云南德宏法帕井數字化觀測資料動態及前兆異常特征分析

[摘要]" " 以2008—2023年德宏法帕井水位、水溫觀測資料為研究對象，整理分析觀測資料動態變化、固體潮形態、同震響應及地震前兆異常特征等。結果顯示，德宏法帕井水位固體潮汐形態清晰，年變規律為明顯的夏高冬低型；水溫年變幅度均不足0.01℃，呈趨勢平穩型；井水位、水溫同震響應較為明顯，對于研究區域內MS≥6.0地震同震響應比達78.6%；井水位、水溫能記錄到部分明顯的前兆異常現象，時間上主要以短臨異常為主，空間上以近震和地方震為主。通過對德宏法帕井流體觀測資料進行系統的整理和分析，發現德宏法帕井含水層有良好的彈性，觀測資料能夠很好的反應地殼的應力應變，是較為理想的流體觀測井，可為后續開展地震預測預報提供一定的科學依據。

[關鍵詞] 德宏法帕井; 水位; 水溫; 前兆異常; 同震響應

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-032

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0" 引言

地震地下流體觀測是地震監測的重要手段之一，通過觀測地下水位、水溫、氣體等成分的參數變化，可以了解地下流體的動態和變化規律，進而推斷地震活動的趨勢和規律。地震地下流體井水位、水溫觀測是地震地球物理臺網的主要觀測手段，能為地震預測預報和科學研究提供重要的數據支持[1]。目前，已有多人利用地震地下流體水位、水溫觀測資料開展前兆異常研究、同震響應研究、區域應力變化特征研究、含水層參數反演以及觀測機理研究等[2-8]。

云南德宏法帕井（滇22井）自“十五”數字化升級改造以來，積累了大量連續、可靠的觀測資料，但截至目前并未對該井觀測資料進行過系統的整理和分析。因此，筆者結合前人的研究，以2008—2023年德宏法帕井水位、水溫觀測資料為研究對象，整理分析觀測資料動態變化、固體潮形態、地震波效應及地震前兆異常等特征，以此為德宏及周邊地區地震預測預報提供一定的科學參考依據。

1" 觀測井基本情況及觀測儀器安裝情況

德宏法帕井始建于1985年，1987年正式投入觀測。臺站位于芒市風平鎮法帕村，距芒市7.5 km，地理坐標為（24.39°N，98.55°E），高程為882 m ，占地面積110 m2，現有井深200.17 m。觀測井附近地表水埋藏淺，含水層埋深92.61 m，巖性為中層狀泥灰巖，含承壓巖溶水，水位2.5 m，上頂板厚24.26 m，巖性為粉砂質巖，屬弱含水層，地下水接受側向補給和上層第四系空裂隙水越流補給；井水水溫在22.4793～24.2746℃之間，隨深度的增加而升高。觀測站位于龍陵—瑞麗大斷裂下盤，芒市斷陷盆地東南緣，南為畹町大斷裂，東為怒江大斷裂。

2007年年中完成了對德宏法帕井的“十五”數字化升級改造。水位觀測采用LN-3A型水位儀，2019年因儀器老化嚴重，更換為SWY-II型數字化水位儀，對比觀測1年后，LN-3A型水位儀正式停測。水溫觀測采用SZW-1A型水溫儀，2019年因儀器老化嚴重，更換為SZW-II型數字化水溫儀（Windows操作系統），對比觀測1年后，SZW-1A型水溫儀正式停測；2022年因該儀器穩定性不好，更換為新型的SZW-II型數字化水溫儀（Linux操作系統）。水位探頭深度位于井口下7.313 m處，水溫探頭深度位于井口下165 m處。另外，該井還安裝有一套氣象三要素觀測儀器。

2" 觀測資料動態特征分析

2.1" 水位動態變化特征

法帕觀測站周邊無人工抽水點，觀測井附近地表水埋藏淺，加上水位探頭放置較淺，所以水位變化受大氣降雨影響比較大，季節性較為明顯，多年趨勢變化呈現出趨勢平穩型動態變化，如圖1所示。

水位年變特征突出呈現出動態起伏型，總體變化較為復雜，表現為1—4月前后，水位小幅度下降，且維持在低值，4—8月前后上升，8—12月下降；動態是單峰單谷型，特征表現為降—升—降（先谷后峰），年變化范圍在0.49～0.78 m之間。由于儀器在觀測過程中出現了故障送修、更換，預處理過程中剔除錯誤數據等導致出現部分缺數現象。

2.2" 水溫動態變化特征

對德宏法帕井水溫觀測資料進行分析后發現，年變幅度均不足0.01℃，年或多年趨勢動態呈現出趨勢平穩型（圖2）。2012年10—12月，儀器因雷擊損壞送修導致記錄缺數；2018年6月19日臺站改造過程中碰到過探頭線，水溫呈轉折下降趨勢；2020年11月，因儀器更換，新儀器觀測數據降低。

