黃驊井水位映震效能分析

尹宏偉梁麗環韓文英李 鳳劉 靜

1） 中國河北053800深州地震臺

2）中國河北050021石家莊中心地震臺

黃驊井水位映震效能分析

尹宏偉1）梁麗環1）韓文英1）李 鳳2）劉 靜2）

1） 中國河北053800深州地震臺

2）中國河北050021石家莊中心地震臺

收集整理河北省地下流體觀測井網黃驊井水位對2004年以來全球MS≥8.0地震的同震響應資料，從響應形態、響應幅度、響應時間等方面進行分析，并對黃驊井水位階變異常進行分析。結果表明，黃驊井水位的同震響應形態以階變為主；水位的同震響應幅度隨震級增大而增大，但非單純地隨井震距的增大而減小；井震距越近震級越大，水位響應地震速度越快。分析認為，2015年以來黃驊井水位階變異常可能與昌黎4.2級地震有一定相關性。

水位；同震響應；階變異常；昌黎4.2級地震

0 引言

由于地下水具有流動性、普遍性以及難壓縮性等特點，當其封閉條件足夠好，埋藏深度足夠深時，形成承壓含水層，就能客觀、靈敏地反映地殼應力應變狀態。一次地震發生后，震中外圍井孔因地震波傳播作用水位出現振蕩或階變，稱為井水位同震響應。井孔水位同震響應研究是揭示地殼介質對應力—應變過程響應最有效和最直接的手段之一，是近年來國內外地震工作者研究的熱點（Cooper，1965；黃輔瓊等，2000；張國民等，2005；舒優良等，2006；付虹等，2007；廖麗霞等，2008；顧申宜等，2011；魚金子等，2012；鄭江蓉等，2013）。

在地震孕育過程中，巖石中的微小應變反映在孔隙壓力變化上，并通過靜水壓力的傳遞或水的滲流，在井孔水位動態中表現出來（陳大慶等，2006）。地下水位的震前異常已經被許多專家研究所證實。張世民等（2003）研究了周至井地下流體觀測資料在2002年12月14日甘肅玉門5.9級地震短臨異常特征；車用太等（2014）研究了金沙江水網地下水動態在彝良MS5.7地震前兆異常及特征；付虹等（2014）研究了云南開遠井水位震前持續低值異常。

本文通過收集整理黃驊井水位觀測資料，研究該井水位2004年以來17次國內外MS≥8.0地震的同震響應特征，及河北昌黎近期MS4.2地震前異常變化，以期最大限度地挖掘黃驊井水位資料蘊含的有用信息，為相關地震研究服務。

1 井孔地質構造背景

黃驊井1971年成井，為自流井，奧陶系灰巖裂隙承壓水，水中含有大量砂石塊和氣體，出水量375 m3/h，多年泄流后，2001年出水量約170 m3/h，井孔—含水層系統導水性能良好。該井地處華北沉降帶埕寧隆起東北部邊緣埕西潛山構造帶，距渤海約30 km，井深1 250 m，1 100 m深處穿越羊二莊斷裂帶（周邊地質構造及井孔柱狀見圖1），該斷裂帶延伸方向長，切割深度深，從沙壘田凸起西側向NE方向延伸，與遼河中央凸起西側的臺安—大洼斷裂相連，表現為左階雁列—梳狀NE向展布，在剖面上表現出高陡或花狀特點，兩側地層差異較大（劉建忠等，2004；李三忠等，2004）。

黃驊井含水層巖性為灰巖，質地較松軟，連通的地下含水體裂隙大且發育，水循環深、徑流長，尤其在較高溫度和較低有效圍壓環境條件下，特殊的地質構造和含水體結構決定了該井含水層可能更易受華北地區應力場變化影響，更易處于受力破裂或變形狀態（車用太等，1989；車用太，1990）。所以，在地震孕育過程中，當與黃驊井含水層有關聯的斷裂塊體應力狀態發生改變時，巖體裂隙度就可能發生變化，從而導致該井含水層應力變化，引起井孔水位出現異常變化。

