寧晉井水位潮汐因子響應(yīng)比異常特征分析

于 偉

（1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026；2.邢臺市地震局，河北 邢臺 054001）

寧晉井水位潮汐因子響應(yīng)比異常特征分析

于 偉1，2

（1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026；2.邢臺市地震局，河北 邢臺 054001）

應(yīng)用加卸載響應(yīng)比的理論，對寧晉井水位數(shù)據(jù)進(jìn)行加卸載響應(yīng)比計(jì)算，結(jié)果表明，在2002年4月22日邢臺M4.8級地震前存在加卸載響應(yīng)比異常，該方法可作為今后邢臺及鄰區(qū)一項(xiàng)中短期地震趨勢預(yù)測異常依據(jù)。

井水位；加卸載響應(yīng)比；潮汐因子；異常特征

0 引言

從力學(xué)的角度看，地震孕育過程的物理實(shí)質(zhì)就是震源區(qū)介質(zhì)的損傷、破壞或失穩(wěn)，并伴隨著能量快速釋放的過程，因此地震孕育過程確切地說就是震源區(qū)介質(zhì)的損傷演化過程。1987年，尹祥礎(chǔ)教授根據(jù)震源區(qū)介質(zhì)的破壞即非線性系統(tǒng)失穩(wěn)這一自然現(xiàn)象，提出了加卸載響應(yīng)比理論這一新的地震預(yù)報(bào)方法。張昭棟等專家將該理論和方法運(yùn)用到地下水?dāng)?shù)據(jù)資料分析中，取得了較好效果。寧晉井是位于邢臺老震區(qū)的唯一一口深水觀測井，本文擬用加卸載響應(yīng)比的方法來研究該井地下水位變化，以提取邢臺老震區(qū)及鄰區(qū)中強(qiáng)地震前異常信息，并研究其異常特征，為地震預(yù)測提供前兆依據(jù)。

1 原理與方法

加卸載響應(yīng)比理論的關(guān)鍵與核心就是將孕震區(qū)作為一個(gè)非線性系統(tǒng)，設(shè)法對該孕震系統(tǒng)輸入某些信號，然后重點(diǎn)觀測該系統(tǒng)在臨近失穩(wěn)時(shí)對輸入信號的各種響應(yīng)。

設(shè)當(dāng)一系統(tǒng)載荷的改變?yōu)棣時(shí)，其響應(yīng)的改變?yōu)棣。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（載荷為P0）時(shí)的響應(yīng)率為ΔR0／ΔP0，載荷為P1時(shí)的響應(yīng)率為 ΔR1，則系統(tǒng)對于P1的響應(yīng)比F1為

系統(tǒng)加載（增量為ΔP＋）引起的響應(yīng)率為ΔR＋／ΔP＋，卸載（增量為 ΔP-）引起的響應(yīng)率為ΔR-／ΔP-，則系統(tǒng)的加卸載響應(yīng)比F為

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，ΔR＋＝ΔR-；當(dāng)系統(tǒng)偏離穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，ΔR＋＞ΔR-，即使ΔP＋＝ΔP-，ΔR＋也大于ΔR-。偏離程度越大，ΔR＋＞ΔR-的程度也越大。由此可得出，F(xiàn)與F1皆能定量說明體系趨向失穩(wěn)的程度，并描述孕震系統(tǒng)所處的狀態(tài)［1］。

對穿過封閉承壓含水層的水井能夠反映地球固體潮的認(rèn)識已有100多年的歷史。由于井水位響應(yīng)的量值與含水層的彈性性質(zhì)有關(guān)，水文地質(zhì)學(xué)家、地球物理學(xué)家和其他地球科學(xué)家都對用含水層的彈性參數(shù)解釋這種響應(yīng)的方法感興趣，開展了大量的研究工作［2－3］。從理論上證明了深井水位的潮汐是水井含水層對地殼固體潮體應(yīng)變的響應(yīng)。以固體潮的振幅因子來探測地震孕震區(qū)的思路與方法，實(shí)際上就是對孕震系統(tǒng)的響應(yīng)率的研究。一般來說，振幅因子是對固體潮應(yīng)力整個(gè)加卸載過程的總的平均力學(xué)響應(yīng)；而加卸載響應(yīng)比則是將整個(gè)加卸載過程的響應(yīng)率分為加載響應(yīng)率與卸載響應(yīng)率，再研究其比值。事實(shí)上，含水層不僅受固體潮應(yīng)力作用，而且還有構(gòu)造應(yīng)力作用，由此，含水層的應(yīng)變是兩者作用的結(jié)果，即

