孟令蕾,秦麗巖,孟令升,譚 佳,李繼業(yè),任建輝
(1.哈爾濱市防震減災(zāi)技術(shù)中心,黑龍江 哈爾濱 150021;2.碾子山地震臺(tái),黑龍江 齊齊哈爾 161000)
通河水位與延壽水位短臨異常的映震特征
孟令蕾1,秦麗巖1,孟令升2,譚 佳1,李繼業(yè)1,任建輝1
(1.哈爾濱市防震減災(zāi)技術(shù)中心,黑龍江 哈爾濱 150021;2.碾子山地震臺(tái),黑龍江 齊齊哈爾 161000)
通過(guò)對(duì)通河地震臺(tái)、延壽地震臺(tái)多年水位數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)通河地震臺(tái)與延壽地震臺(tái)水位對(duì)周邊中強(qiáng)地震有一定的響應(yīng)。統(tǒng)計(jì)了擾動(dòng)異常與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系,總結(jié)了通河、延壽水位幾次擾動(dòng)異常形態(tài)、特征、指標(biāo)。通河地震臺(tái)和延壽地震臺(tái)水位出現(xiàn)擾動(dòng)異常,且擾動(dòng)成組出現(xiàn),持續(xù)幾個(gè)小時(shí)以上,最大振幅超過(guò)7mm,最大周期超過(guò)6min,異常結(jié)束后一個(gè)月之內(nèi)在測(cè)井周邊550公里范圍內(nèi),有發(fā)生3.0級(jí)以上地震的可能,其擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),震級(jí)越大。
水位;水位擾動(dòng);地震
地下水作為一種極其活躍的物質(zhì)參與了地震的孕育、發(fā)生的全過(guò)程[1]。在地殼深處(幾千米至十幾千米)孕育與發(fā)生地震的過(guò)程,是孕震體受力的作用而破裂的過(guò)程;這個(gè)過(guò)程波及到地殼淺部(幾百米至幾千米)時(shí),含水層的受力狀態(tài)發(fā)生變化,引起空隙壓力的變化,同時(shí)導(dǎo)致含水層水流狀態(tài)的變化;這些發(fā)生在含水層中的變化,通過(guò)含水層中的觀測(cè)井或與含水層相連通的泉中表現(xiàn)出來(lái)。由于地下水具有普遍性、流動(dòng)性與難壓縮性的特點(diǎn),能客觀地、靈敏的反映地殼中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化[2]。在1966年邢臺(tái)地震后,在全國(guó)進(jìn)行大規(guī)模地下水位觀測(cè),發(fā)現(xiàn)多次中強(qiáng)大地震前均能觀測(cè)到地下水異常變化,積累了大量震例。人們對(duì)地下水異常也進(jìn)行了大量研究[3-6],主要是四川、云南、河北等地,黑龍江地區(qū)對(duì)此研究較少。本文通過(guò)對(duì)延壽地震臺(tái)、通河地震臺(tái)水位資料分析,統(tǒng)計(jì)水位擾動(dòng)與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)水位短臨異常的映震特征進(jìn)行了總結(jié)。
本文對(duì)通河地震臺(tái)和延壽地震臺(tái)水位觀測(cè)井?dāng)?shù)字化觀測(cè)以來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。兩水位觀測(cè)井受人為干擾較小,數(shù)據(jù)較好。觀測(cè)手段位于依舒斷裂帶上,依舒斷裂帶是控制松遼盆地形成的主要深大斷裂之一,該斷裂分布地區(qū)也是地震多發(fā)地帶[7],對(duì)監(jiān)視區(qū)域應(yīng)力—應(yīng)變場(chǎng)的調(diào)整與變化起著一定的作用,具備捕捉異常信息的有利條件。
1.1 測(cè)井基本情況
