盘一井水氡异常与辽宁及邻区中强震关系

2019-06-21吴宝东贾东旭唐光伟

防灾减灾学报 2019年2期

吴宝东，贾东旭，佟薇，唐光伟

（本溪地震台，辽宁本溪 117000）

0 引言

地震的孕育和发生同地壳中的流体密切相关，氡作为地下流体的敏感组分是地震科学研究中观测时间最长、研究最广泛的地下流体观测项目之一，在地震分析预报工作中起着十分重要的作用[1]。很多专家对氡的中短期前兆异常与地震的对应关系及映震效能进行了大量研究[2-4]，范雪芳等[5]在对山西定襄泉水氡异常与地震活动关系的研究中发现，该泉自1979年投人观测以来，共出现3次趋势性高值变化，且每次变化均与山西地震带及华北地区的中强地震活动的增强过程有对应关系；尤宇星等[6]研究也发现泉州四至井水氡异常与中国台湾东南部及附近海域的地震有较好的对应关系。我国近30多年的水氡前兆观测结果表明，水氡异常的映震距可以很大。如1996年5月3日包头西M6.4地震前，在天津王4井（井震距为640 km）与河北的兴济井（井震距为650 km）都观测到典型的水氡短临异常[7]。

辽宁盘一井水氡自1973年观测以来，映震效果较好，在辽宁地区的ML5.0级地震和唐山地区的M≥5.0级地震前都出现不同程度的高值异常[8-9]。2013年1月23日辽阳灯塔5.1级地震前，作为辽宁地区标志性前兆异常的盘一井水氡于2011年4月19日起氡值连续出现高值波动，异常幅度为±13.5%。因此系统分析盘一井水氡的异常持续时间、异常幅度及其与辽宁及邻区中强震的对应关系，将对环渤海地区的震情跟踪和趋势判定工作提供借鉴和指导。

1 观测条件

盘一井处于下辽河断陷盆地中南部，东侧为辽东隆起，西侧为燕山褶皱带，北依内蒙地轴与松辽盆地相隔，西部与海中隆起和渤中凹陷连结。位于新华夏构造体系的第二沉降带中部，断陷内被一级大断裂分为六个二级构造带[10]。该井从1973年9月开始观测至今，其水氡观测值历年来变化较为平稳，无明显年变，正常值为19.5～20.5Bq/L，月均值曲线基本为一条直线。

盘一井观测的是砾砂岩承压水氡含量，井深约1121 m，井孔柱状图见表1。其水文地质条件为背靠双台子河，地表垂直补给能力差，不受大气降水和地表水的干扰。避开了油田开采层，东有千山山脉，西有医巫闾山，北面铁法丘陵。主要河流有辽河、浑河、太子河等，油田开采是主要的干扰源。

表1 盘一井基本概况

2 盘一井水氡异常与地震

通常水化异常形态主要有渐变形、脉冲型、孤峰型、波浪型及阶状升降型几种[11]，震例研究发现，盘一井水氡短临阶段异常形态主要以阶状升降型（高值居多）为主，孤峰型（即突跳型）异常主要出现在震前几天的时间内（图1）。1999年11月29日岫岩5.4级地震前，盘一井高值趋势异常发展经历三个阶段[9]：该井自1998年1月初氡值有小幅度抬升，于1998年4月底基本恢复正常，1998年9月起出现的大幅度高值波动，持续到1999年5月初，并于5月出现转折，氡值基本恢复，异常形成平静时段，1999年9月下旬至震前又出现多点高值突跳，频次、幅度均比1998年10月—1999年9月加强，异常发展明显加剧，进入短期阶段，如图1b所示。

图1 盘一井水氡日值曲线Fig.1 Daily value curve of water radon in No.1 well of Panjin

为了更好的提取盘一井水氡的高值突跳成份，本研究选用均值基线和一阶差分法，对1973年9月以来盘一井水氡的日值数据进行分析处理，异常判别标准为大于一倍均方差，且高值持续时间为大于等于5天。研究所用震例为 1974 年以来辽宁及邻区（118°～126°E，38°～44°N）ML≥5.0级地震（不包括余震），盘一井水氡及研究所用震例空间分布如图2所示。由图2可见，1974年以来辽宁及邻区共发生ML≥5.0级地震22次，空间分布主要集中在营海和唐山老震区。1973年以来盘一井水氡异常与辽宁及邻区ML5.0级以上地震的映震情况如表2所示。

图2 盘一井水氡观测点和研究所用地震空间分布Fig.2 Location of water radon observation point in Panjin No.1 well and spatial distribution of earthquakes used by the institute

表2 1973年以来盘一井水氡异常与辽宁及邻区ML5.0级以上地震的映震情况

图3 辽宁及邻区历次中强震与盘一井水氡相关参数统计Fig.3 Statistics on the correlation parameters between the water radon in Panjin No.1 well and the medium-strongearthquakes in Liaoning and neighboring areas

