2020年唐山古冶5.1級地震前流體固體潮參數時空變化研究

紀春玲 董 博 章 陽 周安聘

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號，050021

井水位潮汐是評價水位觀測質量的重要參數，對井水位的潮汐因子、振幅和相位等潮汐參數進行研究可獲得震前異常信息[1-2]。深入分析井水位潮汐對推算含水層的各種參數、衡量井水位對應力應變的響應量、了解含水層動態和解釋井水位微動態等均具有重要的科學意義和必要性[3]。利用流體井潮汐參數可對地震進行預報，但現有研究多致力于潮汐對地震的觸發作用，利用流體觀測探討固體潮與地震的關系[4-5]，而對震前潮汐參數的時空變化關系的研究較少。本文精細研究2020-07-12唐山古冶5.1級地震前井水位潮汐參數的時空變化特征，分析提取相關孕震信號，為利用流體井觀測資料進行地震預報和機理研究提供震例參考。

1 數據處理

選取距離唐山古冶250 km內觀測質量較好、固體潮清晰的16口井作為研究對象，收集各井2017-01-01～2020-07-30水位整點值數據及氣壓整點值數據，井分布見圖1。

圖1 震中及流體井分布

首先剔除各井水位、氣壓原始數據中尖峰、脈沖、階變的部分，然后利用Surfer軟件對缺測數據運用克里金插值法進行補全[6]，最后對去趨勢后的各井水位進行傅里葉變換(FFT)，以確定潮汐對井水位的影響程度。

圖2和圖3為盧龍崔莊井數據。由圖2和圖3可知，觀測數據中明顯包含日潮、半日潮、三分之一日潮信息，其中半日潮振幅最大，日潮次之，三分之一日潮振幅最小，該特征與固體潮理論一致。圖3中存在振幅約為0.007 kPa的信號，推斷可能與井結構、周圍環境有關。

圖2 盧龍崔莊井2020-01水位整點值曲線

圖3 盧龍崔莊井2020-01水位頻譜圖

本文所用的潮汐分析軟件為改進的Baytap-G程序，主要包含以下功能：1)自動去除數據趨勢項并計算其頻譜，同時可自動去除相關聯項，如氣壓影響；2)對少量缺失的數據進行插值并對階梯變化量進行估計；3)粗略查找和識別異常數據；4)計算ABIC值并以此分析模型質量。

2 井水位潮汐參數特征分析

2.1 潮汐背景分析

將各井長時間觀測數據的潮汐分析情況作為其潮汐觀測背景。通過Baytap-G程序，取計算窗長為720 h，滑動步長為168 h[3]，計算16口井2017-01-01～2020-07-30水位整點值數據，得到各井12個主要波群的潮汐參數，包括6個日波群、5個半日波群和1個三分之一日波群，表1為玉田井潮汐參數。

由表1可知，M2波計算誤差最小，O1波次之，其他井情況類似。計算16口井每月M2、O1波潮汐因子，得到其方差變化曲線(圖4)。從圖4可以看出，M2波潮汐因子方差明顯比O1波小。2017-01-01～2020-07-30的O1波方差基本維持在0.5%以內(靜海井、王3井除外)；除靜海井、王3井外，其余14口井M2波方差基本維持在0.1%以內。上述表明，M2波穩定性優于O1波。

表1 玉田井潮汐參數

圖4 各井M2波和O1波穩定性分析

2.2 潮汐參數時間變化特征

基于井水位潮汐變化，通過Baytap-G程序計算16口井2017-01-01～2020-07-30水位整點值數據，得到M2波潮汐因子變化曲線。曲線變化形態可分為趨勢性上升(圖5)和趨勢性下降(圖6)2種情況。

圖5 潮汐因子趨勢性上升

圖6 潮汐因子趨勢性下降

2.2.1 趨勢性上升

2020-07-12唐山古冶5.1級地震前有5口井潮汐因子表現為上升趨勢，分別為玉田井、漢1井、灤縣井、盧龍崔莊井和昌黎何家莊井(圖5)。

玉田井近年潮汐因子一般在0.15左右波動，整體表現為逐漸上升趨勢。2020-04-17玉田井潮汐因子下降為0.14后急劇上升為05-25的0.162，隨后又快速下降，07-12古冶地震當天達到極小值0.138，震后潮汐因子緩慢回升。

