盘锦地区地下流体映震规律研究

2013-12-27鲜述东刘子哲

防灾减灾学报 2013年2期

鲜述东，王鹏，刘丽，韩艳，杨昆，刘子哲

（1.盘锦地震台，辽宁盘锦 124013；2.营口地震台，辽宁营口 115101）

0 前言

盘锦地区地下流体观测始于20世纪70年代。经过近40年的流体观测，取得了一些很有研究价值的地震前兆观测数据。在1975年海城Ms7.3级地震、1976年唐山Ms7.8级地震、1999年岫岩Ms5.4级地震以及2003年沈阳东陵ML4.2级地震和内蒙古巴林左旗Ms5.9级等地震中，本区多种观测项目出现了明显的前兆异常。为此，本文将盘锦地区地下流体观测数据进行总体分析，得出地震与异常资料的对应关系，进而研究出本地区地下流体的映震规律。

1 流体观测井孔状况及区域水文地质概况

下辽河平原为一断陷盆地，郯庐断裂带穿过该区。东部为辽东隆起，西部为燕山褶皱带。北依内蒙地轴与松辽盆地相隔［1］。全区构造总体上表现为以负向斜构造为基础。断陷内部被一级大断裂分为二级构造带，由东向西有：油燕沟断裂、辽中断裂、张家街断裂、义县大凌河断裂。它们基本呈北东向平行展布［1］。本区第三系地层可分为上下两套。由上而下分为明化镇组和馆陶组。上第三系为本区的主要含水层，也是油田生产用水的主要产水层位，高七井、兴一井水位观测也是此层位。

盘一井、高七井、兴一井、齐一井均分布在同一个大的构造区域内，即西部凹陷区（也称西斜坡），而荣二井则位于东部凹陷区。

辽河盆地三面环山，一面临海的汇水盆地，地下水的补给主要是大气降水，本区的三套含水层中，除第四系含水层外，上第三系的明化镇组和馆陶组两套含水层均为承压含水层，其封闭水头高度可达地表以上，含水层埋藏较深，下部含水层不能直接接受上部含水层的补给。下辽河平原地表水系发育，上游有辽河、浑河、太子河，下游有大辽河、双台子河、绕阳河、大凌河等。而这些河流走向又多与本区的深大断裂有关，所以河流补给就成了地下水的重要补给途径（表1）。

图1 盘锦地区地质构造Fig.1 Geological structure map of Panjin

表1 盘锦地区各河流渗入地下水量概算

盘锦地区用于地震观测的井孔共有5口，各井基本条件很好，井深在1000m左右，能够观测到第三系含水层，是地震地下流体观测中少有的深水井。各井孔井深、射孔部位及含水层地质年代等基本情况［2］（表2）。

表2 盘锦地区水位观测井基本情况

2 地下流体资料动态特征分析

2.1 观测资料年动态特征分析

2.1.1 水温正常动态特征分析

高七井水温从1997年进行模拟观测以来，数据波动比较大，受交流供电干扰出现负脉冲，在改用直流供电后这一现象消失。2001年 “九五”数字化改造之后，水温观测数据出现上升台阶，比数改前高大约0.09℃，数改后水温观测数据稳定，波动幅度很小，日均值相对变幅低于2%℃，无年变。2004年9月水温观测仪遭雷击，修复后出现下降台阶，下降大约0.03℃。之后水温测值不断上升，存在趋势性变化，年平均上升幅度为0.012℃（图2）。在正常情况下，高七井水温日变化幅度大约在0.014℃。

图2 高七井水温日值曲线Fig.2 The daily value curve of the terrestrial heat in Gaoqi well

2.1.2 水位正常动态特征分析

盘锦地区水位多年来存在着不同程度的下降。石油开采等工矿活动导致用水量剧增，加之开采布局与地下水水文地质条件不符，带来地下水位以每年1～3米的速度下降，形成大面积开采降落漏斗。馆陶组地下水降落漏斗区，该层水位每年降幅1～3米［3］。 1999年岫岩地震之后各井水变化略有不同，齐一井和荣二井出现反向发展趋势（图3（b）、（c））；高七井和兴一井水位年变规律比较一致（图3（a）、（d））。

