丹江口井網流體動態與尼泊爾M8.1地震同震響應分析

李俊超 康 波 陳星星 王秋良

1 中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 2 湖北省地震局，武漢市洪山側路40號，430071

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丹江口井網流體動態與尼泊爾M8.1地震同震響應分析

李俊超1,2康 波1,2陳星星1,2王秋良1

1 中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 2 湖北省地震局，武漢市洪山側路40號，430071

分析丹江口井網3口井水位、水溫2013～2015年的觀測數據，建立各個測項的正常動態，總結井網對2015-04-25尼泊爾M8.1地震的響應特征，探討同震響應差異的可能原因，初步得到水位同震響應幅度與震級、井震距的關系。結果表明，井網水位年動態受降雨影響有一定規律，月正常動態普遍顯示出固體潮效應與氣壓效應；水溫年動態平穩，年變幅度在0.1 ℃左右。對于尼泊爾地震同震效應，唐扒井水位階升-階降式脈沖變化和水溫陡降-緩升式脈沖變化是由水位和水溫的變化機理不同導致的；雷莊井與唐扒井水位表現出不同的同震響應特征，判斷與它們所處斷裂的不同走向有關；盛灣井水溫階降型同震響應幅度較唐扒井小得多，可能是觀測層巖性及地下水類型等差異導致的。

井水位;尼泊爾地震;同震效應;后效特征

為了更好地監測和研究丹江口水庫續建工程誘發地震，南水北調中線水源有限責任公司于2012年建設了專用的丹江口水庫誘發地震監測系統，該系統包括11個測震臺和3個地下流體觀測井(丹江口井網)。本文對2013年以來產出的數據進行整理分析，建立了3口井水位水溫測項的正常動態，選取2015-04-25尼泊爾M8.1地震引起的井網同震變化特征進行分析探討，為續建工程高水位運行期庫區誘發地震的機理研究提供基礎。

1 地震地質及井網概況

丹江口庫區地處秦嶺褶皺系東南緣，北跨大巴山褶皺帶，南跨秦嶺冒地槽褶皺帶，東部緊鄰南陽-襄樊坳陷。丹江口水庫由漢庫和丹庫組成，沿漢庫展布的斷裂主要有北北西向的白河-谷城斷裂和兩鄖斷裂。漢庫的基底主要是元古界石英片巖等變質巖系和白堊-第三紀的紅層，僅艾家河一帶有少量下古生代地層分布，透水性弱，庫水不易滲透到深部。初期工程建設以來，極少發生水庫地震。丹庫庫段主要分布下古生代灰巖、夾砂頁巖、上古生代砂頁巖、上白堊紀-第三紀紅層和第四紀沉積。丹庫及鄰區的區域性斷裂有北西西向的金家棚斷裂、陶岔斷裂、瓦屋廠-周山斷裂和厚坡斷裂，以及近南北向的丹江深斷裂。這種構造環境利于庫水向庫岸深部滲透，并打破庫區應力平衡[1-2]而誘發地震。

丹江口井網由雷莊井(W1)、唐扒井(W2)和盛灣井(W3)3口井組成, 分設在重點監視區和水庫誘發地震潛在危險區內(見圖1，圖中地震為初期工程發生的水庫地震)，井間距為5～20 km。主要測項包括水位、水溫與氣象三要素等輔助觀測，觀測技術全部為數字化連續觀測。使用的儀器是中國地震局地震研究所研制的DSW-01 型地下流體綜合觀測儀, 水位分辨力為1 mm, 水溫分辨力為0.001 ℃, 采樣周期為1 min。3口觀測井的基本特征如表1 所示。觀測井的井孔結構除了井深略有差異外, 觀測層以上部分為全封閉不銹鋼套管，觀測層及以下部分為鏤空不銹鋼套管，上部封閉套管的底部鋼管與孔壁間用橡膠止水材料封井，長度約50 cm，以保證觀測層不受地表降雨等因素的干擾。

2 地下流體動態分析

以2013～2015年丹江口井網實際觀測數據

圖1 丹江口水庫誘發地震監測系統觀測臺站分布示意圖Fig.1 Distribution of Danjiangkou reservoir induced earthquake monitoring stations

