一水平；(2)原始数据的日常处理，计算日均值、五日均值、月均值、年均值等各类均值，以及水位的气压校正及其均值计算和重力固体潮理论值计算；绘制水位、气压、经气压订正后水位、固体潮理论值逐时值图，水位、气压、经气压订正后的水位、降雨量日均值图，水位日均值、校正气压后的水位日均值及其一阶差分图等；(3)干扰因素排除与异常判定处理，通常采用差分法、回归分析法(一元线性回归、多元线性回归、多元逐步回归)、滤波法(多道维纳滤波、别尔采夫滤波)等。1990年后，资料处理和图件绘制工作通过计算机完成。

2.水文地球化学

地震水文地球化学观测资料有70年代初期开展的氡射气测量资料、水电导率观测资料，1983年开始利用气相色谱议进行的氦、氢、氩、氮和气体总量日测分析资料和1984年开展的全省水质组分分析资料。

水化资料处理工作主要有3项：(1)资料的预处理，根据连续、稳定的质量要求，对资料进行可靠性检查，对断缺或因测试条件(包括仪器标定K值、标准溶液、标准电极等)、观测环境条件变更引起数据突变的要给予补缺、校正等处理，1990年后，增加数据录入、入库工作；(2)日常数据计算及图件绘制，计算主测项和辅助测项的日均值、五日均值、旬均值、月均值，绘制相应曲线，1990年以前，主要用计算器手工完成，1990年后，逐步采用实用软件电脑操作完成；

(3)排除干扰与分析处理，采用回归分析(多元线性回归分析)、相关矩平分析、差分分析等方法进行处理。70～80年代，用计算器处理，1990年以后，用电子计算机和实用软件处理。

(三)重、磁、电资料

1.重 力

1972年后，重力观测资料处理根据国家地震局制定的有关规范，严格执行资料的三级检查、二级验收制度，确认验收合格后，将资料归档，录入数据库。流动重力观测资料按国家地震局地震研究所的要求，外业测完后一个月用软盘上报给武汉地震研究所重力室。

资料处理采用经典、自由网、拟稳等平差方法对观测的重力段差进行平差，绘制相应的重力场变化图、剖面图、点位重力变化图、高差随时间变化图等。

2.地 磁

地磁资料包括1975年试测、1977年投入正式使用的流动地磁观测资料和80年代初建成的固定地磁台网观测资料。对流磁资料处理先进行通化和对比处理，然后再进行长期变的拟合处理。为了使流磁资料和外区统一使用与对比，将测区内同一期的各测点在不同的时间内观测值通化到附近的地磁台站某月25日晚上21时，目的在于排除短周期日变场的干扰。1977年11月(第1期)到1986年5月(第16期)，通化、对比台选为邵武，采用经纬校正通化法。1987年5月(第17期)，对比台仍选为邵武，通化台选设厦门天马和龙岩二处，采用常规的台阵通化法进行通化。1977～1997年，观测资料上报国家地震局地球物理研究所地磁室。90年代，经过清理攻关、实

用化攻关和对地磁软件的改进优化，对定点地磁资料采用现代计算机软件方法处理，有日均值法、五日均值法、磁暴分析、幅相法、差分法、相关分析、差值、低点位移等。

3.地 电

地震地电观测资料包括地电阻率观测资料和自然电位观测资料。1977年福州台地电、1978年莆田台地电正式投入观测后，资料处理主要是：(1)根据台站的日报(日均值)或月报资料，剔除突发性干扰引起的不可用资料，计算五日均值、月均值，绘制相应的原始图件；(2)校正由于固定干扰因素引起的系统偏差；(3)进行消除年变化的数据处理工作，采用相关分析法消除年变化影响；(4)绘制出校正后的地电各类均值图。

4.电磁波

1989年开始，陆续建成的10个电磁波台观测资料，主要处理日报的电磁波场强、变化持续时间，绘制场强逐日变化图及变化持续时间逐日变化图件。根据月报资料在排除干扰基础上绘制月变化持续时间和月最大场强逐月变化图件，及电磁波的方位变化等参数图件。

