石泉井水位異常與九寨溝7.0級地震關聯性探討

吳明 楊曉東 劉潔

摘要：

選取2014—2020年共計7年的石泉流體井水位整點值數據，結合小波分析方法及區域構造分析，研究石泉井水位長期異常變化的可能原因。結果表明，石泉水位異常活躍主要發生在2017年8月8日九寨溝地震之后，利用小波分析提取高頻異常信息效果較好，九寨溝7.0級地震后的區域斷裂活動加強或九寨溝地震造成的斷裂周邊含水層滲透性發生變化可能為導致石泉井水位長期異常的直接原因，未來月河斷裂石泉段附近斷層活動性值得進一步關注。

關鍵詞：

水位; 九寨溝地震; 南北地震帶; 石泉; 月河斷裂

中圖分類號： P319????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2023）02-0441-06

DOI：10.20000/j.1000-0844.20210809002

Discussion on the correlation between the water-level anomaly

of the Shiquan well and the Jiuzhaigou M7.0 earthquake

WU Ming， YANG Xiaodong， LIU Jie

（Shaanxi Earthquake Agency， Xi'an 710000， Shaanxi， China）

Abstract：

In this paper， we selected the integral point value data of the Shiquan fluid well water level in 7 years from 2014 to 2020 and combined them with the wavelet analysis method and regional structure analysis to study the possible reasons for the long-term abnormal change in the Shiquan well water level. The results show that the water-level anomalies of the Shiquan well mainly occurred after the Jiuzhaigou M7.0 earthquake on August 8， 2017. The wavelet analysis method is effective in extracting high-frequency abnormal information. The strengthening of regional fault activity after the Jiuzhaigou M7.0 earthquake or the change in aquifer permeability around the fault caused by the earthquake may be the direct cause of the long-term abnormal water level in the Shiquan well. The fault activity near the Shiquan section of the Yuehe fault deserves further attention.

Keywords：

water level; Jiuzhaigou earthquake; the north-south seismic belt; Shiquan; Yuehe fault

0 引言

地震是地殼構造運動能量釋放的一種外在表現形勢，地下水作為存在于地殼的常見介質，是間接觀測地震活動的重要前兆手段。但地下水位異常往往因素各異，甚至是由多因素綜合所造成。降雨、周邊水庫蓄放水、地下水開采、觀測儀器異常、構造運動等屬常見的水位異常的干擾因素，如何排除次要干擾因素找尋主要因素將影響對異常活動的正確認識。

石泉流體臺靜水位從觀測以來長期存在水位異常（圖1），主要表現為短時間快速階升、階降或趨勢轉折，持續時間通常為數小時至數十小時，變幅從厘米級到米級，異常無固定發生時間。針對石泉地下井水位的異常，陜西省地震局曾多次組織專門人員前往現場進行異常調查［1］，從儀器狀態、地下水開采、井孔漏水、同震效應、河流水位變化等方面作異常分析。分析的結論為：在觀測系統方面，通過比測、井下電視等多種手段，對觀測系統進行了詳細調查，結果顯示石泉水位觀測儀器工作正常，井管無破裂、錯位等情況;對周圍開采、河流水位、水庫庫容及儲放水、井水物質來源分析等與石泉水位階變進行對比分析認為，降雨、池河水位流量、石泉水庫儲放水等對水位變化有一定的影響;2020年6月21日后石泉水位升至泄流口異常與池河水位及降雨增大有較大關系。

前人研究已基本排除儀器工作異常、井管破裂、位錯等干擾可能，現有研究顯示降雨、水庫蓄放水等因素對石泉井水位異常可能存在一定影響，但較為有限。本文從數據分析的角度，結合小波分析方法，探討石泉井水位長期異常與構造活動的關聯性，以期為今后類似井水位異常分析提供參考。

1 觀測井概況及周邊斷裂

石泉流體臺（圖2）位于陜西省石泉縣池河鎮明星村（32.98°N，108.32°E），處于南秦嶺構造帶內，構造單元屬于南秦嶺南部—北大巴山北部逆沖推覆系，初露地層除古穹隆基地層外，主要是古生代變質巖，絹云千枚巖發育，志留系出露比較廣泛［2］。石泉井于2010年11月開鑿完成，成井深度300 m，鉆孔直徑350 mm，含水層為志留系千枚巖裂隙承壓水，大氣降水補給是含水層的主要補給源。井孔內地表至地下191.11 m的井管為直徑311 mm的鋼管，地下191.11～300 m為直徑219 mm的濾水管。該井從2013年4月開始正式觀測，觀測設備包括ZKGD3000-N型水位儀、SZW-1A型水溫儀和WYY-1型氣象三要素儀。

