方 園 白翔宇 楊 魁 何 昕 潘存英

（陜西省地震局， 陜西西安 710068）

0 引言

我國(guó)地下流體前兆學(xué)科具有龐大的觀測(cè)體系，觀測(cè)點(diǎn)達(dá)1000多個(gè)，表現(xiàn)出監(jiān)測(cè)與映震優(yōu)勢(shì)[1]。隨著地下流體觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)地下流體觀測(cè)已經(jīng)發(fā)展到數(shù)字化階段，各地下流體臺(tái)站也已經(jīng)積累了大量的觀測(cè)資料。對(duì)地下流體資料的分析研究及應(yīng)用為推動(dòng)地震分析預(yù)報(bào)的發(fā)展提供了重要的方法途徑。

目前對(duì)地下流體觀測(cè)資料的分析及研究，主要集中在以下3個(gè)方面： ① 在已經(jīng)排除是干擾影響，確認(rèn)為地震前兆異常的基礎(chǔ)上針對(duì)其映震能力等的研究[2-4]； ② 確認(rèn)為異常干擾的特征分析研究[5-6]； ③ 地下流體觀測(cè)資料的質(zhì)量評(píng)估[7-8]。關(guān)于地下流體資料分析的3個(gè)研究方向，第3個(gè)方向是前兩個(gè)方向的研究基礎(chǔ)，確保了映震能力評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。為了推動(dòng)地震分析預(yù)測(cè)的發(fā)展，近年來(lái)關(guān)于地下流體資料干擾及震前異常分析及映震能力的研究越來(lái)越受到科研人員的重視。

因此，本文結(jié)合前人研究基礎(chǔ)，利用雙王井地下流體觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)渭南雙王井觀測(cè)資料中的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化、固體潮特征、同震變化與震前異常等進(jìn)行分析，研究其反映的信息及觀測(cè)資料特點(diǎn)，評(píng)估其監(jiān)測(cè)效能，以期為今后渭南及周邊地區(qū)地震分析預(yù)報(bào)和異常核實(shí)提供一些參考。

1 雙王井基本情況

雙王井隸屬于陜西省地震局，屬省級(jí)地震臺(tái)站。臨渭雙王地震監(jiān)測(cè)站位于渭南市臨渭區(qū)雙王村，地理坐標(biāo)為（34.51°N，109.46°E），高程為345 m。觀測(cè)井位于渭河斷陷盆地中央隱伏斷裂帶北側(cè)（圖1），屬于渭河雙王曲流段高岸的二級(jí)階地。所在位置構(gòu)造地貌為黃土臺(tái)塬，地層為第四系更新統(tǒng)—全新統(tǒng)沖積砂、砂礫石夾粉細(xì)砂與亞粘土互層孔隙裂隙潛水巖組，為中等富水地層（圖2）。地下水埋藏類(lèi)型屬于河谷階地孔隙潛水及承壓水區(qū)，即上部為沖積層潛水，下部為沖湖積層承壓水，水位一般是5～30 m，流量一般為100～1000 t/d，地下水徑流模數(shù)為2.5～3.07萬(wàn)m3/(a?km2)[9]。

圖1 雙王井所處構(gòu)造位置Fig.1 Structural position of Shuangwang well

圖2 雙王井柱狀剖面圖Fig.2 Columnar profile of Shuangwang well

2 井口裝置及觀測(cè)儀器

陜西省地震局2007年完成了對(duì)雙王井的全面數(shù)字化改造。水位觀測(cè)采用LN-3A型水位儀，2017年更換為中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的SWYII型水位儀；水溫觀測(cè)采用北京中科光大有限責(zé)任公司研制生產(chǎn)的ZKGD 3000 NT型水溫儀。水位傳感器位于井口以下14.9 m處。

3 資料分析

3.1 趨勢(shì)變化特征

3.1.1 觀測(cè)資料年動(dòng)態(tài)特征分析

（1）水位年動(dòng)態(tài)特征分析。水位觀測(cè)資料的年動(dòng)態(tài)變化類(lèi)型大體可以分為趨勢(shì)上升型、下降型、起伏型和平穩(wěn)型。對(duì)雙王井的水位日觀測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雙王井靜水位資料年動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)起伏型。水位形態(tài)總體復(fù)雜，基本表現(xiàn)為1—3月或4月上升，3月或4—9月下降，9—12月上升。動(dòng)態(tài)過(guò)程呈起伏變化，年變幅度為1.81～2.07 m不等。2017年9—12月，由于儀器故障，刪除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后導(dǎo)致記錄缺數(shù)（圖3）。

