强地震前重现的地下水异常及其预报意义
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第２７卷第３期 ２００７年７月 地 震 ＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥ Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．３ Ｊｕ１．，２００７
强地震前重现的地下水异常 及其预报意义
曹新来，许向科，孙佩卿，冯向东 （河北省地震局，河北石家庄０５００２１）
摘要：通过多个震例研究认为，不同的井在几次强地震前记录了形态相同的水位下降过程，数 量虽然不多，却表明地下水地震前兆异常的变化形态在短期到临震阶段具有重复出现的特征。 这类异常出现转折后距地震发生时间一般较稳定，通常在２Ｏ天左右或更短，是预报地震发生 时间的重要指标。因此，研究此类异常的基本特征及其在分析预报中的应用就显得极为重要。 关键词：强地震；地下水；异常形态；短期到临震阶段 中图分类号：Ｐ３１５．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—３２７４（２００７）０３一Ｏ１ｌｌ—Ｏ６
引言 不同的水文地质环境和条件，其水位动态特征不同。在华北地区，尤其首都圈附近， 因地下水开采强度大，不同的成井工艺和水文地质条件下各类观测井的水位动态规律各不 相同，更由于影响因素不是单一的，使得地下水动态变化较为复杂。基于形态各异的水位 变化图像，如何识别强地震的地下水前兆异常则是较为困难的。 对１９６６年邢台７。２级地震以来华北地区地下水震例研究，几次强地震发生前的短期 阶段地下水动态以下降异常为主，临近地震或地震前后水位上升。如距邢台７。２级地震４１ ｋｍ的ＣＫ一０６井，１９６６年２月４～２０ Ｅｔ水位偏离正常动态呈现５２０ ｍｍ的下降变化，２月 ２１～２８ Ｅｔ上升２７０ｍｍ；３月１～１２ Ｅｔ水位下降２７０ ｍｍ，３月１２ Ｅｔ以后水位再次上升。在 ２月４ Ｅｔ开始的水位下降过程中，两次出现水位回升变化，分别于１９６６年３月８ Ｅｔ发生 ６。８级地震和３月２２ Ｅｔ发生７。２级地震＿１］。再如，营口１０２地质队钻井在１９７５年２月４ Ｅｔ 海城７。３级地震前两个月水位出现加速下降，临震前几天转折回升［２］。１９７６年７月２８ Ｅｔ 唐山７。８级地震前，唐山人民公园井、山０４９井、辽宁岫岩井等，水位动态均有下降～转 折～地震发生的变化过程。２Ｏ世纪８Ｏ年代我国地震地下水动态观测网建成以后，资料连 续性较好，这类异常在１９８９年１Ｏ月１９ Ｅｔ大同５。９级地震及其以后的几次较强地震前多 次出现，显示了异常形态重现性较好，异常转折后到地震发生时间比较稳定，且均出现在
＊收稿日期：２００７一Ｏ１一Ｏ１；修改回日期：２００７—０３—０５ 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划（２００６ ＢＡＣＯ１Ｂ０３—０４—０３）。 作者简介：曹新来（１９４８一），男，河北正定人，高级工程师，主要从事地震地下流体预报等研究。
维普资讯 http://www.cqvip.com １１２ 地 震 较强地震发生前。因此在分析预报研究方面，这类异常具有一定的预报意义。笔者称这类 异常为重现性异常［３］，本文讨论重现性异常识别并对近十余年来华北地区几个强地震震例 进行论述。 １ 重现性异常的几个典型实例 １９８９年１０月１９日山西大同５．９级地震前河北万全井记录到了重现性异常。万全井观 测点处于纬向燕山地震带、山西地震带和ＮＥ向地震带交汇部位，含水层为石英斑岩断层 破碎带，地下水来源是通过破碎带接受其他含水层侧向渗透补给，具有循环深度大、水头 高的特点。