天津地区流体观测井共有19口，观测水位、水温、氦气、痕量氢等项目。另外，宝坻台、宁河台、滨海台、静海台、张道口台和宁河台还观测2 m左右深的土壤CO₂。各井孔构造分布如图1所示，观测基本情况如表1所示。2018年对这些流体项目的观测效能评估中，汉1水温固体潮畸变，王3水位、徐庄子水位、宝坻新井水位、水温曾在多次地震前出现异常现象，高村水位、张道口水位曾有过一次震例，其他项目未发现过异常。2020年7月12日古冶M_S5.1地震前，天津地区流体观测中，仅汉1井水温固体潮畸变和王3水位出现了异常，并在震情判定中，对此次地震进行了一定程度的预测。为今后工作需要，将其整理、总结分析，以供参考。

图  1  天津地区流体观测井构造位置图

汉1井位于天津市滨海新区，东距渤海湾约1 km，周围为第四系沉积平原，地势开阔。构造上，位于北塘凹陷内，北距汉沽断裂约13 km，南距海河断裂约20 km。经探测表明，海河断裂可分为3段，沧东断裂以东属全新世断裂（图1）。其他断裂规模较小，活动性均属前第四纪断裂。

该井井深3 303 m，是一口石油废井。全井下套管，射孔深度：2 688～2 713 m，过水段井径140 mm。观测段岩性为古近系沙河街组砂砾岩、细砂岩，水质为单一氯化钠型，属孔隙、裂隙承压水。因观测层位比较深且为油气层，而天津地区地下淡水开采多在500 m左右及以内的深度，因此人为开采对其影响很小。

王3井位于天津北部宝坻区周良庄镇尹家铺村。构造上，位于宝坻断裂南约12 km（图1）、沧县隆起北部的王草庄凸起潜山带上。主体构造为一背斜，即王草庄背斜，为地热异常区。凸起内部断层纵横交错，构造复杂。该井于1978年3月3日成井，井深1 077 m，裸眼段为882～1 077 m，含水层岩性为奥陶系灰岩，属岩溶裂隙承压水，成井时井口水温65 ℃，水头高近40 m，地下水类型为HCO₃·SO₄-Na·Ca型，矿化度为938.24 mg/L。

王3井原为地热水自流井，1983年4月1日改为地震观测专用井。1987年开始观测水氡、水质、气体及电导率等，1997年增上水汞观测。该井自观测水化学项目以来，经历了首都圈及其邻近地区的多次中等及以上地震检验，在一些地震前有过不同程度的异常反映，是首都圈地区水化学观测的灵敏井，在首都圈地震观测中占有重要地位。2004年7月1日，位于同一地热异常区、距王3井约4 km、深2 700 m的ZL1井正式开采后，王3井井口压力快速下降，导致于2007年8月26日断流。直至“十一五”期间，经改造增上了水位、水温和氦气观测。先后安装了SWY-1A型水位仪、SZW-1A水温仪和WGK-1型测氦仪。2010年12月开始水位、水温观测，2011年8月开始气氦观测。

自2014年12月开始观测水温以来，汉1井水温能够记录到较好固体潮变化，但观测资料经常出现畸变。以2015年1月7—8日为例（图2），2015年1月7日水温资料固体潮变化正常，但8日出现了2次畸变。这种畸变每天出现次数有多有少，多时可达到十几次。后经多次异常核实发现^①②，该现象是由于井中溢出油气所致。汉1井位于北塘凹陷内，从对北塘凹陷的探测结果看，该区天然气的产出层位较多，分布广泛，其中尤以沙三段为主要产气层位，主要成份为CH₄^[1]。而汉1井观测层正是北塘凹陷内的主要产气层。由此分析，汉1井具有了溢出石油气的条件，其溢出油气也属正常。

