1976年唐山7.8級地震前地下水位變化與地震成核過程的關(guān)系

馬玉川， 晏銳， 王廣才， 余懷忠， 黎明曉， 丁志華， 張子廣

1 中國地震臺網(wǎng)中心， 北京 100045 2 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100083 3 河北省地震局， 石家莊 050021

0 引言

地震預(yù)測是尚未解決的世界性科學(xué)難題，而探索與地震有必然聯(lián)系的地震前兆是亟需解決的科學(xué)問題之一.近幾十年來，根據(jù)構(gòu)造物理實驗，學(xué)者們觀測到斷層在黏滑失穩(wěn)前存在預(yù)滑和預(yù)滑區(qū)逐步擴(kuò)展現(xiàn)象(Ohnaka and Kuwahara，1990；Ohnaka and Shen，1999；Mclaskey and Kilgore，2013)，以及斷層在黏滑后期存在由應(yīng)力積累為主轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力釋放為主的不可逆變形的亞失穩(wěn)態(tài)階段(馬瑾等，2012；馬瑾和郭彥雙，2014；馬瑾，2016)，這些地震成核過程的研究為探索確定性地震前兆提供了實驗基礎(chǔ)，對開展地震成核理論研究和預(yù)測實踐具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義.基于速率-狀態(tài)依賴性摩擦本構(gòu)關(guān)系(Dieterich，1978, 1979, 1981；Ruina，1983)，學(xué)者們對地震成核過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明在地震成核過程中存在成核尺度與加載速率關(guān)聯(lián)、滑動速率持續(xù)增加、成核區(qū)不斷擴(kuò)展等現(xiàn)象(Dieterich, 1992；Kato et al., 1992；Kato and Hirasawa, 1996；He et al.，1998, 2021；何昌榮，2000； Ampuero and Rubin, 2008).在野外觀測條件下，存在較為普遍的由地震成核前應(yīng)力場時空演變所導(dǎo)致的大地震之前的小震時空遷移或錯動加速現(xiàn)象(Chen et al., 2011; Kato et al., 2012；Kato and Nakagawa, 2014；馬瑾和郭彥雙，2014；Yagi et al., 2014； Zhuo et al., 2018；王凱英等，2021).由于野外構(gòu)造的復(fù)雜性和野外觀測的局限性，在野外利用其他地球物理監(jiān)測手段(形變、電磁和流體等)辨認(rèn)地震成核過程，特別是地震成核的后期階段，仍然是需要進(jìn)一步研究的科學(xué)問題.

1976年7月28日3時42分，在河北省唐山市豐南一帶發(fā)生7.8級大地震，造成慘重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失.唐山地震發(fā)生時，京津唐及其鄰近地區(qū)有400余口地下水位觀測井，震中區(qū)有13口觀測井，記錄到了豐富的觀測資料(唐山地震資料匯編組，1981).這些資料為探索野外地震成核過程提供了可能.本項研究對唐山地震前后發(fā)震斷層附近的地下水位變化進(jìn)行回溯分析，通過對比分析唐山地震前的地下水位變化與地震成核過程研究結(jié)果，以探索在野外觀測中辨認(rèn)地震成核過程.

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

1976年唐山7.8級地震震中區(qū)位于唐山斷陷中的開平向斜構(gòu)造的西北翼，區(qū)內(nèi)發(fā)育有北東走向的唐山斷裂帶(圖1)，該斷裂帶主要由三條平行的斷裂組成，自西向東分別為陡河斷裂、長山—巍山斷裂和唐山—古冶斷裂(虢順民等，1977；劉國棟等，1982；Liu et al.， 2013).陡河斷裂全長約50 km，唐山市以南一段被開灤煤礦稱為山Ⅰ斷層，為正斷層，斷層面傾角50°～90°，斷層總位移150～200 m，附近地層劇烈褶皺甚至倒轉(zhuǎn)；長山—巍山斷裂全長約20 km，被稱為山Ⅱ和山Ⅲ斷層，為逆斷層，斷層傾角隨深度加深而變緩，500 m以上30°～60°，500 m以下小于15°，最大斷距超過300 m；唐山—古冶斷裂全長約30 km，被稱為山Ⅳ和山Ⅴ斷層，山Ⅳ斷層為正斷層，傾角60°，山Ⅴ斷層為逆斷層，傾角45°，垂直斷距大于500 m(陳墨香，1981；劉國棟等，1982；谷世銘和周全度，1985).

