河北昌黎井水位震前異常特征分析

張墨思 趙永紅

通過選取6 個不同井震距的地震為例，對每個地震前后河北昌黎井氣壓校正后的水位整點值數據做調和分析，計算出M2 波潮汐因子、相位滯后和潮汐殘差相位差，在此基礎上對昌黎井水位的震前異常特征進行了研究，結果表明：（1）昌黎井水位在選定地震前均有明顯的異常表現(xiàn)，顯示出較強的映震能力；（2）昌黎井水位M2 波潮汐因子異常一般出現(xiàn)在震前2～9 個月，在近震震前潮汐因子出現(xiàn)大幅上升，在遠震震前潮汐因子則出現(xiàn)下降；（3）昌黎井水位潮汐相位滯后異常一般也出現(xiàn)在震前2～9 個月，表現(xiàn)為相位滯后首先出現(xiàn)上升異常，之后下降并發(fā)震，相位滯后在震后持續(xù)下降；（4）昌黎井水位潮汐殘差相位差異常一般出現(xiàn)在震前4～8個月，表現(xiàn)為殘差相位差首先下降，后轉為上升，地震多發(fā)生在殘差相位差上升階段的高值附近。

地下水廣泛地賦存于地殼巖體的空隙之中，具有可自由流動性且對地殼應力與固體變形非常靈敏，能夠充分反映地殼介質在應力作用下的變化情況以及地下構造活動的信息，因此被作為探索地震預報科學最有希望的途徑之一。水位異常在多個震例中有突出表現(xiàn)，車用太等在對汶川Ms 8.0 地震震前異常的研究中發(fā)現(xiàn)，地下流體異常幾乎達到全部震前異常的46%，而水位異常又約占到流體異常的40%，水位觀測的價值可見一斑。

由于各井孔水位潮汐因素在震前的異常特征均有其獨特性，因此有必要對現(xiàn)有流體觀測井的水位潮汐因素在震前的異常特征進行個體性研究。為此，筆者選擇了不同井震距的6 個地震，對地震前后河北昌黎井氣壓改正后的水位整點值做venedikove 調和分析，選取M2 波的計算結果，研究了該井孔水位潮汐因子、相位滯后和潮汐殘差相位差在震前的異常特征。

基本原理

封閉性良好的井—含水層系統(tǒng)，對地殼體應變響應靈敏度可達10-10 量級，可以被看作是靈敏的體應變儀。固體潮目前是少數可以精確計算的力源之一，而井—含水層系統(tǒng)又恰能記錄到固體潮。通過對井—含水層系統(tǒng)記錄到的水位潮汐因素（例如潮汐因子、相位滯后等）分析，能夠有效監(jiān)測到地震孕育過程及在地震孕育過程中地殼介質的變化。

目前，國際上比較通用的潮汐分析方法為venedikov調和分析法，主要算法是最小二乘法，所采用的潮汐模型為：

水位震前異常特征分析

venedikov 調和分析要求所選數據段要大于48 h，筆者選取資料時段內昌黎井水位整點值數據，進行氣壓改正后，采用日滑動的月調和分析。M2 波是半日波，其周期約為12.421 h，不易與非潮汐的周日變化相混淆，且固體潮的在調和分析結果中，M2 波的幅度最大，相位滯后最明顯，故筆者的研究中選取了M2 波的計算

在汶川地震3 個月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)大幅下降，幅值達0.0001，經過一段平靜期后，于震前1 個月迅速上升至階段高值0.0016，再轉為快速下降，在0.0014的點位發(fā)震；在姚安地震9 個月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)4 次脈沖式下降，幅值達0.0001，在震前1 個月，潮汐因子出現(xiàn)快速、大幅度升降變化，繼而在高值點0.0017處發(fā)震；玉樹地震3 個月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)大幅下降，幅值達0.0002，在恢復至持平段0.0015 點位時發(fā)震；唐山地震3 個月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)階躍式大幅上升，幅值達0.0004，在由高值點0.0018 處又迅速下降至持平階段值0.0016 時發(fā)震；燈塔地震5 個月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)大幅下降，幅度達0.0008，由下降轉為上升，在恢復至下降前水平，持續(xù)震蕩3 個月后發(fā)震；于田地震2 個月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)大幅下降，下降幅度達0.0003，在迅速反彈回升至0.0015 的均值水平，然后轉為快速下降，于低值點0.0014 處發(fā)震。

研究發(fā)現(xiàn)，對于選定的地震，昌黎井水位潮汐因子震前異常的時間間隔為2～9 個月；除井震距50 Km 的唐山ML5.12 地震前潮汐因子出現(xiàn)了階躍式大幅上升異常，其余地震震前潮汐因子均為下降異常；震前所有震例潮汐因子都有迅速變化的過程。這個結果與史浙明等的研究結果相似。潮汐因子的突變反映了地殼應力應變積累到一定程度后使得地殼巖石物性發(fā)生了變化（主要是彈性模量等參數），在一定程度上反映了地殼介質的變形過程。昌黎井水位潮汐因子震前異常的幅度有個值得關注的現(xiàn)象：井震距50 Km 的唐山地震幅值達0.0004，井震距420 Km 的遼寧燈塔地震幅值為0.0008，對于井震距在1700～3210 Km 范圍內的遠震，其幅值卻僅為0.0001～0.0003。就此2 個近震來看，潮汐因子的變化幅度有可能與震中一定范圍內應力場的改變有關，唐山地震在震前的變化形態(tài)與其他地震明顯不同，因為唐山距離昌黎井的距離僅50 Km，當然也可能與震中區(qū)震前應力的改變調整有關。

