云南寧洱井低水位異常分析及地震預(yù)測

李利波 李瓊 胡小靜 高文斐 張立 張彬

1）云南省地震局，云南省昆明市盤龍區(qū)北辰大道148號 650224

2）寧洱縣地震局，云南普洱 665100

0 引言

地下流體是地殼中最活躍的組分，在地震孕育過程中，地下水位對地殼應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的變化反應(yīng)靈敏（萬迪坤等，1993；劉耀偉等，2010）。1966～2006年出版的《中國震例》中，顯示水位前兆異常的震例共100個(gè)，占統(tǒng)計(jì)震例的41.7%。100個(gè)震例中，共有283項(xiàng)水位異常，平均每個(gè)震例有2.83項(xiàng)異常。云南地區(qū)有許多個(gè)地下流體觀測井，其水位前兆異常對周邊地區(qū)有很好的指示意義（萬登堡等，1995；張立等，2009；鄒平等，2009；張?bào)w移等，2012；孫小龍等，2013；付虹等，2014），為該區(qū)域的地震預(yù)測研究提供了很好的條件。

寧洱井的水位自2014年10月25日開始下降，至2015年7月5日下降幅度達(dá)39.2cm，低于正常水位谷值8.335m，處于異常低值狀態(tài)，該異常變化與2012年11月11日緬甸7.0級地震和2014年10月6日景谷6.6級地震前的異?，F(xiàn)象類似（圖1）。這一現(xiàn)象是因干旱引起，還是因區(qū)域應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變，由構(gòu)造活動而引起的？通過現(xiàn)場排查觀測系統(tǒng)和周圍環(huán)境干擾，根據(jù)車用太等（2011）提出的地下水異常識別的相關(guān)性原則、分析水位觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量、水位與降雨量的關(guān)系以及區(qū)域構(gòu)造活動特征等多種因素，進(jìn)而探討造成寧洱井水位異常持續(xù)低值的原因。

1 寧洱井概況

圖1 寧洱井2010年以來水位動態(tài)曲線

寧洱水位井（滇 08井）位于寧洱縣城西門巷（23°03′53.4″N，101°02′38.8″E），孔口標(biāo)高1320m，井深120.23m，觀測段深度為76.32～120.23m。該井為靜水位，水位埋深2.5～5.0m，井水平均溫度19.4～22.1℃，為基巖裂隙承壓水，水質(zhì)類型為HCO－3-Ca2＋，地下水補(bǔ)給主要是大氣降水滲入（云南省地震局，2005）。地表為第四系（Q）松散碎屑物、風(fēng)化狀玄武巖，基底巖層為白堊系曼崗組（K1m）巖層，井孔觀測段為紫紅色、紫灰色、灰綠色泥巖，夾粉砂巖（圖 2）。

在區(qū)域構(gòu)造上，寧洱地區(qū)位于瀾滄江斷裂帶（F2）與紅河斷裂帶（F3）之間，受無量山-營盤山斷裂（F1）和孟連-墨江斷裂（F4）等活動斷裂控制和影響，歷史地震活動比較強(qiáng)烈。寧洱井位于無量山-營盤山斷裂附近，該斷裂NW-SE走向，被NE向孟連-墨江斷裂及次級小斷裂切割、錯(cuò)動，構(gòu)造復(fù)雜，活動強(qiáng)烈（云南省地震局，2005；謝英情等，2007；張勇等，2008），最近一次中強(qiáng)震活動是2007年6月3日寧洱6.4級地震。

2 異常調(diào)查分析

2.1 觀測系統(tǒng)和周圍環(huán)境調(diào)查

筆者曾于2015年6月4～5日在現(xiàn)場對寧洱井觀測系統(tǒng)的工作狀態(tài)、井口裝置及輔助設(shè)備等進(jìn)行了全面檢查（圖3）。水位觀測儀器為SW40-1型，滾筒式記錄，滾筒使用兩節(jié)5號干電池供電，一般能用1年，最近1次更換時(shí)間在2014年12月20日，這段時(shí)期供電正常。水位數(shù)據(jù)從模擬記錄曲線上讀取，并記入觀測記錄，此間觀測工作正常。檢查井口裝置及其輔助設(shè)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)增加了些小掛件，監(jiān)測人員講是為了平衡水面浮標(biāo)的重量，這可能會使觀測數(shù)據(jù)有一定誤差。

對寧洱井周圍環(huán)境進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能有影響的干擾是觀測站旁的民用水井及民房施工、西洱河、西門龍?zhí)?、西洱水庫和東洱水庫，以及若干魚塘等（圖4）。據(jù)監(jiān)測人員介紹，2015年1～5月間，該井水位與2014年同期相比，無明顯變化，表明對此井的水位影響較小。由于此段時(shí)期處于旱季，降雨量少，西洱水庫和東洱水庫一直在蓄水，水庫管理人員介紹，庫水位與2014年同期相比，無明顯變化。

