呼晶磊，張子廣，盛艷蕊

（1.滄州市地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)科，河北 滄州 061001；2.河北省地震局，河北 石家莊 050022）

0 引言

馬17井是河北平原帶中部重要的動(dòng)水位觀測(cè)井，自1981年投入觀測(cè)以來(lái)，對(duì)鄰近地區(qū)的4級(jí)以上地震有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤其是1992年以前，映震率達(dá)到70%以上，1993年底修復(fù)改造后映震能力有所下降。資料顯示2000年之后共有3次地震活動(dòng)對(duì)馬17井所在區(qū)域的觀測(cè)活動(dòng)可能造成了比較大的影響，分別為：①獻(xiàn)縣淮鎮(zhèn)地震（2001年7月16日，116.7°E，38.2°N，ML＝4.4）；②文安地震（2006年7月4日11 時(shí)56 分，16.3°E，38.9°N，ML＝5.5）；③汶川地震（2008年5月12日，103.4°E，31.0°N，MS＝8.0）。除淮鎮(zhèn)地震外，馬17井的觀測(cè)結(jié)果直觀上不存在特別明顯的對(duì)應(yīng)反應(yīng)，尤其震中距井址距離較近的文安地震，因此有必要對(duì)馬17井2000年后的觀測(cè)資料進(jìn)行深入分析，探討該井現(xiàn)階段各觀測(cè)手段尤其是水位的反應(yīng)特征和反應(yīng)機(jī)理。

圖1 馬17井觀測(cè)井地理位置示意圖

1 基本情況

馬17井位于河北省河間市張?zhí)鞂m村西約500 m，處于冀中拗陷南馬莊斷裂帶東側(cè)河?xùn)|古潛山凸起部位，大城斷裂端點(diǎn)附近。井深2 694.25 m，觀測(cè)層埋深2 571.63m，為震旦亞界霧迷山組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水。含水層上覆巨厚的第三系及第四系地層，封閉性好，是冀中巖溶裂隙水的高礦化排泄區(qū)，屬大氣成因的深循環(huán)水。目前的模擬觀測(cè)手段是動(dòng)水位、氣壓。綜合之前收集的馬17井的各項(xiàng)觀測(cè)資料，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)研究結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)影響該井地下水位干擾因素進(jìn)行綜合判斷［1］（表1）。

表1 觀測(cè)井的觀測(cè)環(huán)境干擾因素評(píng)價(jià)

2 觀測(cè)資料分析

從觀測(cè)項(xiàng)的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，該井觀測(cè)資料總體連續(xù)性好，其中水位觀測(cè)數(shù)據(jù)日變化量相對(duì)較小，呈窄幅震蕩狀態(tài)，長(zhǎng)趨勢(shì)存在年變，在某些時(shí)段氣壓反應(yīng)較為明顯。2000年11月上旬為了解決泄水管內(nèi)壁結(jié)垢與井口裝置銹蝕等問(wèn)題，對(duì)原有的井口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，因此選取2000年之后的數(shù)據(jù)，從以下方面進(jìn)行分析：

2.1 水位原始曲線(xiàn)圖

以SW－40－1記錄的模擬日觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，每日水位基本處于窄幅震蕩狀態(tài)，近幾年該井出現(xiàn)了2個(gè)值得注意的變化：一是水位有所下降，二是在2010年前后觀測(cè)人員開(kāi)始反映水位觀測(cè)數(shù)據(jù)存在短時(shí)段（幾小時(shí)至十幾小時(shí)）振幅變小的情況（圖2箭頭指向），而且這種現(xiàn)象近期出現(xiàn)頻率較高。

