石泉井水位异常与九寨沟7.0级地震关联性探讨

吴明 杨晓东 刘洁

摘要：

选取2014—2020年共计7年的石泉流体井水位整点值数据，结合小波分析方法及区域构造分析，研究石泉井水位长期异常变化的可能原因。结果表明，石泉水位异常活跃主要发生在2017年8月8日九寨沟地震之后，利用小波分析提取高频异常信息效果较好，九寨沟7.0级地震后的区域断裂活动加强或九寨沟地震造成的断裂周边含水层渗透性发生变化可能为导致石泉井水位长期异常的直接原因，未来月河断裂石泉段附近断层活动性值得进一步关注。

关键词：

水位; 九寨溝地震; 南北地震带; 石泉; 月河断裂

中图分类号： P319      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2023）02-0441-06

DOI：10.20000/j.1000-0844.20210809002

Discussion on the correlation between the water-level anomaly

of the Shiquan well and the Jiuzhaigou M7.0 earthquake

WU Ming， YANG Xiaodong， LIU Jie

（Shaanxi Earthquake Agency， Xi'an 710000， Shaanxi， China）

Abstract：

In this paper， we selected the integral point value data of the Shiquan fluid well water level in 7 years from 2014 to 2020 and combined them with the wavelet analysis method and regional structure analysis to study the possible reasons for the long-term abnormal change in the Shiquan well water level. The results show that the water-level anomalies of the Shiquan well mainly occurred after the Jiuzhaigou M7.0 earthquake on August 8， 2017. The wavelet analysis method is effective in extracting high-frequency abnormal information. The strengthening of regional fault activity after the Jiuzhaigou M7.0 earthquake or the change in aquifer permeability around the fault caused by the earthquake may be the direct cause of the long-term abnormal water level in the Shiquan well. The fault activity near the Shiquan section of the Yuehe fault deserves further attention.

Keywords：

water level; Jiuzhaigou earthquake; the north-south seismic belt; Shiquan; Yuehe fault

0 引言

地震是地壳构造运动能量释放的一种外在表现形势，地下水作为存在于地壳的常见介质，是间接观测地震活动的重要前兆手段。但地下水位异常往往因素各异，甚至是由多因素综合所造成。降雨、周边水库蓄放水、地下水开采、观测仪器异常、构造运动等属常见的水位异常的干扰因素，如何排除次要干扰因素找寻主要因素将影响对异常活动的正确认识。

石泉流体台静水位从观测以来长期存在水位异常（图1），主要表现为短时间快速阶升、阶降或趋势转折，持续时间通常为数小时至数十小时，变幅从厘米级到米级，异常无固定发生时间。针对石泉地下井水位的异常，陕西省地震局曾多次组织专门人员前往现场进行异常调查［1］，从仪器状态、地下水开采、井孔漏水、同震效应、河流水位变化等方面作异常分析。分析的结论为：在观测系统方面，通过比测、井下电视等多种手段，对观测系统进行了详细调查，结果显示石泉水位观测仪器工作正常，井管无破裂、错位等情况;对周围开采、河流水位、水库库容及储放水、井水物质来源分析等与石泉水位阶变进行对比分析认为，降雨、池河水位流量、石泉水库储放水等对水位变化有一定的影响;2020年6月21日后石泉水位升至泄流口异常与池河水位及降雨增大有较大关系。

前人研究已基本排除仪器工作异常、井管破裂、位错等干扰可能，现有研究显示降雨、水库蓄放水等因素对石泉井水位异常可能存在一定影响，但较为有限。本文从数据分析的角度，结合小波分析方法，探讨石泉井水位长期异常与构造活动的关联性，以期为今后类似井水位异常分析提供参考。

1 观测井概况及周边断裂

石泉流体台（图2）位于陕西省石泉县池河镇明星村（32.98°N，108.32°E），处于南秦岭构造带内，构造单元属于南秦岭南部—北大巴山北部逆冲推覆系，初露地层除古穹隆基地层外，主要是古生代变质岩，绢云千枚岩发育，志留系出露比较广泛［2］。石泉井于2010年11月开凿完成，成井深度300 m，钻孔直径350 mm，含水层为志留系千枚岩裂隙承压水，大气降水补给是含水层的主要补给源。井孔内地表至地下191.11 m的井管为直径311 mm的钢管，地下191.11～300 m为直径219 mm的滤水管。该井从2013年4月开始正式观测，观测设备包括ZKGD3000-N型水位仪、SZW-1A型水温仪和WYY-1型气象三要素仪。

