【word】 天津地区井水位气压系数变化与地震关系的探讨

【word】 天津地区井水位气压系数变化与地震关系的探讨 天津地区井水位气压系数变化与地震关系 的探讨 第31卷第3期 2010年6月 地震地磁观测与研究 SEISM0L0GICALANDGE0MAGNETIC OBSERVATIONANDRESEARCH Vo1.31NO.3 Jun2010 doi:10.3969/j.issn.1003—3246.2010.03.013 天津地区井水位气压系数变化与 地震关系的探讨 刘学领D马建英邵永新 1)中国天津300180宝坻地震台 2)中国天津300201天津市地震局 摘要地下水位气压系数在震前出现异常变化的研究,在地震预测研究中具有积极的作用和现实 意义.利用高采样率的数字化资料,采取一阶差分筛选回归分析的方法,对天津地区4口地下水 动态观测井的气压系数进行计算分析,并对其与地震的关系进行探 讨.研究认为:不同的井孔,由 于自身条件及干扰因素的不同,气压系数在震前的异常变化形态及幅度都有所不同;气压系数是 随时间和空间而变化的物理量.通过文安5.1级地震震例检验,提出利用气压系数预报地震的可 能性,但将之应用到地震监测预报实践中,尚需更多震例检验,并需开展广泛,系统的研究. 关键词水位;气压系数;中强地震;关系 0引言 由于深井地下水具有封存较好的地下大水体,小井孑L这一独特结构,以及水本身固有的难 压缩,易流动的特性,致使深井水位具有很大的放大能力,因而能较清楚地反映天体,气压,降 雨等因素引起的地壳应力变化(国家地震局分析预报中心三室,1987).所以,研究井孔水位气 压系数的变化规律,分析该系数与地震的关系,对于分析和研究预报地震具有积极作用及实际 意义.自1978年1月14日伊豆大岛近海7.0级强震前日本上白岩井水位,和1980年6月 2730日问伊豆半岛东部海域4.9—6.7级震群活动之前榛原井水位的气压系数出现异常报 道以来,我国开始关注这一新型的地下水异常形式(鱼金子等,1990). 有关研究结果明,地 下水位的气压效率,相关系数在一定范围的中强地震前有较明显的前兆显示(丁风和等,2007; 耿杰等,2002;李春城等,1990;田山等,2009;王新等,2007;夏菲等,1992).从此观点出发,笔 者对天津地下水动态观测井宝坻井,高村井,静海井,张道口井的有关资料进行计算处理, 试图论证震前深井地下水位观测井在气压效率,相关系数方面的前兆异常信息. 1观测井孑L概况 1.1宝坻井 宝坻井位于天津市宝坻区城关镇西北.构造上位于燕山山前沉降带唐山隆起的宝坻凸 起,距宝坻深大断裂3km,区内断裂较发育.该井成井于1976年,井深427.171TI,观测含水层 作者简介:刘学领(1971),男,本科,天津市人,师,主要从事地下流体的监测预报及研究 基金项目:本文得到天津市地震局中青年课题(084008)资助 本文收到日期:2010-01—05 78地震地磁观测与研究 为震旦亚界雾迷山组(Zw)白云岩岩溶含水层,其顶板埋深为210.15m,主要含水部位为古潜 山上部风化壳发育地段,地下水类型为岩溶裂隙承压水. 2001年7月由模拟水位观测改为LN一3型数字水位仪观测.该井水位年动态主要受浅层 水季节性开采影响,年变规律明显,能显示气压,固体潮等水位微动态,最大潮差为5cm.该 井记震能力强,全球7级以上地震均可记录到,且能记录到大陆内部部分6级左右地震. 1.2高村井 高村井位于武清区高村乡.该井靠近宝坻断裂,西部有NNE向夏垫断裂.高村井深 3402.8m,2700m以下是裸眼,观测层为寒武一奥陶系灰岩,属岩溶裂隙承压水,井孑L密封性 较好,不受地表降水及人为因素干扰.高村井2001年改造为数字化水位观测.水位日变固体 潮记录明显,最大潮差约20cm. 1.3静海井 静海井位于静海县梁头镇小李庄村.该井构造上位于沧东隆起,静海斜坡带上,天津南断 裂西侧,距大城断裂5km.静海井深504.9In,含水层埋深445—475In,岩性为第三纪砂岩, 水点类型为孔隙承压水.该井2001年进行数字化水位观测,能显示气压,固体潮等水位微动 态,最大潮差3cm. 图1井孔分布 Fig.1Distributionofobservationwells 2数据处理方法与资料选取 1.4张道口井 张道口井位于天津西青区大寺镇门道口 村西北.该井构造上位于沧县隆起北部的双 窑凸起与白塘口凹陷之间,井点处于白塘口西 断裂的下盘.