為基礎，建立水位、水溫測項的正常動態。年動態以日均值繪制，月動態以整點值繪制。在此基礎上，對2015-04-25尼泊爾M8.1地震同震效應進行分析。

2.1 井水位動態分析

丹江口井網3口井的水位年動態曲線如圖2所示。W1井整體趨勢平穩，年變幅度為2.5 m；2013-04因雷擊更換儀器，曲線出現臺階；受降雨影響，每年7～9月水位曲線出現上升波動。W2井年變幅度達5.3 m； 2013-04、2014-04兩次因水位下降，探頭漏出水面，曲線出現臺階；因降雨影響，2013-07～2014-03水位曲線出現起伏，2014-09、10曲線出現波動；2014-04以后曲線整體趨勢平穩。W3井整體為趨勢下降型，年變幅度達9.2 m。各井水位動態類型及年變幅度等動態特征見表2。根據觀測數據計算結果，3口井水位均有地球固體潮汐效應, 潮差為13～50 mm；均有氣壓效應, 氣壓系數為0.02～1.20 mm/hPa；W2井顯示典型潮汐效應、氣壓效應、降雨干擾效應(圖3)，反映了井水位對地殼應力應變的響應能力。

表1 丹江口井網的基本特征

表2 丹江口井網井水位動態特征

圖2 丹江口井網3口井水位年動態曲線Fig.2 Curves of annual behaviors of groundwater levels in 3 wells of Danjiangkou well network

圖3 丹江口井網水位典型月動態曲線(2013-06)Fig.3 Typical monthly behaviors of groundwater levels in Danjiangkou well network(June 2013)

2.2 井水溫動態分析

丹江口井網3口井水溫年動態見圖4。除2013-04因儀器故障出現臺階外，W1井整體趨勢平穩，變化范圍為17.996～18.393 ℃，年變幅度在0.01 ℃左右。W2井為趨勢下降型，變化范圍為17.424～17.632 ℃，年變幅度達0.104 ℃。W3井呈趨勢上升型，變化范圍為17.301 7～17.327 5 ℃，年變幅度達0.003 ℃。各井水溫日變幅與月變幅統計結果(見表3)表明，井水溫度日變幅一般為千分之幾℃，月變幅一般小于0.01 ℃。

圖4 丹江口井網3口井水溫年動態曲線Fig.4 Curves of annual behaviors of groundwater temperature in 3 wells of Danjiangkou well network

井號日變幅度/℃月變幅度/℃月變形態W10.0001～0.00200.0011～0.0076下降、平穩W20.0001～0.00220.0044～0.0186下降、平穩W30.0001～0.00190.0012～0.0073起伏、平穩

3 尼泊爾M8.1地震同震響應分析

3.1 同震效應特征

2015-04-25尼泊爾M8.1地震發生，丹江口井網井水位出現震后同震效應(見圖2)。W1井水位表現為振蕩型變化，水位降幅達3.8 cm，后未恢復到原水位，表現為階升后效；W2井水位表現為階升-階降的脈沖變化，水位降幅達6.4 cm，恢復后水位較原水位有所上升；W3井水位同震變化不明顯，震前一直處于快速下降變化，對其作線性去傾處理后，震后井水位有下降趨勢(見表2)。

W1井水溫測項同震效應不明顯。W2井水溫測項表現為陡降-緩升的脈沖變化，變化幅度達0.028 ℃，恢復后水溫較震前水溫下降0.002 ℃。W3井水溫測項震后呈振蕩型階降變化，變化幅度達0.000 5 ℃，后恢復至震前水溫(圖2、表3)。

3.2 同井位不同測項對比分析

W1井水位表現為振蕩型同震變化，水溫測項同震效應不明顯；W2井水位表現為向上的脈沖響應，水溫為向下的脈沖效應；W3井水位表現為不明顯的階降響應，水溫為階降型同震變化。水位變化受含水層系統內孔隙水壓力及水流速度影響較大，如果含水層有較好的承壓性及封閉性，則微小的應力應變變化就能對井水位產生影響。水溫變化是地下水與其周圍介質能量交換的結果，除受水流速度的影響外，還受水流路徑、圍巖介質的傳熱性能及觀測井內水溫探頭所處深度等多種因素控制。

