【word】 天津地区井水位固体潮观测的加卸载响应比变化与附近地震关系的研究

【word】 天津地区井水位固体潮观测的加卸载响应比变化与附近地震关系的研究 天津地区井水位固体潮观测的加卸载响应 比变化与附近地震关系的研究 第31卷第2期 2010年4月 地震地磁观测与研究 SEISMOLOGICALANDGEOMAGNETIC OBSERVAT10NANDRESEARCH Vo1.31No.2 Apr2010 doi:10.3969/j.issn.1003—3246.2010.02.005 天津地区井水位固体潮观测的加卸载响应比 变化与附近地震关系的研究 马君钊张磊王建国田山薛娜 中国天津300201天津市地震局 摘要用加卸载响应比的方法,处理了天津地区2002年以来静海地震台井,宝坻地震台井,高村 井和张道口地震台深井地下水位固体潮观测数据,并以加卸载响应比计算值的2倍方差作为异常判 定指标,将天津及周边地区发生的ML?4.0地震参数与井水位固体潮响应比异常变化对比.结 果表明:该区4口地下水位固体潮井的加卸载响应比异常变化与附近的地震活动有较好的对应关 系.从而证明,利用井水位固体潮观测的加卸载响应比是一种能有效识别和提取地震前兆的方法. 关键词固体潮;井水位;加卸载响应比;地震前兆 0引言 地震孕育是震源区内介质的变形,损伤并导致失稳的过程,即震源区介质的损伤,演化,破 坏过程.根据震源区介质受构造应力作用后的破坏过程这一非线性系统失稳的自然现象,尹 祥础等(1994)提出利用加卸载响应比方法,定量描述孕震区介质稳定程度的一种新的地震预 报方法.该方法可从各种前兆观测的原始资料中分析和提取地震前兆信息,克服了前兆原始 观测数据中因包含各种背景变化,周期变化等较大幅度的干扰信息而造成不能有效识别和提 取地震前兆异常信息的弊端.近年的相关研究表明,本方法效果不错.本文对天津地区的静 海地震台,宝坻地震台,高村井,张道口井2002年以来的数字化井水位固体潮观测资料,使用 加卸载响应比方法,进行计算,分析和研究,以期识别和提取本地区井水位的地震中短期,短临 异常前兆信息,为天津及周边地区的地震监测预报积累经验,并提供异常识别判据. 1井水位固体潮加卸载响应比原理 I.1非线性系统的加卸载响应比 地震的加卸载响应比原理的关键是将孕震区作为非线性系统,设法对其输入某些信号,然 后连续观测该系统在临近失稳时对输入信号的各种响应.大自然的固体潮变化可视为对孕震 系统输入的一种不断周期变化的引潮力,不断对地球进行加载与卸载. 假设系统载荷改变为?P,其响应的改变为AR,系统稳态(载荷率为P.)时的响应率为 作者简介:马君钊(1972),女,回族,天津静海县人,工程师,现从事地震监测预报方面的研究 基金项目:天津市科技支撑计划重点项目”基于WebGIS的地震前兆台网运行监控与数据管理平台研究” (09ZCKFSF00700)资助 本文收到日期:2009—09—15 26地震地磁观测与研究31卷 LXRo/APo,载荷为P时的响应率为?R/AP,则系统对于P的响应比F为 F一(耸)/(瓮)? 系统加载(增量Ap)引起的响应率为?R+/Ap+,卸载(增量?P一)引起的响应率为AR一/ Ap一,则系统的加卸载响应比F为 F一()/() 当系统处于稳定状态时,LXR+一?R;当系统偏离稳定状态时,?R+>?R一,即使?P+一 Ap一.偏离程度越大,?R+>AR一的程度也越大(尹祥础等,1991).由此可得出,F与F皆 能定量说明体系趋向失稳的程度,并描述孕震系统所处的状态. 1.2井水位固体潮变化与构造应力的关系 关于井水位的动态变化能够反映地球固体潮的认识已有很长时间,由于井水位响应的量 值与含水层的弹性性质有关,很多地震专家对用含水层的弹性参数解释这种响应的方法感兴 趣,并已经展开了相关研究工作(张昭栋等,1991).理论上已证明深井水位的潮汐现象是对地 球固体潮的响应,准确地说,深井水位的潮汐是水井含水层对地壳固体潮体应变的响应.以固 体潮的振幅因子来探测地震孕震的思路与方法,实际是对孕震系统响应率的研究.一般来讲, 振幅因子是对固体潮应力的整个加卸载过程的总的平均力学响应;而加卸载响应比则是研究 整个加载响应率AR+/AP+与卸载响应率AR一/aP一的比值. 深井水位的变化大部分来源于固体潮的随机波动变化.