霍山皖33井水位與“霍山窗”小震活動關(guān)系的初步研究

孫盼盼，張 軍，劉澤民，陶月潮，李軍輝

（1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.蒙城野外觀測站，安徽 蒙城 233500）

霍山皖33井水位與“霍山窗”小震活動關(guān)系的初步研究

孫盼盼1,2，張 軍1，劉澤民1，陶月潮1，李軍輝1,2

（1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.蒙城野外觀測站，安徽 蒙城 233500）

分析了霍山皖33井水位變化與 “霍山窗”地震活動的關(guān)系：首先采用差分法和從屬函數(shù)等方法對水位數(shù)據(jù)進行處理，提取了水位的短期異常，結(jié)果表明該井水位異常對霍山以及周邊地區(qū)的中小地震有較好的反映；其次，通過對該井水位與 “霍山窗”小震活動性的對比研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)小地震在水位低值時活躍。參考該地區(qū)的環(huán)境剪應力，我們認為霍山皖33井水位變動與區(qū)域應力場變化有一定的準同步性。

霍山皖33井；水位；霍山窗；小震活動；環(huán)境剪應力

引言

安徽省六安-霍山地區(qū)位于大別山造山帶，為華北地臺和揚子地臺的碰撞造山帶。該地區(qū)地殼較為破碎，不易孕育大震，僅以中強震或小微震方式斷續(xù)釋放能量[1]；自上個世紀70年代開始記錄微震活動以來，研究者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)：霍山地區(qū)的小地震與華北南部的中強震有很好的對應關(guān)系[2]，微震活動能較客觀反映孕震區(qū)附近的應力環(huán)境[3]。因此霍山地區(qū)成為區(qū)域應力變化的 “震情窗”?！盎羯酱啊钡牡卣鸹顒右彩艿皆絹碓蕉嗟卣鸸ぷ髡叩年P(guān)注。通過對“霍山窗”內(nèi)的震群時、空分布的廣泛研究[4～6]，發(fā)現(xiàn)霍山震群的月頻次超過40次閾值時華東地區(qū)多數(shù)情況下發(fā)生中強震，同時研究者還給出判定前兆震群的指標；在研究霍山地區(qū)地震活動的同時，還對該區(qū)域的斷層活動以及地震構(gòu)造進行深入研究，對可能發(fā)震的地震參數(shù)進行預測[1、7]。

在查閱相關(guān)資料時發(fā)現(xiàn)，目前該地區(qū)的工作主要集中在震群的活動性和地震地質(zhì)方面，而該地區(qū)前兆方面的研究相對較少，僅對霍山地區(qū)流動地磁的異常變化進行過研究[8]。針對目前該地區(qū)前兆研究現(xiàn)狀，筆者在張軍等[9]對霍山皖33井觀測系統(tǒng)進行實驗和環(huán)境因素研究的基礎上，進一步分析了霍山皖33井水位變化特征，研究其與霍山地區(qū)及鄰區(qū)小震活動之間的聯(lián)系。

2009年2月 “霍山窗”小震活動開始增強，三月累積頻次連續(xù)8個月高值。由于霍山地區(qū)小震對華東地區(qū)地震活動有一定的窗口效應，預示著華東地區(qū)未來可能有中強震發(fā)生[5]。霍山皖33井位于霍山地震活動窗內(nèi)，構(gòu)造部位較為特殊。本文對霍山33井水位與窗內(nèi)小震活動的關(guān)系研究，一方面發(fā)掘靈敏的前兆手段，另一方面，將水位異常變化與測震學指標的判定結(jié)果相互佐證，為安徽及鄰區(qū)震情判定提供依據(jù)。

1 地震背景與井孔基本概況

1.1 地震地質(zhì)背景

安徽省霍山地震活動窗 (N31°～31°50′， E115°～116°30′)，位于大別山隆起塊體與華北拗陷塊體接觸帶附近的北大別山沉降帶南緣。區(qū)域內(nèi)斷裂發(fā)育，最主要斷裂有NW向的曉天-磨子潭斷裂和NE向的土地嶺-落兒嶺斷裂，后者切割前者。歷史地震記載安徽省霍山地區(qū)曾發(fā)生過2次6級以上的地震 （占安徽省6級以上歷史地震總數(shù)的50%）和9次5級以上地震 (占總數(shù)的39.1%)。自上個世紀70年代該地區(qū)有微震記錄開始，發(fā)現(xiàn) “霍山窗”內(nèi)的小震活動頻繁，研究也發(fā)現(xiàn)小震活動與華東地區(qū)的中強震也有一定的相關(guān)性[5]。

1.2 井孔基本概況及環(huán)境因素

霍山皖33井位于 “霍山窗”內(nèi) （圖1），處在曉天-磨子潭破碎帶上，井邊局部地表斷裂明顯可見。該井行政區(qū)劃上屬于霍山縣諸佛庵鎮(zhèn)深山村，井深230.91 m，觀測段為120～145 m，含水層巖性為石英巖，裂隙承壓水，封閉性較好。

