霍山皖33井水位与“霍山窗”小震活动关系的初步研究

孙盼盼，张 军，刘泽民，陶月潮，李军辉

（1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.蒙城野外观测站，安徽 蒙城 233500）

霍山皖33井水位与“霍山窗”小震活动关系的初步研究

孙盼盼1,2，张 军1，刘泽民1，陶月潮1，李军辉1,2

（1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.蒙城野外观测站，安徽 蒙城 233500）

分析了霍山皖33井水位变化与 “霍山窗”地震活动的关系：首先采用差分法和从属函数等方法对水位数据进行处理，提取了水位的短期异常，结果表明该井水位异常对霍山以及周边地区的中小地震有较好的反映；其次，通过对该井水位与 “霍山窗”小震活动性的对比研究，发现该地区小地震在水位低值时活跃。参考该地区的环境剪应力，我们认为霍山皖33井水位变动与区域应力场变化有一定的准同步性。

霍山皖33井；水位；霍山窗；小震活动；环境剪应力

引言

安徽省六安-霍山地区位于大别山造山带，为华北地台和扬子地台的碰撞造山带。该地区地壳较为破碎，不易孕育大震，仅以中强震或小微震方式断续释放能量[1]；自上个世纪70年代开始记录微震活动以来，研究者陆续发现：霍山地区的小地震与华北南部的中强震有很好的对应关系[2]，微震活动能较客观反映孕震区附近的应力环境[3]。因此霍山地区成为区域应力变化的 “震情窗”。“霍山窗”的地震活动也受到越来越多地震工作者的关注。通过对“霍山窗”内的震群时、空分布的广泛研究[4～6]，发现霍山震群的月频次超过40次阈值时华东地区多数情况下发生中强震，同时研究者还给出判定前兆震群的指标；在研究霍山地区地震活动的同时，还对该区域的断层活动以及地震构造进行深入研究，对可能发震的地震参数进行预测[1、7]。

在查阅相关资料时发现，目前该地区的工作主要集中在震群的活动性和地震地质方面，而该地区前兆方面的研究相对较少，仅对霍山地区流动地磁的异常变化进行过研究[8]。针对目前该地区前兆研究现状，笔者在张军等[9]对霍山皖33井观测系统进行实验和环境因素研究的基础上，进一步分析了霍山皖33井水位变化特征，研究其与霍山地区及邻区小震活动之间的联系。

2009年2月 “霍山窗”小震活动开始增强，三月累积频次连续8个月高值。由于霍山地区小震对华东地区地震活动有一定的窗口效应，预示着华东地区未来可能有中强震发生[5]。霍山皖33井位于霍山地震活动窗内，构造部位较为特殊。本文对霍山33井水位与窗内小震活动的关系研究，一方面发掘灵敏的前兆手段，另一方面，将水位异常变化与测震学指标的判定结果相互佐证，为安徽及邻区震情判定提供依据。

1 地震背景与井孔基本概况

1.1 地震地质背景

安徽省霍山地震活动窗 (N31°～31°50′， E115°～116°30′)，位于大别山隆起块体与华北拗陷块体接触带附近的北大别山沉降带南缘。区域内断裂发育，最主要断裂有NW向的晓天-磨子潭断裂和NE向的土地岭-落儿岭断裂，后者切割前者。历史地震记载安徽省霍山地区曾发生过2次6级以上的地震 （占安徽省6级以上历史地震总数的50%）和9次5级以上地震 (占总数的39.1%)。自上个世纪70年代该地区有微震记录开始，发现 “霍山窗”内的小震活动频繁，研究也发现小震活动与华东地区的中强震也有一定的相关性[5]。

1.2 井孔基本概况及环境因素

霍山皖33井位于 “霍山窗”内 （图1），处在晓天-磨子潭破碎带上，井边局部地表断裂明显可见。该井行政区划上属于霍山县诸佛庵镇深山村，井深230.91 m，观测段为120～145 m，含水层岩性为石英岩，裂隙承压水，封闭性较好。

