广西苍梧5.4级地震前地下流体异常分析

郭培兰，莫佩婵，黄惠宁

(广西壮族自治区地震局，广西 南宁 530022)

0 引 言

地震预测研究的实践表明，地下水位在地壳活动中反应灵敏，承压含水层井的变化可以反映震源区的应力场变化、区域构造活动产生的场兆和源兆信息以及非构造因素引起的变化[1-2]。在强震前可观测到十分明显的水位、水氡等测项的中期和中短期异常变化[3]。张淑亮等认为大同—阳高6.1级地震前地下流体异常分布的时间特征展示了这样一个事实：中期异常大多集中在距震中230 km以外的外围地区，短期异常集中在145～230 km范围内，临震异常分布在距震中100 km范围内，异常的时空转移过程是：外围—震中+外围—震中[4]。2016年7月31日苍梧5.4级地震序列是孤立型地序列，对区域应力变化反应灵敏的地下水动态观测项目在苍梧5.4地震震前能提供多少前兆信息?是否出现中期异常和短期异常？对此进行了异常追踪，结合震中区域的地质构造等资料对震中周边广西壮族自治区(以下简称“广西”)境内的流体异常资料进行分析。

1 基本概况

1.1 地震情况

2016年7月31日17时18分，广西苍梧县发生5.4级地震(24.08°N，111.56°E)，震源深度10 km，宏观震中位于苍梧县沙头镇，未造成显著的地表破坏。据《广西苍梧5.4级地震现场灾害调查报告》，本次地震极震区烈度为Ⅶ度，展布方向近北南向，直接经济损失9 922万元，未造成人员伤亡。截止2016年9月3日，记录余震数量少，广西地震台网共记录ML0.0以上余震11次，其中0.0～0.9地震6次，1.0～1.9地震4次，2.0～2.9地震1次，最大余震为ML2.1。零星余震略呈近北西向分布，主震占整个序列总能量的99.99 %以上，判定此次5.4级地震为孤立型。震源机制解为左旋走滑型，北北西向的节面为主破裂面，主压应力P轴方位为北西向[5]。苍梧5.4级地震的控震构造为贺街—夏郢断裂带，发震构造可能为北北西向的分支断层。

1.2 区域内地质构造背景

图1 区域地震地质构造和历史中强地震分布

1.3 广西区域地下流体观测井分布情况

广西区域现有8口地下流体观测井，主要分布在右江断裂带、巴马—博白断裂带、防城—灵山断裂带、合浦—北流断裂带及其附近，观测井点较为稀疏，主要分布于北纬24°以南。广西区域水温、水位均为同井数字化观测(图2)。表1是广西区域地下流体井情况表，贵港井干扰严重，故未进行分析。对其余各个井的观测资料进行跟踪，可靠的异常共6项，分别为北海咸田井静水位破年变、合浦石康井静水位破年变、桂平西山井静水位破年变、石埠井趋势上升、九塘井和香1井趋势转平折异常，这些异常均为震前提出，水温无异常。

图2 震中周边300 km范围地下流体台站分布

表1 广西地下流体台站情况表

2 地下流体观测井异常分析

地下流体的正常动态分为多年趋势动态、年动态、月动态、日动态[6]，广西区域地下流体也具有正常的微动态特征。广西区域地下流体井均是中深井(井深100～1 000 m)，年动态主要与大气降雨有关，降雨影响下的井水位年动态是单峰单谷型，其动态特征是降—升—降(先谷后峰)或升—降—升(先峰后谷)；水位的正常日动态或月动态，除了某些井中表现出的降雨渗入补给、地下水开采等影响之外，主要是水位的固体潮效应、气压效应、地震引起水震波效应等多种微动态现象。只有了解了地下流体的正常动态，才能更好的对地下流体前兆异常进行跟踪。

表2 异常台站正常动态表(2009～2017年)

2.1 破年变异常

2.1.1 桂平井

桂平井在桂平市西山公园大门左侧，距苍梧5.4级地震震中160 km，处于防城—灵山断裂带附近，孔岩性为泥盆系砂、页岩裂隙承压水。地表水和地下水向郁江排泄，地下水经深部循环积聚成承压，沿接触变质带上升。桂平井自1994年观测以来，水位受降雨影响，具有夏高冬低的正常年动态，水位日变形态清晰，每日峰谷的日动态，日最大潮差4cm左右。桂平西山的水位映震效能较好，同震效应形态通常为阶升变化，该井可能受硫化氢腐蚀作用，致使井口内沉淀与淤泥物较多。图3a是桂平井水位曲线，2009年水位“夏高冬低”的年动态非常明显。2011年至2017年，共出现7次同震效应，分别为2011年3月11日日本9.0级地震、2012年4月12日苏门答腊8.6级地震和8.2级地震、2013年4月20日四川芦山7.0级地震、2015年4月25日尼泊尔8.1级地震、2016年7月31日广西苍梧5.4级地震、2017年1月21日所罗门群岛地震。2017年1月21日所罗门群岛地震之后桂平井水位阶升，震后水位缓慢回落，正常年动态被破坏，但是冬天水位较低的特征仍然存在。2015年5月20日至2016年5月26日，水位虽因多次受强降雨影响而有间歇性突升，但总体持续低值，未表现出“夏高冬低”的正常年动态，出现破年变异常，苍梧5.4级地震致水位阶升0.141 m。

