興濟(jì)1井水位脈沖型變化與地震活動(dòng)的關(guān)系研究

王鑫

(滄州市地震局，河北 滄州 061001)

興濟(jì)1井水位脈沖型變化與地震活動(dòng)的關(guān)系研究

王鑫

(滄州市地震局，河北 滄州 061001)

通過收集和整理興濟(jì)1井1998年以來的靜水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，以興濟(jì)1井為中心，半徑260 km，ML4.0級(jí)以上地震為基礎(chǔ)，對(duì)該井水位脈沖型異常變化的形態(tài)進(jìn)行分析研究，探討水位脈沖型異常形成的條件和機(jī)理，對(duì)該井水位資料映震能力進(jìn)行評(píng)估。

映震效能；短臨異常；負(fù)脈沖；地震預(yù)測(cè)

0 引言

80年代末滄州市地震局利用石油探井資源豐富的地理優(yōu)勢(shì)建成了以地下流體觀測(cè)為主的區(qū)域性深井(1 250～3 420 m)前兆地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并取得了一批有價(jià)值的觀測(cè)資料。通過二十多年的觀測(cè)實(shí)踐，存優(yōu)去劣，不斷優(yōu)化臺(tái)網(wǎng)布局和提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量。興濟(jì)1井作為滄州地區(qū)主要的地下流體觀測(cè)井之一，對(duì)本區(qū)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作起了很大的作用。本項(xiàng)工作擬在通過對(duì)興濟(jì)1井水位動(dòng)態(tài)變化與鄰近地區(qū)地震活動(dòng)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究，探討異常形成的條件和機(jī)理，對(duì)該井水位資料映震能力進(jìn)行一個(gè)客觀的評(píng)估。

1 井網(wǎng)的環(huán)境條件與布局

圖1 滄州井網(wǎng)分布圖

興濟(jì)1井位于河北省滄縣薛官屯鄉(xiāng)陸官屯村，井口海拔高程5.8 m。構(gòu)造上處于滄東斷裂帶西側(cè)，所處的構(gòu)造部位是興濟(jì)凸起東翼斜坡。該井于1973年3月成井，井深1 735 m，裸眼段位于1 118.3 m以下，為奧陶系和寒武系灰?guī)r、白云巖巖溶裂隙水層(表1)。

表1 興濟(jì)1井井孔地層柱狀分層表

興濟(jì)1井為石油勘探井，原為自留熱水井，水溫40 ℃，流量3.2 m3/h。1976年6月開始觀測(cè)水氡，1982年9月開始使用SW-40型水位儀進(jìn)行動(dòng)水位觀測(cè)。該井地下水因區(qū)域地下熱水開采的影響，于1998年斷流，被迫停止水氡觀測(cè)與動(dòng)水位觀測(cè)。于1998年9月改為靜水位觀測(cè)，水位年動(dòng)態(tài)呈下降趨勢(shì)，有明顯的周期變化規(guī)律，年下降幅度在2.2 m左右(圖2)。該井水位有明顯的潮汐與氣壓效應(yīng)，日潮汐最大可達(dá)20 cm(圖3)，記錄水震波能力很強(qiáng)，對(duì)全球大部分7級(jí)以上強(qiáng)震[1]都能記錄到水震波，以2003年6月23日拉特群島7.0級(jí)地震水震波為例(圖4)。說明該井水位對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變的反映能力也很強(qiáng)。

圖2 靜水位觀測(cè)變化曲線圖(1998.9-2012.12)

圖3 水位固體潮、氣壓變化曲線圖(2005.6.1-2005.8.1)

