張伏凱,李 薇,劉 碩,李增申,李 軍

(1.辛集市地震局,河北辛集 052360;2.石家莊市地震局,石家莊 050022)

河北省晉2井水位資料預(yù)報(bào)效能

張伏凱1,李 薇2,劉 碩1,李增申2,李 軍2

(1.辛集市地震局,河北辛集 052360;2.石家莊市地震局,石家莊 050022)

利用深井動(dòng)水位觀測(cè)資料預(yù)報(bào)地震,已經(jīng)被國內(nèi)外地震學(xué)家進(jìn)行深入研究,并得到了許多珍貴的震例資料。分析了1990年以來晉2井動(dòng)水位原始觀資料,結(jié)果顯示,在該井附近中強(qiáng)地震前會(huì)出現(xiàn)多次階變(組)異常。通過貝葉斯估算檢驗(yàn)得到理論驗(yàn)證,總結(jié)出的預(yù)報(bào)指標(biāo)在其后的2次地震中得到實(shí)際應(yīng)用。

晉2井;動(dòng)水位;階變(組)異常;河北

0 前言

地下水是地殼中最活躍的組分之一。當(dāng)它形成具有一定承壓性的井—含水層系統(tǒng)時(shí),地下水位動(dòng)態(tài)能客觀靈敏地反映地殼應(yīng)力應(yīng)變信息,在震前、震時(shí)或震后都不同程度地出現(xiàn)異常變化[1-4]。地震地下水動(dòng)水位觀測(cè)資料與地震的關(guān)系有許多專家作過研究[5-8]。有關(guān)晉2井水位異常與地震的關(guān)系,李增申曾進(jìn)行過研究[9]。地下水位,尤其是深層地下水位作為地震預(yù)報(bào)的觀測(cè)項(xiàng)目,已經(jīng)成為地震短臨預(yù)報(bào)的重要手段之一。多年來,地震工作者在這方面已經(jīng)開展了大量工作,總結(jié)了很多震例并得到了許多珍貴的震例資料。

本文分析了1990年以來晉2井19年的動(dòng)水位原始觀資料,結(jié)果顯示,在該井附近中強(qiáng)地震前會(huì)出現(xiàn)多次階變(組)異常,通過貝葉斯估算檢驗(yàn)得到理論驗(yàn)證。利用該井多年動(dòng)水位階變異常與周圍中強(qiáng)以上地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系,制定了該井孔地震前兆異常識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)測(cè)模式?？偨Y(jié)出的預(yù)報(bào)指標(biāo)在其后的2次地震中得到實(shí)際應(yīng)用。

1 井點(diǎn)及資料概況

河北省晉2井位于辛集市舊壘頭村西(37.9°N,115.1°E),井深 2052.37m,成井于 1977年 7月,是華北油田的石油深井,自流。該井觀測(cè)層為震旦亞界白云巖,埋深1539.40～2052.37m,厚度512.97m,巖溶裂隙發(fā)育,屬巖溶裂隙承壓水。側(cè)向徑流補(bǔ)給,不受大氣降雨、地表水直接滲入補(bǔ)給。在構(gòu)造部位上,該井位于華北平原沉降帶冀中拗陷寧晉凸起東側(cè)斜坡上,其東為束鹿凹陷。東距束鹿斷裂9.6km,北距石家莊—衡水?dāng)嗔?.6km?，F(xiàn)代地殼活動(dòng)強(qiáng)烈,屬邢臺(tái)—河間地震帶。晉2井構(gòu)造位置示意圖見圖1。

圖1 晉2井構(gòu)造位置示意圖

晉2井自1989年開始使用SW40型水位自記儀進(jìn)行動(dòng)水位觀測(cè),水位基本處于緩慢下降的平穩(wěn)狀態(tài)(圖2),1998年以后由于水頭壓力過低,多次放開閘門調(diào)節(jié)水頭高度,固體潮顯示較好,日潮差幅度為10mm左右;大氣壓強(qiáng)效應(yīng)也比較明顯。但是,基本上不受大氣降水和農(nóng)灌井開采的直接影響。

