江蘇流體井網(wǎng)對汶川和日本地震的同震響應(yīng)特征研究*

鄭江蓉，楊從杰，江昊琳

(江蘇省地震局，江蘇南京210014)

0 引言

遠場大震的同震水位振蕩現(xiàn)象在1899年意大利的一口深井記錄中被發(fā)現(xiàn)，之后多位學(xué)者開展了相關(guān)研究工作，Blanehand和Byerly(1935)提出了水位波動反映地震波的簡明理論，Rexin等(1962)證實了水井的長周期反應(yīng)優(yōu)勢(陳大慶，劉耀煒，2006)。地下流體是地殼中最活躍的介質(zhì)，用于地震前兆監(jiān)測承壓井的水位與水溫變化不僅能反映出無震時期含水層的受力狀況(如固體潮響應(yīng))，而且對遠場大震也有顯著的同震響應(yīng)，通過對這種響應(yīng)的研究，能夠揭示地震波作用下含水層介質(zhì)對應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)，促進區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下地下水運動的研究，加強對井區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的認(rèn)識，從而促進對地震孕育過程中流體前兆現(xiàn)象的識別與研究(車用太等，2006;王博等，2008;黃輔瓊等，2000;張永仙，1991，徐桂明等，2010)。近10年來，幾次特大地震引起的全國地下流體觀測井網(wǎng)的同震效應(yīng)現(xiàn)象引起眾多學(xué)者的關(guān)注，成為研究熱點并開展了較多的研究工作(魚金子等，2012;付虹等，2007;劉五洲等，2009;高小其等，2006;楊竹轉(zhuǎn)等，2007;廖麗霞等，2009;顧申宜等，2010;尹寶軍等，2009)，這些研究發(fā)現(xiàn)地震波引起的同震響應(yīng)基本以水位振蕩、水溫下降—恢復(fù)的形態(tài)出現(xiàn)，水位振蕩和水溫下降的幅度均與震中距、震級有著一定的量化關(guān)系，機理比較復(fù)雜，目前解釋較多的有氣體逸出說、熱彌散說和冷水下滲說等3類，各觀點均具有合理性，也能解釋一定的觀測現(xiàn)象，但哪種機理更具普適性和合理性，有待于更進一步的研究。

筆者整理收集了江蘇數(shù)字化地下流體觀測井網(wǎng)中10口同時具有水位、水溫2個測項觀測井的觀測資料，對2008年汶川8.0級和2010年日本9.0級兩次大地震的水位、水溫同震變化特征和響應(yīng)能力進行研究分析，給出觀測井水位、水溫同震響應(yīng)具有的一般規(guī)律，討論了流體觀測井網(wǎng)對遠大震響應(yīng)能力出現(xiàn)較大差異的可能原因，對提高江蘇省地下流體觀測井網(wǎng)的監(jiān)測能力和今后井孔改造有較好參考價值。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景和流體觀測井網(wǎng)概況

江蘇地質(zhì)分類上跨華北斷塊區(qū)與下?lián)P子斷塊區(qū)兩個大地構(gòu)造單元，以郯廬斷裂帶和淮陰—響水口斷裂帶為界。區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，按斷裂走向可分為北東向、北西向、北北東向和近東西向4組。其中北東向斷裂在數(shù)量上占優(yōu)勢，區(qū)域內(nèi)較大的活動斷裂有:郯廬斷裂帶、淮陰—響水口斷裂帶、江山—紹興斷裂帶、幕府山—焦山斷裂和茅山斷裂等。

江蘇省水位和水溫觀測點基本位于活動斷裂帶(包含震中分布帶、地?zé)岙惓?及其兩側(cè)，同時充分考慮到江蘇平原廣闊，松散堆積物發(fā)育，地下水以孔隙水為主，巖溶水和基巖裂隙水資源相對較少的現(xiàn)狀，結(jié)合觀測層巖性性質(zhì)，對不同區(qū)域按照不同的成井結(jié)構(gòu)、成井深度、固體潮記錄精度、映震效能和震后效應(yīng)進行觀測布局。經(jīng)過“九五”、“十五”數(shù)字化改造，現(xiàn)在這些觀測井點的地震構(gòu)造條件、觀測環(huán)境、儀器設(shè)備基本上能夠滿足地震監(jiān)測預(yù)報的需求。區(qū)域主要活動斷裂和江蘇區(qū)域內(nèi)10口水溫與水位同井觀測井孔基本參數(shù)如圖1和表1。