圖3 2007—2021水位長(zhǎng)趨勢(shì)圖Fig.3 Water level trend from 2007 to 2021

（2）水溫年動(dòng)態(tài)特征分析。水溫的年或多年變化類(lèi)型主要有緩升型、緩降型、起伏型和平穩(wěn)型等，其中緩升型和緩降型的趨勢(shì)較為常見(jiàn)。對(duì)雙王井水溫觀測(cè)資料進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，盡管干擾較為嚴(yán)重，仍可看出水溫年動(dòng)態(tài)屬于平穩(wěn)型，年變幅度不足0.01℃。2016年更換儀器后，由于儀器零漂，水溫的年動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)下降型，年變幅度約為0.1℃（圖4）。

圖4 2007—2021水溫長(zhǎng)趨勢(shì)圖Fig.4 Water temperature trend from 2007 to 2021

3.1.2 降水量影響

本地降雨對(duì)水位變化的影響不大，從短期來(lái)看基本上沒(méi)有降雨影響。雙王井北距渭河約3 km，渭河水位變化對(duì)水位觀測(cè)資料影響明顯（圖5）。由于近年渭南地區(qū)降水量與渭河流量的逐年增加，地下水開(kāi)采量逐年減少，地表補(bǔ)給加大，渭南市城區(qū)地下水位正在逐年上升，雙王井水位從2019年9月—2021年12月累計(jì)上升2.966 m，年平均上升幅度達(dá)0.989 m。

圖5 2007—2021年渭河水位與雙王水位對(duì)比圖Fig.5 Comparison of water level of Wei river and Shuangwang well from 2007 to 2021

3.2 固體潮特征

井水固體潮效應(yīng)是體應(yīng)變固體潮的次生效應(yīng)[10]。井水位固體潮效應(yīng)的機(jī)理為地殼在日、月起潮力的作用下，導(dǎo)致地殼內(nèi)部發(fā)生潮汐變形和含水層變化，進(jìn)而使裂隙水壓發(fā)生變化，導(dǎo)致水位隨之產(chǎn)生有規(guī)律的升降變化[7]。雙王井能觀測(cè)到的固體潮形態(tài)清晰，潮汐效應(yīng)較為顯著，可以較好的反映出地殼應(yīng)力應(yīng)變的情況（圖6）。

圖6 雙王井固體潮效應(yīng)圖Fig.6 Solid earth tidal effect time series of Shuangwang well

3.3 同震變化特征

地下流體同震效應(yīng)是揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程響應(yīng)最有效和最直接的方式之一，井水位和井水溫同震效應(yīng)能夠間接反映地震發(fā)生時(shí)的地下介質(zhì)應(yīng)變和孔隙壓的變化特征[11]。地下水位的同震變化形態(tài)主要包括震蕩、階變以及上升和下降變化。本文結(jié)合雙王井2007年6月1日—2021年12月31日的水位數(shù)據(jù)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)生的MS6.0以上地震以及陜西省境內(nèi)發(fā)生的MS3.0以上地震進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雙王井觀測(cè)資料記錄到了一些強(qiáng)震前較為明顯的同震響應(yīng)。對(duì)于部分地震有一定的前兆異常表現(xiàn)，如水位在汶川8.0級(jí)地震表現(xiàn)出上升的變化；在青?，敹?.4級(jí)地震和四川青川6.4級(jí)地震時(shí)表現(xiàn)出脈沖型跳變；在新疆于田7.3級(jí)地震表現(xiàn)出水震波的變化（圖7）。

圖7 水位同震響應(yīng)曲線圖Fig.7 Coseismic response curves of well level

水溫的同震響應(yīng)也是研究地殼應(yīng)力應(yīng)變變化過(guò)程的方式之一，其主要特征為階降和階升。通過(guò)對(duì)雙王井水溫資料的分析，發(fā)現(xiàn)除汶川8.0級(jí)地震表現(xiàn)出下降—保持低值—上升型形態(tài)外（圖8），幾乎其他地震的同震效應(yīng)均不明顯。

圖8 2008年5月12—13日汶川地震水溫同震響應(yīng)曲線圖Fig.8 Water temperature coseismic response curve of Wenchuan earthquake on May 12—13，2008

3.4 地震前兆異常特征

關(guān)于前兆資料映震能力范圍，許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究總結(jié)，由于各測(cè)點(diǎn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和地震震源機(jī)制等的不確定性，一些學(xué)者給出了前兆資料映震能力大概的定量范圍。根據(jù)王燕等[12]對(duì)映震效能的研究結(jié)果，認(rèn)為選取震中距小于700 km的8級(jí)地震，震中距小于500 km的7級(jí)地震，震中距小于400 km的6級(jí)地震，震中距小于300 km的5級(jí)地震作為研究對(duì)象較為合理。沿襲該思路，同時(shí)對(duì)雙王井周邊發(fā)生的MS＞3.0、震中距小于200 km的地震進(jìn)行篩選（時(shí)間上從數(shù)字化觀測(cè)之始到2021年12月31日，在符合震中距條件下，時(shí)間間隔相近的地震只統(tǒng)計(jì)正式速報(bào)早的地震目錄），并對(duì)所選地震目錄及震中距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）。雙王井水位和水溫資料均未出現(xiàn)明顯的地震前兆異常。

