2020年唐山古冶5.1级地震前流体固体潮参数时空变化研究

纪春玲 董 博 章 阳 周安聘

1 河北省地震局，石家庄市槐中路262号，050021

井水位潮汐是评价水位观测质量的重要参数，对井水位的潮汐因子、振幅和相位等潮汐参数进行研究可获得震前异常信息[1-2]。深入分析井水位潮汐对推算含水层的各种参数、衡量井水位对应力应变的响应量、了解含水层动态和解释井水位微动态等均具有重要的科学意义和必要性[3]。利用流体井潮汐参数可对地震进行预报，但现有研究多致力于潮汐对地震的触发作用，利用流体观测探讨固体潮与地震的关系[4-5]，而对震前潮汐参数的时空变化关系的研究较少。本文精细研究2020-07-12唐山古冶5.1级地震前井水位潮汐参数的时空变化特征，分析提取相关孕震信号，为利用流体井观测资料进行地震预报和机理研究提供震例参考。

1 数据处理

选取距离唐山古冶250 km内观测质量较好、固体潮清晰的16口井作为研究对象，收集各井2017-01-01～2020-07-30水位整点值数据及气压整点值数据，井分布见图1。

图1 震中及流体井分布

首先剔除各井水位、气压原始数据中尖峰、脉冲、阶变的部分，然后利用Surfer软件对缺测数据运用克里金插值法进行补全[6]，最后对去趋势后的各井水位进行傅里叶变换(FFT)，以确定潮汐对井水位的影响程度。

图2和图3为卢龙崔庄井数据。由图2和图3可知，观测数据中明显包含日潮、半日潮、三分之一日潮信息，其中半日潮振幅最大，日潮次之，三分之一日潮振幅最小，该特征与固体潮理论一致。图3中存在振幅约为0.007 kPa的信号，推断可能与井结构、周围环境有关。

图2 卢龙崔庄井2020-01水位整点值曲线

图3 卢龙崔庄井2020-01水位频谱图

本文所用的潮汐分析软件为改进的Baytap-G程序，主要包含以下功能：1)自动去除数据趋势项并计算其频谱，同时可自动去除相关联项，如气压影响；2)对少量缺失的数据进行插值并对阶梯变化量进行估计；3)粗略查找和识别异常数据；4)计算ABIC值并以此分析模型质量。

2 井水位潮汐参数特征分析

2.1 潮汐背景分析

将各井长时间观测数据的潮汐分析情况作为其潮汐观测背景。通过Baytap-G程序，取计算窗长为720 h，滑动步长为168 h[3]，计算16口井2017-01-01～2020-07-30水位整点值数据，得到各井12个主要波群的潮汐参数，包括6个日波群、5个半日波群和1个三分之一日波群，表1为玉田井潮汐参数。

由表1可知，M2波计算误差最小，O1波次之，其他井情况类似。计算16口井每月M2、O1波潮汐因子，得到其方差变化曲线(图4)。从图4可以看出，M2波潮汐因子方差明显比O1波小。2017-01-01～2020-07-30的O1波方差基本维持在0.5%以内(静海井、王3井除外)；除静海井、王3井外，其余14口井M2波方差基本维持在0.1%以内。上述表明，M2波稳定性优于O1波。

表1 玉田井潮汐参数

图4 各井M2波和O1波稳定性分析

2.2 潮汐参数时间变化特征

基于井水位潮汐变化，通过Baytap-G程序计算16口井2017-01-01～2020-07-30水位整点值数据，得到M2波潮汐因子变化曲线。曲线变化形态可分为趋势性上升(图5)和趋势性下降(图6)2种情况。

图5 潮汐因子趋势性上升

图6 潮汐因子趋势性下降

2.2.1 趋势性上升

2020-07-12唐山古冶5.1级地震前有5口井潮汐因子表现为上升趋势，分别为玉田井、汉1井、滦县井、卢龙崔庄井和昌黎何家庄井(图5)。

玉田井近年潮汐因子一般在0.15左右波动，整体表现为逐渐上升趋势。2020-04-17玉田井潮汐因子下降为0.14后急剧上升为05-25的0.162，随后又快速下降，07-12古冶地震当天达到极小值0.138，震后潮汐因子缓慢回升。

