山西水位觀測井對遠場大震記震能力及震時應力變化量分析

穆慧敏，劉國俊，胡玉良，程冬焱，李惠玲

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

井水位是我國地震地下流體觀測的主要測項，在地震監(jiān)測預報中發(fā)揮著重要的作用。我國流體監(jiān)測井網“十五”“十一五”數字化升級改造之后，高精度數字化觀測儀的研制并投入使用，為水位動態(tài)研究提供了豐富的數據，分析研究同震水文響應的特征及機制，對于深入理解構造運動與地殼流體之間的相互作用，理解地震的孕育過程及地震觸發(fā)有著重要意義[1]。筆者在前人研究的基礎上，收集、整理了山西地震水位觀測資料，對各觀測井遠場大震響應能力進行分析，計算遠場地震震時應力場的變化，總結井水位同震響應變化特征，探討水位同震變化的機理，從中發(fā)現一些水位同震響應變化規(guī)律，為地震預測研究提供參考。

1 山西觀測井概況

山西地區(qū)流體井水位目前由12口觀測井組成，除紅崖頭、鴉兒坑為背景場項目新增測點(2014年2月1日正式入網)外，其余為“十五”數字化期間新增改造的測點。流體觀測井沿北東向山西斷裂帶自南向北分布，分別布設在各構造邊界帶或主要斷裂帶上，除鎮(zhèn)川井、紅崖頭井、漫水井為動水位觀測外，其余9口井均為靜水位觀測。水位觀測儀器為LN-3A和SWY-II型水位儀，兩套儀器運行穩(wěn)定，觀測數據一致性較好，精度均優(yōu)于0.001 m[2]。觀測井概況如第37頁表1所示。

分析2007年以來的觀測資料可知，東郭井、孝義井、臨汾井、紅崖頭井屬趨勢下降型變化；太原井屬趨勢上升型變化；介休、朔州、漫水、祁縣、靜樂井屬起伏型變化；鎮(zhèn)川井、鴉兒坑井屬平穩(wěn)型變化。12口井水位均不同程度地受降雨滲入補給的干擾，具有明顯的地球固體潮汐日變化、氣壓效應。

2 山西省水位觀測井記震能力分析

2.1 記震能力統(tǒng)計

2007-2016年，全球發(fā)生7級以上地震221次，山西有9個水位觀測井記錄到不同程度的同震效應，分別為朔州井、靜樂井、漫水井、孝義井、祁縣井、介休井、太原井、東郭井、鎮(zhèn)川井(見第37頁表2)；臨汾井未記錄到同震效應；紅崖頭井、鴉兒坑井為新增測點，自2014年2月1日正式觀測以來未記錄到同震效應。

由表2可見，朔州井、靜樂井、漫水井記震能力最強，結合水文地質資料，朔州井、靜樂井均為巖溶承壓水，所屬觀測層均為奧陶系灰?guī)r；漫水井為承壓自流水，所屬觀測層為T1砂巖。記錄到水位同震響應的9口觀測井，其含水層巖性大多為灰?guī)r，其次是砂巖。表明含水層為灰?guī)r和砂巖的井孔記震能力強，這與張淑亮等人的相關研究成果有相似的特征[3]。

2.2 同震響應特征

收集山西地震水位觀測井2007年以來記錄到的全球7級以上地震的同震響應資料，根據各自的特征進行歸類分析。結果顯示，山西水位記錄到的同震響應形態(tài)主要以振蕩型和階變型為主，靜水位的上升、振蕩兩種形態(tài)較多,動水位則以下降形態(tài)為主,響應幅度在2～1 480 mm之間變化,響應時間與地震波到達時間基本一致,震后恢復時間不等，且同一口井水位對不同地震的響應形態(tài)不同(見表3)。

表1 山西水位觀測井概況Table 1 General survey of water level observation wells in Shanxi

表2 2007-2016年山西水位對全球7.0級以上地震的同震響應能力Table 2 Coseismic response ability of water level observation in Shanxi to M>7earthquakes in the world from 2007 to 2016

表3 山西水井記錄到全球7.0級以上地震的同震響應特征Table 3 coseismic response characteristics of water level observation in Shanxi to record M>7 earthquakes in the world

