廣西九塘井水位突變異常映震效能分析

莫佩嬋，袁 媛，文 翔，梁 飛，黃美麗，蘇 珊

（廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022）

0 引言

地下流體是一種活躍的載體，以多種形態(tài)存在各種地殼介質(zhì)中，在一定條件下會發(fā)生位置和形態(tài)變化。地震在孕育與發(fā)生過程中，更是會導(dǎo)致地下流體在物理和化學(xué)性質(zhì)方面發(fā)生異常變化，故地下流體觀測能間接獲取來自地球深部的信息，是目前地震監(jiān)測與預(yù)報的重要手段之一[1-3]。有研究認為，地震的前夕孕震體必定會有某些不穩(wěn)局部逆轉(zhuǎn)應(yīng)變的發(fā)生，因而在臨震前地下水位、流量以及其他物理量會出現(xiàn)“突跳”、“突變”、“反向”等多種臨震現(xiàn)象[4-6]。在孕震理論模型和現(xiàn)有震例中，當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變積累到一定程度，就會產(chǎn)生地殼形變從而引起地下流體異常產(chǎn)生地下流體力，只有那些能與地震孕育構(gòu)造應(yīng)力增強過程產(chǎn)生力學(xué)耦合的地下流體力才能調(diào)制與誘發(fā)出地震前兆異常并促使地震發(fā)生，換而言之，只有能反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化過程的地下流體異常才具有地震前兆意義[7-8]。李惠玲、張素欣、廖麗霞等分別通過歸納、總結(jié)晉冀蒙和華南地區(qū)流體觀測資料，均提取到了與水位突變有關(guān)的預(yù)測指標(biāo)[9-11]。

九塘井位于廣西中部南寧地區(qū)，距南寧市區(qū)約60 km，是廣西地下流體觀測預(yù)報效能較好的觀測井。本文收集、整理了九塘井2002 年以來的水位觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、觀測環(huán)境、氣象條件、水質(zhì)成份等因素，分析其水位突變現(xiàn)象與桂西地區(qū)中強地震關(guān)系，試圖評估九塘水位預(yù)報效能，補充、完善廣西地區(qū)地下流體地震預(yù)測指標(biāo)體系。

1 井孔基本情況

1.1 井孔概況

南寧九塘流體觀測站，位于南寧市興寧區(qū)九塘區(qū)壇敏村（108.69°E，22.06°N），高程176.0 m。臺站位于一沖溝南側(cè)邊上，沖溝東西走向，南、北兩側(cè)地勢均較陡，周圍均為菜地，附近居民稀少，無大工礦企業(yè)和單位，少有人工排、灌、蓄等干擾源。觀測井為自流井，井深521.07 m，孔徑14.6 cm，井孔巖性單一，均為黑云母花崗巖，井下80 m 處的破碎帶為主要的供水通道，水從破碎帶及裂隙中涌出，沿鉆孔向上溢出地表，水頭最高可達3 m，為裂隙承壓水。

1.2 地震地質(zhì)構(gòu)造

南寧九塘井區(qū)域上屬華南準(zhǔn)地臺，右江再生地槽大明山西隆起區(qū)，大明山背斜與昆侖關(guān)復(fù)式背斜的復(fù)合地帶，地處北西向的巴馬—博白斷裂帶和北東向的桂林—南寧斷裂帶交匯部位，即天馬—蘆村斷裂該斷裂上（圖1）。天馬—蘆村斷裂總體走向北西310°～330°，傾向南西，傾角40°～85°。切割寒武系至第三系，斷裂破碎帶寬數(shù)米至百米，帶內(nèi)角礫巖、糜棱巖、硅化、構(gòu)造透鏡體、擠壓揉皺帶等構(gòu)造現(xiàn)象發(fā)育。在蘆村附近，可見三期不同的構(gòu)造角礫巖：早期鐵質(zhì)、灰質(zhì)緊密膠結(jié)，角礫棱角明顯；中期紅色砂泥質(zhì)膠結(jié)，較松散，角礫棱角明顯；晚期泥質(zhì)膠結(jié)，松散，角礫棱角明顯。在樟木坪附近，靠近該斷裂帶中心的北東側(cè)，也見有兩期不同的構(gòu)造角礫巖。

圖1 南寧九塘井附近地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map near Jiutang well in Nanning

