廣西蒼梧5.4級(jí)地震前地下流體異常分析

郭培蘭，莫佩嬋，黃惠寧

(廣西壯族自治區(qū)地震局，廣西 南寧 530022)

0 引 言

地震預(yù)測(cè)研究的實(shí)踐表明，地下水位在地殼活動(dòng)中反應(yīng)靈敏，承壓含水層井的變化可以反映震源區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)變化、區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的場(chǎng)兆和源兆信息以及非構(gòu)造因素引起的變化[1-2]。在強(qiáng)震前可觀測(cè)到十分明顯的水位、水氡等測(cè)項(xiàng)的中期和中短期異常變化[3]。張淑亮等認(rèn)為大同—陽(yáng)高6.1級(jí)地震前地下流體異常分布的時(shí)間特征展示了這樣一個(gè)事實(shí)：中期異常大多集中在距震中230 km以外的外圍地區(qū)，短期異常集中在145～230 km范圍內(nèi)，臨震異常分布在距震中100 km范圍內(nèi)，異常的時(shí)空轉(zhuǎn)移過(guò)程是：外圍—震中+外圍—震中[4]。2016年7月31日蒼梧5.4級(jí)地震序列是孤立型地序列，對(duì)區(qū)域應(yīng)力變化反應(yīng)靈敏的地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)項(xiàng)目在蒼梧5.4地震震前能提供多少前兆信息?是否出現(xiàn)中期異常和短期異常？對(duì)此進(jìn)行了異常追蹤，結(jié)合震中區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造等資料對(duì)震中周邊廣西壯族自治區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“廣西”)境內(nèi)的流體異常資料進(jìn)行分析。

1 基本概況

1.1 地震情況

2016年7月31日17時(shí)18分，廣西蒼梧縣發(fā)生5.4級(jí)地震(24.08°N，111.56°E)，震源深度10 km，宏觀震中位于蒼梧縣沙頭鎮(zhèn)，未造成顯著的地表破壞。據(jù)《廣西蒼梧5.4級(jí)地震現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害調(diào)查報(bào)告》，本次地震極震區(qū)烈度為Ⅶ度，展布方向近北南向，直接經(jīng)濟(jì)損失9 922萬(wàn)元，未造成人員傷亡。截止2016年9月3日，記錄余震數(shù)量少，廣西地震臺(tái)網(wǎng)共記錄ML0.0以上余震11次，其中0.0～0.9地震6次，1.0～1.9地震4次，2.0～2.9地震1次，最大余震為ML2.1。零星余震略呈近北西向分布，主震占整個(gè)序列總能量的99.99 %以上，判定此次5.4級(jí)地震為孤立型。震源機(jī)制解為左旋走滑型，北北西向的節(jié)面為主破裂面，主壓應(yīng)力P軸方位為北西向[5]。蒼梧5.4級(jí)地震的控震構(gòu)造為賀街—夏郢斷裂帶，發(fā)震構(gòu)造可能為北北西向的分支斷層。

1.2 區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造背景

圖1 區(qū)域地震地質(zhì)構(gòu)造和歷史中強(qiáng)地震分布

1.3 廣西區(qū)域地下流體觀測(cè)井分布情況

廣西區(qū)域現(xiàn)有8口地下流體觀測(cè)井，主要分布在右江斷裂帶、巴馬—博白斷裂帶、防城—靈山斷裂帶、合浦—北流斷裂帶及其附近，觀測(cè)井點(diǎn)較為稀疏，主要分布于北緯24°以南。廣西區(qū)域水溫、水位均為同井?dāng)?shù)字化觀測(cè)(圖2)。表1是廣西區(qū)域地下流體井情況表，貴港井干擾嚴(yán)重，故未進(jìn)行分析。對(duì)其余各個(gè)井的觀測(cè)資料進(jìn)行跟蹤，可靠的異常共6項(xiàng)，分別為北海咸田井靜水位破年變、合浦石康井靜水位破年變、桂平西山井靜水位破年變、石埠井趨勢(shì)上升、九塘井和香1井趨勢(shì)轉(zhuǎn)平折異常，這些異常均為震前提出，水溫?zé)o異常。

