懷4井水汞短臨預測指標研究

唐 杰，張素欣，張子廣，盛艷蕊，丁志華

(河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

地震地下流體觀測主要包括水位、水氡、氣氡、水汞等測項，其中，水化學中的水汞觀測是廣泛應用于地震預報的手段之一，在地震中短期預報中起著重要作用，得到國內外眾多學者的認可[1]。強震的孕育通常與活動斷裂息息相關，孕震體隨著應力增強，周圍斷裂帶的閉合程度發生改變，從前閉合的斷層可能會發生張性變化，地下流體的變化信息沿著張性的斷裂上升至地表，出現流體異常情況[2-5]。水汞具有穿透能力強、運移速度快的特點，地下深處的汞異常信息會迅速在觀測中被捕捉到。懷4井水汞觀測在1989年大同-高陽6.1級、1998年張北6.2級地震之前都出現明顯的異常情況[6]，其他井的水汞觀測也在地震前表現出明顯的異常反應。如，山西奇村井水汞在多次ML≥4.0地震前都有不同程度的異常變化[7]，北京延慶松山泉水汞異常對測點附近發生的有感地震及中等地震有較高的對應率[8]，甘肅通渭溫泉水汞異常與甘肅中部地區中等地震也有較高的對應率[9]。通過觀測地下水中Hg含量的變化，可了解斷裂通道開啟狀況及地殼內部應力應變狀態等信息，且水汞異常多為短臨異常，對地震發生時間的預測有較好的參考價值。因此，研究水汞異常特征對地震危險區域判定及發震時間預測有重要作用。

之前，根據晉冀蒙交界地區的中強震震例來確定懷4井水汞異常的指標。近年來，華北地區強震活動較弱，在唐山古冶區發生過一次5.1級地震和時有發生的中等地震。為探討在中等地震發生前，懷4井水汞觀測的異常情況，筆者整理觀測資料，運用原始曲線法，根據測值的背景值動態，確定超出動態范圍的變化為異常情況，對懷4井周邊300 km范圍內中等地震震前異常特征及與地震空間上的對應關系進行分析，正確評估懷4井水汞測值的預報效能。

1 懷4井簡介

懷4井位于河北省懷來縣城東南13 km桑園鎮后郝窯村南，屬地熱自流井，井深500.34 m，水溫85 ℃左右。地質構造上屬東西向陰山構造帶內蒙古臺背斜以南和北東向祁呂構造系與燕山沉降帶的交匯部位，井孔位于多條活動構造的交匯部位，是用于地震觀測的“穴位”[10]，懷4井周邊斷裂分布如第14頁圖1所示。測項有水汞、水氡、氣相色譜(氫氣、氦氣)，數字化改造后增加氣氡、氣汞、水位，輔助測項有水溫及氣象三要素，取樣口位置如第14頁圖2所示。該井位于后郝窯熱田區，地下熱水主要來自遠程的大氣降水入滲補給，在循環過程中經斷裂與深部熱源溝通，進入深循環狀態。水化學離子檢驗發現，水中有SO4-、Na+、F-、SiO2、N2等深循環的產物[11]。因此，該井孔可反映來自地球深部的信息。

圖1 懷4井周邊斷裂分布圖

圖2 懷4井口裝置示意圖

2 水汞異常判定

2008年“十五”期間進行儀器改造，水汞測試儀器更換為RG-BS型智能測汞儀，為人工采樣，測試樣品取自井口處，日值觀測。

從觀測日值曲線來看，正常動態下水汞含量較低，背景值穩定(見第15頁圖3a)。一般情況下，變化范圍主要在2～10 ng/L，平均值為5 ng/L左右；超出背景值的部分高值突跳表現為震前異常特征。從五日均值曲線看，懷4井水汞多年趨勢性變化起伏相對穩定，無明顯的年變規律，隨季節變化不明顯(見第15頁圖3b)。測值受水溫、降雨等外界自然因素的干擾較小，變化較平穩。多年的觀測曲線表明，水汞異常主要包括干擾與地震兩類。干擾異常主要表現為觀測環境、測汞儀器及使用的試劑、取樣位置、觀測人員變動等客觀因素發生改變，導致水汞測值上升或下降；地震異常的形態主要表現單點突跳，在大同-陽高、張北地震前出現多次高值變化，為背景值的幾倍到幾十倍，且以中短期異常為主，異常圖像清晰，易于識別[6]。2009年3月5日測值突跳到35.8 ng/L，為背景值的7倍左右，之后于28日發生原平ML4.8地震；2011年1月3日至10日連續高值變化，測值最高達67.6 ng/L，為背景值的13倍左右，之后于3月8日發生四子王旗ML4.5地震(見第15頁圖4a)，2018年4月的高值異常無地震對應(見圖4b)。結合相關震例分析可看出，2009年以來異常形態表現為兩種類型：一是單點或多點突跳為主，一天或連續幾天測值高于背景值數倍以上；二是異常形態連續高值變化，一段時間內測值高于背景值數倍以上。兩種類型均為異常恢復后發震。

