車用太 魚金子 劉成龍 徐桂明 鄭益銘

1）中國北京100029中國地震局地質研究所

2）中國南京210014江蘇省地震局

3）中國四川邛崍611530四川省邛崍市防震減災局

判別地下水異常的干擾性與前兆性的原則及其應用實例

車用太1）魚金子1）劉成龍1）徐桂明2）鄭益銘3）

1）中國北京100029中國地震局地質研究所

2）中國南京210014江蘇省地震局

3）中國四川邛崍611530四川省邛崍市防震減災局

提出了地下水干擾異常識別與排除的4個“相關性”原則，即成因上的相關性、空間上的相關性、時間上的相關性與強度上的相關性；提出了地下水前兆異常確認的4個判據(jù)，即首先是非干擾性異常，其次是有震例與理論模式的支持，再次是已有前兆映震理論或模式的支持，最后是有其它測項與學科異常的配套.還介紹了利用上述原則與判據(jù)排除江蘇省宿遷市大面積地下水干擾異常，與確認四川省邛崍川22井2007年12月—2008年4月斷流為汶川地震的前兆性異常的實踐檢驗實例.

地下水 干擾異常 地震前兆異常

引言

回顧我國40多年地震監(jiān)測預測的歷史，雖然經(jīng)歷過許多預測失敗的實踐，但畢竟還不同程度地成功預測過20多次破壞性地震（岳明生，2005），還在不少的地震前曾有所覺察（萬迪堃等，1993；車用太，魚金子，2006）.這些成功與覺察都在防震減災事業(yè)中發(fā)揮了積極的作用.然而，近幾年地震預測人員越來越感到地震預測的困難，甚至懷疑現(xiàn)有的地震前兆監(jiān)測臺網(wǎng)能不能承擔預測任務.現(xiàn)有的地震前兆臺網(wǎng)，的確存在環(huán)境干擾惡化與觀測技術不完善等新的問題，其地震前兆監(jiān)測能力沒有發(fā)生根本性的變化，問題在于干擾多了，識別與提取地震前兆信息變得更加困難了.因此，當前我國地震監(jiān)測預報實踐面臨的突出問題之一，是如何更加有效地識別與排除干擾異常和提取與確認前兆異常信息的問題.本文從我國地震預測成功的實例與預測失敗的教訓出發(fā)，結合筆者的實踐經(jīng)驗，提出如何識別與排除地下水干擾異常的原則，如何在震前（或震后）對地下水異常的前兆性質進行確認的判據(jù).

1 地下水異常

地下水的基本特性是上地殼中廣泛存在，具有流動性，對上地殼中發(fā)生的各種地殼動力作用的響應具有靈敏性，其動態(tài)對地震活動與構造活動的響應十分靈敏，同時又受多種自然環(huán)境變化的影響也較大.因此，提高利用地下水動態(tài)預測地震的效能，必須不斷強化地下水異常調(diào)查與落實的工作力度，力爭事前能夠識別與排除各種干擾異常，并對其前兆異常性質作出肯定的確認.這項工作一貫受到重視，今天更具現(xiàn)實和迫切意義.

地下水動態(tài)在震前異常的理論與事實，已被國內(nèi)外學者廣泛報道（Киссин，1982；脅田宏，1984；汪成民等，1988；Roeloffs，1998；車用太，魚金子，2006，Wang，Manga，2010）.地下水動態(tài)在地震預測中的作用與有效性也被一些學者所介紹（萬迪堃等，1993；車用太，魚金子，2006；劉耀煒等，2010）.地下水動態(tài)受多種因素的干擾問題，同樣被地下水動態(tài)監(jiān)測與預測人員所關注，并開展不斷地研究，力圖建立有效的識別與排除干擾的理論與方法（賈化周等，1985；中國地震局監(jiān)測預報司，2000；車用太等，2004）.幾十年的監(jiān)測結果表明，及時識別與排除干擾異常，震前確認地下水異常的前兆性，對于正確把握震情與成功識別前兆異常和預測至關重要.同時也表明，對地下水動態(tài)的干擾因素較多，但最為常見與最為嚴重的是大氣降雨的滲入補給與地下水開采的干擾（谷元珠等，2001；車用太等，2004）.