霍山皖33井為動水位觀測。由于動水位的高度與泄流量的大小有關(guān)[10]，改造前該井動水位受泄流口影響，泄流口經(jīng)常堵塞，造成水位快速上升，因而時常要改變流量，降低水位。2007年9月對井管和觀測系統(tǒng)的泄流裝置進行了改造，固定了泄流量 （320 ml/min），保證了水位變化的穩(wěn)定性?；羯降貐^(qū)水庫眾多， “霍山窗”所在區(qū)域內(nèi)有多個水庫。一般來說，水庫水位的蓄水和放水會對周邊水體有一定的加載和卸載作用，因此選取庫容最大 （26.32億立方米）、距離該井較近的響洪甸水庫水位與井水位進行對比分析 （圖2），發(fā)現(xiàn)水庫庫容的改變并沒有對井水位產(chǎn)生明顯影響。同時本文中還收集了近年來諸佛庵鎮(zhèn)的降雨 （圖2），發(fā)現(xiàn)降雨的多少對水位無影響。通過以上分析，我們認為霍山皖33井基本不受環(huán)境因素的影響[9]。

圖1 霍山皖33井位置及霍山窗區(qū)域圖Fig1 The position of Huoshan 33 well and the area graph of Huoshan seismic window

2 數(shù)據(jù)處理和分析

霍山皖33井1981年開始用于地震觀測，但前期觀測系統(tǒng)不穩(wěn)定，水位經(jīng)常會溢出井口導致無法觀測并且無日變形態(tài)。2007年9月對該井井管和泄流裝置進行改造后，水位固體潮清晰，變化也更為靈敏。因為改造前數(shù)據(jù)不連續(xù)以及觀測系統(tǒng)的問題，所以本文選取改造后的數(shù)據(jù)，即2008年1月至今的觀測數(shù)據(jù) （圖3）。自本工作開始，為保證數(shù)據(jù)的真實性，筆者曾多次赴該井進行系統(tǒng)和操作規(guī)范檢查。

圖2 井水位與環(huán)境因素的關(guān)系Fig.2 The relationship of water level and environmental factors

圖3 霍山33井水位原始曲線Fig.3 The original curve of water level of Huoshan 33 well

霍山皖33井水位年動態(tài)特征不明顯，經(jīng)分析水位基本不受降雨和周邊環(huán)境的干擾。為了壓抑長周期、突出短周期變化，本文采用一階差分和從屬函數(shù)等方法以及原始曲線法對2008年以來的水位異常進行提取和分析。

我們分別采用原始曲線和一階差分以及從屬函數(shù)法對霍山33井2008年以來的數(shù)據(jù)進行分析 （表1），剔除人為干擾 （注：2008年3月2日清理泄流口；2009年5月31日背景場堪選干擾；2010年2月底變化為泄流口堵塞后水位上升，于2010年3月10日疏通后水位下降）以及汶川地震的影響后提取水位的中短期異常。我們發(fā)現(xiàn)在肥東3.5級地震以及“霍山窗”兩次開窗前這三種方法計算的結(jié)果都出現(xiàn)了突跳，起始時間基本一致 （圖3和圖4），距離地震活躍時間在一個月以內(nèi)，短臨異常的提取效果較好。由表中統(tǒng)計可以看到在2009年2月份 “霍山窗”開窗、2009年4月肥東3.5級地震以及2010年7月小震的再次活躍之前，水位變化多以下降形態(tài)出現(xiàn)。 “霍山窗”內(nèi)的2009年8月15日霍山的3.3級地震也發(fā)生在該井水位的低值階段，2009年9月8日水位出現(xiàn)上升 （上升9.8 mm），基本恢復到正常水平。

水位作為 “天然應變儀”，其發(fā)生改變可能預示該地區(qū)的應力發(fā)生改變，即當該井水位發(fā)生變化時，在井孔周邊可能會有小震活躍或周邊有中小地震發(fā)生。

表1 霍山皖33井水位短臨異常Table 1 Short term and imminent anomalies of water level in Huoshan 33 well

圖4 霍山33井水位一階差分曲線(a)和霍山33井水位從屬函數(shù)曲線(b)Fig.4 The curve of first-order difference(a)and subordinate function(b)of Huoshan 33 well

3 井水位與 “霍山窗”地震活動關(guān)系

霍山皖33井位于 “霍山窗”內(nèi)的曉天-磨子潭斷裂上，構(gòu)造位置較為敏感。上述資料分析也顯示，該井水位變化與 “霍山窗”內(nèi)的小震活動有一定的聯(lián)系。為此，我們對水位與 “霍山窗”內(nèi)的地震活動進行了以下分析：

為了獲得該井水位與小震活動的關(guān)系，我們選取 “霍山窗”內(nèi)ML≥1.0的地震目錄。除去汶川地震震時 （2008年5月12日）變化和震后 （2008年6月1日）調(diào)整變化以外，可以發(fā)現(xiàn)在2009年1月22日水位緩降后以及2009年3月13日水位突降后 “霍山窗”內(nèi)的小震活動出現(xiàn)明顯的增強 （圖5a）。