式中：σt為潮汐應(yīng)力；σs為構(gòu)造應(yīng)力；E（t）為介質(zhì)的楊氏模量，其值隨受應(yīng)力作用的地層巖性不同而不同。當(dāng)時(shí)間很短時(shí)，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力變化不大，則有

即潮汐應(yīng)力引起巖石的潮汐應(yīng)變，此應(yīng)變又影響含水層的應(yīng)變（如果這個(gè)含水層與震源區(qū)較近），導(dǎo)致含水層孔隙壓力發(fā)生變化，表現(xiàn)為承壓井水位也發(fā)生變化，所以近震源區(qū)的承壓井水位有可能觀測到震前非線性失穩(wěn)的變化。

實(shí)際上，地下水位固體潮觀測對固體潮應(yīng)力加卸載的響應(yīng)可由類似于對固體潮資料分析的Nakai擬合模型獲得［4］。

本文以相應(yīng)的體應(yīng)變固體潮理論值Θ作為加卸載方式，選取N＝72（即3天的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)為1組），對寧晉井1997—2008年的地下水位固體潮觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行加卸載響應(yīng)比值計(jì)算，求取加卸載振幅因子比來分析。

2 井孔概況和水文地質(zhì)條件

寧晉井位于河北省寧晉縣蘇家莊鄉(xiāng)李羊盃村南，地理坐標(biāo)為115.12°E，37.76°N，孔口標(biāo)高33.90m，位于華北沉降帶的寧晉凸起東部斜坡帶，井位在束鹿斷裂帶上，東側(cè)為百尺口斷裂帶，西側(cè)為柏鄉(xiāng)斷裂帶。該井井深2003.78m，觀測層深度1899.0～1919.0m，為含水層巖性觀測砂質(zhì)灰?guī)r，地下水類型為巖溶裂隙承壓水［5］。補(bǔ)給區(qū)在太行山一帶，但不受降雨直接補(bǔ)給。水位微動(dòng)態(tài)存在較明顯的固體潮效應(yīng)，氣壓效應(yīng)較明顯，如圖1所示。

圖1 寧晉井水位固體潮效應(yīng)和氣壓效應(yīng)（1999年3月1—31日）

3 資料處理與異常分析

（1）排除氣壓干擾。由于井下水位是地殼含水層孔隙壓的反映，承壓井水位對含水層的應(yīng)力反應(yīng)較靈敏，影響水位變化的干擾較多。氣壓對寧晉井是主要干擾，應(yīng)設(shè)法從井水位的觀測資料中扣除氣壓的影響。本文采用日值一階差分回歸分析方法進(jìn)行氣壓扣除［6］。水位日均值主要受氣壓和水位趨勢性升降的影響，后者在不太長的計(jì)算時(shí)段內(nèi)（一般取月長度）近似為直線升降，這時(shí)有：

H（t）為水位日均值，Q（t）為氣壓日均值。第1項(xiàng)只是時(shí)間t的一次線性函數(shù)，這就使得有可能將此二元回歸化為一元回歸來解，兩邊求一階差分得：

在一個(gè)月長度的資料中，按篩選原則（ΔH（t）與ΔQ（t）符號相反者不取；ΔH（t）／ΔQ（t）＞10mm／hPa者不取）篩選掉不合理的數(shù)據(jù)，然后作一元回歸分析，bP為所求的氣壓系數(shù)。其方法優(yōu)點(diǎn)是：采用水位日值序列，已基本去掉了潮汐引力對水位的影響；通過篩選原則，基本上可把降雨等隨機(jī)干擾篩選掉，水位和氣壓的相關(guān)程度較高，所求氣壓系數(shù)比較合理、準(zhǔn)確。采用日值一階差分回歸分析方法，寧晉井水位和氣壓日均值一階差分的相關(guān)性為0.9706，在置信水平α＝0.01上顯著相關(guān)［5］。以此系數(shù)進(jìn)行水位氣壓改正，得出改正后的水位。