大氣降雨的滲入影響，對觀測層埋深僅幾百米（汪成民，1989）的觀測井而言，是不可避免的.據(jù)不完全統(tǒng)計（車用太等，2004），全國地震地下水觀測網(wǎng)中，約有45%以上的觀測井不同程度地受大氣降水滲入補給的影響，其中部分井受到的影響十分嚴重，已成干擾.由于大氣降水自身的不規(guī)律性，即降水的范圍、降水的速率、降水的強度等隨時間與空間的變化不定，同時也由于影響大氣降水滲入補給含水層的環(huán)境條件不同，如包氣帶厚度不等、包氣帶含水狀態(tài)不同等，因此不同時段的降水，即使是同一時段的降水對同一口井地下水動態(tài)的干擾特征可能就不同.這樣的情況，使大氣降水干擾的識別與排除變得十分困難.

地下水作為重要的生產(chǎn)與生活資源，隨著各地經(jīng)濟與社會飛速發(fā)展，開采的地區(qū)越來越多，井的數(shù)量越來越多，井的深度越來越大，開采的強度越來越大，地下水開采對地震地下水動態(tài)的干擾也變得越來越普遍與越來越嚴重.據(jù)不完全統(tǒng)計（汪成民，1989），我國地震地下水動態(tài)觀測網(wǎng)中受開采干擾的井數(shù)達20%以上，而且近幾年有不斷增多的趨勢，不斷干擾著地震前兆異常信息的判別，已成為利用地下水異常預測地震的“大敵”.

面對著眾多的干擾異常，如何對出現(xiàn)的干擾異常進行識別與排除，如何從復雜的干擾背景下提取出地震前兆異常，無疑是當前提高地下水動態(tài)監(jiān)測與地震預測效能的十分突出的問題.

2 識別地下水干擾異常的原則

地下水動態(tài)干擾異常識別原則是把握4個“相關性”，即成因上的相關性，空間上的相關性，時間上的相關性與強度上的相關性.

成因上的相關性，指出現(xiàn)的異常動態(tài)與其可能的影響因素之間存在成因上的關聯(lián).例如，同層開采井的干擾一定表現(xiàn)為觀測井水位的下降，停止開采后井水位一定會回升.又如，大氣降水的滲入補給，一定表現(xiàn)為觀測井水位的上升，停止?jié)B入補給后井水位一定會下降等，異常動態(tài)與干擾（影響）因素之間一定存在成因上的相關性.

空間上的相關性，指干擾源與觀測井之間的空間關系，一般是在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)的干擾源才對觀測井產(chǎn)生干擾.以地下水開采干擾為例，在第四系松散砂礫石孔隙含水層地區(qū)，粉砂孔隙水層中最大干擾距離為1km，細砂層中為1.5km，中砂層中為2.5km，粗砂層中為3km，礫石層中為6km；在基巖裂隙含水層或碳酸鹽巖巖溶含水層，水文地質條件簡單（構造為單斜或巖層平緩，巖性單一，裂隙或巖溶不發(fā)育）地區(qū)，最大干擾距離為1 km，水文地質條件中等復雜（構造上為褶皺斷裂區(qū)，巖性不單一，裂隙或巖溶較發(fā)育）地區(qū)為5km，水文地質條件復雜（大型斷裂破碎帶或地下暗河發(fā)育）地區(qū)為10km（中國國家標準化管理委員會，2004）.若是干擾源超過上述規(guī)定距離時，一般對觀測井不會產(chǎn)生干擾.

