晉1-1井水位異常與晉冀蒙交界區(qū)中強(qiáng)地震關(guān)系簡析

李惠玲，高云峰，賈 炯，張登科，高存英

（1.山西省地震局代縣中心地震臺(tái)，山西 代縣 034200；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，太原 030025；

3.河北省地震局，石家莊 050022；4.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；

5.山西省地震局大同中心地震臺(tái)，山西 大同 037006）

晉1-1井水位異常與晉冀蒙交界區(qū)中強(qiáng)地震關(guān)系簡析

李惠玲1，2，高云峰1，2，賈 炯3，張登科4，高存英5，2

（1.山西省地震局代縣中心地震臺(tái)，山西 代縣 034200；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，太原 030025；

3.河北省地震局，石家莊 050022；4.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；

5.山西省地震局大同中心地震臺(tái)，山西 大同 037006）

通過對(duì)晉1-1井22年水位觀測資料進(jìn)行系統(tǒng)清理，對(duì)距井區(qū)約330km范圍一些中強(qiáng)震前的水位資料進(jìn)行了細(xì)致分析。結(jié)果表明：晉1-1井地震異常以短臨突變異常為主，異常時(shí)間多小于80d。根據(jù)大量的震例統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出了地震前兆異常定量判別指標(biāo)，當(dāng)曲線階升異常幅度大于30mm或階降大于40mm時(shí)視為震兆異常。

水位；突變異常；地震；關(guān)系

0 引言

通過大量的觀測數(shù)據(jù)科學(xué)有效地尋找地震前兆信息，始終是地震工作者努力探索的途徑，也是現(xiàn)階段有效提高地震預(yù)報(bào)水平的必經(jīng)之路。地下水位，已經(jīng)成為地震預(yù)測預(yù)報(bào)的重要觀測項(xiàng)目之一。多年來，地震工作者開展了大量工作，苦心尋找地下水位震兆信息，總結(jié)了不少震例。晉1-1井水位觀測至今已有22年的歷史（扣除2006年6月臺(tái)站數(shù)字化改造時(shí)間），在晉冀蒙交界區(qū)發(fā)生的一系列中強(qiáng)地震前，都有較明顯的異常顯示。為了更好地發(fā)揮晉1－1井的預(yù)報(bào)效能，本文對(duì)該井自投入觀測以來的資料進(jìn)行分析，系統(tǒng)總結(jié)震前異常特征，力求為地震短臨預(yù)報(bào)提供定量指標(biāo)。本文對(duì)晉1-1井水位記錄到的遠(yuǎn)場大震及同震效應(yīng)不作討論。

1 井孔概況

晉1-1井位于大同盆地北緣，萬泉河河漫灘上。所處的構(gòu)造部位是對(duì)大同盆地地震活動(dòng)反應(yīng)較為敏感的口泉斷裂上，屬一單斜自流盆地。井點(diǎn)坐標(biāo)為：40°17′21″N，113°22′07″E （圖 1a）。該 井 井 深160.26m，水的礦化度為0.328mg／L，觀測層為第三紀(jì)玄武巖，水文地質(zhì)類型為承壓裂隙水（圖1b），承壓水量豐富。自觀測以來，一直處于受人為節(jié)流控制的自流狀態(tài)，受季節(jié)降水影響很不明顯，地下水的補(bǔ)給主要來自東部采涼山和北面玄武巖出露區(qū)，對(duì)應(yīng)力活動(dòng)反應(yīng)靈敏。

2 儀器工作情況

1988年晉1-1井采用SW40型水位自記儀作模擬記錄，2007年6月十五數(shù)字化改造后正式采用LN-3A型數(shù)字水位儀進(jìn)行觀測，采樣率為1sample／min，觀測精度為千分之一，資料連續(xù)性、穩(wěn)定性、可靠性都較高。

3 主要干擾因素分析

3.1 暴雨影響

大同地處缺水地區(qū)，降雨量通常也較少，年均降雨量不到400mm，圖2a是水位受暴雨干擾出現(xiàn)的臺(tái)階。

3.2 地表水、地下水的開采影響

觀測環(huán)境的改變也是比較常見的干擾，可以靠有關(guān)的記錄排除。距晉1-1井最近的井點(diǎn)是1999年大同市自來水公司在距該井不足1km處新打的3眼開采井以供城市用水，在2003年曾做過幾次抽水試驗(yàn)，由于這3口井的涌水量太小，現(xiàn)已廢棄，因此對(duì)晉1-1井的水位動(dòng)態(tài)變化不會(huì)造成太大影響。

3.3 儀器故障的影響

十五數(shù)字化觀測以來，水位觀測曲線變化較為平穩(wěn)，日變清晰。但數(shù)字化改造后，除水位儀通訊單元故障造成缺數(shù)外，水位儀多次遭到感應(yīng)雷襲擊，對(duì)儀器數(shù)據(jù)采集設(shè)備造成損壞，造成曲線異常變化和數(shù)據(jù)中斷。

