双王井数字化观测资料前兆及干扰异常分析＊

2023-10-07白翔宇潘存英

地震科学进展 2023年9期

方园白翔宇杨魁何昕潘存英

（陕西省地震局，陕西西安 710068）

0 引言

我国地下流体前兆学科具有庞大的观测体系，观测点达1000多个，表现出监测与映震优势[1]。随着地下流体观测技术的发展，我国地下流体观测已经发展到数字化阶段，各地下流体台站也已经积累了大量的观测资料。对地下流体资料的分析研究及应用为推动地震分析预报的发展提供了重要的方法途径。

目前对地下流体观测资料的分析及研究，主要集中在以下3个方面： ① 在已经排除是干扰影响，确认为地震前兆异常的基础上针对其映震能力等的研究[2-4]； ② 确认为异常干扰的特征分析研究[5-6]； ③ 地下流体观测资料的质量评估[7-8]。关于地下流体资料分析的3个研究方向，第3个方向是前两个方向的研究基础，确保了映震能力评估的准确性和可靠性。为了推动地震分析预测的发展，近年来关于地下流体资料干扰及震前异常分析及映震能力的研究越来越受到科研人员的重视。

因此，本文结合前人研究基础，利用双王井地下流体观测数据，对渭南双王井观测资料中的动态趋势变化、固体潮特征、同震变化与震前异常等进行分析，研究其反映的信息及观测资料特点，评估其监测效能，以期为今后渭南及周边地区地震分析预报和异常核实提供一些参考。

1 双王井基本情况

双王井隶属于陕西省地震局，属省级地震台站。临渭双王地震监测站位于渭南市临渭区双王村，地理坐标为（34.51°N，109.46°E），高程为345 m。观测井位于渭河断陷盆地中央隐伏断裂带北侧（图1），属于渭河双王曲流段高岸的二级阶地。所在位置构造地貌为黄土台塬，地层为第四系更新统—全新统冲积砂、砂砾石夹粉细砂与亚粘土互层孔隙裂隙潜水岩组，为中等富水地层（图2）。地下水埋藏类型属于河谷阶地孔隙潜水及承压水区，即上部为冲积层潜水，下部为冲湖积层承压水，水位一般是5～30 m，流量一般为100～1000 t/d，地下水径流模数为2.5～3.07万m3/(a•km2)[9]。

图1 双王井所处构造位置Fig.1 Structural position of Shuangwang well

图2 双王井柱状剖面图Fig.2 Columnar profile of Shuangwang well

2 井口装置及观测仪器

陕西省地震局2007年完成了对双王井的全面数字化改造。水位观测采用LN-3A型水位仪，2017年更换为中国地震局地壳应力研究所生产的SWYII型水位仪；水温观测采用北京中科光大有限责任公司研制生产的ZKGD 3000 NT型水温仪。水位传感器位于井口以下14.9 m处。

3 资料分析

3.1 趋势变化特征

3.1.1 观测资料年动态特征分析

（1）水位年动态特征分析。水位观测资料的年动态变化类型大体可以分为趋势上升型、下降型、起伏型和平稳型。对双王井的水位日观测资料进行分析，发现双王井静水位资料年动态呈现起伏型。水位形态总体复杂，基本表现为1—3月或4月上升，3月或4—9月下降，9—12月上升。动态过程呈起伏变化，年变幅度为1.81～2.07 m不等。2017年9—12月，由于仪器故障，删除错误数据后导致记录缺数（图3）。

图3 2007—2021水位长趋势图Fig.3 Water level trend from 2007 to 2021

（2）水温年动态特征分析。水温的年或多年变化类型主要有缓升型、缓降型、起伏型和平稳型等，其中缓升型和缓降型的趋势较为常见。对双王井水温观测资料进行分析后发现，尽管干扰较为严重，仍可看出水温年动态属于平稳型，年变幅度不足0.01℃。2016年更换仪器后，由于仪器零漂，水温的年动态呈现下降型，年变幅度约为0.1℃（图4）。

图4 2007—2021水温长趋势图Fig.4 Water temperature trend from 2007 to 2021

3.1.2 降水量影响

本地降雨对水位变化的影响不大，从短期来看基本上没有降雨影响。双王井北距渭河约3 km，渭河水位变化对水位观测资料影响明显（图5）。由于近年渭南地区降水量与渭河流量的逐年增加，地下水开采量逐年减少，地表补给加大，渭南市城区地下水位正在逐年上升，双王井水位从2019年9月—2021年12月累计上升2.966 m，年平均上升幅度达0.989 m。