圖1　黃驊井地質構造和井孔柱狀Fig.1 The geological structure of Huanghua well and the well bore log chart

鉆孔資料表明，黃驊井孔地層缺少下第三系和石炭二疊系，上第三系明化鎮組直接與奧陶系不整合接觸，斷層、裂縫和地質不整合面構成流體活動通道，決定了該井水位的動態靈敏性，表現為水位呈趨勢下降變化，微動態清晰，氣壓效應、潮汐效應明顯。而該井觀測的含水層距地面較深，因此受大氣降雨滲入影響較小，水位持續下降是因為：①長期開采導致地下水儲量減少；②大港油田石油開采降低整個區域地層壓力，引起水位埋深降低（盛艷蕊等，2010）。

2 井孔水位同震響應特征

選取2004年1月至2015年11月全球17次MS≥8.0地震，分析黃驊井水位同震響應特征，響應形態特征統計見表1，水位同震響應記錄見圖2。

表1　黃驊井水位同震響應形態特征統計Table 1 The morphological feature statistics of coseismic response as water level of Huanghua well

圖2　黃驊井水位同震響應動態記錄曲線Fig.2 The dynamic curve of coseismic response of Huanghua well water level against the earthquake

2.1 響應幅度

從表1、圖2可見，黃驊井水位對17次MS≥8.0地震中9次地震產生同震響應，6次地震無響應，2次地震資料缺失。從圖2看出，黃驊井水位同震響應形態以階變為主，表現為階升、階降—緩升、振蕩—階升、振蕩—階降形態。黃驊井水位對各地震同震響應幅度不同，持續時間不等，且井孔水位響應地震時間不一致。其中，2008年汶川8.0級地震響應幅度最大，震后水位階升879 mm，2006年11月15日千島群島MS8.0地震響應幅度最小，僅5 mm。

（1）2004年以來印度尼西亞蘇門答臘附近共發生6次MS8.0以上地震，與黃驊井距離相近，震級從8.2—8.7不等，井水位響應幅度也不一致。從表1可見，震級最大的兩次地震分別是2004年12月26日MS8.7地震和2012年4月11日MS8.6地震，黃驊井水位響應幅度分別為227 mm和250 mm；震級最小的兩次地震分別是2007年9月13日MS8.3地震和2012年4月11日MS8.2地震，黃驊井水位響應幅度分別是11 mm和54 mm，可見，當井震距相近時，黃驊井水位的同震響應幅度大體隨震級增大而增大。

（2）2004年以來全球發生8次MS8.0、MS8.1地震，黃驊井水位對其中3次地震產生同震響應（表1）：①2008年汶川MS8.0地震距黃驊井1 543 km，是井震距最近的8.0級地震，井水位響應幅度在17次大震中最大，為879 mm；②2006年4月21日勘察加半島MS8.0地震井震距4 220 km，水位響應幅度為23 mm；③2006年11月15日千島群島MS8.0地震井震距3 036 km，水位響應幅度為5 mm。

2005年6月14日和2014年4月2日智利2次MS8.1地震，黃驊井水位均無響應。調查發現，河北省測震臺站均記錄到此2次遠震，其中玉田井記錄到2005年6月14日智利8.1級地震的大幅度水震波，峰4井記錄到2014年4月2日智利8.1級地震的大幅度水震波（受篇幅所限，未附圖件），可見地震已波及河北省，并被某些觀測井記錄到。黃驊井未記錄到智利2次地震，可能是因為：①與井孔結構及含水層有關，井筒半徑、井筒內水柱高度、含水層巖體結構等決定了觀測井的固有頻率，當該頻率與地震面波頻率一致時，井孔水位響應地震能力最強（張子廣等，1998），黃驊井固有頻率可能與智利地震面波頻率不一致；②與距離有關，井震距太遠，地震波經過長距離傳播，能量衰減，到達黃驊井后剩余能量不足以引起井孔水位變化。

