王 維 葉碧文 沈紅會 繆阿麗

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高郵-寶應(yīng)4.9級地震前周圍水位的群體特征1

王 維 葉碧文 沈紅會 繆阿麗

（江蘇省地震局，南京210014）

高郵-寶應(yīng)4.9級地震是江蘇陸地22年來發(fā)生的最大的地震。在震前2年發(fā)現(xiàn)省內(nèi)流體井水位出現(xiàn)了群體性準同步變化，表現(xiàn)為震中區(qū)井水位的同步下降。本文重點分析了江蘇省流體井水位變化特征，消除了氣壓、降雨和地下水開采的影響，用異常幅度與年變幅度比值、從屬函數(shù)兩種方法定量提取了震前異常變化，根據(jù)水位資料及其變化機理總結(jié)了震前水位的群體性異常特征，認為在弱震區(qū)井水位的群體性變化是分析判定地震前兆異常的有效指標。水位的群體性異常反映了震前區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整，震源區(qū)為應(yīng)力變化的集中區(qū)。

高郵-寶應(yīng)地震水位區(qū)域應(yīng)力場從屬函數(shù)

引言

地下水位是地殼活動中反應(yīng)靈敏的組份，承壓含水層井水位的變化可以反映震源區(qū)的應(yīng)力場變化、區(qū)域構(gòu)造活動產(chǎn)生的場兆和源兆信息以及非構(gòu)造因素引起的變化（車用太，1997；張淑亮等，2015）。許多學(xué)者研究了地下水位在震前的異常變化。在地震孕育過程中，含水層介質(zhì)受到區(qū)域構(gòu)造活動的作用（Claesson等，2004），孔隙壓發(fā)生變化，從而導(dǎo)致水位的變化。也有學(xué)者認為區(qū)域應(yīng)力調(diào)整改變了介質(zhì)的滲透性，即構(gòu)造活動增加了含水層滲透性和流動通道（趙利飛等，2002；Claesson等，2007），引起水位變化（張磊等，2014）。1976年唐山7.8級地震（車用太，1997）、1990年共和7級地震（劉耀煒等，1998）震前地下流體前兆的動態(tài)演化特征都表明構(gòu)造活動會引起水位的變化。地下水異常的產(chǎn)生，不僅和震源應(yīng)力場有關(guān)，而且和區(qū)域應(yīng)力場聯(lián)系密切（張素欣等，1997），從西部多震區(qū)歷史震例來看，一次中強地震孕育過程可能伴隨較大范圍的前兆異常（劉翔等，2014），而震前的前兆異常往往具有群體性特征。江蘇地處華北平原南部，陸地中強地震比較少，歷史上由水位確定異常的典型震例不多。2012年7月20日的高郵-寶應(yīng)4.9級地震前，江蘇省內(nèi)流體井水位出現(xiàn)了群體性的一致變化，主要表現(xiàn)為流體井水位不同程度的趨勢下降。在排除了各種干擾因素后，這種群體性水位下降仍然存在。本文通過對井水位變化的趨勢分析和周期分析，消除或者減弱開采、降雨等造成的影響，采用異常幅度和年變幅比值以及從屬函數(shù)的方法定量表達異常信息，根據(jù)水位資料及其變化機理總結(jié)了震前水位的群體性異常特征。對于弱震區(qū)以及環(huán)境干擾較大的地區(qū)，這項工作對未來中強地震中短期預(yù)測具有一定的實際意義。

1 高郵-寶應(yīng)M4.9級地震區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及江蘇水位觀測

2012年7月20日江蘇陸地發(fā)生了22年來最大的一次地震——高郵-寶應(yīng)4.9級地震。該地震發(fā)生在江蘇中部，在地質(zhì)構(gòu)造上位于蘇北南黃海南部盆地東臺坳陷的金東坳陷內(nèi)，震中區(qū)北側(cè)為柳堡凸起，南側(cè)為柘垛凸起，震中位于這2個次級凸起之間的臨澤凹陷內(nèi)。震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，柳堡凸起、臨澤凹陷、柘垛凸起受北東向滁河斷裂控制（圖1）。滁河斷裂為正斷層，走向北東，傾向西北，為柳堡凸起與臨澤凹陷的分界斷裂，控制了臨澤凹陷的發(fā)育，且具有一定的規(guī)模。該斷裂在空間上與宏觀調(diào)查、震源機制解以及小震精定位等結(jié)果具有一致性，因此判斷高郵-寶應(yīng)4.9級地震的發(fā)生與滁河斷裂有關(guān)（孫業(yè)君等，2012）。