時間上的相關性，指干擾出現(xiàn)的時段與干擾源作用的時段的關系，一般是二者時間段一致或干擾出現(xiàn)時段略有滯后.關于干擾源作用時段與干擾出現(xiàn)時間之間滯后的時間長度，在不同水文地質條件下不同.以大氣降雨干擾為例，在山前降雨滲入補給區(qū)二者間的滯后時間很小，往往是同步，隨著觀測井距降雨滲入補給區(qū)距離的增大，滯后時間越來越長；含水層的滲透性或導水性越強時間滯后時間越短等；滯后時間短時僅幾小時至十幾小時，滯后時間長時可達幾天甚至幾個月.

強度上的相關性，指干擾源的作用強度與干擾的幅（強）度間的關系，一般干擾作用越強，干擾幅度越大，特別是干擾的幅度隨干擾作用強度隨時間的變化而變化.以地下水開采干擾為例，開采量大時水位下降幅度大，開采量變小時產(chǎn)生的水位下降幅度也小，往往二者間表現(xiàn)出較好的定量關系.

地下水動態(tài)的異常變化，符合上述4個方面的相關性，可判定為干擾異常，不能再視為地震前兆異常.即使是時間段上與后來發(fā)生的地震有非常好的對應關系也不宜視為地震前兆異常.

3 確認地下水前兆異常的判據(jù)

地震發(fā)生之前，地下水前兆異常的確認，是非常困難的.即使是在地震發(fā)生之后也往往很難給出科學的確認結果.然而，地震監(jiān)測預測實踐中，這又是一個必須要面對的問題.根據(jù)筆者的經(jīng)驗，可以從以下4個方面進行判定.

第一，視為地震前兆的異常，必須是經(jīng)過干擾的識別與排除，確認不是干擾的異常.在我國地震預測界，長期以來對此較為重視.然而近些年來，特別是引入計算機預測地震的各種方法之后，部分分析預測人員常把各種數(shù)學處理方法識別出的異常簡單地視為是地震前兆異常.這種作法，影響著地震預測效能的提高.不管是定性的分析方法，還是多么好的定量分析方法，識別出的異常中，一定會有部分，甚至相當多的異常是非地震因素造成的，因此對識別出的任何異常必須要經(jīng)過干擾異常的識別與排除，確確實實地認定不是非地震因素干擾的異常，才可視為地震前兆異常.這是確認地震前兆異常的必要條件.

第二，視為地震前兆的地下水異常，要有國內(nèi)外震例的普遍支持，特別是經(jīng)過地震預測實踐檢驗過的典型震例的支持.我國已積累了數(shù)以百計的震例（萬迪堃等，1993；車用太，魚金子，2006），其中有近千個的地下水異常，但多數(shù)是震后總結出來的.由于地震發(fā)生之后，對地震前兆異常的識別變得相對容易，特別是從異常與地震的對應關系上確認的，其信度顯得不夠，因此只能參考.然而，其中有些地下水異常是震前被確認為地震前兆異常的，而且跟蹤其發(fā)展過程并用于震情判定上，這種異常作為地震前兆異常的信度較高，因此可作為較為可信的前兆異常.

第三，視為地震前兆的地下水異常，最好有其它測項或其它學科的異常相匹配，甚至有中小地震活動性異常配套.這一點雖不是確認地下水前兆異常的必要條件，但是重要的充分條件.我國現(xiàn)有的震例中，這方面的研究尚較薄弱.以觀測區(qū)或觀測層巖體變形與破壞為前兆異常生成機理的絕大多數(shù)前兆異常，理應各測項之間表現(xiàn)出密切的相關性、同步性與協(xié)調(diào)性，但事實往往并非完全如此.其中的原因是非常復雜的，或許我們目前所確認的前兆異常并非是客觀的、真實的、可靠的，也許是各測項與各學科前兆觀測的精度與頻帶等不同造成的.然而不管怎樣，當多測項與多學科異常同步出現(xiàn)與協(xié)調(diào)發(fā)展時，這種異常視為前兆異常的可靠性增大.