图3 盘锦地区水位日均值曲线Fig.3 The daily value curve of water level at Panjin area

2.1.3 水氡正常动态特征分析

盘锦地区水氡从1973年开始观测。通过现有资料分析，盘锦地区水氡测值比较平稳，1979年以前盘三井测值波动幅度大约在1埃幔左右（图4（a））；1986年以后盘一井测值波动幅度大约在0.7Bq／L左右，无年变规律。绝大多数在地震发生前出现明显异常，异常特征表现为：突跳（图4（b））。

图4 盘锦地区水氡日值曲线Fig.4 The daily value curve of radon in ground water at Panjin area

1995年8月4日由于洪水灾害停止水氡观测13天，恢复观测后氡值出现低值，之后逐渐恢复到正常水平；1999年岫岩—偏岭Ms5.4级地震之后出现震后下降，2001—2003年水氡变化幅度增加，主要原因可能是 “九五”数字化改造期间改用小流量潜水泵抽水所致。之后水氡测值低于正常年测值并趋于平稳，直到2011年3月11日日本出现地震，4月19日打破平稳状态出现震后突跳上升（图4（b））。

2.2 前兆观测资料异常特征分析

盘锦地区自1973年开展地震观测工作以来，先后经历了1975年海城地震，1999年河北迁安和辽宁岫岩—偏岭地震，2003年内蒙古巴林左旗地震以及盘锦周边区域中小地震活动等。这些地震之前盘锦地下流体观测项目都不同程度地观测到地震前兆异常，为地震预报提供了很有价值的参考依据。

2.2.1 1975年海城Ms7.3级地震和1976年唐山Ms7.8级地震

盘三井从1974年10月10日出现上升型突跳，突跳幅度比正常值高大约0.7埃幔（≈2.6Bq／L），相对变化率约为8.4%，中期异常阶段一直处于较大幅度地起伏式振荡，1975年1月中旬出现短期异常，再次出现突跳上升，变化幅度大，1月24日振幅减小，进入平静期10天后发震（图5（a））。

唐山地震之前盘三井水氡资料异常没有海城地震前突出，但是在震后多次出现高值突跳，属于震后效应（图5（b））。

图5 盘锦地区水氡日值曲线Fig.5 The daily value curve of radon in ground water at Panjin area

2.2.2 1999年河北迁安Ms4.0级地震和辽宁岫岩－偏岭Ms5.4级地震

盘一井水氡在迁安地震和岫岩－偏岭地震之前都出现较大幅度的波动，突跳的幅度和频度都不断增强，两次地震最大日变幅度分别达到1Bq／L左右和2Bq／L（图6（a））；岫岩－偏岭地震中盘锦地区各观测井观测项目都存在不同程度的异常。兴一井和高七井水位打破年变规律，前者反向上升，后者加速上升震后恢复到正常年变形态。荣井水位7月份出现转折，下降速率加快，在下降过程中发震（图6（b）、（g）、（f））；高七井水温11月9日出现上升，到11月22日累计上升7.3‰℃，持续时间为13天，在高值上平稳8天后发生岫岩—偏岭Ms5.4级地震，震中距为117公里。震后水温在高值上沿着一定斜率持续发展。（图6（e））。盘一井水质简分析氯离子、钙离子、重碳酸根离子同时出现临震突跳（图6（c）、（d）、（h））；盘一井气相色谱氢气在正常情况下从未出现，但在震前20天明显观测到氢气，临震阶段异常更加明显，地震前一天出现高值突跳（图7）。

图6 盘锦地区地下流体观测项目日值曲线Fig.6 The daily value curve of groundwater observation project at Panjin area