图5 2007—2021年渭河水位与双王水位对比图Fig.5 Comparison of water level of Wei river and Shuangwang well from 2007 to 2021

3.2 固体潮特征

井水固体潮效应是体应变固体潮的次生效应[10]。井水位固体潮效应的机理为地壳在日、月起潮力的作用下，导致地壳内部发生潮汐变形和含水层变化，进而使裂隙水压发生变化，导致水位随之产生有规律的升降变化[7]。双王井能观测到的固体潮形态清晰，潮汐效应较为显著，可以较好的反映出地壳应力应变的情况（图6）。

图6 双王井固体潮效应图Fig.6 Solid earth tidal effect time series of Shuangwang well

3.3 同震变化特征

地下流体同震效应是揭示地壳介质对应力—应变过程响应最有效和最直接的方式之一，井水位和井水温同震效应能够间接反映地震发生时的地下介质应变和孔隙压的变化特征[11]。地下水位的同震变化形态主要包括震荡、阶变以及上升和下降变化。本文结合双王井2007年6月1日—2021年12月31日的水位数据资料，对国内发生的MS6.0以上地震以及陕西省境内发生的MS3.0以上地震进行分析，发现双王井观测资料记录到了一些强震前较为明显的同震响应。对于部分地震有一定的前兆异常表现，如水位在汶川8.0级地震表现出上升的变化；在青海玛多7.4级地震和四川青川6.4级地震时表现出脉冲型跳变；在新疆于田7.3级地震表现出水震波的变化（图7）。

图7 水位同震响应曲线图Fig.7 Coseismic response curves of well level

水温的同震响应也是研究地壳应力应变变化过程的方式之一，其主要特征为阶降和阶升。通过对双王井水温资料的分析，发现除汶川8.0级地震表现出下降—保持低值—上升型形态外（图8），几乎其他地震的同震效应均不明显。

图8 2008年5月12—13日汶川地震水温同震响应曲线图Fig.8 Water temperature coseismic response curve of Wenchuan earthquake on May 12—13，2008

3.4 地震前兆异常特征

关于前兆资料映震能力范围，许多学者进行过研究总结，由于各测点地质结构的复杂性和地震震源机制等的不确定性，一些学者给出了前兆资料映震能力大概的定量范围。根据王燕等[12]对映震效能的研究结果，认为选取震中距小于700 km的8级地震，震中距小于500 km的7级地震，震中距小于400 km的6级地震，震中距小于300 km的5级地震作为研究对象较为合理。沿袭该思路，同时对双王井周边发生的MS＞3.0、震中距小于200 km的地震进行筛选（时间上从数字化观测之始到2021年12月31日，在符合震中距条件下，时间间隔相近的地震只统计正式速报早的地震目录），并对所选地震目录及震中距进行统计（表1）。双王井水位和水温资料均未出现明显的地震前兆异常。

表1 双王井周边发生的MS3.0以上地震参数Table 1 Parameters of MS＞3.0 earthquakes around Shuangwang well

对于该现象，笔者查询了相同时间陕西地区泾阳、三原、凤翔、洛南和石泉地下流体观测站相同时间内的水温水位资料，发现有些井在地震前曲线出现了异于常态的变化，而有的井并未记录到明显的地震前兆异常。查阅各观测井相关信息，推测可能与观测井所处的构造地质环境及水文地质条件有关，而同一台站的不同观测井，由于深度与结构有所不同，其中一口井记录到了清晰的异常曲线，另一口井保持原动态趋势，认为可能与观测井的结构也存在一定的相关性。

3.5 无震异常分析

数字化地下水位观测经常受到各种干扰因素的影响，有时候出现大幅度的升降变化，并不一定是地震前兆异常或是由地震活动引起的，也有可能为其他干扰因素造成的异常动态[13]。

2021年4月10日17时—2021年4月12日14时，双王井水位大幅度下降0.253 m，之后数据缓慢回升。经工作人员现场调查，对比同时段周邻台站数据资料并对水位进行校测，排除了自然环境、观测系统和地球物理事件的干扰，初步认定是由双王井周边玫瑰园施工抽水影响所致。与施工项目部交流后了解到，为建造生活馆及室内游泳池，施工队在双王井南侧不足500 m处建造了9个抽水井。联系施工方索要水位数据后，将台站水位日均值数据与施工方给予的水位数据进行对比绘图，发现其形态变化基本一致（图9）。2021年后期多次水位突降经核实均与周边施工抽水有关。