晋1-1井水位异常与晋冀蒙交界区中强地震关系简析

李惠玲，高云峰，贾 炯，张登科，高存英

（1.山西省地震局代县中心地震台，山西 代县 034200；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030025；

3.河北省地震局，石家庄 050022；4.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；

5.山西省地震局大同中心地震台，山西 大同 037006）

晋1-1井水位异常与晋冀蒙交界区中强地震关系简析

李惠玲1，2，高云峰1，2，贾 炯3，张登科4，高存英5，2

（1.山西省地震局代县中心地震台，山西 代县 034200；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030025；

3.河北省地震局，石家庄 050022；4.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；

5.山西省地震局大同中心地震台，山西 大同 037006）

通过对晋1-1井22年水位观测资料进行系统清理，对距井区约330km范围一些中强震前的水位资料进行了细致分析。结果表明：晋1-1井地震异常以短临突变异常为主，异常时间多小于80d。根据大量的震例统计结果给出了地震前兆异常定量判别指标，当曲线阶升异常幅度大于30mm或阶降大于40mm时视为震兆异常。

水位；突变异常；地震；关系

0 引言

通过大量的观测数据科学有效地寻找地震前兆信息，始终是地震工作者努力探索的途径，也是现阶段有效提高地震预报水平的必经之路。地下水位，已经成为地震预测预报的重要观测项目之一。多年来，地震工作者开展了大量工作，苦心寻找地下水位震兆信息，总结了不少震例。晋1-1井水位观测至今已有22年的历史（扣除2006年6月台站数字化改造时间），在晋冀蒙交界区发生的一系列中强地震前，都有较明显的异常显示。为了更好地发挥晋1－1井的预报效能，本文对该井自投入观测以来的资料进行分析，系统总结震前异常特征，力求为地震短临预报提供定量指标。本文对晋1-1井水位记录到的远场大震及同震效应不作讨论。

1 井孔概况

晋1-1井位于大同盆地北缘，万泉河河漫滩上。所处的构造部位是对大同盆地地震活动反应较为敏感的口泉断裂上，属一单斜自流盆地。井点坐标为：40°17′21″N，113°22′07″E （图 1a）。该 井 井 深160.26m，水的矿化度为0.328mg／L，观测层为第三纪玄武岩，水文地质类型为承压裂隙水（图1b），承压水量丰富。自观测以来，一直处于受人为节流控制的自流状态，受季节降水影响很不明显，地下水的补给主要来自东部采凉山和北面玄武岩出露区，对应力活动反应灵敏。

2 仪器工作情况

1988年晋1-1井采用SW40型水位自记仪作模拟记录，2007年6月十五数字化改造后正式采用LN-3A型数字水位仪进行观测，采样率为1sample／min，观测精度为千分之一，资料连续性、稳定性、可靠性都较高。

3 主要干扰因素分析

3.1 暴雨影响

大同地处缺水地区，降雨量通常也较少，年均降雨量不到400mm，图2a是水位受暴雨干扰出现的台阶。

3.2 地表水、地下水的开采影响

观测环境的改变也是比较常见的干扰，可以靠有关的记录排除。距晋1-1井最近的井点是1999年大同市自来水公司在距该井不足1km处新打的3眼开采井以供城市用水，在2003年曾做过几次抽水试验，由于这3口井的涌水量太小，现已废弃，因此对晋1-1井的水位动态变化不会造成太大影响。

3.3 仪器故障的影响

十五数字化观测以来，水位观测曲线变化较为平稳，日变清晰。但数字化改造后，除水位仪通讯单元故障造成缺数外，水位仪多次遭到感应雷袭击，对仪器数据采集设备造成损坏，造成曲线异常变化和数据中断。

图1 晋1-1井构造位置及井孔柱状图

图2 晋1-1井水位模拟记录原始曲线图

3.4 人为干扰

人为干扰主要是由泄流孔堵塞引起短时间的数据突升突降，比较容易识别。图2b为晋1-1井泄流孔堵塞造成的干扰。

4 水位动态特征

水位动态变化主要取决于井－含水层系统的特征参数及观测环境，而仪器的稳定性、观测精度对动态变化也有一定的影响。

4.1 正常动态

晋1-1井水位自观测以来，日均值曲线没有明显的年动态，日变幅度在1～10mm，1998年6月更换泄流阀门前，一直表现为缓慢上升形态，之后的多年动态为趋势缓降型。

4.2 异常动态

水位阶变有大有小，实践中认识到，不是所有水位阶变都与地震存在明确的对应关系，只有阶变幅度相对比较大，映震效果才比较好。统计结果表明，晋1-1井水位在短时间内出现阶升异常幅度大于30mm或阶降大于40mm时，一般都会有相应的地震发生，异常多以短临异常为主要表现形式，伴有一定的中短期异常，震后水位大多数能逐渐恢复到下降（上升）前的水平。依此为异常判别标准，对1988—2010年的水位观测资料进行系统梳理，其中水位变幅大于判别标准的共有19次，且异常之后，周围地区一般都会有中强地震发生。但异常与地震不都是一一对应的关系，有时是1组异常对应1次地震。水位异常对地震的映震效应见表1。

