兴济1井水位脉冲型变化与地震活动的关系研究

王鑫

(沧州市地震局，河北 沧州 061001)

兴济1井水位脉冲型变化与地震活动的关系研究

王鑫

(沧州市地震局，河北 沧州 061001)

通过收集和整理兴济1井1998年以来的静水位观测数据，以兴济1井为中心，半径260 km，ML4.0级以上地震为基础，对该井水位脉冲型异常变化的形态进行分析研究，探讨水位脉冲型异常形成的条件和机理，对该井水位资料映震能力进行评估。

映震效能；短临异常；负脉冲；地震预测

0 引言

80年代末沧州市地震局利用石油探井资源丰富的地理优势建成了以地下流体观测为主的区域性深井(1 250～3 420 m)前兆地震监测网，并取得了一批有价值的观测资料。通过二十多年的观测实践，存优去劣，不断优化台网布局和提高监测质量。兴济1井作为沧州地区主要的地下流体观测井之一，对本区的监测预报工作起了很大的作用。本项工作拟在通过对兴济1井水位动态变化与邻近地区地震活动之间对应关系的研究，探讨异常形成的条件和机理，对该井水位资料映震能力进行一个客观的评估。

1 井网的环境条件与布局

图1 沧州井网分布图

兴济1井位于河北省沧县薛官屯乡陆官屯村，井口海拔高程5.8 m。构造上处于沧东断裂带西侧，所处的构造部位是兴济凸起东翼斜坡。该井于1973年3月成井，井深1 735 m，裸眼段位于1 118.3 m以下，为奥陶系和寒武系灰岩、白云岩岩溶裂隙水层(表1)。

表1 兴济1井井孔地层柱状分层表

兴济1井为石油勘探井，原为自留热水井，水温40 ℃，流量3.2 m3/h。1976年6月开始观测水氡，1982年9月开始使用SW-40型水位仪进行动水位观测。该井地下水因区域地下热水开采的影响，于1998年断流，被迫停止水氡观测与动水位观测。于1998年9月改为静水位观测，水位年动态呈下降趋势，有明显的周期变化规律，年下降幅度在2.2 m左右(图2)。该井水位有明显的潮汐与气压效应，日潮汐最大可达20 cm(图3)，记录水震波能力很强，对全球大部分7级以上强震[1]都能记录到水震波，以2003年6月23日拉特群岛7.0级地震水震波为例(图4)。说明该井水位对地壳应力应变的反映能力也很强。

图2 静水位观测变化曲线图(1998.9-2012.12)

图3 水位固体潮、气压变化曲线图(2005.6.1-2005.8.1)

图4 2003年6月23日拉特群岛7.0级地震水震波

2 兴济1井震例与异常特征

兴济1井1976年6月开始进行水氡观测，水氡测项于1977年宁河MS6.3、1996年5月3日包头西MS6.4等强震前有过较好的异常反应[2]。兴济1井动水位自1982年9月用SW-40型水位仪观测以来，1982年10月19日11时和16时40分，分别出现了幅度为24 mm和70 mm2次脉冲型突跳，突跳后水位下降10～15 mm， 20时45分发生河北卢龙MS5.3级地震(图5)。兴济1井距卢龙地震震中260 km。

兴济1井自静水位观测以来对邻近地区4级以上地震有较好的对应关系。具体异常和震例如表2：

图5 1982年卢龙5.3级地震震前的水位变化曲线图

兴济1井水位自2011年7月水位曲线变的不光滑，有台阶出现，之后发现井孔中有异物，多次自行打捞，由于水位埋深40 m多，一直没有打捞成功。于2012年2月停测，3月7日进行了井孔清淤，3月9日正常运行。但是图形曲线效果一直不好，曲线出现小的台阶，当水位变化较小的时候会出现走直线的情况。经过多次调整浮漂和重锤仍不见好转。8月我们把沧13井的水位仪和兴济1井的水位仪对调，发现水位记录曲线恢复正常，所以应该是水位仪故障引起了记录曲线台阶的出现。