圖1 唐山7.8級地震震中區(qū)地質(zhì)略圖

震后的野外地質(zhì)調(diào)查工作表明，唐山地震的發(fā)震斷層與唐山斷裂帶中的唐山—古冶斷裂有關(guān).唐山地震形成的地表破裂帶主要分布在唐山—古冶斷裂內(nèi)，北起唐山市勝利路南至安機(jī)寨附近，長度8～11 km，走向為北東向30°，具有右旋走滑特征，最大走滑量為2.3 m，多數(shù)地段垂直位移為0.2～0.7 m(虢順民等，1977；楊理華，1982；杜春濤等，1985).近些年，有些學(xué)者基于地表塌陷和形變資料、鉆孔剖面和探槽探測等工作，認(rèn)為唐山地震的地表破裂由安機(jī)寨向南延伸至豐南西河以南，總長度超過47 km(邱澤華等，2005；江娃利，2006；Guo et al.，2017).

2 地下水位資料

唐山7.8級地震發(fā)生后，許多研究者對京津唐地區(qū)地下水位資料進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理.結(jié)果表明，唐山地震前存在顯著的地下水位長期、中期、短期和臨震變化(Wang et al.，1979；王雅靈，1980；吳錦秀等，1980；張洪波和李坤，1981；汪成民和尹伯忠，1982).研究者分析了這些變化和唐山地震的關(guān)系，對于1972年初至1975年春夏唐山和天津一帶出現(xiàn)的水位長期下降變化，王雅靈(1980)認(rèn)為天津地區(qū)封存咸水水位的變化是唐山地震的趨勢異常，汪成民和尹伯忠(1982)認(rèn)為不能完全歸因于抽水和干旱，可能與唐山地震的孕育過程有關(guān)，而張洪波和李坤(1981)、賈化周等(1982)、車用太等(1994)認(rèn)為是地下水過量開采所致.對于1975年春夏至1976年春唐山地區(qū)出現(xiàn)的中期水位下降速率變緩，以及唐山和天津一帶1976年4、5月份出現(xiàn)的短期水位加速下降、1976年7月下旬出現(xiàn)的臨震水位突變，無法用地下水的開采和補給解釋，被認(rèn)為是唐山地震的前兆異常(王雅靈，1980；張洪波和李坤，1981；賈化周等，1982；汪成民和尹伯忠，1982；車用太等，1994).

基于上述唐山7.8級地震前地下水位變化的相關(guān)研究，本研究利用文獻(xiàn)(唐山地震資料匯編組，1981；楊文田和虞修，1981；張洪波和李坤，1981；汪成民和尹伯忠，1982；谷世銘和周全度，1985)中的地下水位資料，回溯了唐山地震前后的地下水位變化.因為1972年初至1975年春夏唐山和天津一帶出現(xiàn)的地下水位長期下降變化與唐山地震的關(guān)系存在爭論，所以重點收集了唐山地震前的中期、短期、臨震和震后地下水位資料.由于地震成核過程重點在于震中區(qū)附近的變化，因而主要收集了唐山地震發(fā)震斷層附近的地下水位資料.共收集到13口地下水位觀測井，基本情況見表1、表2和圖1.這些觀測點分布在唐山地震地表破裂帶以西至陡河斷裂，距離震中(東經(jīng)118.2°，北緯39.6°，深度12 km)3～18 km.