图3 晋1-1井水位日均值曲线图

表1 晋1-1井水位异常对周边地震的映震效应统计表

续表

5 晋1-1井水位与地震的对应关系

统计1988—2010年晋1-1井水位共出现异常变化19组，与地震的对应关系见表2。

表2 晋1-1井水位异常与地震对应关系统计表

震例统计结果表明，晋1-1井水位异常能较好地反映井孔周边地区中强地震活动。该井自观测以来，在其周围330km范围内发生3次6.0～6.9级地震，200km范围内发生3次5.0～5.9级地震，100km范围内发生7次4.0～4.9级地震（据中国地震台网地震目录）。这13次地震，除1989年12月8日山西浑源4.1级、1989年12月13日大同－阳高4.0级、1999年3月11日河北张北5.6级和1999年5月15日山西应县4.3级地震，井水位无明显异常反映外，其余9次地震，井水位都有不同程度的异常显示。

而2006年7月4日文安地震前晋1-1井水位所表现出的异常反应是否是文安地震的前兆异常？因2006年6月水井数字化改造停测已无法知晓。但从异常出现的时间上看，大致与该地区其它观测手段异常出现的时间同步。

对于1989年12月8日距该井仅69km的山西浑源4.1级地震和1989年12月13日距该井67km的大同－阳高4.0级地震，震前井水位无异常变化的现象（图3），与该井以往对这一地区发生的4.0级左右地震所显示的异常相比是极不相称的。

晋1-1井水位对不同地震的映震效应是不完全一致的，不一致的原因可能和多种因素有关，诸如震级、震中距、震源机制、深度、方位及应力场的变化等。1991年5月初晋1-1井水位出现了一个近1m的抬升；1996年内蒙包头6.4级地震后，时隔一个月水位再次出现大幅突降。这2次异常非常明显，而此间均无地震发生，认为可能是区域应力场的调整。

5.1 1989年10月19日大同－阳高6.1级地震

1989年10月18日22时26分水位出现大幅度突降变化，时隔半小时，在距该井约61km的大同－阳高间发生了5.7级地震，在突降过程中的19日01时01分又在原地发生了6.1级地震，到19日05时水位阶降幅度达392mm［1］，图4是具有代表性的异常图像。

图41989 年10月16日大同－阳高6.1级地震前晋1-1井水位原始记录图及日均值曲线图

图5 晋1-1井水位张北6.2等4次地震前的异常变化

5.2 1998年1月10日张北6.2地震

1997年6月底，井水位在缓升趋势背景上转为下降，7月12日恢复正常，8月8日再次出现突降，到13日水位降幅达138mm，之后异常缓慢恢复，到11月中旬已恢复到下降前水平。水位完成缓降－缓升－突降－缓升－恢复全过程后，于1998年1月10日在距离该井约121km的河北张北发生了6.2级地震（图5a）。该震例异常超前时间约6个半月，等待时间56d，是该井水位在中强地震前出现的一次典型短期异常。

5.3 1999年11月1日大同5.6级地震

1999年11月1日大同－阳高5.6级地震前，晋1-1水位于1999年6月开始了一个幅度较小的加速下降过程，地震前10d，一天内突降61mm，震后几天水位再次出现一次大的突降，降幅达162mm（图5c）。同样，该井水位在1991年大同、1996年包头地震前也表现出了较好的异常反映（图5b）。

5.4 2010年4月4日大同4.5级地震

晋1-1井水位在4月4日大同4.5级地震前约1h出现31mm的突升异常，震后于4月5日10时开始下降，到15时水位已恢复到原上升前的水平。在现场落实过程中发现泄流管管口被石头堵塞，取出石头，并用细铁丝捅开泄流管管壁的铁锈，水位恢复到上升前的水平。

由于动水位是相对于泄流量的水头变化，而不是真实的井水位，它反映了井涌水量与泄流量的变化。从多年的观测实践认识到，观测装置系统对动水位记录地震信息量是关键环节，观测装置系统发生改变，就难以真实反映来自含水层的应力变化［2］。

考虑到可能存在人为干扰的影响，4月6日13时40分重新放入震前堵塞泄流管管口的石头，井管内的水位变化应该会受到来自泄流管道内水流的影响。然而，当日17时40分取出，在此期间水位并未出现相应的变化。若4月4日的水位突升为石头堵塞所致，理论上应为一个持续的突升，而不是在水位突升后出现“持平”。据此认为，晋1-1井震前突升是临震异常，震后快速恢复是因捅开泄流管管壁的铁锈，流量突然增大所致（图6）。