2.3" 水位日、月動態—固體潮效應

井水位固體潮效應是體應變固體潮的次生效應，是在日、月引力作用下，隨著含水層體積的壓縮和膨脹變形而引起的水位有規律變化[9]。德宏法帕井觀測站水位年變特征表現為1—4月前后有小幅度下降，且井水位上升前1～2個月內井水位測值相對穩定，文中選取了2023年3月井水位觀測的分鐘值進行分析（圖3a），在朔日（3月22日，農歷初一）、望日（3月6日，農歷十五）呈雙峰雙谷型變化，其動態特征表現為升—降—升—降，水位日潮差值較大，達11 mm；在上弦日（3月28日，農歷初七）、下弦日（3月14日，農歷廿三）呈單峰單谷型變化，其動態特征表現為降—升—降，水位日潮差值較小。總體來看，德宏法帕井水位觀測到的固體潮汐形態清晰，潮汐效應顯著，能夠很好地反映出地殼的應力應變情況。

德宏法帕井水溫短期動態呈現出高頻振蕩特征，可能與儀器自身的噪聲有關[10]，無明顯固體潮汐現象（圖3b）。

3" 同震響應特征

含水層系統對地震波的響應非常靈敏，中強以上地震發生后，其外圍的含水層系統經常可以記錄到顯著的同震響應[7]。井水位、水溫同震效應是揭示地殼介質對應力、應變過程響應的有效手段，能夠反映地殼動力作用下地下介質應變和孔隙壓的變化特征[1]。本文結合德宏法帕井觀測數據，從中國地震局監測預報司組織整理編寫的《中國5級以上地震目錄匯編》中，選取了距離該井1000 km范圍內MS≥6.5地震和云南及鄰區（21°N～29°N，97°E～106°E）發生的MS≥5.0地震共54次（不含余震）進行分析，其中MS5.0～5.9地震40次、MS≥6.0地震14次。結果顯示，研究時段內德宏法帕井共記錄到同震響應17次（表1），其中MS5.0～5.9地震6次、同震響應比為15%，MS≥6.0地震11次、同震響應比為78.6%，表明德宏法帕井觀測資料對于研究區域內MS≥6.0地震記震能力較強。

從同震形態來看，德宏法帕井靜水位主要有上升型、水震波型和脈沖型3種，文中又把水震波型和脈沖型統稱為振蕩型，除2008年盈江5.9級地震、2011年盈江5.8級地震之后表現出上升變化以外，其他均表現出振蕩型變化（圖4），這可能主要是因為地方震和近震與遠震同震響應機理不同所致。同震變化幅度為0.5～34 cm，最大為2008年5月12日汶川8.0級地震，幅度約為34 cm；最小為2009年7月9日姚安6.0級地震，幅度約為0.5 cm，主要與震級和井震距有關系，震級越高，井震距越小，變化幅度越大。另外，發現德宏法帕井水位對于全球7級及以上地震響應能力較強，主要表現出水震波型變化。

德宏法帕井水位同震響應形態表現為階變（上升）和振蕩，2008年和2011年兩次盈江地震以后水位同震響應形態為階變（上升），但是兩次水位變化幅度都不大，所以筆者認為可能是因為地震使得含水層應力狀態改變而引起含水層介質孔隙、裂隙被疏通或地下水力學特征發生改變，使水位相對長時間的維持在一個新的平衡狀態。而振蕩變化是由于地震波傳遞后引起了含水層中的地下水發生自由震動，使含水層內孔隙壓力發生升降交替變化，導致井—含水層系統之間交替產生水流運動，最終表現為井孔內水柱的反復升降變化[8，11]。這種地震波經過后水位能從劇烈波動形態快速恢復到之前的正常波動狀態，說明該井含水層有良好的彈性，巖層透水性也相對較好。

德宏法帕井水溫主要表現為下降后緩慢恢復變化或下降后快速恢復變化兩種，除2008年汶川8.0級地震、2008年盈江5.9級地震、2009年姚安6.0級地震、2011年緬甸7.2級地震后表現出下降后緩慢恢復變化外，其他均表現為下降后快速恢復變化（圖5）。同震變化幅度為0.0028～0.0109℃，最大為2011年緬甸7.2級地震，幅度約為0.0109℃；最小為2008年盈江5.9級地震，幅度約為0.0028℃。

井水溫與井水位同震響應是密切相關的，劉耀煒等[12]認為水位振蕩—水溫下降是由于井孔含水層周邊上部的地下水，由于振蕩加快了垂直向下運動的速率，低溫水快速混合到觀測井水中，引起了水溫的下降[13]。德宏法帕井水溫同震響應為下降—恢復變化，其背景值隨深度增加而升高、呈正梯度變化，結合井孔結構來看，水溫傳感器處于井孔裸管段，所以水溫下降可能是由于上下層水產生混合作用引起，該井孔含水層間具有交替的可能。