图  2  2015年1月7—8日汉1井水温分钟值曲线

在油田地震观测中，震前曾有大量井孔出现产油量、产液量、产气量、油气比等的异常，且异常一般都是以上升为特征^[2-4]。从油井构造角度分析，一般是在坳陷中的凸起位置，由于油或气比水轻，具有向上运移的本质特点，一旦受到外力作用更是如此。如果说汉1井水温畸变是溢出油气这种现象所致，那么畸变多可以认为是溢出的油气多，畸变少可认为是溢出的油气少，或可认为每次畸变是地下应力应变变化的一个过程。那么这种多与少就和油井产油量、产气量等于震前出现的异常相类似，可能与地震的孕育、发生有关系，只是这种宏观现象我们用仪器记录了下来。之后，我们利用每天这种畸变次数的多少对地震进行预测，取得了较好效果（图3）。因此，其异常特征就是日畸变频次增多。

图  3  汉1井水温畸变日频次曲线图

图3显示了汉1井水温自观测以来每天出现的畸变频次变化曲线图。2019年之前，汉1井周边250 km范围内发生了7次M_L≥4.0地震。根据震前水温畸变增多变化特征，经多次调整，逐步总结出其预测指标：

1）以水温日畸变次数为分析对象；

2）以畸变次数的2.3倍标准差为标准，连续两次（时间间隔在15 d内）出现每天畸变频次≥12次的高值变化视为异常出现，第2次高值后为预报期，异常起始时间则是第1次高值开始，异常期间高值间隔时间小于50 d。

3）为临、短、中期异常；

4）预测天津及周边地区M_L≥4.0地震。

根据这一指标，汉1井水温畸变自观测开始到2019年水温共出现6组异常（图3，表2），对应了汉1井周边250 km范围内M_L4.0以上地震6次，其R值为0.48（R₀=0.44），没有虚报，漏报1次，其缺点是预报占时较长。实际工作中，在永清M_S4.3、丰南M_S4.5等地震前，流体学科根据汉1井水温这种畸变特征在相应的周、月及半年、年度会商中均提出过意见。

由表2可知，对于M_S4.0以下地震，古冶M_S5.1地震以前，不论是异常持续时间或震前异常持续时间最长33 d，即1个月左右及以内。对于M_S4.0以上地震，异常持续时间或震前异常持续时间最短是74天，即2个多月的时间，且异常幅度均出现了超过3.5倍标准差，即出现每天≥16次的畸变异常，4次4级以上地震异常最高值高达20次，没有漏报和虚报现象。

已有研究表明，天津地区地热水年龄均在万年以上，补给微弱、径流缓慢，属静储量消耗性开采^[5]。王3井位于周良庄地热田内，主要影响来自于地热水开采。目前，该地热区内共有地热井11口，开采量较大的井孔主要是ZL1、ZL7。其他井孔要么不开采，要么只是在冬季开始。正是由于ZL1井的使用，导致王3、王4井提前多年断流。

经2011年以来多次异常核实与资料分析^③④，认为王3井水位正常动态总体应呈下降变化趋势。因开采量高低变化，年度范围内也会有一些短时变化。以2011年为例（图4），年初（停止供暖前）由于处于供暖期间，用水量大，水位下降快；停止供暖后，因水头差的原因，有一个小幅度回升，之后又处于下降状态；到11月15日开始供暖后，水位又开始加速下降。对于这种年变化特征，有时典型，有时不典型，但王3井水位总体呈下降特征是可以肯定的。

图  4  王3井水位日值曲线图

根据上述分析，王3井水位异常形态就是破年变变化。如果王3井水位出现持续上升或不下降状态时即判定为异常。

图4为王3井自2011年观测以来水位日均值变化曲线。2019年以前，王3井水位从观测以来出现过5次异常过程（表3），选取250 km范围内12次M_L≥4.0地震，总结得到该井水位破年变异常的预测指标：

1）分析对象为日均值曲线；

2）异常特征为破年变变化；

3）异常持续时间具有短、中和长期异常性质；

4）预测天津及周边地区M_L≥4.0地震。

根据这一指标，自2011—2019年，王3井水位出现的5次异常过程对应了周边250 km范围内12次地震中的8次。从特征上分析，异常持续时间有长有短，异常幅度有大有小，共同特征就是水位的破年变，其R值为0.47（R₀为0.38）。

