中国地震局对前兆台网观测数据跟踪分析工作高度重视，于2013年12月下发了《关于全面开展地震前兆台网数据跟踪分析工作的通知》(中震函〔2013〕311号)，要求全国地震前兆台网开展数据跟踪分析工作，以推进地震前兆台网日常工作重心从观测为主向观测、应用并重转变(中国地震局，2013)。李正媛等(2016)论述了中国地震前兆台网观测数据跟踪分析工作应用数据挖掘、大数据分析等信息技术，探索创建由数据分析模型、软件硬件设备、数据库、网络通讯等构成的数据挖掘处理系统，对海量前兆观测数据进行挖掘处理，以获得地震前兆观测事件记录信息，推进智能化地震前兆监测，提升数字化地震台网信息处理能力；王莉森等(2017)以数据跟踪分析产品信息为数据源，对河北电磁台网各类环境干扰因素进行了归纳分析，为准确判断地震前兆异常变化提供了有效实例支持和技术参考；池国民等(2017)从台站数据跟踪分析工作实际出发，叙述数据跟踪分析平台软件的安装与使用，探讨数据跟踪分析工作中出现的问题及解决方法；严兴等(2015)从数据跟踪分析工作的推进、存在问题及解决方法、事件分析归类汇总产出、典型事件的分析等方面介绍了广东前兆台网数据跟踪分析工作。石家庄地球物理站网从2014年开始开展数据跟踪分析工作，至2018年共产出不明原因数据异常事件84条。为了进一步确定数据异常变化原因，挖掘其中蕴含的地震地球物理异常信息，本文系统收集整理这些不明原因数据异常事件，并结合河北4.0级以上地震，对其进行总结回顾再分析，以期为地震预测研究提供有益的参考。

石家庄地球物理站网隶属于河北省地震局石家庄地震监测中心站，下辖10个观测站，测项涵盖流体、地电、地磁等3个学科，台站分布较分散，横跨石家庄、衡水、沧州等3个地区。观测站主要位于地震构造带附近，其中，河间冀17井位于南马庄断裂带，沧县冀18井位于沧东断裂，黄骅冀19井位于羊二庄断裂带，无极冀20井位于衡水断裂，深州冀23井位于石家庄—衡水断裂带，石家庄小马村井位于太行山前断裂，兴济地震台位于沧东断裂中段，台站空间分布情况见图 1。

图 1(Fig.1)

图 1 石家庄地球物理站网地震台站分布 Fig.1 Spatial distribution map of geophysical stations in Shijiazhuang

按照数据异常持续时间的不同，不明原因数据异常事件分为中短期、长期不明原因数据异常事件，数据异常持续时间≤3个月的称为中短期不明原因数据异常事件，数据异常持续时间＞3个月的称为长期不明原因数据异常事件。2014—2018年，石家庄地球物理站网沧县兴济地震台、河间冀17井观测站、黄骅冀19井观测站、石家庄小马村观测站等4个台站记录到不明原因数据异常事件84条，均为中短期不明原因数据异常事件，具体情况见表 1。其间，河北共发生4.0级及以上地震6次(据中国地震台网测定)，分别为2014年9月6日涿鹿M_S 4.8、2014年10月14日滦县M_S 4.0、2015年9月14日昌黎M_S 4.3、2016年6月23日尚义M_S 4.0、2016年9月10日唐山M_S 4.2、2018年2月12日永清M_S 4.3地震，其中，3次地震(2014年9月6日涿鹿M_S 4.8、2015年9月14日昌黎M_S 4.3、2016年9月10日唐山M_S 4.2地震)前石家庄地球物理站网观测数据出现明显异常变化，台站、震中分布情况见图 2。

表 1(Table 1

表 1 石家庄地球物理站网不明原因数据异常事件Table 1 Statistics of unexplained data anomalies in Shijiazhuang geophysical station network 台站 测项 不明原因数据异常事件数 兴济地震台 地电阻率 1 河间冀17井观测站 数字水位 14 模拟水位 11 黄骅冀19井观测站 水位 28 水温 29 石家庄小马村观测站 水位 1

