宁晋井水位潮汐因子响应比异常特征分析

于 伟

（1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026；2.邢台市地震局，河北 邢台 054001）

宁晋井水位潮汐因子响应比异常特征分析

于 伟1，2

（1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026；2.邢台市地震局，河北 邢台 054001）

应用加卸载响应比的理论，对宁晋井水位数据进行加卸载响应比计算，结果表明，在2002年4月22日邢台M4.8级地震前存在加卸载响应比异常，该方法可作为今后邢台及邻区一项中短期地震趋势预测异常依据。

井水位；加卸载响应比；潮汐因子；异常特征

0 引言

从力学的角度看，地震孕育过程的物理实质就是震源区介质的损伤、破坏或失稳，并伴随着能量快速释放的过程，因此地震孕育过程确切地说就是震源区介质的损伤演化过程。1987年，尹祥础教授根据震源区介质的破坏即非线性系统失稳这一自然现象，提出了加卸载响应比理论这一新的地震预报方法。张昭栋等专家将该理论和方法运用到地下水数据资料分析中，取得了较好效果。宁晋井是位于邢台老震区的唯一一口深水观测井，本文拟用加卸载响应比的方法来研究该井地下水位变化，以提取邢台老震区及邻区中强地震前异常信息，并研究其异常特征，为地震预测提供前兆依据。

1 原理与方法

加卸载响应比理论的关键与核心就是将孕震区作为一个非线性系统，设法对该孕震系统输入某些信号，然后重点观测该系统在临近失稳时对输入信号的各种响应。

设当一系统载荷的改变为ΔP时，其响应的改变为ΔR。当系统稳态（载荷为P0）时的响应率为ΔR0／ΔP0，载荷为P1时的响应率为 ΔR1，则系统对于P1的响应比F1为

系统加载（增量为ΔP＋）引起的响应率为ΔR＋／ΔP＋，卸载（增量为 ΔP-）引起的响应率为ΔR-／ΔP-，则系统的加卸载响应比F为

当系统处于稳定状态时，ΔR＋＝ΔR-；当系统偏离稳定状态时，ΔR＋＞ΔR-，即使ΔP＋＝ΔP-，ΔR＋也大于ΔR-。偏离程度越大，ΔR＋＞ΔR-的程度也越大。由此可得出，F与F1皆能定量说明体系趋向失稳的程度，并描述孕震系统所处的状态［1］。

对穿过封闭承压含水层的水井能够反映地球固体潮的认识已有100多年的历史。由于井水位响应的量值与含水层的弹性性质有关，水文地质学家、地球物理学家和其他地球科学家都对用含水层的弹性参数解释这种响应的方法感兴趣，开展了大量的研究工作［2－3］。从理论上证明了深井水位的潮汐是水井含水层对地壳固体潮体应变的响应。以固体潮的振幅因子来探测地震孕震区的思路与方法，实际上就是对孕震系统的响应率的研究。一般来说，振幅因子是对固体潮应力整个加卸载过程的总的平均力学响应；而加卸载响应比则是将整个加卸载过程的响应率分为加载响应率与卸载响应率，再研究其比值。事实上，含水层不仅受固体潮应力作用，而且还有构造应力作用，由此，含水层的应变是两者作用的结果，即

式中：σt为潮汐应力；σs为构造应力；E（t）为介质的杨氏模量，其值随受应力作用的地层岩性不同而不同。当时间很短时，认为构造应力变化不大，则有

即潮汐应力引起岩石的潮汐应变，此应变又影响含水层的应变（如果这个含水层与震源区较近），导致含水层孔隙压力发生变化，表现为承压井水位也发生变化，所以近震源区的承压井水位有可能观测到震前非线性失稳的变化。

实际上，地下水位固体潮观测对固体潮应力加卸载的响应可由类似于对固体潮资料分析的Nakai拟合模型获得［4］。

本文以相应的体应变固体潮理论值Θ作为加卸载方式，选取N＝72（即3天的整点值数据为1组），对宁晋井1997—2008年的地下水位固体潮观测数据进行加卸载响应比值计算，求取加卸载振幅因子比来分析。

2 井孔概况和水文地质条件

宁晋井位于河北省宁晋县苏家庄乡李羊盃村南，地理坐标为115.12°E，37.76°N，孔口标高33.90m，位于华北沉降带的宁晋凸起东部斜坡带，井位在束鹿断裂带上，东侧为百尺口断裂带，西侧为柏乡断裂带。该井井深2003.78m，观测层深度1899.0～1919.0m，为含水层岩性观测砂质灰岩，地下水类型为岩溶裂隙承压水［5］。补给区在太行山一带，但不受降雨直接补给。水位微动态存在较明显的固体潮效应，气压效应较明显，如图1所示。

图1 宁晋井水位固体潮效应和气压效应（1999年3月1—31日）

3 资料处理与异常分析

（1）排除气压干扰。由于井下水位是地壳含水层孔隙压的反映，承压井水位对含水层的应力反应较灵敏，影响水位变化的干扰较多。气压对宁晋井是主要干扰，应设法从井水位的观测资料中扣除气压的影响。本文采用日值一阶差分回归分析方法进行气压扣除［6］。水位日均值主要受气压和水位趋势性升降的影响，后者在不太长的计算时段内（一般取月长度）近似为直线升降，这时有：