由图１可表明，１９８９年前半年水位呈现下降趋势，１９８９年９月１８～２８日水位 下降，幅度达６３ ｍｍ，从９月２８日最低水位转折点开始，经过水位缓慢回升过程至地震发 生时间为２１天，震时水位大幅度上升；异常变化呈现下降一回升一发震的异常图像。 北京五里营井观测点水位动态在张北６．２级地震前出现水位下降异常。该井处于祁吕 山字型构造东翼与燕山构造带交汇部位，在延一怀断陷盆地中部，地下水埋藏类型为白云 岩裂隙承压水。张北６．２级地震发生前中、短期阶段，于１９９７年９月１８日水位突升１８９ ｍｍ［４］，之后出现下降。在短期一临震阶段于１９９７年１２月２０日突然下降，幅度达７３ ｍｍ （图２ａ）；突降后水位极不稳定，从１９９７年１２月２６日至１９９８年１月８日的１４天中，多次 记录到瞬间升、降及脉冲等高频变化；从１２月２０日水位降到低点至１９９８年１月１０日张 北６．２级地震发生，时间为２１天。不仅五里营井记录了张北６．２级地震的重现性异常，万
图１大同５．９级地震前万全井水位动态
图２张北６．２级地震前五里营井水位（
ａ）和万全井水位（ｂ）动态变化 维普资讯 http://www.cqvip.com ３期 曹新来等：强地震前重现的地下水异常及其预报意义 ¨３ 全井水位也在１９９７年１２月２０日突然下降，之后转折变为缓慢回升，并记录到小幅度起伏 （图２ｂ），从水位下降到低点至张北６．２级地震发生，时间为２１天。 地下水重现性异常不仅仅只是１９８９年大同５．９级地震和１９９８年张北６．２级地震２个 震例，１９９６年包头６．４级地震前万全井记录到地下水重现性异常，由图３可见，１９９６年４ 月１７日水位下降，２０日加速下降，２２日降到最低水位，其中４月１７～２０日下降幅度为 １１４ ｍｍ，在水位上升过程中发生包头６．４级地震，震时水位大幅度上升，从水位下降出现 转折后的２３日起至地震发生，时间为１１天。１９９１年３月２６日大同５．８级地震前该井地 下水时值微动态也显示了重现性异常图像，由图４可见，３月１９日２１时水位下降，３月２０ 日１０时达最低水位，幅度４ ｍｍ，之后有起伏的逐渐回升，到２６日２时水位上升６ ｍｍ，３ 月２６日２时２分发生大同５．８级地震。这个震例表明，尽管水位下降、回升幅度很小，在 日均值动态曲线上并无显示，但是水位下降一转折一回升发震的异常模式与重现性异常完 全相同。
图３包头６．４级地震前万全井地下水动态的重现性异常
图４大同５．８级地震前刀全井地Ｆ水动态的重现性异常 分析上述震例，在短期到临震阶段，水位下降（包括缓慢下降、加速下降、突然下降 等）转折后，缓慢的微上升过程是共有特征，是地震前可重复出现的一种异常形态。正确认 识缓慢的微上升过程是短临预报的关键，这个过程至地震发生所持续时间在图１和图２中 均为２１天，有趣的是１９９６年包头６．４级地震前，笔者根据万全井１９９６年４月１７日水位 下降，２０日加速下降，２２日达最低水位这一异常图像，对比１９８９年１０月１９日大同５．９ 级地震震例，在１９９６年４月２９日会商会上提出了５月１３日以前，张家口附近有发生Ｍｓ ≥５．５地震的可能；预测发生Ｍｓ≥５．５是因为重现性异常一般对应强度较大的地震，提出 ５月１３日以前的意见是按１９８９年大同５．９级地震震例推算。这次预报虽然不完全正确，
维普资讯 http://www.cqvip.com 地 震 但是在地震发生时间问题上有了一个初步认识。 在华北地区（尤其首都圈地区水位动态观测井密度较大）水位动态观测井中，记录到重 现性异常的观测井不是很多。其原因之一，大多数观测井的水位动态反映了降雨和开采强 度的变化，多数井春季水位下降和汛期后水位上升幅度通常大于１ ０００ ｍｍ，使得很多井记 录不到含水层因应力状态的改变引起的水位变化。 ２重现性异常识别及其预报 重现性异常是短期至临震阶段的异常，在此之前异常发展处于中、短期阶段。