地震流体地球化学短临预测研究进展与展望.pdf

书书书第 卷第 期 年 月地震地质 ，：李营，方震，张晨蕾，等 地震流体地球化学短临预测研究进展与展望 地震地质，（）：，（）：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望李营）方震，）张晨蕾）李继业）鲍志诚）张翔）刘兆飞）周晓成）陈志）杜建国）中国地震局地震预测研究所，中国地震局地震预测重点实验室，北京 ）安徽省地震局，合肥 ）蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，蒙城 ）地下结构探测与震灾风险防范安徽省重点实验室（筹），合肥 ）陕西省地震局，西安 ）黑龙江省地震局，哈尔滨 ）江西省地震局，南昌 ）云南省地震局，昆明 摘要建立地震短临预测方法是减轻地震灾害损失的最有效手段，也是科学难题。流体是地球内部最为主动、活跃的组分，携带了地球各圈层的地球化学信息。地震流体地球化学的组成和变化对地下物理化学条件的改变响应灵敏，是指示地震和构造活动的有效指标。文中综述了国内外流体地球化学短临预测机理的研究进展，介绍了国内外已经建立的流体地球化学地震短临预测模型和方法，利用 中国震例 数据对主要预测模型和方法进行了检验分析，评述了各方法的适用性和效能。结合团队已有的工作基础，提出了基于前兆机理进行地震流体地球化学短临预测的思路，并对中国地震科学实验场地球化学子系统的地震短临预测研究和应用进行了展望。关键词地震流体地球化学短临预测中图分类号：，文献标识码：文章编号：（）收稿日期 收稿，改回。基金项目 国家自然科学基金（）、联合国教科文组织国际地球科学计划（）和安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站联合开放基金项目（，）共同资助。引言地下流体普遍存在于地球介质中，是地球系统中最活跃的组分，也是地球各圈层相互联系的有效介质（，；，；，）。地下水具有较强的流动性和较弱的压缩性，对应力应变的响应非常敏感，对应变响应量级可达 （，）。流体直接参与地壳中的各种动力过程，其本身作为一种孕震介质，在地震孕育和发生过程中发挥着至关重要的作用，同时也是地震活动性的良好指示计（，；，；，）。地震地质 卷流体地球化学在地震短临预测、地震前兆研究及构造活动分析中占据着重要地位。在 年间全球出现流体异常的 个震例中，有 个震例出现了地球化学异常，占比 （，）。根据 年的 中国震例 数据可知（蒋海昆等，），中国大陆 次 级以上地震共出现 例前兆异常，包括 例流体异常，占比近一半；其中，流体地球化学异常有 例，占流体异常总数的 。地下流体地球化学异常具有明显的短临特征，通常发生在地震前几天至几个月（晏锐等，；，；，；，；，）。本文介绍了国内外地震流体地球化学地震短临预测研究进展，综述了流体地球化学地震短临预测的方法及其机理，并对各类方法进行了震例检验，评述了其适用范围和有效性。结合团队已有工作，提出基于流体地球化学地震前兆成因机理进行地震短临预测的思路，并展望中国地震科学实验场地球化学子系统在地震短临预测研究中的应用前景。国内外地震地球化学短临预测研究现状 年邢台 级地震后，通过震后调查和余震监测，发现氡浓度、氯、钙、气体组分及地下水翻花冒泡等异常。苏联在 年塔什干 级地震前监测到氡浓度异常（张炜，），此后，中国、苏联及其他一些国家开始利用地球化学方法开展地震预测研究工作。经过 多年的发展，积累了大量监测资料和地震地球化学预测实践经验，并开展了预测机理和预测方法研究。流体地球化学短临预测机理研究进展揭示与地震孕育和发生有关的流体地球化学前兆异常形成机理，是地震预测研究的重要组成部分。地下水地球化学变化成因机制非常复杂，目前主要假说包括水体混合机理（，）、水岩反应机理（，；，）、深部岩浆上涌机理（汪成民等，；万永革等，；，）、地震波振动机理（，）、孔隙压缩机理（，；，）和压力溶解度机理（，；，）。等（）认为地球深部的流体迁移是地震流体地球化学异常的重要机理之一，与地震有关的流体化学异常可归因于液体混合的迁移过程及地壳应力变化引起的水岩反应机理。混合机理是指随着区域应力场的增强，断裂带附近裂隙逐渐发展和贯通，导致含水层的孔隙压与渗透率发生变化，促使不同圈层的流体混合，从而形成流体地球化学异常（，）。地震活动导致的破裂或裂隙及含水层的弹性变化可以使不同来源化学组分的水体发生混合（，），且多发生于地质构造较为发育的地区（，），因此混合机理在地震预测时间、空间尺度识别精度上作用明显，能够为震中位置的判定提供参考，并具有一定的短期和长期预测意义（，）。