（3）2013年5月24日鄂霍次克海MS8.2地震和2015年5月30日日本小笠原群島MS8.0地震井震距不是太大，黃驊井水位無同震響應，可能是震源深度太大的原因，鄂霍次克海地震震源深度為600 km，日本小笠原群島地震震源深度為690 km。研究發現，當震級相近時，黃驊井水位的同震響應幅度有隨井震距增大而減小的趨勢，但不完全一致，勘察加半島MS8.0地震的井震距比千島群島MS8.0地震的井震距大，二者震源深度同為33 km，但黃驊井水位對其響應幅度卻比千島群島地震大。

綜上所述，黃驊井水位的同震響應幅度不僅與震級、井震距、震源深度有關，還可能與震源機制、地震波傳播路徑的地質構造等因素有關。

2.2 響應時間

從表1可知，黃驊井水位同震響應時間最短的是2004年12月26日印度尼西亞蘇門答臘MS8.7地震，震后13 min井水位出現響應；響應時間最長的是2012年4月11日印度尼西亞蘇門答臘MS8.2地震，震后24 min井水位才出現響應。因2012年4月11日印度尼西亞蘇門答臘發生2次地震，在MS8.2地震前2 h4 min發生1次MS8.6地震，2次地震相隔時間短，MS8.6地震掩蓋了MS8.2地震對黃驊井對水位的影響，導致黃驊井水位對MS8.2地震的響應時間判定存在偏差，故對此不做分析。2005年3月29日印度尼西亞蘇門答臘MS8.5地震后17 min黃驊井水位出現響應，比2004年MS8.7地震慢4 min，2次地震的井震距相差114 km，而地震波傳播速度一般為6—8 km/s，4 min傳播距離可達2 000 km，可見響應時間差非距離引起；黃驊井水位儀時鐘采用GPS授時，精度高，鐘差可以忽略不計，故響應時間差也非儀器鐘差引起。因此，①震級決定了黃驊井水位對井震距相近的2次地震響應時間快慢不同，同一地點不同時間發生2次地震，震級越大，水位響應速度越快，反之亦然；②對于不同地點不同時間的2次地震，如：2007年9月12日印度尼西亞MS8.5地震及2007年9月13日印度尼西亞MS8.3地震，由表1可知，MS8.5地震井震距較大，而黃驊井水位對其響應較快，可見此類地震水位響應時間與井震距無關，與震級大小成正比。

3 井孔水位階變異常分析

黃驊井水位2004年開始數字化觀測，由于地熱及石油開采過量，水位呈趨勢下降變化，至2015年11月累計下降27.2 m，且多次出現大幅度階變（圖3），下降幅度大于0.500 m（同震階變除外）的階變統計見表2。

圖3　2004—2015年黃驊井水位動態變化曲線（a）2004—2015年；（b）2015年Fig.3 The dynamic level graph of Huanghua well

表2　2004—2015年黃驊井水位階變統計Table 2 The status variable statistics of Huanghua well water level from the year 2004 to 2015

從圖3、表2可見，2004—2014年黃驊井水位出現12次階變，最大幅度為1.502 m，2015年以來水位階變頻次增加，幅度變大，在不到1年時間內出現6次大幅度階變，最大幅度為4.356 m，并于9月14日18：10在河北昌黎發生MS4.2地震，震源深度10 km，井震距185 km。在此以此次昌黎地震為例，分析黃驊井水位2015年階變異常特征。

3.1 水位階變發震特征

（1）黃驊井水位曾記錄到顯著地震前兆異常。2005年1月—2006年6月黃驊井水位呈下降趨勢，6月28日—29日大幅上升，幅度約0.2 m，之后高值變化，7月4日凌晨水位再次加速上升，11：56發生文安5.1級地震（呼晶磊等，2008）；2012年2月2日02：03—04：38黃驊井水位快速下降0.676 m，之后小幅振蕩25 min，然后小幅突升，05：16遼寧營口發生4.3級地震，05：17達最高值，05：29—06：51水位又快速回升0.157 m，05：43營口又發生1次4.1級地震（張素欣等，2013）。

