王喜龍，楊振鵬，劉天龍

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地球物理觀測是地震預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，而地下水位觀測作為地球物理觀測中重要的一項(xiàng)內(nèi)容至今已發(fā)展了幾十年并取得了豐碩的研究成果，這主要是因?yàn)榈叵滤坏挠^測能夠比較靈敏的反映出在地震孕育過程中地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的信息[1]。此前李利波等[2]曾基于已正式出版的《中國震例》[3-7]（1966—2006 年）對中國大陸發(fā)生的5 級以上地震進(jìn)行地球物理異常特征統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在所有震例中，震前存在水位異常的有100 個地震，占所有震例的41.7%，且100 個地震共提取出283 項(xiàng)水位異常。孫小龍等[8]基于《中國震例》（1966—2012 年）對其中涉及地下流體異常的170 余個震例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)的1162 項(xiàng)地下流體異常中水位類異常達(dá)339 項(xiàng)，占異?？倲?shù)的29%，僅次于水（氣）氡類異常（400 項(xiàng)）。付虹等[9]基于2004—2005 年印度尼西亞蘇門答臘地區(qū)發(fā)生的2 次8級以上地震對云南地區(qū)地下水位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水位觀測對大地震的映震效果較好，且引起水位發(fā)生異常變化與構(gòu)造作用存在緊密的聯(lián)系。雖然地下水位觀測是地球區(qū)里監(jiān)測的有效手段之一，且至今已取得了一定的成果，但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水位受開采等環(huán)境干擾也日趨嚴(yán)重[10-12]，這使得新出現(xiàn)的地下水位異常變化既有可能是地震前兆異常信息，能夠反應(yīng)周邊區(qū)域構(gòu)造活動作用變化，同時也有可能是環(huán)境干擾所引起[13]。因此，如何有效地識別地下水位異常變化原因，是當(dāng)前利用地下流體資料進(jìn)行地震預(yù)測的關(guān)鍵科學(xué)問題之一[14]。

遼寧盤錦臺高七流體觀測井水位觀測數(shù)據(jù)在2018 年3 月27 日開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升變化，至2018 年6 月22 日累計(jì)下降達(dá)1.65 m，但同井水溫觀測數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)同步變化（圖1）。該水位井位于著名構(gòu)造帶郯廬斷裂帶（沈陽—宿遷段），井點(diǎn)周邊斷裂構(gòu)造發(fā)育。郯廬地震帶歷史上曾發(fā)生過多次大地震，據(jù)統(tǒng)計(jì)，公元1400 年以來，以郯廬斷裂帶為中心200 公里范圍內(nèi)共發(fā)生M8.5 地震1 次，M7.0～7.9 地震5 次，M6～6.9 地震11 次。其中中段（沈陽—宿遷段）發(fā)生8.5 級地震1 次（1668 年山東郯城8.5 級地震），M7.0～7.9 級地震7 次（如1966 年邢臺7.2 級地震，1969 年渤海7.4 級地震，1975 年海城7.3 級地震和1976 年唐山7.8級地震），6 級以上強(qiáng)震多次，為地震發(fā)生頻次最高、最強(qiáng)段。強(qiáng)震造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。那么高七井水位數(shù)據(jù)破年變轉(zhuǎn)折下降變化究竟與區(qū)域構(gòu)造活動有關(guān)，還是由該地區(qū)地下水文因素的干擾所致？針對這一問題筆者從干擾因素調(diào)查分析、映震效能分析、地震活動性分析、現(xiàn)場水位校測及不同型號儀器對比分析等多種方法等對高七井水位此次出現(xiàn)的轉(zhuǎn)折下降變化進(jìn)行了綜合分析論證。

圖1 盤錦臺高七井靜水位變化曲線Fig.1 The curve graph of water level for Gaoqi Well in Panjin Seismic Station