表1 唐山7.8級地震發(fā)震斷層附近地下水位震前中短期變化和震后變化信息

表2 唐山7.8級地震前發(fā)震斷層附近地下水位臨震變化信息

3 唐山地震前后發(fā)震斷層附近的地下水位變化

有7個測點記錄到唐山7.8級地震前的中期和短期水位變化.中期變化出現(xiàn)在唐山地震前1年左右(1975年7月15日)，變化形態(tài)為同步的地下水位下降速率變緩，水位波動幅度不大(表1).短期變化出現(xiàn)在唐山地震前4個月左右(1976年4月5日)，變化形態(tài)為同步的地下水位加速下降，到地震發(fā)生前達(dá)到歷史低值(表1，圖2)，下降幅度超過1 m(唐山礦涌水量為4 m3·min-1).在這些地下水位出現(xiàn)中期和短期變化期間(1975—1976年)，唐山地區(qū)的地下水開采強度維持在50 m3·min-1左右(張洪波和李坤，1981).這些測點的基礎(chǔ)資料比較完整，震前水位觀測連續(xù)，觀測層巖性以埋藏較深的奧陶系灰?guī)r為主，山西水2井和豐南岳42井的水位觀測為自記式水位儀，其他為每天一次的人工測量，觀測精度為厘米級.

圖2 唐山7.8級地震發(fā)生前后發(fā)震斷層附近地下水位變化曲線

有6個測點記錄到唐山地震前的臨震變化.臨震變化出現(xiàn)在唐山地震前16 h至幾分鐘，地下水位出現(xiàn)數(shù)米的突升或波動變化，有些甚至形成自噴和自流(表2)，最為顯著的是豐南岳42井，在震前2 h，井水自埋深10 m以下噴出地表(由于沒有收集到觀測數(shù)據(jù)或曲線，這些信息來自汪成民和尹伯忠(1982)的文字描述).

有8個測點記錄到唐山地震后的大幅上升，包含2口震前無變化的井孔(唐山水文站).震后水位上升的幅度為1.8～10 m(唐山礦涌水量在震后上升56.5 m3·min-1)，上升后維持在高值，1978年開始下降，1979年底恢復(fù)到震前水平(表1、圖2).由于只收集到震后恢復(fù)觀測后的數(shù)據(jù)，實際的變化幅度可能更大.例如山西水2井，該井的地下水位埋深在地震前為32 m左右，震前在水面以下2 m處安裝了測溫儀，震后測溫儀被拋出井口(汪成民等，1988).對于同時記錄到震后和臨震變化的唐山礦和豐南岳42井，震后變化形態(tài)是臨震變化的延續(xù).

4 地下水位變化與地震成核研究結(jié)果的對比

基于構(gòu)造物理實驗和數(shù)值模研究，尤其在Dieterich(1978，1979，1981)和Ruina(1983)建立和完善了速率-狀態(tài)依賴性摩擦本構(gòu)關(guān)系之后，地震成核過程的相關(guān)研究取得了一系列重要的認(rèn)識，包括發(fā)現(xiàn)了成核區(qū)的擴(kuò)展現(xiàn)象、注意到了滑動速率的持續(xù)增加等(Dieterich, 1992； Kato et al., 1992；Kato and Hirasawa,1996；何昌榮，2000；Ampuero and Rubin, 2008)；然而，目前對地震成核過程各個階段的劃分、最終成核階段的空間尺度大小和持續(xù)時間、以及最終成核階段能否在野外條件下被檢測到等問題仍然在研究當(dāng)中(Zhang et al.，2020； Barbour and Beeler，2021；He et el.，2021).針對上述問題，基于花崗巖實驗約束的速率-狀態(tài)摩擦定律，He等(2021)對地震成核過程進(jìn)行了新一輪的數(shù)值模擬研究，得到了一些新的認(rèn)識，部分研究結(jié)果如圖3所示.其中，地震成核過程包括應(yīng)力積累、初始弱化和總體弱化三個階段(圖3a)；在地震成核后期的總體弱化階段，會出現(xiàn)核心弱化區(qū)的現(xiàn)象，核心弱化區(qū)的邊界具有隨時間擴(kuò)展并在后期收縮的特征(圖3b)；核心弱化區(qū)的邊界擴(kuò)展開始時間、邊界擴(kuò)展速率、邊界收縮時間受控于加載速率和斷層尺度(圖3c)；核心弱化區(qū)邊界收縮的最后階段，弱化區(qū)越來越小，弱化區(qū)內(nèi)應(yīng)力下降、滑動量加速增加，外圍應(yīng)力持續(xù)升高(圖3d).為探尋唐山地震前地下水位是否是與野外地震成核過程有關(guān)，這里將He等(2021)的地震成核模擬結(jié)果與唐山地震前的地下水位觀測結(jié)果進(jìn)行對比.

