河北昌黎井水位震前異常特征分析

張墨思 趙永紅

通過(guò)選取6 個(gè)不同井震距的地震為例，對(duì)每個(gè)地震前后河北昌黎井氣壓校正后的水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)做調(diào)和分析，計(jì)算出M2 波潮汐因子、相位滯后和潮汐殘差相位差，在此基礎(chǔ)上對(duì)昌黎井水位的震前異常特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：（1）昌黎井水位在選定地震前均有明顯的異常表現(xiàn)，顯示出較強(qiáng)的映震能力；（2）昌黎井水位M2 波潮汐因子異常一般出現(xiàn)在震前2～9 個(gè)月，在近震震前潮汐因子出現(xiàn)大幅上升，在遠(yuǎn)震震前潮汐因子則出現(xiàn)下降；（3）昌黎井水位潮汐相位滯后異常一般也出現(xiàn)在震前2～9 個(gè)月，表現(xiàn)為相位滯后首先出現(xiàn)上升異常，之后下降并發(fā)震，相位滯后在震后持續(xù)下降；（4）昌黎井水位潮汐殘差相位差異常一般出現(xiàn)在震前4～8個(gè)月，表現(xiàn)為殘差相位差首先下降，后轉(zhuǎn)為上升，地震多發(fā)生在殘差相位差上升階段的高值附近。

地下水廣泛地賦存于地殼巖體的空隙之中，具有可自由流動(dòng)性且對(duì)地殼應(yīng)力與固體變形非常靈敏，能夠充分反映地殼介質(zhì)在應(yīng)力作用下的變化情況以及地下構(gòu)造活動(dòng)的信息，因此被作為探索地震預(yù)報(bào)科學(xué)最有希望的途徑之一。水位異常在多個(gè)震例中有突出表現(xiàn)，車用太等在對(duì)汶川Ms 8.0 地震震前異常的研究中發(fā)現(xiàn)，地下流體異常幾乎達(dá)到全部震前異常的46%，而水位異常又約占到流體異常的40%，水位觀測(cè)的價(jià)值可見(jiàn)一斑。

由于各井孔水位潮汐因素在震前的異常特征均有其獨(dú)特性，因此有必要對(duì)現(xiàn)有流體觀測(cè)井的水位潮汐因素在震前的異常特征進(jìn)行個(gè)體性研究。為此，筆者選擇了不同井震距的6 個(gè)地震，對(duì)地震前后河北昌黎井氣壓改正后的水位整點(diǎn)值做venedikove 調(diào)和分析，選取M2 波的計(jì)算結(jié)果，研究了該井孔水位潮汐因子、相位滯后和潮汐殘差相位差在震前的異常特征。

基本原理

封閉性良好的井—含水層系統(tǒng)，對(duì)地殼體應(yīng)變響應(yīng)靈敏度可達(dá)10-10 量級(jí)，可以被看作是靈敏的體應(yīng)變儀。固體潮目前是少數(shù)可以精確計(jì)算的力源之一，而井—含水層系統(tǒng)又恰能記錄到固體潮。通過(guò)對(duì)井—含水層系統(tǒng)記錄到的水位潮汐因素（例如潮汐因子、相位滯后等）分析，能夠有效監(jiān)測(cè)到地震孕育過(guò)程及在地震孕育過(guò)程中地殼介質(zhì)的變化。

目前，國(guó)際上比較通用的潮汐分析方法為venedikov調(diào)和分析法，主要算法是最小二乘法，所采用的潮汐模型為：

水位震前異常特征分析

venedikov 調(diào)和分析要求所選數(shù)據(jù)段要大于48 h，筆者選取資料時(shí)段內(nèi)昌黎井水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，進(jìn)行氣壓改正后，采用日滑動(dòng)的月調(diào)和分析。M2 波是半日波，其周期約為12.421 h，不易與非潮汐的周日變化相混淆，且固體潮的在調(diào)和分析結(jié)果中，M2 波的幅度最大，相位滯后最明顯，故筆者的研究中選取了M2 波的計(jì)算