圖1 晉1-1井構(gòu)造位置及井孔柱狀圖

圖2 晉1-1井水位模擬記錄原始曲線圖

3.4 人為干擾

人為干擾主要是由泄流孔堵塞引起短時(shí)間的數(shù)據(jù)突升突降，比較容易識(shí)別。圖2b為晉1-1井泄流孔堵塞造成的干擾。

4 水位動(dòng)態(tài)特征

水位動(dòng)態(tài)變化主要取決于井－含水層系統(tǒng)的特征參數(shù)及觀測環(huán)境，而儀器的穩(wěn)定性、觀測精度對(duì)動(dòng)態(tài)變化也有一定的影響。

4.1 正常動(dòng)態(tài)

晉1-1井水位自觀測以來，日均值曲線沒有明顯的年動(dòng)態(tài)，日變幅度在1～10mm，1998年6月更換泄流閥門前，一直表現(xiàn)為緩慢上升形態(tài)，之后的多年動(dòng)態(tài)為趨勢緩降型。

4.2 異常動(dòng)態(tài)

水位階變有大有小，實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到，不是所有水位階變都與地震存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只有階變幅度相對(duì)比較大，映震效果才比較好。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，晉1-1井水位在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)階升異常幅度大于30mm或階降大于40mm時(shí)，一般都會(huì)有相應(yīng)的地震發(fā)生，異常多以短臨異常為主要表現(xiàn)形式，伴有一定的中短期異常，震后水位大多數(shù)能逐漸恢復(fù)到下降（上升）前的水平。依此為異常判別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)1988—2010年的水位觀測資料進(jìn)行系統(tǒng)梳理，其中水位變幅大于判別標(biāo)準(zhǔn)的共有19次，且異常之后，周圍地區(qū)一般都會(huì)有中強(qiáng)地震發(fā)生。但異常與地震不都是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，有時(shí)是1組異常對(duì)應(yīng)1次地震。水位異常對(duì)地震的映震效應(yīng)見表1。

圖3 晉1-1井水位日均值曲線圖

表1 晉1-1井水位異常對(duì)周邊地震的映震效應(yīng)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表

5 晉1-1井水位與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系

統(tǒng)計(jì)1988—2010年晉1-1井水位共出現(xiàn)異常變化19組，與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 晉1-1井水位異常與地震對(duì)應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

震例統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，晉1-1井水位異常能較好地反映井孔周邊地區(qū)中強(qiáng)地震活動(dòng)。該井自觀測以來，在其周圍330km范圍內(nèi)發(fā)生3次6.0～6.9級(jí)地震，200km范圍內(nèi)發(fā)生3次5.0～5.9級(jí)地震，100km范圍內(nèi)發(fā)生7次4.0～4.9級(jí)地震（據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)地震目錄）。這13次地震，除1989年12月8日山西渾源4.1級(jí)、1989年12月13日大同－陽高4.0級(jí)、1999年3月11日河北張北5.6級(jí)和1999年5月15日山西應(yīng)縣4.3級(jí)地震，井水位無明顯異常反映外，其余9次地震，井水位都有不同程度的異常顯示。

而2006年7月4日文安地震前晉1-1井水位所表現(xiàn)出的異常反應(yīng)是否是文安地震的前兆異常？因2006年6月水井?dāng)?shù)字化改造停測已無法知曉。但從異常出現(xiàn)的時(shí)間上看，大致與該地區(qū)其它觀測手段異常出現(xiàn)的時(shí)間同步。

對(duì)于1989年12月8日距該井僅69km的山西渾源4.1級(jí)地震和1989年12月13日距該井67km的大同－陽高4.0級(jí)地震，震前井水位無異常變化的現(xiàn)象（圖3），與該井以往對(duì)這一地區(qū)發(fā)生的4.0級(jí)左右地震所顯示的異常相比是極不相稱的。

晉1-1井水位對(duì)不同地震的映震效應(yīng)是不完全一致的，不一致的原因可能和多種因素有關(guān)，諸如震級(jí)、震中距、震源機(jī)制、深度、方位及應(yīng)力場的變化等。1991年5月初晉1-1井水位出現(xiàn)了一個(gè)近1m的抬升；1996年內(nèi)蒙包頭6.4級(jí)地震后，時(shí)隔一個(gè)月水位再次出現(xiàn)大幅突降。這2次異常非常明顯，而此間均無地震發(fā)生，認(rèn)為可能是區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整。

