云南宁洱井低水位异常分析及地震预测

李利波 李琼 胡小静 高文斐 张立 张彬

1）云南省地震局，云南省昆明市盘龙区北辰大道148号 650224

2）宁洱县地震局，云南普洱 665100

0 引言

地下流体是地壳中最活跃的组分，在地震孕育过程中，地下水位对地壳应力-应变状态的变化反应灵敏（万迪坤等，1993；刘耀伟等，2010）。1966～2006年出版的《中国震例》中，显示水位前兆异常的震例共100个，占统计震例的41.7%。100个震例中，共有283项水位异常，平均每个震例有2.83项异常。云南地区有许多个地下流体观测井，其水位前兆异常对周边地区有很好的指示意义（万登堡等，1995；张立等，2009；邹平等，2009；张体移等，2012；孙小龙等，2013；付虹等，2014），为该区域的地震预测研究提供了很好的条件。

宁洱井的水位自2014年10月25日开始下降，至2015年7月5日下降幅度达39.2cm，低于正常水位谷值8.335m，处于异常低值状态，该异常变化与2012年11月11日缅甸7.0级地震和2014年10月6日景谷6.6级地震前的异常现象类似（图1）。这一现象是因干旱引起，还是因区域应力-应变状态发生改变，由构造活动而引起的？通过现场排查观测系统和周围环境干扰，根据车用太等（2011）提出的地下水异常识别的相关性原则、分析水位观测数据的质量、水位与降雨量的关系以及区域构造活动特征等多种因素，进而探讨造成宁洱井水位异常持续低值的原因。

1 宁洱井概况

图1 宁洱井2010年以来水位动态曲线

宁洱水位井（滇 08井）位于宁洱县城西门巷（23°03′53.4″N，101°02′38.8″E），孔口标高1320m，井深120.23m，观测段深度为76.32～120.23m。该井为静水位，水位埋深2.5～5.0m，井水平均温度19.4～22.1℃，为基岩裂隙承压水，水质类型为HCO－3-Ca2＋，地下水补给主要是大气降水渗入（云南省地震局，2005）。地表为第四系（Q）松散碎屑物、风化状玄武岩，基底岩层为白垩系曼岗组（K1m）岩层，井孔观测段为紫红色、紫灰色、灰绿色泥岩，夹粉砂岩（图 2）。

在区域构造上，宁洱地区位于澜沧江断裂带（F2）与红河断裂带（F3）之间，受无量山-营盘山断裂（F1）和孟连-墨江断裂（F4）等活动断裂控制和影响，历史地震活动比较强烈。宁洱井位于无量山-营盘山断裂附近，该断裂NW-SE走向，被NE向孟连-墨江断裂及次级小断裂切割、错动，构造复杂，活动强烈（云南省地震局，2005；谢英情等，2007；张勇等，2008），最近一次中强震活动是2007年6月3日宁洱6.4级地震。

2 异常调查分析

2.1 观测系统和周围环境调查

笔者曾于2015年6月4～5日在现场对宁洱井观测系统的工作状态、井口装置及辅助设备等进行了全面检查（图3）。水位观测仪器为SW40-1型，滚筒式记录，滚筒使用两节5号干电池供电，一般能用1年，最近1次更换时间在2014年12月20日，这段时期供电正常。水位数据从模拟记录曲线上读取，并记入观测记录，此间观测工作正常。检查井口装置及其辅助设备时，发现增加了些小挂件，监测人员讲是为了平衡水面浮标的重量，这可能会使观测数据有一定误差。

对宁洱井周围环境进行调查时发现，可能有影响的干扰是观测站旁的民用水井及民房施工、西洱河、西门龙潭、西洱水库和东洱水库，以及若干鱼塘等（图4）。据监测人员介绍，2015年1～5月间，该井水位与2014年同期相比，无明显变化，表明对此井的水位影响较小。由于此段时期处于旱季，降雨量少，西洱水库和东洱水库一直在蓄水，水库管理人员介绍，库水位与2014年同期相比，无明显变化。

2.2 水位观测数据的质量核查

现场对宁洱井的水位观测进行校测时发现，实测数据与监测数据相差较大，达3.78m，推测可能是浮标有问题。第 2天（6月 5日），从井孔中取出浮标，再次对水位进行校测（表1）。监测人员介绍，2007年6月3日宁洱地震时，水位观测数据波动过大，记录不完整，在震后对水位进行过校测，之后未校测。

图2 宁洱井钻孔柱状图及附近地区地质构造简图

宁洱井水位观测是滚筒式记录，米格纸打印观测数据到记录本上。对数据进行拉框归零处理（图5），与2007年前的监测数据相比，正常观测年变幅约为28cm，相对而言其水位变化是可靠的。

图3 宁洱井水位观测系统

图4 宁洱井周围河流和水库位置

表1 宁洱井水位数据校测结果

图5 宁洱井水位拉框归零处理后的动态曲线

2.3 水位与降雨量的相关性分析

分析2008年以来宁洱井水位和降雨量的关系（图6），其正常动态为周期性年变，受降雨影响。一般是雨季6～10月水位上升；旱季11月～次年5月水位下降。对比2000年以来宁洱地区1～5月的降雨量（图7），2015年1～5月降雨量为 306.3mm，与往年平均降雨量（298.8mm）相近，属于正常年份。这表明2015年水位持续下降与降雨量关系不大。

图6 宁洱井水位与降雨量

图7 宁洱地区2000年以来历年1～5月的降雨量

对宁洱井2008年以来雨季降雨量与水位年变化间的关系作一元回归分析（图8），得到宁洱井的年降雨量与水位年变化的相关系数R，R2＝0.4383。反映了其水位的年变化受雨季降雨量影响正常。