汉1井潮汐因子存在1 a变化周期，每年7月底至8月中旬潮汐因子达到极大值后开始下降，整体处于逐渐上升状态。2020-07-12古冶5.1级地震当天潮汐因子处于极大值，震后逐渐回落。与往年相比，2020年汉1井潮汐因子极大值出现时间有所提前，这可能与古冶地震使该井附近区域应力场发生变化有关。

滦县井潮汐因子整体处于缓慢上升状态。2020-03-18潮汐因子开始急剧上升，04-10达到极大值0.046后开始回落，而后在06-16急剧上升至最大值0.056并迅速下降至最小值0.01，古冶地震后潮汐因子趋于正常变化。

卢龙崔庄井和汉1井变化特征相似，潮汐因子存在约1 a变化周期，但卢龙崔庄井潮汐因子在每年3月左右达到极小值，4～10月潮汐因子维持在较高水平，并且具有小幅波动，年底潮汐因子出现下降情况。卢龙崔庄井潮汐因子在2020-06-24由0.154急剧下降至07-12的0.146，古冶地震发生时处于极小值，震后潮汐因子开始回升。按照往年规律，卢龙崔庄井潮汐因子在6、7月应处于较高水平，并且具有小幅波动，2020-06-24的大幅波动应与07-12古冶地震使该井周围应力场发生变化有关。

昌黎何家庄井潮汐因子整体处于稳步上升状态，波动幅度较小。该井2020-06-29潮汐因子出现下降，07-12达到极小值0.184，古冶地震后恢复至正常水平。

2.2.2 趋势性下降

2020-07-12唐山古冶5.1级地震前有11口井潮汐因子表现为下降趋势，分别为宝坻新井、高村井、怀来后郝窑井、静海井、平谷马坊井、顺义板桥井、唐山井、通州西集井、王3井、张道口井和赵各庄井。

唐山井潮汐因子在2017～2020年表现为趋势性下降，其在2020-07-09由0.067骤降为07-12的0.056，震后潮汐因子开始回升。

静海井和张道口井潮汐因子整体缓慢下降。两口井潮汐因子在7月初均出现上升变化，地震当天达到极大值，随后趋于平衡。

平谷马坊井和赵各庄井震前均出现潮汐因子变大，而后降低，2020-07-12潮汐因子达到极小值，震后逐渐趋于正常。平谷马坊井2020-03-26潮汐因子在正常水平基础上开始下降，04-17达到极小值0.118后迅速增大为05-25的0.171，而后又开始下降至07-12的0.121，古冶地震后潮汐因子逐渐恢复正常。赵各庄井潮汐因子在4月底开始急剧上升，05-25达到极大值0.062后迅速下降，07-12古冶地震当天达到极小值0.033，而后在正常水平上下小幅波动。两口井潮汐因子变化特征类似，可能与两口井位置相近有关。

宝坻新井、高村井潮汐因子下降速率较快；怀来后郝窑井、通州西集井下降速率较缓；王3井潮汐因子先下降后上升，但整体处于缓慢下降状态。这5口井潮汐因子均在2020-07-12古冶地震当天达到极小值，而后逐渐恢复至正常水平。

顺义板桥井潮汐因子在07-12古冶地震前后未发生明显改变。

2.3 潮汐参数空间变化特征

为更深入地研究潮汐因子变化规律，绘制唐山古冶周边16口井水位潮汐因子长趋势变化空间分布图(图7)。

图7 震前潮汐因子变化趋势空间分布

分析可知，2017年开始，唐山古冶东部所有井均表现为上升趋势，西部除玉田井和汉1井外共11口井潮汐因子处于下降状态；2018-06开始，震中附近的唐山井、滦县井、卢龙崔庄井和昌黎何家庄井潮汐因子处于上升状态，其余12口井潮汐因子表现为下降趋势。