2.2 日極差法

日極差值是以每日逐時(shí)值為樣本，求取最大值與最小值之間的差值，作為日變特征量。該方法直觀地反映了地下水位異常動(dòng)態(tài)的變化，減少了地下水位動(dòng)態(tài)隨機(jī)變化的影響［3］。結(jié)合極差的數(shù)學(xué)含義，筆者認(rèn)為日極差值在水位日常觀測(cè)中體現(xiàn)的是單位時(shí)間段內(nèi)井孔水位在垂直方向的絕對(duì)變化，同時(shí)由于水的不可壓縮性和觀測(cè)井的封閉性，日極差值也進(jìn)一步體現(xiàn)了井孔水體在單位時(shí)間內(nèi)所受能量影響的大小。

圖2 水位原始曲線(xiàn)圖（2010.2.10.20—14）

選取2000—2011年水位的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行日極差分析，日極差值平均為0.009 04 m.對(duì)該井日極差值進(jìn)行均值處理得到月均值曲線(xiàn)和半年均值直方圖（圖3），可以發(fā)現(xiàn)淮鎮(zhèn)地震前后日極差值均出現(xiàn)高值異常，文安地震前的18個(gè)月，日極值存在一個(gè)上升過(guò)程，另外汶川地震之后日極差值數(shù)據(jù)總體上處于下降狀態(tài)，說(shuō)明影響該井水體的能量在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)處于衰減狀態(tài)。

圖3 日極差值均值分析圖

2.3 固體潮數(shù)據(jù)分析計(jì)算

由于地下水觀測(cè)井孔深度，最深莫過(guò)幾千米，這個(gè)深度仍是地球表層，所以地球表層的潮汐應(yīng)力分布勢(shì)必影響井水位變化。因地球表層潮汐應(yīng)力大小隨地球與天體在運(yùn)動(dòng)中相對(duì)位置的變化而有規(guī)律的變化，當(dāng)潮汐應(yīng)力增大時(shí)，含水巖層發(fā)生體膨脹，含水層的孔隙水壓降低，井水位下降；當(dāng)潮汐應(yīng)力變小時(shí)，含水巖層發(fā)生體壓縮，含水層的孔隙水壓升高，井水位上升。該井為動(dòng)水位觀測(cè)井，且在與主孔連接的副管上觀測(cè)水位，這些條件可能對(duì)固體潮汐觀測(cè)靈敏度造成一定影響。該井觀測(cè)水位某些時(shí)段存在固體潮效應(yīng)，而有些時(shí)間段不明顯，但是2010年之后該井觀測(cè)水位固體潮效應(yīng)實(shí)際處在明顯加強(qiáng)狀態(tài)。因此有必要對(duì)該井的固體潮效應(yīng)進(jìn)行定量分析，采用別爾采夫線(xiàn)性濾波分離的潮汐因子與理論固體潮進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

（1）數(shù)據(jù)時(shí)間分段計(jì)算

由于井水位觀測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期的持續(xù)的過(guò)程，因此在選擇觀測(cè)樣本時(shí)原則上盡量選擇數(shù)據(jù)觀測(cè)效果較好且時(shí)間跨度較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)段。對(duì)水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行別爾采夫線(xiàn)性濾波計(jì)算，將得到的潮汐分量t和理論固體潮整點(diǎn)值T 進(jìn)行散點(diǎn)圖分析（圖4）。數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分分布在I、III象限，圖形呈傾斜的紡錘狀，樣本時(shí)間越靠后圖形越扁平化，綜合來(lái)看點(diǎn)列分布具有線(xiàn)性趨勢(shì)分布特征，應(yīng)能采用線(xiàn)性回歸分析方法。進(jìn)行一階線(xiàn)性回歸得到實(shí)際潮汐分量和理論固體潮的相關(guān)系數(shù)R、截距b和系數(shù)a，共選取7組樣本，信度95%，所有的樣本殘差自由度均大于3 500個(gè)。最終得到的結(jié)果顯示其相關(guān)系數(shù)在0.525～0.737之間，平均達(dá)到0.588 63（表2），根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)臨界值表，7個(gè)樣本結(jié)果均大于0.097 35（n－m－1＝400，α＝0.05），說(shuō)明該井水位受到固體潮效應(yīng)的影響，且水位與固體潮效應(yīng)的關(guān)系為正相關(guān)。