表1 江蘇省數(shù)字化水位和水溫觀測點基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the digitalized observation points of water level and water temperature in Jiangsu Province

圖1 江蘇省水溫和水位同井觀測點分布圖Fig.1 Distribution of digitalized observation points of water level and water temperature in the same well in Jiangsu Province

水位和水溫觀測配有流量、氣溫、氣壓、降水等輔助測項，水位觀測使用LN－3或LN－3A型數(shù)字水位儀，水溫觀測使用SZW－1A型數(shù)字測量儀。以昆山21井為例(圖2)，由于近年來蘇南地區(qū)嚴(yán)格控制地下水開采，水位呈現(xiàn)勻速緩慢上升年變趨勢(圖2a)，水溫日變形態(tài)穩(wěn)定(圖2b)。從全省流體觀測的長期變化趨勢分析(圖略)，除個另臺點因儀器故障或雷擊等引起短暫缺記之外，大部分臺(點)觀測精度較高，固體潮汐記錄清晰完整，資料連續(xù)率達到99%，記錄到的遠大震同震響應(yīng)特征明顯。

圖2 昆山21井水位長趨勢變化圖(a)和水溫正常日波動變化圖(b)Fig.2 Long-time trend change of water level(a)and normal daily fluctuation change of water temperature(b)in Kunshan 21 well

2 水位和水溫的同震響應(yīng)特征

選取距江蘇區(qū)域約1 300～1 500 km的2008年汶川8.0級和距江蘇區(qū)域約2 400～2 600 km的2011年日本9.0級兩次遠場大震，分別討論江蘇區(qū)域10口數(shù)字化流體觀測井的同震響應(yīng)特征，進而深入研究不同構(gòu)造單元不同位置井孔的映震能力。

2.1 汶川8.0級地震水位和水溫同震變化

圖3是汶川8.0級地震發(fā)生時，江蘇10口流體觀測井網(wǎng)中8口有同震異常的觀測井分鐘值曲線圖，曲線a為觀測井深層水溫記錄，曲線b為同一口井的水位記錄，表2為地震時(后)水位和水溫同震響應(yīng)的主要參數(shù)。

分析圖3和表2，可知同一井孔水位、水溫兩種不同測項和不同井孔同一測項的同震響應(yīng)變化特征均有較大的不同。水位響應(yīng)形態(tài)上看，主要有3類:(1)脈沖型:快速上升或下降變化后，持續(xù)數(shù)分鐘至半小時后觀測值恢復(fù)正常動態(tài)變化值，振蕩幅度不同井孔有較大差異。如蘇02井和蘇22井，震后4分鐘水震波到達，形成振幅達1 m以上的階降一階升(或階升一階降)變化，持續(xù)半小時左右恢復(fù)正常;蘇06、08、12井等僅記錄到微小脈沖，沒有壓制正常固體潮變化形態(tài)。(2)突變型:震時(后)觀測值受水震波影響出現(xiàn)突跳，變化幅度不及脈沖型大，震后調(diào)整不能在短期恢復(fù)到震前的正常動態(tài)變化值。如蘇18井和蘇16井，震后6分鐘出現(xiàn)快速抬升，上升幅度約0.2 m，之后在新的基值上波動變化，從長期觀測形態(tài)分析，兩口井均用了近1年的時間才逐步回落到震前水位觀測值;(3)脈沖趨勢型:具有脈沖變化的特征，但沒有回落到正常動態(tài)變化，出現(xiàn)趨勢性上升變化。如蘇21井，震后4 min出現(xiàn)上升—下降脈沖變化，回到正常動態(tài)值后，受水震波的后續(xù)影響出現(xiàn)緩慢趨勢性上升變化，約2個月后逐步恢復(fù)到汶川強震前的水位值。

水溫的同震響應(yīng)變化與水位有較好的一致性，也有一定的差別，總體上水溫的響應(yīng)能力不如水位強。蘇06井和蘇08井沒有明顯的同震響應(yīng)變化;蘇21井在較為平緩的波動變化背景下有一約0.006℃的凹型變化，持續(xù)88分鐘后恢復(fù)正常變化;蘇02井、蘇12井和蘇18井的水溫變化呈現(xiàn)脈沖型突變，快速下降變化之后在新基值上波動變化，約3個月左右恢復(fù)到原有的正常觀測水溫;蘇22井水溫在強震后出現(xiàn)臺階，上升幅度為0.012°C;蘇16出現(xiàn)向下小幅脈沖之后轉(zhuǎn)為緩慢趨勢性上升變化，上升幅度累計0.044°C，約2個月后又緩慢下落，逐步恢復(fù)到地震前的水溫值。