（2）黃驊井水位在整體下降趨勢背景下，2015年3月1日14：00至6月28日16：00出現4次大幅度階升變化，變化幅度分別為4.356 m、1.678 m、1.099 m、2.160 m，之后水位趨勢下降，并在下降過程中于9月14日18：10發生河北昌黎4.2級地震，見表2、圖3。對2015年3月1日黃驊井水位4.356 m的階升變化，河北省地震局預測研究中心流體學科組進行現場核實。通過校測水位、檢查觀測系統工作狀態及地表水環境、石油井開采注水等調查，并結合該井以往震例資料，分析認為，黃驊井水位大幅度階升變化與該井之前階變成因機理相同，應為構造活動引起，應密切跟蹤監視，并關注郯廬地震帶及環渤海地區地震活動（丁志華等，2015）①丁志華，張子廣，盛艷蕊等，2015，異常核實——2015年3月7日河北黃驊井水位。可見，黃驊井水位階變異常與地震在時間上對應關系較好，水位變化形態表現為多次大幅度階升，到達高值后下降，并在下降過程中發震。

3.2 孕震機理

李欽祖（1982）研究震前地下水動態異常展布范圍認為，大多數地震前地下水異常可能是與震源相關聯區域應力場活動的反映，即各種復雜地下水異常反映的是一個映震場。張素欣等（2013）采用多點應力集中解釋了黃驊井水位在遼寧營口地震前出現大幅下降的前兆異常變化機理。地震的孕育與發生是區域應力作用結果，由于地殼被斷裂切割成不連續介質，當區域邊界上有外力作用時，如板塊擠壓或地幔物質上涌，必然同步出現多個應力集中點，其介質的構造條件、幾何形狀和力學性質不盡相同，應力集中的程度、應變水平及演化進程也會多種多樣。

黃驊井所處羊二莊斷裂帶向NE方向延伸穿過河北秦皇島地區，即2015年昌黎4.2級地震的震中區域，該地震的孕震體可能在羊二莊斷裂帶，或與該斷裂帶密切相關。因此，在昌黎地震孕育過程中，孕震巖體應力應變的微小變化通過羊二莊斷裂帶傳播到黃驊井含水層，引起含水層巖體孔隙度改變。因黃驊井孔—含水層系統導水性能良好，含水層巖體孔隙度改變導致井筒與含水層之間水量交換，當含水層巖體孔隙度減小時，水從含水層流向井筒，水位上升；當含水層巖體孔隙度增大時，水從井筒流回含水層，水位下降。觀測井含水層巖體相當于1臺拾震器，而井筒及所含水柱則相當于1臺地震記錄儀，黃驊井觀測層位承壓性好，水位觀測靈敏度高，對地殼巖體的微小應變產生放大作用，由此導致該井水位在地震前出現大幅度階變。可見，黃驊井水位2015年階變異常與昌黎4.2級地震具有一定相關性。

4 結論

通過對黃驊井水位同震響應和階變異常特征進行分析，得出以下結論：①黃驊井水位對遠場大震的同震響應形態以階變為主；②水位同震響應幅度大體隨震級增大而增大；③水位同震響應幅度并非單純隨井震距增大而減小，還可能與震源深度、震源機制、地震波傳播路徑等因素有關；④當井震距相近時，井孔水位響應地震速度主要取決于地震震級，震級越大，井水位響應地震速度越快；⑤2015年以來黃驊井水位出現的幾次大幅度階變異常可能與昌黎4.2級地震的發生具有一定相關性。

車用太，等 .不同溫壓條件下飽水砂巖的變形破壞與孔隙壓力間題的試驗研究［J］.中國地震，1989，5（1）：9-l5.

車用太.地下水動態映震理論與預報地震方法［J］.地震，1990，10（6）：19-25.

車用太，李萬明，劉成龍，等.金沙江水網地下水動態在彝良 MS5.7地震前的異常及其特征［J］.地震，2011，34（1）：104-111.

陳大慶.我國大陸水位水溫觀測對印度尼西亞8.7級地震的同震響應特征及機理研究［D］.中國地震局地殼應力研究所，2006.

付虹，鄔成棟，趙小艷，等.云南開遠井水位異常分析［J］.地震學報，2014，36（2）：292-298.