2.1.2 石康井

石康井(静水位)，位于合浦县石康职业学校内，高程32.5 m。井孔深度129.0 m，水位埋深5.3 m，孔径12.7 cm。主要观测水位及辅助观测气压，水位仪采用SW40-1型，气压采用DYJ1型仪器。井孔岩性为上第三系细—粉砂层。井孔位于合浦—北流断裂带的西南段合浦盆地内，根据航空拍照解释及物探推测，井孔南西侧有北西向断裂带存在含水量丰富、承压。井孔一带为南流江河流阶地，不到2 km处有南流江流经。井孔观测条件尚好，水位日变形态清楚，日最大潮差5 cm左右，具有年变化规律，受大气压、降雨影响。石康井自1995年6月开始观测，受地表水、台风等气象因素影响较大。水位不直接受降雨影响，滞后降雨2个月左右；水位每年9月为最高值，之后开始迅速持续下降，至次年4月达最低值，之后又开始回升，形成“N”字形的年变规律。图3b石康水位曲线，除2010年及2016年外，其余年份具有正常的年变。2010年4月1日～9月30日水位应该上升，却没有上升，出现破年变异常，10月1日恢复正常下降趋势，2011年3月11日发生日本9.0级地震。按照正常的年动态分析2016年1月26日～5月2日水位应该下降，但是不下降反而上升，出现破年变异常，5月3日水位又恢复正常的上升趋势，同年7月31日发生苍梧5.4级地震，异常特征表现为破年变异常，持续5个月，然后异常恢复2个月，发生中强地震。

图3 桂平井(a)、石康井(b)、北海井(c)水位曲线

2.1.3 北海井

北海井水位为静水位，处于北海市咸田村，高程5.76 m，距震中387 km，北海井孔岩性为上第三节系粉细砂岩层。井孔位于南流江大断裂带南东侧，据航照解释及物探推测，井孔南西侧有一至二条北西向断裂带。并位于北部湾大海盆北布边缘斜坡带排泄区。含水层厚度较大，含水量丰富、承压。北海咸田井水位年变清晰，井孔一带为鼓包丘地小树林带,较远处为旱作物耕地。地势起伏不大。西侧一百多米处为一人工水塘，雨季短时积水。水位受大气压、降雨影响及海潮影响。北海咸田井自1987年7月开始观测，受海潮、台风、气压的影响较大。水位不直接受降雨影响，滞后降雨3～4个月；固体潮日变形态清晰，日最大潮差0.1 m；具有清晰的年变动态。北海咸田水位破年变现象与北部湾及桂东南地区的中强地震活动有较好的对应关系。图3c是北海咸田水位曲线，2009～2015年北海咸田水位年动态非常明显，每年有正常年变，每年5月水位逐渐上升，10月升到最高，再逐渐下降到次年5月。按照正常的年动态2016年1月1日至4月14日水位应该下降，但是没有下降，却逐渐升高，出现破年变异常，异常持续4个月，4月15日恢复正常，随后发生2016年7月31日苍梧5.4级地震，震后水位恢复正常上升趋势，异常特征表现为破年变异常，异常恢复，然后发震。

2.2 趋势性异常

2.2.1 石埠井

石埠井距震中374 km，井孔岩性为寒武系基底，泥质砂岩、粉砂岩、泥岩。属南宁盆地西北部边缘西乡塘—围村断裂带。井孔位于土坡上，西北及东南向约15 m为稻田，无明显干扰源。地表水和地下潜水从西向东往邕江排泄。图4a是南宁石埠水位曲线，2009～2010年年变不清晰，2011～2017年具有正常的年变，每年1月逐渐上升，4月最高，再逐渐下降到次年1月。2011～2013年多年动态表现为趋势上升型，2014～2016年多年动态发生改变，多年动态加速上升，表现出与前3年不一样的多年动态，分析认为是趋势异常，异常2年半发生苍梧5.4级地震，苍梧5.4级地震后，水位下降，恢复上升趋势。