刘耀炜等（）研究 年鲁甸 级地震流体异常的成因机理时认为，泉水的浑浊异常现象是由于构造活动疏通了径流区岩层裂隙，破坏了原有的地下水补给排泄的平衡条件，使处在泄流区的泉水更容易汇集不同补给源的物质。水岩反应是指地震孕育过程中，随着震中区应力的积累，断裂带岩石产生微破裂，沿破裂面上水岩反应增强并伴随气体溶解，从而导致地下流体化学元素、同位素在水与岩石之间再分配的过程（沈照理等，）。由于水岩反应与地震断裂带的关系密切，且主要沿断裂通道发生化学反应（，），同时与活动断裂带深部的岩石应力和地壳变形活动均有关，因期李营等：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望此地球化学组分和浓度的变化对估算地震震级和未来震中位置具有参考价值（，）。邵俊杰等（）通过实验研究了灰岩、橄榄岩、花岗岩与水反应的溶液，发现 、的浓度可以作为水化学监测的重要指标，它们对时间的变化最为灵敏，利用水岩反应的离子浓度可更为有效地预测地震发生时间。国外地球化学短临预测研究进展在地震发生过程中，断裂带土壤气体（、等）、断裂带附近的温泉水、井水和地下水等的水化学离子（、（）等）、温泉气体（、等）的浓度及温泉气体中稳定同位素的比值（和 ）、地震震中附近的温泉水、井水和地下水的同位素组成（和 ）与区域内的地震活动密切相关，在很多地震前后能够观测到明显的异常变化。地震活动期间，氡相较于其他气体能够更为灵敏地反映地质构造活动，因此氡异常已被广泛应用于地震短临预测研究领域，同时也是 （国际地震学与地球内部物理学协会）公认的地震前兆之一（，；，；，）。本节主要以氡为例，综述国外地球化学短临预测的研究进展。异常持续时间、震级、震中距的关系地震预测包含时间、地点和震级 个方面的要素。国外学者总结了很多关于应用地球化学方法研究地震异常持续时间、震级、震中距之间关系的经验公式（表 ）。例如，等（）给出了根据震级估算有效氡前兆异常区半径的经验公式，该研究假定前兆变形的有效区域是一个圆圈，中心位于震中，根据表 经验公式估算圆的半径，圆的交会区域即为发震地点。等（）在 等（）经验公式的基础上提出了关于氡异常时间与地震震级之间的模型，并选取世界各地 、震中距 的 次主震验证模型的有效性，该研究给出的经验公式能够被许多地区的地震实例验证。等（）对已经发表的全球范围内 个与氡异常相关的地震事件进行了分析，较为系统地总结了不同方法测得的氡数据在地震预测时的经验公式。异常持续时间、震级、震中距等关系的经验公式均具有区域特征，在震例回溯检验或区域地震预测中有一定的准确性，但很难实现准确的地震短临预测，更难以应用于其他区域。地震短临预测在已有的连续观测的数据基础上，国外学者使用不同的数据分析方法提取出与地震活动有关的前兆异常，进而预测地震的发生。表 统计了国外地球化学短临预测分析方法及应用实例。起初研究者通过使用算法程序，试图有效识别观测到的氡浓度变化是由环境参数改变引起的还是地震活动的影响所致，从而为地震预测提供依据。研究表明：分层神经网络方法（）、模型树回归方法（）、箱线图和气象参数分析方法都能有效区分由环境参数引起的氡浓度变化与由地震引起的氡浓度变化（，；，；，）。另外，通过主成分分析（）和变化点检测（）分析地下水中微量元素浓度的监测数据，能够确定与地震活动有关的水文地球化学前兆，从而为预测地震活动提供研究指标（，）。（）地震发生时间预测目前国外已经发表的研究成果中，大量工作集中于研究预测地震发生的时间，通过使用算地震地质 卷表 国外地震地球化学前兆研究的经验公式 序号经验公式参数含义适用范围参考文献 为有效前兆异常区的半径，为震级是大量地球化学地震预测方法的理论基础，适用性较广泛 ，为氡地震前兆异常的持续时间，为震级 ，为氡地震前兆异常的持续时间，为震级适用于美国南卡罗莱纳西北部约卡西湖 的地震预测，该模型成功验证了 年 月 日 级地震事件 ，（天）为震级，为氡异常变化的天数适用于美国蓝山湖地区的地震预测 ，（）为震级，为氡的衰变常数，为氡浓度的相对变化，为常数，给定值为 ，为氡异常变化的时间选取世界各地震级 、震中距 的 次 主 震 验证了模型的有效性，表明该模型具有较为广泛的应用范围 ，为氡异常变化的时间，为震级适用于南极洲地区的地震预测模型 ，为震级，为震中距适用于各种氡浓度检测方法 ，为震级，为震中距，为地震引起的氡浓度最高值出现的时间适用于地下水和温泉中的氡浓度检测方法 为震级，为震中距，为氡浓度开始出现异常值到升至最高值的时间适用于土壤气和降雨中的氡浓度检测方法 （）为震级，为震中距，为氡浓度从最高值变化到最低值的时间，为地震引起的氡浓度最高值出现的时间适用于空气中放射性氡浓度检测以及地下水和土壤气中的氡浓度检测方法法程序，对监测站点连续观测的氡浓度数据及环境参数进行分析，从而有效识别出由地震活动引起的氡浓度异常，并给出预测结果。