（2）震例選擇。為檢驗(yàn)振幅因子響應(yīng)比方法在寧晉井中的預(yù)測效能，需要對其進(jìn)行震例檢驗(yàn)。根據(jù)流體學(xué)科其它分析方法震例總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到邢臺本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況，本文選擇以觀測井為中心Δ≤100km范圍內(nèi)M4.0～4.9級地震，Δ＝101～200km范圍內(nèi)M5.0～5.9級地震。從1997年到2008年底，符合條件的地震有2次：2002年4月22日邢臺M4.8級地震，距離該井約76km；2006年7月4日文安M5.1級地震，距離該井約165km。

圖2 寧晉井水位加卸載振幅因子響應(yīng)比計(jì)算結(jié)果

（3）振幅因子響應(yīng)比計(jì)算。將經(jīng)過氣壓改正后的水位整點(diǎn)值進(jìn)行加卸載響應(yīng)比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，平時(shí)水位振幅因子響應(yīng)比值在l附近上下波動(dòng)，震前異常表現(xiàn)為大幅單值突跳現(xiàn)象，在2002年1月22日，該井出現(xiàn)78.12的高值響應(yīng)，時(shí)間上距離4月22日M4.8級地震為90天。為此，根據(jù)震例檢驗(yàn)結(jié)果，可選用3倍標(biāo)準(zhǔn)差作為提取異常的方法（1997—2008年振幅因子響應(yīng)比總體平均值為1.1）。從計(jì)算結(jié)果可看出，固體潮加卸載響應(yīng)比方法可以有效提取地震前兆信息。

4 基本認(rèn)識

（1）寧晉井加卸載響應(yīng)比異常形態(tài)主要表現(xiàn)為單點(diǎn)高值突跳。根據(jù)加卸載響應(yīng)比理論，在構(gòu)造應(yīng)力和能量累積的過程中，這一區(qū)域的地殼介質(zhì)嚴(yán)重?fù)p傷，地殼介質(zhì)將對外界任何微小的擾動(dòng)（例如潮汐應(yīng)力）都很敏感，而敏感時(shí)間段只占整個(gè)時(shí)間窗非常小的一段。另外，一次中強(qiáng)震前，地下水位不僅有趨勢變化，而且也可能有突升或突降現(xiàn)象。這種突升或突降現(xiàn)象也有可能造成加卸載響應(yīng)比單點(diǎn)高值突跳現(xiàn)象。

（2）在時(shí)間上，異常出現(xiàn)在震前3個(gè)月，單點(diǎn)高值突跳后，恢復(fù)到正常背景值左右，臨震前、震時(shí)、震后均無異常高值。

（3）對距離較遠(yuǎn)的中強(qiáng)震，井水位加卸載振幅因子響應(yīng)比值基本無明顯異常。如2006年7月4日文安M5.1級地震，距離該井約165km，震前該井加卸載振幅因子比未出現(xiàn)明顯異常值?？赡苁怯捎谡鹪丛杏^程中，承壓井含水層離震源區(qū)較遠(yuǎn)，難以觀測到震源區(qū)介質(zhì)發(fā)生的非線性失穩(wěn)，井水位的變化可能是震源區(qū)介質(zhì)非線性失穩(wěn)變化次生效應(yīng)的反映［7］。

（4）通過研究分析，寧晉井水位震前存在加卸載響應(yīng)比異常。研究結(jié)果可為今后邢臺及鄰區(qū)中短期地震趨勢預(yù)測提供一項(xiàng)較好的異常依據(jù)。同時(shí)，加卸載響應(yīng)比方法還有待進(jìn)一步應(yīng)用到河北省地下水觀測網(wǎng)的數(shù)字化資料中，深入研究群井異常與地震三要素的關(guān)系。

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Analysis on Earth Tidal Factor Load-unload Response Ratio Anomaly of Water Level in Ningjin Well

YU wei1，2
（1.College of Geoexploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China；
2.Earthquake Administration of Xingtai city，Hebei Xingtai 054001，China）

Using the method of load-unload response ratio，the observation data of water level in Ningjin well are processed，the result shows that there is load-unload response ratio anomaly before Xingtai M4.8earthquake，the method can be used as a basis method in the medium and short term earthquake prediction in Xingtai and its surrounding area.

water level；load-unload response ratio；earth tidal factor；anomalycharacteristics

P315.723

A

1003－1375（2012）01－0040－04

2010-12-29

河北省地震局青年地震科研基金項(xiàng)目

于偉（1975－），男（漢族），河北趙縣人，吉林大學(xué)地球科學(xué)探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在職研究生，主要從事地震監(jiān)測預(yù)報(bào)工作.E-mail：advance＠eq-he.ac.cn