在分析 预报研究中，认识到在中、短期异常发展、演变过程中，才有可能识别重现性异常，例如 Ｉ９８９年９月万全井出现重现性异常之前，于Ｉ９８９年１月、２月、４月、６月、７月多次出现 大幅度水位下降，而且阶变异常频繁，水位动态趋势呈下降变化，到９月中、下旬演变为 重现性异常；Ｉ９９６年５月３日包头６．４级地震发生前，万全井在Ｉ９９６年１月Ｉ２～１４日出 现急剧大幅度的水位升、降异常，并多次溢出，１月２８～３０日水位再次大幅度突降，２月９ ～１０日又大幅度上升；这样大幅度的水位连续升、降异常持续一个月时间，２月底以后至 ４月上旬水位较稳定，４月Ｉ７～２３日水位再次下降，发展、演变为重现性异常，随后发生 了包头６．４级地震；１９９８年１月１０日张北６．２级地震发生前，五里营井于１９９７年９月１８ 日水位突升１８９ ｍｍ之后，分别于１０月９～Ｉ１日、Ｉ２月１４４Ｉ５日等多次出现大于７０ ｍｍ 的突升、突降变化，异常发展到１２月２０日，出现大幅度下降变化，发展、演变为重现性异 常；万全井于Ｉ９９７年８月２５日至９月４日水位持续上升４３ ｍｍ，之后呈现缓慢下降；直 到１２月２Ｏ日出现大幅度下降，形成了重现性异常。 上述震例表明，重现性异常出现在异常发展的中、短期异常的后期阶段；在此阶段， 如果记录到连续几天水位下降或瞬间突降的动态图像，还不能识别为重现性异常，必须在 转折出现以后水位较稳定或微上升阶段，才可认为出现了重现性异常。 重现性异常出现之后，根据历史震例分析，一般对应的地震强度较大。在地震发生时 间问题上，震例表明从出现下降转折到地震发生一般为几天至２０天左右，在分析预报中， 当确定重现性异常出现之后，时间已经过去几天，距地震发生时间一般在２０天之内，正如 笔者上述所做的一次预报尝试一样。 并非所有的水位动态观测井都能记录到重现性异常。如前面所述，万全、五里营井处 于地震带上，分析其水文地质条件及水位正常动态和重现性异常基本特征，万全、五里营 井均为动水位观测井，水头高、压力大，地下水埋藏深、循环深度大，降雨因素影响不明 显，水位动态稳定无明显年变周期，含水系统对区域应力场变化反应灵敏；而目前华北地 区多数水位观测井的水文地质条件与此差异较大，这些井水位动态的大幅度变化反映了降 雨和开采的影响，不是或不完全是区域应力场变化引起的。重现性异常的水位变化幅度一 般不大，例如万全井在Ｉ９８９年大同５．９级地震前重现性异常水位变化幅度６３ ｍｍ，在 １９９６年包头６．４级地震前重现性异常水位变化Ｉ１４ ｍｍ，在１９９８年张北６．２级地震前重现 性异常水位变化２４ ｍｍ；五里营井在１９９８年张北６．２级地震前水位变化幅度７３ ｍｍ。由 此可见，当降雨、开采形成含水系统水位变化的主要因素时，在区域应力场作用下含水岩 石应力状态改变引起的水位变化远小于降雨、开采因素的影响，所以不易记录到岩石应力
状态改变引起的变化或者说仅记录了不易识别的微弱变化。上述表明不同水文地质条件下 维普资讯 http://www.cqvip.com ３期 曹新来等：强地震前重现的地下水异常及其预报意义 １１５ 的观测井反映区域应力场变化的能力不同，或许这是目前某些井记录不到重现性异常的原 因。 在降雨、开采等因素的影响下，部分井保留了重现性异常的基本特征。如河北昌黎井， 其水位正常动态每年３～４月下降，６月底或７月初达最低水位，之后随降雨增多、开采减 少使得水位逐渐回升。１９９６年３月初水位下降，３月底至４月初水位加速下降，４月９～２５ 日水位缓慢上升（图５）。这一变化使得年最低水位超前正常年份２个月，是该井２０余年的 观测中未曾有过的现象，如果认为是重现性异常，那么水位下降与正常下降同时出现；如 果不作异常看待，年最低水位过早出现，也不是正常动态。面对这样的情况很难看作重现 性异常，但是震后总结认为，保留了重现性异常的基本形态，是破年变的异常动态，属于 被干扰的重现性异常。
