皖北地区水位水温观测资料动态异常特征分析
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作者:石小磊 李良辉 张伟峰 潘洁 肖攀 杜默然
摘 要：以2017年8月8日四川九寨沟7.0级地震和2017年11月18日西藏林芝6.9级地震为例，对皖北地区部分水位水温进行了详细分析，对影响观测质量的各种干扰因素进行了剔除，分析水位水温的动态变化规律，研究地震发生前的异常信息以及震后变化。结果显示，皖北部分水位、水温动态信息变化规律存在同步同向变化、同步反向变化、无规律变化3类;水位在震时和震后均有异常动态变化，表现出突升或突降、阶变与震荡变化，对地震波脉冲应力的反映速度不同，变化持续时间也会有所不同。而水温在震前的异常动态更为灵敏，研究结果为以后的台站前兆分析提供依据。
关键词：强震 水位 水温 特征 监测
中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）09（b）-0059-03
Analysis of Dynamic Anomaly Characteristics of Observation Data of Water Level and Water Temperature in
Northern Anhui
SHI Xiaolei1 LI Lianghui1 ZHANG Weifeng2 PAN Jie2 XIAO Pan2 DU Moran1
（1.Earthquake Monitoring Center of Bengbu Earthquake Administration， Bengbu， Anhui Province， 233000 China; 2.Earthquake Administration of Anhui Province， Hefei， Anhui Province， 230031 China）
Abstract： Taking the August 8th， 2017 Sichuan Jiuzhaigou Ms7.0 earthquake and the November 18th， 2017 Linzhi， Tibet Ms6.9 earthquake as examples， a detailed analysis of some water levels and water temperatures in the northern Anhui region was conducted， and various interference factors that affected the quality of observations were analyzed. The removal was carried out to analyze the dynamic changes of the water level and temperature， and to study the abnormal information before the earthquake and the changes after the earthquake. The results show that there are three types of changes in the dynamic information of water level and water temperature in northern Anhui： synchronous co-directional change， synchronous reverse change， and irregular change. The water level has abnormal dynamic changes during and after the earthquake， showing a sudden rise or fall. ， Step change and shock change， the reflection speed of seismic wave pulse stress is different， the change duration will also be different. The anomalous dynamics of the water temperature before the earthquake are more sensitive， and the research results provide a basis for future station precursor analysis.
Key Words： Strong earthquakes; Water level; Water temperature; Characteristics; Monitoring
現代地震学中的地下流体观测在我国地震监测预报中有着极其重要的作用，地下流体监测网覆盖整个中国大陆，因为流体监测在短临预报中往往起着决定性的作用，通常表现出对地震前兆异常的高灵敏性[1]。一般地下流体在大震发生或震后很短时间内会出现同震响应，发生巨变异常，水位水温在形态上表现为测值的突升或突降、阶变与震荡变化。该文以蚌埠监测中心、五河女山井、淮北皖22井和阜南观测井四口井为例，对淮河北部水井水位水温的动态信息特征及映震效能进行分析，对地震发生前和发生时的异常信息特征进行规律总结，应用数学方法提取了强震前的异常信息和震后数据表现，从水位异常动态特征和水温异常动态特征的不同表现来分析皖北四口水井的映震能力，这对提高流体异常的可信度具有重要的意义[2]。 1 水位、水温测值动态分类