江蘇地下水位觀測井共16口，主要觀測靜水位和動水位，輔助觀測流量、氣溫、氣壓、降水等。水位觀測有數(shù)字化和模擬兩種觀測方式，其中數(shù)字化觀測井15口、模擬觀測井1口?！熬盼濉焙汀笆濉逼陂g，絕大部分觀測井進行過改造。

水位觀測受到多種因素的影響，主要影響因素有氣壓、降雨和周圍水資源的開采。其中氣壓和降雨的影響主要體現(xiàn)在高頻和年頻段上，而地下水開采則是影響水位的低頻趨勢。從20世紀80年代末起，江蘇南部開始了大規(guī)模的地下水開采，在90年代中期，政府一度限制和停止部分地區(qū)的地下水開采。抽取地下水對水位觀測造成了很大影響。圖2為2008年至2013年江蘇部分水位的變化速率，圖中清楚地顯示了蘇南和蘇北水位趨勢變化的差異性，主要表現(xiàn)為蘇中蘇北水位下降而蘇南水位上升。這種現(xiàn)象很大程度上受到蘇北開采地下水和蘇南停止開采地下水的影響。由于開采點和開采量的變化，地下水開采變化量難以從水位觀測中定量消除。在異常分析時，主要采用去掉低頻長趨勢的方法來分析和確定異常方向以及異常幅度。

1．淮陰-響水口斷裂；2．洪澤-溝墩斷裂；3．滁河斷裂；4．陳家堡-小海斷裂；藍色曲線為水系

圖2 江蘇部分水位變化速率（2008—2013年）

2 高郵-寶應(yīng)M4.9級地震前周圍水位變化的群體特征

高郵-寶應(yīng)4.9級地震震中位于江蘇中部（圖1），江蘇流體井測點均在距震中200km的范圍內(nèi)。去掉受干擾影響嚴重及停測的測點，震中周圍13口井自2009年以來的觀測數(shù)據(jù)如圖3所示。圖中，蘇21井數(shù)據(jù)因有大幅度長趨勢變化，無法直接分辨其變化細節(jié)，因此做了去趨勢處理。經(jīng)過認真梳理分析，震前周圍水位變化具有明顯的群體特征，主要表現(xiàn)為除了蘇08井以外，其它井水位自2010年4—6月左右開始呈轉(zhuǎn)折下降的趨勢，這種群體性下降變化顯然打破了圖2給出的江蘇流體井水位原有的長期變化特征，并且在下降起始時間上有很好的一致性。

另外，考慮到每口井的井深、套管、巖性、受開采影響等不同情況，筆者具體分析了每個測點水位下降變化的起始時間、下降絕對幅度和相對于年變的下降相對幅度。數(shù)據(jù)處理過程中為了消除或減弱環(huán)境影響，采用了高通濾波的方式消除地下水開采引起的趨勢變化，通過周期分析消除了氣壓和降雨等年頻段的影響，對于年變形態(tài)復(fù)雜的井采用最大下降幅度減去相應(yīng)時間段正常平均年變幅度來得到下降幅度。蘇02、03、05、06、08、10、12、20、22井采取了上述方法；蘇18、19井因年變形態(tài)較差，直接從原始數(shù)據(jù)判斷年變幅度、異常下降幅度和水位下降起始時間?？紤]到不同測井的水位變化幅度因井口參數(shù)和巖性結(jié)構(gòu)的差異，因此采用內(nèi)符合度，即異常幅度與年變幅度的比值來進行分析。因年變幅度反映的季節(jié)性變化與井口參數(shù)和巖性結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此異常幅度與年變幅度的相對變化基本能反映該井的真實異常水平。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 高郵-寶應(yīng)M4.9級地震震前周圍水位的轉(zhuǎn)折時間及幅度

根據(jù)表1繪出異常幅度與年變幅度的比值與震中距、方位的關(guān)系圖，如圖4和圖5所示。從圖4看，水位的異常范圍比較大，最遠的觀測井震中距約為220km，異常幅度與年變幅度比值的絕對值基本在0—1之間，且隨著距離增加比值逐漸減小。從圖5可以看出，異常幅度與年變幅度的比值分布具有方向性，方位角為200°左右時比值最大，并逐漸向兩側(cè)衰減。

