山西北部地區中強地震前朔州井水位異常特征綜合分析

閆美蓉,張淑亮，李文超，蘇燕紅，白偉利，高存英

(1.山西省地震局大同地震監測中心站，山西 大同 037000; 2.山西省地震局，山西 太原 030021;3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

朔州井位于晉冀蒙交界區，自觀測以來在其周邊相繼發生一系列中強地震，在部分地震前朔州井水位有異常顯示，但目前對其震前異常表現的特征及如何判別異常方面的研究甚少。因此，該文對1987 年以來朔州井水位觀測資料及影響因素進行分析。在排除各類干擾的基礎上，對山西北部及晉冀蒙交界區中強地震前朔州井水位變化特征進行綜合分析，給出異常判別指標，研究結果可為地震預測提供參考依據。

1 朔州井基本情況

朔州地震臺位于朔州市朔城區二十里鋪村西，始測于1987年12月，“十五”數字化改造前使用SW40-1模擬水位儀進行觀測。2006年10月，依托“山西數字地震觀測網絡”工程項目，觀測方式改為數字化，新增水溫觀測項目，使用的儀器為LN-3A水位儀和SZW-1A數字式溫度儀。

朔州井位于大同斷陷盆地南端, 井區外圍被3組斷裂帶切割(見第28頁圖1)。井區內斷裂構造不發育，歷史上未發生MS≥5.0地震, 屬于較完整而穩定的斷塊區。井區在地貌上為山前沖洪積平原區，第四系厚約300 m, 其下發育有中、上石炭統碎屑巖夾煤層與石灰巖層，厚約120 m，再向下為中、下奧陶統石灰巖與白云巖層。該區沉積蓋層的厚度約1.5 km，地殼厚度約44 km，結晶基底發育。

圖1 朔州井地質構造圖

朔州井深708.43 m，井孔由地面至570.20 m深度均設有護井套管。其中，394.8～570.2 m為濾水管，570.2 m以下為裸孔。井水主要來自下奧陶統白云巖巖溶裂隙水層與中奧陶統灰巖巖溶裂隙水層，其厚度為315.6 m。該含水層為富水、強透水層，井孔涌水量可達1 162 m3/d，含水層滲透系數為 0.5～1.2 m/d。因此，該井具備作為地震地下水動態觀測井的條件[1]。

2 水位動態特征

按照多年趨勢動態、年動態和日動態3個不同的時間尺度分析朔州井水位觀測數據，得到無強震活動與無強干擾影響時不同時間尺度井水位的變化規律(見表1)?？梢钥闯?，朔州井多年趨勢動態為下降型，年動態為周期性表現(高水位在每年初，低水位在每年7月前后)，日變動態受固體潮的影響為雙峰雙谷或單峰單谷型(見第28頁圖2)。

表1 井水位正常動態特征

圖2 朔州井水位動態曲線圖

3 水位異常特征分析

3.1 干擾異常特征分析

在分析震前異常特征時，必須排除非構造因素的影響。多年的觀測實踐表明，影響朔州井水位動態變化的干擾因素主要來自觀測系統和環境[2]。表2從觀測系統、環境兩方面，依據干擾異常判別方法，進行分類并給出常見的干擾異常圖例(見第30頁圖3)，為識別觀測資料中的各類干擾因素提供參考。

表2 井水位干擾統計表

3.2 震前異常特征分析

(1)目標地震選取。

選取朔州井水位1987年7月觀測以來的月均值數據，對山西北部地區4級左右地震和晉冀蒙交界區5級以上地震前井水位變化特征進行分析。選取目標地震如表3所示，可以看出，在研究時段，區域內共發生M4.0～5.0地震4次，M5.0以上地震6次。

表3 1990年以來山西北部及晉冀蒙交界區中強地震一覽表

(2)震前異常特征分析。

在進行異常變化與地震之間的關系分析時，應先排除干擾引起的變化。第30頁圖3為不同干擾對朔州井水位觀測數據的影響，對排除干擾后的水位數據進行分析[3-5]。

圖3 朔州井水位干擾圖例

此研究對1987年以來山西北部地區4級左右地震和晉冀蒙交界區5級以上地震前，朔州井水位異常進行統計(見第30頁圖4、第31頁表4)，其中，1995年11月3日山西朔州市M4.0地震前，水位出現破年變快速轉折上升，從異常出現到發震間隔約1年，井震距約20 km；在山西北部至晉冀蒙交界地區5級以上的地震發生前，朔州井水位異常表現為破年變且高于多年平均值的高值，從異常出現到發震間隔最短3個月、最長43個月，井震距最近20 km、最遠達400 km。

表4 水位異常與地震對應情況統計

圖4 水位月均值與地震的對應關系

綜上所述，朔州井水位震前異常特征主要表現為破年變變化，當井水位曲線形態出現破年變且快速轉折上升時，在井區附近可能會發生4級左右地震；當井水位動態出現破年變變化且處于高值狀態時，在山西北部至晉冀蒙交界地區可能會發生5級以上地震。雖然朔州井水位與山西北部地區中強地震有一定的對應關系，也存在有震無異?；蚴軈^域地下水影響而出現的類似破年變變化的情況。如，1993年9月11日山西五寨M4.3地震，震中距約90 km；1999年5月15日山西應縣M4.1地震，震中距約60 km；2009年3月28日山西原平M4.3地震，震中距約100 km，震前均無異常顯示。

3.3 異常信度R值評分

R值評分法是目前地震預報效能評價中最常用的一種地震前兆異常與地震相關性評價的方法，當研究某臺站的某個測項地球物理觀測方法預報地震效能時，都用R值評分法估計其預報效能的好壞。地震預報效能R值評分方法的核心思想是同時考慮地震的報準率和預報地震所占用的時間[6]。近幾年來，最常用的R值評分計算方法為：

由表5看出，朔州井水位R值評分結果為R>R0，通過預測檢驗。對照朔州井水位震例統計，得出朔州井水位異常以中長期為主，預報有效期可達3年，最優預報期為2年。

表5 朔州井R值統計結果

4 結論與討論

通過對朔州井水位異常特征的研究，得到如下結論：

(1)區域地下水開采、觀測儀器故障、雷電、大風等是影響朔州井水位動態變化的主要干擾因素，影響因素明確且易于排除。

(2)朔州井水位對山西北部地區5級以上地震有較好的映震能力，該地區自1987年以來共發生6次M5.0以上地震。其中，5次地震在震前出現了朔州井水位異常，距發震時間較長，井震距較大；對北部地區4級地震的映震能力較弱，在該地區同時間段4次4級地震前，僅有1次在井區附近出現異常。

(3)朔州井水位異常R評分結果顯示，朔州井水位異常適用于中長期預報，對山西北部及晉冀蒙交界區的地震有一定的指示意義。