图8 宁洱井的雨季降雨量与水位的年变化

表2 含水层受力状态的变化机理

2.3 异常性质判定和原因分析

根据Scholz等（1965）的岩石体积膨胀与流体扩散（DD）模式认为，一般当含水层受力状态改变时，井水位会发生变化。受压力作用时，因孔隙压力增加，井水位上升；在张力作用下，孔隙压力减小，井水位下降（表2）。

笔者对宁洱井附近的民用水井、民房施工场地、西洱河、西门龙潭、西洱河水库和东洱河水库等进行了现场调查，发现民用水井和西门龙潭抽水时，宁洱井水位会下降；停止抽水后，水位恢复。因加压水泵工作、民房施工、西洱河水库和东洱河水库蓄水等，水位可能上升；水库放水时，水位恢复。但该段时期，宁洱井的水位持续下降，变化很小（日变化≤0.3cm）（图9），表明周围环境对该井水位的影响较小。

当前宁洱井的水位从 2015年 7月 5日开始由降转升，至 10月 24日上升幅度为16.2cm，为正常年变幅度（28cm）的57.8%，呈破年变现象。从宁洱附近地区近期的GPS高程时间序列曲线（图10）来看，景东-思茅和景东-墨江的高程差与宁洱井的水位均有明显同步异常，即2015年7月以来表现出下降-恢复的转折现象。

图9 宁洱井2014年10月以来的水位动态曲线

图10 宁洱井附近地区2011年以来GPS高程的时序曲线和研究区及邻区发生的地震

宁洱地区主要受 NNW向无量山-营盘山断裂和 NE向孟连-墨江断裂活动的影响（图2），无量山-营盘山断裂以右旋走滑为主，兼正断性质，孟连-墨江断裂以左旋走滑为主，并受一系列NE向次级小断裂切割、错动，形成NNW向张性、张扭性为主的棋盘状拉分盆地——普洱盆地（谢英情等，2007）。利用云南地区GNSS监测网各个测点位移的观测值和相关数学模型，估算2014年10月以来的面膨胀曲线（图11），认为云南地区2015年应变场波动较为突出，周边应力调整明显，上半年以面膨胀活动（张性）为主，下半年以收缩活动增强（压性）为主。因此，排除周围环境的干扰后，认为宁洱井的持续低水位现象属于前兆异常，原因可能与该区域NE向孟连-墨江断裂和次级断裂等构造的拉张活动有关，含水层受张力变形，导致孔隙压力减小，从而水位下降。

图11 云南地区2014年10月以来的面膨胀等值线

3 地震活动性分析

根据Mjachkin等（1975）提出的裂隙串通（IPE）模型认为，当前宁洱井水位异常从第Ⅲ阶段进入第Ⅳ阶段，即微裂串通阶段（图12）。该阶段，在构造应力的持续作用下，微裂缝剧烈增加，小裂缝发育成较大的裂缝；由于介质的不均匀性，大裂缝加速变大，发生不稳定变形，形成窄带区；窄带两侧的微破裂应力相对减小，窄带区大裂缝在剪应力作用下发育若干小断裂；小断层之间破裂串通形成主断裂，在水位加速上升的过程中发育地震。本文从宁洱井映震较好的2007年6月3日宁洱6.4级地震、2012年11月11日缅甸7.0级地震和2014年10月7日景谷6.6级地震等（图13），分析其震前的水位异常特征，对区域地震活动性进行分析。

图12 裂隙串通（IPE）模型（据 Mjachkin et al，1975）

图13 地震前宁洱井的水位动态曲线

表3 宁洱井的水位前兆异常特征

表4 宁洱井的水位前兆异常的孕震特征

从宁洱井的水位异常与地震的关系（表3）来看，主要对应的是普洱地区、滇西南地区和滇缅交界地区的地震活动。宁洱井的水位从2015年7月5日开始上升，10月24日转平，至12月31日已过去179天，当地仅发生了10月5日的ML3.0和12月5日的ML3.2地震，尚不能完全解释该异常现象。因此，该区域近期仍存在地震危险性。分析宁洱井的水位异常和该区域地震活动特征（表4），未来的地震活动可能在滇西南地区（耿马-双江-澜沧-景洪-勐腊一带）及滇缅交界地区（孟连-西盟-缅甸东部-老挝北部一带），应注意发生中强震的危险。

4 结论与讨论

通过对宁洱井的异常低水位现象的现场调查分析，得到以下认识：

（1）水位观测系统的工作正常，环境干扰小，其水位观测资料相对可靠，当前宁洱井的低水位处于异常低值状态，2015年的年变幅度仅为正常年变的57.8%，属于破年变异常。

（2）分析宁洱井2008年以来的雨季降雨量与水位年变化间的关系，发现其水位的年变化与雨季降雨量的关系正常，认为当前水位持续下降与降雨量的关系不大。

（3）利用云南地区GNSS监测网各个测点的位移观测值和相关数学模型，估算面膨胀曲线，表明其低水位异常可能与该区域构造的拉张活动有关，含水层在张力作用下变形，导致孔隙压力减小。

（4）通过总结宁洱井的水位前兆异常与地震活动性的关系，认为应密切关注滇西南-滇缅交界地区的中强地震活动。

此外，宁洱井水面浮标老化，对观测数据有一定的影响，可能产生误差。由于其水位异常对应的震例较少，对区域地震活动的分析结果影响较大。