圖4 比值與震中距關(guān)系

圖5 比值與方位關(guān)系

3 從屬函數(shù)提取水位異常特征

研究表明，地震前地下流體的異常表現(xiàn)為“上升-下降-地震”或“上升-地震-下降”（顧申宜等，2010；范雪芳等，2010），無論哪一種形式都存在觀測曲線轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，通過表征斜率的從屬函數(shù)描述曲線的變化可以更清晰地找到轉(zhuǎn)折點，也便于對異常進行定量化描述。從屬函數(shù)是一種無量綱函數(shù)，通過觀測值相對于時間的斜率和相關(guān)系數(shù)建立，具體形式為（鄭江蓉等，1998）：

式（2）中為滑動窗長，即一元回歸分析時的樣本個數(shù)。為觀測值，為與觀測值相應(yīng)的觀測時間。

基于上述原理，對數(shù)據(jù)連續(xù)性較好的蘇02、03、06、08、10、12、18、19、20、22井進行計算。首先采用小波分析去除各個流體井水位數(shù)據(jù)的高頻信息并保留低頻趨勢項，然后根據(jù)（1）式和（2）式進行計算，得到每口流體井的從屬函數(shù)值。計算結(jié)果見圖6。

從圖6可以看出，每個流體井至少出現(xiàn)過一次明顯的趨勢性轉(zhuǎn)折變化，出現(xiàn)異常即從屬函數(shù)0.5的次數(shù)和時間各不相同，但是比較明顯的一致性變化出現(xiàn)在2012年7月20日高郵-寶應(yīng)4.9級地震之前，從2010年下半年到2012年上半年，各流體井先后出現(xiàn)從屬函數(shù)0.5的情況，這種群體異?，F(xiàn)象在其它時段沒有再出現(xiàn)。

有研究指出，華東地區(qū)地下水開采嚴重，水位群體性變化多與環(huán)境干擾有關(guān)（孫小龍等，2013；張磊等，2014）。雖然江蘇地區(qū)整體水位受到地下水開采的影響，但由于蘇北、蘇南的地下水開采、停止開采周期完全不一致，歷史上全省的水位在趨勢變化上不同步。另外，2010年4—6月前后水位出現(xiàn)的群體性準同步下降趨勢變化與降雨氣壓等環(huán)境因素并無關(guān)系。全省水位的同步變化在歷史數(shù)據(jù)中是第一次被觀測到，綜合分析認為水位的一致性變化可能與高郵-寶應(yīng)4.9級地震有關(guān)。

4 水位群體異常變化的機理分析

解釋地下水前兆的主要模式有擴容（DD）模式（Christopher等，1973）與裂隙串通（IPE）模式（米雅奇金，1983），這兩種模式都強調(diào)了震源區(qū)及附近的巖體震前的破裂活動，水位異常在微破裂時表現(xiàn)為下降，在裂隙擴容或串通階段水位大幅上升，然后發(fā)震。但在實際觀測中，由于大部分前兆測點不可能剛好在震源區(qū)及附近，因此這樣的異常形態(tài)并不常見。地震斷層的破裂長度（km）采用下式估算（郭增建，1979）：

其中為震級。通過上式可以得到高郵-寶應(yīng)4.9級地震的破裂長度僅為6.1km。雖然估算結(jié)果可能與實際破裂長度有較大差別，但基本上可以認為震源區(qū)的范圍非常小，周圍水位測點基本都在震源區(qū)以外，因此以上兩種模式都不適合解釋高郵-寶應(yīng)地震前水位的群體變化，需要更合理的分析。井水位的上升下降異常變化除了與裂隙的破裂有關(guān)外，比較普遍的影響因素為周圍應(yīng)力場活動。在區(qū)域應(yīng)力場作用下，巖石的孔隙度和滲透系數(shù)都會發(fā)生變化。在相對擠壓的環(huán)境中，孔隙度下降，巖石水滲透進井孔造成水位上升，同樣水位下降則反映了周圍巖石的相對拉張變化。