圖2 震中周邊300 km范圍地下流體臺(tái)站分布

表1 廣西地下流體臺(tái)站情況表

2 地下流體觀測(cè)井異常分析

地下流體的正常動(dòng)態(tài)分為多年趨勢(shì)動(dòng)態(tài)、年動(dòng)態(tài)、月動(dòng)態(tài)、日動(dòng)態(tài)[6]，廣西區(qū)域地下流體也具有正常的微動(dòng)態(tài)特征。廣西區(qū)域地下流體井均是中深井(井深100～1 000 m)，年動(dòng)態(tài)主要與大氣降雨有關(guān)，降雨影響下的井水位年動(dòng)態(tài)是單峰單谷型，其動(dòng)態(tài)特征是降—升—降(先谷后峰)或升—降—升(先峰后谷)；水位的正常日動(dòng)態(tài)或月動(dòng)態(tài)，除了某些井中表現(xiàn)出的降雨滲入補(bǔ)給、地下水開(kāi)采等影響之外，主要是水位的固體潮效應(yīng)、氣壓效應(yīng)、地震引起水震波效應(yīng)等多種微動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。只有了解了地下流體的正常動(dòng)態(tài)，才能更好的對(duì)地下流體前兆異常進(jìn)行跟蹤。

表2 異常臺(tái)站正常動(dòng)態(tài)表(2009～2017年)

2.1 破年變異常

2.1.1 桂平井

桂平井在桂平市西山公園大門(mén)左側(cè)，距蒼梧5.4級(jí)地震震中160 km，處于防城—靈山斷裂帶附近，孔巖性為泥盆系砂、頁(yè)巖裂隙承壓水。地表水和地下水向郁江排泄，地下水經(jīng)深部循環(huán)積聚成承壓，沿接觸變質(zhì)帶上升。桂平井自1994年觀測(cè)以來(lái)，水位受降雨影響，具有夏高冬低的正常年動(dòng)態(tài)，水位日變形態(tài)清晰，每日峰谷的日動(dòng)態(tài)，日最大潮差4cm左右。桂平西山的水位映震效能較好，同震效應(yīng)形態(tài)通常為階升變化，該井可能受硫化氫腐蝕作用，致使井口內(nèi)沉淀與淤泥物較多。圖3a是桂平井水位曲線，2009年水位“夏高冬低”的年動(dòng)態(tài)非常明顯。2011年至2017年，共出現(xiàn)7次同震效應(yīng)，分別為2011年3月11日日本9.0級(jí)地震、2012年4月12日蘇門(mén)答臘8.6級(jí)地震和8.2級(jí)地震、2013年4月20日四川蘆山7.0級(jí)地震、2015年4月25日尼泊爾8.1級(jí)地震、2016年7月31日廣西蒼梧5.4級(jí)地震、2017年1月21日所羅門(mén)群島地震。2017年1月21日所羅門(mén)群島地震之后桂平井水位階升，震后水位緩慢回落，正常年動(dòng)態(tài)被破壞，但是冬天水位較低的特征仍然存在。2015年5月20日至2016年5月26日，水位雖因多次受強(qiáng)降雨影響而有間歇性突升，但總體持續(xù)低值，未表現(xiàn)出“夏高冬低”的正常年動(dòng)態(tài)，出現(xiàn)破年變異常，蒼梧5.4級(jí)地震致水位階升0.141 m。