前兆异常识别

(一)地震学前兆异常

1972年台湾东部海域8级大震波及福建全省，1975年漳州发生86次小地震的震群，1976年华安发生186次小地震的震群，1981年永安小陶也发生68次小地震震群，这些地震震级虽然不大，但都影响到社会的稳定，社会需要科研人员作出地震预报。科技人员首先应用华北等多震区的强震震例经验，如用地震分布在时间上和空间上的异常识别方法预测地震，还用数理统计的方法预测较长时间较大范围内可能发生地震的概率。这一时期的分析多半以“看图识字”的方式进行。如把地震频度密集—平静—发震的规律、地震能量和应变能释放平稳—加速—发震规律的“平静”、“加速”都作为较大地震发生的前兆异常，对漳州和华安等地地震和震群进行了监视预测；利用数理统计的极值理论、马尔可夫链等周期分析法对泉州—汕头地震带地震作出中长期预报。这时期的预报属经验性预报，在实践中有成功，也有失败，失败多于成功。

1983～1986年，国内通过地震预报方法的清理攻关，地震学分析预报方法归纳出7种类型：空间图像方法、时间进程方法、地震序列方法、地震相关方法、震源及介质参数方法、合成方法、数理统计方法等。

80年代中期，福建震情分析水平有一定的提高。福建省地震预报工作者利用空间图像法和地震序列法，总结出闽、台、赣地区中强以上地震前存在地震空区和地震条带空间异常图像。地震空区指历史上发生过强震，现已平静了足够长的时间，但其周围被继续发生的一些中、小地震所包围，且具备发生强震的地质构造背景的地区。这些地区是地震活动异常区，未来将会发生较

强的主震。一般用3个标志衡量空区：一是随着空区的形成，空区及邻近区的地震应变能释放出现加速；二是空区内外的地震频度比在空区孕育过程中出现峰值；三是主震发生前空区内未来震源区可能发生一些中等强度的信号震。地震条带是指在大震发生前区域性中、小地震活动震中形成一条或两条共轭的带状分布图像。识别条带也有3个指标：条带的展布与现今活动断裂带基本一致；条带是突出于全区的；伴随条带的形成，条带所在区域里应变释放加速，较大地震的频度上升，较小地震的频度下降。80年代初期，跟踪闽台地区地震活动，寻找异常空区和条带图像，仅靠手工操作，把每个地震震中按一定的时间域画在有地理位置的底图上，绘制成震中图。80年代后期，开始用计算机绘图，可供震情分析的图件大大增加，寻找空区和条带的可能性增大。1987年8月2日在邻近福建的江西寻乌发生5.5级中强震群之前，预报人员曾提出该区存在地震空区和条带异常。1992年2月18日福建南日岛东南海中发生5.2级地震，震前预报人员持续8年跟踪分析该区存在的地震空区异常。特别是在1994年9月16日台湾海峡南部发生7.3级强震前，福建省地震局连续2年，在1993、1994年度《闽台地区地震趋势研究报告》中明确指出该区存在地震空区和条带，而且附有地震空区和条带图像。

地震序列法和地震相关法在福建地震前兆异常识别中也经常用到。闽、赣地区是小震群多发区，漳州、华安、厦门、长汀、龙岩和永安等地区都曾经发生过小震群。利用震群序列性质来判定后期的较大地震或者利用前期的地震预测后期的较大地震的方法叫做地震序列法。通过对震群序列的应变能释放特征、震群能量释放均匀度u值、震群特征量归一化熵值K、地震频度衰减系数h值以及地震频度与震级关系的古登堡公式b值等指标综合评判一次震群具有前兆性质还是属正常震群活动，若是具有前兆性质的震群发生后，就会在该区及其邻近区内一定时间段里发生较大的地震与其对应。通过判定震群性质的异常指标，福建地震预报人员对1994年台湾海峡7.3级地震、1997年永安5.2级地震作出过一定程度的中期预报。

地震相关法常用于两个地区或两个以上地区的地震活动的相关性比较。如利用台湾地震后福建及其邻近地区地震也会随之活跃的对应关系，预测福建地区中强以上地震的危险性；利用台湾强震滞后菲律宾强震，而华南地区中强震又滞后台湾强震的关系，预测福建及华南的地震大形势，认为1986年至2000年前后，福建及东南沿海地区将处于地震相对活跃期，结果在这一时段里发生了多次中、强震，说明这种分析基本正确。

90年代后期，开始应用分维理论等进行短临预报的探索和实践，并努力使地震预报方法逐步从经验预报向有一定物理基础的定量、半定量预报方向推进。

(二)前兆学科前兆异常

1.大地形变

异常识别主要依据点位的自然条件(如稳定性、干扰情况与活动断裂的关系等)和观测精度，对单线的水准测量资料采用直接的处理方法，对测段高差和点位高程的变化对比观测精度进行异常识别。