而含水层的应变是由固体潮应力 与构造应力共同作用的结果,即 图1岩石的全应力应变示意曲线 Fig.1Skelchcurveoffullstress strainofrock ?E一丽1(+s)(3) 式中为潮汐应力;为构造应力;E(,)为介质的杨氏模 量,随应力的区域不同而不同(图1).由岩石的全应力应变 曲线可以看出:在区域OAB,E(,)近似为一常数;在区域 BC,E(z)越来越大;在区域CS,E()越来越小;在区域SD, E(,)又近似为一常数.此现象在井水位对固体潮的响应方 面,表现为井水位的固体潮体应变系数也在变化. 当时间很短时,认为构造应力变化不大,则有 E一(4)( ,)?… 即潮汐应力引起岩石的潮汐应变.此应变又影响含水层的 应变(含水层与震源区较近),使井水位发生变化,所以从震 源区的承压井水位有可能观测到震前非线性失稳的变化. 1.3井水位加卸响应比的计算 实际上,地下水位固体潮观测对理论固体潮加卸载的响应可由类似 于Nakai拟合模型获 得(蒋骏等,2000) y(ti)::=AiR(t1)一TdR+K .+K1,+Kzt(一1,2,…)(5) Q 第2期马君钊等:天津地区井水位固体潮观测的加卸载响应比变化与附近地震关系的研究27 式中,Y(t)为地下水固体潮的实际观测值,即为系统输出;R()一和(一分别为时 刻的体应变固体潮理论值及时间的一阶微商,此两项可通过固体潮理论值准确地计算出来;A 为拟合潮汐因子(即振幅因子);At为时问滞后,是潮汐响应项;Ko,K,K2分别为拟合多项式 的各阶系数,是非潮汐的响应项.实际的计算分析中,可选取N一24,48,…,6O,…,120,… (即以1,2,…,5,…,10,…任意天数为一组),用最小二乘法解式(5),计算地下水位的加卸载 响应比(万永芳等,2004). 本文选取N一24(即一天的整点值数据为一组),以天津地区的静海地震台井,宝坻地震 台井,高村井,张道口地震台深井2002--2009年初的地下水位固体潮观测数据进行加卸载响 应比值计算.各观测井振幅因子响应比计算结果的正常值基本在1 上下波动,只有个别点超 过2倍均方差控制线.水位固体潮振幅因子加卸载响应比以1为背景 值变化,这与理论上线 性段响应比是一致的. 2结果分析 天津地区水位固体潮观测井的分布情况见图2,为了便于分析,在图2 中标出2002年以 来周围地区发生的MI.4.0以上地震(表1)以 及活动断裂的分布情况. 以2002年以来在天津周边地区发生的16 个ML4.0以上地震为样本,将这些震例的相 关参数分别与所采用的各水位固体潮观测井 地震前后的加卸载响应比的计算结果相比较, 从中识别和提取水位固体潮观测的地震前兆 异常信息. 本文分析计算井水位固体潮观测资料的 振幅因子(也称潮汐因子)的加卸载响应比值, 选取超过2倍均方差的响应比值作为异常判 定指标.然后,分析这些异常与发生在天津周 边地区的M4.0以上地震之间的对应关系. 以下分别介绍各水位固体潮观测井加卸 载响应比值的震前异常变化情况. 静海地震台观测井深403m,位于华北地 图2井孔位置与地震分布 Fig.2Thedistributionfigureofearthquakes andlocationofwells 台河北凹陷区的沧县隆起上,东距天津南断裂约1.5km.该台水位观测资料加卸载响应比值 的计算结果[图3(b)]出现超过2倍均方差的异常11次(组),每次(组)异常出现后均有M? 4.0地震在台站周围发生(表1).从异常与地震的对应情况看没有漏报,但有两次虚报.其中 2006年7月4日发生在河北文安的ML5.5地震是距该井最近的地震,仅有40km.震前2O 余天振幅因子响应比出现两次显着异常高值.由图3可以看出,2006年6月以前,水位潮汐 响应率较平稳;6月以后先大幅上升,而后大幅下降,又逐渐趋于平稳;20多天后发生文安 MI,5.5地震.从应力对应关系来看,2006年前的平稳阶段对应图1中OAB区域,上升部分对 应BC区域,下降部分对应CS区域,震后平稳阶段对应SD区域.这一特征表明,该井水位固 28地震地磁观测与研究 体潮响应比的计算结果与理论研究(尹祥础,2004),岩石破裂试验(王 裕仓等,1998)和数值模 拟计算(王裕仓等,1999)的研究结果一致,认为该项异常是比较可靠 的地震前兆. 