圖4 潮汐分量t和理論固體潮整點(diǎn)值T 的散點(diǎn)圖

表2 潮汐分量和理論固體潮一階線(xiàn)性回歸結(jié)果

（2）數(shù)據(jù)滑動(dòng)計(jì)算

在日常工作中部分地震觀測(cè)井的觀測(cè)數(shù)據(jù)存在以下特點(diǎn)：①有序，不管是分鐘值、整點(diǎn)值、日均值觀測(cè)數(shù)據(jù)都是按時(shí)間有序產(chǎn)生的；②不可再現(xiàn)，一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)一個(gè)觀測(cè)手段在某一時(shí)間點(diǎn)上只會(huì)存在唯一一個(gè)觀測(cè)結(jié)果；③高速，觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生著變化，只要技術(shù)和條件允許，理論上一個(gè)觀測(cè)手段每天可以獲得高速產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)；④無(wú)限，只要觀測(cè)手段存在，隨著時(shí)間的推移，可以獲得無(wú)限多個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)；⑤高維，觀測(cè)數(shù)據(jù)包含大量信息量，以靜水位觀測(cè)為例，觀測(cè)結(jié)果可能包含氣壓、固體潮、降水、區(qū)域地下水變化、臨層抽水、年變、人工干擾等大量因素；⑥動(dòng)態(tài)和不可預(yù)知，由于井水位觀測(cè)影響因素的復(fù)雜性，觀測(cè)數(shù)據(jù)的概率分布模型是時(shí)刻變化的，且變化的速率不可控制，所以造成其后續(xù)變化也是不可預(yù)知的［4］。具有以上特點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看作是數(shù)據(jù)流，對(duì)于數(shù)據(jù)流而言，靜態(tài)的數(shù)據(jù)分析效能略顯不足，很難完全反映數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化，所以要分析潮汐分量和理論固體潮相關(guān)性的變化和發(fā)展趨勢(shì)，采用動(dòng)態(tài)的分析方法不失為一個(gè)有效的補(bǔ)充，因此本文采用滑動(dòng)窗口的計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)分析作為時(shí)間分段分析的補(bǔ)充。

對(duì)2000年1月至2011年12月的水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行別爾采夫線(xiàn)性濾波計(jì)算，將得到的潮汐分量t和理論固體潮整點(diǎn)值T 以720值（平均一月數(shù)據(jù)量，24小時(shí)×30天）步長(zhǎng)進(jìn)行一階線(xiàn)性回歸滑動(dòng)計(jì)算，其計(jì)算方法可以表示為：

其中Ri為第i組樣本的相關(guān)系數(shù)，信度95%，殘差自由度718，數(shù)據(jù)樣本損失數(shù)720（尾部）。最終得到一組相關(guān)系數(shù)的滑動(dòng)計(jì)算結(jié)果，對(duì)該結(jié)果進(jìn)行均值分析（圖5），月均值曲線(xiàn)顯示相關(guān)系數(shù)的平均值為0.513。分析結(jié)果顯示：淮鎮(zhèn)地震之前3 個(gè)月存在一個(gè)低值異常；文安地震前9個(gè)月存在低值異常；2005年之后相關(guān)系數(shù)Ri的數(shù)值有明顯變大的趨勢(shì)，并在2011年6—8月形成一個(gè)大于0.78的高值區(qū)，顯示該時(shí)間區(qū)域內(nèi)潮汐分量與理論固體潮相關(guān)度較高。形成這種現(xiàn)象的原因一種可能是由于該井為震旦亞界霧迷山組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水，而巖溶又是一種極不均勻的含水介質(zhì)。巖溶在形成過(guò)程中的巖溶化程度的差異，導(dǎo)致其富水性和導(dǎo)水性在空間分布上很不均勻［5］，馬17井的巖溶介質(zhì)由于地下斷層的斷層蠕動(dòng)可能使其巖溶化程度發(fā)生了改變，使灰?guī)r受到潮汐應(yīng)力作用產(chǎn)生形變時(shí)，其貯存在內(nèi)的地下水流入井的能力有所增強(qiáng)。第二種可能是含水巖層發(fā)生體膨脹，含水層的孔隙水壓降低，井水位下降（近幾年該井水位有所下降），表明水體受到的潮汐應(yīng)力增大。