表2 兴济1井异常和对应地震效果表

图6 2000年唐山(陡河)4.3级地震前水位变化曲线图

图7 2003年天津宁河地区2次4级以上地震震前水位变化曲线图

图8 2005年1月14日天津宝坻ML3.7级地震震前水位变化曲线图

图9 2006年7月4日文安5.1级地震前水位变化曲线图

兴济1井水位在2012年4月11日苏门答腊西海岸的2次8级以上地震都没有记录到水震波。然而2004年12月26日印尼9.0级地震，兴济1井水位曾经出现了强烈的水震波效应，同时2012年5月28日发生的唐山4.8级地震和6月18日发生的河北玉田与天津宝坻交界地区的4.1级地震震前也没有水位脉冲形态的变化。我们认为可能的原因有三：

(1)始终没有脉冲形式的异常发生。按照以往的震例经验，兴济井水位也出现过漏报的情况，即水位没有出现异常，邻区却有地震发生的情况。所以始终没有脉冲形式的异常是有可能的。

(2)异常发生在水位停测期间。如果异常发生在停测的2—3月期间，我们是观测不到的，不过从时间上看3月9日恢复正常观测，到5月28日唐山4.8级地震发生时间间隔是80 d，也就是说异常发生的时间间隔大于80 d。

(3)水位仪的问题使水位观测灵敏度降低，没有记录到脉冲异常。2012年3月9日—6月30日全球共发生7级以上地震5次，其中最大地震是发生在2012年4月11日的北苏门答腊西海岸的8.6级和8.2级地震。水位原始记录图上均未记录到水震波，可见水位仪的灵敏度大大降低。如果在此期间发生水位脉冲型异常，在原始图纸上也不会被记录到。

由表2可以看出，自1998年改为静水位观测以来，兴济1井水位异常有以下几个特点：

(1)异常特征：兴济1井水位异常形态均为单个负脉冲或多个负脉冲的形式出现。5个震例中，除2000年6月25日唐山ML4.3级地震以外，其余4次均为单脉冲型。

(2)异常均属短临异常。从5次震例可以看出兴济1井水位开始出现异常和异常结束的时间都集中在短临阶段。由表2可知，①对于单个的脉冲异常来说异常至发震的最长时间为15 d，最短时间是十几个小时之后发震。异常至发震平均时间7.5 d。②对于多脉冲异常，从第1个脉冲开始至发震时间间隔70 d，最后1个脉冲至发震时间间隔为1 d。

(3)异常与地震活动范围。从图10可以看出，距离最近的地震是2006年7月4日的文安5.1级，井震距为75 km，最远的是1982年10月19日的卢龙5.3级地震，井震距为260 km，目前从映震的范围看，在以兴济井为圆心的周围260 km范围内，自1998年10月至2012年12月31日，在兴济1井260 km的范围内发生4级以上地震18次。其中6次地震震前出现过水位脉冲异常。其中以第一象限区域为主要映震地区，即天津和唐山老震区。

(4)异常幅度与震级、震中距的关系。震级随异常幅度的增大而增大，随震中距的增大而减小，但未呈现明显的函数关系。

(5)异常重复性好，可对比性强，容易判定。多次震例表明，该井水位变化的异常形态都为负脉冲型，异常出现的时间、异常幅度等都显示出较好的重复性特征。因此异常易于识别和判断。

图10 兴济井对应地震分布图

3 异常机理探讨

脉冲型水位变化的主要特点是，其表现的时间临近地震发震时刻，因而可能是临震前应力、应变状态急剧变化的反映，是大破裂发生前岩体不稳定状态的外在表现[3]。

从兴济1井的异常变化与大范围的地震的活动关系可以看出，它所处的构造部位在大范围乃至全球规模的应力活动中易于受到牵动。所反映的信息多数情况下可能并不是直接来自震源，而是区域应力场“应力-应变事件”的反映，即与震源主要的关系不是因果关系，而是同源关系[4-7]。兴济1井水位的异常变化可能与这些地震震源应力场的应力-应变状态没有直接的关系，可能仅仅是在区域应力场的作用下，兴济1井所在的沧东断裂受到牵动而产生的，主要是区域应力场变化的反映。当然，在地震孕育过程中，由于各个应力集中点(包括震源这个特殊应力集中点)之间的相互影响和相互制约，在一定程度上这种异常也会受到震源应力场的间接影响。对于兴济1井动水位观测期间出现的前兆异常是正脉冲，而静水位观测之后，出现的前兆异常为负脉冲，可能与井位于兴济凸起东翼斜坡有关，兴济凸起东翼斜坡在局部构造形态处于拉张状态。