對昌黎井水位觀測數據氣壓校正后做調和分析得到潮汐相位滯后的結果為：汶川地震9 個月前昌黎井水位潮汐相位滯后有一個快速上升過程，在下降過程中發(fā)震，震后繼續(xù)下降，異常幅值為6.428；姚安地震4 個月前昌黎井水位潮汐相位滯后有一個小幅上升和下降的過程，在由低值點迅速增大的過程中發(fā)震，震后持續(xù)大幅上升，3 個月后轉為快速下降，震前異常幅值為2.253；玉樹地震4 個月前昌黎井水位潮汐相位滯后出現(xiàn)大幅上升異常，在下降過程中發(fā)震，震后繼續(xù)下降，異常幅值為7.128；唐山地震9 個月前昌黎井水位潮汐相位滯后曲線出現(xiàn)緩慢上升，然后轉為迅速下降，在下降過程中發(fā)震，震后繼續(xù)下降，異常幅值為29.388；遼寧燈塔地震前6 個月昌黎井水位潮汐相位滯后曲線出現(xiàn)大幅上升，在轉為迅速下降過程中發(fā)震，震后繼續(xù)下降，異常幅值為24.925；于田地震8個月前昌黎井水位潮汐相位滯后開始相繼出現(xiàn)了3 次比較明顯的上升，在轉為下降的過程中發(fā)震，震后快速下降，異常最大幅值為8.508.對于選定的6 個地震，昌黎井水位潮汐相位滯后異常開始時間一般為震前2～9 個月；震前昌黎井水位潮汐相位滯后曲線都出現(xiàn)了上升異常，均在下降階段發(fā)震，且震后持續(xù)下降，即震前幾個月昌黎井水位潮汐相位增大，在快速減小段發(fā)震，震后相位持續(xù)減小。井震距420 Km 內的唐山地震和遼寧燈塔地震其震前相位滯后的幅值變化相當劇烈，遠遠超過了遠震的異常變化水平，原因可能是震前區(qū)域應力加大，含水層空隙壓增大，使得含水層的滲透性大大增強，導致潮汐相位滯后減小得更加明顯。

潮汐殘差指的是去除潮汐變化后的非潮汐變化的作用結果，在venedikov 調和分析的基礎上獲得。因為已經對數據進行過氣壓改正，所以其殘余水位相對來說即為所謂的“凈水位”。潮汐殘差水位變化主要反映了地殼介質、環(huán)境干擾，以及地震孕育等信息影響下的水位變化。根據前人對地震成因理論的研究結果，潮汐殘差相位差的變化與前兆理論擴容模型下的形變，應變變化過程相似。

汶川地震前5 個月，昌黎井水位殘差相位差曲線下降，震前反復升降，變化劇烈，在曲線下降過程中高值點附近發(fā)震；姚安地震前3 個月，昌黎井水位殘差相位差曲線小幅下降，然后迅速上升，在下降過程中高值點附近發(fā)震；玉樹地震前2 個月昌黎井水位殘差相位差曲線出現(xiàn)大幅下降，在曲線迅速回升至高值點附近發(fā)震；唐山地震前8個月昌黎井水位殘差相位差曲線出現(xiàn)大幅度下降，然后曲線轉為上升，在高值點發(fā)震；燈塔地震前6 個月，昌黎井水位殘差相位差曲線發(fā)生大幅度下降，在回升至高值點附近發(fā)震；于田地震前4 個月，昌黎井水位殘差相位差曲線出現(xiàn)大幅下降，且震前反復上升，變化劇烈，在靠近低值點發(fā)震。昌黎井水位殘差相位差異常出現(xiàn)的時間段為震前4～8 個月，震前都出現(xiàn)了下降異常，地震多發(fā)生在曲線的高值或高值點附近。值得提出的是，昌黎井水位潮汐殘差相位差的高值點發(fā)震，與史浙明等研究的例證相反，這可能與昌黎井震時區(qū)域應力改變造成含水層堵塞，滲透性能降低有關。

結語

昌黎井水位在研究選取的地震前均有明顯的異常表現(xiàn)，顯示了較強的映震能力，具體表現(xiàn)為水位M2 波潮汐因子、相位滯后以及潮汐殘差相位差均在震前出現(xiàn)了明顯的異常；

昌黎井水位潮汐因子異常一般出現(xiàn)在震前2～9 個月，在近震震前潮汐因子出現(xiàn)大幅上升，在遠震震前潮汐因子則出現(xiàn)下降，近震與遠震震前潮汐因子變化有明顯的差異；

昌黎井水位相位滯后異常一般也是出現(xiàn)在震前2～9個月，相位滯后首先出現(xiàn)上升異常，之后下降并發(fā)震，相位滯后在震后持續(xù)下降。近震前水位潮汐相位滯后的幅值變化相當劇烈，遠遠超過了遠震的異常幅度變化水平，原因可能是震前區(qū)域應力加大，含水層空隙壓增大，使得含水層的滲透性大大增強，相位滯后減小得更加明顯；

昌黎井水位潮汐殘差相位差異常一般出現(xiàn)在震前4～8 個月，表現(xiàn)為首先下降，后轉為上升，地震多發(fā)生在水位潮汐殘差相位差上升階段的高值附近，這可能與在震時區(qū)域應力改變造成昌黎井所在地區(qū)含水層堵塞，滲透性能降低有關。