0 引言

在地震孕育过程中，岩石中的微小应变反映在孔隙压力变化上，并通过静水压力的传递或水的渗流，在井孔水位动态中表现出来（陈大庆，2006）。大量震例研究表明，在许多地震前可以观测到井水位异常变化，如：1995年7月12日云南孟连7.3级地震前，距震中25 km的双江井水位出现趋势上升异常，距震中115 km的景谷井震前20天出现水位突升异常（付虹等，1997）；2011年3月24日缅甸7.2级地震前，云南省南华井、高大井等多口观测井水位出现大幅度下降型异常（张立，2013）；2012年9月7日云南彝良M_S 5.7地震前，金沙江水网有4口观测井水位出现同步下降型异常（车用太等，2014）。

据中国地震台网测定，2016年9月10日18:09唐山市开平区（39.70°N，118.33°E）发生M_S 4.2地震，震源深度约10 km，自2016年8月21日开始，在唐山市开平—古冶一带发生震群活动，此次地震是该震群中的最大地震，发生在唐山断裂东北端点附近。笔者收集河北省地下流体观测井水位震前异常变化资料，分析水位异常变化特征，并结合前人研究成果，试图解释水位前兆异常形成机理，以期为相关地震预测研究提供参考。

1 震前异常特征

地震的发生不是偶然的，震前一定会经历一个长期的孕育过程。在此过程中，震源区及周围一定区域内地壳介质和应力状态必然发生相应变化，井孔水位对地壳微量的体应变有灵敏反应和放大作用。孕震过程也就是受力作用后产生的应力一应变过程，可能被一些观测井水位的放大作用显示出来。2016年9月10日唐山M_S 4.2地震时，河北省地下流体观测井网17口观测井中4口观测井水位出现震前短临异常变化，分别是黄骅井、河间井、昌黎井、玉田井。各观测井地理位置见图 1，水位长期变化曲线见图 2。

1.1 黄骅井水位异常

黄骅井地处华北沉降带埕宁隆起东北部边缘埕西潜山构造带，含水层属奥陶系灰岩裂隙承压水，井孔—含水层系统导水性能良好，井深1 250 m，1 100 m深处穿越羊二庄断裂带，该断裂带延伸方向长，切割深度深，从沙垒田凸起西侧向NE方向延伸，与辽河中央凸起西侧的台安—大洼断裂相连，表现为左阶雁列—梳状NE向展布，在剖面上表现出高陡或花状特点，两侧地层差异较大（李三忠等，2004；刘建忠等，2004）。黄骅井孔地层缺少下第三系和石炭二叠系，上第三系明化镇组直接与奥陶系不整合接触，断层、裂缝和地质不整合面构成流体活动通道，决定了该井水位的动态灵敏性。

黄骅井距唐山M_S 4.2地震震中166 km，该井水位在震前多次出现数据阶变，2016年8月8日14:57—2016年8月25日17:34，井水位出现6次阶跃上升变化，最大上升幅度为2.155 m，之后水位平稳变化，至9月3日21:07水位阶跃下降变化，下降幅度0.501 m，此后水位持续振荡变化，至9月10日18:09发震，水位变化过程见图 3(a)。黄骅井水位历史上多次记录到显著地震前兆异常，如：2005年黄骅井水位在趋势下降背景上转折上升，随后发生文安5.1级地震（呼晶磊等，2008）；2012年2月2日黄骅井水位快速下降0.676 m，随后辽宁营口发生4.3级地震（张素欣等，2013）；2015年3月1日至6月28日黄骅井水位出现4次大幅度阶升变化，最大幅度4.356 m，之后水位趋势下降，并在下降过程中发生河北昌黎4.2级地震（尹宏伟等，2016）。

1.2 河间井水位异常

河间井地处河北省河间县境内，又名马17井，井深2 694 m，观测层埋深2 571 m，位于冀中坳陷东部，南马庄断裂带河东古潜山凸起部位，处于冀中坳陷所属的饶阳凹陷，里坦凹陷与沧县隆起所属的大城凸起、献县凸起4个四级构造单元相交接部位，NE向大城断裂、南马庄西断裂、河间断裂与NWW向河间东断裂的汇集地。河间井是高温自流井，水位映震能力较强，曾多次在地震前记录到显著前兆异常。

