2008年5月12日四川汶川发生8.0级大地震,震灾惨重。震前到底有无可信的异常,是什么样的异常,是必须回答的要害问题。距该地震275 km的云南昭通水富井,是云南地区距离汶川地震最近的流体观测井,震前井水位出现长趋势大幅度的下降变化,其异常的时间和幅度是该井投入观测以来从未出现过的。笔者经过分析研究,认为这是汶川地震的长期异常变化。

过去,地震工作者主要讨论流体的短临、中期和中短期异常(刘耀炜,施锦,2000; 车用太,鱼金子,1997; 邵永新等,2001; 黄辅琼等,2002; 张立等,2003; 陆明勇等,2005,2006),而对长趋势异常鲜有涉及。这与过去观测资料积累时间不够长有关,也与人们的观念有关。但是,大量观测资料表明,大震前确实存在长趋势异常变化。为此,讨论水富井的异常,对于丰富地下水前兆的认识,提高流体方法的预测能力,都是有益的。

水富井处于云南莲巧断裂(莲峰至巧家)与四川华莹山断裂的交汇部位,同时也是华莹山断裂的西南端的起始部位(图1)(云南省地震局,2005)。

井口海拔296 m,井深361.68 m。含水层岩性为砂岩、石英砂岩、石灰岩、白云质石灰岩。地下水为层间承压水,水温20.0 ℃左右。原为生活用井,废弃后用于地震观测,在井深为24.5 m处有一大石头卡在井径变径处(无法处理掉),如果水位低于此深度就不能测到数据。

图1 水富井、汶川地震及昭通地区中强地震分布图
Fig.1 Distribution of the Shuifu well,Wenchuan earthquake and moderoote and strong earthquake epcenters around Zhaotong city Yunnan province

现从降雨影响、异常特征以及构造活动等方面,分析水位异常与汶川地震的关系。

(1)因无水富站雨量资料,故使用距其最近(45 km)的绥江站降雨量。水富水位年均值及绥江站年降雨量变化如图4和表1。

图4 水富井水位模拟观测年均值(a)及绥江站年降雨量曲线图(b)
Fig.4 The curve of annual mean value of water level at Shuifu well(a)and annual rainfall at Suijiang station(b)

表1 云南水富井水位年均值及绥江站年降雨量统计表
Tab.1 Statistics annual mean value of water level at Shuifu well and annual rainfall at Suijiang station in Yunnan Area

注:① 汶川地震前水位的下降开始于2005年,持续到2008年,因下降幅度过大,致使无法采数,故缺2008年水位的年均值; ② 水位增量指前一年水位与当年水位之差。

从图4可清楚看到,自2005年至2008年汶川地震前,水富井水位逐年大幅度下降,2005～2007年水位降幅达7.8 m; 而在同一时期,降雨量是明显增加的,年降雨量的平均值达到1 040 mm,比多年平均值(899 mm)高141 mm(表2)。可见,水位的趋势下降不是由于雨量减少引起的。

表2 云南水富井水位趋势性下降异常与地震关系表
Tab.2 The relation between the declinable anomaly of long-term trend of groundwater level of Shuifu well and the earthquare in Yunnan Area

水富井水位年增量与年降雨量关系如图5。图中水位增量指前一年水位与当年水位之差。该图使用的水位和降雨量数据,取自表1。从图5可看出:在大多数年份,随着降雨量增大,水位上升的幅度亦随之增大,这符合正常的动态变化规律; 但在一些特殊年份,如1994年、1999年、2005～2008年的降雨量增大,水位却反常下降,且都对应了强烈地震(图4、表2)。要说明的是,1989年水位的下降变化则是一个例外,同年的降雨量(889 mm)也是减少的,且低于多年平均值899 mm。说明水富井水位的趋势性下降异常与降雨量无关。

(2)汶川8.0级地震前水富井水位的中长期下降异常变化是该井有记录资料以来出现的持续时间最长、变幅最大的一次变化,且与1995年武定6.5级和1996年丽江7.0级、2001年姚安6.5级地震前出现的水位下降异常相似。

图5 1989～2007年水富井水位年增量与年降雨量关系图
Fig.5 The relation of between annual increment of water level at Shuifu well and annual rainfall at Suijiang station from 1989 to 2007

(3)郭增建和秦保燕(1979)给出的地震震级(M_S)与孕震断裂的长度(L)的关系为M_S=3.3+2.1logL。根据震例统计,地震前兆(源兆)的显示范围(R)是孕震断裂破裂长度的2～3倍(郭增建,秦保燕,1979; 车用太,鱼金子,1997; 鱼金子等,2000)。按此式计算,汶川8.0级地震的前兆(源兆)的显示范围为519.1 km。水富井,距震中275 km。这就是说,水富井处于汶川8.0级地震的前兆(源兆)显示的区域内,具备产生前兆异常的可能性。

(4)2003年以来,滇东北的昭通地区分别发生了2003、2004年鲁甸5.1、5.0、5.6级地震,2005年会泽5.3级地震,2006年盐津2次5.1级地震,表明沿着会泽—鲁甸—盐津的这一起应力释放过程是以北东向构造带为主(图1)。而处于北东向构造带上的水富井,其水位呈多年趋势下降,表明该地区应力处于“松弛”状态,这与该构造带的应力释放过程之间,是可以验证的。

汶川地震发生在北东走向龙门山断裂。水富井处于莲巧断裂(莲峰至巧家)与四川华莹山断裂的交汇部位,亦为北东向构造带(图1)。莲巧断裂、华莹山断裂与龙门山断裂带带,同为第四纪活动断层。汶川8.0级地震前,不仅是龙门山断裂带,而且在大范围内的其它断裂带,都出现明显的构造变动。这是我们认为水富水位异常变化与汶川地震有关的理由之一。

综合上述,笔者认为水富井水位的长期异常变化是汶川地震的前兆。

通过多方面论证,认为昭通水富井水位长趋势大幅度下降异常是汶川8.0级地震长期前兆。

2008年年度会商时,笔者曾提出2007年水富水位大幅度下降异常,并与昭通地区发生的中强地震前水位变化进行类比,认为该异常指示昭通地区有中强震。汶川地震后,经对各种时间尺度的异常的分析,认为该水位长期异常变化在8级地震前尤为突出,这也表明在强震、大震孕震阶段水位长期异常的存在。水富水位异常的认识过程表明,对于水位的趋势性异常,在震前是可以识别出来的,这对于今后的大震预测是有意义的。

从水富井水位异常的认识过程中,也使我们看到:现在对于水位异常的特征、成因及其与地震的关系,还缺少规律性认识,这正是需要深入开展研究的课题。