1 區(qū)域構(gòu)造背景與觀測臺站概況

1.1 區(qū)域構(gòu)造背景

盤錦臺高七井位于盤錦市高升鎮(zhèn)邊東村。該區(qū)地處屬下遼河平原，為一斷陷盆地。該區(qū)氣候?qū)贉貛О霛駶櫄夂騾^(qū)，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫8～9 ℃，年降雨量50～600 mm[15]。本區(qū)出露地層主要為上第三系和第四系地層。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上位于地處中朝準(zhǔn)地臺上的三級構(gòu)造單元下遼河坳陷內(nèi)，東部為遼東隆起，西為燕山褶皺帶，北依內(nèi)蒙地軸與松遼盆地相隔（圖2），由前震旦紀(jì)偉晶巖組成基底，屬三面環(huán)山一面臨海的匯水盆地[16]。本區(qū)構(gòu)造斷裂發(fā)育，郯廬斷裂帶中段穿越該區(qū)。該區(qū)在晚中生代，由于地幔物質(zhì)上涌，垂直拱升作用不斷加強(qiáng)，引起地殼隆起，從而產(chǎn)生較大的拉張應(yīng)力，在隆起上產(chǎn)生兩組斷裂，即北東向與北西向，以北東向?yàn)橹?。北東向斷裂形成時間較早，大多形成于早古生代、中生代，為區(qū)域上最為發(fā)育、延續(xù)性最好的一組斷裂，且該規(guī)模較大，平行隆起軸向，自西而東主要斷裂包括臺安斷裂、遼中斷裂和牛居—油燕溝斷裂等；北西向斷裂規(guī)模較小，活動時代相對較新，斷裂橫切隆起并常常切割北東向斷裂（圖2）。該區(qū)域歷史上發(fā)生多次5 級以上地震，距離高七井最近的為1975 年?duì)I口5.4 級地震，震級最大的為1975 年海城7.3 級地震（圖2）。

圖2 盤錦高七井地震地質(zhì)簡圖Fig.2 The geological structure of Gaoqi Well in Panjin

1.2 基礎(chǔ)觀測資料概況

盤錦高七井前身為遼河油田井，該井于1978 年3 月3 日成井，原有井深1447.56 m，現(xiàn)有井深1018.74 m，套管至井底，套管直徑139.70 mm（表1）。該井地層巖性為上第三系館陶組，地下水類型為承壓水，水位埋深24.0 m左右。1974 年11 月開始開展模擬水位觀測，1988 年開始進(jìn)行前兆流體觀測，2000 年“九五”數(shù)字化改造，開展水位、水溫等數(shù)字化觀測，2012 年進(jìn)行“十五”改造后，開始進(jìn)行高精度觀測。該井目前前兆觀測測項(xiàng)有靜水位（ZKGD-3000）、中 層 水 溫（ZKGD-3000、SZW-1A）和氣象三要素（RTP-1）。自觀測以來，該井?dāng)?shù)據(jù)變化相對較好，水位曾在1999 年岫巖5.4 級地震前出現(xiàn)明顯異常變化，水溫曾在1999 年岫巖5.4 級地震和2003 年巴林左旗5.9 級地震前出現(xiàn)明顯短臨異常變化。

表1 高七井井孔基礎(chǔ)資料表

2 異常識別

2.1 干擾因素分析

對造成本次高七井水位轉(zhuǎn)折下降異常變化的干擾調(diào)查過程中，筆者聯(lián)合儀器維修專家和臺站工作人員對水位觀測儀進(jìn)行檢查，同時對附近地區(qū)進(jìn)行地下水開采情況、鐵路等施工修建以及油氣開采等進(jìn)行調(diào)查。結(jié)果顯示儀器工作正常，數(shù)據(jù)采集、供電系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)工作正常，水位、水溫探頭電纜固定裝置均正常，且周邊無可造成水位異常的環(huán)境干擾現(xiàn)象。因此，基本排除儀器自身、人為和環(huán)境干擾等因素對本次水位出現(xiàn)的異常變化造成的干擾。

2.2 水位校測及對比觀測實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水位儀測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，筆者在對其進(jìn)行核實(shí)過程中，聯(lián)合儀器維修等相關(guān)技術(shù)人員對高七井水位進(jìn)行了水位現(xiàn)場校測及對比觀測實(shí)驗(yàn)。由于高七井水位埋深相對較淺，因此在進(jìn)行水位校測時采用量尺進(jìn)行校測。經(jīng)現(xiàn)場校測，水位現(xiàn)場測量值為24.72 m，水位儀觀測值為24.6822 m，二者相對誤差δ = 0.15%，，校測結(jié)果合格，驗(yàn)證了高七井水位觀測系統(tǒng)正常，說明水位儀觀測數(shù)據(jù)變化真實(shí)。

