怀4井水汞短临预测指标研究

2021-09-28张素欣张子广盛艳蕊丁志华

山西地震 2021年3期

唐杰，张素欣，张子广，盛艳蕊，丁志华

(河北省地震局，河北石家庄 050021)

0 引言

地震地下流体观测主要包括水位、水氡、气氡、水汞等测项，其中，水化学中的水汞观测是广泛应用于地震预报的手段之一，在地震中短期预报中起着重要作用，得到国内外众多学者的认可[1]。强震的孕育通常与活动断裂息息相关，孕震体随着应力增强，周围断裂带的闭合程度发生改变，从前闭合的断层可能会发生张性变化，地下流体的变化信息沿着张性的断裂上升至地表，出现流体异常情况[2-5]。水汞具有穿透能力强、运移速度快的特点，地下深处的汞异常信息会迅速在观测中被捕捉到。怀4井水汞观测在1989年大同-高阳6.1级、1998年张北6.2级地震之前都出现明显的异常情况[6]，其他井的水汞观测也在地震前表现出明显的异常反应。如，山西奇村井水汞在多次ML≥4.0地震前都有不同程度的异常变化[7]，北京延庆松山泉水汞异常对测点附近发生的有感地震及中等地震有较高的对应率[8]，甘肃通渭温泉水汞异常与甘肃中部地区中等地震也有较高的对应率[9]。通过观测地下水中Hg含量的变化，可了解断裂通道开启状况及地壳内部应力应变状态等信息，且水汞异常多为短临异常，对地震发生时间的预测有较好的参考价值。因此，研究水汞异常特征对地震危险区域判定及发震时间预测有重要作用。

之前，根据晋冀蒙交界地区的中强震震例来确定怀4井水汞异常的指标。近年来，华北地区强震活动较弱，在唐山古冶区发生过一次5.1级地震和时有发生的中等地震。为探讨在中等地震发生前，怀4井水汞观测的异常情况，笔者整理观测资料，运用原始曲线法，根据测值的背景值动态，确定超出动态范围的变化为异常情况，对怀4井周边300 km范围内中等地震震前异常特征及与地震空间上的对应关系进行分析，正确评估怀4井水汞测值的预报效能。

1 怀4井简介

怀4井位于河北省怀来县城东南13 km桑园镇后郝窑村南，属地热自流井，井深500.34 m，水温85 ℃左右。地质构造上属东西向阴山构造带内蒙古台背斜以南和北东向祁吕构造系与燕山沉降带的交汇部位，井孔位于多条活动构造的交汇部位，是用于地震观测的“穴位”[10]，怀4井周边断裂分布如第14页图1所示。测项有水汞、水氡、气相色谱(氢气、氦气)，数字化改造后增加气氡、气汞、水位，辅助测项有水温及气象三要素，取样口位置如第14页图2所示。该井位于后郝窑热田区，地下热水主要来自远程的大气降水入渗补给，在循环过程中经断裂与深部热源沟通，进入深循环状态。水化学离子检验发现，水中有SO4-、Na+、F-、SiO2、N2等深循环的产物[11]。因此，该井孔可反映来自地球深部的信息。

图1 怀4井周边断裂分布图

图2 怀4井口装置示意图

2 水汞异常判定

2008年“十五”期间进行仪器改造，水汞测试仪器更换为RG-BS型智能测汞仪，为人工采样，测试样品取自井口处，日值观测。

从观测日值曲线来看，正常动态下水汞含量较低，背景值稳定(见第15页图3a)。一般情况下，变化范围主要在2～10 ng/L，平均值为5 ng/L左右；超出背景值的部分高值突跳表现为震前异常特征。从五日均值曲线看，怀4井水汞多年趋势性变化起伏相对稳定，无明显的年变规律，随季节变化不明显(见第15页图3b)。测值受水温、降雨等外界自然因素的干扰较小，变化较平稳。多年的观测曲线表明，水汞异常主要包括干扰与地震两类。干扰异常主要表现为观测环境、测汞仪器及使用的试剂、取样位置、观测人员变动等客观因素发生改变，导致水汞测值上升或下降；地震异常的形态主要表现单点突跳，在大同-阳高、张北地震前出现多次高值变化，为背景值的几倍到几十倍，且以中短期异常为主，异常图像清晰，易于识别[6]。2009年3月5日测值突跳到35.8 ng/L，为背景值的7倍左右，之后于28日发生原平ML4.8地震；2011年1月3日至10日连续高值变化，测值最高达67.6 ng/L，为背景值的13倍左右，之后于3月8日发生四子王旗ML4.5地震(见第15页图4a)，2018年4月的高值异常无地震对应(见图4b)。结合相关震例分析可看出，2009年以来异常形态表现为两种类型：一是单点或多点突跳为主，一天或连续几天测值高于背景值数倍以上；二是异常形态连续高值变化，一段时间内测值高于背景值数倍以上。两种类型均为异常恢复后发震。