3.3 不同井位同測項對比分析

W1井與W2井處于南秦嶺褶皺帶次級單元不同的斷裂帶，W1井處于NWW走向的兩鄖斷裂，W2井處于NNW走向的金家棚斷裂，2口井的觀測層都為灰巖。W1井水位響應變化時間滯后于W2井15 min左右，W1井水位響應形態為向下的脈沖響應，而W2井水位響應形態為向上的脈沖響應，判斷與它們所處的斷裂走向不同有關。W3井處于NWW向的瓦屋廠-周山斷裂，觀測層為砂巖層，水位測項未記錄到明顯的同震效應，可能與其所處斷裂類型及觀測層巖性等有關。W1井水溫同震變化記錄不明顯；W2井與W3井處于不同的構造帶，2口井水溫測項均表現為階降型同震效應，W2井下降幅度較W3井大得多，可能與2口井不同的觀測層巖性及地下水類型等有關(見圖5、表4、表5)。

表4 丹江口井網井水位對尼泊爾M8.1地震

表5 丹江口井網井水溫對尼泊爾M8.1地震

3.4 井水位同震變化關系

井水位變化量級與震級大小、井震距的關系可以表示為[3-7]：

(1)

式中，Δhi為水位上升的幅值，cm；M為面波震級；b1、b2、a為常數；D為井震距。

圖5 丹江口井網對尼泊爾M8.1地震的同震效應Fig.5 Coseismic changes of Danjiangkou well network caused by the Nepal M8.1 earthquake

表3列出了2013-05-24鄂霍次克海M8.2地震、2014-06-24拉特群島M7.9地震、2015-04-25尼泊爾M8.1三次地震時W1井、W2井水位同震響應特征。經回歸計算，得出上述2口井的近似關系式為：

lgΔhi=-0.84M-2.87lgD+17.22

(2)

式(2)表明，2口井水位同震變化幅度受井震距影響較大，并隨井震距的增大而減小。進一步推導，當Δhi≥5 cm時，震級及井震距滿足下式：

M≥-3.42lgD+19.67

(3)

即當震級和井震距滿足式(3)時，井水位的上升會超過5 cm。

3.5 引起同震效應的地震波類型

顧申宜等[8]對海南瓊海加積井引起水位同震響應的地震波類型進行了分析,得出引起同震響應的地震波大多為面波的結論。將W1井、W2井水位同震響應記錄與丹江地震臺(32.576 0°N，111.551 0°E)04-25 14:00記錄的尼泊爾M8.1地震波進行對比分析。水位觀測中使用的時間校準方法是網絡IP 地址授時，誤差在 0.1 s 級，滿足精度要求。將地震波重新采樣處理后與2口井的水位水溫響應曲線對比分析(見圖6)可以看出,同震響應主要發生在面波到達30 min之后，判斷為面波引起。

4 結 語

本文建立了丹江口井網3口井2013年運行以來的水位水溫年正常動態。水位年動態曲線有一定規律，受降雨影響會出現波動；水溫年動態曲線基本平穩，年變化幅度在0.1 ℃左右，月變化幅度在0.01 ℃以下。水位的月正常動態普遍顯示出固體潮效應與氣壓效應。3口井對地震波作用有較強的響應能力，由此可推測該井網具有一定的地震前兆監測能力。對2015-04-25尼泊爾M8.1地震引起丹江口井網的同震效應特征進行了分析，結果顯示：

表6 井水位響應特征統計表

圖6 井網同震響應曲線與對應地震波形Fig.6 Earthquake response of well network with seismic waveform

1)丹江口井網3口井水溫水位階變類型不一致，表現為振蕩型、脈沖型等。水位水溫不同的變化機理導致雷莊井水位測項記錄到振蕩型同震變化，水溫測項同震效應不明顯；唐扒井水位測項記錄到階升-階降的脈沖型同震效應，水溫測項記錄為陡降-緩升的脈沖變化；盛灣井水位測項記錄到不明顯的階降響應，水溫測項記錄到階降型同震變化。

2)雷莊井水位響應形態為向下的脈沖響應，而唐扒井水位響應形態為向上的脈沖響應，判斷與該井所處構造帶走向有關；唐扒井與盛灣井水溫測項均表現為階降型同震效應，唐扒井下降幅度較大，可能與2口井不同的觀測層巖性及地下水類型等有關。

3)引起唐扒井、雷莊井水位水溫同震響應的地震波主要是面波(R波)，同震變化主要發生在面波到達30 min之后。

致謝：本研究得到中國地震局地震研究所高級工程師張衛華在數據處理方面的協助,在此致以謝意。

[1] 劉素梅.丹江口水庫續建工程誘發地震研究[D].武漢:武漢理工大學，2005(Liu Sumei.Study on Reservoir-Induced Seismicity in the Subsequent Project of Danjiangkou Reservoir[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2005)