延壽地震臺(tái)位于哈爾濱市延壽縣玉河鄉(xiāng)新城村,距延壽縣城16km,海拔高程256.51米。主要地質(zhì)構(gòu)造為北東向依蘭—舒蘭斷裂帶,北西向尚志斷裂帶和岔林河斷裂帶,臺(tái)基巖性為堅(jiān)硬完整的燕山期花崗巖(圖1)。依蘭—舒蘭斷裂帶是控制松遼盆地形成的主要深大斷裂之一,該斷裂分布地區(qū)也是地震多發(fā)地帶。黑龍江蘿北曾發(fā)生過(guò)4.5~5.8級(jí)淺源地震,通河1700多年前曾發(fā)生過(guò)7.5級(jí)左右強(qiáng)震,通河、方正、佳木斯等地小震活動(dòng)頻繁。延壽地震臺(tái)于2007年6月在壽2號(hào)觀測(cè)井中安裝了LN-3A數(shù)字水位儀延,井深200米,探頭投放深度29.40米(探頭距井口距離)。由于2008年9月12日3時(shí)遭雷擊更換探頭,現(xiàn)投放深度為29.54米,儀器安裝至今運(yùn)行狀態(tài)良好,連續(xù)率較高。自開始記錄以來(lái),水位儀、水溫儀都能夠較好的記錄到地下水固體潮汐,儀器運(yùn)行狀態(tài)良好。
通河地震臺(tái)成立于2004年10月成立,地處富林鄉(xiāng)岔林村,距通河縣城4km,海拔高程260米。通河1井始建于2007年5月,流體測(cè)量井深200米,隸屬于黑龍江省前兆十五項(xiàng)目地下流體觀測(cè)網(wǎng)(圖1)。2007年6月開始觀測(cè),水位觀測(cè)儀器為L(zhǎng)N-3A型數(shù)字水位,水位埋深為7.24米,數(shù)據(jù)內(nèi)精度較好。通河地震臺(tái)巖性為花崗巖,處于伊春—延壽地槽北段,周邊存在北東向依舒斷裂、東西向通河斷裂以及北西向岔林河斷裂。觀測(cè)環(huán)境良好,數(shù)據(jù)產(chǎn)出質(zhì)量較穩(wěn)定,水位儀可以較清晰地記錄到固體潮,儀器總體運(yùn)行情況良好。
圖1 臺(tái)站地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 The tectonic map near the seismic station
1.2 水位擾動(dòng)與干擾
為了更好的識(shí)別水位擾動(dòng)與干擾的區(qū)別,本文總結(jié)了通河地震臺(tái)與延壽地震臺(tái)水位常見的幾種干擾形態(tài)。多年的地下水微動(dòng)態(tài)研究結(jié)果表明,井水位對(duì)地殼中含水層應(yīng)力—應(yīng)變的響應(yīng)域是較廣的,可記錄地震波中的瑞雷波、潮汐波動(dòng)、氣壓波動(dòng)、風(fēng)擾波動(dòng)等[2]。除此外,井水位動(dòng)態(tài)還受降雨(補(bǔ)給、荷載)、地下水開采和其它干擾因素的影響。在研究水位擾動(dòng)與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)就必須排除非震源信息的干擾。通過(guò)對(duì)多年地下水位資料分鐘值曲線的分析,本文總結(jié)了通河地震臺(tái)和延壽地震臺(tái)水位常見的干擾形態(tài),主要有儀器干擾、附近農(nóng)田灌溉用水干擾、觀測(cè)井周圍施工干擾、延壽臺(tái)冰裂期干擾等。
圖2 儀器干擾形態(tài)(a零點(diǎn)突跳、b儀器干擾Fig.2 Instrument interference pattern
儀器干擾:通常為固定時(shí)間(如零點(diǎn)突跳)出現(xiàn)同樣幅度的數(shù)據(jù)變化,剔除干擾數(shù)據(jù)后,潮汐形態(tài)正常,數(shù)據(jù)前后無(wú)重大變化,是受到了時(shí)間和強(qiáng)度均相對(duì)固定的外來(lái)信號(hào)的干擾,如供電系統(tǒng)或采樣軟件存在問(wèn)題?;?yàn)檎G€變化下的脈動(dòng)變粗,形態(tài)較規(guī)則,振幅、周期相對(duì)固定干擾有一定規(guī)律的波動(dòng),多為供電系統(tǒng)不穩(wěn)定造成(圖2)。
儀器電壓干擾:斷電或者UPS穩(wěn)壓電源供電不穩(wěn)定,也時(shí)常影響觀測(cè),數(shù)采電壓不穩(wěn)造成的干擾通常為分鐘值的陡升或陡降,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間恢復(fù)原形態(tài)(圖3)。