图3 水汞正常动态图

图4 水汞异常动态图

3 怀4井水汞预测指标

汞的物理性质决定其在压力、热力作用下易向低温、低压方向迁移。当产生构造运动，应力发生改变时，断裂破碎带吸附的汞被释放出来，迁移过程中形成汞含量较高的热水。在活动断裂带和热泉区附近，深部循环过程强烈，在此处富集的汞能反映来自深部构造的信息。怀4井位于多条断裂交汇及热田区，因此，其水汞含量的变化能反映出一段时间内该区域的应力变化情况。

在以往地震活动较活跃时期，前人研究认为怀4井对周围260 km范围内4.0级及以上的地震反应较灵敏[12]。近年来，华北地区中强地震活动较弱，在唐山古冶区发生一次5级以上地震，无6级以上地震发生，水汞背景值低于大同-阳高、张北地震时期的背景值。为探讨该井水汞在中等地震前的异常特征，选取更换测试仪器后的2009年1月至 2020年6月，怀4井周边300 km范围内的ML≥4.0地震来分析水汞动态。为避免随机性，参考水汞异常与发震时间之间的关系，确定震前6个月内出现的异常为前兆异常。根据以往震例，以水汞测值大于背景值6倍(测值大于30 ng/L)视为异常判定标准指标，2个异常点的时间间隔≤10 d视为1组异常。为确保水汞测值异常的真实性，异常期间除对仪器工作状态进行检查外，还进行加密观测，确保汞含量异常的真实性。在此基础上，提取出2009年1月至2020年6月该井水汞异常共7次，异常与地震的对应关系如表1、第16页图5、图6所示。

图5 水汞映震空间分布图

图6 水汞映震曲线

表1 水汞异常与地震对应情况表

从第16页表2及图5看出，怀4井水汞异常对晋冀蒙交界地区的中等地震活动性具有一定指示意义，对唐山地区映震能力较弱，原因可能与空间距离、地震强度、构造因素等有关。当地球内动力作用引起构造活动时，应力变化会向外传播，怀4井距张渤带西(晋冀蒙交界区)较近，在区域应力增强时，距离震源较近的测点可能最先出现异常变化。研究以中等地震为主，怀4井位于张渤地震带西段与山西地震带交汇处，是应力易于集中的部位，因此，对晋冀蒙交界地区的地震活动引起的应力场变化反应较敏感。

表2 水汞异常与晋冀蒙交界区地震对应情况表

从时间尺度来看，地震一般发生在水汞异常结束后的1～2个月内。如，2019年11月5日出现高值突跳异常，12月3日在怀安发生ML4.1地震；4月19日出现高值突跳异常，6月23日在尚义发生ML4.1地震；也有一些地震发生在异常结束后的6个月。如,2013年2月22日大同ML4.1地震。从图3可看出，2013年到2015年怀4井水汞数值整体偏低，未出现测值大于30 ng/L的数据，这是由于该时段地震活动的频次与强度均处于较低水平，区域应力场的变化不足以引起水汞异常；2018年4月至6月水汞异常频次较高，幅度较大，怀4井周围并未发生相应的地震。原因可能与水汞异常的主体来自区域构造活动，即绝大多数异常是区域构造活动产生的场兆信息，导致地下流体异常过程和地震的孕育发生过程不协调[13]。区域应力场作用下构造活动产生的场兆信息具有非均匀性和随机性的特征，在一定范围内并不一定会影响到每个测点。这与测点所处的相对位置、地质构造的分布、规模、方向及活动程度有关，还与岩石的力学性质有关，因此，在某个测点出现有地震无异常的现象是可能的。同时，地震是构造活动产生的结果，但也必须达到岩体的临界状态才会发生地震，并不是每一次构造活动都会有地震发生。异常和地震活动都是对地壳应力状态的反映，因此，有异常无地震的现象也会出现。怀4井水汞异常漏报与虚报地震与此有关。

综合分析认为，怀4井水汞出现突跳幅度大于30 ng/L后的1至6个月内，晋冀蒙交界区一般会有ML4以上地震发生。应用R评分值对怀4井水汞的预测效能进行检验，R为0.34，R0为0.31，R>R0通过检验。该异常的最佳预报时间为100 d，预测指标可作为晋冀蒙交界地区震情判定的参考依据。