石泉周邊主要活動斷裂包括月河斷裂、三花石—漢王城—雙河口斷裂、興隆斷裂等，石泉井所在池河流域主要受月河斷裂控制。月河斷裂西北起石泉北（圖2），向東南經漢陰，直到安康南，長約140 km，走向NW，傾向NE，傾角70°～80°，為正斷層。月河斷裂控制著月河水系的發育與安康、漢陰盆地的新生代沉積，在長槍嶺一帶斷錯了中更新統及其以前地層，最新活動時代為晚更新世。其北側發育了多條次級疊瓦狀正斷層，并控制池河，為一區域性右旋正斷層［3］。月河斷裂被認為是晚更新世的斷裂帶，在全新世活動性較弱，月河斷裂作為南秦嶺加里東褶皺帶和中秦嶺印支褶皺帶的分界，斷裂南北兩側寒武紀—志留系在巖相和厚度上都有較大的差異，由此推斷月河斷裂古生代初就已存在，沿斷裂發育的大量糜棱巖、斷層角礫巖及指示北盤向南西逆沖的小褶皺，都證明斷層形成時具有壓扭的性質。2017年8月8日九寨溝7.0級地震發生在青藏高原巴顏喀拉地塊北界東端的塔藏斷裂與岷江斷裂、虎牙斷裂交匯處，發震斷層為虎牙斷裂北段，具有左旋走滑性質［4-5］。李杰等［6］曾統計我國大陸近40年中強以上地震震前跨斷層形變異常范圍，結果顯示，7級地震震前異常場地距震中距基本在450 km以內，九寨溝7.0級地震震中距離石泉流體臺直線距離約400 km，在九寨溝地震異常場地覆蓋范圍內。

針對石泉流體臺靜水位數據長期存在的異常情況，使用小波分析研究石泉水位2014—2020年的數據，并試圖從斷裂活動的角度對水位的異常現象進行分析和解釋，探討地震等構造運動與水位異常的關聯性。

2 數據分析

石泉流體井水位儀從2013年4月1日起正式記錄數據，本研究選取了從2014年1月1日到2020年12月31日間的全部水位觀測數據。對全部觀測到的異常進行統計，從統計結果上來看，從2014年—2020年間石泉水位儀記錄到水位階升階降現象多達174次，其中階變幅度超過0.49 m的異常達29次（表1）。最大的兩次階變分別是2018年12月23日2.87 m階降與2019年12月16日—17日3.99 m階降，持續時間分別為16 h和38.5 h。

從階升與階降的異常次數對比，可以發現階降（27次）的次數遠高于階升（2次）。自2017年起，石泉水位大幅異常變換呈現逐年增多趨勢。從長趨勢分析來看，可以將2013年至2020年的數據以2017年8月8日為界限劃分為兩個階段，2017年8月8日之前的稱為平穩階段，之后稱為波動階段。兩個階段特征差異非常明顯，平穩階段每年階變次數極少，階變幅度小，且階變多發生在雨季，與降雨規律較吻合。而在波動階段，階變的頻次急劇增加，密集的小幅度波動伴隨著間斷的大幅波動，階變與降雨相關性減弱，在冬季階變頻次也未減小，且2018、2019兩年最大階降均發生于12月。縱觀整體數據，從2017年波動階段開始，雖然有階降也有階升，且階降頻率更高，但是水位總體趨勢始終維持上升趨勢，2017年上半年水位總體在井下5 m處，最近三年水位則持續上升，在2020年6月21日—7月20日以及9月9日—10月9日兩次升至井口處，9—11月水位甚至漲至井口。

3 小波分析

小波分析在時域和頻域具有表征局部信號特征的能力，能夠將多頻合成的信號不同頻率成分分開。石泉水位異常信號持續時間較短，多為數小時，屬高頻信號，嘗試小波變換分析。

有限時間序列的小波變換公式為：

Wφf（a，b）=1 a∫-∞∞f（t）φt-badt （1）

式中：f（t）為原始信號;Wφf（a，b）為小波變換后的各頻段分量;a為尺度因子，控制小波函數的伸縮，對應頻率;b為時間平移因子，控制小波函數的平移;1 aφ（t-ba）dt為小波母函數。小波分解的小波基種類很多，小波基的選取是否合適將影響結果的準確性。劉建明等［7］基于定點小波基函數優劣的標準，并考慮了消失矩陣階數，最終選定db4小波基函數進行分析，由于db4小波能在保留固體潮信息的基礎上較好的反映異常信號，因此本文也采用Daubecheies（dbN）小波系中的db4小波基函數對原始石泉流體井2014—2020年的靜水位整點值數據進行小波變換處理，采用db4小波9階對數據進行計算，1～2階主要為高頻成分，3～4階主要為固體潮汐信息，5階及以上為去除潮汐成分的非潮汐信息。石泉流體井水位異常通常持續時間多為數小時，屬高頻信號，從1階及2階小波分解所計算結果來看（圖4），高頻成分明顯從2017年8月8日九寨溝地震后開始持續出現，高頻信號無明顯周期性。與前面趨勢分析的結果相吻合，小波分析提取的高頻干擾信號也可以根據九寨溝地震的時間節點劃分為平穩階段和波動階段兩階段（圖4），3階及以上分解雖也有一定階段分選性，但由于固體潮汐信號及低頻干擾較多，呼應性不及一階、二階。