6 晋1-1井水位异常特征

由上所述，晋1-1井水位震前所表现的特征归纳起来有以下几点：

（1）形态特征

a）晋1-1井水位对不同地震的映震效应不尽一致，从该井多年水位资料分析，震前所表现的异常形态主要有两种：一是突降－缓升的阶变型异常（图4、图5b），这类异常占统计时段异常总数的74%。二是突升－下降的阶变型异常（图5a、图7），占异常总数的26%。

b）大同－阳高老震区地震活动与水位曲线形态有着明显的相关性：当老震区有4.0级以上地震发生时，水位多数会出现上述情况，且都为短临异常。

（2）时间特征

由表1可以看出，晋1-1井水位震前出现的异常多以短期为主。按照中国震例异常时间划分规范，异常突出的12次震例中，短期异常9次，占统计总数的75%，中期异常1次，占统计总数的8%，临震异常2次，占统计总数的17%。

图6 2010年4月4日大同4.5地震前晋1-1井水位分钟值异常图

图7 晋1-1井水位整点值均方差曲线图

（3）空间特征

图8 晋1-1井水位异常对应周边地震震中分布图

由图8可以看出晋1-1井水位异常所对应发生的中强地震，多数都在北纬38°线以北的华北北部地区，在晋冀蒙交界地区表现的尤为密集，多次地震前有比较明显的异常显示。

（4）强度特征

从异常幅度与震级的关系上看，异常幅度有随震级增高而增大、随震中距增大而减小的趋势。如：1989年大同－阳高6.1级地震，异常幅度392mm，井震距61km；

1999年大同－阳高5.6级地震，异常幅度61mm，井震距69km；

1998年河北张北6.2级地震，异常幅度138mm，井震距121km；

2010年大同－阳高4.5级地震，异常幅度31mm，井震距57km。

7 结论与讨论

对晋1-1井水位异常的分析结果表明，该井对晋冀蒙交界地区的中强地震显示了较好的响应，虚报、漏报的情况较少。水位阶变异常表现出较好的映震效果，可能与其所处的构造部位有着密不可分的关系，水位阶变动态幅度大，异常易于识别，大动态变化几乎都与较大地震事件相关，该井对地震监测预报，尤其对首都圈地震监测预报有着重要意义。

然而，就地震预报效能而言，该井水位异常在时间上虽属短临，但短者几十分钟，长者达6个多月，仅靠单井资料，对未来地震的发震时间尚难作出较准确的估计；在空间上，虽以晋冀蒙交界地区较为集中，但地点较为分散，难以准确判定震中位置；在强度上，虽有异常幅度随震级的增高而增大之趋势、但也有异常幅度随震中距增大而减小的规律，地震的震级也难以准确判定。通过对22年来该井周围中强地震震例的对比分析，一方面看到较多的具有水位前兆信息的客观事实，是地震预报处于经验性阶段的主要工作基础之一，其中有些甚至是实际预报中主要的依据之一；另一方面，这些事实之间机理联系并不十分清楚。现在仍处于对地震预报的经验性、统计性阶段，多数情况下还是凭过去的震例经验，因此对该井的映震机理还有待于我们认真研究、不断探索。

［1］ 张淑亮，王爱英.大同镇川堡井水位阶变与地震关系初析［J］.山西地震，1994（3）：23-24.

［2］ 翟彦忠，张瑞芳，曾永忠，等.泄流量对动水位观测影响的分析［J］.华北地震科学，2008，26（4）：18-20.

Relationship between Water Level Anomalies in Jin 1-1Well and Moderate Earthquake in Shanxi-Hebei-Inner Mongolia Border Region

LI Hui-ling1，2，GAO Yun-feng1，2，JIA Jiong3，ZHANG Deng-ke4，GAO Cun-ying5，2
（1.Daixian Central Seismic Station，Shanxi Province，Daixian 034200，China；
2.National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Taiyuan 030025，China；3.Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050022，China；
4.Earthquake Administration of Datong city，Shanxi Province，Datong 037006，China；
5.Datong Central Seismic Station，Shanxi Province，Datong，037006，China）

In this paper，22year water level data of Jin 1－1well are processed and the relationship between water level anomalies and moderate earthquakes within 300km of the well is studied.The result shows that the anomalies are mostly abrupt short-impending anomalies less than 80days.Step-rising anomaly with amplitude of over 30mm and step-dropping anomaly with amplitude of over 40mm can be seen as seismic precursor.

water；abrupt anomaly；earthquakes；relationship

P315.723

A

1003－1375（2012）01－0033－07

2010-12-13

李惠玲（1980－），女（汉族），山西应县人，助理工程师，现主要从事地震监测工作.E-mail：king—ling＠126.com