表 1 石家庄地球物理站网不明原因数据异常事件 Table 1 Statistics of unexplained data anomalies in Shijiazhuang geophysical station network

图 2(Fig.2)

图 2 石家庄地球物理站网台站及震中分布 Fig.2 Distribution of epicenters and stations of Shijiazhuang geophysical network

2014年9月6日河北逐鹿发生M_S 4.8地震，震前3个月内，石家庄地球物理站网4个台站共记录到不明原因数据异常事件9条，分别是兴济地震台地电阻率1条，小马村观测站井水位1条，黄骅冀19井观测站井水位3条、水温3条，河间冀17井水位1条。

兴济地震台地处华北沉降带内的沧县隆起上，沧东断裂带的西侧，台址第四系厚148 m，第三系厚960 m。1976年唐山地震时，该区域喷沙冒水，宏观异常明显，表明该区是构造活动敏感地区。2014年8月8日该台地电阻率N30°E测道Vsp数据上升阶变，幅度约12.1 mV，之后数据在高值平稳变化，发震后数据逐渐恢复至上升前水平。数据出现异常变化后台站人员及时巡视外线路、布极区电极、测区环境，检查室内观测系统，结果无明显异常。当日及前1日天气均为晴，温度20—31℃，风力小于3级，排除了自然环境干扰。

小马村观测站位于华北平原断块凹陷与晋冀断块隆起的结合部东侧，次级构造为石家庄凹陷西南断块边缘，无极—藁城潜山带上，西距太行山山前断裂带12.5 km，观测井深3 221.9 m，观测层深2 959 m，含水层岩性为二叠系砂岩，地下水类型为裂隙承压水，含水层压力大。该井是自流井，动水位日变化量较小，呈小幅震荡变化状态。2014年8月13—15日小马村观测站井水位大幅下降，变化幅度为0.029 4 m，之后水位平稳变化，直至发震。

黄骅冀19井观测站地处华北沉降带埕宁隆起东北部边缘埕西潜山构造带，距渤海约30 km，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，切割深度大，从沙垒田凸起西侧向NE方向延伸，穿过秦皇岛地区与辽河中央凸起西侧的台安—大洼断裂相连(郯庐断裂带北段)，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。钻孔资料表明，该井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、地质不整合面构成流体活动通道，这决定了该井水位的动态灵敏性。该井含水层岩性为奥陶系灰岩，地下水类型为裂隙承压水，水位总体呈趋势性下降变化。井顶板埋深较大，受大气降雨渗入影响较小。盛艳蕊等(2010)研究认为，黄骅冀19井观测站的水温变化是由水位变化衍生的，因此，对于黄骅冀19井观测站，当水位、水温同时发生显著变化时，仅分析其水位的变化。

2014年6月14日、7月14日、7月31日黄骅冀19观测站井水位出现3次大幅上升阶变，变化幅度分别为0.871 m、0.518 m、1.123 m，之后水位趋势性下降，水位下降过程中于9月6日发生逐鹿M_S 4.8地震。

河间冀17井位于冀中坳陷东部，南马庄断裂带河东古潜山凸起部位，地处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4级构造单元相交的部位，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。井深2 694.25 m，观测层深度2 571.63 m，为震旦亚界雾迷山组灰岩岩溶裂隙承压水。该井为高温自流井，气压效应和固体潮效应明显，有年变，日变化量较小，呈小幅震荡形态。河间冀17井的数字、模拟水位数据是使用不同采样率得到的同一口井水位数据，仅分析其数字水位。2014年1月1日至6月17日河间冀17井水位呈趋势性下降变化，6月18日水位出现快速上升阶变，上升幅度为0.031 m，之后水位快速下降，在水位下降过程中，同年9月6日逐鹿发生M_S 4.8地震。不明原因数据异常变化见图 3。