圖2 晉2井水位日均值曲線

2 晉2井動(dòng)水位階變(組)異常判定與映震能力分析

2.1 晉2井動(dòng)水位階變異常判定

晉2井動(dòng)水位隨著高溫水氣外泄,水位保持10mm左右的自振波動(dòng)幅度,自振次數(shù)為每小時(shí)幾次至十幾次。但有時(shí)在幾分鐘或十幾分鐘內(nèi)動(dòng)水位也會(huì)出現(xiàn)突然上升或下降現(xiàn)象,自記圖紙上記錄下臺(tái)階式突跳形態(tài),即動(dòng)水位階變。分析1989年以來觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn),不是所有的水位階變異常都與周邊顯著地震有關(guān),只有階變幅度較大或多次出現(xiàn)階變時(shí)映震效果較好。為此,我們從階變幅度上對(duì)階變異常作了限定,把上升不小于30mm和下降不小于40mm分別作為階升和階降異常的判定指標(biāo)。如果2次階變?cè)跁r(shí)間間隔上不超過30d,則將這2次階變劃歸一組,稱為階變異常組。自1990—2004年出現(xiàn)的階變組異常為38組。

2.2 晉2井動(dòng)水位階變異常映震能力分析

通過對(duì)晉2井動(dòng)水位觀測(cè)資料整理,發(fā)現(xiàn)晉2井階變異常與周圍顯著地震存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在動(dòng)水位階變異常頻繁發(fā)生時(shí)段,晉2井周圍的顯著地震往往較多。所謂晉2井周圍顯著地震(研究區(qū)目錄),是指距晉2井100km范圍內(nèi) ML≥3.0級(jí)、200km范圍內(nèi) ML≥4.0級(jí)、300km范圍內(nèi) ML≥5.0級(jí)和400km范圍內(nèi)ML≥5.5級(jí)地震。使用的地震目錄,是2000年以前中國地震局地球物理所地震快報(bào)目錄和2000年以后中國地震局地球物理所地震月報(bào)目錄。

2005年下半年由于進(jìn)行觀測(cè)臺(tái)站“十五”項(xiàng)目改造,數(shù)據(jù)中斷,數(shù)字化改造完成后,由于水頭下降較快頻繁調(diào)節(jié)閥門,致使數(shù)據(jù)的連續(xù)性較差,2009年動(dòng)水位斷流改為靜水位觀測(cè)。因此,本文針對(duì)1990—2004年的資料進(jìn)行了研究。鑒于水位階變異常呈叢出現(xiàn)的特征,為了說明階變異常與周圍顯著地震的對(duì)應(yīng)效果,我們把時(shí)間上相對(duì)集中出現(xiàn)的階變異常和顯著地震分別進(jìn)行成組劃分,把發(fā)生在同一個(gè)階變異常組預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)的地震劃歸為一組。從1990—2004年該井動(dòng)水位共發(fā)生階變異常71次38組,在此期間晉2井周圍共發(fā)生顯著地震69次,其中6.0級(jí)以上地震1次,5.0～5.9級(jí)地震13次,4.0～4.9級(jí)地震13次,3.0～3.9級(jí)地震48次,圖3a標(biāo)出了4.0級(jí)以上的地震。4.0級(jí)以上27次地震中只有3次地震之前68d內(nèi)沒有出現(xiàn)階變異常。有34組階變異常中有17次在68d內(nèi)發(fā)生了4.0級(jí)以上地震,對(duì)應(yīng)率為50%,沒有發(fā)生4.0級(jí)以上地震的階變組異常后,研究區(qū)都有3.0級(jí)以上地震發(fā)生(圖3b),說明階變異常與地震活動(dòng)水平相關(guān)性很好。階變異常較為集中的時(shí)段,周圍顯著地震也會(huì)較多。

2.3 預(yù)報(bào)效能的貝葉斯估算檢驗(yàn)

對(duì)于34次階變異常組,其中有16次與70d預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)的顯著地震相對(duì)應(yīng)(可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)),而另外8次階變異常組沒有對(duì)應(yīng)顯著地震。反過來,對(duì)于34組顯著地震,其中20組處于階變異常組的預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi),而另外10組不在階變異常組的預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)。

根據(jù)文獻(xiàn)[10],對(duì)晉2井水位階變異常組的映震概率進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),有異常有震、有異常無震、有震無異常等幾種情況的頻次見表1。

圖3 晉2井動(dòng)水位階變異常及研究區(qū)3級(jí)以上地震 M-T圖

表1 晉2井階變異常組與地震相互關(guān)系表

采用 P的檢驗(yàn)分布為0-1區(qū)間的均勻分布的貝葉斯估計(jì),貝葉斯算式為:

