通河水位与延寿水位短临异常的映震特征

孟令蕾，秦丽岩，孟令升，谭 佳，李继业，任建辉

（1.哈尔滨市防震减灾技术中心，黑龙江 哈尔滨 150021；2.碾子山地震台，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

通河水位与延寿水位短临异常的映震特征

孟令蕾1，秦丽岩1，孟令升2，谭 佳1，李继业1，任建辉1

（1.哈尔滨市防震减灾技术中心，黑龙江 哈尔滨 150021；2.碾子山地震台，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

通过对通河地震台、延寿地震台多年水位数据的分析，发现通河地震台与延寿地震台水位对周边中强地震有一定的响应。统计了扰动异常与地震的对应关系，总结了通河、延寿水位几次扰动异常形态、特征、指标。通河地震台和延寿地震台水位出现扰动异常，且扰动成组出现，持续几个小时以上，最大振幅超过7mm，最大周期超过6min，异常结束后一个月之内在测井周边550公里范围内，有发生3.0级以上地震的可能，其扰动持续时间越长，震级越大。

水位；水位扰动；地震

0 引言

地下水作为一种极其活跃的物质参与了地震的孕育、发生的全过程［1］。在地壳深处（几千米至十几千米）孕育与发生地震的过程，是孕震体受力的作用而破裂的过程；这个过程波及到地壳浅部（几百米至几千米）时，含水层的受力状态发生变化，引起空隙压力的变化，同时导致含水层水流状态的变化；这些发生在含水层中的变化，通过含水层中的观测井或与含水层相连通的泉中表现出来。由于地下水具有普遍性、流动性与难压缩性的特点，能客观地、灵敏的反映地壳中应力应变状态的变化［2］。在1966年邢台地震后，在全国进行大规模地下水位观测，发现多次中强大地震前均能观测到地下水异常变化，积累了大量震例。人们对地下水异常也进行了大量研究［3-6］，主要是四川、云南、河北等地，黑龙江地区对此研究较少。本文通过对延寿地震台、通河地震台水位资料分析，统计水位扰动与地震的对应关系，对水位短临异常的映震特征进行了总结。

1 数据选取

本文对通河地震台和延寿地震台水位观测井数字化观测以来的数据进行了分析。两水位观测井受人为干扰较小，数据较好。观测手段位于依舒断裂带上，依舒断裂带是控制松辽盆地形成的主要深大断裂之一，该断裂分布地区也是地震多发地带［7］，对监视区域应力—应变场的调整与变化起着一定的作用，具备捕捉异常信息的有利条件。

1.1 测井基本情况

延寿地震台位于哈尔滨市延寿县玉河乡新城村，距延寿县城16km，海拔高程256.51米。主要地质构造为北东向依兰—舒兰断裂带，北西向尚志断裂带和岔林河断裂带，台基岩性为坚硬完整的燕山期花岗岩（图1）。依兰—舒兰断裂带是控制松辽盆地形成的主要深大断裂之一，该断裂分布地区也是地震多发地带。黑龙江萝北曾发生过4.5～5.8级浅源地震，通河1700多年前曾发生过7.5级左右强震，通河、方正、佳木斯等地小震活动频繁。延寿地震台于2007年6月在寿2号观测井中安装了LN-3A数字水位仪延，井深200米，探头投放深度29.40米（探头距井口距离）。由于2008年9月12日3时遭雷击更换探头，现投放深度为29.54米，仪器安装至今运行状态良好，连续率较高。自开始记录以来，水位仪、水温仪都能够较好的记录到地下水固体潮汐，仪器运行状态良好。

通河地震台成立于2004年10月成立，地处富林乡岔林村，距通河县城4km，海拔高程260米。通河1井始建于2007年5月，流体测量井深200米，隶属于黑龙江省前兆十五项目地下流体观测网（图1）。2007年6月开始观测，水位观测仪器为LN-3A型数字水位，水位埋深为7.24米，数据内精度较好。通河地震台岩性为花岗岩，处于伊春—延寿地槽北段，周边存在北东向依舒断裂、东西向通河断裂以及北西向岔林河断裂。观测环境良好，数据产出质量较稳定，水位仪可以较清晰地记录到固体潮，仪器总体运行情况良好。

图1 台站地质构造Fig.1 The tectonic map near the seismic station

1.2 水位扰动与干扰

为了更好的识别水位扰动与干扰的区别，本文总结了通河地震台与延寿地震台水位常见的几种干扰形态。多年的地下水微动态研究结果表明，井水位对地壳中含水层应力—应变的响应域是较广的，可记录地震波中的瑞雷波、潮汐波动、气压波动、风扰波动等［2］。除此外，井水位动态还受降雨（补给、荷载）、地下水开采和其它干扰因素的影响。在研究水位扰动与地震的对应关系时就必须排除非震源信息的干扰。通过对多年地下水位资料分钟值曲线的分析，本文总结了通河地震台和延寿地震台水位常见的干扰形态，主要有仪器干扰、附近农田灌溉用水干扰、观测井周围施工干扰、延寿台冰裂期干扰等。