水位、水温测值动态特征主要有3种：一是同步同向变化。即从形态特征上，水位水温测值表现为长期或短期同步同向变化。二是同步反向变化。即水位水温在曲线变化形态上呈相反方向变化。三是无规律状态。即水位、水温测值在任一时间尺度上表现为有年变或者没有明显的年变以及其中一个测项有规律性变化或有明显的年变而另外一个测项无规律变化也无年变的情况都属于水位水温动态信息的无规律变化[3]。
该文通过对皖北地区水位、水温4口数字化观测井的数据进行处理提取，分析发现水位、水温的动态信息变化特征存在同步同向变化、同步反向变化和无规律变化3种情况。
1.1 同步同向动态变化
同步同向变化具体是指水位、水温的变化方向和拐点的上升下降均表现一致，如水位水温在夏季均表现为偏高冬天均表现偏低、或者又都是夏季偏低冬季升高型，以及测值整体趋势变化的方向表现一致，都表现为上升或下降变化。皖北地区的水井普遍映震效能较好，受干扰小，变化较一致，因此水位水温表现为同步同向变化的情况较多，蚌埠监测中心水井和淮北皖22井两口井均表现出长趋势同步变化示。
1.2 同步反向动态变化
同步反向动态信息变化具体是指观测井水位、水温测值在变化趋势上表现为同步变化，但方向相反。比如水位水温年变化形态呈正弓形曲线变化和反弓形曲线变化，短趋势的同步反向变化表现为测值在长趋势变化不确定的情况下出现的小波动曲线反向变化。长趋势的同步反向变化具体指一年尺度以上的长趋势变化，通常有两种情况：有规律性年变和无规律性年变。
1.3 无规律动态变化
水位和水温测值之间没有明显的规律变化关系，一种情况是水位水温在长趋势上均无明显的年变且无规律可循。另一种情况是其中一个测项曲线有年变且长趋势平稳变化，比如测值曲线表现为上升或下降，而另一个测项无明显的年变，季节变化规律也不明显，水位和水温的变化不存在关联性，即无明顯的规律性变化，皖北地区女山井的水位、水温表现为无明显规律性变化。具体见表1。
2 皖北水井水位动态异常分析
地震引起的地下流体效应有两种成因机制：一是由于地震发生时，地震波产生的脉冲状应力使得含水层的水、气变化，产生弹性变形。二是由于地震破裂传播及震后应力调整引起的，这种作用的影响时间较长，且有滞后性。以2017年8月8日四川九寨沟7.0级地震和2017年11月18日西藏林芝6.9级地震为例进行分析，监测中心井和阜南井在2017年11月下旬受西藏林芝地震影响出现震后效应产生阶变，大部分水井对远震都变为震荡型变化。皖22井和女山井在2017年8月受四川九寨沟地震影响出现震后异常变化[4-5]。
从表2可以看出，蚌埠中心井和阜南井所处皖北的西部和南部，水井所在的断裂带一致，在震后都发生数据值偏低的现象，对地震波脉冲应力的反应速度方面，蚌埠中心井则表现的更为灵敏一些，持续一段时间以后恢复至正常状态。皖22井和女山井分别地处安徽北部和东部，附近所处的断裂带走向不同，在远震发生时，板块活动造成地壳应力变化，在震后数据值发生偏高的现象，持续时间在20h以后恢复至正常状态。由于女山井位于郯庐断裂带附近，在西部发生强震后一段时间内，断裂带附近受地壳应力变化，小震活动频繁，水位数据变化也更为复杂。
3 皖北水井水温动态异常分析
水温在前兆观测中表现得更细微灵敏一些，通过数据分析，水温通常在震前—震时—震后短时间内发生数据值偏低的情况，在地震发生时延续低值异常变化并于震后一段时间缓慢恢复至正常状态，表3是对皖北4口水井水温值变化统计。
由表3可以看出，4口水井的共同特征具有一致性，均表现为距离地震发生短时间内水位下降，低值异常持续至地震发生后一段时间内缓慢恢复至正常状态，表明皖北地区水井的观测数据质量较高，对远震和大震的映震效能较好，水温变化的一致性特征对日后工作中的前兆数据分析研究提供了判定依据。
3 结语
皖北地区水位、水温在对大震或远震的映震能力上，表现出高灵敏性。同震响应一般表现在地震发生时或发生后的短时间内异常，测值曲线通常表现为测值的突升或突降、阶变与震荡变化，受脉冲应力大的水井反应迅速，持续时间很短，出现阶变后很快恢复到正常水平，而大部分水井对大震或远震的脉冲应力反应滞后，表现为震荡式变化且却持续时间久，水位整体也会发生一个新的变化。皖北地区部分水位、水温正常动态信息特征存在同步同向变化、同步反向变化、无规律变化3类。水位的同震响应主要表现为震荡式变化，也有灵敏度较好的水井出现阶跃式变化，受固体潮波动影响也会使差分值增大。水位的异常特征表现为西部南部水井水位数据值偏低，北部东部水井水位数据值偏高，水温的异常特征均表现为震前至震后测值下降，震后数据持续偏移走低。皖北4口水井分别对两次大震产生异常动态变化，具有较好的映震效能，这对以后工作中的前兆数据处理分析和同震响应异常研究提供更有力的判定依据。
参考文献
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[2] 温丽媛，刘春国，陈其峰，等.山东地震前兆台网地下流体数据跟踪分析[J].内陆地震2019，33（2）：166-173.
[3] 作林昌.昆明市水位水温观测资料协调性特征分析[J].华南地震2017，37（S1）：121-125.
[4] 孙小龙.地下水动态变化与地震活动的关系研究[D].中国地质大学（北京），2016.
[5] 陈玮.三峡库区仙女山断裂北段地下水位同震响应机理分析[D].中国地震局地震研究所，2019.
[6] 李玉江.川滇地区地壳变形的动力学成因及强震间相互作用机理[D].中国地质大学（北京），2016.
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