垂直形变速率图、等值线图和应变分布图、水平位移矢量图的各自的形态、分布与地质构造相吻合时，说明这些构造单元有相对运动。正常的大面积地壳运动具有速率缓慢、变化形态与地壳浅部构造分布一致，表现新构造运动的继承性的特点。相反，当局部地区的构造单元运动速率明显改变，出现垂直形变高梯度带或高应变积累区，其运动速率或应变积累速率超出允许值，就划为形变异常区。

70年代，福建地震科研人员主要根据垂直形变图和等值线图来分析异常，处于“看图识字”的经验探索阶段，80年代以后，随着实用化攻关成果软件推广，逐步采用计算机来判定异常。 跨断层短水准则用傅利叶级数对观测高差进行拟合，以排除雨量、季节(温度)、地下水等干扰因素，用残差的两倍均方差作为异常判别的指标。还应用图形分析方法识别高形变速率区和高形变梯度带等异常。

定点跨断层，通过低通滤波方法对长趋势异常进行识别，短临异常采用动态灰箱法、广义回

归法、褶积滤波法、CAR模型法进行识别。

跨断层小三角采用秩亏自由网平差方法对观测方向值进行平差。根据计算的点位移矢量，以3倍误差椭圆作为异常判别指标，并作相应的应力应变分析，绘制相应的图件，对断层的水平运动状态进行评定。

激光测距采用秩亏自由网平差方法，对观测网边长进行平差，以3倍误差椭圆作为异常判别指标，采用位移矢量法、应力应变法，对监测区域的水平运动及应力状态进行分析。

地倾斜一般采用形态法判别异常。对有长期观测资料的台站，根据单分量或矢量图曲线的正常背景，观察异常的形态，判别前兆现象的出现。如莆田台地倾斜SN向，1992年2月18日南日岛M5.2级地震前，从1月底至2月上旬出现明显的日均值曲线“缺口”异常形态，1992年以前矢量图打结，震后逐渐西倾。

对倾斜固体潮观测值采用倾斜固体潮潮汐因子γ值来判别异常。正常情况下计算得到的观测台站的固体潮理论振幅A与其实测的固体潮振幅A′之比A′/A称为倾斜潮振幅因子γ，它是十分稳定的。根据M2波群的潮汐因子γM2的动态变化发现地震前兆。以平静期本底误差的2倍作为判定异常的警戒线，出现系统偏离，且达到超限视为异常。如1995年2月25日晋江东南M5.3级地震前厦门台地倾斜γ值存在异常。

卡尔曼滤波法、褶积滤波法、契比雪夫多项式、动态灰箱分析、差分法等均增用2倍中误差法作为异常判定识别标准。

2.地下流体

(1)地下水动态

80年代后，主要用滑动平均法、褶积滤波、维纳滤波、回归分析等方法提取地震地下水位前兆。地下水位异常主要有上升、下降、阶变、脉冲—振荡和固体潮畸变等5种型态。

上升型：在地下水位正常背景下出现超过正常变幅几倍甚至几十倍的大幅度上升，在地震之后恢复到正常变化。

下降型：在地下水位正常变化的背景下，出现超过正常变幅的几倍甚至几十倍的大幅度下降，在地震发生之前或之后逐渐恢复到正常变化水平。

阶变型：在较短时间内完成水位突升或突降，在水位曲线上形成陡坎，称为阶跃。

固体潮畸变：地震前地下水位固体潮发生波形变化，或者相位的错动，或者固体潮形态被破坏。

1992年2月18日南日岛M5.2级地震前，南靖汤坑井群、平潭井、龙田井都记录到水位升降和水位固体潮畸变。1994年9月16日台湾海峡南部M7.3级地震前，南靖汤坑、福清龙田、平潭北雾里井水位都存在基本同步的异常，表现为水位反常升降，水位阶变、突跳、脉冲以及固体潮畸变潮差变化、相位错动、形态破坏等。

(2)地下水化学

70年代，处于“看图识字”阶段，以对比曲线变化形态的“鼓包”、“突升、突降”变化做为异常判别标准。70年代后期到80年代，开始运用均方差计算，用2倍或3倍均方差做为曲线正常变化范围的控制线，以超限作为判别异常的指标。同时还采用一元相关分析或二元相关分析来排除干扰，识别异常。90年代，由于清理攻关和实用化攻关成果软件的推广、应用，能用智能化专家系统程序软件进行更复杂的计算分析。