圖4 2003年6月23日拉特群島7.0級(jí)地震水震波

2 興濟(jì)1井震例與異常特征

興濟(jì)1井1976年6月開始進(jìn)行水氡觀測(cè)，水氡測(cè)項(xiàng)于1977年寧河MS6.3、1996年5月3日包頭西MS6.4等強(qiáng)震前有過較好的異常反應(yīng)[2]。興濟(jì)1井動(dòng)水位自1982年9月用SW-40型水位儀觀測(cè)以來，1982年10月19日11時(shí)和16時(shí)40分，分別出現(xiàn)了幅度為24 mm和70 mm2次脈沖型突跳，突跳后水位下降10～15 mm， 20時(shí)45分發(fā)生河北盧龍MS5.3級(jí)地震(圖5)。興濟(jì)1井距盧龍地震震中260 km。

興濟(jì)1井自靜水位觀測(cè)以來對(duì)鄰近地區(qū)4級(jí)以上地震有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體異常和震例如表2：

圖5 1982年盧龍5.3級(jí)地震震前的水位變化曲線圖

興濟(jì)1井水位自2011年7月水位曲線變的不光滑，有臺(tái)階出現(xiàn)，之后發(fā)現(xiàn)井孔中有異物，多次自行打撈，由于水位埋深40 m多，一直沒有打撈成功。于2012年2月停測(cè)，3月7日進(jìn)行了井孔清淤，3月9日正常運(yùn)行。但是圖形曲線效果一直不好，曲線出現(xiàn)小的臺(tái)階，當(dāng)水位變化較小的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)走直線的情況。經(jīng)過多次調(diào)整浮漂和重錘仍不見好轉(zhuǎn)。8月我們把滄13井的水位儀和興濟(jì)1井的水位儀對(duì)調(diào)，發(fā)現(xiàn)水位記錄曲線恢復(fù)正常，所以應(yīng)該是水位儀故障引起了記錄曲線臺(tái)階的出現(xiàn)。

表2 興濟(jì)1井異常和對(duì)應(yīng)地震效果表

圖6 2000年唐山(陡河)4.3級(jí)地震前水位變化曲線圖

圖7 2003年天津?qū)幒拥貐^(qū)2次4級(jí)以上地震震前水位變化曲線圖

圖8 2005年1月14日天津?qū)氎鍹L3.7級(jí)地震震前水位變化曲線圖

圖9 2006年7月4日文安5.1級(jí)地震前水位變化曲線圖

興濟(jì)1井水位在2012年4月11日蘇門答臘西海岸的2次8級(jí)以上地震都沒有記錄到水震波。然而2004年12月26日印尼9.0級(jí)地震，興濟(jì)1井水位曾經(jīng)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的水震波效應(yīng)，同時(shí)2012年5月28日發(fā)生的唐山4.8級(jí)地震和6月18日發(fā)生的河北玉田與天津?qū)氎娼唤绲貐^(qū)的4.1級(jí)地震震前也沒有水位脈沖形態(tài)的變化。我們認(rèn)為可能的原因有三：

(1)始終沒有脈沖形式的異常發(fā)生。按照以往的震例經(jīng)驗(yàn)，興濟(jì)井水位也出現(xiàn)過漏報(bào)的情況，即水位沒有出現(xiàn)異常，鄰區(qū)卻有地震發(fā)生的情況。所以始終沒有脈沖形式的異常是有可能的。

(2)異常發(fā)生在水位停測(cè)期間。如果異常發(fā)生在停測(cè)的2—3月期間，我們是觀測(cè)不到的，不過從時(shí)間上看3月9日恢復(fù)正常觀測(cè)，到5月28日唐山4.8級(jí)地震發(fā)生時(shí)間間隔是80 d，也就是說異常發(fā)生的時(shí)間間隔大于80 d。

(3)水位儀的問題使水位觀測(cè)靈敏度降低，沒有記錄到脈沖異常。2012年3月9日—6月30日全球共發(fā)生7級(jí)以上地震5次，其中最大地震是發(fā)生在2012年4月11日的北蘇門答臘西海岸的8.6級(jí)和8.2級(jí)地震。水位原始記錄圖上均未記錄到水震波，可見水位儀的靈敏度大大降低。如果在此期間發(fā)生水位脈沖型異常，在原始圖紙上也不會(huì)被記錄到。

