辽宁高七井静水位破年变异常特征分析

王喜龙，杨振鹏，刘天龙

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

地球物理观测是地震预报的基础，而地下水位观测作为地球物理观测中重要的一项内容至今已发展了几十年并取得了丰硕的研究成果，这主要是因为地下水位的观测能够比较灵敏的反映出在地震孕育过程中地壳应力应变状态的信息[1]。此前李利波等[2]曾基于已正式出版的《中国震例》[3-7]（1966—2006 年）对中国大陆发生的5 级以上地震进行地球物理异常特征统计分析，发现在所有震例中，震前存在水位异常的有100 个地震，占所有震例的41.7%，且100 个地震共提取出283 项水位异常。孙小龙等[8]基于《中国震例》（1966—2012 年）对其中涉及地下流体异常的170 余个震例进行统计分析，发现统计的1162 项地下流体异常中水位类异常达339 项，占异常总数的29%，仅次于水（气）氡类异常（400 项）。付虹等[9]基于2004—2005 年印度尼西亚苏门答腊地区发生的2 次8级以上地震对云南地区地下水位观测数据进行分析，发现水位观测对大地震的映震效果较好，且引起水位发生异常变化与构造作用存在紧密的联系。虽然地下水位观测是地球区里监测的有效手段之一，且至今已取得了一定的成果，但随着经济的快速发展，地下水位受开采等环境干扰也日趋严重[10-12]，这使得新出现的地下水位异常变化既有可能是地震前兆异常信息，能够反应周边区域构造活动作用变化，同时也有可能是环境干扰所引起[13]。因此，如何有效地识别地下水位异常变化原因，是当前利用地下流体资料进行地震预测的关键科学问题之一[14]。

辽宁盘锦台高七流体观测井水位观测数据在2018 年3 月27 日开始出现转折上升变化，至2018 年6 月22 日累计下降达1.65 m，但同井水温观测数据变化平稳，未出现同步变化（图1）。该水位井位于著名构造带郯庐断裂带（沈阳—宿迁段），井点周边断裂构造发育。郯庐地震带历史上曾发生过多次大地震，据统计，公元1400 年以来，以郯庐断裂带为中心200 公里范围内共发生M8.5 地震1 次，M7.0～7.9 地震5 次，M6～6.9 地震11 次。其中中段（沈阳—宿迁段）发生8.5 级地震1 次（1668 年山东郯城8.5 级地震），M7.0～7.9 级地震7 次（如1966 年邢台7.2 级地震，1969 年渤海7.4 级地震，1975 年海城7.3 级地震和1976 年唐山7.8级地震），6 级以上强震多次，为地震发生频次最高、最强段。强震造成了巨大的人员伤亡和经济损失。那么高七井水位数据破年变转折下降变化究竟与区域构造活动有关，还是由该地区地下水文因素的干扰所致？针对这一问题笔者从干扰因素调查分析、映震效能分析、地震活动性分析、现场水位校测及不同型号仪器对比分析等多种方法等对高七井水位此次出现的转折下降变化进行了综合分析论证。

图1 盘锦台高七井静水位变化曲线Fig.1 The curve graph of water level for Gaoqi Well in Panjin Seismic Station

1 区域构造背景与观测台站概况

1.1 区域构造背景

盘锦台高七井位于盘锦市高升镇边东村。该区地处属下辽河平原，为一断陷盆地。该区气候属温带半湿润气候区，四季分明，雨热同季，年平均气温8～9 ℃，年降雨量50～600 mm[15]。本区出露地层主要为上第三系和第四系地层。区域地质构造上位于地处中朝准地台上的三级构造单元下辽河坳陷内，东部为辽东隆起，西为燕山褶皱带，北依内蒙地轴与松辽盆地相隔（图2），由前震旦纪伟晶岩组成基底，属三面环山一面临海的汇水盆地[16]。本区构造断裂发育，郯庐断裂带中段穿越该区。该区在晚中生代，由于地幔物质上涌，垂直拱升作用不断加强，引起地壳隆起，从而产生较大的拉张应力，在隆起上产生两组断裂，即北东向与北西向，以北东向为主。北东向断裂形成时间较早，大多形成于早古生代、中生代，为区域上最为发育、延续性最好的一组断裂，且该规模较大，平行隆起轴向，自西而东主要断裂包括台安断裂、辽中断裂和牛居—油燕沟断裂等；北西向断裂规模较小，活动时代相对较新，断裂横切隆起并常常切割北东向断裂（图2）。该区域历史上发生多次5 级以上地震，距离高七井最近的为1975 年营口5.4 级地震，震级最大的为1975 年海城7.3 级地震（图2）。