随着新方法的不断发展，以人工神经网络模型（）为代表的新技术在地震预测研究中被广泛使用，并已经过多次震例验证（，；，；，；，）。应用人工神经网络模型进行地震预测的基本原理是：先建立一个人工神经网络模型，输入无地震活动的环境参数，即可输出相应的土壤气 含量；当发生地震活动时，输入受到地震活动影响的环境参数，利用人工神经网络模型模拟土壤气 的含量与实际测值之间的差异，即为土壤气 浓度异常，进而给出地震预测意见。已有的研究结果表明，人工神经网络模型（）在地震前兆异常信息提取过程中具有更高的准确度，能够为期李营等：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望表 国外地球化学短临预测分析方法及应用 序号方法应用实例参考文献分层神经网络（）能够区分环境条件改变和地震活动引起的氡浓度变化 ，模型树方法（）在无地震活动时期，计算得到较为真实的氡浓度测值，但在地震活动时期，计算出的氡浓度值与实测值相差较大，可根据该模型计算的结果与实测值之间的差异预测地震活动 ，箱线图分析方法分析了巴基斯坦的穆扎法拉巴德地区监测点的氡特定模式浓度，可以识别氡浓度的异常变化，预测地震活动的发生 ，主成分分析（）和变化点检测（）根据冰岛北部地下水中微量元素浓度的监测数据，分析与地震活动有关的水文地球化学前兆，为预测地震活动提供研究指标 ，人工神经网络模型方法（）建立人工神经网络模型预测东安纳托利亚断裂带的地震，对发生的 次地震进行验证，准确度较高，误差只有 ，对斯洛文尼亚东南部断层土壤气中氡的浓度进行分析，在 次地震中识别出 次异常 ，基于斯洛文尼亚地区的环境参数和氡浓度的监测数据预测地震，可成功预测 例地震事件中的 例 ，人工神经网络模型（）、多元线性回归（）和 决 策 树（）方法使用不同方法识别巴勒斯坦北部地区构造活动引起的氡异常，从而预测地震的发生 ，变点分 析 及 检 测 算 法（算法）、贝叶斯 算法使用 算法、贝叶斯 算法对连续监测的气氡数据进行处理能够预测地震的发生，使用该方法成功预测了意大利中部地区地震 ，基于异常点画圆，根据氡监测网预测地震位置和震级可成功验证 年伊朗 地区发生的地震 ，地震预测给出更为可靠的结果（，；，；，；，）。除了人工神经网络模型外，变点分析及检测算法（算法）和贝叶斯 算法也可用于地震预测研究中。等（）利用 算法和贝叶斯 算法对意大利中部地区连续监测的氡浓度数据进行了处理，成功预测了 年 月 日意大利诺尔恰 地震。（）地震发生地点和震级预测相较于大量关于预测地震发生时间的研究工作，预测地震发生地点和震级大小的研究则较少。等（）介绍了根据氡监测网预测地震地点和震级的方法，使用该方法的前提是研究地区内至少有 个氡监测点出现异常，以异常监测点为圆心，根据研究区域中心范围和距中心最远异常点的距离计算得到半径，由此确定的几个圆重叠的部分就是地震地点的范围（图 ）。根据距研究区域中心最远和最近异常点的距离分别计算可能发生地震的震级上下限，从而给出预测地震的震级范围。笔者使用 年伊朗 地区发生的地震对其进行验证，得到的结果与实际情况相符。应用该方法需要氡的监测网比较密集，且均可连续观测，从而更准确地预测地震的发生地点和震级。地震地质 卷图 根据多个监测站氡浓度异常预测地震发生的地点（，）（，）中国地震地球化学短临预测研究现状自 世纪 年代中国地震地球化学短临预测科学研究全面开展以来，相关从业者通过一系列水化地震预报方法的实用化攻关，基于“长中短临”渐进式预报思路和工作程序，研究建立了一批地震短临预报方法，并推进了地震地球化学短临预测向着基于客观、多方面科学判据的方向发展。地震地球化学综合预测方法 年渤海 级地震前，北京、天津、河北地区多个观测井孔出现水氡、电导率、氟离子、亚硝酸根离子的异常变化，这是中国利用水文地球化学方法预报的第 个 级以上强震的震例资料（张炜等，），并在随后的 里积累了大量地震地球化学前兆异常信息，如 年海城 级地震、年云南漾濞 级地震、年宁河 级地震、年大同 级地震等（蒋凤亮等，；万迪等，；张培仁等，；王吉易等，）。