古冶M_S5.1地震前，天津地区流体异常主要集中在对汉1井水温畸变的分析上。2020年4月24、29日汉1井水温连续出现了畸变次数≥12的高值变化，由于29日3—4时的畸变现象以往没有出现过，于是流体学科组讨论决定再继续观察；到5月20日畸变再次出现高值，根据汉1井异常判定规则，确认了该异常，暂定为B类，并从21日起进入了预报期^⑤。原本计划在5月26日的半年会商中提出：“天津及周边地区近期存在发生M_S4.0左右地震的可能”的预测意见，但在26日00时54分发生了门头沟M_L4.1地震。此次地震距汉1井210 km、震级也在4级左右的范围之内，认为之前的异常与这次地震有关。但考虑到地震后汉1井水温异常是否结束、还能持续多长时间等不得而知。因此，半年会商中提出了继续跟踪汉1井水温畸变异常，同时提出关注王3井、静海井、徐庄子井水位变化，尤其关注王3井水位变化的判定意见，同时也给出了“天津及周边地区发生5级以上地震的可能性不大”的预测意见。

门头沟M_L4.1发生后，汉1井水温畸变又连续出现异常。从4月24日到5月26日，门头沟地震前的33 d内仅出现5次异常值，单日最高14次畸变。从5月27日到6月19日，24 d则出现了8次畸变异常，最高畸变次数达18次，超过了3.5倍标准差。由此判断，这次水温畸变异常的主体应在门头沟地震后，整体异常持续时间也已达57 d、近2个月的时间，不能完全归于门头沟M_L4.1地震，之后还应有地震发生。同时，将预测震级提高、定在了M_S4.5左右，信度由B类提升为A类；时间预测上，由表2可知，在4次M_S4.0以上震例中，永清M_S4.3地震发生于异常持续74 d的时间点上，即2个月多一点的时间，也就是说2个月左右的时间即可进入M_S4.5左右地震的预报期。因此，在6月24日、7月1日的周例会中，流体学科提出了“天津周边近期存在发生4.5级左右地震的可能”，重点关注唐山地区（地点预测主要参考了测震学科震前提出的唐山M_L≥2.0地震平静打破）。

到7月1日，半年会商中提出的关注异常中，静海井和徐庄子井水位解除了跟踪，而王3井水位仍持续上升，在周例会中确定为A类异常。异常从5月中旬开始，不能完全交待给门头沟地震，之后3个月内还应有一次M_S4.0左右地震发生。王3井水位异常的确认，进一步增强了6月24日周例会中提出的“天津周边地区近期存在发生4.5级左右地震的可能”的依据，并在7月1日的周例会中坚持了这一预测意见，结果7月12日发生了古冶M_S5.1地震，但震级高于预期。

1）根据汉1井水温固体潮畸变次数和王3井水位异常对古冶M_S5.1地震进行了一定程度的预测，但预测震级偏低。

2）汉1井水温固体潮畸变本是因井中溢出油气所致，用仪器记录到了这种变化，又与地震有很好的对应关系。这种现象为利用汉1井水温预测地震提供了一种“独特”方法。由于观测时间不长，还需今后资料的积累，以便对异常判定指标进行更为细致的梳理。

3）古冶M_S5.1地震前，天津局提出的异常包括：汉1井水温、王3井水位异常、5项电磁异常、1项测震学异常。其中只有汉1水温和王3水位定为A类异常且在这次震情判定中给出了肯定性意见，但震级为M_S4.5左右。在这次预测中，汉1井水温畸变异常在震级、时间的预测中起到了非常重要的作用。

