2020年唐山古冶5.1級地震前流體固體潮參數(shù)時(shí)空變化研究

紀(jì)春玲 董 博 章 陽 周安聘

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號，050021

井水位潮汐是評價(jià)水位觀測質(zhì)量的重要參數(shù)，對井水位的潮汐因子、振幅和相位等潮汐參數(shù)進(jìn)行研究可獲得震前異常信息[1-2]。深入分析井水位潮汐對推算含水層的各種參數(shù)、衡量井水位對應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)量、了解含水層動(dòng)態(tài)和解釋井水位微動(dòng)態(tài)等均具有重要的科學(xué)意義和必要性[3]。利用流體井潮汐參數(shù)可對地震進(jìn)行預(yù)報(bào)，但現(xiàn)有研究多致力于潮汐對地震的觸發(fā)作用，利用流體觀測探討固體潮與地震的關(guān)系[4-5]，而對震前潮汐參數(shù)的時(shí)空變化關(guān)系的研究較少。本文精細(xì)研究2020-07-12唐山古冶5.1級地震前井水位潮汐參數(shù)的時(shí)空變化特征，分析提取相關(guān)孕震信號，為利用流體井觀測資料進(jìn)行地震預(yù)報(bào)和機(jī)理研究提供震例參考。

1 數(shù)據(jù)處理

選取距離唐山古冶250 km內(nèi)觀測質(zhì)量較好、固體潮清晰的16口井作為研究對象，收集各井2017-01-01～2020-07-30水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)及氣壓整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，井分布見圖1。

圖1 震中及流體井分布

首先剔除各井水位、氣壓原始數(shù)據(jù)中尖峰、脈沖、階變的部分，然后利用Surfer軟件對缺測數(shù)據(jù)運(yùn)用克里金插值法進(jìn)行補(bǔ)全[6]，最后對去趨勢后的各井水位進(jìn)行傅里葉變換(FFT)，以確定潮汐對井水位的影響程度。

圖2和圖3為盧龍崔莊井?dāng)?shù)據(jù)。由圖2和圖3可知，觀測數(shù)據(jù)中明顯包含日潮、半日潮、三分之一日潮信息，其中半日潮振幅最大，日潮次之，三分之一日潮振幅最小，該特征與固體潮理論一致。圖3中存在振幅約為0.007 kPa的信號，推斷可能與井結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境有關(guān)。

圖2 盧龍崔莊井2020-01水位整點(diǎn)值曲線

圖3 盧龍崔莊井2020-01水位頻譜圖

本文所用的潮汐分析軟件為改進(jìn)的Baytap-G程序，主要包含以下功能：1)自動(dòng)去除數(shù)據(jù)趨勢項(xiàng)并計(jì)算其頻譜，同時(shí)可自動(dòng)去除相關(guān)聯(lián)項(xiàng)，如氣壓影響；2)對少量缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值并對階梯變化量進(jìn)行估計(jì)；3)粗略查找和識別異常數(shù)據(jù)；4)計(jì)算ABIC值并以此分析模型質(zhì)量。

2 井水位潮汐參數(shù)特征分析

2.1 潮汐背景分析

將各井長時(shí)間觀測數(shù)據(jù)的潮汐分析情況作為其潮汐觀測背景。通過Baytap-G程序，取計(jì)算窗長為720 h，滑動(dòng)步長為168 h[3]，計(jì)算16口井2017-01-01～2020-07-30水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，得到各井12個(gè)主要波群的潮汐參數(shù)，包括6個(gè)日波群、5個(gè)半日波群和1個(gè)三分之一日波群，表1為玉田井潮汐參數(shù)。

由表1可知，M2波計(jì)算誤差最小，O1波次之，其他井情況類似。計(jì)算16口井每月M2、O1波潮汐因子，得到其方差變化曲線(圖4)。從圖4可以看出，M2波潮汐因子方差明顯比O1波小。2017-01-01～2020-07-30的O1波方差基本維持在0.5%以內(nèi)(靜海井、王3井除外)；除靜海井、王3井外，其余14口井M2波方差基本維持在0.1%以內(nèi)。上述表明，M2波穩(wěn)定性優(yōu)于O1波。

表1 玉田井潮汐參數(shù)

圖4 各井M2波和O1波穩(wěn)定性分析

2.2 潮汐參數(shù)時(shí)間變化特征

基于井水位潮汐變化，通過Baytap-G程序計(jì)算16口井2017-01-01～2020-07-30水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，得到M2波潮汐因子變化曲線。曲線變化形態(tài)可分為趨勢性上升(圖5)和趨勢性下降(圖6)2種情況。

