云南寧洱井低水位異常分析及地震預測

李利波 李瓊 胡小靜 高文斐 張立 張彬

1）云南省地震局，云南省昆明市盤龍區北辰大道148號 650224

2）寧洱縣地震局，云南普洱 665100

0 引言

地下流體是地殼中最活躍的組分，在地震孕育過程中，地下水位對地殼應力-應變狀態的變化反應靈敏（萬迪坤等，1993；劉耀偉等，2010）。1966～2006年出版的《中國震例》中，顯示水位前兆異常的震例共100個，占統計震例的41.7%。100個震例中，共有283項水位異常，平均每個震例有2.83項異常。云南地區有許多個地下流體觀測井，其水位前兆異常對周邊地區有很好的指示意義（萬登堡等，1995；張立等，2009；鄒平等，2009；張體移等，2012；孫小龍等，2013；付虹等，2014），為該區域的地震預測研究提供了很好的條件。

寧洱井的水位自2014年10月25日開始下降，至2015年7月5日下降幅度達39.2cm，低于正常水位谷值8.335m，處于異常低值狀態，該異常變化與2012年11月11日緬甸7.0級地震和2014年10月6日景谷6.6級地震前的異常現象類似（圖1）。這一現象是因干旱引起，還是因區域應力-應變狀態發生改變，由構造活動而引起的？通過現場排查觀測系統和周圍環境干擾，根據車用太等（2011）提出的地下水異常識別的相關性原則、分析水位觀測數據的質量、水位與降雨量的關系以及區域構造活動特征等多種因素，進而探討造成寧洱井水位異常持續低值的原因。

1 寧洱井概況

圖1 寧洱井2010年以來水位動態曲線

寧洱水位井（滇 08井）位于寧洱縣城西門巷（23°03′53.4″N，101°02′38.8″E），孔口標高1320m，井深120.23m，觀測段深度為76.32～120.23m。該井為靜水位，水位埋深2.5～5.0m，井水平均溫度19.4～22.1℃，為基巖裂隙承壓水，水質類型為HCO－3-Ca2＋，地下水補給主要是大氣降水滲入（云南省地震局，2005）。地表為第四系（Q）松散碎屑物、風化狀玄武巖，基底巖層為白堊系曼崗組（K1m）巖層，井孔觀測段為紫紅色、紫灰色、灰綠色泥巖，夾粉砂巖（圖 2）。

在區域構造上，寧洱地區位于瀾滄江斷裂帶（F2）與紅河斷裂帶（F3）之間，受無量山-營盤山斷裂（F1）和孟連-墨江斷裂（F4）等活動斷裂控制和影響，歷史地震活動比較強烈。寧洱井位于無量山-營盤山斷裂附近，該斷裂NW-SE走向，被NE向孟連-墨江斷裂及次級小斷裂切割、錯動，構造復雜，活動強烈（云南省地震局，2005；謝英情等，2007；張勇等，2008），最近一次中強震活動是2007年6月3日寧洱6.4級地震。

2 異常調查分析

2.1 觀測系統和周圍環境調查

筆者曾于2015年6月4～5日在現場對寧洱井觀測系統的工作狀態、井口裝置及輔助設備等進行了全面檢查（圖3）。水位觀測儀器為SW40-1型，滾筒式記錄，滾筒使用兩節5號干電池供電，一般能用1年，最近1次更換時間在2014年12月20日，這段時期供電正常。水位數據從模擬記錄曲線上讀取，并記入觀測記錄，此間觀測工作正常。檢查井口裝置及其輔助設備時，發現增加了些小掛件，監測人員講是為了平衡水面浮標的重量，這可能會使觀測數據有一定誤差。

對寧洱井周圍環境進行調查時發現，可能有影響的干擾是觀測站旁的民用水井及民房施工、西洱河、西門龍潭、西洱水庫和東洱水庫，以及若干魚塘等（圖4）。據監測人員介紹，2015年1～5月間，該井水位與2014年同期相比，無明顯變化，表明對此井的水位影響較小。由于此段時期處于旱季，降雨量少，西洱水庫和東洱水庫一直在蓄水，水庫管理人員介紹，庫水位與2014年同期相比，無明顯變化。

2.2 水位觀測數據的質量核查

現場對寧洱井的水位觀測進行校測時發現，實測數據與監測數據相差較大，達3.78m，推測可能是浮標有問題。第 2天（6月 5日），從井孔中取出浮標，再次對水位進行校測（表1）。監測人員介紹，2007年6月3日寧洱地震時，水位觀測數據波動過大，記錄不完整，在震后對水位進行過校測，之后未校測。

圖2 寧洱井鉆孔柱狀圖及附近地區地質構造簡圖

寧洱井水位觀測是滾筒式記錄，米格紙打印觀測數據到記錄本上。對數據進行拉框歸零處理（圖5），與2007年前的監測數據相比，正常觀測年變幅約為28cm，相對而言其水位變化是可靠的。

圖3 寧洱井水位觀測系統

圖4 寧洱井周圍河流和水庫位置

表1 寧洱井水位數據校測結果

圖5 寧洱井水位拉框歸零處理后的動態曲線

2.3 水位與降雨量的相關性分析

分析2008年以來寧洱井水位和降雨量的關系（圖6），其正常動態為周期性年變，受降雨影響。一般是雨季6～10月水位上升；旱季11月～次年5月水位下降。對比2000年以來寧洱地區1～5月的降雨量（圖7），2015年1～5月降雨量為 306.3mm，與往年平均降雨量（298.8mm）相近，屬于正常年份。這表明2015年水位持續下降與降雨量關系不大。