图 3(Fig.3)

图 3 2014年涿鹿MS 4.8地震前不明原因数据异常变化 (a)沧县兴济地震台；(b)黄骅冀19井观测站；(c)石家庄小马村观测站；(d)河间冀17井观测站 Fig.3 Abnormal change curves of unexplained data before the MS 4.8 earthquake in Zhuolu, Hebei

车用太等(2011)提出地下水地球物理异常确认的4个判据：①必须确认不是干扰变化；②要有震例的支持；③有其他测项或其它学科的异常相匹配；④有一定的前兆理论或模式的支持。在实践中，满足上述4个判据中的第1条及其他1条以上的判据，即可判定为地球物理异常。

依据上述原则，对震前不明原因数据异常事件进行分析：3个台站观测数据出现异常变化后，石家庄地球物理站网工作人员均及时进行了现场异常核实，确认不是干扰异常；2005年河北文安5.1级、2012年辽宁营口4.3级地震前都曾记录到黄骅冀19井观测站井水位显著地球物理异常(呼晶磊等，2008；张素欣等，2013)；2014年9月6日涿鹿M_S 4.8地震前，石家庄地球物理站网2个学科3个台站的3个测项观测数据都出现了显著异常变化，异常变化形态相似，异常出现时间与地震发生间有较好的对应关系；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时，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、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(张素欣等，2013)，因此，不同台站的地球物理测项在震前出现异常的时间和形态特征也有所不同。李钦祖等(1982)通过研究震前地下水动态异常展布范围认为，大多数地震前，地下水异常很可能是与震源相关联的区域应力场活动的反映。黄骅冀19井观测站所观测的含水层连通的地下含水体裂隙大且十分发育，水循环深，径流长，特殊的地质构造和含水体结构表明黄骅冀19井观测站所观测含水层可能易于接受华北地区应力场变化的影响(车用太等，1989)。黄骅冀19井观测站含水层岩石为灰岩，质地较松软，尤其是在较高的温度和较低的有效围压环境条件之下，更易处于受力破裂或变形的状态(车用太，1990)。当地壳应力状态发生改变时，岩体裂隙度就有可能发生变化，从而导致含水层应力变化，进而引起井孔水位出现异常变化。

综合分析认为，2014年9月6日逐鹿M_S 4.8地震前，石家庄地球物理站网黄骅冀19井观测站的6条不明原因数据异常事件、河间冀17井观测站的1条不明原因数据异常事件可判定为地球物理异常；兴济地震台自然电位差和小马村观测站井水位没有震例，也没有一定的前兆理论或模式的支持，因此，这2个台站的观测数据异常变化可暂定为置信度较低的地球物理异常。

2015年9月14日，昌黎发生M_S 4.3地震。在地震前，黄骅冀19井观测站记录到16条不明原因数据异常事件，分别是水位8条、水温8条。2015年3月1日至6月28日黄骅冀19井观测站水位出现4次大幅上升阶变、4次下降变化，最大变化幅度为4.356 m，之后水位趋势性下降，下降过程中9月14日河北昌黎发生M_S 4.3地震(图 4)。

图 4(Fig.4)

图 4 2015年昌黎MS 4.3地震前黄骅冀19井观测站不明原因数据异常 Fig.4 Abnormal change curve of unexplained data before the MS 4.3 earthquake in Changli, Hebei