巴馬—博白斷裂帶是井區(qū)內(nèi)唯一的左旋走滑兼具正斷性質(zhì)的區(qū)域性活動斷裂。該斷裂在新生代和第四紀(jì)以來活動強烈，主要表現(xiàn)為左旋剪切—擠壓的力學(xué)性質(zhì)，斷層活動方式以蠕滑運動為主，TL 測年值為60～280 Ka，表明斷裂在中更新世中晚期至晚更新世早期有過活動。巴馬—博白斷裂帶在與防城—靈山斷裂帶交匯處曾發(fā)生1936年4 月1 日靈山6?級地震，沿斷裂帶曾多次發(fā)生過4級以上地震[12]。

1.3 水文地質(zhì)

九塘井地處昆侖關(guān)花崗巖體重復(fù)侵入地帶，該巖體內(nèi)發(fā)育有多期構(gòu)造節(jié)理，顯示了深部巖漿的活動性。巖體與巴馬—博白斷裂帶組成一套切割深、大，連通性好的節(jié)理裂隙網(wǎng)格，對地下水的形成與分布起控制作用，給深部巖漿熱流上溢創(chuàng)造了良好的通道，并使受其切割的花崗巖體產(chǎn)生大量的節(jié)理裂隙。這些節(jié)理裂隙與斷裂組合，構(gòu)成了一套斷裂-裂隙系統(tǒng)，特別是井孔所處的斷裂上盤，應(yīng)力較為集中，巖體破碎強烈，給大氣降水的入滲，地下水的運移、儲存帶來了良好的空間條件，同時也是深部熱源、熱水向上部傳導(dǎo)的主要通道[13]。

2 影響因素分析

一般來說，引起觀測井水位變化的因素較多，如區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變、水文地質(zhì)、氣象條件、泄流流量、觀測系統(tǒng)等。這些因素會使得水位呈現(xiàn)出規(guī)律的動態(tài)，如日變、月變和年變。正常情況下，九塘水位具有以下規(guī)律的變化：固體潮日變形態(tài)清晰，每日雙峰雙谷的變化，日最大潮差約43 mm；受潮汐調(diào)制影響，每月望、朔時期水位潮差最大；具有一定的夏高冬低年變，每年4、5 月為最高值，11、12 月為最低值。但是，從歷史資料分析，南寧九塘井水位也曾多次出現(xiàn)不規(guī)律的突變，如單點突跳、加速變化、溢出井口等現(xiàn)象，有的現(xiàn)象還具有重復(fù)性和多樣性。不規(guī)律現(xiàn)象的出現(xiàn)與上述影響因素或多或少存在一定的關(guān)系，為了明確影響最為主要、最為明顯的因素，找出這些不規(guī)律變化與地震間的內(nèi)在聯(lián)系，挖掘可能存在的預(yù)報預(yù)測指標(biāo)，除考慮上節(jié)所描述的地震地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)外，下面再從觀測環(huán)境、氣象條件和井孔流量等方面來進行分析。

2.1 觀測環(huán)境

九塘水位觀測井位于郊區(qū)農(nóng)村，觀測井附近居民稀少，無大工礦企業(yè)和單位，周圍沒有大型建筑或抽水作業(yè)，未發(fā)現(xiàn)有人工排、灌、蓄等干擾源。在距井孔約150 m 遠的有一口生活用水井，井深50 m 左右，據(jù)附近村民反映，其用量一直以來都相對穩(wěn)定，周圍2 km 內(nèi)觀測環(huán)境一直以來無明顯改變。

2.2 大氣降雨

觀測臺站址地勢較陡，坡積較淺，加之井孔較深、封閉性好，降雨補給的間隙和滯水條件有限，一般情況下，水位與降雨不會出現(xiàn)同步變化，但在出現(xiàn)強降雨或持續(xù)較長時間降雨時，二者間也會有明顯的關(guān)聯(lián)。如2015 年降雨明顯比2014 年多，且 2015 年 5 月 11 日至 6 月 11 日間降雨集中且雨量偏大，但井水在 2014 年 7 月 15 日至 8 月 22 日間出現(xiàn)快速上升并溢出井口，其余時段均無明顯變化（圖2）。

圖2 九塘水位與降雨的關(guān)系Fig.2 Relationship between water level and rainfall in Jiutang

2.3 泄流口流量

2007 年 1 月至 2020 年 11 月 ， 九塘井流量 每 月末或月初用量筒進行測算，偶爾因為震情或觀測的需要進行加密測量，流量的調(diào)節(jié)較為隨意，當(dāng)出現(xiàn)井水溢出井口后就通過調(diào)大泄流口的閥門來加大流量，人為使水位下降。2020 年11 月，九塘井安裝數(shù)字化流量儀，正式開始流量觀測。通過一年多的連續(xù)、穩(wěn)定觀測，發(fā)現(xiàn)正常情況下九塘流量動態(tài)有以下特點：變化形態(tài)和趨勢與水位基本呈正相關(guān)關(guān)系，有明顯的固體潮形態(tài)，每日雙峰雙谷變化，并具有一定的夏高冬低年變；流量正常背景值約為0.093 L/s 左右，最大日變幅約0.0053 L/s。

