北京沙河觀測井水溫地震異常特征

吳利軍，劉愛春，田 明，李函谷，史曉宇

（1. 中國地震局地震預(yù)測研究所, 北京 100036；2. 國家自然災(zāi)害防治研究院, 北京 100085；3. 合肥市地震局, 合肥 230041）

0 引言

觀測井水溫是地震地下流體動態(tài)監(jiān)測的主要對象之一，國內(nèi)利用水溫開展地震觀測和研究已有50多年的歷史，為地震監(jiān)測預(yù)報(bào)工作積累了大量的觀測資料、經(jīng)驗(yàn)和預(yù)測實(shí)踐[1-4]。大量震例研究表明，大震甚至中強(qiáng)地震前水溫異?，F(xiàn)象普遍存在，眾多地震學(xué)者對水溫的異常形態(tài)、持續(xù)時(shí)間與范圍等表現(xiàn)特征進(jìn)行了歸納總結(jié)和成因探討[5-10]；室內(nèi)巖石實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)驗(yàn)研究也為解釋水溫異常機(jī)理和遠(yuǎn)場效應(yīng)提供了必要基礎(chǔ)[11-12]。這些觀測和研究得到了很多有意義的成果，為利用水溫觀測開展地震預(yù)測研究積累了寶貴財(cái)富。

以往震例研究結(jié)果認(rèn)為，地下流體中短期異常主體不是來自震源，而是與區(qū)域構(gòu)造活動密切相關(guān)[13-15]，主要反映了區(qū)域構(gòu)造活動及局部構(gòu)造活動的強(qiáng)化[16]。沙河觀測井自觀測以來記錄到了多次異常變化，但400 km范圍內(nèi)僅發(fā)生2次MS4.5以上地震，最大地震為2020年7月12日河北唐山古冶區(qū)的5.1級地震。本文以沙河觀測井水溫觀測數(shù)據(jù)與附近斷裂微小地震和北京周邊中強(qiáng)地震關(guān)系進(jìn)行分析，探討震前的異常特征，以期對該井水溫異常變化成因和異常識別有更好的認(rèn)識。

1 地震地質(zhì)背景與觀測井概況

沙河觀測井位于南口-孫河活動斷裂帶北段（圖1），垂直距離約2.3 km，附近斷裂發(fā)育。南口-孫河斷裂是首都圈平原區(qū)一條重要NW向的活動斷裂，也是環(huán)渤海-張家口斷裂帶中一條重要的隱伏、半隱伏的晚第四紀(jì)活動斷裂[17]，是直接控制沙河凹陷形成的同生斷裂構(gòu)造，且第四紀(jì)以來強(qiáng)烈活動，體現(xiàn)為松散層淺部引張的特點(diǎn)[18]，其地震活動性受到廣泛關(guān)注[19]。南口-孫河斷裂為正斷層，北東盤上升，南西盤下降[20]，長度超過50 km[21-22]，寬度400～500 m[17-18]。該井自2007年數(shù)字化觀測以來，首都圈地區(qū)未發(fā)生6級以上的強(qiáng)震，斷裂帶附近30 km范圍內(nèi)微小地震活動頻繁。

圖1 區(qū)域構(gòu)造與地震分布

該井井深285.4 m，含水層封閉性與承壓性良好，站點(diǎn)周圍無強(qiáng)干擾源或無法識別與排除其影響的干擾。巖性依次為：0～265.33 m，上部是第四紀(jì)亞砂土或亞砂土夾薄層沙，砂礫石夾薄層亞砂土，下部是亞粘土及細(xì)中粒砂與亞砂土互層；265.33～285.4 m為奧陶紀(jì)石灰?guī)r。水溫觀測采用 SZW-1A型石英晶體溫度計(jì)，分辨力為0.000 1 ℃；探頭安裝深度為197 m（溫度梯度測量結(jié)果見表1），觀測含水層為270 m以下的奧陶紀(jì)灰?guī)r裂隙承壓水（圖2）；水質(zhì)類型：HCO3-Na-Ca型。靜水位觀測采用LN-3A型數(shù)字水位儀，其分辨力為0.001 m。兩套儀器數(shù)據(jù)采集率均為1次/min。