2.1.2 石康井

石康井(靜水位)，位于合浦縣石康職業(yè)學(xué)校內(nèi)，高程32.5 m。井孔深度129.0 m，水位埋深5.3 m，孔徑12.7 cm。主要觀測(cè)水位及輔助觀測(cè)氣壓，水位儀采用SW40-1型，氣壓采用DYJ1型儀器。井孔巖性為上第三系細(xì)—粉砂層。井孔位于合浦—北流斷裂帶的西南段合浦盆地內(nèi)，根據(jù)航空拍照解釋及物探推測(cè)，井孔南西側(cè)有北西向斷裂帶存在含水量豐富、承壓。井孔一帶為南流江河流階地，不到2 km處有南流江流經(jīng)。井孔觀測(cè)條件尚好，水位日變形態(tài)清楚，日最大潮差5 cm左右，具有年變化規(guī)律，受大氣壓、降雨影響。石康井自1995年6月開(kāi)始觀測(cè)，受地表水、臺(tái)風(fēng)等氣象因素影響較大。水位不直接受降雨影響，滯后降雨2個(gè)月左右；水位每年9月為最高值，之后開(kāi)始迅速持續(xù)下降，至次年4月達(dá)最低值，之后又開(kāi)始回升，形成“N”字形的年變規(guī)律。圖3b石康水位曲線，除2010年及2016年外，其余年份具有正常的年變。2010年4月1日～9月30日水位應(yīng)該上升，卻沒(méi)有上升，出現(xiàn)破年變異常，10月1日恢復(fù)正常下降趨勢(shì)，2011年3月11日發(fā)生日本9.0級(jí)地震。按照正常的年動(dòng)態(tài)分析2016年1月26日～5月2日水位應(yīng)該下降，但是不下降反而上升，出現(xiàn)破年變異常，5月3日水位又恢復(fù)正常的上升趨勢(shì)，同年7月31日發(fā)生蒼梧5.4級(jí)地震，異常特征表現(xiàn)為破年變異常，持續(xù)5個(gè)月，然后異常恢復(fù)2個(gè)月，發(fā)生中強(qiáng)地震。

圖3 桂平井(a)、石康井(b)、北海井(c)水位曲線

2.1.3 北海井

北海井水位為靜水位，處于北海市咸田村，高程5.76 m，距震中387 km，北海井孔巖性為上第三節(jié)系粉細(xì)砂巖層。井孔位于南流江大斷裂帶南東側(cè)，據(jù)航照解釋及物探推測(cè)，井孔南西側(cè)有一至二條北西向斷裂帶。并位于北部灣大海盆北布邊緣斜坡帶排泄區(qū)。含水層厚度較大，含水量豐富、承壓。北海咸田井水位年變清晰，井孔一帶為鼓包丘地小樹(shù)林帶,較遠(yuǎn)處為旱作物耕地。地勢(shì)起伏不大。西側(cè)一百多米處為一人工水塘，雨季短時(shí)積水。水位受大氣壓、降雨影響及海潮影響。北海咸田井自1987年7月開(kāi)始觀測(cè)，受海潮、臺(tái)風(fēng)、氣壓的影響較大。水位不直接受降雨影響，滯后降雨3～4個(gè)月；固體潮日變形態(tài)清晰，日最大潮差0.1 m；具有清晰的年變動(dòng)態(tài)。北海咸田水位破年變現(xiàn)象與北部灣及桂東南地區(qū)的中強(qiáng)地震活動(dòng)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3c是北海咸田水位曲線，2009～2015年北海咸田水位年動(dòng)態(tài)非常明顯，每年有正常年變，每年5月水位逐漸上升，10月升到最高，再逐漸下降到次年5月。按照正常的年動(dòng)態(tài)2016年1月1日至4月14日水位應(yīng)該下降，但是沒(méi)有下降，卻逐漸升高，出現(xiàn)破年變異常，異常持續(xù)4個(gè)月，4月15日恢復(fù)正常，隨后發(fā)生2016年7月31日蒼梧5.4級(jí)地震，震后水位恢復(fù)正常上升趨勢(shì)，異常特征表現(xiàn)為破年變異常，異?；謴?fù)，然后發(fā)震。