通過水位變化特征與距離和方位的關(guān)系，可以很好地解釋震前水位變化與周圍區(qū)域應(yīng)力場的活動。從水位下降的方位分布和相對下降幅度來看，下降方位主要集中在方位角70°—280°范圍內(nèi)，最大下降方位為200°左右，表現(xiàn)為應(yīng)力場的張性變化，而震中的另一側(cè)蘇08井周圍出現(xiàn)壓性變化，并且出現(xiàn)壓性變化的時間相對晚一些。高郵-寶應(yīng)地震的震源機制表明主壓應(yīng)力方向為北北東向，與水位的變化所揭示的應(yīng)力情況一致。由于高郵-寶應(yīng)地震破裂尺度不足10km，而最近的流體井震中距大于50km，因此該震前水位群體下降并非源兆，更多是受控于區(qū)域應(yīng)力場作用。從目前研究可知，華東地區(qū)處在NE向主壓、NW向主張應(yīng)力場的控制下，主應(yīng)力作用方式以近水平為主（周翠英等，2005；孫業(yè)君等，2015）。水位的上升、下降區(qū)域和方位與應(yīng)力場方向具有一定的一致性。

綜上分析，可以認為水位的群體變化反映了區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生改變，高郵-寶應(yīng)地震震源區(qū)是周圍應(yīng)力集中的區(qū)域，該地震的發(fā)生是由于應(yīng)力水平超過該區(qū)域地殼巖體所能承受的強度，從而導(dǎo)致的能量釋放。

5 討論

通過對高郵-寶應(yīng)4.9級地震震前流體井水位的深入分析和研究后，得出一些認識和異常特征：

（1）水位觀測主要受氣壓、降雨和周圍環(huán)境的影響。其中氣壓的影響接近線性，比較容易通過數(shù)學(xué)方法剔除；降雨對于承壓井的影響較小，對于滲透井的影響較難處理，但一般可以通過井口改造解決；環(huán)境的影響比較復(fù)雜，也是目前困擾水位觀測的重要因素，對水位的影響需要判斷是否為構(gòu)造水位發(fā)生了變化。地震前兆引起的構(gòu)造水位變化在目前的觀測條件下很難通過單測點水位的上升或下降來判斷，因此綜合分析水位的群體變化，結(jié)合其它前兆觀測或測震學(xué)指標是非常重要的（劉耀煒等，2000）。

（2）真正意義上的源兆應(yīng)該是與震源破裂有關(guān)的前兆，如唐山地震前周圍水位的變化（車用太等，1997）。在實際觀測中，一般的中強地震前很難觀測到源兆，因此在全國大部分地區(qū)，場兆的預(yù)測作用值得關(guān)注。由于板塊擠壓、地幔物質(zhì)流動、地球自轉(zhuǎn)等動力學(xué)因素，地震大都發(fā)生在板間；同樣板塊內(nèi)也存在大小塊體的相對運動，反映了區(qū)域應(yīng)力場的變化。場兆變化可以看做是區(qū)域應(yīng)力場變化，其特點是異常變化范圍比較大，不同測點的異常具有一定的同步性和協(xié)調(diào)性，不同區(qū)域存在異常的分界線等。目前，大部分前兆觀測都是以應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的物理或化學(xué)變化，前兆的群體性變化有助于判斷區(qū)域應(yīng)力場的變化，未來地震的發(fā)震點需關(guān)注應(yīng)力集中區(qū)域或存在明顯閉鎖的斷層。

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Group Characteristics of Water Levels before the Gaoyou-Baoying4.9 Earthquake

Wang Wei, Ye Biwen, Shen Honghui and Miao Ali

（Earthquake Administration of Jiangsu-Province, Nanjing 210014, China）

The Gaoyou-Baoying4.9 Earthquake is the largest earthquake in the land area of Jiangsu in recent 22 years. The water levels of partial wells in Jiangsu were uniformly declined in 2 years before this earthquake. This work mainly focuses on the variation of water levels in Jiangsu. The influences of pressure, rainfall and mining of groundwater are eliminated in the process of data processing. Two methods are adopted. One is the ratio between abnormal amplitude and annual variation amplitude, the other is the subject function. Then the forms of abnormal changes are extracted. Characteristics of group anomalyis summarized according to the mechanism and the distribution of water level change. At last, we conclude out that group anomaly of water levels is more reliable than single anomaly in weak seismic areas, and such anomaly is more likely to respond to the adjustment of stress field, where the hypo-central region can be considered as the concentration area of the stress field.

Gaoyou-Baoying4.9 Earthquake；Water level；Regional stress field；Subject function

10.11899/zzfy 20160409

江蘇省地震局青年科學(xué)基金項目（201601重點）

2016-02-26

王維，女，生于1982年。博士，助理研究員。主要從事地震綜合預(yù)報。Email：wangwei_nj@126.com