图2 盘锦高七井地震地质简图Fig.2 The geological structure of Gaoqi Well in Panjin

1.2 基础观测资料概况

盘锦高七井前身为辽河油田井，该井于1978 年3 月3 日成井，原有井深1447.56 m，现有井深1018.74 m，套管至井底，套管直径139.70 mm（表1）。该井地层岩性为上第三系馆陶组，地下水类型为承压水，水位埋深24.0 m左右。1974 年11 月开始开展模拟水位观测，1988 年开始进行前兆流体观测，2000 年“九五”数字化改造，开展水位、水温等数字化观测，2012 年进行“十五”改造后，开始进行高精度观测。该井目前前兆观测测项有静水位（ZKGD-3000）、中 层 水 温（ZKGD-3000、SZW-1A）和气象三要素（RTP-1）。自观测以来，该井数据变化相对较好，水位曾在1999 年岫岩5.4 级地震前出现明显异常变化，水温曾在1999 年岫岩5.4 级地震和2003 年巴林左旗5.9 级地震前出现明显短临异常变化。

表1 高七井井孔基础资料表

2 异常识别

2.1 干扰因素分析

对造成本次高七井水位转折下降异常变化的干扰调查过程中，笔者联合仪器维修专家和台站工作人员对水位观测仪进行检查，同时对附近地区进行地下水开采情况、铁路等施工修建以及油气开采等进行调查。结果显示仪器工作正常，数据采集、供电系统、避雷系统工作正常，水位、水温探头电缆固定装置均正常，且周边无可造成水位异常的环境干扰现象。因此，基本排除仪器自身、人为和环境干扰等因素对本次水位出现的异常变化造成的干扰。

2.2 水位校测及对比观测实验

为了进一步验证水位仪测量数据的真实性和可靠性，笔者在对其进行核实过程中，联合仪器维修等相关技术人员对高七井水位进行了水位现场校测及对比观测实验。由于高七井水位埋深相对较浅，因此在进行水位校测时采用量尺进行校测。经现场校测，水位现场测量值为24.72 m，水位仪观测值为24.6822 m，二者相对误差δ = 0.15%，，校测结果合格，验证了高七井水位观测系统正常，说明水位仪观测数据变化真实。

但由于校测所用仪器测量精度相对较低，且不能进行连续测量对比水位仪数据变化情况。因此，为了更好地验证高七井水位变化的可靠性与真实性，排除仪器自身可能存在的问题，又使用不同厂家水位仪对其进行了水位对比观测实验。对比观测仪器采用的是中国地震局地壳应力研究所研制的SYW-Ⅱ水位观测仪，该水位仪分辨率优于1 mm，最大误差≤0.2%FS，长期稳定性≤0.1% FS/年，采样率可达1 次/秒。对比观测流程严格按照实验流程进行，本次出现异常的ZKGD3000 水位探头置于井下30.06 m（水位埋深5.34 m），实验过程中将SYW-Ⅱ水位探头置于井下28.7 m（水位埋深4.08 m），由于水位埋深深度均在10 m 以下，因此探头置于不同深度不影响结果。

从历时13 日的两套水位仪器观测到的分钟值曲线可以看出（图3），两套仪器产出的数据在变化形态上同步，基本完全一致，且仍在持续下降，固体潮形态清晰可辨，这进一步说明中科光大生产的水位仪（ZKGD3000） 在2018年3 月开始出现的破年变转折下降变化是真实可靠的。

图3 ZKGD 水位仪与SWY-Ⅱ水位仪分钟值对比观测曲线Fig.3 The comparative observation curves of the minute value by ZKGD and SWY-Ⅱwater level instrument

