蓟县地震台小辛庄子台距震中106 km,高程约100 m,观测山洞深240 m,覆盖层平均厚度约80 m。观测洞室位于山体的南坡山麓,周围有十几口农用井,山体南面约2 km处有面积120 km²、 库容(2～3)×10⁸ m³的于桥水库。台站在构造上位于燕山沉降带的“京东台凹”的北部,洞体岩性为震旦系石灰岩。台站附近断裂构造较为复杂,存在一系列断裂和褶皱,较为重要的有蓟县山前断裂、杨庄断裂和黄崖关断裂。SS-Y型伸缩应变仪安装在洞室最深处,NS向和EW向的跨距均为39 m,EW向方位角为59.94°,NS向方位角为144.87°。

伸缩应变仪观测主要受短周期事件干扰,如季节性抽水和强降雨。春季和冬季抽水会使仪器两分向加速拉张变化,而雨季强降雨又会引起两分向加速压缩。两分向均表现为长趋势压缩变化,与区域水平应变场变化一致(陆明勇等,2006; 杨国华等,2007)。为了提取短周期信息,我们对观测资料日均值用K-L最佳直线拟合方法进行拟合。图2是小辛庄伸缩仪EW向日均值及直线拟合结果。图3是小辛庄伸缩仪NS向日均值及直线拟合结果。由图2拟合残差结果可以看出,2007年11月下旬记录曲线出现加速拉张变化,12月4日张性最大,随后在2倍方差值附近波动,2008年2月下旬又恢复加速拉张,加速恢复后20天即3月11日河北卢龙发生M_S3.9地震。

图2 蓟县小辛庄伸缩仪EW向日均值曲线(a)、K-L法拟合(b)及拟合残差(c)
Fig.2 Curves of daily mean value of magnification-strain about EW(a)and fitting results of the K-L method(b)and the fitting residual error(c)in Jixian station

图3 蓟县小辛庄伸缩仪NS向日均值曲线(a)、K-L法拟合(b)及拟合残差(c)
Fig.3 Curves of daily mean value of magnification-strain about NS(a)and fitting results of the K-L method(b)and the fitting residual error(c)in Jixian station

(1)潘庄井

潘庄井位于天津市宁河县潘庄镇潘庄中学内,距震中128 km。该井于1979年11月8日建成,位于沧东断裂的西侧、潘庄低凸起上。成井井深61 m,观测层为第四系砂层,地下水类型属孔隙承压水,上覆20余米的粘土隔水层,其下也有较厚的粘土层,因而封闭性较好。1980年4月正式开展咸水位观测,水位日变幅度在1～3 cm,无年变规律。自投入观测以来,在首都圈地区,尤其是唐山老震区发生的多次中强地震前,多可记录到明显的水位异常变化,异常特征均表现为大幅度上升的正异常(邵永新,郑文俊,2002; 马建英等,2008a)。在2006年7月4日文安M_S5.1地震前,该井于2006年6月出现水位大幅度上升异常变化,接着又转为下降,转降后13天发生文安地震(图4a)(马建英等,2008b; 邵永新,王俊国,2008)。

2007年潘庄井水位出现了两次大幅度上升异常。第一次异常出现于6月10～12日,水位突升4.3 m,之后在高值波动,8月初转为下降变化,至11月中旬基本恢复到突升前水平。11月28日水位第二次出现突升变化,至12月11日水位上升了4.32 m。2008年1月8日转为下降变化,下降过程中,于2月21日出现转折上升,至3月1日上升了1.99 m,3月2日又转为下降,下降10天后就发生卢龙地震(图5a)。

(2)天船井

天船井位于天津市塘沽区,距震中139 km。该井于1979年6月成井,位于海河断裂南侧,黄骅坳陷内的板桥凹陷上。完井井深70.00 m,观测

图4 1991～2006年潘庄井(a)、天船井(b)水位日值趋势变化曲线
Fig.4 Curves of daily mean value of water level at Panzhuang(a)and Tianchuan(b)from 1991 to 2006

图5 卢龙MS3.9地震潘庄井(a)、天船井(b)水位异常曲线
Fig.5 Curves of anomalies of water level at Panzhuang(a)and Tianchuan(b)before Lulong MS3.9 earthquake

(3)塘沽台土壤气

为做好2008年北京奥运会期间的震情监视工作,天津市地震局在宝坻、静海、塘沽、张道口4个专业地震台站又增加了土壤气CO₂动态观测手段。具体监测方法是:在地下设1.5 m深的观测孔,孔内每天吊入一支CO₂测定管并密封孔口,采用累积测量法连续观测24 h,即可获得土壤的CO₂释放量。自2008年1月1日开始观测以来,塘沽台CO₂含量背景值小于1×10⁴ mg/m³。但3月1日CO₂含量出现了明显上升变化,3月4日出现异常峰值,为2.5×10⁴ mg/m³,是背景值的2～3倍,之后出现转折性下降,下降过程中发生卢龙地震。震后观测曲线出现了回跳,至3月底恢复到正常水平(图6)。