5.1 1989年10月19日大同－陽高6.1級(jí)地震

1989年10月18日22時(shí)26分水位出現(xiàn)大幅度突降變化，時(shí)隔半小時(shí)，在距該井約61km的大同－陽高間發(fā)生了5.7級(jí)地震，在突降過程中的19日01時(shí)01分又在原地發(fā)生了6.1級(jí)地震，到19日05時(shí)水位階降幅度達(dá)392mm［1］，圖4是具有代表性的異常圖像。

圖41989 年10月16日大同－陽高6.1級(jí)地震前晉1-1井水位原始記錄圖及日均值曲線圖

圖5 晉1-1井水位張北6.2等4次地震前的異常變化

5.2 1998年1月10日張北6.2地震

1997年6月底，井水位在緩升趨勢背景上轉(zhuǎn)為下降，7月12日恢復(fù)正常，8月8日再次出現(xiàn)突降，到13日水位降幅達(dá)138mm，之后異常緩慢恢復(fù)，到11月中旬已恢復(fù)到下降前水平。水位完成緩降－緩升－突降－緩升－恢復(fù)全過程后，于1998年1月10日在距離該井約121km的河北張北發(fā)生了6.2級(jí)地震（圖5a）。該震例異常超前時(shí)間約6個(gè)半月，等待時(shí)間56d，是該井水位在中強(qiáng)地震前出現(xiàn)的一次典型短期異常。

5.3 1999年11月1日大同5.6級(jí)地震

1999年11月1日大同－陽高5.6級(jí)地震前，晉1-1水位于1999年6月開始了一個(gè)幅度較小的加速下降過程，地震前10d，一天內(nèi)突降61mm，震后幾天水位再次出現(xiàn)一次大的突降，降幅達(dá)162mm（圖5c）。同樣，該井水位在1991年大同、1996年包頭地震前也表現(xiàn)出了較好的異常反映（圖5b）。

5.4 2010年4月4日大同4.5級(jí)地震

晉1-1井水位在4月4日大同4.5級(jí)地震前約1h出現(xiàn)31mm的突升異常，震后于4月5日10時(shí)開始下降，到15時(shí)水位已恢復(fù)到原上升前的水平。在現(xiàn)場落實(shí)過程中發(fā)現(xiàn)泄流管管口被石頭堵塞，取出石頭，并用細(xì)鐵絲捅開泄流管管壁的鐵銹，水位恢復(fù)到上升前的水平。

由于動(dòng)水位是相對(duì)于泄流量的水頭變化，而不是真實(shí)的井水位，它反映了井涌水量與泄流量的變化。從多年的觀測實(shí)踐認(rèn)識(shí)到，觀測裝置系統(tǒng)對(duì)動(dòng)水位記錄地震信息量是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，觀測裝置系統(tǒng)發(fā)生改變，就難以真實(shí)反映來自含水層的應(yīng)力變化［2］。

考慮到可能存在人為干擾的影響，4月6日13時(shí)40分重新放入震前堵塞泄流管管口的石頭，井管內(nèi)的水位變化應(yīng)該會(huì)受到來自泄流管道內(nèi)水流的影響。然而，當(dāng)日17時(shí)40分取出，在此期間水位并未出現(xiàn)相應(yīng)的變化。若4月4日的水位突升為石頭堵塞所致，理論上應(yīng)為一個(gè)持續(xù)的突升，而不是在水位突升后出現(xiàn)“持平”。據(jù)此認(rèn)為，晉1-1井震前突升是臨震異常，震后快速恢復(fù)是因捅開泄流管管壁的鐵銹，流量突然增大所致（圖6）。

6 晉1-1井水位異常特征

由上所述，晉1-1井水位震前所表現(xiàn)的特征歸納起來有以下幾點(diǎn)：

（1）形態(tài)特征

a）晉1-1井水位對(duì)不同地震的映震效應(yīng)不盡一致，從該井多年水位資料分析，震前所表現(xiàn)的異常形態(tài)主要有兩種：一是突降－緩升的階變型異常（圖4、圖5b），這類異常占統(tǒng)計(jì)時(shí)段異常總數(shù)的74%。二是突升－下降的階變型異常（圖5a、圖7），占異常總數(shù)的26%。

b）大同－陽高老震區(qū)地震活動(dòng)與水位曲線形態(tài)有著明顯的相關(guān)性：當(dāng)老震區(qū)有4.0級(jí)以上地震發(fā)生時(shí)，水位多數(shù)會(huì)出現(xiàn)上述情況，且都為短臨異常。

（2）時(shí)間特征

由表1可以看出，晉1-1井水位震前出現(xiàn)的異常多以短期為主。按照中國震例異常時(shí)間劃分規(guī)范，異常突出的12次震例中，短期異常9次，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的75%，中期異常1次，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的8%，臨震異常2次，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的17%。