石泉周边主要活动断裂包括月河断裂、三花石—汉王城—双河口断裂、兴隆断裂等，石泉井所在池河流域主要受月河断裂控制。月河断裂西北起石泉北（图2），向东南经汉阴，直到安康南，长约140 km，走向NW，倾向NE，倾角70°～80°，为正断层。月河断裂控制着月河水系的发育与安康、汉阴盆地的新生代沉积，在长枪岭一带断错了中更新统及其以前地层，最新活动时代为晚更新世。其北侧发育了多条次级叠瓦状正断层，并控制池河，为一区域性右旋正断层［3］。月河断裂被认为是晚更新世的断裂带，在全新世活动性较弱，月河断裂作为南秦岭加里东褶皱带和中秦岭印支褶皱带的分界，断裂南北两侧寒武纪—志留系在岩相和厚度上都有较大的差异，由此推断月河断裂古生代初就已存在，沿断裂发育的大量糜棱岩、断层角砾岩及指示北盘向南西逆冲的小褶皱，都证明断层形成时具有压扭的性质。2017年8月8日九寨沟7.0级地震发生在青藏高原巴颜喀拉地块北界东端的塔藏断裂与岷江断裂、虎牙断裂交汇处，发震断层为虎牙断裂北段，具有左旋走滑性质［4-5］。李杰等［6］曾统计我国大陆近40年中强以上地震震前跨断层形变异常范围，结果显示，7级地震震前异常场地距震中距基本在450 km以内，九寨沟7.0级地震震中距离石泉流体台直线距离约400 km，在九寨沟地震异常场地覆盖范围内。

针对石泉流体台静水位数据长期存在的异常情况，使用小波分析研究石泉水位2014—2020年的数据，并试图从断裂活动的角度对水位的异常现象进行分析和解释，探讨地震等构造运动与水位异常的关联性。

2 数据分析

石泉流体井水位仪从2013年4月1日起正式记录数据，本研究选取了从2014年1月1日到2020年12月31日间的全部水位观测数据。对全部观测到的异常进行统计，从统计结果上来看，从2014年—2020年间石泉水位仪记录到水位阶升阶降现象多达174次，其中阶变幅度超过0.49 m的异常达29次（表1）。最大的两次阶变分别是2018年12月23日2.87 m阶降与2019年12月16日—17日3.99 m阶降，持续时间分别为16 h和38.5 h。

从阶升与阶降的异常次数对比，可以发现阶降（27次）的次数远高于阶升（2次）。自2017年起，石泉水位大幅异常变换呈现逐年增多趋势。从长趋势分析来看，可以将2013年至2020年的数据以2017年8月8日为界限划分为两个阶段，2017年8月8日之前的称为平稳阶段，之后称为波动阶段。两个阶段特征差异非常明显，平稳阶段每年阶变次数极少，阶变幅度小，且阶变多发生在雨季，与降雨规律较吻合。而在波动阶段，阶变的频次急剧增加，密集的小幅度波动伴随着间断的大幅波动，阶变与降雨相关性减弱，在冬季阶变频次也未减小，且2018、2019两年最大阶降均发生于12月。纵观整体数据，从2017年波动阶段开始，虽然有阶降也有阶升，且阶降频率更高，但是水位总体趋势始终维持上升趋势，2017年上半年水位总体在井下5 m处，最近三年水位则持续上升，在2020年6月21日—7月20日以及9月9日—10月9日两次升至井口处，9—11月水位甚至涨至井口。

3 小波分析

小波分析在时域和频域具有表征局部信号特征的能力，能够将多频合成的信号不同频率成分分开。石泉水位异常信号持续时间较短，多为数小时，属高频信号，尝试小波变换分析。

有限时间序列的小波变换公式为：

Wφf（a，b）=1 a∫-∞∞f（t）φt-badt （1）

式中：f（t）为原始信号;Wφf（a，b）为小波变换后的各频段分量;a为尺度因子，控制小波函数的伸缩，对应频率;b为时间平移因子，控制小波函数的平移;1 aφ（t-ba）dt为小波母函数。小波分解的小波基种类很多，小波基的选取是否合适将影响结果的准确性。刘建明等［7］基于定点小波基函数优劣的标准，并考虑了消失矩阵阶数，最终选定db4小波基函数进行分析，由于db4小波能在保留固体潮信息的基础上较好的反映异常信号，因此本文也采用Daubecheies（dbN）小波系中的db4小波基函数对原始石泉流体井2014—2020年的静水位整点值数据进行小波变换处理，采用db4小波9阶对数据进行计算，1～2阶主要为高频成分，3～4阶主要为固体潮汐信息，5阶及以上为去除潮汐成分的非潮汐信息。石泉流体井水位异常通常持续时间多为数小时，属高频信号，从1阶及2阶小波分解所计算结果来看（图4），高频成分明显从2017年8月8日九寨沟地震后开始持续出现，高频信号无明显周期性。与前面趋势分析的结果相吻合，小波分析提取的高频干扰信号也可以根据九寨沟地震的时间节点划分为平稳阶段和波动阶段两阶段（图4），3阶及以上分解虽也有一定阶段分选性，但由于固体潮汐信号及低频干扰较多，呼应性不及一阶、二阶。