但由于校測所用儀器測量精度相對較低，且不能進(jìn)行連續(xù)測量對比水位儀數(shù)據(jù)變化情況。因此，為了更好地驗(yàn)證高七井水位變化的可靠性與真實(shí)性，排除儀器自身可能存在的問題，又使用不同廠家水位儀對其進(jìn)行了水位對比觀測實(shí)驗(yàn)。對比觀測儀器采用的是中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的SYW-Ⅱ水位觀測儀，該水位儀分辨率優(yōu)于1 mm，最大誤差≤0.2%FS，長期穩(wěn)定性≤0.1% FS/年，采樣率可達(dá)1 次/秒。對比觀測流程嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行，本次出現(xiàn)異常的ZKGD3000 水位探頭置于井下30.06 m（水位埋深5.34 m），實(shí)驗(yàn)過程中將SYW-Ⅱ水位探頭置于井下28.7 m（水位埋深4.08 m），由于水位埋深深度均在10 m 以下，因此探頭置于不同深度不影響結(jié)果。

從歷時13 日的兩套水位儀器觀測到的分鐘值曲線可以看出（圖3），兩套儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)在變化形態(tài)上同步，基本完全一致，且仍在持續(xù)下降，固體潮形態(tài)清晰可辨，這進(jìn)一步說明中科光大生產(chǎn)的水位儀（ZKGD3000） 在2018年3 月開始出現(xiàn)的破年變轉(zhuǎn)折下降變化是真實(shí)可靠的。

圖3 ZKGD 水位儀與SWY-Ⅱ水位儀分鐘值對比觀測曲線Fig.3 The comparative observation curves of the minute value by ZKGD and SWY-Ⅱwater level instrument

3 討論

3.1 異常成因

綜上通過對觀測儀器、數(shù)據(jù)采集、供電系統(tǒng)和周邊環(huán)境等進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果顯示，基本排除了可能造成水位轉(zhuǎn)折下降變化的觀測系統(tǒng)、人為及自然干擾的影響。那么此次水位出現(xiàn)的破年變轉(zhuǎn)折下降變化是否為地震孕育過程中的前兆異常？此前車用太等[17]通過對國內(nèi)外地震前地下水動態(tài)異常的多種機(jī)理進(jìn)行歸納總結(jié)，水位下降或上升異常與震前斷裂出現(xiàn)的預(yù)滑或微破裂導(dǎo)致震中周圍區(qū)域出現(xiàn)拉張區(qū)與壓縮區(qū)有關(guān)，從而認(rèn)為震前地下水位出現(xiàn)的下降或上升異常主要由震源區(qū)應(yīng)力場活動導(dǎo)致。此后人們通過進(jìn)一步對水位異常機(jī)理的研究，得出地下流體井水位的下降、上升異常變化與地殼應(yīng)力變化—含水層變形—水動力條件改變等作用過程有關(guān)，是區(qū)域應(yīng)力場和震源應(yīng)力場共同作用的結(jié)果[18-19]，并且該觀點(diǎn)已在多次地震的前兆分析研究中得到證實(shí)[20-22]?；谒划惓C(jī)理，筆者從映震效能分析和地震活動性分析等方面對高七井水位出現(xiàn)的異常變化進(jìn)行了論證。