圖3 汶川8.0級地震江蘇水位和水溫觀測井網(wǎng)同震變化圖像Fig.3 Co-seismic variations of observation well net of water level and water temperature with Wenchuan M8.0 earthquake in Jiangsu Province

2.2 日本9.0級地震水位和水溫同震變化

由于日本地震震級大，8口觀測井的水位同震響應(yīng)中有7口井均呈現(xiàn)出快速大幅度階降一階升(或階升一階降)的脈沖變化，持續(xù)數(shù)分鐘－半小時后觀測值恢復(fù)正常動態(tài)變化值;但在汶川8.0級地震時出現(xiàn)小幅波動變化的南通12井水位在日本地震時基本沒有記錄到任何同震變化(表3)。

表2 汶川8.0地震時水位和水溫同震響應(yīng)主要參數(shù)Tab.2 Major parameters of co-seismic response of water level and water temperature with Wenchuan M8.0 earthquake

表3 日本9.0地震時水位和水溫同震響應(yīng)主要參數(shù)Tab.3 Major parameters of co-seismic response of water level and water temperature with Japan M9.0 earthquake

在出現(xiàn)快速脈沖變化的7口井中有6口井水位是在震后4～10 min記錄到同震水震波，而金湖06井水位的同震記錄起始時間卻表現(xiàn)出不一樣的變化，從表3的同震起始時間可發(fā)現(xiàn)，該井水位在震前4 min就出現(xiàn)快速下降，13時46分發(fā)生9.0級主震，震后2 min即13時48分出現(xiàn)一組最大脈沖變化，幅度為0.368 m(圖4)，之后持續(xù)約20 min的小幅波動變化，恢復(fù)到正常背景值。比較汶川地震時06井水位沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，分析認(rèn)為這是水位觀測儀器服務(wù)時鐘的誤差造成，由于地震發(fā)生時的觀測記錄已入庫，現(xiàn)已無法對時間進行準(zhǔn)確校正。雖然本文的研究對時間精度要求不是很高，但對于前兆觀測數(shù)據(jù)的精確性和今后的深入應(yīng)用上，數(shù)分鐘的時間誤差還是值得重視的。

圖4 金湖06井2011年3月11日8～20時水位曲線圖Fig.4 Water level curve recorded by Jinhu 06 Well from 8 am to 20 pm on Mar.11，2011

雖然日本地震震級較之汶川地震更大，但日本地震對江蘇區(qū)域井網(wǎng)水溫的同震影響要小，僅有蘇02、18、16井有同震響應(yīng)，蘇02井的水溫同震變化形態(tài)與汶川地震極其相似，呈現(xiàn)凹型變化，且變化幅度相近，分別下降0.035℃和0.032℃;蘇16井和蘇18井水溫同震變化形態(tài)與汶川地震也相似，只是下降(上升)變化的幅度較小，分別為0.011℃和0.006℃，變化趨勢更為平緩。圖5是有水溫同震響應(yīng)的3口井3月11日震后3個月的水溫整點值曲線圖，從圖中可看出，同一次地震不同井孔的水溫震后效應(yīng)是完全不同的，蘇02井在快速突降之后迅速穩(wěn)定在一個新的基值溫度上保持平穩(wěn)變化，蘇16井在震前變化平穩(wěn)，震時突升，在高值持續(xù)1天后開始趨勢下降，下降速度先急后緩，至2011年6月時趨于穩(wěn)定，之后在30.255℃新的基值線波動變化，比地震前的基值30.279℃下降了0.024℃;蘇18井水溫背景波動起伏較大，雖然同震影響呈現(xiàn)凹型變化，但變化幅度較小，只有0.006℃，震后水溫小幅抬升，約1個月后趨于正常。

圖5 日本9.0級地震震后蘇02、16、18井水溫整點值曲線Fig.5 Water temperature hour values curve recorded by Su 02，16 and 18 Wells after the Japan M9.0 earthquake

2.3 兩次地震的同震響應(yīng)特征對比分析

2.3.1 水位、水溫變化與震級和距離的響應(yīng)關(guān)系

Matsumoto(1992)研究了日本 Haibara井、Roeloffs(1998)研究了美國加利福利亞州Parkfield BV井、楊竹轉(zhuǎn)(2006)研究了云南思茅井的水位變化幅度與震級和距離的關(guān)系，這些研究結(jié)果顯示，地震后井水位變化與震級的大小和井震距滿足如下關(guān)系:

式中，Δh為水位變化幅度，單位為cm;M為地震震級;α，b1，b2為常數(shù);D為井震距。

根據(jù)表2和表3的統(tǒng)計值對江蘇10口井進行回歸計算，得

區(qū)域內(nèi)兩次強地震時的水位變化幅度基本滿足關(guān)系式(2)，特別是睢寧02井和溧陽22井均出現(xiàn)Δh＞100 cm的水位大幅脈沖型上升(或下降)變化。

進一步分析水位和水溫的變化可知，當(dāng)?shù)卣鹨鸬乃蛔兎酱螅瑴囟茸兓姆纫苍酱?圖6)，取水位變幅為自孌量X(單位為m)，溫度變幅為因變量Y(單位為℃)，滿足冪函數(shù):

從圖6可知兩次強震時大部分臺站在水位變化10 cm＜Δh＜50 cm，水溫變化在0.005℃之內(nèi)，當(dāng)水位變化幅度大于1 m時，溫度變化較大，由此可知在流體的同震響應(yīng)中溫度的變化和水位的振蕩有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖6 同震響應(yīng)的水位和水溫變化幅度關(guān)系圖Fig.6 Co-seismic response range change relationship between water level and water temperature

2.3.2 同井不同測項的對比分析

綜合統(tǒng)計10口井在兩次地震時的同震響應(yīng)情況結(jié)果如表4。

江蘇區(qū)域10口井水位均為靜水位觀測，自井口固定基準(zhǔn)面向下至井筒內(nèi)投放探頭的垂直距離在30～50 m左右;水溫觀測中金湖06井、興化08井為深層水溫，分別自井口固定基準(zhǔn)面向下400 m和800 m深度，其余8口井為中層水溫，均為自井口固定基準(zhǔn)面向下200 m深度。

從表4可知，宿豫05井和海門14井水位和水溫對兩次強震無任何同震響應(yīng)，占全部觀測井的20%，汶川地震時8口井水位記錄到水震波，占觀測井的80%，7口井記錄到水溫變化，占觀測井的60%，日本地震時6口井水位記錄到水震波，占觀測井的70%，僅有3口井記錄到水溫變化，占觀測井的30%。水位同震響應(yīng)以脈沖型變化為多，變化幅度大于水溫同震變化，而水溫以趨勢性變化為多，其同震響應(yīng)的持續(xù)時間和震后調(diào)整時間大于水位。

水位和水溫記震能力的強弱與各自的變化機制有很大的關(guān)系，水位的變化主要受含水層系統(tǒng)內(nèi)孔隙壓力及水流速度的影響，如果井—含水層系統(tǒng)的承壓性和封閉性好，那么應(yīng)力—應(yīng)變十分微弱的變化均能體現(xiàn)在水位的變化上;而水溫的變化是地下水與其周圍介質(zhì)之間能量交換的結(jié)果，能量的交換并不受地下水存貯空間的限制，水溫的變化除了受水流速度的影響外，還受水流路徑、圍巖介質(zhì)的傳熱性能以及觀測井內(nèi)水溫探頭所處的深度等多種因素的控制，水位和水溫不同的變化機理導(dǎo)致同井觀測對同一次地震的響應(yīng)能力和響應(yīng)圖像有較大差異。

表4 江蘇省數(shù)字化水位與水溫同震響應(yīng)能力統(tǒng)計表Tab.4 Co-seismic response abilities statistics of the digitalized water level and water temperature in Jiangsu Province

2.3.3 不同地震同一測項的對比分析

從表4可知無論是水位觀測還是水溫觀測，汶川8.0級地震記錄到的同震響應(yīng)變化井孔數(shù)量要多于日本9.0級地震的井孔數(shù)量，汶川地震震中距江蘇約1 300～1 500 km，而日本地震震中距江蘇約2 300～2 500 km;雖然日本地震震級更大，但由于距離的增加，使得其間的構(gòu)造單元、地下水類型、含水層的導(dǎo)水能力更加復(fù)雜多樣，使得各井水位、水溫的同震響應(yīng)階變幅度不同，階變恢復(fù)時間不等，同震響應(yīng)后效也不盡相同。