按一般規(guī)定,T>0.35作為評(píng)價(jià)異常與地震相互對(duì)應(yīng)程度的綜合指標(biāo)。顯然,經(jīng)過以上檢驗(yàn),認(rèn)為晉2井階變異常與周圍顯著地震有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。確定階變異常發(fā)生后70d內(nèi)晉2井周圍將發(fā)生顯著地震的預(yù)報(bào)方法有效。

3 預(yù)報(bào)實(shí)踐

3.1 1999年3月11日張北 ML5.9級(jí)地震的預(yù)測(cè)

1999年1月17日,晉2井階升30mm,2月8日階降74mm,同日又階升46mm,2月12日階降120mm,同日又階升120mm,構(gòu)成階變異常(組)。石家莊市地震局分析預(yù)報(bào)中心曾以晉2井階變組異常為主,做出了包括“山西帶中、北段可能發(fā)生 ML5級(jí)左右地震”的短臨預(yù)測(cè)意見。結(jié)果在預(yù)報(bào)期間內(nèi)發(fā)生了張北 ML5.9級(jí)地震[9]。

3.2 1999年11月1日大同—渾源 Ms5.6級(jí)地震的預(yù)測(cè)

晉2井水位于1999年6月26日階降57mm,7月5日階升52mm,7月10日階升34mm,7月16日階降40mm,7月19日階降40mm。石家莊市地震局分析預(yù)報(bào)中心以晉2井階變組異常為主,作出了“華北地區(qū)1999年10月份存在發(fā)生 ML5級(jí)左右地震的可能,尤其京西北及渤海附近地區(qū)值得注意”的預(yù)測(cè)意見。結(jié)果在預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)生了大同—渾源MS5.6級(jí)地震[9]。

4 結(jié)論與討論

一般而言,根據(jù)單井觀測(cè)資料進(jìn)行地震預(yù)報(bào)難度較大,單井預(yù)報(bào)主要是發(fā)震時(shí)間的預(yù)報(bào),對(duì)震級(jí)和發(fā)震地點(diǎn)的預(yù)報(bào)可靠性低[11]。雖然利用晉2井階變組異常,做出了2次較好的預(yù)測(cè),但從有觀測(cè)以來的觀測(cè)資料分析,不是所有的水位階變異常都與周邊顯著地震有關(guān),只有階變幅度較大或多次出現(xiàn)階變時(shí)映震效果較好。

從晉2井階變組異常所對(duì)應(yīng)的中強(qiáng)以上地震的震中區(qū)域來看,山西帶中段、北段至京西北地區(qū)顯著。實(shí)際是上1989年以來山西帶中段、北段至京西北地區(qū)是地震的主要活動(dòng)區(qū)域,晉2井階變組異常所對(duì)應(yīng)的11次地震中,這一區(qū)域的地震就有7次。2006年7月4日文安5.1級(jí)地震前沒有出現(xiàn)較大幅度的階變和多次階變異常。另外,產(chǎn)生階變的原因很多,不僅與地震孕育應(yīng)力場(chǎng)變化有關(guān),而且與觀測(cè)系統(tǒng)有很大關(guān)系。所以有關(guān)晉2井階變組異常與地震的關(guān)系有待進(jìn)一步深入研究。

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Earthquake Prediction Efficiency Assessment of Groundwater Level in Jin-2Well of Hebei Province

ZHANG Fu-kai1,LI Wei2,LIU Shuo1,LI Zeng-shen2,LI Jun2
(1.Earthquake Administration of Xinji,Xinji 052360,China;
2.Earthquake Administration of Shijiazhuang,Shijiazhuang 050022,China)

In this paper,dynamic water level data of Jin-2well since 1990are analyzed.The result shows that repeated stepping(group)anomalies appear before the occurrence of moderate earthquake in the surrounding area of the well.Predication index are summarized and verified using Bayesian hypothesis testing and applied in the prediction of two earthquakes occurred later.

Jin-2well;dynamic water level;stepping change anomaly;Hebei

P315.75

A

1003-1375(2011)02-0053-04

2010-09-10

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“利用辛集晉2井進(jìn)行地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的研究”(09276905D)

張伏凱(1962-),男(漢族),河北辛集人,工程師,主要從事流體監(jiān)測(cè)與研究.E-mail:dzbzfk@sina.com