4 異常原因分析

根據前面的分析可以得知石泉水位異常的整體爆發起始點是2017年8月8日21點22分，恰好是2017年8月8日21點19分九寨溝7.0級地震之后。以2017年8月8日為特征分水嶺，九寨溝地震之前的石泉井水位雖偶有突變，但頻次較低，總體穩定，且主要集中在雨水較多的6—9月之間。九寨溝地震之后，石泉水位表現出新特點，包括突變頻次極高，存在大幅度變化（超過一米甚至數米的突變），突變全年發生，與降雨無明顯關聯。前人研究已排除井管斷裂、儀器故障干擾的可能，降雨、周邊河流、水庫水位等因素同水位異常的關聯性亦較弱［1］，因而該異常與構造活動是否相關是值得探討的問題。尤其是九寨溝7.0級地震，可能是觸發水位異常進入活躍的主要因素。石泉流體井在100～200 m深度處穿過月河斷裂，作為一口跨斷裂的流體井，石泉流體井較大的井深（300 m）、較窄的井口直徑（350 mm）以及較厚的含水層厚度，使其具有較好的承壓性，井水位對地震波、固體潮汐等有較好的響應能力［8］。2017年8月8日21：19：46為九寨溝地震發震時刻，石泉井水位的水位值從2017年8月8日21：20發生升降轉折由降轉升，水位由21：20的4.200 4 m升至8月9日07：50的3.868 5 m，變化幅度為0.331 9 m，石泉井距離九寨溝地震震中約420 km;2021年5月22日02：04青海果洛發生M7.4地震，石泉水位5月22日02：06—04：00快速抬升0.667 9 m。孫小龍等認為井水位對地震波和其他地殼與和地下水之間的機械耦合非常敏感，可以被用作地震計或者應變計［9］，石泉井靜水位記錄到的長期異常或可以部分反映附近斷層的活動情況。

袁道陽等［10］在總結了中國大陸7級以上地震遷移循環特征和機理的基礎上，重點對青藏塊區7級以上地震的時空遷移特征、機理及未來發展趨勢進行了綜合分析后認為：中國大陸區域強震、大地震活動存在時間上的叢集性和空間上的分區性，過去的100年存在由西向東、由南向北遷移循環的4個大地震叢集區域，每個區域的叢集時間約20年，已經持續20年的昆侖—汶川地震系列可能已經趨于結束，未來20年中國大陸7級大地震的主體活動區可能遷移到青藏地塊區周緣的邊界構造帶上，重點是東部邊界構造帶。自九寨溝地震之后，位于巴彥喀拉塊體東側的斷裂帶如月河斷裂可能進入相對活躍期，其活躍或與近年來印度板塊與歐亞板塊碰撞的強構造運動持續的大背景相關。另外，由于石泉流體井附近極易破碎的變質巖，娟云千枚巖發育，同時河流水資源富集，2017年九寨溝地震可能同時誘導月河斷裂周邊形成水力裂縫，而水力裂縫通過擴展發育，其裂縫尖端的張應力會導致斷層與裂縫交叉附近出現應力和剪切應力集中，導致斷層失穩［11］，從而進一步促進斷層的活躍。為此，九寨溝地震之后石泉水位異常變化原因可從兩個角度分析討論：一是九寨溝地震有可能觸發了月河斷裂的活躍，進而造成石泉井水位長期異常。從2013年以來的多次6～7級地震來看，地震未繼續集中在沿巴彥喀拉塊體分布，而是多發生在青藏地區周緣的邊界活動構造帶上。2021年上半年的地震活動也表明，中國大陸近期的地震活動受印度板塊活躍影響，在板塊邊界接連發生了云南漾濞縣M6.4、青海果洛M7.4地震，進一步印證了未來7級以上大地震主體活動區可能開始遷移，需重點關注青藏地塊區東邊界的南北地震構造帶。二是九寨溝地震誘導月河斷裂周邊形成水力裂縫，造成斷裂周邊含水層滲透性發生變化乃至斷層失穩，綜合降雨、水庫蓄放水等因素引發后續水位異常。

5 結論

石泉流體臺頻繁水位異常變化，或是受多種因素綜合影響，包括水庫水位漲落、降雨、構造運動等，其中構造運動可能是井水位發生階變的主要因素。小波分析方法提取的水位高頻信息反映了石泉水位異常活躍期的開始時間，2017年8月8日九寨溝地震是異常活躍的重要轉折點。

經綜合分析后結論如下：九寨溝7.0地震有較大可能是石泉后續長期水位異常的直接觸發因素，石泉井的水位變化一定程度上反映了近年來該區域構造活動日趨活躍。但受認知的局限，目前的分析可能不全面，需要今后進一步的研究與分析。

參考文獻（References）

［1］ 王秋寧，李守廣，趙小茂.陜西石泉井水位階降異常［J］.華北地震科學，2019，37（3）：75-80.