圖3 電壓干擾(a通河臺(tái)、b延壽臺(tái))Fig.3 Voltage disturbance(a Tonghe seismic station,b Yanshou seismic station)
圖4 延壽臺(tái)冰裂期干擾Fig.4 Ice crack period interference in Yanshou seismic station
延壽臺(tái)冰裂期干擾:延壽地震臺(tái)靜水位觀測(cè)井在4、5月處于冰裂期,由于春季氣溫回暖,井壁反霜,曲線有不規(guī)則的波動(dòng),形態(tài)與擾動(dòng)近似(圖4)。
井—含水層系統(tǒng)對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變信息具有顯著的放大效應(yīng)。由于地下水具有普遍性、流動(dòng)性與難壓縮性的特點(diǎn),當(dāng)它形成具有一定封閉條件的承壓系統(tǒng)時(shí),就能客觀地、靈敏地反映地殼中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化[3]。
地震前應(yīng)力場(chǎng)的變化使地殼局部發(fā)生變形從而引起水位異常。當(dāng)應(yīng)力集中,巖層被擠壓,其孔隙率變小,水壓增大,水位上升;相反,若應(yīng)力產(chǎn)生拉伸作用,巖石的孔隙率因?yàn)閺埩Χ兇?,水壓變小,水流返回含水層,致使水位下降?]。由于觀測(cè)井周邊的應(yīng)力、應(yīng)變變化能引起含水層的動(dòng)態(tài)變化。所以通過(guò)對(duì)震前由含水層應(yīng)力應(yīng)變引起的地下水微動(dòng)態(tài)變化的分析研究,能夠發(fā)現(xiàn)通河臺(tái)、延壽臺(tái)靜水位出現(xiàn)的幾次擾動(dòng)異常變化可以對(duì)一些地震產(chǎn)生映射(表1)。
表1 水位擾動(dòng)異常與地震對(duì)應(yīng)關(guān)系表
2.1 通河臺(tái)水位擾動(dòng)分析
圖5 通河水位擾動(dòng)Fig.5 Disturbance of the water level in the Tonghe seismic station
通河水位觀測(cè)至今共記錄7次震前擾動(dòng):2008年7月7日黑龍江龍江4.6級(jí)地震前4天,距震中440km的通河臺(tái)水位出現(xiàn)擾動(dòng),擾動(dòng)主要集中在7月3日20~23時(shí)和4日1-2時(shí),共出現(xiàn)2組,持續(xù)時(shí)間5h、最大振幅11mm、最大周期6min,擾動(dòng)消失后84h發(fā)生地震(圖5a);2009年8月5日5-6時(shí)、8-9時(shí)、11-12時(shí)、13-14時(shí),共出現(xiàn)4組擾動(dòng),擾動(dòng)結(jié)束后6小時(shí),距通河臺(tái)430km的吉林撫松發(fā)生4.6級(jí)地震,持續(xù)時(shí)間5h、最大振幅8mm、最大周期11min,地震后通河水位在11、12、15日又出現(xiàn)擾動(dòng),具體原因有待進(jìn)一步分析(圖5b);2009年11月21日黑龍江密山3.0級(jí)地震前25天距震中245km的通河臺(tái)水位出現(xiàn)擾動(dòng),擾動(dòng)主要集中在10月27日18-19時(shí),11月28日1-2時(shí),共出現(xiàn)2組,持續(xù)時(shí)間4小時(shí)、最大振幅6mm,最大周期10min,擾動(dòng)后24天發(fā)生地震(圖5c);2009年12月19日黑龍江雞東4.1級(jí)地震前18天,距震中距230km的通河水位出現(xiàn)擾動(dòng),擾動(dòng)主要集中在12月1日4—5時(shí)、12月2日5—6時(shí)、12—13時(shí),共出現(xiàn)3組,