36 趔 丑 l8 罾 42与晋4r…一…… 5.2隆尧 IL….L-1....J……一一….…+』...:…:L……,..【....+. 刊………….2,JJl|._J.L.岫.上 61.2 宣3o?6 尽 O 13.2 誊6.6 世 O 672 338 匠 004 2o022oo32004 静海地震合并(b) . 县 … 55文安I4.2卢龙 lI4, Ill145 .】L_1LL.IIlI1,lI.I.IULj.上??...j.1JI...J一,l—u. 55文安 II 宝坻地震台井(c) 4.2卢龙 20022003 ll42宁晋4,4,4l滦县45烟台55史安高村井(d) 4.2卢龙”.沽J, ..1I 嘲崤=========:: 图3水位固体潮加卸载响应比计算结果 Fig.3Calculatingresultsofl0ading/un1oadingresponseratioofgroundwater lever 张道口井深1406.13m,位于沧县隆起白塘口西断裂,观测层位1O47—1347.5m,属于 封闭性较好的承压井,受干扰因素少.该井地下水位固体潮观测资料的加卸载响应比计算结 果中出现11次(组)异常,每次(组)异常几乎都能与以上地震相对应(表2),只漏报一次地震. 令人惊奇的是,该井在文安地震前的异常变化几乎与静海地震台井相同[图3(a)],而且应力 对应关系相似.震例统计分析表明,张道口井加卸载响应比异常的前兆时间最长为9个月. 地震多发生在异常出现后的3个月内,其振幅因子加卸载响应比异常信息量丰富,可信度高 (表2). 宝坻地震台井深427.17m,位于宝坻深大断裂北侧4km,燕山褶皱带唐山隆起宝坻凸起 西翼,基岩为震旦纪灰岩.该井地下水位固体潮观测资料的振幅因子加卸载响应比[图3(c)] 出现11次(组)异常变化.对比本文选用的16个震例分析,只有一个漏报,两次虚报.表明该 井的水位固体潮观测振幅因子加卸载响应具有较好预报效能. 台湘 黻 5 舸 镨 院 “ 第2期马君钊等:天津地区井水位固体潮观测的加卸载响应比变化与附近地震关系的研究29 表1静海观测井水位固体潮加卸载响应比异常参数统计 Table1Anomalyparameterofload/unloadresponseratioofunderwaterlever atJinghaiobservationwell 表2张道口地震台深井水位固体潮加卸载响应比异常参数统计 Table2Anomalyparameterofload/unloadresponseratioofunderwaterlever atZhangdaokouwell 高村井深3402.81TI,观测层为寒武一奥陶系灰岩,属岩溶裂隙承压水层,井孔封闭性较好, 不受地表降水及人为因素影响.该井水位固体潮资料的振幅因子加卸载响应比[图3(d)]出 现1O次(组)异常变化,每次异常出现后,台站周围都会发生ML?4.0地震.表明该井水位固 体潮观测资料的振幅因子加卸载响应比值出现的异常与附近地震 活动有较好的对应. 3讨论 (1)从以上井孔水位潮汐因子加卸载响应比的计算结果看,利用井水位对地壳固体潮体应 变的响应,计算振幅因子加卸载响应比是一种比较有效的提取地震前兆信息的方法.从本研 究结果可见,多是地震前出现异常信息,而在地震活动的平静时段其响应比值均在1上下波 动,与本区地磁加卸载响应比的研究结果(田山等,2009;庞群英等,2007)相似,使得地震前兆 信息容易识别. 30地震地磁观测与研究31卷 (2)本文采用同一时段的井水位固体潮观测资料进行加卸载响应比计算,用同样的异常判 定指标(2倍方差)提取异常信息,并对应16个震例进行分析.结果表明,对于距观测井较近 的地震,这些井水位加卸载响应比异常出现的时间大体同步.特别是文安地震前,因该地震是 天津周边地区近年来的最大地震,所以这4口井的加卸载响应比值前兆信息比较显着,且异常 出现的时间均为地震前3个月以内.而对于较远地震,各井的异常反应不太同步,可能与各井 所处含水岩层不同以及井孔水位对地壳应力应变的不同反应能力有关.井孔水位的不同观测 条件,不同水文地质条件等导致异常反应不一致的情况,有待于进一步研究. (3)从表1,表2和图3可以看出,对天津及周围地区M4.0以上地震,井水位固体潮观 测加卸载响应比方法还有一定程度的漏报,虚报.