綜合數(shù)字化改造前后水位與流量的變化，認為九塘流量與水位在出現(xiàn)宏觀異常，如水位大幅突變時呈負相關(guān)，即流量變大，水位下降，流量變小，水位上升，但在正常觀測時則為正相關(guān)，兩者出現(xiàn)一致的變化形態(tài)和趨勢。經(jīng)過核實，水位數(shù)次出現(xiàn)大幅突變時，泄流口并無異物堵塞。

通過上述分析認為，九塘井處于構(gòu)造靈敏地帶，補給區(qū)較遠，滲流途徑較長，不易受到氣象和人為因素的干擾，水位的動態(tài)變化能真實反映來自深部構(gòu)造的信息，即區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變是水位不規(guī)律變化的主要影響因素。

3 九塘水位突變與地震關(guān)系分析

3.1 水位突變異常及其映震效能

九塘井水位突變異常，具體主要表現(xiàn)為井水快速上升后溢出井口。一般情況下，異常出現(xiàn)后1年左右，井孔周圍200 km 范圍有發(fā)生4.5級左右地震的可能。經(jīng)梳理，有如下幾個明顯的震例。

3.1.1 2005年10月27日平果4.3級地震

2004 年 12 月 26 日印尼 8.7 級地震后，九塘井水位記錄到0.084 m 的同震階升，此后一直處于高值。2005 年3 月1 日調(diào)大流量后水位下降，降幅0.22 m；6 月5 日和9 月2 日又先后出現(xiàn)兩次快速上升；9月14日—10月8日因主機出現(xiàn)故障，作缺數(shù)處理；10 月27 日平果4.3 級地震發(fā)生后仍持續(xù)上升，12 月31 日再三將其流量上調(diào)后才下降恢復(fù)，此次降幅為0.203 m。水位初次上升與地震發(fā)生時間相距305 d，最后一次上升與地震發(fā)生時間相距54 d，井震距135 km（圖3）。

圖3 九塘水位突變異常與平果4.3級地震Fig.3 Sudden changes of Jiutang water level and Pingguo MS4.3 earthquake

3.1.2 2013年2月20日平果、田東交界4.5級地震

2012 年2 月1 日，九塘水位有序向上快速上升。2012 年 4 月 11 日 16 時 38 分和 18 時 43 分，印尼先后發(fā)生8.6 級和8.2 級強震，地震發(fā)生后，井水在持續(xù)上升的背景下連續(xù)兩次產(chǎn)生明顯的同震階升后溢出井口，12日9時調(diào)大流量，水位快速下降，降幅0.165 m；5月12日井水又持續(xù)加速上升，至11 月30 日8 時，井水再次溢出，當(dāng)日11 時第二次調(diào)大流量，水位迅速下降，降幅0.18 m；經(jīng)過二次調(diào)大流量下降后，水位于12 月23 日又出現(xiàn)明顯的快速上升，2013 年1 月30 日第三次調(diào)大流量，因此次流量調(diào)整較前兩次大，水位下降更為明顯，降幅0.344 m。水位在第三次調(diào)大流量下降恢復(fù)后，2 月20 日發(fā)生平果、田東交界發(fā)生4.5 級地震，水位初次上升與地震發(fā)生時間相距383 d，最后一次上升與地震發(fā)生時間相距58 d，井震距154 km（圖4）。

圖4 九塘水位突變異常與平果、田東交界4.5級地震Fig.4 Sudden change of Jiutang water level and MS4.5 earthquake at the junction of Pingguo and Tiandong

3.1.3 2019年11月25日靖西5.2級地震

2019 年10 月15 日，由于九塘水溫探頭放置太淺，對井孔露出地面部分的斜管進行改造，改造后該部位的孔徑變小，由原來的14.6 cm 變?yōu)?2 cm。10 月21 日重新觀測后，水位有規(guī)律地快速上升，2020 年1 月2 日，井水溢出井口，14 日上調(diào)流量后才下降恢復(fù)，降幅為0.383 m。