水位同震響應(yīng)程度與遠場地震的震級密切相關(guān)，震級越大則響應(yīng)程度越高，日本地震時的水位同震變化形態(tài)均以大幅脈沖—快速恢復(fù)到背景變化為主，汶川地震時的水位同震變化平緩許多，如蘇06、08、12、16井。水溫不遵循這種規(guī)律，如蘇22、21井，日本地震時沒有任何同震異常，其它井的水溫同震變化形態(tài)、幅度也整體偏小，由于溫度變化通常取決于該處的巖石透水率、溫度梯度、探頭的溫度響應(yīng)滯后時間等因素，更多的體現(xiàn)一種持續(xù)性的影響，其變化要復(fù)雜的多。

2.3.4 同一斷裂帶上相距較近的井孔有完全不同的強震響應(yīng)能力

在同時設(shè)有水位和水溫測項的10口觀測井中，兩次地震時水位與水溫皆記錄到同震響應(yīng)變化的井孔有3口，兩次地震水位和水溫均無同震變化的井孔有2口，說明區(qū)域內(nèi)不同井孔監(jiān)測能力的差異性較大。

同一斷裂帶上相距較近的井孔有完全不同的強震響應(yīng)能力，最典型的有兩組:睢寧02井和宿豫05井，南通12井和海門14井。02井和05井位于郯廬斷裂帶兩側(cè)，兩井之間相距約80 km，其巖性、成井深度、地下水類型等基本條件相近，對遠大震的響應(yīng)卻是完全不同的，05井無論水位還是水溫對2次強震沒有任何同震變化。同樣的情況也出現(xiàn)南通12井和海門14井，2井均位于通揚隆起東西向黃橋—呂四斷裂帶內(nèi)，相距20 km，但海門14井對2次強震沒有任何同震變化，這種現(xiàn)象更多的反映了該井的監(jiān)測效能也許是不足的。

從全區(qū)域來看，蘇中地區(qū)由于受覆蓋層較厚或者是地下水類型等因素的影響，幾口井對遠大震響應(yīng)的總體靈敏度均較低，而蘇南的16、18、21、22這4口井對遠大震的響應(yīng)，無論是從響應(yīng)時間、階變幅度、后續(xù)變化等參數(shù)上均體現(xiàn)出較高的監(jiān)測水平。

3 結(jié)論

筆者針對江蘇數(shù)字化地下流體觀測井網(wǎng)中10口同時具有水位、水溫2個測項的觀測資料，對汶川8.0級和日本9.0級2次大地震的水位、水溫同震變化特征和響應(yīng)能力進行了討論，得出以下初步結(jié)論:

(1)江蘇10口井的同震響應(yīng)資料表明，該區(qū)各測點水位測項的記震能力明顯強于水溫測項。大部分井水位的同震響應(yīng)有較一致的變化規(guī)律，同時與震級密切相關(guān)，震級越大則響應(yīng)程度越高，對井區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)的影響越表現(xiàn)為瞬時特征，以脈沖振蕩為主，震后較快恢復(fù)原來狀態(tài)。而水溫和水位有不同的響應(yīng)機理，因此其響應(yīng)程度與形態(tài)是不同的，且不同的井孔之間水溫變化也存在較大的差異，更多的表現(xiàn)為緩慢的恢復(fù)變化，即當(dāng)水位停止振蕩后，含水層水體與井水的橫向水力作用并沒未停止，含水層水體仍存在著相對緩慢的對流換熱過程，這也許減緩了井水溫度的恢復(fù)速率。

(2)不同構(gòu)造單元的井孔同震響應(yīng)能力有明顯差異。蘇中和蘇北地區(qū)的水位和水溫測項只有睢寧02井對兩次強震有較好的反映，大部分井孔對遠場地震所引起的水位和水溫微動態(tài)變化反映不明顯，而蘇南地區(qū)的井孔水位和水溫在這兩次地震中均記錄到了較好的同震響應(yīng)變化，這種觀測井記震能力南強北弱的原因可能是觀測井所處的地質(zhì)構(gòu)造不同所致，蘇中黃土覆蓋層較厚的構(gòu)造特征使其在捕捉應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)的微變化時較南部丘陵地帶弱，南部較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造在受到微小擾動后更有利于地下水狀態(tài)的變化。

(3)金湖06井水位在日本地震時同震響應(yīng)時間超前與地震發(fā)生時間造成的誤差，對前兆觀測數(shù)據(jù)的精確性和觀測數(shù)據(jù)的深入應(yīng)用上有較大的影響，加強對前兆觀測的時間服務(wù)系統(tǒng)校檢是監(jiān)測工作必須重視的問題之一。

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