该井为京津唐地区重要的地震地 下流体动态观测专业井,1975年成井,井深 1406.13rn,井水自流,观测层为埋深1000rll 的震旦亚界白云岩层状岩溶裂隙承压水,出水 段深度为10431374m.1976年1月开始 进行地震地下流体动态观测,在井水自流情况 下观测水氡,气体,电导率,水质组分及井口压 力,流量,温度等地下流体多个测项.1992年 12月井水断流,1996年9月被迫进行静水位 模拟观测,使用仪器为SW40—1型机械式水位 仪.该井2001年改造为数字化水位观测.水 位日变固体潮记录明显,最大潮差约20cm. 井孑L封闭性较好,水位变化不受气压,降雨,地 表浅层水的影响.主要受周围地下热水的开 采影响,年变规律明显.各井孔分布见图1. 2.1井孔水位的气压系数 观测资料表明,在气压的作用下.深井水位发生变化,这种现象称为井孔水位气压效应. 第3期刘学领等:天津地区井水位气压系数变化与地震关系的探讨79 它的基本特征是气压上升,水位下降;气压下降,水位上升,两者关系表现出负相关(国家地震 局科技监测司,1990).产生井孔水位气压效应的机理是,当大气压力同时作用在井区大地表 面与井孔水面上时,在向下传递的过程中压力衰减,由于受到的阻力不同,导致井一含水层之间 产生压差,并引起水流运动.当大气压力增大时,井内水向含水层流动,导致井孔水位下降;而 大气压力减少时,含水层内的水向井孔流动,导致井孔水位上升. 井孑L水位的气压效应,一般用气压系数或气压效率表述,其概念是单位气压变量引起的水 位升降量,常用单位mm/hPa.计算结果表明,气压系数大小因井而异,因时而异,但变化范围 有限,一般变化在1—8mm/hPa(张国民等,2001). 2.2井水位气压系数的求法 目前,在我国地震地下水日常分析,研究中,较普遍的求取气压系数的 方法有回归分析(一 元回归,二元回归,多元回归与逐步回归),差分法(一阶,高阶)及作图法,其中最常用的是一元 回归,二元回归与一阶差分等方法(车用太等,1990).本文采用简单实用的日值一阶差分筛选 回归分析方法(汪成民等,1990;国家地震局预测预防司,1997). 水位日均值变化主要受气压和多数井孔表现出来的趋势性升降的影响,后者在不太长的 计算时段内(一般取月长度)近似视为直线升降,此时 H(,)一b0+blt+bPP(f) 对上式两边求一阶差分,得 ?H(,)一b1+bPAP(,) 在一个月时长的资料中,去除不合理数据后作一元回归分析,则br为所求的气压系数. 筛选原则:?AH(t)与AP(t)符号相反者不取;?AH(t)/AP(t)>l0mm/hPa者不取. 该方法的优点是:?采用水位日值序列,基本去掉潮汐引力对水位的影响;?一阶差分近 似代替微分,可去除水位月变规律中的趋势性升降变化因素;?通过上述筛选原则,基本可以 筛选去除降雨等随机干扰,水位和气压的相关程度较高,所求气压系数比较合理,准确. 2.3资料的选取 200]年天津市地震局对部分监测井孔进行数字化改造,提高了数据的采样率及精度.为 有效研究气压系数变化及与地震的关系,笔者选取水位及辅助测项齐全的宝坻井,高村井,静 海井,张道口井2002年数字化观测以来的水位,气压日均值数据进行研究,资料截止2008年 12月.首先对数据进行预处理,主要对观测数据的缺数部分进行插值,连续缺数在3个月以 内者可根据图形变化趋势内插,3个月以上连续缺数值时,则不作补插,当作缺数处理.在地 震信息的反映能力方面,在2002--2008年间,华北地区地震活动水平偏低,仅在2006年7月 河北文安发生一次M5.1中强地震.为此,以文安地震为例,探讨气压系数与地震的关系. 3计算结果及分析 在地震日常监视工作中,当用气压系数对水位进行校正时,气压系数可近似视为一个相对 稳定的物理量.由于影响水位变化的因素太多,无法完全排除气压因素之外的影响,只能在基 本抑制其影响的相对条件下,求气压系数.对同一井孔求不同时段的气压系数bR,并依据相 应的相关系数的大小,采用加权平均的办法,选出相对合理的气压系数b(国家地震局科技 监测司,1995;国家地震局预测预防司,1997;汪成民等,1990;王新等,2007). 80地震地磁观测与研究 b一?bP/? 按照以上方法,对同一井孑L以每年的12个月作为一个时段,先求取每月的气压系数及相 应相关系数的大小,再采用加权平均的方法,计算出宝坻等4口观测井每年和连续多年的气压 系数(表1). 