研究发现，河北河间冀17井、衡水井水位同期也出现了显著变化。2015年1—7月河间冀17井水位呈平稳下降变化，2015年7月27日9时水位快速上升，至2015年8月3日21时水位上升幅度为0.04 m，之后，水位急剧下降，至2015年8月7日2时水位恢复常态，呈缓慢上升变化，在整个过程中，河间冀17井水位呈现倒“V”字形变化；在河间冀17井水位出异常变化的同时，黄骅冀19井观测站水位也出现了较大的波动，至2015年9月14日昌黎发生M_S 4.3地震(图 5)。衡水井水位2015年1—6月呈趋势性下降变化，2015年6月28日19时水位快速上升变化，至2015年7月1日6时水位上升幅度为0.012 m，随后，快速下降至2015年7月2日11时水位，恢复到正常水平。在整个变化过程中，衡水井水位在趋势性下降背景下呈倒“V”字形变化，衡水井水位出现异常变化的同时，黄骅冀19井观测站水位出现了幅度为2.160 m的上升阶变。之后，衡水井水位改变原来的下降形态，呈缓慢上升变化并多次出现阶变异常，2015年8月4日15—20时水位上升阶变0.015 m，至同年9月14日昌黎发生M_S 4.3地震(图 5)。对比分析黄骅冀19井观测站、河间冀17井、衡水井井水位的变化动态发现，在震前同一时间段内3口井水位都出现了异常变化，且3口井水位的异常变化形态相似。

图 5(Fig.5)

图 5 2015年河间井(a)、黄骅井(b)、衡水井(c)水位 Fig.5 Curves of water level data for Hejian Well, Huanghua Well, and Hengshui Well in 2015

2015年3月1日黄骅冀19井观测站水位出现4.356 m的上升阶变后，专家进行了现场核实，通过校测水位、检查观测系统工作状态、水质分析及调查周边地表水环境、石油井开采注水等，排除了干扰，结合该井以往震例资料，分析认为黄骅冀19井观测站水位大幅度上升阶变为构造活动引起^①。

① 丁志华，张子广，盛艳蕊，等.异常核实——2015年3月7日河北黄骅井水位，2015.

黄骅冀19井观测站1971年成井时自流，出水量375 m³/h。经多年泄流后，至2001年断流前的泄流量仍达到170 m³/h，如此大的泄流量说明该井含水层与井筒间的导水性能良好，多次震例(于书泉等，1991；呼晶磊等，2008；张素欣等，2013)表明，黄骅冀19井观测站是反映含水层应力应变的灵敏点。该站所处的羊二庄断裂带向NE方向延伸穿过秦皇岛地区，很可能与震区所在的滦县—乐亭断裂或宁河—昌黎断裂进行了交汇，因此，昌黎地震的孕震体可通过滦县—乐亭断裂带、宁河—昌黎断裂带、羊二庄断裂带与黄骅冀19井观测站的含水层岩体建立联系。在地震孕育过程中，孕震岩体应力应变的微小变化可通过这些断裂带传播到黄骅冀19井观测站含水层，引起含水层岩体孔隙度改变，进而导致井筒与含水层之间水量交换。因黄骅冀19井观测站井孔—含水层系统导水性能良好，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可产生放大作用，所以该井水位在地震前出现大幅度阶变。

经上述分析认为，在2015年9月14日昌黎M_S 4.3地震前，黄骅冀19井观测站记录的16条不明原因事件及河间冀17井与衡水井水位数据异常变化可判定为地球物理异常。

2016年9月10日唐山市开平区发生M_S 4.2地震，震前石家庄地球物理站网记录到不明原因事件8条，其中，河间冀17井观测站数字水位2条、模拟水位2条，黄骅冀19井观测站水位2条、水温2条。2016年8月23日河间冀17井观测站水位出现上升阶变，阶变幅度为0.026 m，之后水位在高值平稳变化，8月30日水位再次出现大幅度上升阶变，阶变幅度为0.058 m，之后水位快速下降，至9月5日后水位平稳变化，直至9月10日唐山发生M_S 4.2地震；2016年8月10、25日黄骅冀19井观测站水位出现2次大幅度阶跃上升变化，最大上升幅度为0.930 m，之后水位平稳变化，至9月3日水位阶跃下降变化，此后水位持续振荡变化，至9月10日唐山发生M_S 4.2地震。震前水位异常变化见图 6。

图 6(Fig.6)