圖5 相關(guān)系數(shù)滑動(dòng)均值分析圖

2.4 氣壓效應(yīng)分析

井孔水位的氣壓系數(shù)（或氣壓效率），是指單位氣壓變化量引起的井水位變化量。

從原始曲線(xiàn)圖分析，該井水位與氣壓存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤其在2009年10—11月，本地區(qū)氣壓出現(xiàn)大幅度突變時(shí)，該井水位出現(xiàn)明顯對(duì)應(yīng)變化。選取日均值作為分析基數(shù)，分別選取模擬水位觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)的6個(gè)樣本，進(jìn)行一階線(xiàn)性回歸分析（表3）。進(jìn)行趨勢(shì)補(bǔ)充分析時(shí)，將水位和氣壓整點(diǎn)值以720值（平均一月數(shù)據(jù)量，24 小時(shí)×30天）步長(zhǎng)進(jìn)行一階線(xiàn)性回歸滑動(dòng)計(jì)算，對(duì)該結(jié)果進(jìn)行均值分析得到圖6，結(jié)果顯示：①樣本分析氣壓系數(shù)為0.406 4 mm／hpa，相關(guān)系數(shù)為0.418 6；②滑動(dòng)分析顯示氣壓系數(shù)以負(fù)值為主，文安地震前后變化不明顯；③滑動(dòng)分析顯示水位氣壓相關(guān)系數(shù)以負(fù)值為主，在大部分時(shí)間段內(nèi)水位、氣壓存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，2008年下半年開(kāi)始相關(guān)系數(shù)處于加強(qiáng)趨勢(shì)，筆者認(rèn)為某些時(shí)間段出現(xiàn)的水位氣壓呈正相關(guān)狀態(tài)可能與其他因素對(duì)該井水位的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了氣壓因素的影響有關(guān)。

表3 水位、氣壓日均值一階線(xiàn)性回歸結(jié)果

圖6 相關(guān)系數(shù)滑動(dòng)日均值分析圖

3 資料綜合

綜合以上資料和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行梳理分析：

①觀測(cè)水位存在固體潮效應(yīng)，尤其在水位的潮汐周期部分與理論固體潮存在相關(guān)性；觀測(cè)水位受到了氣壓的影響，某些時(shí)段表現(xiàn)得尤為明顯。

②淮鎮(zhèn)地震前后日極差值均存在明顯的高值異常變化，震前固體潮相關(guān)性滑動(dòng)分析存在明顯的低值異常。

③資料計(jì)算結(jié)果顯示日極差值在文安地震前的一年半時(shí)間內(nèi)存在一個(gè)上升過(guò)程，固體潮相關(guān)性滑動(dòng)分析顯示震前9個(gè)月存在低值異常。

④固體潮效應(yīng)滑動(dòng)分析顯示在2011年6—8月存在一個(gè)高值區(qū)，2005年之后水位的固體潮相關(guān)性一直處于加強(qiáng)狀態(tài)，水位的潮汐因子與理論固體潮的相關(guān)程度越來(lái)越高。

4 討論

表4列舉了近幾年來(lái)該井存在一系列變化，根據(jù)變化初步探討造成這些變化的原因。

表4 分析項(xiàng)目結(jié)果匯總表

這些結(jié)果顯示該井在多年開(kāi)采的大背景下，文安地震尤其是汶川地震后該井所處地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造可能存在一定改變，結(jié)合該井屬自流熱水井的特征，含水巖體發(fā)生微破裂的可能性較高［7］，因此筆者試圖結(jié)合相關(guān)資料對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行討論。