3 讨论

3.1 异常成因

综上通过对观测仪器、数据采集、供电系统和周边环境等进行的调查结果显示，基本排除了可能造成水位转折下降变化的观测系统、人为及自然干扰的影响。那么此次水位出现的破年变转折下降变化是否为地震孕育过程中的前兆异常？此前车用太等[17]通过对国内外地震前地下水动态异常的多种机理进行归纳总结，水位下降或上升异常与震前断裂出现的预滑或微破裂导致震中周围区域出现拉张区与压缩区有关，从而认为震前地下水位出现的下降或上升异常主要由震源区应力场活动导致。此后人们通过进一步对水位异常机理的研究，得出地下流体井水位的下降、上升异常变化与地壳应力变化—含水层变形—水动力条件改变等作用过程有关，是区域应力场和震源应力场共同作用的结果[18-19]，并且该观点已在多次地震的前兆分析研究中得到证实[20-22]。基于水位异常机理，笔者从映震效能分析和地震活动性分析等方面对高七井水位出现的异常变化进行了论证。

3.2 映震效能分析

高七地下流体井自观测以来，由于该井位于郯庐断裂带和北西向的海城河断裂外延伸带交汇敏感地区，因此历史上曾在1999 年辽宁岫岩5.4 级地震和2003 年内蒙古巴林左旗5.9 级地震前出现比较明显地震前兆异常。1999 年11月29 日辽宁岫岩5.4 级地震发生前，高七井水位在1998 年3 月初开始出现趋势转向变化，原来的正常趋势下降变化规律被打破，开始出现转平波动变化，且在震前24 天，即1999 年11月5 日开始再次出现反向加速上升临震异常变化，至1999 年11 月28 日水位突升异常幅值达60 cm，同年11 月29 日发生岫岩5.4 级地震后水位开始逐渐恢复（图4a，表2）。该井水温曾在2003 年8 月16 日内蒙古巴林左旗5.9 级地震前及1999 年11 月29 日辽宁岫岩5.4 级地震前也出现明显短期异常变化。2003 年7 月14日开始出现水温突跳上升变化，最大上升幅度达8℃‰，同年8 月16 日发生巴林左旗5.9 级地震后，水温于2003 年12 月恢复（图4b，表2）。1999 年岫岩5.4 级地震前，该井水温在1999 年11 月10—22 日期间突升6℃‰，临震突跳异常亦极为明显（图4c，表2）。

图4 高七井水位、水温历史震例变化曲线Fig.4 The water level and water temperature curves of historical earthquake cases for Gaoqi well

通过以上对高七井测点水位、水温的三次震例分析及该点所处的构造位置可以发现，两次地震高七井距震中均有一定距离，测点距岫岩5.4 级地震震中距达135 km，距巴林左旗5.9级地震震中距达350 km（表2，图5），表明该井对远场的孕震敏感度相对较高，具有较好“场兆”指示效果。此外，通过对两次震前高七井流体测点震例特征的分析还可发现，高七井水位、水温在震前出现的异常变化均为短临异常且现象明显，表明该测点对地震短临预报具有一定的指示意义。

图5 高七井历史震例及松原5.8 级地震前兆异常空间分布图Fig.5 The historical earthquake cases of Gaoqi well and the distribution of the precursory anomalies before Songyuan MS5.7 earthquake

虽然高七井水位、水温在1999 年岫岩5.4级地震和2003 年巴林左旗5.9 级地震前均出现过明显的短期异常变化，但1999 年以来辽宁及邻区共发生过多次5 级及以上地震，如2006 年吉林前郭5 级震群、2013 年辽宁灯塔5.1 级和内蒙古科尔沁5.3 级地震等，这些地震发生前高七井水位、水温并未出现比较明显的前兆异常变化。经分析造成这一差异性主要有两方面原因，一是可能主要与观测点自身所处的水文地质条件差异有关，其次也可能与各地震发生前由于所产生的应力场不同，造成观测点自身所处的构造位置对周边不同构造应力作用的敏感程度存在差异性有一定的关系[23]。