霍山皖33井为动水位观测。由于动水位的高度与泄流量的大小有关[10]，改造前该井动水位受泄流口影响，泄流口经常堵塞，造成水位快速上升，因而时常要改变流量，降低水位。2007年9月对井管和观测系统的泄流装置进行了改造，固定了泄流量 （320 ml/min），保证了水位变化的稳定性。霍山地区水库众多， “霍山窗”所在区域内有多个水库。一般来说，水库水位的蓄水和放水会对周边水体有一定的加载和卸载作用，因此选取库容最大 （26.32亿立方米）、距离该井较近的响洪甸水库水位与井水位进行对比分析 （图2），发现水库库容的改变并没有对井水位产生明显影响。同时本文中还收集了近年来诸佛庵镇的降雨 （图2），发现降雨的多少对水位无影响。通过以上分析，我们认为霍山皖33井基本不受环境因素的影响[9]。

图1 霍山皖33井位置及霍山窗区域图Fig1 The position of Huoshan 33 well and the area graph of Huoshan seismic window

2 数据处理和分析

霍山皖33井1981年开始用于地震观测，但前期观测系统不稳定，水位经常会溢出井口导致无法观测并且无日变形态。2007年9月对该井井管和泄流装置进行改造后，水位固体潮清晰，变化也更为灵敏。因为改造前数据不连续以及观测系统的问题，所以本文选取改造后的数据，即2008年1月至今的观测数据 （图3）。自本工作开始，为保证数据的真实性，笔者曾多次赴该井进行系统和操作规范检查。

图2 井水位与环境因素的关系Fig.2 The relationship of water level and environmental factors

图3 霍山33井水位原始曲线Fig.3 The original curve of water level of Huoshan 33 well

霍山皖33井水位年动态特征不明显，经分析水位基本不受降雨和周边环境的干扰。为了压抑长周期、突出短周期变化，本文采用一阶差分和从属函数等方法以及原始曲线法对2008年以来的水位异常进行提取和分析。

我们分别采用原始曲线和一阶差分以及从属函数法对霍山33井2008年以来的数据进行分析 （表1），剔除人为干扰 （注：2008年3月2日清理泄流口；2009年5月31日背景场堪选干扰；2010年2月底变化为泄流口堵塞后水位上升，于2010年3月10日疏通后水位下降）以及汶川地震的影响后提取水位的中短期异常。我们发现在肥东3.5级地震以及“霍山窗”两次开窗前这三种方法计算的结果都出现了突跳，起始时间基本一致 （图3和图4），距离地震活跃时间在一个月以内，短临异常的提取效果较好。由表中统计可以看到在2009年2月份 “霍山窗”开窗、2009年4月肥东3.5级地震以及2010年7月小震的再次活跃之前，水位变化多以下降形态出现。 “霍山窗”内的2009年8月15日霍山的3.3级地震也发生在该井水位的低值阶段，2009年9月8日水位出现上升 （上升9.8 mm），基本恢复到正常水平。

水位作为 “天然应变仪”，其发生改变可能预示该地区的应力发生改变，即当该井水位发生变化时，在井孔周边可能会有小震活跃或周边有中小地震发生。

表1 霍山皖33井水位短临异常Table 1 Short term and imminent anomalies of water level in Huoshan 33 well

图4 霍山33井水位一阶差分曲线(a)和霍山33井水位从属函数曲线(b)Fig.4 The curve of first-order difference(a)and subordinate function(b)of Huoshan 33 well

3 井水位与 “霍山窗”地震活动关系

霍山皖33井位于 “霍山窗”内的晓天-磨子潭断裂上，构造位置较为敏感。上述资料分析也显示，该井水位变化与 “霍山窗”内的小震活动有一定的联系。为此，我们对水位与 “霍山窗”内的地震活动进行了以下分析：

为了获得该井水位与小震活动的关系，我们选取 “霍山窗”内ML≥1.0的地震目录。除去汶川地震震时 （2008年5月12日）变化和震后 （2008年6月1日）调整变化以外，可以发现在2009年1月22日水位缓降后以及2009年3月13日水位突降后 “霍山窗”内的小震活动出现明显的增强 （图5a）。