3.2 映震效能分析

高七地下流體井自觀測以來，由于該井位于郯廬斷裂帶和北西向的海城河斷裂外延伸帶交匯敏感地區(qū)，因此歷史上曾在1999 年遼寧岫巖5.4 級地震和2003 年內(nèi)蒙古巴林左旗5.9 級地震前出現(xiàn)比較明顯地震前兆異常。1999 年11月29 日遼寧岫巖5.4 級地震發(fā)生前，高七井水位在1998 年3 月初開始出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)向變化，原來的正常趨勢下降變化規(guī)律被打破，開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)平波動變化，且在震前24 天，即1999 年11月5 日開始再次出現(xiàn)反向加速上升臨震異常變化，至1999 年11 月28 日水位突升異常幅值達(dá)60 cm，同年11 月29 日發(fā)生岫巖5.4 級地震后水位開始逐漸恢復(fù)（圖4a，表2）。該井水溫曾在2003 年8 月16 日內(nèi)蒙古巴林左旗5.9 級地震前及1999 年11 月29 日遼寧岫巖5.4 級地震前也出現(xiàn)明顯短期異常變化。2003 年7 月14日開始出現(xiàn)水溫突跳上升變化，最大上升幅度達(dá)8℃‰，同年8 月16 日發(fā)生巴林左旗5.9 級地震后，水溫于2003 年12 月恢復(fù)（圖4b，表2）。1999 年岫巖5.4 級地震前，該井水溫在1999 年11 月10—22 日期間突升6℃‰，臨震突跳異常亦極為明顯（圖4c，表2）。

圖4 高七井水位、水溫歷史震例變化曲線Fig.4 The water level and water temperature curves of historical earthquake cases for Gaoqi well

通過以上對高七井測點(diǎn)水位、水溫的三次震例分析及該點(diǎn)所處的構(gòu)造位置可以發(fā)現(xiàn)，兩次地震高七井距震中均有一定距離，測點(diǎn)距岫巖5.4 級地震震中距達(dá)135 km，距巴林左旗5.9級地震震中距達(dá)350 km（表2，圖5），表明該井對遠(yuǎn)場的孕震敏感度相對較高，具有較好“場兆”指示效果。此外，通過對兩次震前高七井流體測點(diǎn)震例特征的分析還可發(fā)現(xiàn)，高七井水位、水溫在震前出現(xiàn)的異常變化均為短臨異常且現(xiàn)象明顯，表明該測點(diǎn)對地震短臨預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。

圖5 高七井歷史震例及松原5.8 級地震前兆異常空間分布圖Fig.5 The historical earthquake cases of Gaoqi well and the distribution of the precursory anomalies before Songyuan MS5.7 earthquake

雖然高七井水位、水溫在1999 年岫巖5.4級地震和2003 年巴林左旗5.9 級地震前均出現(xiàn)過明顯的短期異常變化，但1999 年以來遼寧及鄰區(qū)共發(fā)生過多次5 級及以上地震，如2006 年吉林前郭5 級震群、2013 年遼寧燈塔5.1 級和內(nèi)蒙古科爾沁5.3 級地震等，這些地震發(fā)生前高七井水位、水溫并未出現(xiàn)比較明顯的前兆異常變化。經(jīng)分析造成這一差異性主要有兩方面原因，一是可能主要與觀測點(diǎn)自身所處的水文地質(zhì)條件差異有關(guān)，其次也可能與各地震發(fā)生前由于所產(chǎn)生的應(yīng)力場不同，造成觀測點(diǎn)自身所處的構(gòu)造位置對周邊不同構(gòu)造應(yīng)力作用的敏感程度存在差異性有一定的關(guān)系[23]。

表2 高七井歷史震例統(tǒng)計(jì)

3.3 異常特征及地震活動性分析

通過對高七井水位2014 年以來的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)該井水位變化具有階段性特征，2014—2016 年水位變化具有較好的夏高冬低年變規(guī)律，表明該井水位受降雨影響較明顯。2016—2017 年，由于整個遼寧地區(qū)降雨量較往年相比均有明顯增強(qiáng)變化，結(jié)合盤錦地區(qū)所處的兩邊高中間低的地勢，這使得高七井水位值較往年要高，但正常年變特征仍存在，在維持高值基礎(chǔ)上，在2017 年6—8 月開始出現(xiàn)上升，8—11 月轉(zhuǎn)折下降，11 月至次年2 月轉(zhuǎn)折上升。2018 年水位動態(tài)與往年正常年變進(jìn)行對比，水位在2018 年3 月開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降變化，較往年轉(zhuǎn)折下降時間點(diǎn)提前近3 個月左右，2018 年5 月20 日水位開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折恢復(fù)變化，在恢復(fù)過程中于2018 年5 月28 日發(fā)生了吉林松原5.7 級地震，地震發(fā)生后，2018 年7 月水位恢復(fù)正常年變（圖6）。

圖6 高七井水位變化曲線及降雨量Fig.6 The water level variation of Gaoqi Well and the rainfall in this area