圖3 地震成核過程二維數(shù)值模擬研究結(jié)果(來自He et al.，2021)

根據(jù)He等(2021)的研究結(jié)果，地震成核各個階段的形成、演化與斷層加載速率(V0)和斷層尺度(L)密切相關(guān)(圖3).唐山地區(qū)的加載速率參考地殼形變和重復(fù)地震等資料進(jìn)行確定，唐山地震的斷層尺度參考地表破裂帶和余震精定位結(jié)果來確定.對于唐山地震發(fā)生前震中區(qū)附近的地殼形變，張祖勝(1982)基于水準(zhǔn)資料總結(jié)了唐山地震震中區(qū)附近的垂直形變特征：1954—1967年略有上升，平均變化速率約0.2 mm·a-1，1967—1969年上升，速率為8.8 mm·a-1，1969—1972年下降，速率為8.3 mm·a-1，1972—1975年略有上升，速率為2.7 mm·a-1；黃立人等(1988)根據(jù)唐山地區(qū)的三角測量結(jié)果給出唐山地區(qū)在1960—1971年期間相對周圍塊體發(fā)生北北東向運動，水平位移約153 mm，而該水平形變測量的精度較低，僅能夠反映震前存在一定的水平運動.受觀測數(shù)據(jù)的限制，目前無法獲取唐山地震前較為精確的地殼運動量，所以主要采用唐山地震后的觀測數(shù)據(jù)來估算加載速率.對于唐山地震發(fā)生后震中區(qū)附近的地殼形變，Li等(2007)依據(jù)精定位方法獲取了重復(fù)地震，由此估算出唐山地震斷層滑動速率為2.6 mm·a-1，與華北地區(qū)GPS測量結(jié)果相當(dāng)(Wang et al., 2001)；武艷強等(2016)依據(jù)1999—2007年唐山地區(qū)的GPS資料得到地殼運動量小于3.6 mm·a-1；根據(jù)Wang和Shen(2020)給出的全國1991—2016年GPS解算結(jié)果，唐山地震震中區(qū)附近(東經(jīng)117.2°—119.2°、北緯38.6°—40.6°)的位移量介于2.5～5 mm·a-1；上述震后結(jié)果基本在同一數(shù)量級，本文采用Li等(2007)基于重復(fù)地震所得的結(jié)果，將唐山地區(qū)的加載速率設(shè)定為2.6 mm·a-1.對于唐山地震的斷層尺度，早期野外調(diào)查所得的唐山地震地表破裂帶長度為8～11 km(虢順民等，1977；楊理華，1982；杜春濤等，1985)；近些年有學(xué)者根據(jù)新的觀測證據(jù)認(rèn)為唐山地震地表破裂帶長度超過47 km(邱澤華等，2005；江娃利，2006；Guo et al.，2017)；Li等(2007)對唐山地震震中區(qū)2001—2006年的小震進(jìn)行了精定位，精定位后的地震分布在50 km范圍內(nèi)(圖1)；參考這些研究結(jié)果，本文將唐山地震的斷層尺度設(shè)定為50 km.

根據(jù)He等(2021)的模擬結(jié)果，如果將斷層加載速率(V0)設(shè)定為2.6 mm·a-1、斷層尺度(L)設(shè)定為50 km，由此得到核心弱化區(qū)邊界擴(kuò)展的開始時間 (Tex)為628天、核心弱化區(qū)邊界開始收縮的時間為377天.對比唐山地震前地下水位的變化時間，唐山地震前地下水位中期變化開始時間(379天)與核心弱化區(qū)邊界收縮的開始時間吻合.在核心弱化區(qū)繼續(xù)收縮階段，其外圍應(yīng)力持續(xù)升高，可能對孔隙水進(jìn)行擠壓，同時，斷層滑移速率和滑移量出現(xiàn)加速(He et al., 2021)；在這樣的情況下，根據(jù)Segall和Rice(1995)基于模擬實驗得出的結(jié)果，如果考慮斷層帶的剪切變形可能引起的擴(kuò)容作用，核心弱化區(qū)的斷層帶孔隙度就會增加；基于這些研究結(jié)果，唐山地震前地下水位短期變化(114天)可能與核心弱化區(qū)擴(kuò)容有關(guān).唐山地震臨震水位變化的時間與模擬結(jié)果預(yù)期的成核過程最后階段其核心弱化區(qū)周圍應(yīng)力快速上升的時間基本一致；成核區(qū)周圍應(yīng)力的快速上升，可以引起成核區(qū)附近水位的大幅上升，與臨震階段觀測到的情況基本一致.

