懷4井水汞短臨預(yù)測指標(biāo)研究

唐 杰，張素欣，張子廣，盛艷蕊，丁志華

(河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

地震地下流體觀測主要包括水位、水氡、氣氡、水汞等測項，其中，水化學(xué)中的水汞觀測是廣泛應(yīng)用于地震預(yù)報的手段之一，在地震中短期預(yù)報中起著重要作用，得到國內(nèi)外眾多學(xué)者的認(rèn)可[1]。強(qiáng)震的孕育通常與活動斷裂息息相關(guān)，孕震體隨著應(yīng)力增強(qiáng)，周圍斷裂帶的閉合程度發(fā)生改變，從前閉合的斷層可能會發(fā)生張性變化，地下流體的變化信息沿著張性的斷裂上升至地表，出現(xiàn)流體異常情況[2-5]。水汞具有穿透能力強(qiáng)、運(yùn)移速度快的特點，地下深處的汞異常信息會迅速在觀測中被捕捉到。懷4井水汞觀測在1989年大同-高陽6.1級、1998年張北6.2級地震之前都出現(xiàn)明顯的異常情況[6]，其他井的水汞觀測也在地震前表現(xiàn)出明顯的異常反應(yīng)。如，山西奇村井水汞在多次ML≥4.0地震前都有不同程度的異常變化[7]，北京延慶松山泉水汞異常對測點附近發(fā)生的有感地震及中等地震有較高的對應(yīng)率[8]，甘肅通渭溫泉水汞異常與甘肅中部地區(qū)中等地震也有較高的對應(yīng)率[9]。通過觀測地下水中Hg含量的變化，可了解斷裂通道開啟狀況及地殼內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等信息，且水汞異常多為短臨異常，對地震發(fā)生時間的預(yù)測有較好的參考價值。因此，研究水汞異常特征對地震危險區(qū)域判定及發(fā)震時間預(yù)測有重要作用。

之前，根據(jù)晉冀蒙交界地區(qū)的中強(qiáng)震震例來確定懷4井水汞異常的指標(biāo)。近年來，華北地區(qū)強(qiáng)震活動較弱，在唐山古冶區(qū)發(fā)生過一次5.1級地震和時有發(fā)生的中等地震。為探討在中等地震發(fā)生前，懷4井水汞觀測的異常情況，筆者整理觀測資料，運(yùn)用原始曲線法，根據(jù)測值的背景值動態(tài)，確定超出動態(tài)范圍的變化為異常情況，對懷4井周邊300 km范圍內(nèi)中等地震震前異常特征及與地震空間上的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，正確評估懷4井水汞測值的預(yù)報效能。

1 懷4井簡介

懷4井位于河北省懷來縣城東南13 km桑園鎮(zhèn)后郝窯村南，屬地?zé)嶙粤骶?，井?00.34 m，水溫85 ℃左右。地質(zhì)構(gòu)造上屬東西向陰山構(gòu)造帶內(nèi)蒙古臺背斜以南和北東向祁呂構(gòu)造系與燕山沉降帶的交匯部位，井孔位于多條活動構(gòu)造的交匯部位，是用于地震觀測的“穴位”[10]，懷4井周邊斷裂分布如第14頁圖1所示。測項有水汞、水氡、氣相色譜(氫氣、氦氣)，數(shù)字化改造后增加氣氡、氣汞、水位，輔助測項有水溫及氣象三要素，取樣口位置如第14頁圖2所示。該井位于后郝窯熱田區(qū)，地下熱水主要來自遠(yuǎn)程的大氣降水入滲補(bǔ)給，在循環(huán)過程中經(jīng)斷裂與深部熱源溝通，進(jìn)入深循環(huán)狀態(tài)。水化學(xué)離子檢驗發(fā)現(xiàn)，水中有SO4-、Na+、F-、SiO2、N2等深循環(huán)的產(chǎn)物[11]。因此，該井孔可反映來自地球深部的信息。