WANG Qiuning，LI Shouguang，ZHAO Xiaomao.Analysis of water level step-down anomaly of Shiquan well in Shaanxi Province［J］.North China Earthquake Sciences，2019，37（3）：75-80.

［2］ 楊興科，韓珂，吳旭，等.南秦嶺陸內造山構造變形特征與演化：石泉—漢陰北部一帶晚印支—燕山期構造變形分析［J］.地學前緣，2016，23（4）：72-80.

YANG Xingke，HAN Ke，WU Xu，et al.The structural deformation and tectonic evolution of intra-continental orogeny in South Qinling orogen：structural deformation analysis of the northern part of Shiquan—Hanyin belt in the Late Indosinian-Yanshanian period［J］.Earth Science Frontiers，2016，23（4）：72-80.

［3］ 胡健民，孟慶任，陳虹，等.秦嶺造山帶內寧陜斷裂帶構造演化及其意義［J］.巖石學報，2011，27（3）：657-671.

HU Jianmin，MENG Qingren，CHEN Hong，et al.Tectonic evolution and implication of Ningshan fault in the central part of Qinling orogen［J］.Acta Petrologica Sinica，2011，27（3）：657-671.

［4］ 徐錫偉，陳桂華，王啟欣，等.九寨溝地震發震斷層屬性及青藏高原東南緣現今應變狀態討論［J］.地球物理學報，2017，60（10）：4018-4026.

XU Xiwei，CHEN Guihua，WANG Qixin，et al.Discussion on seismogenic structure of Jiuzhaigou earthquake and its implication for current strain state in the southeastern Qinghai-Tibet Plateau［J］.Chinese Journal of Geophysics，2017，60（10）：4018-4026.

［5］ 李勇，邵崇建，李芃宇，等.九寨溝MS7.0級地震的左旋走滑作用與動力機制［J］.成都理工大學學報（自然科學版），2017，44（6）：641-648.

LI Yong，SHAO Chongjian，LI Pengyu，et al.Left-lateral strike-slip effect and dynamic mechanism of the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake in the eastern margin of Tibetan Plateau，China［J］.Journal of Chengdu University of Technology （Science & Technology Edition），2017，44（6）：641-648.

［6］ 李杰，唐廷梅，荊強，等.跨斷層形變測量異常特征分析［J］.地震，2010，30（2）：100-111.

LI Jie，TANG Tingmei，JING Qiang，et al.Analysis of the anomaly characteristics from cross-fault deformation measurements［J］.Earthquake，2010，30（2）：100-111.

［7］ 劉建明，李志海，孫甲寧，等.基于小波分析提取地傾斜異常特征［J］.地震，2016，36（1）：38-48.

LIU Jianming，LI Zhihai，SUN Jianing，et al.Extraction of ground tilt anormalies based on wavelet analysis［J］.Earthquake，2016，36（1）：38-48.

［8］ 孫小龍，向陽，李源.深井水位對地震波、固體潮和氣壓的水力響應：以范縣井為例［J］.地震學報，2020，42（6）：719-731.

SUN Xiaolong，XIANG Yang，LI Yuan.Hydraulic response of water level to seismic wave，earth tide and barometric pressure in deep well：a case study of the Fanxian well in Henan Province［J］.Acta Seismologica Sinica，2020，42（6）：719-731.

［9］ SUN X L，XIANG Y，SHI Z M，et al.Sensitivity of the response of well-aquifer systems to different periodic loadings：a comparison of two wells in Huize，China［J］.Journal of Hydrology，2019，572：121-130.

［10］ 袁道陽，馮建剛，鄭文俊，等.青藏地塊區大地震遷移規律與未來主體活動區探討［J］.地震地質，2020，42（2）：297-315.

YUAN Daoyang，FENG Jiangang，ZHENG Wenjun，et al.Migration of large earthquakes in Tibetan Block area and disscussion on major active region in the future［J］.Seismology and Geology，2020，42（2）：297-315.

［11］ 李佳琦，王斌，李軼，等.水力裂縫擴展對天然斷層活動性的影響［J］.遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2021，40（2）：126-133.

LI Jiaqi，WANG Bin，LI Yi，et al.Influence of hydraulic fracture propagation on activity of natural faults［J］.Journal of Liaoning Technical University （Natural Science），2021，40（2）：126-133.