圖6 寧洱井水位與降雨量

圖7 寧洱地區2000年以來歷年1～5月的降雨量

對寧洱井2008年以來雨季降雨量與水位年變化間的關系作一元回歸分析（圖8），得到寧洱井的年降雨量與水位年變化的相關系數R，R2＝0.4383。反映了其水位的年變化受雨季降雨量影響正常。

圖8 寧洱井的雨季降雨量與水位的年變化

表2 含水層受力狀態的變化機理

2.3 異常性質判定和原因分析

根據Scholz等（1965）的巖石體積膨脹與流體擴散（DD）模式認為，一般當含水層受力狀態改變時，井水位會發生變化。受壓力作用時，因孔隙壓力增加，井水位上升；在張力作用下，孔隙壓力減小，井水位下降（表2）。

筆者對寧洱井附近的民用水井、民房施工場地、西洱河、西門龍潭、西洱河水庫和東洱河水庫等進行了現場調查，發現民用水井和西門龍潭抽水時，寧洱井水位會下降；停止抽水后，水位恢復。因加壓水泵工作、民房施工、西洱河水庫和東洱河水庫蓄水等，水位可能上升；水庫放水時，水位恢復。但該段時期，寧洱井的水位持續下降，變化很小（日變化≤0.3cm）（圖9），表明周圍環境對該井水位的影響較小。

當前寧洱井的水位從 2015年 7月 5日開始由降轉升，至 10月 24日上升幅度為16.2cm，為正常年變幅度（28cm）的57.8%，呈破年變現象。從寧洱附近地區近期的GPS高程時間序列曲線（圖10）來看，景東-思茅和景東-墨江的高程差與寧洱井的水位均有明顯同步異常，即2015年7月以來表現出下降-恢復的轉折現象。

圖9 寧洱井2014年10月以來的水位動態曲線

圖10 寧洱井附近地區2011年以來GPS高程的時序曲線和研究區及鄰區發生的地震

寧洱地區主要受 NNW向無量山-營盤山斷裂和 NE向孟連-墨江斷裂活動的影響（圖2），無量山-營盤山斷裂以右旋走滑為主，兼正斷性質，孟連-墨江斷裂以左旋走滑為主，并受一系列NE向次級小斷裂切割、錯動，形成NNW向張性、張扭性為主的棋盤狀拉分盆地——普洱盆地（謝英情等，2007）。利用云南地區GNSS監測網各個測點位移的觀測值和相關數學模型，估算2014年10月以來的面膨脹曲線（圖11），認為云南地區2015年應變場波動較為突出，周邊應力調整明顯，上半年以面膨脹活動（張性）為主，下半年以收縮活動增強（壓性）為主。因此，排除周圍環境的干擾后，認為寧洱井的持續低水位現象屬于前兆異常，原因可能與該區域NE向孟連-墨江斷裂和次級斷裂等構造的拉張活動有關，含水層受張力變形，導致孔隙壓力減小，從而水位下降。

圖11 云南地區2014年10月以來的面膨脹等值線

3 地震活動性分析

根據Mjachkin等（1975）提出的裂隙串通（IPE）模型認為，當前寧洱井水位異常從第Ⅲ階段進入第Ⅳ階段，即微裂串通階段（圖12）。該階段，在構造應力的持續作用下，微裂縫劇烈增加，小裂縫發育成較大的裂縫；由于介質的不均勻性，大裂縫加速變大，發生不穩定變形，形成窄帶區；窄帶兩側的微破裂應力相對減小，窄帶區大裂縫在剪應力作用下發育若干小斷裂；小斷層之間破裂串通形成主斷裂，在水位加速上升的過程中發育地震。本文從寧洱井映震較好的2007年6月3日寧洱6.4級地震、2012年11月11日緬甸7.0級地震和2014年10月7日景谷6.6級地震等（圖13），分析其震前的水位異常特征，對區域地震活動性進行分析。

圖12 裂隙串通（IPE）模型（據 Mjachkin et al，1975）

圖13 地震前寧洱井的水位動態曲線

表3 寧洱井的水位前兆異常特征

表4 寧洱井的水位前兆異常的孕震特征

從寧洱井的水位異常與地震的關系（表3）來看，主要對應的是普洱地區、滇西南地區和滇緬交界地區的地震活動。寧洱井的水位從2015年7月5日開始上升，10月24日轉平，至12月31日已過去179天，當地僅發生了10月5日的ML3.0和12月5日的ML3.2地震，尚不能完全解釋該異常現象。因此，該區域近期仍存在地震危險性。分析寧洱井的水位異常和該區域地震活動特征（表4），未來的地震活動可能在滇西南地區（耿馬-雙江-瀾滄-景洪-勐臘一帶）及滇緬交界地區（孟連-西盟-緬甸東部-老撾北部一帶），應注意發生中強震的危險。

4 結論與討論

通過對寧洱井的異常低水位現象的現場調查分析，得到以下認識：

（1）水位觀測系統的工作正常，環境干擾小，其水位觀測資料相對可靠，當前寧洱井的低水位處于異常低值狀態，2015年的年變幅度僅為正常年變的57.8%，屬于破年變異常。

（2）分析寧洱井2008年以來的雨季降雨量與水位年變化間的關系，發現其水位的年變化與雨季降雨量的關系正常，認為當前水位持續下降與降雨量的關系不大。

（3）利用云南地區GNSS監測網各個測點的位移觀測值和相關數學模型，估算面膨脹曲線，表明其低水位異常可能與該區域構造的拉張活動有關，含水層在張力作用下變形，導致孔隙壓力減小。

（4）通過總結寧洱井的水位前兆異常與地震活動性的關系，認為應密切關注滇西南-滇緬交界地區的中強地震活動。

此外，寧洱井水面浮標老化，對觀測數據有一定的影響，可能產生誤差。由于其水位異常對應的震例較少，對區域地震活動的分析結果影響較大。