圖1 懷4井周邊斷裂分布圖

圖2 懷4井口裝置示意圖

2 水汞異常判定

2008年“十五”期間進(jìn)行儀器改造，水汞測試儀器更換為RG-BS型智能測汞儀，為人工采樣，測試樣品取自井口處，日值觀測。

從觀測日值曲線來看，正常動態(tài)下水汞含量較低，背景值穩(wěn)定(見第15頁圖3a)。一般情況下，變化范圍主要在2～10 ng/L，平均值為5 ng/L左右；超出背景值的部分高值突跳表現(xiàn)為震前異常特征。從五日均值曲線看，懷4井水汞多年趨勢性變化起伏相對穩(wěn)定，無明顯的年變規(guī)律，隨季節(jié)變化不明顯(見第15頁圖3b)。測值受水溫、降雨等外界自然因素的干擾較小，變化較平穩(wěn)。多年的觀測曲線表明，水汞異常主要包括干擾與地震兩類。干擾異常主要表現(xiàn)為觀測環(huán)境、測汞儀器及使用的試劑、取樣位置、觀測人員變動等客觀因素發(fā)生改變，導(dǎo)致水汞測值上升或下降；地震異常的形態(tài)主要表現(xiàn)單點突跳，在大同-陽高、張北地震前出現(xiàn)多次高值變化，為背景值的幾倍到幾十倍，且以中短期異常為主，異常圖像清晰，易于識別[6]。2009年3月5日測值突跳到35.8 ng/L，為背景值的7倍左右，之后于28日發(fā)生原平ML4.8地震；2011年1月3日至10日連續(xù)高值變化，測值最高達(dá)67.6 ng/L，為背景值的13倍左右，之后于3月8日發(fā)生四子王旗ML4.5地震(見第15頁圖4a)，2018年4月的高值異常無地震對應(yīng)(見圖4b)。結(jié)合相關(guān)震例分析可看出，2009年以來異常形態(tài)表現(xiàn)為兩種類型：一是單點或多點突跳為主，一天或連續(xù)幾天測值高于背景值數(shù)倍以上；二是異常形態(tài)連續(xù)高值變化，一段時間內(nèi)測值高于背景值數(shù)倍以上。兩種類型均為異?；謴?fù)后發(fā)震。

圖3 水汞正常動態(tài)圖

圖4 水汞異常動態(tài)圖

3 懷4井水汞預(yù)測指標(biāo)

汞的物理性質(zhì)決定其在壓力、熱力作用下易向低溫、低壓方向遷移。當(dāng)產(chǎn)生構(gòu)造運(yùn)動，應(yīng)力發(fā)生改變時，斷裂破碎帶吸附的汞被釋放出來，遷移過程中形成汞含量較高的熱水。在活動斷裂帶和熱泉區(qū)附近，深部循環(huán)過程強(qiáng)烈，在此處富集的汞能反映來自深部構(gòu)造的信息。懷4井位于多條斷裂交匯及熱田區(qū)，因此，其水汞含量的變化能反映出一段時間內(nèi)該區(qū)域的應(yīng)力變化情況。

在以往地震活動較活躍時期，前人研究認(rèn)為懷4井對周圍260 km范圍內(nèi)4.0級及以上的地震反應(yīng)較靈敏[12]。近年來，華北地區(qū)中強(qiáng)地震活動較弱，在唐山古冶區(qū)發(fā)生一次5級以上地震，無6級以上地震發(fā)生，水汞背景值低于大同-陽高、張北地震時期的背景值。為探討該井水汞在中等地震前的異常特征，選取更換測試儀器后的2009年1月至 2020年6月，懷4井周邊300 km范圍內(nèi)的ML≥4.0地震來分析水汞動態(tài)。為避免隨機(jī)性，參考水汞異常與發(fā)震時間之間的關(guān)系，確定震前6個月內(nèi)出現(xiàn)的異常為前兆異常。根據(jù)以往震例，以水汞測值大于背景值6倍(測值大于30 ng/L)視為異常判定標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，2個異常點的時間間隔≤10 d視為1組異常。為確保水汞測值異常的真實性，異常期間除對儀器工作狀態(tài)進(jìn)行檢查外，還進(jìn)行加密觀測，確保汞含量異常的真實性。在此基礎(chǔ)上，提取出2009年1月至2020年6月該井水汞異常共7次，異常與地震的對應(yīng)關(guān)系如表1、第16頁圖5、圖6所示。

圖5 水汞映震空間分布圖

圖6 水汞映震曲線

表1 水汞異常與地震對應(yīng)情況表

從第16頁表2及圖5看出，懷4井水汞異常對晉冀蒙交界地區(qū)的中等地震活動性具有一定指示意義，對唐山地區(qū)映震能力較弱，原因可能與空間距離、地震強(qiáng)度、構(gòu)造因素等有關(guān)。當(dāng)?shù)厍騼?nèi)動力作用引起構(gòu)造活動時，應(yīng)力變化會向外傳播，懷4井距張渤帶西(晉冀蒙交界區(qū))較近，在區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)時，距離震源較近的測點可能最先出現(xiàn)異常變化。研究以中等地震為主，懷4井位于張渤地震帶西段與山西地震帶交匯處，是應(yīng)力易于集中的部位，因此，對晉冀蒙交界地區(qū)的地震活動引起的應(yīng)力場變化反應(yīng)較敏感。