表1各井气压系数(气压效率)对比 Table1Contrastsofairpressurecoefficientsofgroundwaterlevelinfourwells 注:采用各井水位,气压的日均值计算出的气压系数 由表1可见,各个井孔的气压效应是不等的,气压系数在3.O6.9mm/hPa.高村,张道 口井气压系数比较高,高村井多年平均气压系数为6.5mm/hPa,张道口井多年平均气压系数 为6.9mm/hPa;而宝坻,静海井气压系数比较偏低,宝坻井多年平均气压系数为 3.0mm/hPa,静海井多年平均气压系数为3.6mm/hPa.由表1知,同一井孔的气压一系数 也不是常数,宝坻井各年平均值变化在2.6—3.3mm/hPa范围,高村井各年的平均值变化在 5.7—7.3mm/hPa范围,静海井各年的平均值变化在3.4—3.8mm/hPa范围,张道口井各年 的平均值变化在6.6—7.3mm/hPa范围.由此可见,气压系数是随空间与时间而变化的物 理量. 4气压系数与地震的关系 在研究气压系数随时间的变化与地震的关系时,采用滑动计算求出气压系数的连续变化. 据王新等(2007)的研究结果显示,在滑动步长?10天的情况下,即基本上抑制固体潮和气压 高村井帕51 97卜—————————v]1————————一 ? 0.6}- lO.9 …. 静海井胍5 . 1髦——: il20L1—2——3—4—5—6L7——8—9—1o—1—1—12暑 霸宝坻井Ms.5.1 篓E==二., 张道口井Ms51 嚣= 图2井水位气压系数的动态变化曲线 Fig.2Dynamicchangecurvesofairpressure coefficientsofgroundwaterlevelinfourwells 短周期变化的情况下,滑动步长对于井水位 气压系数的计算影响不大.本文选20天为一 个滑动步长(耿杰等,2002),针对2006年7月 4日河北文安5.4级地震,对宝坻,高村,静海 和张道口井2006年1—12月水位与气压日均 值进行计算处理. 计算结果表明,文安地震前井孔水位气压 系数有明显的异常变化(图2).高村井多年 的气压系数均值为6.5mm/hPa,2006年6月 10日气压系数为6.85mm/hPa,6月11日开 始下降,29日降到一1O.85mm/hPa,7月3日 恢复正常,7月4日发生文安5.1级地震.静 海井多年的气压系数为3.6mm/hPa,2006年 6月17-一19日气压系数为3.5mm/hPa,28 日降到2.2mm/hPa,7月2日转折上升到 第3期刘学领等:天津地区井水位气压系数变化与地震关系的探讨81 3.2mm/hPa.震前高村和静海井气压系数均表现出明显的负异常. 宝坻和张道El井气压系数震前虽然也出现一定下降变化,但出现异常时段与开采季节吻 合.宝坻井受季节性农田灌溉抽水影响,每年四五月份水位下降,七八月份回升,11月转降, 12月至来年3月回升;张道口井受冬季供暖抽水影响,每年11月中旬水位下降,直至来年3 月底冬季供暖结束,水位恢复上升.可见,宝坻井在4月和张道El井在3月的气压系数出现的 下降变化存在抽水干扰,前兆异常信度不高. 5结束语 (1)各井的气压效应不同.一般而言,深井的气压效率较大,浅井的气压效率较小. (2)一个井孔的气压系数并不是固定不变的,在不同的时段表现出一定程度的变化,但变 化范围有限.可见,井孑L水位的气压效率是随空间与时间而变化的物理量. (3)气压变化引起的井水位变化是通过井孔和含水层间的渗流来实现的.当大气压力增 加或降低时,井孔中的水流向含水层或含水层中的水流向井孔.由于 这两个流动过程中所受 的阻力不同,其渗流量也必然不同,导致不同的气压变化过程引起的井水位变化量也不同,所 求得的气压系数随之不同.结果表现为同一井孔气压系数在无干扰因素(如降雨,地震等)时 的起伏(耿杰,2002).同时,由于各个井孔的含水层埋深,岩性及渗透性等因素的不同,必然会 导致各个井孑L的气压效应不等. (4)利用气压系数畸变进行预报的方法,可以应用到水位观测井的H常震情监测工作中, 但不普遍适用.宝坻井和张道口井水位年动态受季节抽水影响明显,地震信息有可能被淹没 在这种干扰中,利用该方法效果不太理想;而利用高村井和静海井水位的气压系数的异常变化 预报地震是有可能的.因此,该方法应用到监测预报实践中,尚需更多震例检验,并进行广泛, 系统的研究. 参考文献 车用太,鱼金子,吴景云.我国深井水位气压效应研究[J].水文地质工程地质,1990,(4):12—17. 丁凤和,赵铁锁,尹占军,等.大甸子井水位的气压系数及其震前异常[J].西北地震,2007,29(2):174—182. 