多數有水位同震響應的地震，水溫也有響應，從響應時間上看井水位響應時間通常比井水溫時間要提前，這主要是因為水位變化使井內水上下流動，從而水溫也發生改變。但是也有德宏法帕水位和水溫同震響應并沒有同時出現的現象，產生這種現象可能主要有3個方面的原因：①因為觀測井水位儀器為分鐘采樣率，對于振蕩型不能完全記錄水震波的全部形態，水位變化幅度不能真實地反映水震波的變化幅度[8]；②地震發生之前井水位表現出明顯的前兆異常狀態，掩蓋了同震響應的變化幅度；③水位和水溫探頭位置不同，二者所在的含水層封閉性不一樣所引起。總之，同震響應產生因素復雜，水位同震升降性質受控于當地地質構造環境和水文地質條件；而水溫同震變化還與地震波引起的井孔中水的運動方式、水溫探頭位置等因素有關，其機理更為復雜[13-16]。因此德宏法帕水溫同震響應機理還需要進一步研究。

4" 地震前兆異常特征

地下流體異常表現為地下水動力學前兆機制的異常。在地震孕育過程中，區域應力不斷增強，導致地質構造發生形變，進而引起地殼內部出現微破裂，促使地下流體出現異常。本文結合德宏法帕井觀測資料選取了云南及鄰區（21°N～29°N，97°E～106°E）發生的MS≥5.0地震48次（38組）（表2和圖6）進行了分析。在中強地震發生之前出現明顯異常的地震有5組，時間上主要以短臨異常為主（震前1～6個月、震前1個月內）；空間上以近震和地方震為主，震中距主要在300 km范圍內。水位異常形態主要為下降期水位上升；分鐘值破壞正常動態，呈脈沖或毛刺狀。水溫異常形態主要為快速上升持續高值；下降波動破壞正常動態（圖7）。對于同一個地下流體觀測點對同一（或相近）地區相似（或相同）震級的地震前兆異常特征有較大差異的現象，可能是由于地震的構造環境存在差別，在地震的孕育、發展及發震過程中，造成的前兆敏感區改變或不同所致[17]。

5" 結論

本文通過對德宏法帕井“十五”數字化改造升級之后的觀測資料進行分析，結果表明：

（1）法帕觀測井附近地表水埋藏較淺，水位受降雨、灌溉補給等影響較大，其年變規律為“夏高冬低”型；水溫年變規律為趨勢平穩型。水位固體潮汐形態清晰，潮汐效應顯著，能夠很好的反映出地殼應力應變的情況。

（2）水位資料同震響應形態為上升和振蕩型，以振蕩型為主，這種地震波經過后水位能從劇烈波動形態快速恢復到之前的正常波動狀態，從側面反映了該井含水層有良好的彈性，巖層透水性也相對較好。

（3）水溫資料同震響應形態為下降—恢復變化，其符合水動力學機制，水溫下降可能是由于上下層水產生混合作用引起，該井孔含水層間具有交替的可能。而恢復時間的長短可能與地震造成不同含水層壓力變化不同，使得各含水層混入井內水量不同所致。

（4）地震孕育過程中，區域應力加載，使德宏法帕井水位、水溫在周邊的部分中強地震發生之前出現明顯異常現象，時間上主要以短臨異常為主，震中距主要在300 km范圍內。水位異常形態主要為下降期水位上升、分鐘值破壞正常動態呈脈沖或毛刺狀；水溫異常形態主要為快速上升持續高值和下降波動破壞正常動態。

總體而言，德宏法帕井靜水位、水溫觀測數據連續可靠，能夠有效捕捉到地下應力變化的部分信息，是較為理想的流體觀測井，可為地震分析預報提供科學的參考依據。

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Analysis of observation data dynamics and precursor anomalies of digital observation data of the Dehongfapa well

Wang Jinxia， Wu Yuwei*， Zhou Yang， Wang Hongying， Zhong Kairong

Dehong Dai and Jingpo Autonomous Prefecture Earthquake Prevention and Disaster Reduction Administration， Yunnan Mangshi 678400， China

[Abstract]" " "Based on observation data of the water level and water temperature in the Dehongfapa well from 2008 to 2023， we analyzed the characteristics of the dynamic change of observation data， pattern of earth tides， coseismic response， and earthquake precursor anomaly. The results showed that the water level of the Dehongfapa well has a clear pattern of earth tides and that the annual variation is obvious highness of level in summer and lowness in winter. The annual variation of water temperature was less than 0.01℃， indicating a stable trend type. The coseismic response of the well water level and water temperature was obvious. The coseismic response ratio of MS≥6.0 earthquakes in the study area was 78.6%. The well water level and water temperature can record some obvious precursor anomalies， mainly characterized by short-term anomalies in time and proximal and local earthquakes in space. We systematically studied， cleaned， and analyzed the fluid observation data of the Dehongfapa well and found that the aquifer of the Dehongfapa well has good elasticity. The observation data of the well can effectively reflect the underground stress and strain change， so the Dehongfapa well is an ideal fluid observation well. It can provide information useful for earthquake prediction.

[Keywords] Dehongfapa well; water level; water temperature; precursor anomaly; coseismic response