H（t）为水位日均值，Q（t）为气压日均值。第1项只是时间t的一次线性函数，这就使得有可能将此二元回归化为一元回归来解，两边求一阶差分得：

在一个月长度的资料中，按筛选原则（ΔH（t）与ΔQ（t）符号相反者不取；ΔH（t）／ΔQ（t）＞10mm／hPa者不取）筛选掉不合理的数据，然后作一元回归分析，bP为所求的气压系数。其方法优点是：采用水位日值序列，已基本去掉了潮汐引力对水位的影响；通过筛选原则，基本上可把降雨等随机干扰筛选掉，水位和气压的相关程度较高，所求气压系数比较合理、准确。采用日值一阶差分回归分析方法，宁晋井水位和气压日均值一阶差分的相关性为0.9706，在置信水平α＝0.01上显著相关［5］。以此系数进行水位气压改正，得出改正后的水位。

（2）震例选择。为检验振幅因子响应比方法在宁晋井中的预测效能，需要对其进行震例检验。根据流体学科其它分析方法震例总结的经验，同时考虑到邢台本区地质构造情况，本文选择以观测井为中心Δ≤100km范围内M4.0～4.9级地震，Δ＝101～200km范围内M5.0～5.9级地震。从1997年到2008年底，符合条件的地震有2次：2002年4月22日邢台M4.8级地震，距离该井约76km；2006年7月4日文安M5.1级地震，距离该井约165km。

图2 宁晋井水位加卸载振幅因子响应比计算结果

（3）振幅因子响应比计算。将经过气压改正后的水位整点值进行加卸载响应比计算，计算结果显示，平时水位振幅因子响应比值在l附近上下波动，震前异常表现为大幅单值突跳现象，在2002年1月22日，该井出现78.12的高值响应，时间上距离4月22日M4.8级地震为90天。为此，根据震例检验结果，可选用3倍标准差作为提取异常的方法（1997—2008年振幅因子响应比总体平均值为1.1）。从计算结果可看出，固体潮加卸载响应比方法可以有效提取地震前兆信息。

4 基本认识

（1）宁晋井加卸载响应比异常形态主要表现为单点高值突跳。根据加卸载响应比理论，在构造应力和能量累积的过程中，这一区域的地壳介质严重损伤，地壳介质将对外界任何微小的扰动（例如潮汐应力）都很敏感，而敏感时间段只占整个时间窗非常小的一段。另外，一次中强震前，地下水位不仅有趋势变化，而且也可能有突升或突降现象。这种突升或突降现象也有可能造成加卸载响应比单点高值突跳现象。

（2）在时间上，异常出现在震前3个月，单点高值突跳后，恢复到正常背景值左右，临震前、震时、震后均无异常高值。

（3）对距离较远的中强震，井水位加卸载振幅因子响应比值基本无明显异常。如2006年7月4日文安M5.1级地震，距离该井约165km，震前该井加卸载振幅因子比未出现明显异常值。可能是由于震源孕育过程中，承压井含水层离震源区较远，难以观测到震源区介质发生的非线性失稳，井水位的变化可能是震源区介质非线性失稳变化次生效应的反映［7］。

（4）通过研究分析，宁晋井水位震前存在加卸载响应比异常。研究结果可为今后邢台及邻区中短期地震趋势预测提供一项较好的异常依据。同时，加卸载响应比方法还有待进一步应用到河北省地下水观测网的数字化资料中，深入研究群井异常与地震三要素的关系。

［1］ 尹祥础，尹灿.非线性系统失稳的前兆与地震预报［J］.中国科学（B辑），1991，21（5）：512-518.

［2］ 张昭栋，郑金涵，冯初刚.深井水位的固体潮响应［J］.地震学报，1991，13（1）：66-75.

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［5］ 张子广，盛艳蕊，张素欣，等.井水位对气压扰动的响应［J］.地震研究，2010，33（2）：170-175.

［6］ 国家地震局科技监测司.地震地下水手册［M］.北京：地震出版社，1995：302.

［7］ 中国地震局监测预报司.华北地区强地震短期前兆特征及预测方法研究［M］.北京：地震出版社，2005：295-314.

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Analysis on Earth Tidal Factor Load-unload Response Ratio Anomaly of Water Level in Ningjin Well

YU wei1，2
（1.College of Geoexploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China；
2.Earthquake Administration of Xingtai city，Hebei Xingtai 054001，China）

Using the method of load-unload response ratio，the observation data of water level in Ningjin well are processed，the result shows that there is load-unload response ratio anomaly before Xingtai M4.8earthquake，the method can be used as a basis method in the medium and short term earthquake prediction in Xingtai and its surrounding area.

water level；load-unload response ratio；earth tidal factor；anomalycharacteristics

P315.723

A

1003－1375（2012）01－0040－04

2010-12-29

河北省地震局青年地震科研基金项目

于伟（1975－），男（汉族），河北赵县人，吉林大学地球科学探测科学与技术学院在职研究生，主要从事地震监测预报工作.E-mail：advance＠eq-he.ac.cn