漢1井潮汐因子存在1 a變化周期，每年7月底至8月中旬潮汐因子達到極大值后開始下降，整體處于逐漸上升狀態。2020-07-12古冶5.1級地震當天潮汐因子處于極大值，震后逐漸回落。與往年相比，2020年漢1井潮汐因子極大值出現時間有所提前，這可能與古冶地震使該井附近區域應力場發生變化有關。

灤縣井潮汐因子整體處于緩慢上升狀態。2020-03-18潮汐因子開始急劇上升，04-10達到極大值0.046后開始回落，而后在06-16急劇上升至最大值0.056并迅速下降至最小值0.01，古冶地震后潮汐因子趨于正常變化。

盧龍崔莊井和漢1井變化特征相似，潮汐因子存在約1 a變化周期，但盧龍崔莊井潮汐因子在每年3月左右達到極小值，4～10月潮汐因子維持在較高水平，并且具有小幅波動，年底潮汐因子出現下降情況。盧龍崔莊井潮汐因子在2020-06-24由0.154急劇下降至07-12的0.146，古冶地震發生時處于極小值，震后潮汐因子開始回升。按照往年規律，盧龍崔莊井潮汐因子在6、7月應處于較高水平，并且具有小幅波動，2020-06-24的大幅波動應與07-12古冶地震使該井周圍應力場發生變化有關。

昌黎何家莊井潮汐因子整體處于穩步上升狀態，波動幅度較小。該井2020-06-29潮汐因子出現下降，07-12達到極小值0.184，古冶地震后恢復至正常水平。

2.2.2 趨勢性下降

2020-07-12唐山古冶5.1級地震前有11口井潮汐因子表現為下降趨勢，分別為寶坻新井、高村井、懷來后郝窯井、靜海井、平谷馬坊井、順義板橋井、唐山井、通州西集井、王3井、張道口井和趙各莊井。

唐山井潮汐因子在2017～2020年表現為趨勢性下降，其在2020-07-09由0.067驟降為07-12的0.056，震后潮汐因子開始回升。

靜海井和張道口井潮汐因子整體緩慢下降。兩口井潮汐因子在7月初均出現上升變化，地震當天達到極大值，隨后趨于平衡。

平谷馬坊井和趙各莊井震前均出現潮汐因子變大，而后降低，2020-07-12潮汐因子達到極小值，震后逐漸趨于正常。平谷馬坊井2020-03-26潮汐因子在正常水平基礎上開始下降，04-17達到極小值0.118后迅速增大為05-25的0.171，而后又開始下降至07-12的0.121，古冶地震后潮汐因子逐漸恢復正常。趙各莊井潮汐因子在4月底開始急劇上升，05-25達到極大值0.062后迅速下降，07-12古冶地震當天達到極小值0.033，而后在正常水平上下小幅波動。兩口井潮汐因子變化特征類似，可能與兩口井位置相近有關。

寶坻新井、高村井潮汐因子下降速率較快；懷來后郝窯井、通州西集井下降速率較緩；王3井潮汐因子先下降后上升，但整體處于緩慢下降狀態。這5口井潮汐因子均在2020-07-12古冶地震當天達到極小值，而后逐漸恢復至正常水平。

順義板橋井潮汐因子在07-12古冶地震前后未發生明顯改變。

2.3 潮汐參數空間變化特征

為更深入地研究潮汐因子變化規律，繪制唐山古冶周邊16口井水位潮汐因子長趨勢變化空間分布圖(圖7)。

圖7 震前潮汐因子變化趨勢空間分布

分析可知，2017年開始，唐山古冶東部所有井均表現為上升趨勢，西部除玉田井和漢1井外共11口井潮汐因子處于下降狀態；2018-06開始，震中附近的唐山井、灤縣井、盧龍崔莊井和昌黎何家莊井潮汐因子處于上升狀態，其余12口井潮汐因子表現為下降趨勢。