①淮鎮(zhèn)地震按照擴(kuò)容（DD）模式進(jìn)行討論：震前Ⅰ階段，巖體原有裂隙趨于閉合，水位含水層受壓，孔隙壓增大，水位上升，影響該井水體的能量加強(qiáng)，日極值慢慢變大，固體潮效應(yīng)減弱，水位變化與固體潮相關(guān)性減弱。震前Ⅱ階段，巖體微破裂，巖體體積增大，發(fā)生擴(kuò)容，孔隙壓減小，水位下降，影響該井水體的能量減弱，日極值變小，水位變化與固體潮相關(guān)性 加 強(qiáng)（2001年4月27日，10 分 鐘 水 位 突 降57mm）。震前Ⅲ階段，擴(kuò)容區(qū)外圍地下水補(bǔ)水，孔隙壓力回升，水位上升（2001年5月8日，28分鐘突升205mm，69天后發(fā)震），影響該井水體的能量加強(qiáng)，日極值變大，固體潮效應(yīng)減弱，水位變化與固體潮相關(guān)性減弱，直至發(fā)震。從分析結(jié)果來(lái)看，水位的潮汐因子與理論固體潮相關(guān)性較好，因其為滑動(dòng)數(shù)據(jù)所以存在一定前瞻性；日極值對(duì)水位的較大變化反應(yīng)極其靈敏，但受到異常能量的影響，在這種較短時(shí)間段分析上指向性意義不強(qiáng)（圖7）。

②文安地震發(fā)生前254 天后存在明顯異常（2005年10月23日，90min，水位上升95mm），異常時(shí)間跨度較長(zhǎng)（8個(gè)多月），但從較長(zhǎng)時(shí)間段的日極值和水位的潮汐因子與理論固體潮相關(guān)性分析結(jié)果來(lái)看，文安地震與淮鎮(zhèn)地震之前的分析結(jié)果存在一定的相似性，結(jié)合文安地震的地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間短，強(qiáng)度?。?］等一系列特殊特征，是否表明這個(gè)異常時(shí)間跨度存在一定的合理性？這個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

圖7 淮鎮(zhèn)地震前數(shù)據(jù)分析圖

③文安地震和汶川地震有可能使該地區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了改變，楊國(guó)華在《汶川地震對(duì)華北地區(qū)水平形變場(chǎng)影響及其含義的討論》一文中提到的華北地區(qū)在汶川地震后相對(duì)于2003－2007年形成了南部地區(qū)右旋形變、北部地區(qū)東西拉張的變形格局［9］，筆者認(rèn)為汶川地震后馬17井含水層巖體裂隙應(yīng)趨于擴(kuò)張狀態(tài)，孔隙壓變小，水位的潮汐因子與理論固體潮相關(guān)性加強(qiáng)，進(jìn)而造成該井水體的能量持續(xù)減弱，日極值變小，氣壓效應(yīng)有所加強(qiáng)。

5 結(jié)論

馬17井觀測(cè)水位確定存在固體潮效應(yīng)和氣壓效應(yīng)，水位與固體潮存在正相關(guān)關(guān)系，與氣壓存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但這2種效應(yīng)表現(xiàn)的不是非常顯著。

近年來(lái)，該井水位、氣壓數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示一定的趨勢(shì)性變化，這種現(xiàn)象可能由于文安地震尤其是汶川地震造成區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)有所變化造成的，這種趨勢(shì)性改變?cè)跓o(wú)震條件下發(fā)生轉(zhuǎn)折的時(shí)候存在斷層活動(dòng)加劇或者鄰近地區(qū)發(fā)生較強(qiáng)地震的可能。

淮鎮(zhèn)地震和文安地震前數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示一定的異常信息，淮鎮(zhèn)地震前的分析結(jié)果表現(xiàn)得更為明顯和清晰，文安地震前的分析結(jié)果則需要進(jìn)行深入研究。

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