由表2可以看出，自1998年改為靜水位觀測(cè)以來，興濟(jì)1井水位異常有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)異常特征：興濟(jì)1井水位異常形態(tài)均為單個(gè)負(fù)脈沖或多個(gè)負(fù)脈沖的形式出現(xiàn)。5個(gè)震例中，除2000年6月25日唐山ML4.3級(jí)地震以外，其余4次均為單脈沖型。

(2)異常均屬短臨異常。從5次震例可以看出興濟(jì)1井水位開始出現(xiàn)異常和異常結(jié)束的時(shí)間都集中在短臨階段。由表2可知，①對(duì)于單個(gè)的脈沖異常來說異常至發(fā)震的最長(zhǎng)時(shí)間為15 d，最短時(shí)間是十幾個(gè)小時(shí)之后發(fā)震。異常至發(fā)震平均時(shí)間7.5 d。②對(duì)于多脈沖異常，從第1個(gè)脈沖開始至發(fā)震時(shí)間間隔70 d，最后1個(gè)脈沖至發(fā)震時(shí)間間隔為1 d。

(3)異常與地震活動(dòng)范圍。從圖10可以看出，距離最近的地震是2006年7月4日的文安5.1級(jí)，井震距為75 km，最遠(yuǎn)的是1982年10月19日的盧龍5.3級(jí)地震，井震距為260 km，目前從映震的范圍看，在以興濟(jì)井為圓心的周圍260 km范圍內(nèi)，自1998年10月至2012年12月31日，在興濟(jì)1井260 km的范圍內(nèi)發(fā)生4級(jí)以上地震18次。其中6次地震震前出現(xiàn)過水位脈沖異常。其中以第一象限區(qū)域?yàn)橹饕痴鸬貐^(qū)，即天津和唐山老震區(qū)。

(4)異常幅度與震級(jí)、震中距的關(guān)系。震級(jí)隨異常幅度的增大而增大，隨震中距的增大而減小，但未呈現(xiàn)明顯的函數(shù)關(guān)系。

(5)異常重復(fù)性好，可對(duì)比性強(qiáng)，容易判定。多次震例表明，該井水位變化的異常形態(tài)都為負(fù)脈沖型，異常出現(xiàn)的時(shí)間、異常幅度等都顯示出較好的重復(fù)性特征。因此異常易于識(shí)別和判斷。

圖10 興濟(jì)井對(duì)應(yīng)地震分布圖

3 異常機(jī)理探討

脈沖型水位變化的主要特點(diǎn)是，其表現(xiàn)的時(shí)間臨近地震發(fā)震時(shí)刻，因而可能是臨震前應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)急劇變化的反映，是大破裂發(fā)生前巖體不穩(wěn)定狀態(tài)的外在表現(xiàn)[3]。

從興濟(jì)1井的異常變化與大范圍的地震的活動(dòng)關(guān)系可以看出，它所處的構(gòu)造部位在大范圍乃至全球規(guī)模的應(yīng)力活動(dòng)中易于受到牽動(dòng)。所反映的信息多數(shù)情況下可能并不是直接來自震源，而是區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)“應(yīng)力-應(yīng)變事件”的反映，即與震源主要的關(guān)系不是因果關(guān)系，而是同源關(guān)系[4-7]。興濟(jì)1井水位的異常變化可能與這些地震震源應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)沒有直接的關(guān)系，可能僅僅是在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用下，興濟(jì)1井所在的滄東斷裂受到牽動(dòng)而產(chǎn)生的，主要是區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化的反映。當(dāng)然，在地震孕育過程中，由于各個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)(包括震源這個(gè)特殊應(yīng)力集中點(diǎn))之間的相互影響和相互制約，在一定程度上這種異常也會(huì)受到震源應(yīng)力場(chǎng)的間接影響。對(duì)于興濟(jì)1井動(dòng)水位觀測(cè)期間出現(xiàn)的前兆異常是正脈沖，而靜水位觀測(cè)之后，出現(xiàn)的前兆異常為負(fù)脈沖，可能與井位于興濟(jì)凸起東翼斜坡有關(guān)，興濟(jì)凸起東翼斜坡在局部構(gòu)造形態(tài)處于拉張狀態(tài)。