圖2 沙河觀測井井孔結(jié)構(gòu)柱狀圖

表1 溫度梯度測量結(jié)果

2 水溫與同井靜水位的動態(tài)特征

沙河觀測井水溫自2007年5月10日開始觀測，截止2021年1月24日數(shù)據(jù)在25.77～26.81 ℃范圍內(nèi)變化（圖3a），無年變規(guī)律。選取較為平穩(wěn)的2015年數(shù)據(jù)，年變幅為0.038 6 ℃（圖3c），月變幅0.018 8 ℃（圖3d），日變幅0.011 4 ℃（圖3e）。月動態(tài)和日動態(tài)均呈隨機(jī)起伏型變化。同井靜水位自2007年5月16日開始觀測，有較好的年變規(guī)律（圖3b）和受固體潮影響的日變形態(tài)（圖3f）。

圖3 水溫與靜水位的動態(tài)特征

采用FFT方法對2015年6月的水溫和靜水位數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，水溫主要受半日潮和長周期波影響（圖4a），基本不受日潮影響；靜水位主要受長周期波、日潮和半日潮影響（圖4b），基本不受1/3潮影響。

圖4 水溫和靜水位數(shù)據(jù)的FFT分析

3 震例分析

通過與沙河觀測井30 km范圍內(nèi)發(fā)生的微小地震進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水溫異常變化與南口-孫河斷裂（北段）兩側(cè)5 km范圍內(nèi)的微震有較好的對應(yīng)關(guān)系。此外，大量震例統(tǒng)計(jì)研究表明，水溫異常與不同震級、震中距范圍內(nèi)的中強(qiáng)地震具有統(tǒng)計(jì)關(guān)系[5，23-28]。在對以往震例研究的基礎(chǔ)上，選取了自2007年5月10日開始觀測以來震中距200 km范圍內(nèi)的MS4.5以上地震，該時(shí)間段內(nèi)震中距在200～400 km范圍內(nèi)未發(fā)生5級以上地震。

將水溫觀測曲線與南口-孫河斷裂（北段）兩側(cè)5 km范圍內(nèi)的8次MS≥1.0地震和臺站200 km范圍內(nèi)的2次MS≥4.5地震對比（圖5）可以看出，在昌平2008年6月25日1.2級、2012年2月8日1.6級、2016年8月24日1.8級、2017年11月8日1.2級和2018年10月18日1.3級地震前觀測曲線均出現(xiàn)了不同程度的轉(zhuǎn)折。其中4次地震位于南口-孫河斷裂（北段）上盤，1次地震位于南口-孫河斷裂（北段）下盤且位于南口-孫河斷裂（北段）與小湯山-東北旺斷裂的交匯部位。2020年2月1日和3月5日昌平1.9、2.1級地震以及2020年7月12日唐山5.1級地震前，該臺太陽能供電系統(tǒng)故障導(dǎo)致儀器產(chǎn)出大量錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這里不做討論。

圖5 2007年5月10日至2021年1月14日水溫日均值觀測曲線

2008年6月25日昌平1.2級地震前45天開始出現(xiàn)持續(xù)12天的異常變化（圖6a），異常形態(tài)呈下降-上升-平穩(wěn)-階躍-恢復(fù)的特征。2016年8月24日昌平1.8級地震前88天開始出現(xiàn)下降-急速回升型變化（圖6b），震后轉(zhuǎn)平。2017年11月8日昌平1.2級地震前59天出現(xiàn)持續(xù)9天的加速上升變化（圖6c）。2018年10月18日昌平1.3級地震前41天開始出現(xiàn)持續(xù)3天的加速上升變化（圖6d）。

圖6 地震前后水溫日均值觀測曲線

S變換[29]是介于短時(shí)傅里葉變換和小波變換之間的非平穩(wěn)信號分析方法，其與傅里葉譜直接相關(guān)且可逆[30]。利用S變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，可得到高清晰度時(shí)頻譜。選取較為平穩(wěn)的2015年6月觀測數(shù)據(jù)和2016年昌平1.8級、2017年昌平1.2級、2018年昌平1.3級地震震前3個(gè)月內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)逐日做S變換，發(fā)現(xiàn)正常時(shí)段（圖7a）與數(shù)據(jù)大幅變化的異常時(shí)段（圖7b～7d）的譜能量 主要集中在5×10?4Hz左右，而異常時(shí)段在（0.3～1.7）×10?4Hz范圍的譜能量表現(xiàn)得更為豐富，說明在異常時(shí)段受低頻影響更大。