主要采取以下方法定量排除干扰，进行异常识别。

线性趋势分析法：有些资料无明显周期性干扰成分，但长趋势变化明显，属非稳态序列，不符合控制论的数字模型，不能直接用标准差作为异常分辨的控制线，这种趋势变化可以看作是判别短临异常的干扰成分，因此用这种方法给予排除。用去趋势后的序列提取异常指标，再用其剩余标准差2倍或3倍做控制线。

回归分析法：常用的是线性回归和多元线性回归。能排除干扰因素对测值的影响，消除干扰

因素之间的相互影响，并把主要因素引入回归方程。用消除干扰后的剩余标准差序列提取异常指标，再用其剩余标准差的2倍或3倍做分辨控制线。

相关矩平分析法：利用不同年时间段的均值序列(五日、旬、月)之间的相关程度来求观测点值的正常年动态曲线，用正常年动态曲线来排除干扰。再以原来不同年时间段的均值序列和正常年动态曲线的余差序列提取异常指标，用其剩余标准差的2倍或3倍作为分辨控制线。

原始数据曲线分析法：利用直接观测数值或均值线(五日、旬、月)的标准差分析、差分分析、自适应阈值分析等，都采用其剩余标准差的2倍或3倍做为异常判别控制线。单点突跳或多点突跳也可以用来作为识别异常的方法。如1994年9月16日台湾海峡南部M7.3级地震，震前出现的漳州氡、二氧化硅，泉州钾离子和钙离子，华安氡等异常。1995年2月25日晋江海外M5.3级地震，震前出现的漳州、安溪二氧化硅，华安氡等异常。

3.重、磁、电

(1)重 力

采用经典、自由网、拟稳等平差方法对重力段差进行平差处理后绘制相应的点位重力变化图、高差随时间变化图等。以平差精度的3倍中误差作为异常判别指标，结合区域的地形、地下水、季节变化、海潮等情况进行异常的综合分析。

(2)地 磁

流动地磁在采用常规通化方法、对比差值法、滑动平均改正法对资料进行处理后，用差值滑动平均改正法的3倍残差均方差作为异常的识别指标。

70年代，定点地磁异常识别采用“红绿灯”法、磁暴二倍法、差值法。80年代后，经过清理攻关和实用化攻关，差值法在本省得到普遍运用。主要将两台站之间的观测值的差值为一常数，考虑到观测误差，一般以其2倍中误差(±3NT)为异常识别标准，超过±3NT达3天以上可做中强地震预报依据。另外还有幅相法，即单个台站逐月磁偏角(D)幅值(极大极小之差)的2倍均方差为限差做为识别异常标准。

福建省用于短临预报效果较好的方法还有转换函数和加卸载响应比。转换函数方法利用转换函数频率特性，认为震前周期T=9～200分钟的│A│、│B│有明显的增大和波动，异常识别以超过2～3S为标准。加卸载响应比使中低纬度地区地面任一点记录到扰日场与该测点正常时期的不同并与稳定地区测点有所不同。其原理是找出震前P(Z)异常的最低值—阈值P0(Z)，如果P(Z)≥P0(Z)，则有可能与1～10个月以后地震或灾害性天气相对应。

(3)地 电

70年代，地电异常识别主要依据“年变规律有否破坏”，“有否大于日均方差三倍以上突变”等。还有一些简单的数学处理方法，如五日均值法、月均值法及二元一次线性回归分析法等。80年代，经过清理攻关、实用化攻关，逐步进入半定量化分析，其前兆异常识别步骤为：①正常值的确定及异常判定指标，经过资料预处理后月均值波动最大幅度小于1.5％(最大值与最小值之差对其均值之比)，连续无震时段的电阻率平均值取为正常值。当地电阻率均值偏离正常值的相对变化幅度大于1.5％，且超过正常值时段标准偏差3倍时，即判定为异常变化。其中趋势变化持续时间6个月以上的采用月均值或五日均值作为判别异常的基本数据；持续时间小于6个月的采用日均值作为基本数据。②异常可信度分析，排除地电阻率变化与观测条件有关，核实是否为表层局部电性变化所致，进一步区分是否地震异常。