2.2.2 九塘井

九塘井距震中320 km，位于九塘乡坛敏村冲沟南侧边上，冲沟东西走向，冲沟南、北西侧地形较陡。九塘井孔处于南华准地台，右江再生地槽的西大明山隆起区，大明山背斜与昆仑关复式背斜的复合地带，区中有巴马—昆仑关断裂带。井孔岩性为黑云母花岗岩，岩体内X节理裂隙发育，孔深80 m外遇断层破碎带，此带是该孔的主要供水通道，水从破碎带及裂隙中涌出，沿钻孔溢出地表，水头最高可达3 m。水文地区条件为区内昆仑关花岗岩体的重复侵入显示了深部岩浆的活动性，构造节理发育，与巴马—昆仑关断裂带组成一套切得大、连通性好的节理裂隙网络，对地下水形成与分布起控制作用，构成深部水循环。井孔观测条件尚好，水位日变形态清楚，日最大潮差3 cm；邕宁九塘水位呈现出一定的年变化规律，但规律不强。水位受大气压影响而不直接受降水影响。图4b是九塘水位曲线，除2012年外，九塘水位具有正常的年变，每年10月水位逐渐上升，次年3月达到峰值，然后开始下降到同年10月。2012年水位出现明显的破年变异常，异常持续约1年2个月，发生2013年2月20日平果4.5级地震。2009～2013年多年动态表现为趋势上升型，2014～2016年多年动态发生改变，多年动态平缓，表现出与前3年不一样的多年动态，分析认为是趋势异常，异常持续两年半发生苍梧5.4级地震，地震后异常未恢复。

2.2.3 香1井

香1井孔岩性为第三系泥质砂岩。位于右江断裂带田东凹陷香炉重力异常南缘，水文地区条件为第三纪红色岩层组成的构造断陷盆地，补给来源少，含水层之间水力联系差，水流运动受静水压力影响，泄水条件差。水位日变形态清楚，日最大潮差4 cm左右。井孔有气体溢出，形成一个个水位脉冲，大者近1 cm；田东香1井地处旱地，无明显干扰源，水位不直接受大气压和降水影响。图4c是香1水位曲线，2009～2011年有清晰“夏高冬低”的年变，其余年份不清晰。2009年1月～2013年12月多年动态呈趋势上升型，2014年1月香1水位开始出现明显的持续下降转折，田东香1、南宁九塘水位同步出现上升速率变小的转折现象，出现明显的趋势异常，异常持续两年后发生2016年7月31日苍梧5.4级地震。

图4 石埠井(a)、九塘井(b)、香1井(c)水位曲线

3 地下流体异常特征与苍梧5.4级地震震源机制解关系分析

图5是梧州台洞体应变曲线，2013年至2014年上半年，曲线向上，2014年下半年至2016年7月苍梧5.4级地震前，曲线向下，表明梧州台处于挤压状态。图6是地下流体异常台站(井)与苍梧5.4级地震震源机制分布图，咸田井、石康井、石埠井水位上升，处于震源机制解的挤压区；桂平井、九塘井、香1井水位下降，处于震源机制解膨胀区；挤压区的测震台站垂直向P波初动符号向上，如平南、梧州、玉林测震台垂直向P波被动符号向上；膨胀区的测震台站垂直向P波初动符号向下，如怀集、桂林、南宁地震台垂直向P波被动符号向上。地下流体异常上升或异常下降与震源机制解膨胀区与挤压区相对应。通过对地下流体异常特征与苍梧5.4级地震震源机制解关系分析，认为在附近的地下流体有升有降，未来发生的地震可能是近震，在附近的地下流体全部上升，或全部下降，未来发生的地震可能是远震。

图5 梧州台洞体应变东西向(a)、南北向(b)曲线

图6 异常台站与苍梧5.4级地震震源机制分布

4 结论与讨论

(1)广西区域共8口地下水流体井，2016年7月31日苍梧5.4级地震前水位出现异常、水温无异常。石埠井、九塘井、香1水井位出现持续两年趋势异常，多年正常动态发生变化。桂平井、北海井、石康井水位出现短期异常，异常持续时间半年到1年。

(2)石埠井、北海井、石康井水位上升，表明异常井所在区域处于应力积累状态，该区域处于震源机制解的挤压区。桂平井、九塘井、香1井水位下降，表明异常井所在区域处于应力松弛状态，该区域处于震源机制解的膨胀区。根据地下流体上升或下降可以判断发生的中强震是远震还是近震。

(3)苍梧地震地下水动态异常具有明显的阶段性，离震中较远石埠井、九塘井、香1井先出现趋势异常，然后桂平井、北海井、石康井才出现短期异常，北海井、石康井离震中较远，出现是短期异常而不是趋势异常，表明300～400 km范围的流体井对短期判断也有一定的预测能力，也反映了震前地下流体异常可能出现在较大的区域，甚至是孕震区外。

(4)石埠井、九塘井相距50 km，相距较近，石埠井震前水位上升，九塘井震前水位下降，还需要进一步研究其成因机理。