付虹，鄔成棟，劉強，等.印度尼西亞巨大地震引起的云南水位異常記錄及其意義 ［J］.地震地質，2007，29（4）：873-882.

顧申宜，劉陽，張慧，等.海南瓊海加積井水位對遠大震的同震響應特征研究 ［J］.中國地震，2011，27（1）：83-91.

黃輔瓊，遲恭財，徐桂明，等.大陸地下流體對中國臺灣南投7.6級地震的響應研究［J］.地震，2000，20（Z1）：119-125.

呼晶磊，王鑫.文安MS5.1地震前后埕古1井的水位異常變化分析［J］.東北地震研究，2008，24（2）：35-39.

李欽祖.華北地區震源機制與地殼應力場［J］.地震學報，1982，4（1）：55-61.

李三忠，周立宏，劉建忠，等.華北板塊東部中生代斷裂構造特征與盆地成因［J］.海洋地質與第四紀地質，2004，24（3）：57-66.

廖麗霞，王玫玲.福建水位觀測網對印度尼西亞8級巨震的響應特征分析［J］.地震地磁觀測與研究，2008，29（4）：67-72.

劉建忠，李三忠，周立宏，等.華北板塊東部中生代構造變形與盆地格局［J］.海洋地質與第四紀地質，2004，24（4）：45-54.

盛艷蕊，張子廣，張素欣，等.黃驊井水位水溫同步反向變化成因分析［J］.華北地震科學，2010，28（4）：37-40.

舒優良，張世民，黃輔瓊.印度尼西亞8.7級和8.5級兩次強震周至深井的震時效應研究［J］.地震地磁觀測與研究，2006，27（2）：16-22.

魚金子，車用太，劉成龍，等.金沙江水網對日本9.0級地震的同震響應及其特征與機理［J］.地震，2012，32（1）：59-69.

張國民，張曉東，劉杰，等.印度尼西亞蘇門答臘8.7級大震對中國陸區的影響［J］.地震，2005，25（4）：15-25.

張子廣，萬迪坤，董守玉.水震波與地震面波的對比研究及其應用［J］.地震，1998，18（4）：399-404.

張世民，舒優良，黃輔瓊，等.甘肅玉門5.9 級地震前周至數字化綜合觀測井的異常特征［J］.華北地震科學，2003，21（3）：37-41.

張素欣，張子廣，盛艷蕊，等.一次顯著的遠場水位短臨異常［J］.中國地震，2013，29（3）：386-392.

鄭江蓉，楊從杰，江昊琳.江蘇流體井網對汶川和日本地震的同震響應特征研究［J］.地震研究，2013，36（1）：34-41.

Cooper H H，et al.The response of well-aquifer system to seismic waves ［J］.J Geophys Res，1965，70（16）：3 915-3 926.

Abstract

In our work，earthquake coseismic response data which was provided from the observation well pattern of underground fluid level of Hebei Province at Huanghua well，generated by the earthquake happened in the global MShigher than acuity 8.0 since 2004 are collected and analyzed.The analysis contained many aspects such as the response form，the response amplitude，response time and so on.We also analysed the anomaly step change of water level of Huanghua well.As the results，the form of coseismic response of water level in Huanghua well is mainly performed by step variable.The water level of coseismic response amplitude increases with the growth of the magnitude，but it does not simply decrease with increasing the epicentral distance.When the epicentral distance is similar，the magnitude of earthquake is greater，and the response of water level to the earthquake is faster.Since 2015，the level change of Huanghua well with abnormal status may have certain relevance with Changli M 4.2 earthquake.

The efficiency search of water level in Huanghua well

Yin Hongwei1），Liang Lihuan1），Han Wenying1），Li Feng2）and Liu Jing2）
1） Shenzhou Seismic Station，Hebei Province 053800，China
2） Shijiazhuang Central Seismic Station，Hebei Province 050021，China

water level，co-seismic response，stepping change anomaly，Changli M 4.2 earthquake

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.004

尹宏偉（1971—），男，工程師，主要從事地下流體觀測與研究工作。E-mail：yinhongwei1971@163.com