九塘井此次井孔改造時間比較特殊。在改造施工前2 d，即10月12日在桂東南地區(qū)發(fā)生了北流5.2 級地震，而在恢復(fù)觀測（水位快速上升）后34 d，即11 月25 日則在桂西地區(qū)發(fā)生了靖西5.2 級地震，兩次地震的井震距都約為210 km（圖5）。顯然，此次水位突變在很大程度上因井孔改造、孔徑變小引起的。北流地震是在異常出現(xiàn)前發(fā)生的，結(jié)合歷史震例分析，認為異常的出現(xiàn)與北流5.2 級地震無明顯關(guān)聯(lián)，而靖西5.2 級地震雖然是在異常出現(xiàn)后發(fā)生的，但由于存在人為干擾，兩者間的關(guān)系也存在不確定因素。

圖5 九塘水位突變異常與靖西5.2級地震Fig.5 Sudden change of Jiutang water level and Jingxi MS5.2 earthquake

3.1.4 2021年8月4日德保4.8級地震

2020 年9 月25 日井水位突然發(fā)生階躍，上升幅度達0.17 m，此后水位持續(xù)上升，至10 月10 日完全溢出井口。經(jīng)調(diào)查，異常的出現(xiàn)與人為干擾和氣象影響無關(guān)。同年11 月25 日因改造安裝數(shù)字化流量儀，一并調(diào)大其流量，水位下降恢復(fù)，降幅為 0.664 m。2021 年 8 月 4 日德保發(fā)生 4.8 級地震，地震發(fā)生距水位開始上升時間312 d，井震距205 km（圖6）。

圖6 九塘水位突變異常與德保4.8級地震Fig.6 Sudden change of Jiutang water level and Debao MS4.8 earthquakes

綜合上述震例資料，分析認為，九塘井自2002年數(shù)據(jù)化觀測以來，共出現(xiàn)5次水位快速上升后并溢出井口的現(xiàn)象，異常出現(xiàn)1年左右，在其約200 km 范圍，對應(yīng)的中強地震有3 次，分別為2005 年 10 月 27 日平果 4.3 級、2013 年 2 月 20 日平果—田東交界 4.5、2021 年 8 月 4 日德保 4.8 級地震；異常出現(xiàn)后沒有發(fā)生地震的情況有1 次，即2017 年7 月15 日水位上升后沒有相應(yīng)的地震發(fā)生；漏報的地震有2 次，即2019 年10 月12 日北流5.2級和2019 年11 月25 日靖西5.2 級地震，其中北流5.2級地震發(fā)生在桂東南地區(qū)，而靖西5.2級地震前異常的出現(xiàn)存在人為干擾因素，是否為漏報尚有一定的不確定性。

3.2 孕震機理

陸明勇等認為，地震前兆的產(chǎn)生是“雙力源”即構(gòu)造應(yīng)力和流體力聯(lián)合作用的結(jié)果，震源體及其附近構(gòu)造應(yīng)力增強到一定程度時將產(chǎn)生膨脹（擴容）。當(dāng)震源體膨脹（擴容）波及到上方的淺層地殼時會使其產(chǎn)生變形異常同時為地殼中包含的各種流體開通其活動和流通的渠道，使流體涌入淺層，并引起地殼形變、地下流體等地球物理異常。另外，隨著擴容區(qū)不斷增大，當(dāng)所產(chǎn)生的裂縫觸及下方的深部流體處時由于其壓力相對高于上方擴容區(qū)的壓力深部流體物質(zhì)就在吸與壓的聯(lián)合作用下侵入擴容區(qū)。而后由于深部流體溫度較高其所帶來的熱力學(xué)效應(yīng)一方面使介質(zhì)強度降低擴容區(qū)孔隙壓回升而加劇孕震過程的發(fā)展；另一方面產(chǎn)生的熱應(yīng)力使地殼淺層出現(xiàn)張性應(yīng)力，同時產(chǎn)生一些張性裂隙，爾后張性裂紋與擴容區(qū)內(nèi)的高壓流體則沿裂隙上涌至地表淺層并引起地下水位快速上升，甚至溢出井口[14-16]。