中国相继开展了水化地震综合预测方法实用化攻关和综合预测方法研究，提出统计判据预报方法（张炜等，）、水化短临预报整体化方案（王吉易等，）、多层次跟踪预报方法（王吉易等，）及平面图形演化方法（邵永新等，；邢玉安等，）（表 ）。（）统计判据预报方法将水化异常的形态、时间、数量及分布范围等量化指标作为判据。异常持续时间 ，期李营等：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望表 地震地球化学综合预报方法 序号方法名称适用范围预测效果资料来源统计判据预报方法对 地震的预测对发震时间的判断有较大的不确定性张炜等，水化短临预报整体化方案对 地震 的 短 临 预测地点预测受水化观测台网分布范围的限制王吉易等，多层次跟踪预报方法大（强）地 震 的 发 震 时 间的预测方法中包含多个规则、指标和计算式，需不断修正王吉易等，平面图形演化方法时间和地点的预测可预测 的大地震，震中及附近观测井点需密集邵永新等，至少有 个监测站点出现趋势异常，且异常点占总测点的比例约为 ，异常点的相对集中范围在 以内，则判定有发生 地震的可能性；异常持续时间多在半年以内，少数超过半年，异常总数占总测点数的比例达 以上，异常点集中分布范围在 内，则判定有发生 地震的可能性；异常形态多为突变性，异常点占总测点数的 ，异常点的集中分布范围在 内，则判定有发生 地震的可能性。以趋势性异常为主，异常点数约占总观测点的一半，约 的水化异常点相对集中于 范围内，可预测 内发震；异常出现显著的转折性变化，异常数量明显增多，异常点有向震中收缩之势，多数异常点集中在 范围内，可推断未来半年内可能发震；异常以单点突跳、多点突跳为主，且数目增多，异常点占总观测点 ，异常点集中在震中周围 范围内，可作为短临预测的判据。异常点分布集中，趋势异常明显，可作为发震地点的判据；若异常点的分布呈条带性，则震中往往位于异常带的一端或 个异常条带的交会区（张炜等，）。贺天培（）利用该方法对四川 年的水氡观测资料开展回溯性预报检验，得到水氡测值趋势性异常与地震的对应率分别为：级以上地震，；级地震，；级地震，。短临异常与地震对应率分别为：级以上地震，；级地震，；级地震，。（）水化短临预报整体化方案水化短临预报整体化方案对 地震做出为期 个月的短临预测，并对地震的震级和地点做出判断。该方法运用统计判据法做出中期和短期预测，待判断出 内可能发震后，再采用整体化方案预测地震三要素。引入“预报有效期”的概念，将群体异常中各异常（异常数 ）预报的有效期重合时间段作为可能发震时间段的判据；运用震级（）与前兆持续时间（）之间的地区经验公式计算震级，如京津冀地区 （）、（），甘宁青地区 ；以不同地区异常点的优势分布范围作为半径，采用“交会法”预测地震的震中（王吉易等，）。研究者曾利用该方法在 年青海共和 级地震和 年山西大同 级地震前作出了较为成功的预测（郑云贞等，；王吉易等，；刘耀炜等，）。水化短临预报整地震地质 卷体化方案的不足之处在于进行地点预测时受观测台网分布范围的限制，需要根据地震危险区划分和其他前兆的分布情况予以修正。（）多层次跟踪预报方法多层次跟踪预报方法主要用于大（强）地震发震时间的预测，提出中期、短期和短临时间尺度的预测意见。该方法将水化多点、多项差分异常群体半年频次累加曲线呈现加速变化作为中期预测判据；将月频次累加值 与时间 之间的指数相关系数 指 作为短期时间预测标志；将旬频次累加值 与时间 之间的指数相关系数 指 作为短临时间预测标志。官致君（）利用四川 个水氡观测点和 个水化观测点（水氡、）的数据，将 个以上水化台项水氡形态异常作为预报未来 内异常点周围 范围内发生 级以上地震、范围内发生 级以上地震的水化前兆指标。结果表明，种指标均能通过置信度为 的 值检验。张文冕等（）选择南北地震带北段 个水氡测点的群体性异常和 次中强震，根据国内外 个水化学异常震例统计结果预测发震时间，并利用经验公式 预测震级、利用综合交会法预测发震地点，预测结果对应的地震发生率 。张新基等（）采用异常频次累加法和异常频次变化速率法对 次 地震前的水化异常预报方法进行了研究，认为异常频次的加速阶段是临震阶段。该方法中包含多个规则、指标和计算式，需要根据实际震例资料和预报实践不断地加以修正。（）平面图形演化方法平面图形演化方法是一种利用无量纲的异常信息反映震前异常空间分布及其随时间的演化过程，从而预报发震时间和地点的方法。平面图形演化方法一般包括 值等值线图法和 值异常平面图法。