2.2 水位觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量核查

現(xiàn)場對寧洱井的水位觀測進(jìn)行校測時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)相差較大，達(dá)3.78m，推測可能是浮標(biāo)有問題。第 2天（6月 5日），從井孔中取出浮標(biāo)，再次對水位進(jìn)行校測（表1）。監(jiān)測人員介紹，2007年6月3日寧洱地震時(shí)，水位觀測數(shù)據(jù)波動過大，記錄不完整，在震后對水位進(jìn)行過校測，之后未校測。

圖2 寧洱井鉆孔柱狀圖及附近地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖

寧洱井水位觀測是滾筒式記錄，米格紙打印觀測數(shù)據(jù)到記錄本上。對數(shù)據(jù)進(jìn)行拉框歸零處理（圖5），與2007年前的監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，正常觀測年變幅約為28cm，相對而言其水位變化是可靠的。

圖3 寧洱井水位觀測系統(tǒng)

圖4 寧洱井周圍河流和水庫位置

表1 寧洱井水位數(shù)據(jù)校測結(jié)果

圖5 寧洱井水位拉框歸零處理后的動態(tài)曲線

2.3 水位與降雨量的相關(guān)性分析

分析2008年以來寧洱井水位和降雨量的關(guān)系（圖6），其正常動態(tài)為周期性年變，受降雨影響。一般是雨季6～10月水位上升；旱季11月～次年5月水位下降。對比2000年以來寧洱地區(qū)1～5月的降雨量（圖7），2015年1～5月降雨量為 306.3mm，與往年平均降雨量（298.8mm）相近，屬于正常年份。這表明2015年水位持續(xù)下降與降雨量關(guān)系不大。

圖6 寧洱井水位與降雨量

圖7 寧洱地區(qū)2000年以來歷年1～5月的降雨量

對寧洱井2008年以來雨季降雨量與水位年變化間的關(guān)系作一元回歸分析（圖8），得到寧洱井的年降雨量與水位年變化的相關(guān)系數(shù)R，R2＝0.4383。反映了其水位的年變化受雨季降雨量影響正常。

圖8 寧洱井的雨季降雨量與水位的年變化

表2 含水層受力狀態(tài)的變化機(jī)理

2.3 異常性質(zhì)判定和原因分析

根據(jù)Scholz等（1965）的巖石體積膨脹與流體擴(kuò)散（DD）模式認(rèn)為，一般當(dāng)含水層受力狀態(tài)改變時(shí)，井水位會發(fā)生變化。受壓力作用時(shí)，因孔隙壓力增加，井水位上升；在張力作用下，孔隙壓力減小，井水位下降（表2）。

筆者對寧洱井附近的民用水井、民房施工場地、西洱河、西門龍?zhí)?、西洱河水庫和東洱河水庫等進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)民用水井和西門龍?zhí)冻樗畷r(shí)，寧洱井水位會下降；停止抽水后，水位恢復(fù)。因加壓水泵工作、民房施工、西洱河水庫和東洱河水庫蓄水等，水位可能上升；水庫放水時(shí)，水位恢復(fù)。但該段時(shí)期，寧洱井的水位持續(xù)下降，變化很?。ㄈ兆兓?.3cm）（圖9），表明周圍環(huán)境對該井水位的影響較小。

當(dāng)前寧洱井的水位從 2015年 7月 5日開始由降轉(zhuǎn)升，至 10月 24日上升幅度為16.2cm，為正常年變幅度（28cm）的57.8%，呈破年變現(xiàn)象。從寧洱附近地區(qū)近期的GPS高程時(shí)間序列曲線（圖10）來看，景東-思茅和景東-墨江的高程差與寧洱井的水位均有明顯同步異常，即2015年7月以來表現(xiàn)出下降-恢復(fù)的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。