而在地震孕育的后期，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力非穩(wěn)定性增強，致使斷層上盤產(chǎn)生非穩(wěn)定的、加速的向上錯動。由于地下水附加力作用往往疊加在構(gòu)造應(yīng)力增強作用之上，使構(gòu)造應(yīng)力引起的斷層錯動更為顯著，從而造成明顯的地震前兆異常。在通過采用CAP 方法反演上述桂西地區(qū)地震的震源機制后，發(fā)現(xiàn)其孕震體大部分都與NW 或NE 向構(gòu)造有關(guān)，而九塘井處在NW 和NE 向構(gòu)造帶的交匯部位，且基本上位于地震的震中區(qū)域（表1）。在上述相關(guān)地震孕育過程中，區(qū)域構(gòu)造擠壓應(yīng)力增強促使孕震巖體應(yīng)力應(yīng)變的微小變化通過兩個不同走向的構(gòu)造帶傳播到觀測井所在區(qū)域的含水層，引起含水層巖體孔隙度改變，進而改變井孔與含水層間水量的交換。具有良好的井—含水層系統(tǒng)，含水層巖體孔隙度減小導(dǎo)致水體從含水層流向井孔，水位上升。另外，由于九塘井其觀測層位承壓性好，水位觀測靈敏度高，對地殼巖體的微小應(yīng)變產(chǎn)生放大作用，故在地震前經(jīng)常出現(xiàn)井水大幅度上升并溢出井口等異?，F(xiàn)象。

表1 桂西地區(qū)部分地震震源機制解Table 1 Focal mechanism solutions of some earthquakes in western Guangxi

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

九塘井水在觀測過程中多次出現(xiàn)快速上升并溢出井口等突變異常，異常的出現(xiàn)反映了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化，對桂西地區(qū)4.5 級左右地震的發(fā)生具有較好的預(yù)測預(yù)報意義。具體表示為：九塘井水位突變異常出現(xiàn)后，1 年時間左右，其周圍約200 km范圍，有發(fā)生4.5級左右地震的可能。

4.2 討論

（1）前人研究認為，若地下流體出現(xiàn)突變峰值異常則地震的發(fā)震時間一般在未來10 d 內(nèi)，若出現(xiàn)連續(xù)突變峰值異常，則發(fā)震時間一般在“主峰”后一個月內(nèi)，即水位突變一般為短臨異常[17]。一直以來，九塘水位突變異常出現(xiàn)后，由于認識不到位，一次或多次被人為地調(diào)大流量致水位下降，且流量調(diào)節(jié)沒有按規(guī)范和要求進行，太過于隨意，形成了調(diào)得越大，水位下降就越低，水位重新上升的時間持續(xù)就越長，反之則越短，這些操作從根本上打斷了異常的持續(xù)。由于地震一般是在水位下降后發(fā)生的，流量調(diào)大引起的水位下降，掩蓋了地震前可能出現(xiàn)的更為明顯的短臨異?，F(xiàn)象，同時異常結(jié)束時間還因流量調(diào)大、水位下降的影響而失真，異常是屬于中期還是短臨就難以下定論。為了明確九塘水位突變異常在地震中的映震效能，建議在日后的觀測中再出現(xiàn)井水溢出時只需高度關(guān)注，不應(yīng)人為調(diào)大流量，即使需要調(diào)大流量，也要按一定的規(guī)范和要求進行，最大限度確保異常的真實和可靠。

（2）廣西地區(qū)主要受川滇菱形塊體SSE 向推擠及南海擴張N 向擠壓力影響，有利于區(qū)域內(nèi)NW 向和NE 向斷裂的走滑運動或拉分盆地中NE 向斷裂的逆沖運動[18]。從長時間尺度來看，桂西地區(qū)視應(yīng)力呈上升趨勢，反映了區(qū)域應(yīng)力水平在較長一段時間內(nèi)均處于較高水平，上述這些地震就是在構(gòu)造應(yīng)力逐漸增強背景下發(fā)生的。2005 年10 月25日平果4.3 級、2013 年2 月20 日平果與田東交界4.5 級，以及 2019 年 11 月 25 日靖西 5.2 級地震時，九塘水位均呈快速上升并溢出井口等現(xiàn)象，與區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)相吻合。

2021年8月4日德保4.8級地震發(fā)生后，9月11日原震區(qū)又發(fā)生4.3 級地震，屬雙震型系列，與區(qū)域內(nèi)地震多為主-余型系列不甚相符。另外，廣西境內(nèi)歷史上中強地震大多發(fā)生在NW 或NE 向斷裂上，而此次地震主壓應(yīng)力方向為NEE 向或近EW向，發(fā)震構(gòu)造可能為NWW 向或NEE斷裂，抑或為NW 向和NEE 向共軛斷裂的共同活動[19]。綜合上述兩個方面，分析認為，德保4.8 級地震前8 多個月的時間段內(nèi)，水位沒有出現(xiàn)快速上升，反而呈緩慢下降，這一反?，F(xiàn)象，除了與調(diào)大泄流口流量有關(guān)外，還可能與此次地震的地震系列特殊，以及發(fā)震構(gòu)造的復(fù)雜性、多向性有關(guān)。