此前通過對高七井震例分析，表明高七井地下流體測點(diǎn)對遼寧及周邊中強(qiáng)地震發(fā)生具有較好的“場兆”效應(yīng)，且對短臨預(yù)報(bào)具有較好的指示意義。從高七井水位2018 年3 月異常出現(xiàn)至同年7 月異?；謴?fù)的變化過程可以發(fā)現(xiàn)，此次異常變化與在異常時段內(nèi)發(fā)生的吉林松原5.7 級地震具有很好的對應(yīng)關(guān)系。那么高七井水位出現(xiàn)的異常變化是否可交代為吉林松原5.7級地震？對此，筆者通過區(qū)域構(gòu)造分析及該區(qū)域前兆異常發(fā)展進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。從該區(qū)域構(gòu)造展布特征可以發(fā)現(xiàn)，高七井位于著名的郯廬斷裂帶上，該深大斷裂帶在沈陽以北分為依蘭伊通斷裂帶和渾河斷裂帶，其中依蘭伊通斷裂帶在吉林境內(nèi)與北西向的第二松花江斷裂發(fā)生交匯。而通過震源機(jī)制解等對松原5.7 級地震進(jìn)行分析，得出此次地震發(fā)生在松遼斷陷盆地內(nèi)，位于北東向扶余—肇東斷裂帶和北西向第二松花江斷裂帶交匯部位，為走滑型地震[24]，扶余—肇東斷裂與第二松花江斷裂可能為此次地震的主要發(fā)震構(gòu)造[25]（圖5）。構(gòu)造分析表明高七井與松原地震在空間上存在一定的聯(lián)系。

通過對松原地震前吉林、遼寧地區(qū)存在的前兆異常進(jìn)行分析，趨勢異常主要集中在遼寧地區(qū)，以形變異常為主，而中短期異常主要為流體異常。最早出現(xiàn)的中短期異常為震中附近的套浩太水溫，在2017 年7 月底出現(xiàn)水溫升高變化；在2018 年1 月，吉林豐滿水氡出現(xiàn)高值突跳異常，同一時段，遼寧鐵嶺、營口和大連地磁加卸載響應(yīng)比出現(xiàn)高閾值變化；2018 年3月12 日吉林白城水溫出現(xiàn)低值異常，同年3 月27 日遼寧高七井水位出現(xiàn)破年變轉(zhuǎn)折下降變化；至臨震階段，震中區(qū)附近的套浩太水溫于2018 年5 月初出現(xiàn)加速上升變化，2018 年5 月28 日，吉林前郭氯離子出現(xiàn)低值異常。通過對以上松原地震前吉林、遼寧地區(qū)中短期異常時間進(jìn)程進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)異常發(fā)展具有早期階段異常主要集中在震中區(qū)外圍地區(qū)，而至臨震階段，有逐漸向震中區(qū)逼近特征。對異?？臻g分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，異常主要集中在北東向與北西向兩條構(gòu)造帶上，遼寧地區(qū)出現(xiàn)的前兆異常主要集中在北東向郯廬斷裂帶上，而吉林地區(qū)前兆異常主要集中在北西向第二松花江斷裂帶上。短臨異常時空分布特征表明，吉林松原5.7 級地震前，北東向郯廬斷裂帶與北西向第二松花江斷裂存在一定的應(yīng)力調(diào)整，而這也進(jìn)一步證明了高七井水位異常與吉林松原地震的發(fā)生存在一定的成因聯(lián)系。

4 結(jié)論

高七井水位于2018 年3 月27 日出現(xiàn)的破年變轉(zhuǎn)折下降變化，基于干擾因素調(diào)查分析、進(jìn)行水位現(xiàn)場校測實(shí)驗(yàn)以及開展不同儀器水位對比觀測實(shí)驗(yàn)，表明水位出現(xiàn)的異常變化真實(shí)可靠，基本排除干擾造成的可能。通過對水位異常成因、映震效能及地震活動性等特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明高七井出現(xiàn)的水位異常變化與2018 年5 月28 日吉林松原發(fā)生的5.7 級地震存在一定的成因聯(lián)系，主要為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力調(diào)整的結(jié)果。