[2] 劉文清，朱建，徐新喜,等.丹江口庫區本底地震與水庫地震趨勢分析[J].地震地磁觀測與研究，2015,36(3)：58-62(Liu Wenqing,Zhu Jian,Xu Xinxi,et al.About Background Research and Reservoir Earthquake Trend Analysis in Danjiangkou Reservoir Area[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research,2015,36(3):58-62)

[3] 張衛華，王秋良，李井岡,等.三峽井網地下水同震效應特征研究[J].大地測量與地球動力學,2013，33(4)：31-34(Zhang Weihua, Wang Qiuliang,Li Jinggang,et al.Analysis on Coseismic Effect of Groundwater from Three Gorges Well Network[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2013,33(4):31-34)

[4] Roeloffs E A.Persistent Water Level Changes in a Well near Parkfield California,due to Local and Distant Earthquakes[J].J Geophys Res,1998,103(B1):869-889

[5] 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(Zheng Jiangrong,Yang Congjie,Jiang HaoLin.Research on Co-Seismic Responses Features of Wenchuan M8.0 and Japan M9.0 Earthquakes in Jiangsu Fluid Well Pattern System[J].Journal of Seismological Research,2013,36(1)：34-41)

[6] 楊竹轉，鄧志輝，趙云旭,等. 云南思茅大寨井水位同震階變的初步研究[J]．地震學報,2006,27(5):569-574(Yang Zhuzhuan, Deng Zhihui,Zhao Yunxu,et al.Preliminary Study on Coseismic Steps of Water Level in Dazhai Well,Simao City,Yunnan Province[J].Acta Seismologica Sinica,2006,27(5):569-574)

[7] 孫小龍，劉耀煒.本溪自流井水位與水溫同震變化關系研究[J].大地測量與地球動力學,2007,27(6):100-104(Sun Xiaolong,Liu Yaowei.Relation of Coseismic Changes between Water Level and Water Temperature of Benxi Artesian Well[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2007,27(6):100-104)

[8] 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(Gu Shenyi, Liu Yang,Zhang Hui,et al.The Characteristics Analysis on Co-Seismic Response of Water Level in the Jiaji Well，Hainan[J].Earthquake Research in China,2011,27(1):83-91)

Fluid Dynamic and Seismic Response Analysis of Nepal M8.1 Earthquake with the Danjiangkou Well Network

LIJunchao1,2KANGBo1,2CHENXingxing1,2WANGQiuliang1

1 Key Laboratory of Earthquake Geodesy,Institute of Seismology,CEA,40 Hongshance Road,Wuhan 430071,China 2 Earthquake Administration of Hubei Province, 40 Hongshance Road,Wuhan 430071,China

We analyzes the Danjiangkou well network 3 wells water level and water temperature observation data from 2013 to 2015. The normal dynamic individual test items are established. We study the different coseismic changes of water level caused by the Nepal M8.1 earthquake on April 25 in 2015 through the Danjiangkou fluid underground well network. The mechanism is explained. Corresponding relationships between magnitude earthquake response and surface wave magnitude and distance are deduced. We analyze the cause of the earthquake coseismic response waveform. The result indicate that well dynamic affect by rainfall water level has certain rules: monthly normal dynamics generally exhibit tidal and pressure effects; furthermore temperature dynamics are smooth, varying in the range of about 0.1 ℃.; different pulse changes of the Tangpa well are caused by different mechanisms of change between water temperature and well water. Different earthquake response characteristics on water level between Tangpa and Leizhuang wells may be associated with their different fault strikes. The water temperature of Shengwan well decreases much less than Tangpa well, caused by different lithology and groundwater type.

well water; Nepal earthquake; coseismic effect;aftereffect features

Monitoring, Prediction,Research,Three-Pronged Research Topics of CEA,No.151704.

WANG Qiuliang, PhD, associate researcher,majors in reservoir-reduced earthquake,E-mail: wql0703@163.com.

2015-10-30

項目來源：中國地震局監測、預報、科研三結合課題(151704)。

李俊超,工程師,主要從事地震監測預報研究，E-mail:cde159m@163.com。

王秋良,博士,副研究員,從事水庫地震研究，E-mail:wql0703@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.017

1671-5942(2016)011-1025-06

P315

A

About the first author:LI Junchao, engineer, majors in earthquake monitoring and prediction,E-mail:cde159m@163.com.