持續(xù)時(shí)間5h、最大振幅7mm、最大周期20min,擾動(dòng)消失后17天發(fā)生地震(圖5d、5e);2010年3月10日黑龍江友誼4.1級(jí)地震前36天距震中距230km的通河臺(tái)水位出現(xiàn)擾動(dòng),擾動(dòng)主要集中在2010年2月2日16—19時(shí)、0時(shí)—3日1時(shí),最大振幅7mm、最大周期11min、持續(xù)時(shí)間5小時(shí),異常結(jié)束后36天發(fā)生地震(圖5f);2010年7月18日黑龍江虎林3.6級(jí)地震前43天距震中距270km的通河臺(tái)水位出現(xiàn)擾動(dòng),擾動(dòng)集中在6月5日8時(shí)、9—12時(shí),共出現(xiàn)2組,持續(xù)時(shí)間5小時(shí)、最大振幅11mm、最大周期11min,擾動(dòng)結(jié)束后43天發(fā)生地震(圖5g);2010年9月15日黑龍江湯原3.0級(jí)地震前距震中距150km的通河臺(tái)水位出現(xiàn)擾動(dòng),擾動(dòng)集中在9月14日15—17時(shí)和20—21時(shí),持續(xù)時(shí)間3小時(shí)、最大振幅8mm、最大周期15min,擾動(dòng)消失后20小時(shí)發(fā)生地震(圖5h)。
2.2 延壽臺(tái)水位擾動(dòng)分析
延壽臺(tái)自觀測(cè)以來(lái)較典型的例子是2008年6月10日阿榮旗5.2級(jí)地震前的延壽臺(tái)水位出現(xiàn)擾動(dòng),共出現(xiàn)6組,主要集中在2008年6月4日9—14時(shí)、20時(shí)—5日9時(shí)、6日4~17時(shí)、22時(shí)—7日3時(shí)、7日9~14時(shí)和18時(shí)~8日11時(shí),持續(xù)時(shí)間38小時(shí)、最大振幅為32mm、最大周期15min,異常消失后52h發(fā)生內(nèi)蒙古阿榮旗5.2級(jí)地震,震中距550km(圖6a,圖6b);2010年3月10日黑龍江友誼4.1級(jí)地震前14天距震中距240km的延壽臺(tái)水位出現(xiàn)擾動(dòng),擾動(dòng)主要集中在2010年2月25日11—15時(shí),最大振幅9mm、最大周期8min、持續(xù)時(shí)間6小時(shí),異常結(jié)束后14天發(fā)生地震(圖6c)。
圖6 延壽水位擾動(dòng)Fig.6 Disturbance of the water level in Yanshou seismic station
3.1 映震特征
本文研究的水位擾動(dòng)為短臨異常,根據(jù)上述所列水位擾動(dòng)與地震對(duì)應(yīng)關(guān)系的資料,結(jié)合前人研究[8.9],通河、延壽水位短臨異常的映震特征可歸納為以下幾點(diǎn):
(1)擾動(dòng)形態(tài):是水位曲線在正常潮汐變化曲線上出現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng),其波動(dòng)幅度較大,最大振幅超過(guò)7mm,具有一定的周期,最大周期超過(guò)6min,這種不規(guī)則的波動(dòng)持續(xù)幾個(gè)小時(shí)并成組出現(xiàn);
(2)時(shí)間特征:水位擾動(dòng)異常一般持續(xù)幾個(gè)小時(shí)至兩天內(nèi),異常結(jié)束后一個(gè)月之內(nèi)可能發(fā)生地震,最快數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生地震;
(3)空間特征:從臺(tái)站的位置和實(shí)際地震空間分布來(lái)看,對(duì)臺(tái)站東部和西部地震較為敏感,尤其是臺(tái)站西北部400~550km和臺(tái)站東北部150~250km。這一點(diǎn)可能跟這些地區(qū)地震較為活躍,可總結(jié)地震較多有關(guān);