表1 雙王井周邊發(fā)生的MS3.0以上地震參數(shù)Table 1 Parameters of MS＞3.0 earthquakes around Shuangwang well

對(duì)于該現(xiàn)象，筆者查詢(xún)了相同時(shí)間陜西地區(qū)涇陽(yáng)、三原、鳳翔、洛南和石泉地下流體觀測(cè)站相同時(shí)間內(nèi)的水溫水位資料，發(fā)現(xiàn)有些井在地震前曲線出現(xiàn)了異于常態(tài)的變化，而有的井并未記錄到明顯的地震前兆異常。查閱各觀測(cè)井相關(guān)信息，推測(cè)可能與觀測(cè)井所處的構(gòu)造地質(zhì)環(huán)境及水文地質(zhì)條件有關(guān)，而同一臺(tái)站的不同觀測(cè)井，由于深度與結(jié)構(gòu)有所不同，其中一口井記錄到了清晰的異常曲線，另一口井保持原動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，認(rèn)為可能與觀測(cè)井的結(jié)構(gòu)也存在一定的相關(guān)性。

3.5 無(wú)震異常分析

數(shù)字化地下水位觀測(cè)經(jīng)常受到各種干擾因素的影響，有時(shí)候出現(xiàn)大幅度的升降變化，并不一定是地震前兆異?；蚴怯傻卣鸹顒?dòng)引起的，也有可能為其他干擾因素造成的異常動(dòng)態(tài)[13]。

2021年4月10日17時(shí)—2021年4月12日14時(shí)，雙王井水位大幅度下降0.253 m，之后數(shù)據(jù)緩慢回升。經(jīng)工作人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)比同時(shí)段周鄰臺(tái)站數(shù)據(jù)資料并對(duì)水位進(jìn)行校測(cè)，排除了自然環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)和地球物理事件的干擾，初步認(rèn)定是由雙王井周邊玫瑰園施工抽水影響所致。與施工項(xiàng)目部交流后了解到，為建造生活館及室內(nèi)游泳池，施工隊(duì)在雙王井南側(cè)不足500 m處建造了9個(gè)抽水井。聯(lián)系施工方索要水位數(shù)據(jù)后，將臺(tái)站水位日均值數(shù)據(jù)與施工方給予的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比繪圖，發(fā)現(xiàn)其形態(tài)變化基本一致（圖9）。2021年后期多次水位突降經(jīng)核實(shí)均與周邊施工抽水有關(guān)。

圖9 雙王井與施工方水位數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.9 Comparison of water level data between Shuangwang well and the constructor

4 結(jié)論與討論

（1）雙王井的封閉條件與含水層承壓性較好，水位觀測(cè)數(shù)據(jù)受降雨影響不大，與渭河水位變化關(guān)系密切，其年變規(guī)律為夏低冬高。水位與水溫的原始數(shù)據(jù)曲線無(wú)法判斷雙王井所處含水層系統(tǒng)在地震前是否發(fā)生了應(yīng)力狀態(tài)的變化。

（2）臺(tái)站周邊地下水的開(kāi)采對(duì)臺(tái)站數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較大。由于近年渭南地區(qū)降水量與渭河流量的逐年增加，地下水開(kāi)采量逐年減少，地表補(bǔ)給加大，渭南市城區(qū)地下水位正在逐年上升，使得水位數(shù)據(jù)近年來(lái)呈現(xiàn)起伏上升的年動(dòng)態(tài)，說(shuō)明雙王井與淺層取水有一定關(guān)系。

（3）水溫資料記錄的同震響應(yīng)相較于水位而言數(shù)量要少，僅汶川地震時(shí)出現(xiàn)了水溫的同震響應(yīng)，推測(cè)是由于地震引起的水位變化幅度未達(dá)到雙王井的水溫同震響應(yīng)觸發(fā)閾值所致。

（4）雙王井的水位、水溫資料基本較為穩(wěn)定連續(xù)，能夠記錄到地球物理信息，其觀測(cè)數(shù)據(jù)可以為今后地震分析預(yù)報(bào)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

致謝

本文得到了課題指導(dǎo)老師趙小茂和陜西地震臺(tái)劉潔的指導(dǎo)，以及渭南市地震監(jiān)測(cè)與服務(wù)中心預(yù)報(bào)科科長(zhǎng)霍艷艷同志的幫助；審稿專(zhuān)家對(duì)本文提出了修改意見(jiàn)和建議，在此一并表示衷心感謝。