2.2 趨勢(shì)性異常

2.2.1 石埠井

石埠井距震中374 km，井孔巖性為寒武系基底，泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、泥巖。屬南寧盆地西北部邊緣西鄉(xiāng)塘—圍村斷裂帶。井孔位于土坡上，西北及東南向約15 m為稻田，無(wú)明顯干擾源。地表水和地下潛水從西向東往邕江排泄。圖4a是南寧石埠水位曲線，2009～2010年年變不清晰，2011～2017年具有正常的年變，每年1月逐漸上升，4月最高，再逐漸下降到次年1月。2011～2013年多年動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為趨勢(shì)上升型，2014～2016年多年動(dòng)態(tài)發(fā)生改變，多年動(dòng)態(tài)加速上升，表現(xiàn)出與前3年不一樣的多年動(dòng)態(tài)，分析認(rèn)為是趨勢(shì)異常，異常2年半發(fā)生蒼梧5.4級(jí)地震，蒼梧5.4級(jí)地震后，水位下降，恢復(fù)上升趨勢(shì)。

2.2.2 九塘井

九塘井距震中320 km，位于九塘鄉(xiāng)壇敏村沖溝南側(cè)邊上，沖溝東西走向，沖溝南、北西側(cè)地形較陡。九塘井孔處于南華準(zhǔn)地臺(tái)，右江再生地槽的西大明山隆起區(qū)，大明山背斜與昆侖關(guān)復(fù)式背斜的復(fù)合地帶，區(qū)中有巴馬—昆侖關(guān)斷裂帶。井孔巖性為黑云母花崗巖，巖體內(nèi)X節(jié)理裂隙發(fā)育，孔深80 m外遇斷層破碎帶，此帶是該孔的主要供水通道，水從破碎帶及裂隙中涌出，沿鉆孔溢出地表，水頭最高可達(dá)3 m。水文地區(qū)條件為區(qū)內(nèi)昆侖關(guān)花崗巖體的重復(fù)侵入顯示了深部巖漿的活動(dòng)性，構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，與巴馬—昆侖關(guān)斷裂帶組成一套切得大、連通性好的節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)，對(duì)地下水形成與分布起控制作用，構(gòu)成深部水循環(huán)。井孔觀測(cè)條件尚好，水位日變形態(tài)清楚，日最大潮差3 cm；邕寧九塘水位呈現(xiàn)出一定的年變化規(guī)律，但規(guī)律不強(qiáng)。水位受大氣壓影響而不直接受降水影響。圖4b是九塘水位曲線，除2012年外，九塘水位具有正常的年變，每年10月水位逐漸上升，次年3月達(dá)到峰值，然后開(kāi)始下降到同年10月。2012年水位出現(xiàn)明顯的破年變異常，異常持續(xù)約1年2個(gè)月，發(fā)生2013年2月20日平果4.5級(jí)地震。2009～2013年多年動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為趨勢(shì)上升型，2014～2016年多年動(dòng)態(tài)發(fā)生改變，多年動(dòng)態(tài)平緩，表現(xiàn)出與前3年不一樣的多年動(dòng)態(tài)，分析認(rèn)為是趨勢(shì)異常，異常持續(xù)兩年半發(fā)生蒼梧5.4級(jí)地震，地震后異常未恢復(fù)。

2.2.3 香1井

香1井孔巖性為第三系泥質(zhì)砂巖。位于右江斷裂帶田東凹陷香爐重力異常南緣，水文地區(qū)條件為第三紀(jì)紅色巖層組成的構(gòu)造斷陷盆地，補(bǔ)給來(lái)源少，含水層之間水力聯(lián)系差，水流運(yùn)動(dòng)受靜水壓力影響，泄水條件差。水位日變形態(tài)清楚，日最大潮差4 cm左右。井孔有氣體溢出，形成一個(gè)個(gè)水位脈沖，大者近1 cm；田東香1井地處旱地，無(wú)明顯干擾源，水位不直接受大氣壓和降水影響。圖4c是香1水位曲線，2009～2011年有清晰“夏高冬低”的年變，其余年份不清晰。2009年1月～2013年12月多年動(dòng)態(tài)呈趨勢(shì)上升型，2014年1月香1水位開(kāi)始出現(xiàn)明顯的持續(xù)下降轉(zhuǎn)折，田東香1、南寧九塘水位同步出現(xiàn)上升速率變小的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，出現(xiàn)明顯的趨勢(shì)異常，異常持續(xù)兩年后發(fā)生2016年7月31日蒼梧5.4級(jí)地震。