距离震中较远的汉1井和玉田井潮汐因子由上升趋势逐渐转变为下降趋势，表现为应力释放；而距离震中较近的唐山井潮汐因子由下降趋势逐渐转变为上升趋势，且震中附近的滦县井、卢龙崔庄井及昌黎何家庄井潮汐因子均表现为上升趋势。历史震例分析结果表明，在大震前震源附近存在应力积累过程。

收集2017-01-01～2020-07-31华北地区MS≥3.0地震信息，绘制震中分布图(图8)和M-T图(图9)。由图8可知，2020年唐山古冶5.1级地震为近年华北地区发生的最大地震，MS≥4.0地震主要分布在唐山地区近东西方向。结合M-T图可知，2017～2020年唐山古冶地震前华北地区MS≥3.0地震发震间隔较长(除2019-05存在部分应力释放外)，表现为应力积累过程。综合分析华北地区地震活动性可知，2017～2020年唐山古冶5.1级地震前，唐山地区表现为应力积累过程，该结论与朱琳等[7]的结果一致。

图8 2017-01-01～2020-07-31华北地区MS≥3.0地震震中分布

图9 2017-01-01～2020-07-31华北地区MS≥3.0地震M-T图

2020-07-12唐山古冶5.1级地震震源机制解为右旋走滑运动性质，此次地震的主压应力方向为SEE向，与现代区域构造应力场主压应力方向(近EW向)一致，整体上呈现东西向压缩、南北向拉张的受力状态。图10为16口井在古冶地震前15 d潮汐因子变化情况的空间分布。

图10 震前潮汐因子变化形态空间分布

由图10可知，震前唐山古冶西北部的顺义板桥井潮汐因子未发生明显变化；震中西南方向的静海井、张道口井和汉1井潮汐因子增大；震中近东西方向12口井潮汐因子均减小。结合唐山古冶地震震源机制类型可知，震中附近16口井在震前潮汐因子的变化形态主要受本次地震主应力方向影响，东西向压缩，井-含水层系统孔隙度减小，储水率减小，因此震中东西向井水位潮汐因子减小；同理，南北向拉张，井-含水层系统孔隙度增大，储水率增大，因此震中南北方向井水位潮汐因子增大。顺义板桥井潮汐因子未发生明显变化，这可能与该井附近断层走向影响应力传播有关，也可能与该井灵敏度有关，有待后续进一步研究。根据前人研究结果可知，井孔压在走滑断层破裂带周边呈四象限分布[8]，由于震中北向缺少井口实例，但震中附近水位潮汐因子基本符合四象限分布，这种变化特征可用震前闭锁剪力模型来解释[9]。

3 结 语

通过对2017-01～2020-07唐山古冶周边16口井水位整点值资料进行分析，得出以下认识：

1)M2波潮汐因子稳定性比O1波高，除静海井和王3井外，O1波方差基本维持在0.5%以内，M2波方差基本维持在0.1%以内。

2)根据M2波潮汐因子长期变化趋势及震前潮汐因子变化形态的空间分布情况可知: ① 距离震中较远的汉1井和玉田井潮汐因子由上升趋势逐渐转变为下降趋势，表现为应力释放；而距离震中较近的唐山井潮汐因子由下降趋势逐渐转变为上升趋势，且震中附近的滦县井、卢龙崔庄井及昌黎何家庄井潮汐因子在震前均处于上升状态，表现为应力积累。② 结合唐山古冶地震震源机制类型、华北地区地震活动性及GPS解算结果可知，震中附近16口井在震前潮汐因子的变化形态主要受本次地震主应力方向影响，东西向压缩，潮汐因子减小；南北向拉张，潮汐因子增大。③ 震前潮汐参数的趋势性变化可能包含更丰富的孕震信息，可为中短期乃至临震预测提供参考依据。今后将对潮汐参数的时变特征与地震孕育机理的相关性进行更深入的研究。