靜水位儀的映震特征分析

祝怡紅,周振貴

(安徽省安慶地震臺(tái)，安徽安慶　246001)

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靜水位儀的映震特征分析

祝怡紅,周振貴

(安徽省安慶地震臺(tái)，安徽安慶246001)

摘要：介紹了皖23井的基本情況，立足于皖23井水位儀對(duì)于強(qiáng)震映震現(xiàn)象，根據(jù)建立多元線性回歸模型，得出了皖23井的強(qiáng)震映震效應(yīng)與強(qiáng)震震級(jí)、震中距的關(guān)系，并給出回歸方程。

關(guān)鍵詞：地下流體；映震效應(yīng)；特征分析

0引言

利用地下水進(jìn)行地震預(yù)報(bào)和研究，有比較明確的物理基礎(chǔ)。地下水作為一種極為活躍的物質(zhì)，參與了地震的孕育、發(fā)生和調(diào)整的全過(guò)程，故而地下水觀測(cè)是一種重要的前兆觀測(cè)手段。地震波可在固體介質(zhì)中傳播，當(dāng)它傳播到含水層時(shí)，由于含水層彈性形變，可引發(fā)孔隙壓力的波動(dòng)并表現(xiàn)為含水層中水位的震蕩變化。而強(qiáng)震來(lái)臨之后，地下活動(dòng)的變化，也可能引發(fā)空隙壓力的波動(dòng)，從而引起水位的變化，對(duì)于井水位的強(qiáng)震應(yīng)震效應(yīng)分析研究有著重要的意義[1-3]。安慶皖23井屬于安徽省“十五”網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目地下流體的改造工程，水位觀測(cè)比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠。本文通過(guò)皖23井自2008年汶川8.0級(jí)地震以來(lái)5次7級(jí)以上強(qiáng)震水位同震水震波最大振幅、震級(jí)、井震距的關(guān)系建立了多元線性回歸模型。

1皖23井概況

皖23井始建于1987年，位于安慶市東北郊10 km處的北東向頭坡斷裂上。該井位于大龍山與長(zhǎng)江之間的沖積平原，西北邊有大龍山，東邊為石塘湖水域，地下水補(bǔ)給區(qū)主要來(lái)自大龍山(見圖1)。井孔地理坐標(biāo)為30.58°，117.07°E。該井位于空軍水廠附近農(nóng)田中,其東邊距石塘湖約100 m，湖水位對(duì)井水位有荷載效應(yīng)，呈正相關(guān)，區(qū)內(nèi)有肥中、肥西—韓擺渡斷裂帶、郯廬斷裂帶、宿松—樅陽(yáng)斷裂帶通過(guò)。井深650.69 m，井口標(biāo)高8.7 m，水溫19℃。密封套管0 m～293 m，以下為裸孔，大都為石英正長(zhǎng)斑巖。主要含水層位于350 m～369.5 m和399.5 m～401 m處，另外470.9 m～550 m之間有4段弱含水層。地下水屬裂隙承壓水，地表水對(duì)井水位影響不大。

2皖23井水位強(qiáng)震映震效應(yīng)

2.1皖23井水位同震變幅

皖23井?dāng)?shù)字化觀測(cè)雖然才三四年時(shí)間，但是儀器運(yùn)行較為平穩(wěn)，連續(xù)率和完整率都較高，數(shù)據(jù)資料也較為真實(shí)可靠。

在2007年6月1日至2011年9月30日的水位資料中，對(duì)5次強(qiáng)震同震現(xiàn)象進(jìn)行分析(地震資料來(lái)自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng))，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

例如，繪制皖23井對(duì)于日本9.0級(jí)地震的同震水位，得到圖2。

圖1　皖23井附近地質(zhì)構(gòu)造

表1　　　　　　　皖23井水位同震效應(yīng)變化統(tǒng)計(jì)

2.2水位應(yīng)震響應(yīng)特征分析

計(jì)算方法：多元線性回歸模型的建立

(1)

一般稱為高斯—馬爾柯夫線性模型(K元線性回歸模型)，并簡(jiǎn)記為(Y,Xβ,σ2In)

(2)

y=β0+β1x1+…+βkxk稱為回歸平面方程。

用試驗(yàn)值(樣本值)對(duì)未知參數(shù)β和σ2作點(diǎn)估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)，從而建立y與x1,x2,…,xk之間的數(shù)量關(guān)系，利用最小二乘法求β0,…,βk的估計(jì)量(作離差平方和)：