(4)強(qiáng)度特征:水位擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間與震級(jí)存在一定的正比關(guān)系,異常持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),震級(jí)越大。異常持續(xù)時(shí)間大于30小時(shí),相應(yīng)震級(jí)可能在5.0以上。異常持續(xù)時(shí)間短的震級(jí)相對(duì)來(lái)說(shuō)較小。其最大振幅似乎與震級(jí)大小有一定關(guān)系,雖然個(gè)別震例不明顯。能記錄到震前水位擾動(dòng)的震級(jí)下限是3.0。
3.2 機(jī)理分析
大量理論與實(shí)驗(yàn)研究表明,在地震破裂成核過(guò)程中或進(jìn)入非線性的臨界狀態(tài)階段,會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的信號(hào)[9],水位異常擾動(dòng)可能就是這種信號(hào)。
(1)要有較好的水位測(cè)井。對(duì)于封閉良好的承壓含水層來(lái)講,井—含水層系統(tǒng)相當(dāng)于高靈敏波的傳播提供最佳通道,也是井水位在強(qiáng)地震前記錄短暫信號(hào)的必要條件[11]。延壽臺(tái)和通河臺(tái)水位觀測(cè)儀器就具備這樣的條件。相當(dāng)于在地表安裝在地表附近的高靈敏度應(yīng)變儀,它能反應(yīng)出10-7—10-9的應(yīng)變量[3]。
(2)要有寬頻帶、高靈敏度、高精度、高采樣率和高分辨率的傳感器系統(tǒng)。系統(tǒng)干擾和環(huán)境干擾容易淹沒地震前短時(shí)信號(hào),需要有效的觀測(cè)儀器,才能記錄到包含地震信息的有效數(shù)據(jù)。有些近場(chǎng)區(qū)中強(qiáng)地震前可能產(chǎn)生微弱的信號(hào),要記錄和研究這些信號(hào),需要有一定帶寬和高靈敏度的記錄儀器,并具有較高的采樣率和分辨率,滿足這些參數(shù)的前兆觀測(cè)設(shè)備是記錄的基礎(chǔ)觀測(cè)條件。
(3)要記錄到強(qiáng)震前的微弱信號(hào),就必須找到前兆敏感點(diǎn),使記錄位置處于地震信號(hào)的最佳通道[12]構(gòu)造的特殊部位上。依舒斷裂帶是黑龍江省東部地區(qū)地震活動(dòng)的主要構(gòu)造帶,由于長(zhǎng)期受太平洋板塊俯沖力和侵入巖活動(dòng)的作用,其下部邊緣(興凱湖一布列亞山地塊)已侵入太平洋板塊,成為環(huán)太平洋板塊陸緣構(gòu)造域的一部分。該斷裂上的地震活動(dòng)最能反映西太平洋板塊對(duì)東北地區(qū)的作用。延壽臺(tái)水位測(cè)井和通河臺(tái)水位測(cè)井正處于這個(gè)位置,認(rèn)為這兩個(gè)臺(tái)站在前兆敏感點(diǎn)上。
本文通過(guò)對(duì)通河、延壽靜水位資料的系統(tǒng)分析,統(tǒng)計(jì)了擾動(dòng)異常與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系,總結(jié)了通河、延壽水位幾次擾動(dòng)異常形態(tài)、特征、指標(biāo)。探討了其映震機(jī)理。由于兩個(gè)臺(tái)站資料分析比較單一,捕捉信息量不夠。資料有限,震例較少,出現(xiàn)擾動(dòng)后僅能判定近期觀測(cè)井周邊有可能發(fā)生地震,震級(jí)大于M3.0級(jí),優(yōu)勢(shì)方向?yàn)闇y(cè)井東西兩側(cè)。為了能更好的將本方法運(yùn)用到分析預(yù)報(bào)中,需繼續(xù)總結(jié)震例并結(jié)合測(cè)震、電磁、形變等方法進(jìn)行綜合分析。
致謝:在撰寫論文期間,黑龍省分析預(yù)報(bào)中心的石偉同志對(duì)我的論文提出了寶貴意見,在此表示衷心的感謝。
[1]車用太,楊賢和,胡德軍,等.小廟臺(tái)應(yīng)變觀測(cè)孔水位的源兆異常[J].地震,2005.25(2):48-52.