河间井距离唐山地震震中234 km，震前2个月内水位出现2次显著阶变异常，2016年8月23日20:41—8月23日21:01水位出现上升阶变，阶变幅度为0.026 m，之后水位平稳变化，8月30日23:57水位再次出现大幅度上升阶变，至9月1日06:00，水位阶变幅度为0.058 m，之后水位快速下降，至9月5日01:20水位下降0.056 m，后水位平稳变化，直至9月10日18:09河北唐山发生M_S 4.2地震，水位异常变化见图 3(b)。此种异常现象非独立事件，在1981年11月9日河北隆尧5.8级地震和1985年11月30日河北任县5.3级地震前，河间井也出现类似水位阶梯式突升的短临异常变化（陆明勇等，2005）。

1.3 昌黎井水位异常

昌黎井为动水位观测井，1975年11月建成，位于河北省昌黎县城南部地王集团果酒厂院内，地处燕山山前平原、饮马河冲积扇上，在昌黎—宁河断裂北侧1.5 km处，为地热异常区温泉钻孔，含水层岩性为前震旦系混合岩化花岗岩和角闪斜长片麻岩，地下水类型为裂隙、孔隙型混合承压水。由于该井含水层上覆2层较厚的粘土隔水层，不具备当地降水补给条件，补给区为北部山区及NE向低山丘陵区，排泄于上覆松散层的中粗砂夹砾石含水层。昌黎井井深301.04 m，孔口标高15 m，成井时流量为0.099 L/s，水头高度在地表以上4.17 m，水温38℃，目前流量约0.026 L/s，井口水温30℃—35 ℃。该井井孔套管深度91.92 m，直径168 mm，91.92—301.04 m处为直径110 mm的裸孔，含水层厚度149.30—211.80 m，主要出水段在172—180 m处。

昌黎井位于唐山地震震中东部71 km，震前2016年1月1日—5月23日水位平稳变化，5月23日11:14水位快速下降，6月4日断流，至7月19日12:50水位下降1.734 m，之后水位转折上升，至7月24日20:40上升幅度0.975 m，随后水位快速下降，7月27日12:35下降0.773 m，后水位缓慢上升变化，直至9月10日18:09发生河北唐山M_S 4.2地震，水位变化曲线见图 3(c)。昌黎井水位出现异常变化后，中国地震局流体学科组会同河北省地震局分析预报中心流体组及秦皇岛中心台相关工作人员，于2016年6月6日进行现场核实，通过水位校测、观测仪器检查、周边环境调查，分析认为，该井水位大幅度下降与附近温泉馆抽水密切相关。但是2016年7月昌黎井水位出现0.975 m的上升变化无法用温泉馆抽水来解释，笔者认为，该井水位异常变化有地下热水开采的影响，但也不排除其中构造活动的贡献，而且在1995年10月6日唐山古冶5.0级地震前，昌黎井也出现过类似水位先降后升的短临异常变化（陆明勇等，2005），因此暂把昌黎井水位异常作为置信度较低的地震前兆异常进行分析。

1.4 玉田井水位异常

玉田井位于河北省玉田县，井孔处于地质构造林南仓向斜南翼，井深456.4 m，顶板埋深300 m，过水段长度110 m，含水层岩性为奥陶系灰岩，地下水类型为岩溶裂隙承压水。

玉田井距离此次唐山地震震中53 km，震前于2016年1月1日—4月22日该井水位呈缓慢上升变化，4月22日06:31改变原有变化趋势，快速下降，至7月19日12:50，水位下降3.420 m，后水位转折上升，至7月28日15:59上升幅度1.040 m，之后水位平稳变化，直至9月10日18:09发生河北唐山M_S 4.2地震，水位变化曲线见图 3(d)。张子广等（2000）研究认为，玉田井水位年变动态受降雨控制，水位峰值在9—11月，谷值在6月，当水位长趋势变化与降雨不匹配，1年尺度的年变规律发生变异时，其水位动态具有前兆意义。从图 3(d)可见，2016年玉田井水位峰值出现在2—3月，谷值推迟1个月，出现在7月，由此可见，2016年玉田井水位年变规律发生变异，水位动态具有明显的地震前兆意义。