(3)

選擇β0,…,βk使Q達(dá)到最小。

(4)

假設(shè)H0:β0=β1=…=βk=0

(5)

如果F>F1-α(k，n-k-1)，則拒絕H0，認(rèn)為y與x1,…, xk之間顯著地有線性關(guān)系；否則就接受H0，認(rèn)為y與x1,…, xk之間線性關(guān)系不顯著。

根據(jù)皖23井所體現(xiàn)的同震效應(yīng)來(lái)分析強(qiáng)震震級(jí)(Ms)及井震距(D)對(duì)于水位振幅(ΔH)影響的關(guān)系。假設(shè)：

ΔH=β0+β1Ms+β2ln(D)

(6)

代入表1數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述回歸分析計(jì)算方法得:

ΔH=0.092 4Ms-0.022 8ln(D)-0.505 4

(7)

相關(guān)系數(shù)r2= 0.966 9，接近于1，說(shuō)明回歸方程顯著。

F>F1-α(k，n-k-1)時(shí)拒絕H0，F(xiàn)=29.187 8，說(shuō)明回歸方程越顯著；

與F對(duì)應(yīng)的概率p=0.000 2<α(α為顯著性水平，設(shè)為0.05)，拒絕H0，所以回歸模型成立。

從殘差圖可以看出，除第二個(gè)數(shù)據(jù)(青海玉樹地震)外，其余數(shù)據(jù)的殘差離零點(diǎn)均較近，且殘差的置信區(qū)間均包含零點(diǎn)，這說(shuō)明回歸模型

ΔH=0.092 4Ms-0.022 8ln(D)-0.505 4

能較好的符合原始數(shù)據(jù)，而第二個(gè)數(shù)據(jù)可視為異常點(diǎn)。

圖2　皖23井水位對(duì)日本9.0級(jí)大地震的同震效應(yīng)

由以上分析得出，強(qiáng)震震級(jí)越大，引發(fā)的水位震蕩最大振幅越大;井震距越大，引發(fā)的水位震蕩最大振幅越小。

3結(jié)論和討論

(1)地震波是彈性波，它在固體介質(zhì)中可傳播，當(dāng)這種波傳播到含水層時(shí)，由于含水層彈性變形，也可引發(fā)孔隙壓力的波動(dòng)并表現(xiàn)為含水層中水位的振蕩變化，皖23井對(duì)應(yīng)強(qiáng)震的映震效應(yīng)跟強(qiáng)震的震級(jí)成正比，跟井震距的對(duì)數(shù)成反比，這種效應(yīng)可以根據(jù)建立多元線性回歸模型得出關(guān)系式：

ΔH=0.0924Ms-0.022 8ln(D)-0.505 4

(2)根據(jù)對(duì)近幾年的水位數(shù)據(jù)分析得出，皖23井水位的同震能力較弱。由于樣本的局限性，本文對(duì)于映震效應(yīng)的分析有待于進(jìn)一步完善。

圖3　皖23井強(qiáng)震應(yīng)震事件對(duì)應(yīng)的殘差與置信區(qū)間分析圖

參考文獻(xiàn)：

[1]晏銳.影響井水位變化的幾種因素研究[D].北京：中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所,2008：59-63.

[2]馬建英,劉學(xué)領(lǐng),杜宗和.天津潘莊井水位異常與地震關(guān)系的分析[J].華北地震科學(xué),2003,25(2)：298-306.

[3]尹寶軍,馬麗.汶川8.0級(jí)地震及其強(qiáng)余震引起的唐山井水位同震響應(yīng)特征分析[J].地震學(xué)報(bào),2009,31(2):195-204.

ANALYSIS ON SEISMIC REFLECTION CHARACTERISTICS OF STATIC WATER LEVEL METER

ZHU Yihong,ZHOU Zhengui

(Anqing Seismic Station,Anhui Province,nqing 246001,China)

Abstract:Based on Wan No.23 well water level for the strong earthquake reflection,this paper introduces the basic situation of the well,and set up the multiple linear regression model.Then the relationship between the strong earthquake reflection and the magnitude is got,and the regression equation is established.

Key words:Subsurface fluid;Earthquake reflection;Characteristic analysis

收稿日期：2015-03-29

作者簡(jiǎn)介：祝怡紅(1986—)，女，安徽岳西人，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)工作。

中圖分類號(hào)：P315.72+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-586X(2016)02-0021-04