河北昌黎井水位震前异常特征分析

2015-01-02张墨思赵永红

中国科技信息 2015年4期

张墨思赵永红

通过选取6 个不同井震距的地震为例，对每个地震前后河北昌黎井气压校正后的水位整点值数据做调和分析，计算出M2 波潮汐因子、相位滞后和潮汐残差相位差，在此基础上对昌黎井水位的震前异常特征进行了研究，结果表明：（1）昌黎井水位在选定地震前均有明显的异常表现，显示出较强的映震能力；（2）昌黎井水位M2 波潮汐因子异常一般出现在震前2～9 个月，在近震震前潮汐因子出现大幅上升，在远震震前潮汐因子则出现下降；（3）昌黎井水位潮汐相位滞后异常一般也出现在震前2～9 个月，表现为相位滞后首先出现上升异常，之后下降并发震，相位滞后在震后持续下降；（4）昌黎井水位潮汐残差相位差异常一般出现在震前4～8个月，表现为残差相位差首先下降，后转为上升，地震多发生在残差相位差上升阶段的高值附近。

地下水广泛地赋存于地壳岩体的空隙之中，具有可自由流动性且对地壳应力与固体变形非常灵敏，能够充分反映地壳介质在应力作用下的变化情况以及地下构造活动的信息，因此被作为探索地震预报科学最有希望的途径之一。水位异常在多个震例中有突出表现，车用太等在对汶川Ms 8.0 地震震前异常的研究中发现，地下流体异常几乎达到全部震前异常的46%，而水位异常又约占到流体异常的40%，水位观测的价值可见一斑。

由于各井孔水位潮汐因素在震前的异常特征均有其独特性，因此有必要对现有流体观测井的水位潮汐因素在震前的异常特征进行个体性研究。为此，笔者选择了不同井震距的6 个地震，对地震前后河北昌黎井气压改正后的水位整点值做venedikove 调和分析，选取M2 波的计算结果，研究了该井孔水位潮汐因子、相位滞后和潮汐残差相位差在震前的异常特征。

基本原理

封闭性良好的井—含水层系统，对地壳体应变响应灵敏度可达10-10 量级，可以被看作是灵敏的体应变仪。固体潮目前是少数可以精确计算的力源之一，而井—含水层系统又恰能记录到固体潮。通过对井—含水层系统记录到的水位潮汐因素（例如潮汐因子、相位滞后等）分析，能够有效监测到地震孕育过程及在地震孕育过程中地壳介质的变化。

目前，国际上比较通用的潮汐分析方法为venedikov调和分析法，主要算法是最小二乘法，所采用的潮汐模型为：

水位震前异常特征分析

venedikov 调和分析要求所选数据段要大于48 h，笔者选取资料时段内昌黎井水位整点值数据，进行气压改正后，采用日滑动的月调和分析。M2 波是半日波，其周期约为12.421 h，不易与非潮汐的周日变化相混淆，且固体潮的在调和分析结果中，M2 波的幅度最大，相位滞后最明显，故笔者的研究中选取了M2 波的计算

在汶川地震3 个月前昌黎井水位潮汐因子出现大幅下降，幅值达0.0001，经过一段平静期后，于震前1 个月迅速上升至阶段高值0.0016，再转为快速下降，在0.0014的点位发震；在姚安地震9 个月前昌黎井水位潮汐因子出现4 次脉冲式下降，幅值达0.0001，在震前1 个月，潮汐因子出现快速、大幅度升降变化，继而在高值点0.0017处发震；玉树地震3 个月前昌黎井水位潮汐因子出现大幅下降，幅值达0.0002，在恢复至持平段0.0015 点位时发震；唐山地震3 个月前昌黎井水位潮汐因子出现阶跃式大幅上升，幅值达0.0004，在由高值点0.0018 处又迅速下降至持平阶段值0.0016 时发震；灯塔地震5 个月前昌黎井水位潮汐因子出现大幅下降，幅度达0.0008，由下降转为上升，在恢复至下降前水平，持续震荡3 个月后发震；于田地震2 个月前昌黎井水位潮汐因子出现大幅下降，下降幅度达0.0003，在迅速反弹回升至0.0015 的均值水平，然后转为快速下降，于低值点0.0014 处发震。