從空間分布的角度，根據(jù)He等(2021)對斷層加載速率V0=2.6 mm·a-1、斷層尺度L=50 km條件下的模擬結(jié)果，核心弱化區(qū)沿斷層走向的長度大約為23 km；本研究中的水位觀測井孔分布在沿發(fā)震斷層方向上距離震中25 km范圍之內(nèi)；因而水位觀測井分布在臨近核心弱化區(qū)的區(qū)域.依據(jù)He等(2021)的研究結(jié)果，在地震成核過程中，核心弱化區(qū)在形成之后邊界開始收縮，最后集中在空間尺度較小的成核區(qū)(圖3)；水位觀測井的空間分布，也存在一個類似的收縮過程，即中短期變化分布在發(fā)震斷層外圍，而臨震變化主要集中在發(fā)震斷層附近；2個同時記錄到中短期和臨震變化的水位測點(唐山礦和豐南岳42井)，分布在與唐山地震主破裂帶較近的位置(圖1).

因此，從時間變化和空間分布的對比結(jié)果來看，唐山地震前的地下水位變化與地震成核過程模擬結(jié)果具有一定的可比性，即中期水位下降速率變緩與地震成核后期階段的核心弱化區(qū)收縮相關(guān)，而短期水位加速下降可能對應(yīng)于核心弱化區(qū)斷層帶擴(kuò)容，最后臨震階段的大幅上升與成核區(qū)周圍應(yīng)力快速上升基本吻合.

5 基于地震成核理論討論地下水位變化的成因

由于唐山地震前的地下水位變化可以與地震成核過程模擬研究結(jié)果進(jìn)行類比，因此，以下從地震成核過程中應(yīng)力變化的影響出發(fā)，對唐山地震前地下水位變化的成因給出一種可能的解釋.對于地下水位中期下降速率變緩，其可能的成因是由于核心弱化區(qū)的收縮，造成核心弱化區(qū)內(nèi)部應(yīng)力顯著降低，而核心弱化區(qū)外圍應(yīng)力顯著增強；因為地下水位觀測井臨近斷層滑動面，經(jīng)過一段時間的收縮，大部分觀測井都會處于核心弱化區(qū)外圍的應(yīng)力增強區(qū)，所以在核心弱化區(qū)收縮時水位出現(xiàn)上升變化(下降背景下出現(xiàn)速率變緩).對于短期水位下降加速，其可能的成因是由于核心弱化區(qū)的擴(kuò)容，形成擴(kuò)容吸水現(xiàn)象，引起斷層帶周圍地下水量減??；因為短期異常水位觀測井臨近強擴(kuò)容區(qū)，所以出現(xiàn)水位下降現(xiàn)象(下降背景下出現(xiàn)速率加速).由于核心弱化區(qū)進(jìn)一步收縮直至成核，成核區(qū)外部是應(yīng)力增強區(qū)，在成核區(qū)周圍的應(yīng)力處于快速上升階段，震源區(qū)水位會出現(xiàn)巨幅上升(或波動后上升).