圖6 2010年4月4日大同4.5地震前晉1-1井水位分鐘值異常圖

圖7 晉1-1井水位整點(diǎn)值均方差曲線圖

（3）空間特征

圖8 晉1-1井水位異常對(duì)應(yīng)周邊地震震中分布圖

由圖8可以看出晉1-1井水位異常所對(duì)應(yīng)發(fā)生的中強(qiáng)地震，多數(shù)都在北緯38°線以北的華北北部地區(qū)，在晉冀蒙交界地區(qū)表現(xiàn)的尤為密集，多次地震前有比較明顯的異常顯示。

（4）強(qiáng)度特征

從異常幅度與震級(jí)的關(guān)系上看，異常幅度有隨震級(jí)增高而增大、隨震中距增大而減小的趨勢。如：1989年大同－陽高6.1級(jí)地震，異常幅度392mm，井震距61km；

1999年大同－陽高5.6級(jí)地震，異常幅度61mm，井震距69km；

1998年河北張北6.2級(jí)地震，異常幅度138mm，井震距121km；

2010年大同－陽高4.5級(jí)地震，異常幅度31mm，井震距57km。

7 結(jié)論與討論

對(duì)晉1-1井水位異常的分析結(jié)果表明，該井對(duì)晉冀蒙交界地區(qū)的中強(qiáng)地震顯示了較好的響應(yīng)，虛報(bào)、漏報(bào)的情況較少。水位階變異常表現(xiàn)出較好的映震效果，可能與其所處的構(gòu)造部位有著密不可分的關(guān)系，水位階變動(dòng)態(tài)幅度大，異常易于識(shí)別，大動(dòng)態(tài)變化幾乎都與較大地震事件相關(guān)，該井對(duì)地震監(jiān)測預(yù)報(bào)，尤其對(duì)首都圈地震監(jiān)測預(yù)報(bào)有著重要意義。

然而，就地震預(yù)報(bào)效能而言，該井水位異常在時(shí)間上雖屬短臨，但短者幾十分鐘，長者達(dá)6個(gè)多月，僅靠單井資料，對(duì)未來地震的發(fā)震時(shí)間尚難作出較準(zhǔn)確的估計(jì)；在空間上，雖以晉冀蒙交界地區(qū)較為集中，但地點(diǎn)較為分散，難以準(zhǔn)確判定震中位置；在強(qiáng)度上，雖有異常幅度隨震級(jí)的增高而增大之趨勢、但也有異常幅度隨震中距增大而減小的規(guī)律，地震的震級(jí)也難以準(zhǔn)確判定。通過對(duì)22年來該井周圍中強(qiáng)地震震例的對(duì)比分析，一方面看到較多的具有水位前兆信息的客觀事實(shí)，是地震預(yù)報(bào)處于經(jīng)驗(yàn)性階段的主要工作基礎(chǔ)之一，其中有些甚至是實(shí)際預(yù)報(bào)中主要的依據(jù)之一；另一方面，這些事實(shí)之間機(jī)理聯(lián)系并不十分清楚。現(xiàn)在仍處于對(duì)地震預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)性、統(tǒng)計(jì)性階段，多數(shù)情況下還是憑過去的震例經(jīng)驗(yàn)，因此對(duì)該井的映震機(jī)理還有待于我們認(rèn)真研究、不斷探索。

［1］ 張淑亮，王愛英.大同鎮(zhèn)川堡井水位階變與地震關(guān)系初析［J］.山西地震，1994（3）：23-24.

［2］ 翟彥忠，張瑞芳，曾永忠，等.泄流量對(duì)動(dòng)水位觀測影響的分析［J］.華北地震科學(xué)，2008，26（4）：18-20.

Relationship between Water Level Anomalies in Jin 1-1Well and Moderate Earthquake in Shanxi-Hebei-Inner Mongolia Border Region

LI Hui-ling1，2，GAO Yun-feng1，2，JIA Jiong3，ZHANG Deng-ke4，GAO Cun-ying5，2
（1.Daixian Central Seismic Station，Shanxi Province，Daixian 034200，China；
2.National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Taiyuan 030025，China；3.Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050022，China；
4.Earthquake Administration of Datong city，Shanxi Province，Datong 037006，China；
5.Datong Central Seismic Station，Shanxi Province，Datong，037006，China）

In this paper，22year water level data of Jin 1－1well are processed and the relationship between water level anomalies and moderate earthquakes within 300km of the well is studied.The result shows that the anomalies are mostly abrupt short-impending anomalies less than 80days.Step-rising anomaly with amplitude of over 30mm and step-dropping anomaly with amplitude of over 40mm can be seen as seismic precursor.

water；abrupt anomaly；earthquakes；relationship

P315.723

A

1003－1375（2012）01－0033－07

2010-12-13

李惠玲（1980－），女（漢族），山西應(yīng)縣人，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測工作.E-mail：king—ling＠126.com