出现这一现象的原因比较复杂,可能与井孔 观测水位层对地壳固体潮体应变的响应灵敏度不高有关,或者与观测井的远近和地震的强度 有关. 参考文献 蒋骏,李胜乐,张雁滨,等.地震前兆信息处理与软件系统[M].北京:地震出版社,2000:169一I73. 庞群英,徐学恭,胡培元,宋金钟,田山.静海地震台地磁加卸载响应比[J].地震地磁观测与研究,2007,28(1):52—55 田山,汪翠芝,李君英,等.数字前兆观测地震异常短l临特征的初步研究[J].地震地磁观测与研究,2009,30(2):57—67. 万永芳,刘特培.地下水位固体潮加卸载响应比分析及预测意义[J].华南地震,2004,24(I). 王裕仓,尹祥础,彭克银,王海涛.加卸载响应比的数值模拟EJ].地球物理,1999,42(5):669—676. 王裕仓,尹祥础,王海涛.地震预测的加卸载响应比岩石实验模拟LJ1 中国地震,1998,14(2):126130. 尹祥础,陈学忠,宋治平.加卸载响应比理论…一种地震一般方法[J]. 地球物理,1994,37(6):767—775. 尹祥础,尹灿.非线性系统失稳的前兆与地震预报[J].中国科学(B 辑),1991,21(5):512—518. 尹祥础.地震预测新途径的探索[J].中国地震,1997,(3):1—7. 尹祥础.地震预报的新途径——加卸载响应比理论[J].力学与实 践,2004,26(6):17. 张昭栋,郑金涵,冯初刚.深井水位的固体潮响应EJ].地 震,1991,13(1):66—75. Researchontherelationsbetweenloading/unloadingresponseratioof earthtideofwellwaterleverinTianjinareaanditsneighboringearth— quakeactives MaJunzhao,ZhangLei,WangJianguo,TianShanandXueNa (EarthquakeAdministrationofTianjingMunicipality,Tianjin300201,China) Abstract Usingthemethodofload/unloadresponseratio,theobservationdataoftheunderground waterofJinghai,Baodi,Gaocun,ZhangdaokouSeismicStationinTianJinsince2002are processed.Takingdoublethemean—squaredeviationofcalculatedvalueofl oading/unloading responseratioasanomalydecisionindex,thecorrespondingrelationsinabnormalchangesof undergroundwater1everofresponseratioandML?4.0earthquakeparameteroccurredin Tianjinanditsneighboringareasareanalyzed.Theresultsshowthattherearebettercorre— spondingrelationsbetweenanomalouschangesof1oad/unloadresponseratioof4under— groundwaterleverearthtidewellinthisareaanditsneighboringearthquakeactives.Italso Drovedthatusing1oad/unloadresponseratioofearthtideobservationinwellwaterleverisa methodthatcouldeffectivelyidentifyandextractseismicprecursory. Keywords:earthtide,waterleverofwell,1oading/unl0adingresponseratio,earthquakepre— cursory