在汶川地震3 個(gè)月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)大幅下降，幅值達(dá)0.0001，經(jīng)過(guò)一段平靜期后，于震前1 個(gè)月迅速上升至階段高值0.0016，再轉(zhuǎn)為快速下降，在0.0014的點(diǎn)位發(fā)震；在姚安地震9 個(gè)月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)4 次脈沖式下降，幅值達(dá)0.0001，在震前1 個(gè)月，潮汐因子出現(xiàn)快速、大幅度升降變化，繼而在高值點(diǎn)0.0017處發(fā)震；玉樹(shù)地震3 個(gè)月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)大幅下降，幅值達(dá)0.0002，在恢復(fù)至持平段0.0015 點(diǎn)位時(shí)發(fā)震；唐山地震3 個(gè)月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)階躍式大幅上升，幅值達(dá)0.0004，在由高值點(diǎn)0.0018 處又迅速下降至持平階段值0.0016 時(shí)發(fā)震；燈塔地震5 個(gè)月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)大幅下降，幅度達(dá)0.0008，由下降轉(zhuǎn)為上升，在恢復(fù)至下降前水平，持續(xù)震蕩3 個(gè)月后發(fā)震；于田地震2 個(gè)月前昌黎井水位潮汐因子出現(xiàn)大幅下降，下降幅度達(dá)0.0003，在迅速反彈回升至0.0015 的均值水平，然后轉(zhuǎn)為快速下降，于低值點(diǎn)0.0014 處發(fā)震。

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于選定的地震，昌黎井水位潮汐因子震前異常的時(shí)間間隔為2～9 個(gè)月；除井震距50 Km 的唐山ML5.12 地震前潮汐因子出現(xiàn)了階躍式大幅上升異常，其余地震震前潮汐因子均為下降異常；震前所有震例潮汐因子都有迅速變化的過(guò)程。這個(gè)結(jié)果與史浙明等的研究結(jié)果相似。潮汐因子的突變反映了地殼應(yīng)力應(yīng)變積累到一定程度后使得地殼巖石物性發(fā)生了變化（主要是彈性模量等參數(shù)），在一定程度上反映了地殼介質(zhì)的變形過(guò)程。昌黎井水位潮汐因子震前異常的幅度有個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象：井震距50 Km 的唐山地震幅值達(dá)0.0004，井震距420 Km 的遼寧燈塔地震幅值為0.0008，對(duì)于井震距在1700～3210 Km 范圍內(nèi)的遠(yuǎn)震，其幅值卻僅為0.0001～0.0003。就此2 個(gè)近震來(lái)看，潮汐因子的變化幅度有可能與震中一定范圍內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的改變有關(guān)，唐山地震在震前的變化形態(tài)與其他地震明顯不同，因?yàn)樘粕骄嚯x昌黎井的距離僅50 Km，當(dāng)然也可能與震中區(qū)震前應(yīng)力的改變調(diào)整有關(guān)。

對(duì)昌黎井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)氣壓校正后做調(diào)和分析得到潮汐相位滯后的結(jié)果為：汶川地震9 個(gè)月前昌黎井水位潮汐相位滯后有一個(gè)快速上升過(guò)程，在下降過(guò)程中發(fā)震，震后繼續(xù)下降，異常幅值為6.428；姚安地震4 個(gè)月前昌黎井水位潮汐相位滯后有一個(gè)小幅上升和下降的過(guò)程，在由低值點(diǎn)迅速增大的過(guò)程中發(fā)震，震后持續(xù)大幅上升，3 個(gè)月后轉(zhuǎn)為快速下降，震前異常幅值為2.253；玉樹(shù)地震4 個(gè)月前昌黎井水位潮汐相位滯后出現(xiàn)大幅上升異常，在下降過(guò)程中發(fā)震，震后繼續(xù)下降，異常幅值為7.128；唐山地震9 個(gè)月前昌黎井水位潮汐相位滯后曲線出現(xiàn)緩慢上升，然后轉(zhuǎn)為迅速下降，在下降過(guò)程中發(fā)震，震后繼續(xù)下降，異常幅值為29.388；遼寧燈塔地震前6 個(gè)月昌黎井水位潮汐相位滯后曲線出現(xiàn)大幅上升，在轉(zhuǎn)為迅速下降過(guò)程中發(fā)震，震后繼續(xù)下降，異常幅值為24.925；于田地震8個(gè)月前昌黎井水位潮汐相位滯后開(kāi)始相繼出現(xiàn)了3 次比較明顯的上升，在轉(zhuǎn)為下降的過(guò)程中發(fā)震，震后快速下降，異常最大幅值為8.508.對(duì)于選定的6 個(gè)地震，昌黎井水位潮汐相位滯后異常開(kāi)始時(shí)間一般為震前2～9 個(gè)月；震前昌黎井水位潮汐相位滯后曲線都出現(xiàn)了上升異常，均在下降階段發(fā)震，且震后持續(xù)下降，即震前幾個(gè)月昌黎井水位潮汐相位增大，在快速減小段發(fā)震，震后相位持續(xù)減小。井震距420 Km 內(nèi)的唐山地震和遼寧燈塔地震其震前相位滯后的幅值變化相當(dāng)劇烈，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了遠(yuǎn)震的異常變化水平，原因可能是震前區(qū)域應(yīng)力加大，含水層空隙壓增大，使得含水層的滲透性大大增強(qiáng)，導(dǎo)致潮汐相位滯后減小得更加明顯。