許多研究者曾對唐山地震前地下水位異常的成因進(jìn)行過討論，例如：王雅靈(1980)認(rèn)為是區(qū)域應(yīng)力場作用下震源及附近地區(qū)應(yīng)力集中與強化過程的反映；吳錦秀等(1980)將中長期、短期、臨震、震時變化對應(yīng)為震源體的彈性變形、塑形變形、微裂擴(kuò)容和主破裂階段；張洪波和李坤(1981)認(rèn)為與震源應(yīng)力場的強烈擠壓和斷裂面的急速張合有關(guān)；汪成民和尹伯忠(1982)認(rèn)為可能反映了震中地區(qū)裂隙演變的過程；車用太等(1994)推測是深部物質(zhì)上涌-微裂隙發(fā)育的結(jié)果.本文的解釋與這些研究結(jié)果相比，同屬于應(yīng)力場變化引起介質(zhì)演化進(jìn)而導(dǎo)致地下水位變化的范疇，相對而言，地下水位中期和臨震變化的機(jī)理與地震成核理論吻合的較好；然而，本文的解釋和以往的研究都屬于定性化的討論，沒有對地下水位的變化給出定量化的分析.

近年來，馬瑾等(2012)，馬瑾和郭彥雙(2014)，馬瑾(2016)研究團(tuán)隊提出了亞失穩(wěn)理論，認(rèn)為斷層在黏滑失穩(wěn)前存在一個亞失穩(wěn)階段，在這個階段內(nèi)，應(yīng)力由積累為主轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力釋放為主，是斷層進(jìn)入不可逆變形的關(guān)鍵階段.亞失穩(wěn)可細(xì)分為前期的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變釋放和后期的準(zhǔn)動態(tài)應(yīng)變釋放兩個階段.依據(jù)馬瑾等(2012)實驗的溫度場演化結(jié)果(應(yīng)力變化的反映)，拐折斷層的拐折點及附近區(qū)域在亞失穩(wěn)階段的應(yīng)力變化明顯(圖4a).唐山地震前地下水位出現(xiàn)中期、短期、臨震變化的井孔也分布在斷層出現(xiàn)拐折的震中附近(圖4b).因此，地下水位變化與拐折斷層亞失穩(wěn)實驗結(jié)果在空間分布特征上有一定的相似性.

圖4 亞失穩(wěn)實驗中的斷層和溫度測點、唐山7.8級地震的發(fā)震斷層和附近的水位測點(圖4a來自馬瑾等(2012))

6 結(jié)論與討論

根據(jù)1976年唐山7.8級地震前地下水位變化的相關(guān)研究，以及地震成核過程的最新研究成果，本文回溯了唐山7.8級地震發(fā)生前后發(fā)震斷層附近的地下水位變化，對比分析了地下水位變化與地震成核研究結(jié)果，取得以下初步結(jié)論：

唐山7.8級地震前后地下水位存在顯著的中期、短期、臨震和震后變化，其中，中期地下水位下降速率變緩與地震成核后期階段的核心弱化區(qū)收縮、短期地下水加速下降與核心弱化區(qū)擴(kuò)容、臨震水位突升或波動與成核區(qū)周圍應(yīng)力快速上升階段在時間變化和空間分布特征上具有一定的相關(guān)性.

唐山7.8級地震的臨震水位變化，可以用成核區(qū)外圍應(yīng)力的快速增加來解釋，核心弱化區(qū)收縮引起的應(yīng)力變化以及擴(kuò)容吸水基本上能夠解釋中期和短期水位變化，因此最新的地震成核理論可以較為合理的解釋唐山地震前地下水位變化的成因.據(jù)此認(rèn)為唐山地震前地下水位變化可能反映的是野外觀測到的地震成核后期階段，在一定程度上為地震成核野外觀測提供了實際震例.

雖然本研究仍是回溯性的個案研究，但研究結(jié)果可能反映了地震成核過程中的一種情況，對探索井水位地震前兆、地震成核的野外觀測以及提高地震監(jiān)測預(yù)測水平提供了可能.但由于仍是初步研究，對于唐山地震前地下水位變化與地震成核過程定量化的關(guān)系、唐山地震前地下水位長期變化與地震成核過程其他階段的關(guān)系、唐山地震后地下水位巨幅上升的機(jī)理，目前沒有給出科學(xué)的分析，有待進(jìn)一步研究.

致謝在研究中得到蔣海昆研究員、車用太研究員、付虹研究員、李樂研究員、劉亢副研究員、姚琪副研究員的指教和幫助，審稿專家提供了寶貴的修改意見和建議，在此深表感謝.