表2 高七井历史震例统计

3.3 异常特征及地震活动性分析

通过对高七井水位2014 年以来的观测数据进行分析，可以发现该井水位变化具有阶段性特征，2014—2016 年水位变化具有较好的夏高冬低年变规律，表明该井水位受降雨影响较明显。2016—2017 年，由于整个辽宁地区降雨量较往年相比均有明显增强变化，结合盘锦地区所处的两边高中间低的地势，这使得高七井水位值较往年要高，但正常年变特征仍存在，在维持高值基础上，在2017 年6—8 月开始出现上升，8—11 月转折下降，11 月至次年2 月转折上升。2018 年水位动态与往年正常年变进行对比，水位在2018 年3 月开始出现转折下降变化，较往年转折下降时间点提前近3 个月左右，2018 年5 月20 日水位开始出现转折恢复变化，在恢复过程中于2018 年5 月28 日发生了吉林松原5.7 级地震，地震发生后，2018 年7 月水位恢复正常年变（图6）。

图6 高七井水位变化曲线及降雨量Fig.6 The water level variation of Gaoqi Well and the rainfall in this area

此前通过对高七井震例分析，表明高七井地下流体测点对辽宁及周边中强地震发生具有较好的“场兆”效应，且对短临预报具有较好的指示意义。从高七井水位2018 年3 月异常出现至同年7 月异常恢复的变化过程可以发现，此次异常变化与在异常时段内发生的吉林松原5.7 级地震具有很好的对应关系。那么高七井水位出现的异常变化是否可交代为吉林松原5.7级地震？对此，笔者通过区域构造分析及该区域前兆异常发展进行了进一步的分析。从该区域构造展布特征可以发现，高七井位于著名的郯庐断裂带上，该深大断裂带在沈阳以北分为依兰伊通断裂带和浑河断裂带，其中依兰伊通断裂带在吉林境内与北西向的第二松花江断裂发生交汇。而通过震源机制解等对松原5.7 级地震进行分析，得出此次地震发生在松辽断陷盆地内，位于北东向扶余—肇东断裂带和北西向第二松花江断裂带交汇部位，为走滑型地震[24]，扶余—肇东断裂与第二松花江断裂可能为此次地震的主要发震构造[25]（图5）。构造分析表明高七井与松原地震在空间上存在一定的联系。

通过对松原地震前吉林、辽宁地区存在的前兆异常进行分析，趋势异常主要集中在辽宁地区，以形变异常为主，而中短期异常主要为流体异常。最早出现的中短期异常为震中附近的套浩太水温，在2017 年7 月底出现水温升高变化；在2018 年1 月，吉林丰满水氡出现高值突跳异常，同一时段，辽宁铁岭、营口和大连地磁加卸载响应比出现高阈值变化；2018 年3月12 日吉林白城水温出现低值异常，同年3 月27 日辽宁高七井水位出现破年变转折下降变化；至临震阶段，震中区附近的套浩太水温于2018 年5 月初出现加速上升变化，2018 年5 月28 日，吉林前郭氯离子出现低值异常。通过对以上松原地震前吉林、辽宁地区中短期异常时间进程进行分析，可以发现异常发展具有早期阶段异常主要集中在震中区外围地区，而至临震阶段，有逐渐向震中区逼近特征。对异常空间分布进行分析发现，异常主要集中在北东向与北西向两条构造带上，辽宁地区出现的前兆异常主要集中在北东向郯庐断裂带上，而吉林地区前兆异常主要集中在北西向第二松花江断裂带上。短临异常时空分布特征表明，吉林松原5.7 级地震前，北东向郯庐断裂带与北西向第二松花江断裂存在一定的应力调整，而这也进一步证明了高七井水位异常与吉林松原地震的发生存在一定的成因联系。

4 结论

高七井水位于2018 年3 月27 日出现的破年变转折下降变化，基于干扰因素调查分析、进行水位现场校测实验以及开展不同仪器水位对比观测实验，表明水位出现的异常变化真实可靠，基本排除干扰造成的可能。通过对水位异常成因、映震效能及地震活动性等特征进行分析，结果表明高七井出现的水位异常变化与2018 年5 月28 日吉林松原发生的5.7 级地震存在一定的成因联系，主要为区域构造应力调整的结果。