其采用模糊从属函数、差分等方法提取异常，并对其进行归一化，然后绘制不同时间对应的上述 种平面图，通过分析异常于震前在时间、空间上的演化规律，寻找 值的集中区或高值区，异常的丛集图像分布区、条带图像的分布带及出现条带交叉图像的地区，并考虑异常分布图像与活动构造带和地震带的关系，从而对强震发生的时间和地点进行预测。前人利用该方法成功对 年唐山 级地震（王吉易等，）（图 ）、年大同 级地震（车用太等，）进行了震例回溯检验，并提出华北地区强震和中强地震水化学参量的中期和短期异常指标（李君英等，），检测了云南和四川西南部地区 年水氡高值异常对应地震的情况，发现 次地震中有 次落入预测的危险区内（邢玉安等，）。平面图形演化方法主要针对 地震的时间和地点进行预测，震中及附近需密集分布观测井点。地震地球化学前兆异常指标的研究“边研究，边实践”始终是中国地震预测的工作模式。在地震和前兆机理的研究过程中，地震异常特征和预测经验积累也至关重要，某一特定观测井孔、点位，或井、点的群体异常往往对其周边地震过程具有灵敏反映，异常空间分布特征不仅与震级、震中距有关，还与区域构造应力场及震源与测点之间的介质环境有关。例如，处于不同应力场及介质环境中的水汞观测点，其震前异常特征有明显差异（康春丽等，），且异常与地震的关系具有区域性特征（和宏伟等，；张晓东等，），这进一步说明了地下流体异常判别指标具有区域性差异的特点。因此，近年来，很多学者注重针对某个手段、某口井或某个地震开展地震地球化学前兆异常指标的提取，从而进行地震三要素的预测研究。期李营等：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望图 年 月华北地区的 值等值线图（阴影：），（）是目前应用最为广泛的地震地球化学前兆观测测项。唐山 级地震发生前，水氡异常存在由外围向震中区迁移的特征，且异常形态由复杂向简单演化（邵永新等，）；四川姑咱气氡测值升至 以上时，对应台站周围 范围内发生 级地震的概率较大（李志鹏等，）；等（）基于中国台湾地区 个连续断层土壤气 观测数据异常变化研究了 年 月 日 年 月 日的 地震，发现以土壤气 异常连续观测站点为圆心，利用经验公式 为半径画圆，则地震主要发生在圆的交会部位。地震发生前 异常往往较为显著，多具有明显的短临异常的特性，时间一般不超过半年，大多在震前几十天、十几天到几天，映震范围 ，与区域地震活动存在很好的对应关系（王基华等，；张培仁等，；车用太等，）。王基华等（）对怀来后郝窑断裂带长期的土壤气 观测数据进行分析时发现，级以上地震的映震距离可达 ，且震前异常时间、幅度与发震震级的相关性较好，而发震时间往往在异常转折下降过程中，并据此对 年 月 日张北 尚义 级地震进行了预测。的异常点数与地震的强度和震级有一定的对应关系，其对 级地震的映震范围约为 （魏家珍等，）。年鲁甸 级地震前，绝大多数地球化学长期和中期趋势背景异常观测点分布在距震中 范围内，而群体性短期趋势异常和临震异常集中于震中区 范围内，突出的异常则出现在震前 （刘耀炜等，）。晏锐等（）对 年汶川 级地震前地震地球化学前兆异常的空间展布、时间演化及典型异常的形态特征进行了回溯性检验，并据此给出了前兆异常最大响应范围 与震级 和应变量 之间的关系。地震地质 卷地震地球化学异常特征与地震三要素的定性、半定量的关系是通过预测标志建立起来的。不同学者拟定的预测标志，其内容也不尽相同。在多种标志中，一些标志是主要的，具有较强的可操作性；另一些则是补充性的，可操作性也较差。目前主要的预测地震三要素的地震地球化学标志见表 。表 主要的预测地震三要素的地震地球化学标志表（车用太等，）（，）地震三要素震级发震时间发震地点预测标志异常形态类型异常形态类型异常集中区的分布范围异常持续时间异常的开始、转折和结束时间异常区的时空迁移和扩展方向异常数量异常分布范围 地震地球化学短临预测分析方法及其效能评价很多学者试图利用定量的数学分析方法取代或基本上取代“看图识字”法，以提高地震地球化学的预测水平，包括中误差法（林纪曾，）、差分法（张炜等，）、自适应阈值法（张炜等，）、判别方法（丁香等，）、从属函数法（张素欣等，）、信息熵法（李圣强等，）、趋势转折法（司学芸等，）和破年变法（孙小龙等，）等。同时，还利用 统计检验法（王晓青等，）、值评分法（许绍燮，）、检验（孙小龙等，）和 图表法（孙小龙等，；王博等，；钟骏等，）等对上述预测方法开展效能评估。其中，值评分法在中国长期地震预测实践中的应用最为广泛。年，中国地震局地震预测研究所印发 震情会商技术方法业务应用推进清单（年）（震预函 号）。