4）2006年7月4日文安M_S5.1与这次古冶M_S5.1地震是天津周边地区自1991年5月30日唐山M_S5.2地震以后发生的两次最大地震，但两次地震预测震级均偏低，文安地震已进行了总结。比较两次地震前提出的异常，文安地震前，天津局提出了：M_L≥1.0小震空区和条带^[6]、王3井和王4井水汞、潘庄井水位^[6]，和水管、垂直摆倾斜、伸缩应变异常^[7]共8项，高村井水位固体潮畸变异常为震后总结得出。其中，主要异常为王3、王4井水汞、潘庄井水位和M_L≥1.0小震空区、条带，5项异常信度较高。文安M_S5.1地震总结中，认识到了对王3、王4井水汞异常持续时间和异常幅度认知上的不足^[6]、对形变异常认知也有欠缺^[7]。那么此次古冶M_S5.1地震前，天津局也提出了8项异常（同一测点、同一测项不同方法处理得到的地磁异常作为一项异常）。从异常的信度上分析，地电场最优方位角变化，学科组认为可能存在场地影响，“经过异常核实和分析讨论，我们谨慎将该异常作为C类异常进行跟踪，重点关注未来6个月，天津宝坻至唐山附近有发生M4.0左右地震的可能^⑥”。5月31日静海、徐庄子、宁河、宝坻台地磁Z分量日变幅逐日比异常R值为0.28，R₀为0.44，预报效能不好。对此次异常核实结果是：认为这是一次地磁前兆异常的可能性大，并将该异常作为A类异常进行跟踪，重点关注未来9个月内，异常区附近有发生M4.5左右地震的可能^⑦；经对2002年11月以来天津周边250 km范围内的震例进行统计，26组震例，报对12次，地磁加卸载响应比异常R值为0.22，R₀为0.21，有一定预测意义。对5月4日天津静海、徐庄子、宁河台地磁Z分量加卸载响应比异常核实结论为：2020年5月4日华北出现较大面积地磁加卸载响应比异常，根据华北地区地磁加卸载响应比震例研究的预测规则，认为2021年2月4日以前应注意阈值线及周边存在发生4.5级左右地震的可能^⑧。由于认识上的差异，用这两种方法处理得到地磁异常震前并没有作为有震异常处理，日常分析预报中也没有给出预测意见。对于2020年4月6日以来唐山地区M_L≥2.0地震平静在5月22日被打破，其R值为0.38＞R₀=0.31。异常核实结果为：唐山余震区在未来3个月内存在发生4级左右的地震风险，且余震区中东、段发震风险相对较高^⑨。随着跟踪的深入，根据异常打破后的时间及打破后的小震频度，测震学科认为这次异常与以往的虚报异常更相似。总之，除流体2项外，其他学科异常都有这样或那样的问题，信度偏低。而且在以往情况下，天津地区这几种异常组合对应的也是4级左右地震，能够提高预测震级的就是汉1井水温畸变异常持续时间和异常幅度。与以往相比，汉1水温畸变异常无论是异常幅度还是异常持续时间均不是最大和最长的（表2），王3井水位异常也是如此，到7月12日异常持续时间不到2个月、上升幅度61 cm左右（表3）。按经验预报，仅能将震级提高到M_S4.5左右。因此，尽管两次地震前异常数量相当，古冶M_S5.1地震与文安M_S5.1地震异常信度还是有很大不同，也体现出经验预报的局限性。

比较两次地震前前兆网变化，文安M_S5.1地震前，天津前兆台网观测项目80项左右，最近距静海台67 km、最远距蓟县台201 km。古冶M_S5.1前，天津前兆台网观测项目109项（不包括30个浅层地温观测项目），最近距宁河台79 km、最远距静海和徐庄子台165 km。文安M_S5.1地震到古冶M_S5.1地震十多年间，前兆台网变化主要在：水化学项目已不观测，停测、更新了一些井孔；新增了蓟县台山洞，观测水管、倾斜、水平摆、垂直摆和重力；增上了宝坻新台电场项目。比文安地震前，台网观测项目增加了近30个测项，但震前提供的异常信息量并没有增加。对文安M_S5.1地震的总结表明，王3、王4井水汞异常幅度对震级预测有指标意义，那么这次古冶M_S5.1地震却没有出现这种有特点的异常，体现出观测台网在信息检测能力上的欠缺。