图2 仪器干扰形态（a零点突跳、b仪器干扰Fig.2 Instrument interference pattern

仪器干扰：通常为固定时间（如零点突跳）出现同样幅度的数据变化，剔除干扰数据后，潮汐形态正常，数据前后无重大变化，是受到了时间和强度均相对固定的外来信号的干扰，如供电系统或采样软件存在问题。或为正常曲线变化下的脉动变粗，形态较规则，振幅、周期相对固定干扰有一定规律的波动，多为供电系统不稳定造成（图2）。

仪器电压干扰：断电或者UPS稳压电源供电不稳定，也时常影响观测，数采电压不稳造成的干扰通常为分钟值的陡升或陡降，经过一段时间恢复原形态（图3）。

图3 电压干扰（a通河台、b延寿台）Fig.3 Voltage disturbance（a Tonghe seismic station，b Yanshou seismic station）

图4 延寿台冰裂期干扰Fig.4 Ice crack period interference in Yanshou seismic station

延寿台冰裂期干扰：延寿地震台静水位观测井在4、5月处于冰裂期，由于春季气温回暖，井壁反霜，曲线有不规则的波动，形态与扰动近似（图4）。

2 历次水位扰动总结

井—含水层系统对地壳应力应变信息具有显著的放大效应。由于地下水具有普遍性、流动性与难压缩性的特点，当它形成具有一定封闭条件的承压系统时，就能客观地、灵敏地反映地壳中应力应变状态的变化［3］。

地震前应力场的变化使地壳局部发生变形从而引起水位异常。当应力集中，岩层被挤压，其孔隙率变小，水压增大，水位上升；相反，若应力产生拉伸作用，岩石的孔隙率因为张力而变大，水压变小，水流返回含水层，致使水位下降［2］。由于观测井周边的应力、应变变化能引起含水层的动态变化。所以通过对震前由含水层应力应变引起的地下水微动态变化的分析研究，能够发现通河台、延寿台静水位出现的几次扰动异常变化可以对一些地震产生映射（表1）。

表1 水位扰动异常与地震对应关系表

2.1 通河台水位扰动分析

图5 通河水位扰动Fig.5 Disturbance of the water level in the Tonghe seismic station

通河水位观测至今共记录7次震前扰动：2008年7月7日黑龙江龙江4.6级地震前4天，距震中440km的通河台水位出现扰动，扰动主要集中在7月3日20～23时和4日1-2时，共出现2组，持续时间5h、最大振幅11mm、最大周期6min，扰动消失后84h发生地震（图5a）；2009年8月5日5-6时、8-9时、11-12时、13-14时，共出现4组扰动，扰动结束后6小时，距通河台430km的吉林抚松发生4.6级地震，持续时间5h、最大振幅8mm、最大周期11min，地震后通河水位在11、12、15日又出现扰动，具体原因有待进一步分析（图5b）；2009年11月21日黑龙江密山3.0级地震前25天距震中245km的通河台水位出现扰动，扰动主要集中在10月27日18-19时，11月28日1-2时，共出现2组，持续时间4小时、最大振幅6mm，最大周期10min，扰动后24天发生地震（图5c）；2009年12月19日黑龙江鸡东4.1级地震前18天，距震中距230km的通河水位出现扰动，扰动主要集中在12月1日4—5时、12月2日5—6时、12—13时，共出现3组，持续时间5h、最大振幅7mm、最大周期20min，扰动消失后17天发生地震（图5d、5e）；2010年3月10日黑龙江友谊4.1级地震前36天距震中距230km的通河台水位出现扰动，扰动主要集中在2010年2月2日16—19时、0时—3日1时，最大振幅7mm、最大周期11min、持续时间5小时，异常结束后36天发生地震（图5f）；2010年7月18日黑龙江虎林3.6级地震前43天距震中距270km的通河台水位出现扰动，扰动集中在6月5日8时、9—12时，共出现2组，持续时间5小时、最大振幅11mm、最大周期11min，扰动结束后43天发生地震（图5g）；2010年9月15日黑龙江汤原3.0级地震前距震中距150km的通河台水位出现扰动，扰动集中在9月14日15—17时和20—21时，持续时间3小时、最大振幅8mm、最大周期15min，扰动消失后20小时发生地震（图5h）。

2.2 延寿台水位扰动分析

延寿台自观测以来较典型的例子是2008年6月10日阿荣旗5.2级地震前的延寿台水位出现扰动，共出现6组，主要集中在2008年6月4日9—14时、20时—5日9时、6日4～17时、22时—7日3时、7日9～14时和18时～8日11时，持续时间38小时、最大振幅为32mm、最大周期15min，异常消失后52h发生内蒙古阿荣旗5.2级地震，震中距550km（图6a，图6b）；2010年3月10日黑龙江友谊4.1级地震前14天距震中距240km的延寿台水位出现扰动，扰动主要集中在2010年2月25日11—15时，最大振幅9mm、最大周期8min、持续时间6小时，异常结束后14天发生地震（图6c）。