圖4 石埠井(a)、九塘井(b)、香1井(c)水位曲線

3 地下流體異常特征與蒼梧5.4級(jí)地震震源機(jī)制解關(guān)系分析

圖5是梧州臺(tái)洞體應(yīng)變曲線，2013年至2014年上半年，曲線向上，2014年下半年至2016年7月蒼梧5.4級(jí)地震前，曲線向下，表明梧州臺(tái)處于擠壓狀態(tài)。圖6是地下流體異常臺(tái)站(井)與蒼梧5.4級(jí)地震震源機(jī)制分布圖，咸田井、石康井、石埠井水位上升，處于震源機(jī)制解的擠壓區(qū)；桂平井、九塘井、香1井水位下降，處于震源機(jī)制解膨脹區(qū)；擠壓區(qū)的測(cè)震臺(tái)站垂直向P波初動(dòng)符號(hào)向上，如平南、梧州、玉林測(cè)震臺(tái)垂直向P波被動(dòng)符號(hào)向上；膨脹區(qū)的測(cè)震臺(tái)站垂直向P波初動(dòng)符號(hào)向下，如懷集、桂林、南寧地震臺(tái)垂直向P波被動(dòng)符號(hào)向上。地下流體異常上升或異常下降與震源機(jī)制解膨脹區(qū)與擠壓區(qū)相對(duì)應(yīng)。通過(guò)對(duì)地下流體異常特征與蒼梧5.4級(jí)地震震源機(jī)制解關(guān)系分析，認(rèn)為在附近的地下流體有升有降，未來(lái)發(fā)生的地震可能是近震，在附近的地下流體全部上升，或全部下降，未來(lái)發(fā)生的地震可能是遠(yuǎn)震。

圖5 梧州臺(tái)洞體應(yīng)變東西向(a)、南北向(b)曲線

圖6 異常臺(tái)站與蒼梧5.4級(jí)地震震源機(jī)制分布

4 結(jié)論與討論

(1)廣西區(qū)域共8口地下水流體井，2016年7月31日蒼梧5.4級(jí)地震前水位出現(xiàn)異常、水溫?zé)o異常。石埠井、九塘井、香1水井位出現(xiàn)持續(xù)兩年趨勢(shì)異常，多年正常動(dòng)態(tài)發(fā)生變化。桂平井、北海井、石康井水位出現(xiàn)短期異常，異常持續(xù)時(shí)間半年到1年。

(2)石埠井、北海井、石康井水位上升，表明異常井所在區(qū)域處于應(yīng)力積累狀態(tài)，該區(qū)域處于震源機(jī)制解的擠壓區(qū)。桂平井、九塘井、香1井水位下降，表明異常井所在區(qū)域處于應(yīng)力松弛狀態(tài)，該區(qū)域處于震源機(jī)制解的膨脹區(qū)。根據(jù)地下流體上升或下降可以判斷發(fā)生的中強(qiáng)震是遠(yuǎn)震還是近震。

(3)蒼梧地震地下水動(dòng)態(tài)異常具有明顯的階段性，離震中較遠(yuǎn)石埠井、九塘井、香1井先出現(xiàn)趨勢(shì)異常，然后桂平井、北海井、石康井才出現(xiàn)短期異常，北海井、石康井離震中較遠(yuǎn)，出現(xiàn)是短期異常而不是趨勢(shì)異常，表明300～400 km范圍的流體井對(duì)短期判斷也有一定的預(yù)測(cè)能力，也反映了震前地下流體異?？赡艹霈F(xiàn)在較大的區(qū)域，甚至是孕震區(qū)外。

(4)石埠井、九塘井相距50 km，相距較近，石埠井震前水位上升，九塘井震前水位下降，還需要進(jìn)一步研究其成因機(jī)理。