图7 盘一井氢气日值曲线Fig.7 The daily value curve of hydrogen in Panyi well

2.2.3 2003年沈阳东凌ML4.3级地震和内蒙古巴林左旗Ms5.9级地震

高七井水温在2001年 “九五”数字化改造后，水温观测值一直沿着一定斜率向上爬坡。2003年1月24日水温测值下降，次日上升，在高值上持续波动32天之后迅速下降并呈锯齿状波动，3月30日发生了沈阳东陵ML4.3级地震，震后未出现明显变化。7月13日水温观测值出现上升，到18日共计上升幅度为5.3‰℃，在高值上持续上升29天之后发生内蒙古巴林左旗与巴林左旗之间Ms5.9级地震，震中距为348公里，震后水温一直处于高值发展阶段，直至2003年12月20日开始出现下降并恢复到发震前的变化形态（图8）。

图8 高七井水温日值曲线Fig.8 The daily value curve of the terrestrial heat in Gaoqi well

2.2.4 2008年海城地震和2009年凌海地震

2008年11月14日海城M4.3级和2009年11月8日凌海M3.6级之前，高七井水温都出现上升型异常，异常幅度分别为4.7%℃和4.8%℃，异常结束后平稳一段时间发震，震中距分别为90公里和80公里（图9（a））。盘一井水氡日观测值在地震发生时出现明显上升突跳，震后下降一段时间恢复正常（图9（b））。

图9 盘锦地区地下流体观测项目日值曲线Fig.9 The daily value curve of groundwater observation project at Panjin area

2.3 异常分析

对比各测项资料看出：各观测资料在出现异常时观测值与正常值存在明显差异，异常幅度较大，形态清晰，异常连续，持续时间较长等等（表3）。地震前后往往伴随着一定数目的异常出现。对于同一次地震，异常出现的时间不尽相同，有的出现时间较早，有的在临震前出现；异常的数量有多有少。现将本区各观测项目异常情况进行简要分析。

表3 盘锦地区前兆异常与地震统计表

（1）盘锦地区各观测井水位出现异常的时间（尤其是短临异常）基本一致，但异常的幅度不是很明显，必须注意区分，主要原因是辽河油田石油开采过程中抽水、注水影响本区观测井水位趋势变化，并且表现很明显。它主要是抽水（注水）层位与水位观测层位有关［4］。

（2）高七井水温在出现上升台阶并发展完全后在时间上作短临预报成功的几率很大。

（3）盘一井水氡出现源兆异常时往往在连续出现突跳性上升后逐渐恢复平静期发震的几率很大，远场地震对该区域水氡往往产生明显震后效应。

（4）氢和水中各离子的突跳变化具有 “临震特征”，在其它异常较为丰富时，出现氢和离子的突变往往可以在时间上作出临震的综合判定。

统计1975年海城地震、1999年岫岩—偏岭地震、2008年海城地震和2009年凌海地震得知：这些地震之前出现的异常数目较多（据统计，1975年海城地震前盘锦地电，锦州地应力，大连地磁，金县定点测量都存在异常），而地震震中距离本区没超过150km，可以认为是源兆地震，产生的异常为源兆异常；1976年唐山地震，1999年迁安地震，2003年巴林左旗地震对本地区地下流体观测项目的作用不太明显，在异常的数量和种类上比较单一，而且它们的震中都在300km以上，可以认为是场兆地震引起的异常。利用这些可以对地点作出初步判定：如果异常出现的数量较多，异常点集中且比较同步，则出现源兆异常的可能性较大，需重点注意异常点200km范围内的区域；异常单一则出现场兆异常的可能性较大，值得注意远场的异常区域，在震后出现异常往往是远场地震所致。总之，利用盘锦地下流体前兆异常的数量、种类、幅度、异常出现时间等等指标可以对时间和地点（范围）作出合理的判定。