图6 卢龙MS3.9地震塘沽台CO2异常曲线
Fig.6 Curve of the CO2 anomaly at Tanggu station before Lulong MS3.9 earthquake

通过对以上资料的分析,卢龙地震前天津地区前兆所表现出的异常特征(表1)可以归纳为以下几点:

(1)流体异常突出。震前出现4项明显的前兆异常,而流体异常就占3项。

(2)出现水位异常的井孔都是咸水井。在距震中200 km范围内,天津水位井网共有8口观测井,其中6口淡水位观测井均未出现异常变化,而2口咸水位观测井都出现了明显的异常变化。

(3)异常属于中期和短临异常。潘庄井水位、天船井水位、塘沽台CO₂、小辛庄台形变异常开始时间距发震时间分别为105天、77天、10天、113天,均在4个月以内,并且震中距小的观测点首先出现异常。

(4)两口咸水井表现出了不同的异常形态。潘庄井异常为水位阶变上升,天船井异常为水位阶变下降,这可能与它们所处的构造位置、区域构造应力场活动背景、震源应力场及活动构造等有关系(邵永新等,2000; 苗良田等,1993; 邵永新等,2001,王博等,2008)。

(5)潘庄井水位震前出现类似“M”型的上升和下降异常组合。潘庄井水位于2007年11月28日上升,于2008年1月8日转为下降,临震前的2月21日水位再次上升,出现“临震回跳”现象 路鹏,刘士琳.1993.地震地下水动态观测.(张国民等,2001),3月2日又转折下降,10天后发震。

表1 天津地区前兆异常特征
Tab.1 Characteristics of precursory anomalies in Tianjin area

2007年11月下旬小辛庄台伸缩应变仪EW向出现加速拉张变化,12月4日张性达到最大,随后在2倍方差值附近波动,至2月下旬异常结束,之后加速恢复。由于农用抽水井大多位于观测山洞的南面,所以抽水时NS向响应更为灵敏(拉张),且幅度较EW向大; 强降雨也会使NS向的压缩变化突出一些。而这次地震前EW向出现了加速拉张变化,NS向张性变化则不明显,这种现象持续了3个月,我们分析认为这与抽水并不完全相关,而应该是地壳应力的一种调整,属地震前兆异常。

小辛庄台伸缩仪自2002年恢复观测以来,曾在2003年8月16日内蒙古巴林左旗M_S5.9和2006年7月4日河北文安M_S5.1两次中强地震前出现较明显的异常反映。其特征是NS向均出现了短临的拉张异常变化(图3),而EW向异常却不明显。巴林左旗地震发生在拉张异常过程中,文安地震发生在异常恢复后1个月左右,因此天津市地震局预报中心在2008年2月27日的月会商中,认为该伸缩应变仪EW向异常结束后加速恢复的这种变化预示着地震已进入短临阶段,未来1个月内发生地震的可能性很大。

在异常分析中我们还发现,本次地震前的异常形式与巴林左旗地震和文安地震前的异常有明显的不同。伸缩应变仪NS向在巴林左旗地震和文安地震前均出现了拉张异常变化,EW向则没有异常,这两次地震也分别位于小辛庄台以北和以南方向; 而本次地震前伸缩仪EW向出现了张性异常变化,NS向则没有地震异常。因此在2008年2月27日天津市地震局预报中心的月会商会上,形变学科组认为地震已进入短临阶段,发震地点在蓟县EW方向(其东部为唐山老震区)。

针对2007年6月潘庄井水位出现的突升异常,天津市地震局预报人员曾多次到现场落实,但未发现干扰源,所以异常属实。根据该井以往震例,异常转折下降后3个月左右,天津及邻近地区、唐山老震区有发生中等及其以上地震的可能。但当时流体仅此一项出现异常,若以此提出预报意见,依据尚不十分充分,因此在第一次异常出现转折后,我们并没有在会商中提出预测意见。

2007年11月28日潘庄井水位再次出现突升异常,并于2007年12月18日转降。随后,天船井水位于12月26日出现了突降异常。经落实,异常属实。在异常形态上,两口井变化相反,一口井水位上升,一口井水位下降。在异常时间上,两口井水位变化非常同步。两口井水位所表现出现的异常特征均是有震特征。但潘庄井在异常恢复过程中,水位于2月21日再次出现转折上升,分析其上升特征,认为该井水位在2008年3月应出现转折下降变化。而天船井于2008年2月25日水位结束缓升而呈持平变化。这种由上升恢复至转平(即正常变化水平)的过程往往标志着发震时间进入了短临状态。因此在2008年2月27日的月会商中,预报中心流体学科组认为3月份天津及邻近地区、唐山老震区有发生中等地震的可能。

在2月27日的月会商会上,预报中心进行了充分讨论,依据流体学科组和形变学科组近年来的震例总结,分析了当时潘庄、天船两口井水位同时出现的异常特征,以及伸缩应变近期出现的加速恢复变化情况,最终提出了3月份“天津及邻近地区发生中等以上地震的可能性不大,注意唐山老震区中等地震活动”的预测意见。