[2]車用太,魚金子.地震地下流體學(xué)[M].北京:氣象出版社. 2006.
[3]楊明波,車用太,王力,等.大灰場(chǎng)水位上升異常及其震兆意義[J].地震地磁觀測(cè)與研究, 2005.26(2):68-74.
[4]李勇,楊曉霞,馬麗.地下水位變化與地震活動(dòng)關(guān)系初探[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001.37(6):739-745.
[5]陸明勇,牛安福,陳兵,等.地下水位短臨異常演化特征及其與地震關(guān)系的研究[J].中國(guó)地震,2005.21(2):246-279.
[6]張淑亮,呂芳,李斌.井水位前驅(qū)波普遍性問(wèn)題探討[J].中國(guó)地震, 2011.27(4):348-362.
[7]黑龍江地質(zhì)礦產(chǎn)局.黑龍江區(qū)域地質(zhì)志[M].北京:地質(zhì)出版史.1993.
[8]王海濤.靜水位擾動(dòng)異常與地震關(guān)系的分析[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2011.13(3):36-38.
[9]李繼業(yè),任建輝,張彥吉,等.數(shù)字化前兆低頻前驅(qū)波異常特征分析[J].中國(guó)地震,2014.30(3),419-431.
[10]汪成民,羅光偉,石錫鐘.地震前后地下水位異常動(dòng)態(tài)與裂隙演變[J].地震科學(xué)研究,1981.(4):1-7.
[11]張淑亮,范雪芳.井水位長(zhǎng)周期事件記錄及其機(jī)理討論[J].地震,2003.23(4):85-90.
[12]唐林波,李世愚,蘇疇,等.地震前長(zhǎng)周期事件的研究——?dú)v史與現(xiàn)狀,中國(guó)地震局地球物理研究所論著,2002.02Ac2008:1-6.
[13]岳力,王海濤,胡瀾繽,等.小波分析方法在靜水位資料對(duì)黑龍江樺南M4.7級(jí)地震震前反應(yīng)分析[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào),2015.31(1),42-45.
[14]孫文斌,和躍時(shí).日本海板塊俯沖與中國(guó)東北地震[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào),2015.31(4),1-7.
THE WATER STAGE OF THE TONGHE SEISMIC STATION AND YANSHOU SEISMIC STATION REFLECTING SHORT-TERM ANOMALIES OF THE EARTHQUAKE CHARACTERISTICS
MENG Ling-lei1,QIN Li-yan1,MENG Ling-sheng2,TAN Jia1,LI Ji-ye1,REN Jian-hui1
(1. Harbin Technical Center of Earthquake Prevention and Disaster Reduction,Heilongjiang Harbin 150021, China;
2.Nianzishan Seismic Station,Heilongjiang Qiqihar 161000,China )
Through years' data analysis of the water stage of TongHe ,YanShou Seismic Station,the author finds that the water stage of TongHe,YanShou Seismic Station has a certain response on surrounding moderately strong earthquakes .At the same time, it counts the correspondence between abnormal disturbance and earthquake,and summarizes morphology,charateristics,indicaters when abnormal disturbance of the water stage of TongHe,YanShou occurred several times before. The disturbance occurs in groups ,continues for several hours and its maximum amplitude is more than 7mm and the maximum amplitude is more than 6min. 3.0 earthhquake may occur within one month and 550Kmarround longing after disturbance ends. Meanwhile, the longer the disturbance continues, the greater the magnitude becomes.
water stage; water disturbance; earthhquake
P315.72
A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.007
1674-8565(2016)03-0034-07
2016-05-06
2016-06-22
孟令蕾(1987-),女,黑龍江省依蘭縣人,2009年畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院,本科,助理工程師,現(xiàn)主要從事地震預(yù)報(bào)與地震監(jiān)測(cè)等工作。E-mail:422478534@qq.com