图6 延寿水位扰动Fig.6 Disturbance of the water level in Yanshou seismic station

3 水位映震分析

3.1 映震特征

本文研究的水位扰动为短临异常，根据上述所列水位扰动与地震对应关系的资料，结合前人研究［8.9］，通河、延寿水位短临异常的映震特征可归纳为以下几点：

（1）扰动形态：是水位曲线在正常潮汐变化曲线上出现不规则的波动，其波动幅度较大，最大振幅超过7mm，具有一定的周期，最大周期超过6min，这种不规则的波动持续几个小时并成组出现；

（2）时间特征：水位扰动异常一般持续几个小时至两天内，异常结束后一个月之内可能发生地震，最快数小时内发生地震；

（3）空间特征：从台站的位置和实际地震空间分布来看，对台站东部和西部地震较为敏感，尤其是台站西北部400～550km和台站东北部150～250km。这一点可能跟这些地区地震较为活跃，可总结地震较多有关；

（4）强度特征：水位扰动持续时间与震级存在一定的正比关系，异常持续时间越长，震级越大。异常持续时间大于30小时，相应震级可能在5.0以上。异常持续时间短的震级相对来说较小。其最大振幅似乎与震级大小有一定关系，虽然个别震例不明显。能记录到震前水位扰动的震级下限是3.0。

3.2 机理分析

大量理论与实验研究表明，在地震破裂成核过程中或进入非线性的临界状态阶段，会出现短时的信号［9］，水位异常扰动可能就是这种信号。

（1）要有较好的水位测井。对于封闭良好的承压含水层来讲，井—含水层系统相当于高灵敏波的传播提供最佳通道，也是井水位在强地震前记录短暂信号的必要条件［11］。延寿台和通河台水位观测仪器就具备这样的条件。相当于在地表安装在地表附近的高灵敏度应变仪，它能反应出10-7—10-9的应变量［3］。

（2）要有宽频带、高灵敏度、高精度、高采样率和高分辨率的传感器系统。系统干扰和环境干扰容易淹没地震前短时信号，需要有效的观测仪器，才能记录到包含地震信息的有效数据。有些近场区中强地震前可能产生微弱的信号，要记录和研究这些信号，需要有一定带宽和高灵敏度的记录仪器，并具有较高的采样率和分辨率，满足这些参数的前兆观测设备是记录的基础观测条件。

（3）要记录到强震前的微弱信号，就必须找到前兆敏感点，使记录位置处于地震信号的最佳通道［12］构造的特殊部位上。依舒断裂带是黑龙江省东部地区地震活动的主要构造带，由于长期受太平洋板块俯冲力和侵入岩活动的作用，其下部边缘（兴凯湖一布列亚山地块）已侵入太平洋板块，成为环太平洋板块陆缘构造域的一部分。该断裂上的地震活动最能反映西太平洋板块对东北地区的作用。延寿台水位测井和通河台水位测井正处于这个位置，认为这两个台站在前兆敏感点上。

4 结论与讨论

本文通过对通河、延寿静水位资料的系统分析，统计了扰动异常与地震的对应关系，总结了通河、延寿水位几次扰动异常形态、特征、指标。探讨了其映震机理。由于两个台站资料分析比较单一，捕捉信息量不够。资料有限，震例较少，出现扰动后仅能判定近期观测井周边有可能发生地震，震级大于M3.0级，优势方向为测井东西两侧。为了能更好的将本方法运用到分析预报中，需继续总结震例并结合测震、电磁、形变等方法进行综合分析。

致谢：在撰写论文期间，黑龙省分析预报中心的石伟同志对我的论文提出了宝贵意见，在此表示衷心的感谢。

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THE WATER STAGE OF THE TONGHE SEISMIC STATION AND YANSHOU SEISMIC STATION REFLECTING SHORT-TERM ANOMALIES OF THE EARTHQUAKE CHARACTERISTICS

MENG Ling-lei1，QIN Li-yan1，MENG Ling-sheng2，TAN Jia1，LI Ji-ye1，REN Jian-hui1

（1. Harbin Technical Center of Earthquake Prevention and Disaster Reduction，Heilongjiang Harbin 150021， China；
2.Nianzishan Seismic Station，Heilongjiang Qiqihar 161000，China ）

Through years' data analysis of the water stage of TongHe ，YanShou Seismic Station，the author finds that the water stage of TongHe，YanShou Seismic Station has a certain response on surrounding moderately strong earthquakes .At the same time， it counts the correspondence between abnormal disturbance and earthquake，and summarizes morphology，charateristics，indicaters when abnormal disturbance of the water stage of TongHe，YanShou occurred several times before. The disturbance occurs in groups ，continues for several hours and its maximum amplitude is more than 7mm and the maximum amplitude is more than 6min. 3.0 earthhquake may occur within one month and 550Kmarround longing after disturbance ends. Meanwhile， the longer the disturbance continues， the greater the magnitude becomes.

water stage； water disturbance； earthhquake

P315.72

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.007

1674-8565（2016）03-0034-07

2016-05-06

2016-06-22

孟令蕾（1987-），女，黑龙江省依兰县人，2009年毕业于防灾科技学院，本科，助理工程师，现主要从事地震预报与地震监测等工作。E-mail:422478534@qq.com