第四，視為前兆異常的地下水異常，最好有一定的前兆理論或模式的支持.目前較為流行的理論或模式可分為兩大類：源兆理論與場兆理論.主要的源兆理論是擴容擴散（DD）模式與裂隙串通（IPE）模式（Mjachkinetal，1975；Scholz，1990）.主要的場兆理論是多點應力集中模式、紅腫理論、預位移理論、帶動模式與塊動模式及構造活動模式等（馬宗晉，1980；付承義，1976；郭增建，秦保燕，1979）.源兆理論偏重于描述地震孕育與發(fā)生過程中震中及其鄰近地區(qū)地下水異常發(fā)生與發(fā)展過程的特征.場兆理論主要是描述同地震孕育與發(fā)生過程中震中及外圍廣大范圍內(nèi)協(xié)調(diào)出現(xiàn)的異常井的空間展布與時空演化特征.如果某一口井地下水異常的演化過程符合某種源兆理論，或多口地下水異常井的空間展布及其演化特征符合某種場兆理論時，這類異常的科學性增強，可確認為前兆異常.

上述4種判據(jù)中，在目前的科學水平下，確認地下水前兆異常的第一條是必要條件，其余3條是充分條件.在預測實踐中，滿足上述4個判據(jù)中的第一及其它1條以上的判據(jù)，即可判定為地震前兆異常，并可用于地震三要素的預測.

4 地下水異常性質的判定實例

4.1 干擾異常的識別實例

2009年4月上旬在江蘇省宿遷市宿城區(qū)倉集鎮(zhèn)李官莊村與河西村出現(xiàn)大面積地下水異常，主要表現(xiàn)是4月1日起400多口民用井抽不出水.這不僅給當?shù)卮迕耧嬘盟兊檬掷щy，且該異常是在郯廬帶南北兩段相繼發(fā)生中等地震的背景下出現(xiàn)在其中南段上的顯著異常，引起有關部門的高度重視.

筆者對于這組異常進行了現(xiàn)場調(diào)查，其結果如下：

1）異常井空間分布.在大地構造上，異常井群雖總體上出現(xiàn)在NE向郯廬帶中南段，但異常井群分布區(qū)并不在該斷裂帶上，分布區(qū)的主軸走向也不是NE向，而是NW向，異常井群分布主要與廢黃河古道南岸的透鏡狀分布的局部粉砂含水層發(fā)育區(qū)一致（圖1）.

圖1 江蘇省宿遷市大面積地下水異常分布特征Fig.1 Distribution of underground water anomalies in Suqian city，Jiangsu province

2）異常井的深度多為30m左右，其抽水層全為透鏡狀粉砂質含水層，抽水井多建于2002—2003年，抽水主要用于村民飲用，每井每日抽水量約為幾噸，已開采利用6—7年，地下水靜儲量消耗很大；異常井初建時水位埋深為6m左右，但現(xiàn)今異常井的水位實測結果，埋深在8.5—10.02m.

3）對異常的時空分布特征調(diào)查結果表明，處在地勢高處的抽水井早在幾年前就已抽不出水，但因已全改為自來水供應，故本期異常中并沒有顯現(xiàn)；本期異常中個別地處低洼處的抽水井仍可抽出水.顯然，本期異常只出現(xiàn)在處于地形低洼但不是最低洼的抽水井中.

4）當?shù)?008年11月—2009年3月降水量明顯偏少，前20年同期降雨量的均值為172mm，而今只有107mm.大氣降水的滲入補給量少了40%.

5）本次調(diào)查結果，抽取埋深10m左右的淺層含水層地下水的井與抽取埋深100m以下深層含水層地下水的井均無明顯異常，異常只出現(xiàn)在抽取埋深幾十米的中層含水層地下水的井中.

由上述調(diào)查結果可見，這組異常是大氣降雨滲入補給量嚴重不足與長期開采導致透鏡狀含水層中地下水靜儲量的消耗，使井水位不斷下降，降至離心泵揚程（一般8—9m）之下引起的干擾異常.其成因上的相關性、空間上的相關性與時間上的相關性都很清楚.

通過上述調(diào)查與分析，排除了該異常是地震前兆異常的可能性.