4 映震效能评价

4.1 统计原则

异常选取的标准一是形态上表现为负脉冲变化(单个或多个)，二是脉冲的幅度超过13 mm，三是异常出现的时间：单个脉冲最长时间15 d，多个脉冲最长时间为70 d发震。选取的映震范围一般以天津和唐山老震区为主。

4.2 统计结果

兴济1井自1998年9月进行静水位观测以来共出现异常7次，其中有震异常5次，无震异常2次。漏报的4级以上地震5次。(由于多种因素原因导致水位原始图形没有记录到2012年5月28日唐山4.8级地震和6月18日的玉田宝坻4.1级地震的震前异常变化，故作无前兆异常进行统计。)

4.3 评价

(1)兴济1井水位映震能力较强，水位脉冲型异常变化与天津和唐山老震区的中强地震有较好的对应关系，虚报的情况较少，会有漏报现象发生。

(2)兴济1井自2012年3月份进行井孔清淤并没有使该井井孔状态发生改变，但一直没有水震波记录，主要原因是水位仪故障，更换同型号SW-40型水位仪之后,观测数据得到了很大的改善。

(3)利用单井水位变化确定异常来判断发震的三要素目前仍然存在着较大的局限性，对于单个脉冲的异常从时间上判断相对容易，但是多个脉冲的异常很难从时间上把握。强度和地点上只能凭借震例经验。采用多测项多台站数据综合对比观测对地震预测的可信度更高。

致谢：本文在成文过程中得到了河北省地震局预测研究中心张素欣正研级高级工程师的悉心指导和兴济中心台的大力支持，在此表示感谢！

[1]国家地震科学数据共享中心. 中国地震台网统一地震目录.

[2]车用太，金鱼子，董守玉，等.地下流体典型异常的调查与研究[M].北京：气象出版社，2004.

[3]汪成民，车用太，方万堃，等.地下水微动态研究[M].北京：地震出版社出，1988.

[4]万迪堃，汪成民，李介成，等.地下水动态异常与地震短临预报[M].北京：地震出版社，1993.

[5]尤宇星，陈小云，谢文杰,等.泉州地区地下水位观测资料初步分析[J].华北地震科学，2014，32(1):65-72.

[6]呼晶磊，张子广，盛艳蕊. 2000年以来马17井水位、气压观测资料分析[J]. 华北地震科学，2013，31(1):51-58.

[7]张昱，常千军，陈瑶，等. 甘肃省地下水观测资料效能评估结果分析[J].华南地震，2012，32(4):20-28.

Study of Relationship between Pulse Type Change of Water Level at Xingji-1 Well and Seismicity

WANG Xin

(Earthquake Administration of Cangzhou, Hebei Cangzhou 061001, China)

Based on collecting and sorting of Xingji-1 well water level data since 1998 andML≥4.0 earthquakes within the range of 260 km from the well, the pulse type changes of the water level are studied to explore the cause condition of the water level anomaly and the mechanism of the pulse type changes. In the end, the earthquake reflecting ability of the water level data of Xingji-1 well is evaluated.

earthquake reflecting ability; short-term precursor anomaly; negative pulse; earthquake prediction

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.04.009

2014-08-21

河北省地震科研基金项目“兴济1井水位脉冲型变化与地震活动的关系研究”

王鑫(1980—)，男(汉族)，工程师，主要从事流体的地震监测预报工作.E-mail：304960816@qq.com.

P315.723

A

1003-1375(2014)04-0044-06