一直以来把 “霍山窗”的小震三月累积频次 （三月累积一月滑动）作为 “霍山窗”开窗的指标，其达到或超过一定的阈值可能意味着区域应力的增强，并对华东地区的中强震有一定的预示意义[4]。通过水位与 “霍山窗”小震三月累积频次的时间序列 （图5b）可以看到，在水位出现下降时， “霍山窗”的三月累积频次会增高： （1）2009年1月22日水位出现缓降，随后2月6日 “霍山窗”出现开窗； （2）2009年3月13日水位再次突降，“霍山窗”三月累积频次逐月增加； （3）当2010年6月20日水位再次出现突降，分析认为其后“霍山窗”小震活动性可能出现活跃。事实上，7月份三月累积频次也再次超过了40次阈值。因此从水位变化和 “霍山窗”开窗的时间来看，水位对霍山地区的小震反应更具有灵敏性和前兆性。我们认为可能由于该地区岩石较为破碎，不易积累较大的能量。当该地区有应力积累时，水位会优先表现出来。当应力积累到一定程度，就会以小震的形式释放出来。

图5 水位与小震强度（a）及霍山窗三月累积频次（b）的关系Fig.5 The relationship between water level and strength of small earthquake(a)and accumulation frequency in three months of Huoshan seismic window(b)

需要指出的是：研究该地区应力场的变化，井多了更能说明问题，但鉴于特殊的构造位置和井孔自身条件，目前在霍山地区尚未找到对 “霍山窗”小震活动如此灵敏的井孔。

4 井水位与 “霍山窗”环境剪应力的关系

陈培善等[11]根据地震破裂过程的破裂模式导出了利用地震波资料计算地震震源处相对剪应力值，文中采用这种方法计算了2008年以来安徽省 “霍山窗”内MS1.5级以上地震的环境剪应力值。通过 “霍山窗”内环境剪应力与霍山皖33井水位的相关分析 （图6），可以发现水位正常变化时 “霍山窗”内环境剪应力偏低，而水位突降至较低值后，剪应力较高且出现跳跃变化，即 “霍山窗”内的区域应力发生变化时，水位会超前出现反应。根据以上分析可以发现，水位基本能反应区域应力的变化，而且提前于该地区的地震活动性的特征，具有一定的前兆性。

5 结论

通过对霍山皖33井水位数据的分析处理，并与霍山窗内的小震活动性综合研究得到如下结论：

（1）采用原始曲线以及差分、从属函数等方法处理分析该井水位数据，发现该井水位异常对霍山以及周边地区的中小地震有较好的反映；

（2）通过对该井有限的水位资料与霍山窗小震活动性分析，发现该地区在水位低值时小震有活跃迹象。参考该地区环境剪应力，认为该井水位能较好地反映该区域应力的状态，水位变动与霍山地区的应力场变化有一定的准同步性。

研究结果表明该井水位对霍山地区应力场变化的反应较灵敏，可为安徽及邻区震情跟踪和判定提供依据。

图6 水位与环境剪应力关系Fig.6 The relationship of tectonic ambient shear stress and water level

［1］姚大全,刘加灿,李杰,等.六安-霍山地震危险区地震活动和地震构造 ［J］.地震地质，2003，25(2):211-219

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Studies on the Relationship Between Water Level of Huoshan 33 Well and Activity of Huoshan Seismic Window,Anhui Province

SUN Panpan1,2,ZHANG Jun1,LIU Zemin1,TAO Yuechao1,LI Junhui1,2

(1 Earthquake administration of Anhui Province,Hefei 230031,China;2 Mengcheng Field observational Station,Mengcheng 233500,China)

The relationship between water level and activity of Huoshan seismic window was discussed in this paper.First,Short-term anomalies were extracted and analyzed by using first order difference and subordinate function.The results implied that anomalies of water level were related with the moderate and small earthquakes in the area of Huoshan and its neighbor regions.Then,the relationship of the change of water level and the earthquake activity in Huoshan seismic window was discussed.We found that the earthquakes were active when the water level was low.Comparing to tectonic ambient shear stress of this area,the change of water level in Huoshan 33 well may have some certain synchronicity with it.

Huoshan 33 well;Groundwater;Huoshan seismic window;Small earthquake activities;Tectonic ambient shear stress

P315.723

A

1001-8662（2011）02-0079-07

2010-10-07

本项目由2010年震情跟踪专项课题 （2010020806）资助

孙盼盼，女，1983年出生，助理工程师.从事地震地下流体方面研究.E-mail：sunpanpan@gmail.com.