2 震前异常特征分析 2.1 异常特征

由以上分析可知，2016年9月10日唐山M_S 4.2地震前，河北省地下流体观测井网4口观测井水位发生异常变化，形态特征统计结果列于表 1，各井孔水位前兆异常随时间演化的过程见图 4。从表 1和图 4可知，此次地震4口观测井井孔水位变化形态表现为：①骤变型，黄骅井与河间井水位异常变化形态均表现为阶变上升趋势，且异常变化时间段基本一致；②缓变型，昌黎井和玉田井水位异常变化形态均为加速下降—转折上升，且转折点均发生在2016年7月19日。

进一步分析发现，水位骤变型异常的观测井震中距均比较远，水位缓变型异常的观测井震中距都比较近（表 1）。由表 1和图 4可见：各异常井按井震距从近到远排列，玉田井＜昌黎井＜黄骅井＜河间井；按异常最大幅度从大到小排列，玉田井＞黄骅井＞昌黎井＞河间井；按水位异常开始时间从早到晚排列，玉田井＞昌黎井＞黄骅井＞河间井；按异常结束至发震时间长短排列，昌黎井＞玉田井＞黄骅井＞河间井，由此可知河北省地下流体观测井水位异常变化具有以下规律：①观测井距离震中越近，水位异常出现越早，异常持续时间越长，异常结束时间一般也较早（昌黎井和玉田井例外）。昌黎井和玉田井距离震中最近，水位异常结束时间最早，只是玉田井比昌黎井距离震中更近，其水位异常结束时间比昌黎井晚1天；黄骅井与河间井距离震中较远，其水位异常出现时，昌黎井和玉田井水位异常已经结束，可见临近地震震中时，距离震中较近的观测井水位异常结束，而距离震中较远的观测井开始出现异常，即观测井水位异常有从震中向外围扩散的趋势。黄辅琼等（2002）研究张北地震地下流体异常特征时也发现，出现短临异常的台站距离震中均较远；李富等（2003）研究认为，吉林汪清7.2级深震前短期异常阶段，岩石处于失稳、临失稳状态，水位异常由震中向外围发散；②观测井水位异常最大幅度与井震距关系不大，如：黄骅井与昌黎井水位对比发现，黄骅井的井震距较大，水位异常最大幅度也较大，而不是井震距更近的昌黎井水位异常振幅更大，可能与观测井含水层地质构造、井孔结构等自身条件有关，具体原因有待进一步研究。

平建军等（2003）对中国华北地区地下流体水位短期前兆特征进行分析，并总结短期流体前兆的转折型和单一型异常特征，认为：单一型短期前兆异常是在测值相对稳定的背景上，在震前短期阶段出现上升或下降的变化，变化过程比较清晰，持续时间相对较短；转折型短期前兆异常是在地震孕育由中期阶段进入短期阶段后，在中期前兆背景上出现较明显的短期前兆变化，出现时间一般为震前3个月左右。黄骅井与河间井水位在唐山M_S 4.2地震前出现的异常变化应属于单一型短期前兆异常，而昌黎井和玉田井水位异常变化则属于转折型短期前兆异常。张淑亮等（1994）研究认为，在较多大地震前能观测到水位多次阶变序列异常，黄骅井与河间井水位震前异常特征恰好印证此观点。

2.2 异常机制

关于震前水位异常变化机理，不同学者提出不同理论观点和模式，其中与孕震体有关的有扩容模式、裂隙串通模式、中地壳硬夹层孕震与流体促震模式等，与大范围应力场效应有关的有红肿观点、多应力集中点不均匀模式、块动观点、扩散—收缩模式等（车用太，1990）。扩容模式是美国学者努尔、惠特科姆及肖尔茨等基于实验观察结果提出的，将地震孕育过程分为5个阶段：①旧裂隙闭合，新裂隙未形成；②岩石应力达到破裂极限应力的1/2—2/3时，出现扩容现象；③邻近区域流体进入扩容区，导致岩石破裂强度降低；④应力达到岩石的剪切破裂强度时，便发生整个岩体的大破裂；⑤主震发生后，应力突然降低，应力重新调整，发生余震活动。裂隙串通模式是前苏联学者米雅契金根据大量地震资料和模型试验提出来的，该模式对地震孕育过程做了定性说明，把地震孕育过程分为4个阶段：①震源区受力之初，局部裂隙缓慢地变化并生成少量微裂隙，前兆不明显；②构造应力继续增加，岩体的裂隙数量和规模显著增加，变形加速；③构造应力进一步增加，某些软弱带的裂隙数量和规模急剧增大，并且雪崩式地串通成大的裂隙带，此时主裂隙带两侧岩体中的裂隙不再发展；④当构造应力的作用还在继续增大时，大裂隙发展成主断层，并因主断层的错动而发生地震。