距離震中較遠的漢1井和玉田井潮汐因子由上升趨勢逐漸轉變為下降趨勢，表現為應力釋放；而距離震中較近的唐山井潮汐因子由下降趨勢逐漸轉變為上升趨勢，且震中附近的灤縣井、盧龍崔莊井及昌黎何家莊井潮汐因子均表現為上升趨勢。歷史震例分析結果表明，在大震前震源附近存在應力積累過程。

收集2017-01-01～2020-07-31華北地區MS≥3.0地震信息，繪制震中分布圖(圖8)和M-T圖(圖9)。由圖8可知，2020年唐山古冶5.1級地震為近年華北地區發生的最大地震，MS≥4.0地震主要分布在唐山地區近東西方向。結合M-T圖可知，2017～2020年唐山古冶地震前華北地區MS≥3.0地震發震間隔較長(除2019-05存在部分應力釋放外)，表現為應力積累過程。綜合分析華北地區地震活動性可知，2017～2020年唐山古冶5.1級地震前，唐山地區表現為應力積累過程，該結論與朱琳等[7]的結果一致。

圖8 2017-01-01～2020-07-31華北地區MS≥3.0地震震中分布

圖9 2017-01-01～2020-07-31華北地區MS≥3.0地震M-T圖

2020-07-12唐山古冶5.1級地震震源機制解為右旋走滑運動性質，此次地震的主壓應力方向為SEE向，與現代區域構造應力場主壓應力方向(近EW向)一致，整體上呈現東西向壓縮、南北向拉張的受力狀態。圖10為16口井在古冶地震前15 d潮汐因子變化情況的空間分布。

圖10 震前潮汐因子變化形態空間分布

由圖10可知，震前唐山古冶西北部的順義板橋井潮汐因子未發生明顯變化；震中西南方向的靜海井、張道口井和漢1井潮汐因子增大；震中近東西方向12口井潮汐因子均減小。結合唐山古冶地震震源機制類型可知，震中附近16口井在震前潮汐因子的變化形態主要受本次地震主應力方向影響，東西向壓縮，井-含水層系統孔隙度減小，儲水率減小，因此震中東西向井水位潮汐因子減小；同理，南北向拉張，井-含水層系統孔隙度增大，儲水率增大，因此震中南北方向井水位潮汐因子增大。順義板橋井潮汐因子未發生明顯變化，這可能與該井附近斷層走向影響應力傳播有關，也可能與該井靈敏度有關，有待后續進一步研究。根據前人研究結果可知，井孔壓在走滑斷層破裂帶周邊呈四象限分布[8]，由于震中北向缺少井口實例，但震中附近水位潮汐因子基本符合四象限分布，這種變化特征可用震前閉鎖剪力模型來解釋[9]。

3 結 語

通過對2017-01～2020-07唐山古冶周邊16口井水位整點值資料進行分析，得出以下認識：

1)M2波潮汐因子穩定性比O1波高，除靜海井和王3井外，O1波方差基本維持在0.5%以內，M2波方差基本維持在0.1%以內。

2)根據M2波潮汐因子長期變化趨勢及震前潮汐因子變化形態的空間分布情況可知: ① 距離震中較遠的漢1井和玉田井潮汐因子由上升趨勢逐漸轉變為下降趨勢，表現為應力釋放；而距離震中較近的唐山井潮汐因子由下降趨勢逐漸轉變為上升趨勢，且震中附近的灤縣井、盧龍崔莊井及昌黎何家莊井潮汐因子在震前均處于上升狀態，表現為應力積累。② 結合唐山古冶地震震源機制類型、華北地區地震活動性及GPS解算結果可知，震中附近16口井在震前潮汐因子的變化形態主要受本次地震主應力方向影響，東西向壓縮，潮汐因子減小；南北向拉張，潮汐因子增大。③ 震前潮汐參數的趨勢性變化可能包含更豐富的孕震信息，可為中短期乃至臨震預測提供參考依據。今后將對潮汐參數的時變特征與地震孕育機理的相關性進行更深入的研究。