通过梳理 年以来中国地下流体水化和气体组分观测资料的原始曲线，按异常判别标准统计异常和地震之间对应关系，分区域对阈值（原始曲线）法、地下流体速率变化方法、趋势转折法、破年变法预测地震三要素开展效能 检验。当 时，该方法预测效能高于随机预测，具有预测意义；当 时，该方法预测效能通过置信度 的显著性检验，具有显著预测意义。推荐使用预测效能 的测项，可参考使用 的测项，暂不推荐使用 的测项。图 为 种方法在各片区通过显著性检验（即推荐使用（）的观测手段占比。整体而言，这 种方法在东北、华北片区的预测效能较高。地震地球化学短临预测方法的震例检验中国拥有最为完备的地震观测记录和最为系统的地震预测工作积累。岳明生（）统计了中国 年成功预测或一定程度上成功预测的地震。统计发现，流体观测数据是最重要的预测依据，在 个成功预测的地震中以流体为依据的有 个，占 ，同时流体也是异常出现比例最高的学科。本文根据 年的 中国震例，统计了 个震例、项流体地球化学异常（表 ），分析表明：）流体异常数量占总异常数量的 ，地球化学异常占流体异常的 ，在川滇地区该比例更高，且为地震中短临预测的主要依据。）西部地区的甘肃、青海、西藏、新疆等因地球物理台网稀疏，流体地球化学异常总体偏少。）同一观测站点出现的震前异常幅度与其对应地震的震级并不严格正相关。）异常震例的震中期李营等：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望图 种方法在各片区通过显著性检验（即 ）的观测手段占比 （）表 年 中国震例 地球化学异常统计 （）序号对应地震台站测项异常幅度异常特征震中距 异常持续时间 月张北 级地震（）河北怀来 水氡 低值异常 河北怀来 水汞 突跳异常 北京白浮气汞 突跳异常 河北怀来 上升异常 宁蒗 级地震（）四川西昌水氡 低值异常 云南下关水氡 高值突跳 云南南涧水氡 低值异常 云南六库水氡 高值突跳 云南下关水汞 高值异常 云南弥渡水汞 高值异常 云南楚雄水汞 高值异常 云南保山水汞 高值异常 云南保山 高值异常 姚安 级地震（）云南临沧水氡 低值异常 云南腾冲水氡 低值异常 云南弥渡水汞 高值异常 云南下关水汞 高值异常 云南临沧 低值异常 云南腾冲 低值异常 云南腾冲 低值异常 云南腾冲 低值异常 地震地质 卷续表序号对应地震台站测项异常幅度异常特征震中距 异常持续时间 月永胜 级地震（）云南洱源 井气氡 高值异常 云南下关水氡 高值异常 云南弥渡水氡 高值异常 云南南涧水氡 高值异常 云南罗茨水氡 高值异常 云南下关 高值异常 云南弥渡 高值异常 云南洱源江干水汞 高值异常 云南下关水汞 高值异常 昆仑山口西 级地震（）青海共和水氡 低值异常 新疆新 泉 低值异常 新疆新 泉 高值异常 新疆新 泉 快速下降 甘肃五泉山水氡趋势下降 甘肃武山 号水氡趋势下降 甘肃武山 号水氡趋势下降 甘肃通渭温泉水氡趋势下降 甘肃清水温泉水氡趋势下降 甘肃附件厂水氡趋势下降 甘肃灵台水氡趋势下降 大姚 级地震（）云南弥渡水氡 高值异常 云南南涧水氡 高值异常 云南鹤庆水氡 高值异常 云南巧家水氡 高值异常 四川昌宁水氡 高值异常 云南施甸水氡 高值异常 云南临沧水氡 高值异常 云南元江水氡 高值异常 云南龙陵水氡 高值异常 云南下关水汞 高值异常 云南下关气汞 高值异常 云南洱源水汞 高值异常 云南玉溪气汞 高值异常 云南高大气汞 高值异常 云南巧家 高值异常 云南龙陵 高值异常 云南巧家 低值异常 云南巧家 低值异常 期李营等：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望续表序号对应地震台站测项异常幅度异常特征震中距 异常持续时间 月宁洱 级地震（）云南高大气氡 动态异常 云南思茅水氡 动态异常 云南孟连水氡 动态异常 云南保山水氡 动态异常 云南思茅 动态异常 云南思茅 下降异常 云南思茅水汞 高值异常 云南保山 下降趋势 云南保山 动态异常 云南保山 动态异常 汶川 级地震（）云南南涧水氡 下降异常 云南腾冲水氡 上升异常 云南澜沧水氡 上升异常 云南龙陵水氡 上升异常 云南孟连水氡 下降异常 云南洱源水氡 上升异常 云南昌宁 下降异常 云南巧家 上升异常 云南保山 上升异常 云南龙陵 上升异常 云南昌宁 上升异常 姚安 级地震（）云南南涧水氡 低值异常 云南洱源 形态异常 云南丽江 高值异常 云南保山水氡 破年变异常 云南龙陵水氡 高值突跳 灯塔 级地震（）辽宁辽阳水氡 高值脉冲 辽宁盘一井水氡 高值脉冲 洱源 、级地震（、）云南下关水汞 高值异常 云南弥渡气汞 高值异常 云南保山气汞 