昌黎井和玉田井距离震中较近，其水位短临异常变化机理可用扩容模式和裂隙串通模式结合起来进行解释，地壳中的岩石层分为脆性岩石层和塑性岩石层，在应力作用下，脆性岩石层发生弹性形变，塑性岩石层发生塑性形变，当脆性岩石层发生弹性形变时，在脆性岩石层中形成许多新的微小裂隙，这就是“扩容”，在地震孕育的中短期阶段，随着应力的增大，部分脆性岩石层中的扩容继续进行，微小裂隙进一步扩大成为裂缝，也有部分脆性岩石层中的新旧裂隙或裂缝互相贯通，这时原来旧裂隙、裂缝中的地下水立即进入新形成的裂隙、裂缝，孕震区的地下水水位有可能下降；地下岩石的力学性质并不是非常均匀的，随着应力的不断增大，某些局部地段长度、宽度比较大的裂缝承受不了地应力作用，发生局部破裂，即发生预滑，裂缝中的地下水被挤压出来，造成震中区域的地下水位上升。

多点应力集中观点认为：地震的孕育与发生是区域应力作用的结果，由于地壳被断裂切割成不连续介质，当区域边界上有外力作用时，如板块挤压或地幔物质上涌，必然同步出现多个应力集中点，其介质的构造条件、几何形态与力学性质不尽相同，应力集中程度、应变水平及其演化进程也多种多样。有的积累了应变，逐渐发展成震源；有的以应力、应变的形式表现出来，被地震前兆观测仪器记录到就成了异常。付虹等（2003）将地震前兆异常和地震形象地比喻成伴生的兄弟关系。黄骅井与河间井距震中较远，其水位异常变化是区域应力场增强的结果，不是震源应力集中引起的。黄骅井处于羊二庄断裂带，其含水层连通的地下含水体裂隙大且发育，水循环深、径流长；河间井处于多条活动断裂相交或汇聚的区域，又是高温自流井。在地震孕育过程中，孕震岩体应力、应变的微小变化可通过断裂带传播到观测井含水层，引起含水层岩体孔隙度改变，因黄骅井与河间井的井孔—含水层系统导水性能良好，含水层岩体孔隙度改变导致井筒与含水层之间水量交换，引起井孔水位升降变化，观测井含水层岩体相当于1台拾震器，而井筒及所含水柱则相当于1台地震记录仪，因2口井的观测层位承压性好，水位观测灵敏度高，对地壳岩体的微小应变产生放大作用，导致井水位在地震前出现大幅度阶变。

3 结论

通过分析2016年9月10日唐山M_S 4.2地震前河北省数字水位短临异常变化特征，得出以下结论：①河北省地下流体观测井网的黄骅井、河间井、昌黎井、玉田井水位出现地震前兆异常，说明4口井水位映震能力较好，应注意震情跟踪；②震中区域的观测井水位异常变化形态一般为缓变型，水位异常变化机理可用扩容模式和裂隙串通模式结合起来进行解释。震中外围的观测井水位异常变化形态一般为骤变型，水位异常变化机理可用多点应力集中观点来解释；③距离震中越近的观测井，水位异常出现越早，异常持续时间越长；④临近地震震中时，观测井水位异常有从震中向外围扩散的趋势，即震中区域比震中外围的观测井水位异常结束时间早；⑤观测井水位异常最大幅度与井震距关系不大。

由于2016年9月10日唐山M_S 4.2地震震级较小，观测的水位异常数量少，以上分析结果可能存在一定局限性，尚待更多震例检验。