华北地区水旋流量异常的成因及深部构造的互动作用

华北地区水旋流量异常的成因及深部构造的互动作用

0地下流体东南角区自20世纪70年代以来，国内外许多科学家对地下流量剖面的异常成因进行了全面研究，主要提出了以下四种假设：。(1)应力-应变效应说是出现最早、流行最广的一种地下流体前兆机理学说(张炜等,1988;汪成民等,1988)。该学说认为地震前应力增强,致使地壳岩石产生压缩、微破裂乃至大破裂等变形,从而引起水位、水化学的异常变化。根据应力-应变效应说,又衍生出多种多样的地下流体异常机理学说或模式。(2)热物质上涌说是近年来兴起的一种前兆机理学说(车用太等,1997)。认为中、下地壳内的热物质沿深大断裂带上升至地壳浅层,进而引起水位上升、水化组分改变、地电阻率下降等多种前兆异常变化。(3)水诱发异常说即地下水诱发前兆异常的机理(王吉易等,2002a)。认为地下水的趋势性变化是由于降水等球外因素造成的,但这种动态变化可产生多种流体力,可引起浅层地壳岩石的应力-应变场的调整与变化,结果派生出或伴生地形变、地电阻率等多种趋势性前兆异常。故地下水趋势性变化的本身也是一种广义的地震前兆。(4)多源成因说不同部位、不同层位、不同孕震阶段以及不同测项产生的地下流体异常,其成因各不相同(张炜等,1998)。在“十五”攻关项目“流体短期前兆的机理研究”中,我们系统分析了华北地区地下流体短期异常变化与地震的关系,提出华北地下流体的短期前兆异常一般有2类,即:转折型短期前兆异常和突发型短期前兆异常(平建军等,2003)。转折型短期前兆异常为强震所特有的震兆信息,是指叠加在中期异常上的短期异常变化,是地震孕育由中期阶段进入短期阶段后出现的标志性异常现象。大量震例资料表明,地下流体转折型短期异常具有重现性、普遍性和群体震兆显示性,是华北地区最重要的地下流体前兆现象之一。所以,本文将借鉴上述4种地下流体前兆异常机理学说,结合观测井孔的水文地质资料、大气降水资料,着重对流体转折型短期前兆异常的成因进行分析。1异常的水位和旋转损失的分析1.1异常中期分析与短期中断1.1.1玉田井水位下降的原因1989年10月19日山西大同6.1级地震前,于1985年3月至1989年5月,玉田井出现水位趋势上升中期异常。自1989年6月开始,即从震前4个月起,水位由上升转为下降(“破年变”),出现了转折型短期异常变化(图1)。水位中期和短期异常的时间,是依据月均值的11点滑动曲线图来划分的。依据观测资料分析,玉田井水位的异常变化主要与降水量有关。从图1可见,1985年3月至1989年5月水位出现的趋势上升异常,与1984—1988年降水量的连续高值有关。这5年的年降水量均在654mm以上。1984—1987年期间,水位呈持续上升趋势,而同时期每年最大月降水量却表现为下降。这种“反常”现象其实并不反常,水位变化主要与年降水量、降水前的水位高低等多种因素有关。实际资料表明,在这水位连续上升的4a期间,其年降水量或者逐年增加,或者雨季前的水位较高(图1,表1)。1989年6月以后出现的水位下降异常,则是由于1989年降水量明显减少所致,1989年降水量仅429mm,较1998年减少了225mm,即减少34.4%(图1,表1)。从表1还可知,玉田井9月份水位与6—9月累计降水量之间的关系也很明显,表现在:(1)在中期异常出现的年份,即1985—1988年,每年9月的水位处于高值,即水位埋深都<6m;而同时期6—9月的降水量则较大,均在500mm以上。(2)在转折型短期异常出现的年份,即1989年,其9月的水位为低值(7.20m);而该年6—9月降水量也明显减少,仅有339mm。以上分析结果表明,玉田井水位的中期和转折型短期异常变化,主要是降水量的增加和减少造成的。玉田井位于林南仓向斜南翼。井深456.4m,系静水位观测井。含水层为透水性良好的中奥陶系灰岩,观测层系岩溶裂隙承压水含水层。该井位于山前平原区,其北部为山地丘陵区。根据水文地质学原理可知,造成玉田井水位升降变化的物理机制是,降水从山地丘陵补给区直接渗入补给地下水,再通过水压传递作用引起玉田井水位的变化。1.1.2中期异常形态的时间1998年1月10日河北张北6.2级地震水位异常变化曲线如图2。