表2 水汞異常與晉冀蒙交界區(qū)地震對應(yīng)情況表

從時間尺度來看，地震一般發(fā)生在水汞異常結(jié)束后的1～2個月內(nèi)。如，2019年11月5日出現(xiàn)高值突跳異常，12月3日在懷安發(fā)生ML4.1地震；4月19日出現(xiàn)高值突跳異常，6月23日在尚義發(fā)生ML4.1地震；也有一些地震發(fā)生在異常結(jié)束后的6個月。如,2013年2月22日大同ML4.1地震。從圖3可看出，2013年到2015年懷4井水汞數(shù)值整體偏低，未出現(xiàn)測值大于30 ng/L的數(shù)據(jù)，這是由于該時段地震活動的頻次與強(qiáng)度均處于較低水平，區(qū)域應(yīng)力場的變化不足以引起水汞異常；2018年4月至6月水汞異常頻次較高，幅度較大，懷4井周圍并未發(fā)生相應(yīng)的地震。原因可能與水汞異常的主體來自區(qū)域構(gòu)造活動，即絕大多數(shù)異常是區(qū)域構(gòu)造活動產(chǎn)生的場兆信息，導(dǎo)致地下流體異常過程和地震的孕育發(fā)生過程不協(xié)調(diào)[13]。區(qū)域應(yīng)力場作用下構(gòu)造活動產(chǎn)生的場兆信息具有非均勻性和隨機(jī)性的特征，在一定范圍內(nèi)并不一定會影響到每個測點。這與測點所處的相對位置、地質(zhì)構(gòu)造的分布、規(guī)模、方向及活動程度有關(guān)，還與巖石的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，因此，在某個測點出現(xiàn)有地震無異常的現(xiàn)象是可能的。同時，地震是構(gòu)造活動產(chǎn)生的結(jié)果，但也必須達(dá)到巖體的臨界狀態(tài)才會發(fā)生地震，并不是每一次構(gòu)造活動都會有地震發(fā)生。異常和地震活動都是對地殼應(yīng)力狀態(tài)的反映，因此，有異常無地震的現(xiàn)象也會出現(xiàn)。懷4井水汞異常漏報與虛報地震與此有關(guān)。

綜合分析認(rèn)為，懷4井水汞出現(xiàn)突跳幅度大于30 ng/L后的1至6個月內(nèi)，晉冀蒙交界區(qū)一般會有ML4以上地震發(fā)生。應(yīng)用R評分值對懷4井水汞的預(yù)測效能進(jìn)行檢驗，R為0.34，R0為0.31，R>R0通過檢驗。該異常的最佳預(yù)報時間為100 d，預(yù)測指標(biāo)可作為晉冀蒙交界地區(qū)震情判定的參考依據(jù)。

4 結(jié)論與討論

通過對2009年以來懷4井周邊300 km范圍內(nèi)的ML4以上地震前水汞特征進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1) 近年來懷4井水汞背景值較低，可能與華北地區(qū)強(qiáng)震活動較弱，僅發(fā)生5級以上地震一次，主要以中小地震活動為主有關(guān)。

(2) 在基于震例研究的基礎(chǔ)上，分析懷4井水汞異常特征，結(jié)果表明，懷4井水汞異常以突跳為主，異常判別指標(biāo)是測值大于背景值30 ng/L的6倍以上；該井水汞異常R值檢驗結(jié)果為R=0.34，R0=0.31，R>R0通過檢驗，異常的最佳預(yù)報時間為100 d。

(3) 水汞異常與晉冀蒙交界區(qū)中強(qiáng)地震對應(yīng)率較高，可作為晉冀蒙交界地區(qū)震情判定的參考依據(jù)。

由于懷4井處于上地殼熱流體的活動區(qū)，導(dǎo)致地殼介質(zhì)的強(qiáng)度弱化，強(qiáng)化斷裂活動，促發(fā)中等地震活動。因此，加強(qiáng)該區(qū)域地殼熱流體組分的研究，可進(jìn)一步探討地震活動與斷裂活動的機(jī)理。