圖3 水汞正常動態圖

圖4 水汞異常動態圖

3 懷4井水汞預測指標

汞的物理性質決定其在壓力、熱力作用下易向低溫、低壓方向遷移。當產生構造運動，應力發生改變時，斷裂破碎帶吸附的汞被釋放出來，遷移過程中形成汞含量較高的熱水。在活動斷裂帶和熱泉區附近，深部循環過程強烈，在此處富集的汞能反映來自深部構造的信息。懷4井位于多條斷裂交匯及熱田區，因此，其水汞含量的變化能反映出一段時間內該區域的應力變化情況。

在以往地震活動較活躍時期，前人研究認為懷4井對周圍260 km范圍內4.0級及以上的地震反應較靈敏[12]。近年來，華北地區中強地震活動較弱，在唐山古冶區發生一次5級以上地震，無6級以上地震發生，水汞背景值低于大同-陽高、張北地震時期的背景值。為探討該井水汞在中等地震前的異常特征，選取更換測試儀器后的2009年1月至 2020年6月，懷4井周邊300 km范圍內的ML≥4.0地震來分析水汞動態。為避免隨機性，參考水汞異常與發震時間之間的關系，確定震前6個月內出現的異常為前兆異常。根據以往震例，以水汞測值大于背景值6倍(測值大于30 ng/L)視為異常判定標準指標，2個異常點的時間間隔≤10 d視為1組異常。為確保水汞測值異常的真實性，異常期間除對儀器工作狀態進行檢查外，還進行加密觀測，確保汞含量異常的真實性。在此基礎上，提取出2009年1月至2020年6月該井水汞異常共7次，異常與地震的對應關系如表1、第16頁圖5、圖6所示。

圖5 水汞映震空間分布圖

圖6 水汞映震曲線

表1 水汞異常與地震對應情況表

從第16頁表2及圖5看出，懷4井水汞異常對晉冀蒙交界地區的中等地震活動性具有一定指示意義，對唐山地區映震能力較弱，原因可能與空間距離、地震強度、構造因素等有關。當地球內動力作用引起構造活動時，應力變化會向外傳播，懷4井距張渤帶西(晉冀蒙交界區)較近，在區域應力增強時，距離震源較近的測點可能最先出現異常變化。研究以中等地震為主，懷4井位于張渤地震帶西段與山西地震帶交匯處，是應力易于集中的部位，因此，對晉冀蒙交界地區的地震活動引起的應力場變化反應較敏感。

表2 水汞異常與晉冀蒙交界區地震對應情況表

從時間尺度來看，地震一般發生在水汞異常結束后的1～2個月內。如，2019年11月5日出現高值突跳異常，12月3日在懷安發生ML4.1地震；4月19日出現高值突跳異常，6月23日在尚義發生ML4.1地震；也有一些地震發生在異常結束后的6個月。如,2013年2月22日大同ML4.1地震。從圖3可看出，2013年到2015年懷4井水汞數值整體偏低，未出現測值大于30 ng/L的數據，這是由于該時段地震活動的頻次與強度均處于較低水平，區域應力場的變化不足以引起水汞異常；2018年4月至6月水汞異常頻次較高，幅度較大，懷4井周圍并未發生相應的地震。原因可能與水汞異常的主體來自區域構造活動，即絕大多數異常是區域構造活動產生的場兆信息，導致地下流體異常過程和地震的孕育發生過程不協調[13]。區域應力場作用下構造活動產生的場兆信息具有非均勻性和隨機性的特征，在一定范圍內并不一定會影響到每個測點。這與測點所處的相對位置、地質構造的分布、規模、方向及活動程度有關，還與巖石的力學性質有關，因此，在某個測點出現有地震無異常的現象是可能的。同時，地震是構造活動產生的結果，但也必須達到巖體的臨界狀態才會發生地震，并不是每一次構造活動都會有地震發生。異常和地震活動都是對地殼應力狀態的反映，因此，有異常無地震的現象也會出現。懷4井水汞異常漏報與虛報地震與此有關。

綜合分析認為，懷4井水汞出現突跳幅度大于30 ng/L后的1至6個月內，晉冀蒙交界區一般會有ML4以上地震發生。應用R評分值對懷4井水汞的預測效能進行檢驗，R為0.34，R0為0.31，R>R0通過檢驗。該異常的最佳預報時間為100 d，預測指標可作為晉冀蒙交界地區震情判定的參考依據。

4 結論與討論

通過對2009年以來懷4井周邊300 km范圍內的ML4以上地震前水汞特征進行研究，得到如下結論：

(1) 近年來懷4井水汞背景值較低，可能與華北地區強震活動較弱，僅發生5級以上地震一次，主要以中小地震活動為主有關。

(2) 在基于震例研究的基礎上，分析懷4井水汞異常特征，結果表明，懷4井水汞異常以突跳為主，異常判別指標是測值大于背景值30 ng/L的6倍以上；該井水汞異常R值檢驗結果為R=0.34，R0=0.31，R>R0通過檢驗，異常的最佳預報時間為100 d。

(3) 水汞異常與晉冀蒙交界區中強地震對應率較高，可作為晉冀蒙交界地區震情判定的參考依據。

由于懷4井處于上地殼熱流體的活動區，導致地殼介質的強度弱化，強化斷裂活動，促發中等地震活動。因此，加強該區域地殼熱流體組分的研究，可進一步探討地震活動與斷裂活動的機理。