高值异常 云南洱源水氡 高值异常 四川昌宁水氡 低值异常 云南施甸水氡 低值异常 云南龙陵水氡 高值异常 云南鹤庆 高值异常 云南保山 低值异常 云南腾冲 低值异常 云南保山 高值异常 地震地质 卷续表序号对应地震台站测项异常幅度异常特征震中距 异常持续时间 月 漾濞 级地震（）云南下关水汞 高值异常 云南保山气汞 高值异常 云南隆阳 低值异常 芦山 级地震（）云南理县水氡 上升 四川普格断层 上升 四川布拖断层 上升 四川盐源断层 上升 科尔沁左翼后旗 级地震（）吉林开鲁水氡 低值异常 辽宁盘一井水氡 高值波动 岷县 漳县 级地震（）甘肃花牛水氡 高值异常 甘肃武山 号泉水氡 高值异常 甘肃武山 号井水氡 趋势异常 甘肃武都殿沟水氡 趋势下降异常 甘肃北山 号泉水氡破年变异常 甘肃北山 号泉水氡 趋势下降异常 前郭 级震群（）吉林丰满水氡 高值突跳 吉林丰满气氡 破年变异常 吉林前郭井 高值异常 吉林前郭井 高值异常 吉林开鲁水氡 高值异常 永善 级地震（）云南永善水氡 低值异常 云南鲁甸水氡 低值异常 云南鲁甸 高值异常 云南鲁甸 加速上升 云南大关 高值异常 盈江 、级地震（）云南梁河气汞 高值异常 云南腾冲 高值异常 云南龙陵水氡 高值异常 云南瑞丽气汞 高值异常 云南保山 高值异常 云南施甸水氡 高值异常 云南昌宁水氡 高值异常 云南洱源 加速上升 云南洱源 加速上升 鲁甸 级地震（）云南鲁甸水氡 高值异常 云南巧家水氡 加速上升 云南永善水氡 低值异常 云南鲁甸 高值异常 期李营等：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望续表序号对应地震台站测项异常幅度异常特征震中距 异常持续时间 月云南巧家 趋势改变 云南丽江 低值异常 云南丽江 低值异常 鲁甸 级地震（）云南丽江 低值异常 四川宁南 高值异常 四川宁南松新 高值异常 四川会东 破年变异常 云南大关 高值异常 云南会东淌塘 破年变异常 永善 级地震（）云南东川 低值异常 云南永善水氡 低值异常 云南鲁甸 高值异常 云南巧家 高值异常 云南大关 高值突跳异常 四川会东 破年变异常 四川宁南葫芦口 高值异常 四川宁南松新 高值异常 云南彝良 高值异常 景谷 级地震（）云南普洱 低值异常 云南普洱 低值异常 云南普洱 低值异常 云南普洱高值异常 云南普洱水氡 高值异常 云南保山水氡 高值异常 云南保山 低值异常 沧源 级地震（）云南德宏气汞高值异常 云南腾冲 低值异常 云南保山 低值异常 云南保山 低值异常 门源 级地震（）甘肃乐都水氡 上升 甘肃嘉峪关气氡 上升 云龙 级地震（）云南洱源水氡 高值异常 云南腾冲水氡 低值异常 云南保山气汞 高值异常 云南保山 低值异常 云南保山 高值异常 云南保山 低值异常 射阳 级地震（）江苏盐纺 高值异常 江苏盐纺 高值异常 地震地质 卷续表序号对应地震台站测项异常幅度异常特征震中距 异常持续时间 月 呼图壁 级地震（）新疆新 泉水氡 低值异常 新疆新 泉氦气 上升中速率异常 九寨沟 级地震（）陕西洋县水氡 型上升 精河 级地震（）新疆新 泉氦气 高值异常 新疆新 泉氦气 高值异常 新疆阿拉善 高值异常 松原 级地震（）吉林丰满水氡 高值异常 吉林前郭 低值异常 吉林前郭 低值异常 吉林前郭 低值异常 墨江 级地震（）云南普洱大寨 波动异常 云南普洱大寨 波动异常 云南普洱大寨 波动异常 云南普洱大寨 波动异常 长宁 珙县 级震群（）云南大关水氡 高值波动 云南巧家 破年变异常 松原 级地震（）吉林丰满水氡 高值突跳 唐山 级地震（）延庆五里营气汞 多点突跳 距（）多集中于 范围内的主要断裂带上，当震级 则会出现 的震例，特别是在南北地震带和青藏高原地区，这一现象较为常见。在流体地球化学异常中水（气）氡是最主要的异常测项，约占总异常数量的 （，；李营等，）。国外学者利用氡的观测数据对全球及部分区域的大量震例研究建立了大量预测方法（，；，；，；，；，；，；，；，），本文选择其中 个应用最为广泛的预测方法，利用 年的 中国震例 数据对其进行了检验，由于这些公式均基于氡测项总结建立，故本文只对含有水（气）氡的 个震例进行了检验和讨论。若有 以上震例通过公式检验，则视为有效公式，反之则为无效公式，检验结果如表 所示。基于大量全球震例总结得到的公式（）（）具有广泛的代表性，在本文 中国震例 的验证中也表现出较强的适用性（）。而基于全球不同的区域性震例总结出来的公式（）（），在本文的 中国震例 验证中的适用性普遍较弱（）。