圖5 潮汐因子趨勢性上升

圖6 潮汐因子趨勢性下降

2.2.1 趨勢性上升

2020-07-12唐山古冶5.1級地震前有5口井潮汐因子表現(xiàn)為上升趨勢，分別為玉田井、漢1井、灤縣井、盧龍崔莊井和昌黎何家莊井(圖5)。

玉田井近年潮汐因子一般在0.15左右波動(dòng)，整體表現(xiàn)為逐漸上升趨勢。2020-04-17玉田井潮汐因子下降為0.14后急劇上升為05-25的0.162，隨后又快速下降，07-12古冶地震當(dāng)天達(dá)到極小值0.138，震后潮汐因子緩慢回升。

漢1井潮汐因子存在1 a變化周期，每年7月底至8月中旬潮汐因子達(dá)到極大值后開始下降，整體處于逐漸上升狀態(tài)。2020-07-12古冶5.1級地震當(dāng)天潮汐因子處于極大值，震后逐漸回落。與往年相比，2020年漢1井潮汐因子極大值出現(xiàn)時(shí)間有所提前，這可能與古冶地震使該井附近區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生變化有關(guān)。

灤縣井潮汐因子整體處于緩慢上升狀態(tài)。2020-03-18潮汐因子開始急劇上升，04-10達(dá)到極大值0.046后開始回落，而后在06-16急劇上升至最大值0.056并迅速下降至最小值0.01，古冶地震后潮汐因子趨于正常變化。

盧龍崔莊井和漢1井變化特征相似，潮汐因子存在約1 a變化周期，但盧龍崔莊井潮汐因子在每年3月左右達(dá)到極小值，4～10月潮汐因子維持在較高水平，并且具有小幅波動(dòng)，年底潮汐因子出現(xiàn)下降情況。盧龍崔莊井潮汐因子在2020-06-24由0.154急劇下降至07-12的0.146，古冶地震發(fā)生時(shí)處于極小值，震后潮汐因子開始回升。按照往年規(guī)律，盧龍崔莊井潮汐因子在6、7月應(yīng)處于較高水平，并且具有小幅波動(dòng)，2020-06-24的大幅波動(dòng)應(yīng)與07-12古冶地震使該井周圍應(yīng)力場發(fā)生變化有關(guān)。

昌黎何家莊井潮汐因子整體處于穩(wěn)步上升狀態(tài)，波動(dòng)幅度較小。該井2020-06-29潮汐因子出現(xiàn)下降，07-12達(dá)到極小值0.184，古冶地震后恢復(fù)至正常水平。

2.2.2 趨勢性下降

2020-07-12唐山古冶5.1級地震前有11口井潮汐因子表現(xiàn)為下降趨勢，分別為寶坻新井、高村井、懷來后郝窯井、靜海井、平谷馬坊井、順義板橋井、唐山井、通州西集井、王3井、張道口井和趙各莊井。

唐山井潮汐因子在2017～2020年表現(xiàn)為趨勢性下降，其在2020-07-09由0.067驟降為07-12的0.056，震后潮汐因子開始回升。

靜海井和張道口井潮汐因子整體緩慢下降。兩口井潮汐因子在7月初均出現(xiàn)上升變化，地震當(dāng)天達(dá)到極大值，隨后趨于平衡。

平谷馬坊井和趙各莊井震前均出現(xiàn)潮汐因子變大，而后降低，2020-07-12潮汐因子達(dá)到極小值，震后逐漸趨于正常。平谷馬坊井2020-03-26潮汐因子在正常水平基礎(chǔ)上開始下降，04-17達(dá)到極小值0.118后迅速增大為05-25的0.171，而后又開始下降至07-12的0.121，古冶地震后潮汐因子逐漸恢復(fù)正常。趙各莊井潮汐因子在4月底開始急劇上升，05-25達(dá)到極大值0.062后迅速下降，07-12古冶地震當(dāng)天達(dá)到極小值0.033，而后在正常水平上下小幅波動(dòng)。兩口井潮汐因子變化特征類似，可能與兩口井位置相近有關(guān)。

寶坻新井、高村井潮汐因子下降速率較快；懷來后郝窯井、通州西集井下降速率較緩；王3井潮汐因子先下降后上升，但整體處于緩慢下降狀態(tài)。這5口井潮汐因子均在2020-07-12古冶地震當(dāng)天達(dá)到極小值，而后逐漸恢復(fù)至正常水平。

順義板橋井潮汐因子在07-12古冶地震前后未發(fā)生明顯改變。

2.3 潮汐參數(shù)空間變化特征

為更深入地研究潮汐因子變化規(guī)律，繪制唐山古冶周邊16口井水位潮汐因子長趨勢變化空間分布圖(圖7)。

圖7 震前潮汐因子變化趨勢空間分布

分析可知，2017年開始，唐山古冶東部所有井均表現(xiàn)為上升趨勢，西部除玉田井和漢1井外共11口井潮汐因子處于下降狀態(tài)；2018-06開始，震中附近的唐山井、灤縣井、盧龍崔莊井和昌黎何家莊井潮汐因子處于上升狀態(tài)，其余12口井潮汐因子表現(xiàn)為下降趨勢。