从月均值11点滑动曲线图上可见,中期异常的时间为1995年2月至1997年6月,异常形态为趋势上升变化;转折型短期异常的开始时间为1997年7月,即震前6个月,异常表现为下降变化。下面分析水位异常产生的原因。(1)水位上升较快,降水量有所增加从图2可见,1995年2月至1997年6月宝坻井出现的上升中期异常,与1994年至1996年的降水量增大有关。在中期异常年份,即1995年和1996年的11月份水位分别为6.00m和5.99m,与1993年和1994年的同期比较,水位上升1m左右;而这2年的降水量分别为782mm和786mm,高出多年平均年降水量(533mm)249mm和253mm(表2)。从表2还可见,1995年和1996年的11月份均为高水位,分别为6.00m和5.99m;其年降水量也是1992年至2001年期间的最高值,分别为782mm和786mm。这些也说明水位上升中期异常变化是由于降水量增大造成的。(2)全宝矿井的中期和周期内,降水有下降或减少1997年7月以后出现的水位下降(“破年变”)异常变化,则是因1997年降水量明显减少所致(图2,表2)。从表2可知,1997年降水量仅有374mm,较多年平均年降水量减少159mm,即减少了29.8%。总之,宝坻井水位的中期和转折型短期异常,主要是由于降水量的增加和减少造成的。此外,水位异常变化与区域开采量改变也有一定的关系,而采水量的多少则又与降水量有关。宝坻井位于宝坻凸起上。距离宝坻深大断裂3km。该井处于山前冲积平原内,井深427.17m,197m以下为裸孔。含水层为震旦亚界灰岩,为岩溶裂隙承压水。降水从井孔北部的山地丘陵补给区直接渗入补给地下水,再通过水压传递作用引起宝坻井水位的变化。由于井孔与山地丘陵补给区之间相距40余公里,故降水引起的井水位变化虽然明显,但其变化的过程则较为缓慢。1.2地下水渗流影响机理在华北地区,强震前有相当多的井孔都出现过水位的中期和转折型短期异常变化。除前述玉田、宝坻井外,还有河北的唐山、丰南,北京的丰台大灰厂、顺义板桥、通州码头、平谷王都庄,山西的静乐、朔州,内蒙古的兴和和集宁三号地等井。这些井位于山前平原或山间河谷盆地;井深100～500m;地下水为接受大气降水补给的承压水。由于水文地质条件类似,这些井水位异常的成因与玉田、宝坻井也基本相同。通过对水位异常典型实例剖析认为,降水渗入机制是华北水位中期和转折型短期异常产生的一种重要物理机制。其含义是:(1)水位中期和转折型短期异常产生的主要原因是降水量的多年周期性变化,其主要变化周期为11a。(2)水位的中期异常与降水量的关系是,当年降水量连续2～5a为高值(大于多年平均降水量),则可引起水位趋势上升的中期异常变化。转折型短期异常与降水量的关系是,如果年降水量显著减少,则造成水位下降的短期异常变化。(3)引起水位异常变化的物理机制主要为降水的渗入补给。降水还可转化为地表水,地表水再渗入补给地下水。降水补给量的改变,造成含水层水量和水压的变化,再通过水压传递作用引起承压水含水层井孔水位的上升或下降。此外,对于一部分含水层较封闭、深度较大的井孔,造成水位异常的原因还可能有雨水荷载机制。2异常的水噪声中期和短期旋转过程的分析2.1含水层及地下水山西定襄泉为岩溶下降泉,泉水出露于系舟山山麓沟谷的一侧,含水层为中奥陶系(O2)富水灰岩,下伏相对隔水的下奥陶系(O1)泥质灰岩,泉水的西北侧有一阻水断裂带(图3)。观测资料表明,定襄泉水氡异常与流量异常的关系是十分密切的。2.1.1年生时期流量异常表现1998年1月10日张北6.2级地震前后定襄泉水氡含量、流量及降水量变化如图4。从11点滑动曲线图上可见,流量中期异常的时间为1994年7月至1997年5月,为趋势上升变化;转折型短期异常的开始时间为1997年6月,超前于地震7个月,为转折型下降变化(图4b)。根据定襄泉的水文地质条件和流量、降水等资料,认为流量异常的产生是由于降水量变化所引起的,其异常成因为降水渗入机制。1994年7月至1997年5月,出现流量的中期上升异常变化。1994—1996年每年8月或9月的流量都增大到18.4L/s以上;同时期的月降水量为高值,均在137.5mm以上(平均为114.4mm);年降水量亦为高值,均在377.0mm以上(多年平均降水量为320.8mm)(图4a,表3)。