图 6 唐山MS 4.2地震前水位不明原因数据异常事件 (a)河间冀17井观测站；(b)黄骅冀19井观测站 Fig.6 The unexplained abnormal records before the MS 4.2 earthquake in Tangshan, Hebei

黄骅冀19井观测站水位映震能力较强，这在前文已有详细论述，在此不作过多分析。河间冀17井观测站地处大城断裂、南马庄断裂、河间东断裂等多条活动断裂相交或汇聚的区域，该区域是区域应力场活动有利于应力集中的部位。河间冀17井是高温自流井，动水位井实质上观测的是流量，其测值的变化不仅能反映含水层孔隙压力的变化，还能反映含水层介质渗透性能与导水性能的变化。另外，动水位井水体处于流动状态，更易带来深部应力—应变变化的信息(万迪堃等，1990)。1981年7月至1988年12月华北平原地震带共发生5.0级以上地震7次，每次地震前该井水位都有明显异常，其映震率100%(姜涛等，1991；陆明勇等，2005)。

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，因黄骅冀19井观测站与河间冀17井观测站的井孔—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，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。综合分析认为，2016年9月10日唐山M_S 4.2地震前，河间冀17井观测站、黄骅冀19井观测站记录到的8条不明原因事件可判定为地球物理异常。

对石家庄地球物理站网其他54条不明原因数据异常事件进行了汇总分析，认为其未对应地震，判断为非地球物理异常，具体情况见表 2。

表 2(Table 2

表 2 石家庄地球物理站网非地球物理异常事件Table 2 Statistics of non-geophysical anomaly events in Shijiazhuang geophysical station network 日期 台站名称 测项 不明原因事件数 再分析结果 2014-06-14 黄骅冀19井观测站 水温 1 非地球物理异常 2015-12-28 河间冀17井观测站 数字水位 1 模拟水位 1 2015-02-07 黄骅冀19井观测站 水位 1 水温 1 2016-01-18—04-18 河间冀17井观测站 数字水位 3 2016-01-18—03-16 河间冀17井观测站 模拟水位 2 2016-02-11—05-19 黄骅冀19井观测站 水位 6 水温 6 2016-09-17—12-17 黄骅冀19井观测站 水位 5 水温 5 2017-04-21 黄骅冀19井观测站 水位 1 水温 1 2018-03-08—10-25 河间冀17井观测站 数字水位 8 模拟水位 6 2018-04-28—06-01 黄骅冀19井观测站 水位 3 水温 3

表 2 石家庄地球物理站网非地球物理异常事件 Table 2 Statistics of non-geophysical anomaly events in Shijiazhuang geophysical station network

对2014—2018年河北地球物理站网覆盖范围内3级以上地震进行统计(表 3)，对其M—t图与石家庄地球物理站网同期出现的不明原因数据异常事件月频次进行对比(图 7)。由图 7可见，2014—2018年出现了3组地震，第1组是2014年9—10月，发生2次地震；第2组是2015年6—11月，发生6次地震；第3组是2016年6月至2017年1月发生5次地震，其他时间地震分布较分散，以上3组地震前总有成丛的不明原因数据异常事件出现，而且持续时间连续4个月或以上，因此，不排除这些不明原因数据异常事件是地球物理异常的可能性，异常不是对应某一个地震，而是对应某一组地震。