距離震中較遠(yuǎn)的漢1井和玉田井潮汐因子由上升趨勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?，表現(xiàn)為應(yīng)力釋放；而距離震中較近的唐山井潮汐因子由下降趨勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔荩艺鹬懈浇臑纯h井、盧龍崔莊井及昌黎何家莊井潮汐因子均表現(xiàn)為上升趨勢。歷史震例分析結(jié)果表明，在大震前震源附近存在應(yīng)力積累過程。

收集2017-01-01～2020-07-31華北地區(qū)MS≥3.0地震信息，繪制震中分布圖(圖8)和M-T圖(圖9)。由圖8可知，2020年唐山古冶5.1級地震為近年華北地區(qū)發(fā)生的最大地震，MS≥4.0地震主要分布在唐山地區(qū)近東西方向。結(jié)合M-T圖可知，2017～2020年唐山古冶地震前華北地區(qū)MS≥3.0地震發(fā)震間隔較長(除2019-05存在部分應(yīng)力釋放外)，表現(xiàn)為應(yīng)力積累過程。綜合分析華北地區(qū)地震活動(dòng)性可知，2017～2020年唐山古冶5.1級地震前，唐山地區(qū)表現(xiàn)為應(yīng)力積累過程，該結(jié)論與朱琳等[7]的結(jié)果一致。

圖8 2017-01-01～2020-07-31華北地區(qū)MS≥3.0地震震中分布

圖9 2017-01-01～2020-07-31華北地區(qū)MS≥3.0地震M-T圖

2020-07-12唐山古冶5.1級地震震源機(jī)制解為右旋走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，此次地震的主壓應(yīng)力方向?yàn)镾EE向，與現(xiàn)代區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向(近EW向)一致，整體上呈現(xiàn)東西向壓縮、南北向拉張的受力狀態(tài)。圖10為16口井在古冶地震前15 d潮汐因子變化情況的空間分布。

圖10 震前潮汐因子變化形態(tài)空間分布

由圖10可知，震前唐山古冶西北部的順義板橋井潮汐因子未發(fā)生明顯變化；震中西南方向的靜海井、張道口井和漢1井潮汐因子增大；震中近東西方向12口井潮汐因子均減小。結(jié)合唐山古冶地震震源機(jī)制類型可知，震中附近16口井在震前潮汐因子的變化形態(tài)主要受本次地震主應(yīng)力方向影響，東西向壓縮，井-含水層系統(tǒng)孔隙度減小，儲(chǔ)水率減小，因此震中東西向井水位潮汐因子減?。煌?，南北向拉張，井-含水層系統(tǒng)孔隙度增大，儲(chǔ)水率增大，因此震中南北方向井水位潮汐因子增大。順義板橋井潮汐因子未發(fā)生明顯變化，這可能與該井附近斷層走向影響應(yīng)力傳播有關(guān)，也可能與該井靈敏度有關(guān)，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。根據(jù)前人研究結(jié)果可知，井孔壓在走滑斷層破裂帶周邊呈四象限分布[8]，由于震中北向缺少井口實(shí)例，但震中附近水位潮汐因子基本符合四象限分布，這種變化特征可用震前閉鎖剪力模型來解釋[9]。

3 結(jié) 語

通過對2017-01～2020-07唐山古冶周邊16口井水位整點(diǎn)值資料進(jìn)行分析，得出以下認(rèn)識：

1)M2波潮汐因子穩(wěn)定性比O1波高，除靜海井和王3井外，O1波方差基本維持在0.5%以內(nèi)，M2波方差基本維持在0.1%以內(nèi)。

2)根據(jù)M2波潮汐因子長期變化趨勢及震前潮汐因子變化形態(tài)的空間分布情況可知: ① 距離震中較遠(yuǎn)的漢1井和玉田井潮汐因子由上升趨勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?，表現(xiàn)為應(yīng)力釋放；而距離震中較近的唐山井潮汐因子由下降趨勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?，且震中附近的灤縣井、盧龍崔莊井及昌黎何家莊井潮汐因子在震前均處于上升狀態(tài)，表現(xiàn)為應(yīng)力積累。② 結(jié)合唐山古冶地震震源機(jī)制類型、華北地區(qū)地震活動(dòng)性及GPS解算結(jié)果可知，震中附近16口井在震前潮汐因子的變化形態(tài)主要受本次地震主應(yīng)力方向影響，東西向壓縮，潮汐因子減?。荒媳毕蚶瓘?，潮汐因子增大。③ 震前潮汐參數(shù)的趨勢性變化可能包含更豐富的孕震信息，可為中短期乃至臨震預(yù)測提供參考依據(jù)。今后將對潮汐參數(shù)的時(shí)變特征與地震孕育機(jī)理的相關(guān)性進(jìn)行更深入的研究。