4.2 前兆異常的確認實例

四川省邛崍川22井位于成都凹地的西南端，井深176m，觀測層為白堊系上統(tǒng)夾關組（K2j）砂巖孔隙裂隙承壓水層.1977年12月成井，為自流井，成井后不久開始觀測動水位.2004年10月進行數(shù)字化觀測，但儀器工作一直不正常，2007年5月才開始基本正常.數(shù)字化改造之后，無論自流還是斷流情況下，觀測產(chǎn)出值為井口至水位的距離，即井水位埋深值.自觀測以來，井水一直自流，但2007年12月17日開始時斷時流，12月29日徹底斷流，直到2008年5月12日汶川MS8.0地震發(fā)生時復流，至今仍在自流（圖2）.

圖2 邛崍川22井2007年8月—2008年6月井水位日值動態(tài)曲線Fig.2 Variation of daily observation of water level in Chuan 22well，Qionglai，from August 2007to June 2008

自2007年12月17日到2008年5月12日汶川MS8.0地震發(fā)生前表現(xiàn)出的井水斷流異常，地震前被認為是降雨滲入補給減少與鄰井開采引起的干擾異常，地震后也未被有關部門與專家視為地震前兆異常（晏銳，2009）.為了查明該異常的性質，筆者于2010年8月進行了現(xiàn)場調(diào)查與研究，其結果如下：

1）自1959年有降雨觀測記錄以來，當?shù)啬昃涤炅繛?01 0.5mm.2000—2008年間年均降雨量為939.3mm，各年降雨量值如表1所列.由表1可見，9年中有5年雨量低于9年均值.降雨量最低年份是2006年，2002—2004年連續(xù)3年降雨量低于多年均值，2007年降雨量也偏低.似乎把井水斷流異常歸因于降雨滲入補給量引起的干擾異常有一定依據(jù).然而深入分析結果表明，井水斷流異常出現(xiàn)在2007年12月，異常出現(xiàn)的時間與最干旱年份和連續(xù)多年連續(xù)干旱年份都不相符，異常出現(xiàn)時間與干擾源作用時間不相關，因此不能把井水斷流歸因于降雨滲入補給不足.

2）邛崍10井（與川22井相距11km，井深149m，自流井）和75號泉（與川22井相距4km，下降泉.圖3）均為邛崍地區(qū)地震地下水動態(tài)觀測井（泉）.然而，邛崍10井的井水同期并未斷流，水位反而有所上升；75號泉的流量同期也并沒有明顯變化.說明大氣降雨對當?shù)氐叵滤挠绊懖]有引起井水斷流，甚至極易受大氣降雨影響的下降泉的流量都沒有產(chǎn)生明顯影響.

表1 邛崍地區(qū)2000—2008年降雨量值Table1 Precipitation in Qionglai region from 2000to 2008

圖3 川22井、邛崍10井、75號泉、川11井與郫縣地震臺分布圖Fig.3 Position of the Chuan 22well，Qionglai 10well，No.75spring，Chuan 11 well and Pixian seismic station

3）關于鄰井抽水干擾，更是不存在.與川22井距離約800m處的一口抽水井，是汶川地震后施工的，而且至今也沒有正式抽水，因此不可能是引起川22井2007年井水斷流的干擾源.

綜上可見，邛崍川22井水斷流異常，雖然在成因上可能與降雨補給相關，空間上與降雨干擾源的作用區(qū)也相關，但時間上不相關，強度上也不相關.特別是汶川MS8.0地震發(fā)生的同時井水變自流，因此判定是非干擾異常，認為可視為地震前兆異常.