耿杰,周斌,张昭栋.深井水位气压效率和相关系数在中强地震前的变化特征I-J].西北地震,2002,24(3):257261 国家地震局分析预报中心三室.地下流体预报地震论文集EM].北京:地震出版社,1987. 国家地震局科技监测司.水位,水化专辑I-M].北京:地震出版社,1990:146153. 国家地震局科技监测司.地震地下水手册EM].北京:地震出版社,1995:302—305. 国家地震局预测预防司.地下流体地震预报方法I-M].北京:地震出版社,1997:43—44. 李春城,张风楼.白城ZK6井水位气压效率异常与地震关系初探[J].地震,1990,(2):50—54. 田山,汪翠枝,李君英,等.数字前兆地震异常短临特征的初步研究[J].地震地磁观测与研究,2009,30(2):57—67. 汪成民,李宣瑚,王铁城,等.中国地震地下水动态观测网[M].北京:地震出版社,1990:6567. 王新,杨旭升,赵小茂,等.周至井气压系数的变化特征及其与地震的关系EJ3.华北地震科学,2007,25(2):1519. 夏菲,万登堡.井潮系数,气压系数与地震关系的探讨Es].地震研究,1992,15(1):29—35. 鱼金子,谷园珠,殷世林.三口井水位的气压系数变化及其与地震关系初探EJ].地震,1990,(3):25—32. 张国民,傅征祥,桂燮泰,等.地震预报引论I-M].北京:科学出版 社,2001:137—139. 82地震地磁观测与研究31卷 Thediscussiononthechangeoftheairpressurecoefficientsofwells waterleverandtheirrelationwithearthquakeinTianjinarea LiuXueling”.MaJianyingandShaoYongxin. 1)BaodiSeismicStation,Tianjin300180,China 2)EarthquakeAdministrationofTianjinMunicipality,Tianjin300201,China Abstract Theresearchontheairpressurecoefficientvarietiesofthegroundwater1everbeforethe earthquakehasapositiveroleandpracticalsignificanceinearthquakesprediction.Inthis paper,basedonthedigitalobservationa1dataofhighsamplingrate.thepressurecoefficients offourobservationwellsinTianjinareaarecalculatedandanalyzedwithfirstorderdiffer— enceandregression,andtheirrelationswithearthquakesarealsodiscussed.Wefindthatthe abnormityshapeandamplitudeofairpressurecoefficientsaredifferentbeforetheearth— quake,becauseofthedifferentboreholes,theirownconditionsandinterferencefactorsare different;theairpressurecoefficientisphysicalquantityofvariationwithtimeandspatial change.AccordingtotestontheearthquakeexampleofWenanM5. 1earthquake.authors proposedthepossibilitytopredictearthquakesusingtheairpressurecoefficientofthewater well,butthemethodappliedtotheearthquakemonitoringandpredicting,stillneedsmore earthquakeexamplesandmoreextensiveandsystematicresearch. Keywords:waterlever,airpressurecoefficient,moderatestrongearthquake,relations