潮汐殘差指的是去除潮汐變化后的非潮汐變化的作用結(jié)果，在venedikov 調(diào)和分析的基礎(chǔ)上獲得。因?yàn)橐呀?jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)氣壓改正，所以其殘余水位相對(duì)來(lái)說(shuō)即為所謂的“凈水位”。潮汐殘差水位變化主要反映了地殼介質(zhì)、環(huán)境干擾，以及地震孕育等信息影響下的水位變化。根據(jù)前人對(duì)地震成因理論的研究結(jié)果，潮汐殘差相位差的變化與前兆理論擴(kuò)容模型下的形變，應(yīng)變變化過(guò)程相似。

汶川地震前5 個(gè)月，昌黎井水位殘差相位差曲線下降，震前反復(fù)升降，變化劇烈，在曲線下降過(guò)程中高值點(diǎn)附近發(fā)震；姚安地震前3 個(gè)月，昌黎井水位殘差相位差曲線小幅下降，然后迅速上升，在下降過(guò)程中高值點(diǎn)附近發(fā)震；玉樹(shù)地震前2 個(gè)月昌黎井水位殘差相位差曲線出現(xiàn)大幅下降，在曲線迅速回升至高值點(diǎn)附近發(fā)震；唐山地震前8個(gè)月昌黎井水位殘差相位差曲線出現(xiàn)大幅度下降，然后曲線轉(zhuǎn)為上升，在高值點(diǎn)發(fā)震；燈塔地震前6 個(gè)月，昌黎井水位殘差相位差曲線發(fā)生大幅度下降，在回升至高值點(diǎn)附近發(fā)震；于田地震前4 個(gè)月，昌黎井水位殘差相位差曲線出現(xiàn)大幅下降，且震前反復(fù)上升，變化劇烈，在靠近低值點(diǎn)發(fā)震。昌黎井水位殘差相位差異常出現(xiàn)的時(shí)間段為震前4～8 個(gè)月，震前都出現(xiàn)了下降異常，地震多發(fā)生在曲線的高值或高值點(diǎn)附近。值得提出的是，昌黎井水位潮汐殘差相位差的高值點(diǎn)發(fā)震，與史浙明等研究的例證相反，這可能與昌黎井震時(shí)區(qū)域應(yīng)力改變?cè)斐珊畬佣氯瑵B透性能降低有關(guān)。

結(jié)語(yǔ)

昌黎井水位在研究選取的地震前均有明顯的異常表現(xiàn)，顯示了較強(qiáng)的映震能力，具體表現(xiàn)為水位M2 波潮汐因子、相位滯后以及潮汐殘差相位差均在震前出現(xiàn)了明顯的異常；

昌黎井水位潮汐因子異常一般出現(xiàn)在震前2～9 個(gè)月，在近震震前潮汐因子出現(xiàn)大幅上升，在遠(yuǎn)震震前潮汐因子則出現(xiàn)下降，近震與遠(yuǎn)震震前潮汐因子變化有明顯的差異；

昌黎井水位相位滯后異常一般也是出現(xiàn)在震前2～9個(gè)月，相位滯后首先出現(xiàn)上升異常，之后下降并發(fā)震，相位滯后在震后持續(xù)下降。近震前水位潮汐相位滯后的幅值變化相當(dāng)劇烈，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了遠(yuǎn)震的異常幅度變化水平，原因可能是震前區(qū)域應(yīng)力加大，含水層空隙壓增大，使得含水層的滲透性大大增強(qiáng)，相位滯后減小得更加明顯；

昌黎井水位潮汐殘差相位差異常一般出現(xiàn)在震前4～8 個(gè)月，表現(xiàn)為首先下降，后轉(zhuǎn)為上升，地震多發(fā)生在水位潮汐殘差相位差上升階段的高值附近，這可能與在震時(shí)區(qū)域應(yīng)力改變?cè)斐刹杈诘貐^(qū)含水層堵塞，滲透性能降低有關(guān)。