4 映震效能評(píng)價(jià)

4.1 統(tǒng)計(jì)原則

異常選取的標(biāo)準(zhǔn)一是形態(tài)上表現(xiàn)為負(fù)脈沖變化(單個(gè)或多個(gè))，二是脈沖的幅度超過13 mm，三是異常出現(xiàn)的時(shí)間：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖最長(zhǎng)時(shí)間15 d，多個(gè)脈沖最長(zhǎng)時(shí)間為70 d發(fā)震。選取的映震范圍一般以天津和唐山老震區(qū)為主。

4.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

興濟(jì)1井自1998年9月進(jìn)行靜水位觀測(cè)以來共出現(xiàn)異常7次，其中有震異常5次，無震異常2次。漏報(bào)的4級(jí)以上地震5次。(由于多種因素原因?qū)е滤辉紙D形沒有記錄到2012年5月28日唐山4.8級(jí)地震和6月18日的玉田寶坻4.1級(jí)地震的震前異常變化，故作無前兆異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。)

4.3 評(píng)價(jià)

(1)興濟(jì)1井水位映震能力較強(qiáng)，水位脈沖型異常變化與天津和唐山老震區(qū)的中強(qiáng)地震有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，虛報(bào)的情況較少，會(huì)有漏報(bào)現(xiàn)象發(fā)生。

(2)興濟(jì)1井自2012年3月份進(jìn)行井孔清淤并沒有使該井井孔狀態(tài)發(fā)生改變，但一直沒有水震波記錄，主要原因是水位儀故障，更換同型號(hào)SW-40型水位儀之后,觀測(cè)數(shù)據(jù)得到了很大的改善。

(3)利用單井水位變化確定異常來判斷發(fā)震的三要素目前仍然存在著較大的局限性，對(duì)于單個(gè)脈沖的異常從時(shí)間上判斷相對(duì)容易，但是多個(gè)脈沖的異常很難從時(shí)間上把握。強(qiáng)度和地點(diǎn)上只能憑借震例經(jīng)驗(yàn)。采用多測(cè)項(xiàng)多臺(tái)站數(shù)據(jù)綜合對(duì)比觀測(cè)對(duì)地震預(yù)測(cè)的可信度更高。

致謝：本文在成文過程中得到了河北省地震局預(yù)測(cè)研究中心張素欣正研級(jí)高級(jí)工程師的悉心指導(dǎo)和興濟(jì)中心臺(tái)的大力支持，在此表示感謝！

[1]國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心. 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄.

[2]車用太，金魚子，董守玉，等.地下流體典型異常的調(diào)查與研究[M].北京：氣象出版社，2004.

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[4]萬迪堃，汪成民，李介成，等.地下水動(dòng)態(tài)異常與地震短臨預(yù)報(bào)[M].北京：地震出版社，1993.

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Study of Relationship between Pulse Type Change of Water Level at Xingji-1 Well and Seismicity

WANG Xin

(Earthquake Administration of Cangzhou, Hebei Cangzhou 061001, China)

Based on collecting and sorting of Xingji-1 well water level data since 1998 andML≥4.0 earthquakes within the range of 260 km from the well, the pulse type changes of the water level are studied to explore the cause condition of the water level anomaly and the mechanism of the pulse type changes. In the end, the earthquake reflecting ability of the water level data of Xingji-1 well is evaluated.

earthquake reflecting ability; short-term precursor anomaly; negative pulse; earthquake prediction

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.04.009

2014-08-21

河北省地震科研基金項(xiàng)目“興濟(jì)1井水位脈沖型變化與地震活動(dòng)的關(guān)系研究”

王鑫(1980—)，男(漢族)，工程師，主要從事流體的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作.E-mail：304960816@qq.com.

P315.723

A

1003-1375(2014)04-0044-06