一直以來把 “霍山窗”的小震三月累積頻次 （三月累積一月滑動）作為 “霍山窗”開窗的指標，其達到或超過一定的閾值可能意味著區(qū)域應力的增強，并對華東地區(qū)的中強震有一定的預示意義[4]。通過水位與 “霍山窗”小震三月累積頻次的時間序列 （圖5b）可以看到，在水位出現(xiàn)下降時， “霍山窗”的三月累積頻次會增高： （1）2009年1月22日水位出現(xiàn)緩降，隨后2月6日 “霍山窗”出現(xiàn)開窗； （2）2009年3月13日水位再次突降，“霍山窗”三月累積頻次逐月增加； （3）當2010年6月20日水位再次出現(xiàn)突降，分析認為其后“霍山窗”小震活動性可能出現(xiàn)活躍。事實上，7月份三月累積頻次也再次超過了40次閾值。因此從水位變化和 “霍山窗”開窗的時間來看，水位對霍山地區(qū)的小震反應更具有靈敏性和前兆性。我們認為可能由于該地區(qū)巖石較為破碎，不易積累較大的能量。當該地區(qū)有應力積累時，水位會優(yōu)先表現(xiàn)出來。當應力積累到一定程度，就會以小震的形式釋放出來。

圖5 水位與小震強度（a）及霍山窗三月累積頻次（b）的關(guān)系Fig.5 The relationship between water level and strength of small earthquake(a)and accumulation frequency in three months of Huoshan seismic window(b)

需要指出的是：研究該地區(qū)應力場的變化，井多了更能說明問題，但鑒于特殊的構(gòu)造位置和井孔自身條件，目前在霍山地區(qū)尚未找到對 “霍山窗”小震活動如此靈敏的井孔。

4 井水位與 “霍山窗”環(huán)境剪應力的關(guān)系

陳培善等[11]根據(jù)地震破裂過程的破裂模式導出了利用地震波資料計算地震震源處相對剪應力值，文中采用這種方法計算了2008年以來安徽省 “霍山窗”內(nèi)MS1.5級以上地震的環(huán)境剪應力值。通過 “霍山窗”內(nèi)環(huán)境剪應力與霍山皖33井水位的相關(guān)分析 （圖6），可以發(fā)現(xiàn)水位正常變化時 “霍山窗”內(nèi)環(huán)境剪應力偏低，而水位突降至較低值后，剪應力較高且出現(xiàn)跳躍變化，即 “霍山窗”內(nèi)的區(qū)域應力發(fā)生變化時，水位會超前出現(xiàn)反應。根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，水位基本能反應區(qū)域應力的變化，而且提前于該地區(qū)的地震活動性的特征，具有一定的前兆性。

5 結(jié)論

通過對霍山皖33井水位數(shù)據(jù)的分析處理，并與霍山窗內(nèi)的小震活動性綜合研究得到如下結(jié)論：

（1）采用原始曲線以及差分、從屬函數(shù)等方法處理分析該井水位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該井水位異常對霍山以及周邊地區(qū)的中小地震有較好的反映；

（2）通過對該井有限的水位資料與霍山窗小震活動性分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)在水位低值時小震有活躍跡象。參考該地區(qū)環(huán)境剪應力，認為該井水位能較好地反映該區(qū)域應力的狀態(tài)，水位變動與霍山地區(qū)的應力場變化有一定的準同步性。

研究結(jié)果表明該井水位對霍山地區(qū)應力場變化的反應較靈敏，可為安徽及鄰區(qū)震情跟蹤和判定提供依據(jù)。

圖6 水位與環(huán)境剪應力關(guān)系Fig.6 The relationship of tectonic ambient shear stress and water level

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Studies on the Relationship Between Water Level of Huoshan 33 Well and Activity of Huoshan Seismic Window,Anhui Province

SUN Panpan1,2,ZHANG Jun1,LIU Zemin1,TAO Yuechao1,LI Junhui1,2

(1 Earthquake administration of Anhui Province,Hefei 230031,China;2 Mengcheng Field observational Station,Mengcheng 233500,China)

The relationship between water level and activity of Huoshan seismic window was discussed in this paper.First,Short-term anomalies were extracted and analyzed by using first order difference and subordinate function.The results implied that anomalies of water level were related with the moderate and small earthquakes in the area of Huoshan and its neighbor regions.Then,the relationship of the change of water level and the earthquake activity in Huoshan seismic window was discussed.We found that the earthquakes were active when the water level was low.Comparing to tectonic ambient shear stress of this area,the change of water level in Huoshan 33 well may have some certain synchronicity with it.

Huoshan 33 well;Groundwater;Huoshan seismic window;Small earthquake activities;Tectonic ambient shear stress

P315.723

A

1001-8662（2011）02-0079-07

2010-10-07

本項目由2010年震情跟蹤專項課題 （2010020806）資助

孫盼盼，女，1983年出生，助理工程師.從事地震地下流體方面研究.E-mail：sunpanpan@gmail.com.