圖9 寧洱井2014年10月以來的水位動態(tài)曲線

圖10 寧洱井附近地區(qū)2011年以來GPS高程的時(shí)序曲線和研究區(qū)及鄰區(qū)發(fā)生的地震

寧洱地區(qū)主要受 NNW向無量山-營盤山斷裂和 NE向孟連-墨江斷裂活動的影響（圖2），無量山-營盤山斷裂以右旋走滑為主，兼正斷性質(zhì)，孟連-墨江斷裂以左旋走滑為主，并受一系列NE向次級小斷裂切割、錯(cuò)動，形成NNW向張性、張扭性為主的棋盤狀拉分盆地——普洱盆地（謝英情等，2007）。利用云南地區(qū)GNSS監(jiān)測網(wǎng)各個(gè)測點(diǎn)位移的觀測值和相關(guān)數(shù)學(xué)模型，估算2014年10月以來的面膨脹曲線（圖11），認(rèn)為云南地區(qū)2015年應(yīng)變場波動較為突出，周邊應(yīng)力調(diào)整明顯，上半年以面膨脹活動（張性）為主，下半年以收縮活動增強(qiáng)（壓性）為主。因此，排除周圍環(huán)境的干擾后，認(rèn)為寧洱井的持續(xù)低水位現(xiàn)象屬于前兆異常，原因可能與該區(qū)域NE向孟連-墨江斷裂和次級斷裂等構(gòu)造的拉張活動有關(guān)，含水層受張力變形，導(dǎo)致孔隙壓力減小，從而水位下降。

圖11 云南地區(qū)2014年10月以來的面膨脹等值線

3 地震活動性分析

根據(jù)Mjachkin等（1975）提出的裂隙串通（IPE）模型認(rèn)為，當(dāng)前寧洱井水位異常從第Ⅲ階段進(jìn)入第Ⅳ階段，即微裂串通階段（圖12）。該階段，在構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)作用下，微裂縫劇烈增加，小裂縫發(fā)育成較大的裂縫；由于介質(zhì)的不均勻性，大裂縫加速變大，發(fā)生不穩(wěn)定變形，形成窄帶區(qū)；窄帶兩側(cè)的微破裂應(yīng)力相對減小，窄帶區(qū)大裂縫在剪應(yīng)力作用下發(fā)育若干小斷裂；小斷層之間破裂串通形成主斷裂，在水位加速上升的過程中發(fā)育地震。本文從寧洱井映震較好的2007年6月3日寧洱6.4級地震、2012年11月11日緬甸7.0級地震和2014年10月7日景谷6.6級地震等（圖13），分析其震前的水位異常特征，對區(qū)域地震活動性進(jìn)行分析。

圖12 裂隙串通（IPE）模型（據(jù) Mjachkin et al，1975）

圖13 地震前寧洱井的水位動態(tài)曲線

表3 寧洱井的水位前兆異常特征

表4 寧洱井的水位前兆異常的孕震特征

從寧洱井的水位異常與地震的關(guān)系（表3）來看，主要對應(yīng)的是普洱地區(qū)、滇西南地區(qū)和滇緬交界地區(qū)的地震活動。寧洱井的水位從2015年7月5日開始上升，10月24日轉(zhuǎn)平，至12月31日已過去179天，當(dāng)?shù)貎H發(fā)生了10月5日的ML3.0和12月5日的ML3.2地震，尚不能完全解釋該異?，F(xiàn)象。因此，該區(qū)域近期仍存在地震危險(xiǎn)性。分析寧洱井的水位異常和該區(qū)域地震活動特征（表4），未來的地震活動可能在滇西南地區(qū)（耿馬-雙江-瀾滄-景洪-勐臘一帶）及滇緬交界地區(qū)（孟連-西盟-緬甸東部-老撾北部一帶），應(yīng)注意發(fā)生中強(qiáng)震的危險(xiǎn)。

4 結(jié)論與討論

通過對寧洱井的異常低水位現(xiàn)象的現(xiàn)場調(diào)查分析，得到以下認(rèn)識：

（1）水位觀測系統(tǒng)的工作正常，環(huán)境干擾小，其水位觀測資料相對可靠，當(dāng)前寧洱井的低水位處于異常低值狀態(tài)，2015年的年變幅度僅為正常年變的57.8%，屬于破年變異常。

（2）分析寧洱井2008年以來的雨季降雨量與水位年變化間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其水位的年變化與雨季降雨量的關(guān)系正常，認(rèn)為當(dāng)前水位持續(xù)下降與降雨量的關(guān)系不大。

（3）利用云南地區(qū)GNSS監(jiān)測網(wǎng)各個(gè)測點(diǎn)的位移觀測值和相關(guān)數(shù)學(xué)模型，估算面膨脹曲線，表明其低水位異?？赡芘c該區(qū)域構(gòu)造的拉張活動有關(guān)，含水層在張力作用下變形，導(dǎo)致孔隙壓力減小。

（4）通過總結(jié)寧洱井的水位前兆異常與地震活動性的關(guān)系，認(rèn)為應(yīng)密切關(guān)注滇西南-滇緬交界地區(qū)的中強(qiáng)地震活動。

此外，寧洱井水面浮標(biāo)老化，對觀測數(shù)據(jù)有一定的影響，可能產(chǎn)生誤差。由于其水位異常對應(yīng)的震例較少，對區(qū)域地震活動的分析結(jié)果影響較大。