由表2可见，1974年辽宁及邻区的22次5级以上地震中，16次地震前盘一井水氡有不同程度的异常显示，盘一井水氡的映震范围在61～464 km，平均距离在252 km（图3a）。发震时间距离盘一井异常开始时间的间隔在1.11～31.5个月，平均时间11.5个月，88%的5级以上地震发生在盘一井水氡开始出现异常后的15个月内（图3b）。同时也发现，辽宁内陆的地震多发生在盘一井异常结束后的4.4个月内（图3c），但邻区的地震多发生在高值异常持续期间（为了便于绘图，特将表2中距离异常结束时间为负的地震，在图3c中以“0”月表示）。

图4 盘一井水氡异常持续时间及最大幅度与辽宁及邻区中强震震级的对应关系Fig.4 Corresponding relationship of medium-strong earthquake magnitude in Liaoning with duration and maximum extent of water radon anomaly in Panjin No.1 wel

图4a为表2中盘一井异常持续时间与辽宁及邻区中强震震级的对应关系，大体看二者间似乎存在反比的关系，例如表2中第2个异常时段，即1976年唐山7.8级地震前盘一井的异常持续时间只有2.9个月，但震级却达到7.8级，相反第3、第6和第9异常时段的持续时间分别为22.4、18.9和14.9个月，但最大震级却只有5.9、ML5.2和5.4，远远小于唐山的7.8级。此外，从盘一井异常最大幅度与辽宁及邻区中强震震级的对应关系（图4b）来看，二者之间存在明显的正比关系，如1975年海城7.3级和1976年唐山7.8级两次大地震前，盘一井水氡的异常幅度分别达到15.2和20.9 Bq/L，通常当异常幅度小于3 Bq/L时，对应的震级在ML5.0左右。

3 映震能力分析

从表2中盘一井水氡异常与辽宁及邻区中强震对应关系来看，22次地震中16次地震前盘一井水氡有不同程度的异常显示，对应概率在73%左右，且这16次地震基本上都是营海和唐山老震区的地震。相比之下，辽西地区的4次地震（表2中编号为4、13、14和18的地震）前盘一井水氡异常均不明显或没有异常，虽然1977年6月5日阜新ML5.1级地震前盘一井水氡处于高值异常时段，但由于1978年5月20日营口也发生了5.9级地震，因此该异常时段具体对应的哪一次地震在此很难区分。1988年彰武ML5.2级地震前也与之类似，期间同时发生的有1985年10月5日唐山的ML5.0级地震，但有一点值得注意，内蒙地区的两次地震（表2中编号为14和18的地震）前，盘一井水氡均没有异常显示。

为何盘一井水氡会在营海和唐山老震区的中强震前异常显示如此敏感呢？廖丽霞[12]研究发现水化观测水点所处的构造位置与发震构造同属一个构造或有构造牵连，则映震能力就强，反之映震能力就弱。马瑾等[13]的岩石力学实验结果也证实，一个观测点出现异常是由于外界力学条件变化在该点引起的力学扰动而造成的，这些力学扰动在一些地点可能引起力学失稳而发生地震，而另一些地点则可能仅引起异常。因此一个观测点或在一个区域是否出现前兆异常，必须具备构造不均匀性和具有强烈响应的观测点，观测点是否有明显的响应，取决于该点与变形构造的关系。

如图5所示，辽宁省及邻区的区域新构造运动以断块差异升降运动为主要运动形式，主要划分为6个新构造运动分区，即大兴安岭上升隆起区、燕辽上升隆起区、松辽—下辽河—辽东湾沉降区、辽东—张广才岭上升隆起区、朝鲜北部强上升隆起区和北黄海沉降区等。而盘一井、营海老震区和唐山震区所处的位置刚好位于松辽—下辽河渤海沉降区及其附近，地质构造上属新生代断陷盆地，而营海老震区的地震尽管发震构造震为NW向的大洋河断裂，但控震构造为NE向金州断裂[14]（郯庐断裂的主要组成分支断裂）。因此由于地下流体的特殊物理特性，盘一井可能对郯庐断裂附近的震源区（营口、海城和灯塔地区）出现的物质膨胀现象能更灵敏、更显著地反映出来，亦即地下流体中的化学组分含量能更直观、更显著地反映出活动断层上的应力状态。同样位于郯庐断裂附近的唐山老震区也一样，多组断裂交汇，与贯穿中国东部的郯庐断裂有一定的构造牵连，是构造活动的敏感区，这或许也是该区中强震前盘一井水氡有异常显示的原因所在。进而可推断，盘一井对辽西和内蒙地区的地震反应不敏感，可能与该区所处的区域新构造运动分区不同，辽西和辽蒙交界地区位于大兴安岭和燕辽上升隆起区，地区的主要构造是近NW向的赤峰—开原深大断裂和北票—朝阳等一系列小断裂，可见辽西—辽蒙交界地区与盘一井所处位置的构造差异运动较大，基本没有构造上的牵连，或许因此该区的中强震前盘一井没有异常显示或异常显示不敏感。