支持視川22井斷流為前兆異常的還有如下二條依據(jù)：一是蒲江川11井水位下降與郫縣臺地電阻率的配套異常；二是3個異常在力學含義上表現(xiàn)出一定的一致性.川11井，位于川22井東南約14km處，同在成都凹地的西南端中（圖3）.該井水位自2006年底開始下降，2007年降到自觀測以來的最低點，且在低值上起伏，直到汶川地震發(fā)生時突升（圖4a）；郫縣地電阻率也于2006年開始偏離多年的平穩(wěn)基線，轉為持續(xù)下降，直到汶川MS8.0地震發(fā)生后開始回升（圖4b）.無論是川22井斷流，還是川11井水位下降與郫縣臺地電阻率下降，都表現(xiàn)出成都凹地西南端在汶川地震孕育的后期同受拉張的應力作用，說明同一個構造單元上的3個異常相互配套，而且在力學成因上表現(xiàn)為一致性.此外，并不在成都凹地中的邛崍10井與75號泉同期并沒有表現(xiàn)出異常，也是佐證.

可見，邛崍川22井水斷流并非干擾異常，同時有同測項與其它學科的異常配套，在力學成因上也有一定的合理性.因此，把該異常確認為汶川MS8.0地震的中短期前兆異常.

圖4 汶川地震前川11井水位（a）與郫縣地電阻率（b）下降異常（晏銳，2009）Fig.4 Decrease anomalies of water level in Chuan 11well（a）and Pixian geoelectrical resistivity（b）before the Wenchuan earthquake

5 討論與結論

地震預測問題是當今世界的科學難題，在可見的未來突破這一難題的可能性較小，但又是國家與人民乃至全人類急需解決的實際問題，這對地震預測的科學探索者而言是十分棘手與為難的任務.面對這種局面，如何更有效地識別與排除干擾異常和提取與確認前兆異常信息具有重要意義.本文提出了識別干擾異常的4項相關性原則，即出現(xiàn)的異常與干擾源之間存在成因上的相關性，異常出現(xiàn)的地點與干擾源作用空間上的相關性，異常出現(xiàn)的時間與干擾的作用時間上的相關性，以及異常的幅度與干擾源的作用強度的相關性，為干擾異常排除工作提出了明確的科學思路.

本文同時還提出了確認前兆異常的4條判據(jù)，即異常判定為非干擾性異常，有震例支持，有其它前兆異常配套，有合理的前兆映震理論與模式解釋.這些原則與判據(jù)，未必是完全科學的，但實踐證明還是可操作的與有效的，具有較好的推廣應用的前景.

在本項研究中，特別是在實例檢驗的現(xiàn)場調(diào)查與研究中得到江蘇省地震局張智、侯康明、劉建達等與四川省地震局李介成、楊賢和以及邛崍市防震減災局余平、杜世學等有關同志們的大力支持，在此一并致謝.

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Principles on distinguishing interference from seismic precursor of underground water variation and its application

Che Yongtai1）Yu Jinzi1）Liu Chenglong1）Xu Guiming2）Zheng Yiming3）
1）InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China
2）EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince，Nanjing210014，China
3）AdministrationofProtectingAgainstandMitigatingEarthquakeDisastersofQionglai CitySichuanProvince，Qionglai611530，China

In this paper four principles to follow in distinguishing interference from observations of underground water variation are presented.The principles are the correlation of contributing factors，the correlation of spatial variations，the correlation of temporal variations and the correlation of signal intensities.Besides，three criteria for identifying precursory anomalies of underground water variation are also proposed.Firstly the anomalies must have been distinguished from interferences；then there must be observations and theoretical model supporting the correlation between observed anomalies and earthquakes；finally there must be corresponding observed anomalies from other scientific observations.Two inspection cases in using above－mentioned principles and criteria are presented.The first case is the distinguishing and removing of the interference anomalies of underground water appeared in Suqian city，Jiangsu province.The second is the conformation of a precursory anomaly that the underground water flow in the Chuan 22well，in Qionglai city of Sichuan，had shut down during December 2007to April 2008before the Wenchuan earthquake.

underground water；interference anomaly；earthquake precursory anomaly

10.3969/j.issn.0253－3782.2011.06.010

P315.72＋3

A

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中國地震局老專家科研基金（201148）和國家自然科學基金（40930637）項目資助.

2011－04－24收到初稿，2011－09－21決定采用修改稿.

e－mail：che＠ies.ac.cn