表 3(Table 3

表 3 2014—2018年河北地球物理站网覆盖范围内3级以上地震Table 3 Statistical table of earthquakes with MS≥3 in Hebei geophysical station network from 2014 to 2018 发震日期 发震时刻 φN/(º) λE/(º) 震源深度/km 震级标度 震级 发震地点 2014-09-06 18:37:41 40.278 115.428 20 MS 4.8 河北涿鹿 2014-10-14 17:27:29 39.746 118.710 9 MS 4.0 河北滦县 2015-06-12 14:40:34 41.150 114.450 10 MS 3.1 河北张北 2015-07-05 06:06:20 40.284 115.421 18 MS 3.8 河北涿鹿 2015-09-14 18:10:10 39.750 118.800 9 MS 4.3 河北昌黎 2015-09-14 18:23:41 39.728 118.792 5 MS 3.7 河北昌黎 2015-11-15 23:21:05 39.800 118.600 10 MS 3.0 河北唐山 2015-11-28 02:10:38 39.324 117.912 15 MS 3.9 河北丰南 2016-03-18 22:21:30 40.920 115.140 10 MS 3.1 河北崇礼 2016-06-23 08:37:34 40.960 114.200 14 MS 4.0 河北尚义 2016-08-21 17:15:34 39.680 118.320 7 MS 3.1 河北唐山 2016-08-22 04:07:29 39.690 118.340 8 MS 3.2 河北唐山 2016-08-27 15:50:36 39.696 118.349 6 MS 3.7 河北唐山 2016-09-10 18:09:37 39.700 118.330 10 MS 4.2 河北唐山 2017-01-02 10:10:09 40.751 114.158 15 MS 3.9 河北怀安 2017-01-03 19:41:11 37.370 114.90 13 MS 3.1 河北隆尧 2017-09-04 03:05:02 37.510 114.370 8 MS 3.7 河北临城 2018-02-12 18:31:37 39.370 116.670 20 MS 4.3 河北永清 2018-08-05 16:21:54 39.780 118.450 7 MS 3.3 河北唐山 2018-10-30 13:08:57 37.230 114.650 17 MS 3.0 河北隆尧

表 3 2014—2018年河北地球物理站网覆盖范围内3级以上地震 Table 3 Statistical table of earthquakes with MS≥3 in Hebei geophysical station network from 2014 to 2018

图 7(Fig.7)

图 7 2014—2018年不明原因数据异常事件月频次与3级以上地震 Fig.7 Comparison of unknown signal frequency of one month and MS≥3 earthquakes in Shijiazhuang geophysical station network

2014—2018年石家庄地球物理站网记录的不明原因数据异常事件主要集中于流体学科的水位、水温测项，黄骅冀19井观测站、河间冀17井观测站记录最多。分析认为，这2口井是映震灵敏点，2014年9月6日逐鹿M_S 4.8地震前黄骅冀19井观测站记录的4条不明原因数据异常事件可判定为地球物理异常，兴济地震台和小马村井记录的2条不明原因数据异常事件可判定为置信度较低的地球物理异常；2015年9月14日昌黎M_S 4.3地震前黄骅冀19井观测站记录的16条不明原因数据异常事件可判定为地球物理异常；2016年9月10日唐山市M_S 4.2地震前河间冀17井观测站、黄骅冀19井观测站记录的8条不明原因数据异常事件可判定为地球物理异常。其他不明原因事件未对应地震，可判定为非地球物理异常。

马瑾等(1995)研究认为，地震前是否会出现异常归根结底是一个力学问题，一个观测点出现异常是由于外界力学条件变化在该点引起的力学扰动造成的，这些力学扰动在一些地点可能引起力学失稳而发生地震，当异常出现在地震前则被称为“前兆”。外界力学条件变化由2种因素引起：其一是外部驱动力的变化，其二是区域内其他构造部位变形力学状态发生变化。1个观测点或1个区域是否出现地震前兆必须具备2个条件，即构造不均匀性和具有强烈响应的观测点。由前文所述可知，黄骅冀19井观测站、河间冀17井观测站所处区域地质构造具有不均匀性，而多次震例也表明，这2口井对外界力学条件变化的响应非常灵敏，其水位异常变化形态有1个共同点，即水位出现大幅上升阶变，或成组阶变，之后水位趋势性下降，地震在水位下降过程中发生。

在今后震情跟踪分析工作中，当观测数据出现异常变化后，要进行持续跟踪，尤其是多台多测项同时出现异常变化时，更要密切关注，并结合以往震例，对数据变化原因作出更为准确的判断。