對2016年8月24日昌平1.8級地震前1個(gè)月數(shù)據(jù)利用FFT方法進(jìn)行頻譜分析（圖8），發(fā)現(xiàn)該時(shí)段受日潮影響顯著，約為正常時(shí)段的3倍，而1/2潮和1/3潮變化不大。

圖8 昌平1.8級地震前頻譜分析

2012年2月8日昌平1.6級地震前，2011年12月21日至2012年1月25日期間數(shù)據(jù)急速下降0.231 7 ℃，是正常日變幅的20.3倍，且自2011年12月22日開始每日出現(xiàn)一個(gè)波峰波谷類固體潮形態(tài)的變化（圖9a）；2012年4月5日開始日變幅逐漸增大，數(shù)據(jù)又出現(xiàn)多次加速上升下降型變化；5月19日日變幅達(dá)到0.121 5 ℃，是正常的10.7倍。2012年5月28日在距離臺站195 km的河北唐山發(fā)生MS4.8地震（下文簡稱唐山4.8級地震）。以往震例研究表明，水溫異常絕大多數(shù)為3個(gè)月以內(nèi)的短臨異常[4，23，31]，因此可以認(rèn)為自2012年4月5日開始的異常為唐山4.8級地震震前異常。此外，對2011年12月22日至2012年5月26日的水溫（圖9b）和靜水位（圖9c）日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，兩者的相關(guān)系數(shù)為?0.658 8，呈顯著負(fù)相關(guān)。2012年9月15日開始水溫日變幅逐漸減小，固體潮形態(tài)逐漸消失。

圖9 水溫與靜水位觀測曲線

利用FFT方法對唐山4.8級地震前一個(gè)月的水溫?cái)?shù)據(jù)做頻譜分析可以看出，該時(shí)段主要受日潮和周期為5～15天長周期波的影響（圖10a），分別約為正常時(shí)段的170倍和50倍；同時(shí)段的靜水位主要受周期為5～15天、半日潮和日潮影響（圖10b）。數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，水溫梯度越大，潮汐效應(yīng)幅度越大[32]，說明從2011年12月22日開始出現(xiàn)的潮汐變化是冷水下滲[33]造成水溫急劇下降引起的。

圖10 唐山4.8級地震前頻譜分析結(jié)果

研究認(rèn)為，唐山4.8級地震前異常主要集中在震中距100 km范圍內(nèi)，涉及測震、地下流體、形變等觀測[34-37]，震中距270 km的懷來臺電磁輻射[33]和震中距290 km的易縣臺分量應(yīng)變、體應(yīng)變、伸縮儀均記錄到了短臨異常[38-39]，地磁也存在較大范圍的中期異常[40]?？梢姡粕?.8級地震前已出現(xiàn)大范圍應(yīng)力場和地磁場的改變。

4 結(jié)論與討論

1）利用FFT和S變換方法對沙河觀測井水溫觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜和時(shí)頻分析，結(jié)果表明，水溫異常變化與未來3個(gè)月內(nèi)附近斷層5 km范圍內(nèi)的微震和200 km范圍內(nèi)的中強(qiáng)地震有很好的對應(yīng)關(guān)系，說明該井水溫觀測具有較好的震前異常響應(yīng)特征。水溫異常并非都與未來大震或中強(qiáng)地震有關(guān)，也可能預(yù)示著斷層附近小震活動的增強(qiáng)。

2）通過對震時(shí)觀測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，南口-孫河斷裂（北段）附近微小地震和北京周邊中強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)水溫?cái)?shù)據(jù)均未記錄到同震變化，研究結(jié)果也表明引起水溫?cái)?shù)據(jù)異常主要為（0.3～1.7）×10?4Hz的低頻波和日潮產(chǎn)生的能量，佐證了水溫的震前異常并非來自震源，而是場兆[41]。

3）沙河觀測井水溫?cái)?shù)據(jù)正常月變和日變形態(tài)均為隨機(jī)型變化，基本不受日潮影響，但在部分加速變化過程中和急速變化后受日潮影響顯著，甚至出現(xiàn)了日潮形態(tài)。這種現(xiàn)象出現(xiàn)后3個(gè)月內(nèi)在附近斷層5 km范圍內(nèi)發(fā)生了2次1.6級以上地震，在200 km范圍內(nèi)發(fā)生了1次中強(qiáng)地震。因此，可將此特征作為該井水溫?cái)?shù)據(jù)異常判定指標(biāo)之一。