由此可知,流量的上升异常变化与降水量的增加有关。1997年6月以后出现流量的下降短期异常,则是由于1997年的最大月降水量与年降水量均大幅度减少所致,该年的最大月降水量仅43.1mm,年降水量只有109.4mm(图4a,表3)。2.1.2定突出水氡异常成因从图4b可清楚地看出,1998年1月10日张北6.2级地震定襄泉水氡中期异常的时间为1994年9月至1997年9月,为趋势上升变化;转折型短期异常的开始时间为1997年10月,超前于地震3个月,为转折下降变化。定襄泉流量中期异常的开始时间为1994年7月,转折型短期异常的开始时间为1997年6月。定襄泉水氡与流量2种异常的变化形态是很相似的,只不过水氡中期和短期异常的开始时间较流量异常分别滞后2个月和4个月。这表明水氡异常与流量异常之间是有关系的。研究表明,定襄泉水氡动态变化主要受流量因素的影响。每年7,8月,大量降雨的渗入补给,造成泉水流量增大;因泉水出露部位(地下水排泄区)的岩石较为破碎,水位埋深也较浅,故一部分降水从泉口附近直接渗入泉水。由于降水的淡化作用而造成水氡值短时间的降低。9月以后,另一部分由降水补给的地下水经过深循环后流出地表,可携带出含水层深部的高氡水,从而使水氡含量增大。1994—1996年的最大月降水量与年降水量的增大,使大量降水渗入补给地下水,致使泉流量增大。按照水文地质学的原理,泉流量的增大,意味着地下水的循环深度加大,进而携带出大量的含水层深部的高氡水,深部高氡水混入浅部氡含量较低的地下水中,致使雨季后(10—12月份)水氡值显著增大,结果造成1994年9月至1997年9月出现的水氡上升中期异常(图4a,表3)。1997年的最大月降水量、年降水量和流量的大幅度减少,地下水循环深度变小,从含水层深部携带出的高氡水量亦随之减小,从而造成了1997年9月以后的水氡转折下降短期异常变化(图4a,表3)。总之,定襄泉出现的流量中期和转折型短期异常变化,与降水量的增加和减少有关;其变化机制是降水的渗入补给作用。水氡中期和短期异常变化则与降水量、流量的增加和减少有关;其异常产生机制则为混合作用。此外,实际资料与研究结果表明,山西忻州奇村井的水氡异常,主要与降水和区域性开采有关;河北昌黎井水氡异常起因于降水和开采量的变化。这2口井水氡异常变化的物理机制都为混合作用。2.2水位、水氡异常变化原因分析及建议通过对水氡异常实例的剖析,提出华北地区水氡中期和转折型短期异常的成因为降水渗入-混合机制。其含义如下:(1)水氡中期和转折型短期异常是降水量的多年(主要为11a)周期性变化、水位及流量异常变化的派生产物,这三者之间有着直接的成因联系。(2)降水渗入补给地下水,造成水动力条件改变,进而通过不同的物理化学作用引起水氡含量的变化(张炜等,1988)。(3)造成水氡异常变化的物理机制主要为混合作用(张炜等,1988)。此外,还可能有水-气对流、氡的积累与衰变以及脱气等机制。通过上面对水位、水氡异常成因的分析,可得到以下3点认识:(1)水位、流量及水氡的中期和转折型短期异常是由于大气降水的多年(主要为11a)周期性变化引起的。(2)水位、流量异常的产生主要为降水渗入机制。(3)水氡异常的产生主要为降水渗入-混合机制。3浅层构造的作用大气降水系地球的外部环境因素。降水引起的地下流体异常变化何以能成为地震前兆,是需要回答的重要问题。依据“水诱发异常机理”(王吉易等,2002a,b;2003)以及其它有关的认识,我们提出“深浅构造的互动作用”,用以解释水位异常与地震的关系。该作用的含义如下:(1)大气降水的多年周期性(华北地区主要为11a周期)变化,通过渗入补给,造成地下水位及其相关的水氡等趋势性上升与下降动态变化(即中期和转折型短期异常)。地下水位动态变化,可产生附加载荷、孔隙压力、动水压力及化学腐蚀等流体力。流体力可使地壳应力状况和岩石强度发生变化。(2)在区域应力、震源应力的共同作用下,地震前大区范围地壳不同层位岩石的应力积累达到较高水平。(3)由于浅层地壳岩石已处于较高的应力状态,降水、地下水动态变化产生的附加流体力可诱发浅层地壳的构造变动(王吉易等,2002a),即使浅层构造“活化”(车用太等,1998)。浅部断层的加速蠕动,即为浅层构造变动表现的主要形式之一。这一认识得到大量实际资料的证实,也为许