4 異常原因分析

根据前面的分析可以得知石泉水位异常的整体爆发起始点是2017年8月8日21点22分，恰好是2017年8月8日21点19分九寨沟7.0级地震之后。以2017年8月8日为特征分水岭，九寨沟地震之前的石泉井水位虽偶有突变，但频次较低，总体稳定，且主要集中在雨水较多的6—9月之间。九寨沟地震之后，石泉水位表现出新特点，包括突变频次极高，存在大幅度变化（超过一米甚至数米的突变），突变全年发生，与降雨无明显关联。前人研究已排除井管断裂、仪器故障干扰的可能，降雨、周边河流、水库水位等因素同水位异常的关联性亦较弱［1］，因而该异常与构造活动是否相关是值得探讨的问题。尤其是九寨沟7.0级地震，可能是触发水位异常进入活跃的主要因素。石泉流体井在100～200 m深度处穿过月河断裂，作为一口跨断裂的流体井，石泉流体井较大的井深（300 m）、较窄的井口直径（350 mm）以及较厚的含水层厚度，使其具有较好的承压性，井水位对地震波、固体潮汐等有较好的响应能力［8］。2017年8月8日21：19：46为九寨沟地震发震时刻，石泉井水位的水位值从2017年8月8日21：20发生升降转折由降转升，水位由21：20的4.200 4 m升至8月9日07：50的3.868 5 m，变化幅度为0.331 9 m，石泉井距离九寨沟地震震中约420 km;2021年5月22日02：04青海果洛发生M7.4地震，石泉水位5月22日02：06—04：00快速抬升0.667 9 m。孙小龙等认为井水位对地震波和其他地壳与和地下水之间的机械耦合非常敏感，可以被用作地震计或者应变计［9］，石泉井静水位记录到的长期异常或可以部分反映附近断层的活动情况。

袁道陽等［10］在总结了中国大陆7级以上地震迁移循环特征和机理的基础上，重点对青藏块区7级以上地震的时空迁移特征、机理及未来发展趋势进行了综合分析后认为：中国大陆区域强震、大地震活动存在时间上的丛集性和空间上的分区性，过去的100年存在由西向东、由南向北迁移循环的4个大地震丛集区域，每个区域的丛集时间约20年，已经持续20年的昆仑—汶川地震系列可能已经趋于结束，未来20年中国大陆7级大地震的主体活动区可能迁移到青藏地块区周缘的边界构造带上，重点是东部边界构造带。自九寨沟地震之后，位于巴彦喀拉块体东侧的断裂带如月河断裂可能进入相对活跃期，其活跃或与近年来印度板块与欧亚板块碰撞的强构造运动持续的大背景相关。另外，由于石泉流体井附近极易破碎的变质岩，娟云千枚岩发育，同时河流水资源富集，2017年九寨沟地震可能同时诱导月河断裂周边形成水力裂缝，而水力裂缝通过扩展发育，其裂缝尖端的张应力会导致断层与裂缝交叉附近出现应力和剪切应力集中，导致断层失稳［11］，从而进一步促进断层的活跃。为此，九寨沟地震之后石泉水位异常变化原因可从两个角度分析讨论：一是九寨沟地震有可能触发了月河断裂的活跃，进而造成石泉井水位长期异常。从2013年以来的多次6～7级地震来看，地震未继续集中在沿巴彦喀拉块体分布，而是多发生在青藏地区周缘的边界活动构造带上。2021年上半年的地震活动也表明，中国大陆近期的地震活动受印度板块活跃影响，在板块边界接连发生了云南漾濞县M6.4、青海果洛M7.4地震，进一步印证了未来7级以上大地震主体活动区可能开始迁移，需重点关注青藏地块区东边界的南北地震构造带。二是九寨沟地震诱导月河断裂周边形成水力裂缝，造成断裂周边含水层渗透性发生变化乃至断层失稳，综合降雨、水库蓄放水等因素引发后续水位异常。

5 结论

石泉流体台频繁水位异常变化，或是受多种因素综合影响，包括水库水位涨落、降雨、构造运动等，其中构造运动可能是井水位发生阶变的主要因素。小波分析方法提取的水位高频信息反映了石泉水位异常活跃期的开始时间，2017年8月8日九寨沟地震是异常活跃的重要转折点。

经综合分析后结论如下：九寨沟7.0地震有较大可能是石泉后续长期水位异常的直接触发因素，石泉井的水位变化一定程度上反映了近年来该区域构造活动日趋活跃。但受认知的局限，目前的分析可能不全面，需要今后进一步的研究与分析。

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