研究发现，对于选定的地震，昌黎井水位潮汐因子震前异常的时间间隔为2～9 个月；除井震距50 Km 的唐山ML5.12 地震前潮汐因子出现了阶跃式大幅上升异常，其余地震震前潮汐因子均为下降异常；震前所有震例潮汐因子都有迅速变化的过程。这个结果与史浙明等的研究结果相似。潮汐因子的突变反映了地壳应力应变积累到一定程度后使得地壳岩石物性发生了变化（主要是弹性模量等参数），在一定程度上反映了地壳介质的变形过程。昌黎井水位潮汐因子震前异常的幅度有个值得关注的现象：井震距50 Km 的唐山地震幅值达0.0004，井震距420 Km 的辽宁灯塔地震幅值为0.0008，对于井震距在1700～3210 Km 范围内的远震，其幅值却仅为0.0001～0.0003。就此2 个近震来看，潮汐因子的变化幅度有可能与震中一定范围内应力场的改变有关，唐山地震在震前的变化形态与其他地震明显不同，因为唐山距离昌黎井的距离仅50 Km，当然也可能与震中区震前应力的改变调整有关。

对昌黎井水位观测数据气压校正后做调和分析得到潮汐相位滞后的结果为：汶川地震9 个月前昌黎井水位潮汐相位滞后有一个快速上升过程，在下降过程中发震，震后继续下降，异常幅值为6.428；姚安地震4 个月前昌黎井水位潮汐相位滞后有一个小幅上升和下降的过程，在由低值点迅速增大的过程中发震，震后持续大幅上升，3 个月后转为快速下降，震前异常幅值为2.253；玉树地震4 个月前昌黎井水位潮汐相位滞后出现大幅上升异常，在下降过程中发震，震后继续下降，异常幅值为7.128；唐山地震9 个月前昌黎井水位潮汐相位滞后曲线出现缓慢上升，然后转为迅速下降，在下降过程中发震，震后继续下降，异常幅值为29.388；辽宁灯塔地震前6 个月昌黎井水位潮汐相位滞后曲线出现大幅上升，在转为迅速下降过程中发震，震后继续下降，异常幅值为24.925；于田地震8个月前昌黎井水位潮汐相位滞后开始相继出现了3 次比较明显的上升，在转为下降的过程中发震，震后快速下降，异常最大幅值为8.508.对于选定的6 个地震，昌黎井水位潮汐相位滞后异常开始时间一般为震前2～9 个月；震前昌黎井水位潮汐相位滞后曲线都出现了上升异常，均在下降阶段发震，且震后持续下降，即震前几个月昌黎井水位潮汐相位增大，在快速减小段发震，震后相位持续减小。井震距420 Km 内的唐山地震和辽宁灯塔地震其震前相位滞后的幅值变化相当剧烈，远远超过了远震的异常变化水平，原因可能是震前区域应力加大，含水层空隙压增大，使得含水层的渗透性大大增强，导致潮汐相位滞后减小得更加明显。

潮汐残差指的是去除潮汐变化后的非潮汐变化的作用结果，在venedikov 调和分析的基础上获得。因为已经对数据进行过气压改正，所以其残余水位相对来说即为所谓的“净水位”。潮汐残差水位变化主要反映了地壳介质、环境干扰，以及地震孕育等信息影响下的水位变化。根据前人对地震成因理论的研究结果，潮汐残差相位差的变化与前兆理论扩容模型下的形变，应变变化过程相似。

汶川地震前5 个月，昌黎井水位残差相位差曲线下降，震前反复升降，变化剧烈，在曲线下降过程中高值点附近发震；姚安地震前3 个月，昌黎井水位残差相位差曲线小幅下降，然后迅速上升，在下降过程中高值点附近发震；玉树地震前2 个月昌黎井水位残差相位差曲线出现大幅下降，在曲线迅速回升至高值点附近发震；唐山地震前8个月昌黎井水位残差相位差曲线出现大幅度下降，然后曲线转为上升，在高值点发震；灯塔地震前6 个月，昌黎井水位残差相位差曲线发生大幅度下降，在回升至高值点附近发震；于田地震前4 个月，昌黎井水位残差相位差曲线出现大幅下降，且震前反复上升，变化剧烈，在靠近低值点发震。昌黎井水位残差相位差异常出现的时间段为震前4～8 个月，震前都出现了下降异常，地震多发生在曲线的高值或高值点附近。值得提出的是，昌黎井水位潮汐残差相位差的高值点发震，与史浙明等研究的例证相反，这可能与昌黎井震时区域应力改变造成含水层堵塞，渗透性能降低有关。