出现这一现象可能与全球不同地区的区域构造活动性特征、应力应变状态、地震发震类型存在差异有关。因此，本文认为公式（）（）相对适合中国地震预测的相关研究 工作，具 有 较 好 的 应用 和研 究 前 景。公式（）（）基本包含地震预测的主要要素，将其组合应用的效果则更好，这些公式适用于全球大量长时间震例，也表明其具有广泛的适用性。期李营等：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望表 基于 年 中国震例 的国外预测方法检验 （）序号公式适用震例数量 个适用比例 不适用震例数量 个不适用比例 参考文献 ，（），（天），（），（）（）（）（），（），（），地震地球化学短临预测存在的问题与难点虽然国内外学者经过长期观测和研究，已经建立大量地震地球化学短临预测方法，并进行了很多成功预测的尝试，但由于预测方法的建立多基于大量地下介质和条件的假设，与实际的地质构造存在较大差异，且地震地球化学异常的成因也十分复杂，建立高效的地震地球化学短临预测方法仍有较大难度。地下孕震介质模型假设与地质实际的差异国内外学者通过大量的地球化学连续观测数据，应用多种分析方法和模型，积累了众多有效历史震例。但是，这些模型建立的前提多是基于地下介质是均匀、连续、各向同性的假设，选取理想模式下的最优简化公式，但实际的地壳构成并非如此，而是不均匀、各向异性的。地震的孕育环境、深部构造差异（图 ）、岩性及地球化学异常形成本身等均具有复杂性。断层的几何形态直接影响着地球化学异常的整体特征（，）。气体排放与断裂带滑移速率正相关（，），不同类型地壳结构的温度场和热扰动引起的应力场分布有着较大差别。地震地球化学异常的形成除了与地下流体运移作用有关外，还存在扩散作用、渗透作用及多种运移方式的混合作用，这些因素均直接影响着流体地球化学异常的表现形式和用于预测地震的前兆特征。因此，基于以上理想模式给出的计算结果或经验公式虽然具有一定的代表性，但在不同构造单元、不同构造应力背景下，地震属性的差异性明显，在实际应用中仍然存在较大的困难，这也直接影响了将流体地球化学模型应用于地震三要素判定的预测效能。地震流体地球化学机理的复杂性地下水化学成分的形成过程，实质上是周围介质所含的化学元素在地下水中不断迁移和地震地质 卷图 青藏高原东北缘（）和张渤地震带（）的气体地球化学运移示意图（，）（）（）（，）再分配的过程，具有引起化学元素的迁移和再分配的作用，包含物理作用、化学作用、物理化学作用及生物化学作用等。根据观测到的地震地球化学异常的变化特征，国内外研究学者给出了多种地震流体地球化学前兆的形成机制：）混合机理：地震前区域内应力积累，裂缝发展或连通，含水层的渗透性发生变化，促进不同圈层流体的混合，导致流体地球化学异常（，）；）水岩反应机理：在孕震阶段的应力作用下，岩石产生微破裂，破裂面上水岩反应增强，产生气体并促进溶解，导致流体地球化学异常（，；，）；）深部岩浆上涌机理：地震前富含流体的岩浆冲涌破坏岩石，深部流体向上运移，导致流体地球化学异常（汪成民等，；万永革等，；，）；）地震波振动机理：在地震孕育和发生过程中，断层蠕变或微裂隙引起声发射，地震波经岩石传播，其振动促使孔隙流体排出，造成流体地球化学异常（，）。）孔隙压缩机理：地震前，随着区域应力增强，岩层中的孔隙体积被压缩，孔隙压力不断增大，地下水溶解离子浓度也随之增加，导致地下水的化学组分发生异常变化（，；，）。）压力溶解机理：在地震孕育过程中，随着区域应力积累，岩层中的压力不断升高，地下水中的岩石组成矿物的溶解度增加，导致介质体系变化、水岩体系平衡被破坏、岩层中化学组分的迁移和各种化学过程的变化（，；，）。期李营等：地震流体地球化学短临预测研究进展与展望与地震有关的地球化学机理如此之多，有的机理与实际观测的现象相悖，各机理主张的影响要素也不尽相同，均表明流体地球化学前兆与地震孕育和发生的关系非常复杂，并未形成统一的认识。地震孕育与发生过程的复杂性研究表明，断裂带土壤气的释放强度与区域应力水平密切相关（，），且拉张型盆地的边缘是气体排放的主要区域。不同性质的断裂，其地球化学异常的表现形式亦不同。以土壤气体氡的浓度为例，其在正断层处浓度最高，随着与断层距离的增加逐渐降低；对于逆冲断层而言，氡浓度则在接近上盘时增加，在断层处急剧下降；当走滑断层处呈张应力时，断层处氡浓度相对较高，远离断层时逐渐降低；当走滑断层处呈挤压应力时，断层处氡浓度相对较低，远离断层时逐渐增加（，）。等（）利用变异函数法研究了唐山断裂带气体的地球化学特征与构造活动的关系，认为断裂带本