從表3可見，朔州井、靜樂井、漫水井與孝義井同震響應以振蕩型為主，祁縣井、介休井、東郭井、太原井與鎮(zhèn)川井以階變型為主。水位振蕩型是指在地震振動作用下，井水位在一個相對穩(wěn)定的“基線”上出現類似地震波的高頻振蕩；水位階變型是指在地震波作用下，井水位出現階變式上升或下降[4]。在應力作用下含水層瞬時變形引起孔隙壓力的瞬時變化，使孔隙水來不及與外界交換。若此時巖石受到張力作用，則巖石的孔隙率變大而孔隙水壓變小，水流由井孔返回含水層，致使水位下降；反之，受到壓力作用時，水位則表現為上升[5-6]。

在強地震發(fā)生過程中，水位的同震響應可能是因為地震時應力傳遞造成含水層的變化，或是因為地殼在地震發(fā)生瞬間使含水層破裂或地下水流的阻塞造成。在遠場地震中，地應力的傳遞及造成區(qū)域地殼發(fā)生應變的現象，對地下水位變動的直接影響較小，但地震釋放的能量卻能將地震波傳遞到很遠的距離，地震波引起的動態(tài)應力本身不能引起井水位的持續(xù)變化，但是能夠清除裂隙中的障礙體，從而改變含水層的滲透系數并導致孔隙壓力的重新分布[7-8]。井水位同震幅度變化大小取決于井孔尺寸，含水層的傳導性、儲存系數和孔隙度，也取決于地震波的類型、周期和振幅等多種因素。水位同震升降性質受控于當地的地質構造環(huán)境和水文地質條件等因素，其機理更為復雜[9]。

3 由震時水位階變反演含水層應力值

通過分析井水位與含水層應力應變變化之間的關系，研究井水位與區(qū)域應力場的關系，探求地下流體中的前兆信息[10]，利用井水位階變反演含水層應力變化的理論模式如下[11]。

考慮在各向同性承壓含水層中的完整井，該含水層呈水平無限延伸。假設各層的力學性質是各向同性的完全彈性體，在這種理想情況下，當含水層受到一個垂向的應力作用時，含水層發(fā)生應變使水井水位發(fā)生相應的變化，水井水位深降同含水層垂直向應力有以下定量關系：

其中，對于含水層的空隙度和固體骨架的楊氏模量，根據含水層巖石性質和生成的地質年代，取其一般值或平均值(常見巖石的楊氏模量表略，詳見Coast,1978)[12]。

含水層內水的密度取1 020 kg/m3，重力加速度常數g取9.81 m/s2，含水層水的體積壓縮系數取4.69×10-9m2/N，含水層的孔隙度采用J.塔羅勃(1965)給出的結果(表略)[13]。

根據上述理論模式，收集12口井的觀測資料，選取同震響應形態(tài)為階變型，且具有含水層巖性特征的7口井，進行印尼、汶川、日本、蘇門答臘4次地震的震時應力變化數值計算。如表4所示，得出部分井孔資料和計算結果。

一般大地震引起的水位同震階變與井含水層特征、水文地質條件有很大關系。劉耀煒[14]等統(tǒng)計分析表明，不同的觀測層巖性差別較大，如碳酸鹽巖、碎屑巖類含水層的水位響應幅度較變質巖 (侵入巖、噴出巖)、第四紀松散層的大。文章根據給定的巖石力學參數和孔隙度，得到接近實際的應力值。4次地震的統(tǒng)計結果表明，漫水井與孝義井在震時的應變響應較為顯著，漫水井4次大震均呈壓應力變化，孝義井壓應力和張應力各2次；同一地震，孝義井響應幅度最大，震時應力變化值最大，而漫水井變化值最小，其他觀測井規(guī)律不明顯；各井水位震時應力變化值與震中距呈負相關，與震級關系不明顯。

表4 4次典型遠場大震時部分井孔應力變化量Table 4 The stress variation of part wells when the 4 typical far field large earthquakes happened

4 結論

(1) 分析山西水位井網的同震響應變化表明，該區(qū)水位觀測井對遠震的響應能力差異較大,其中朔州井、靜樂井、漫水井記震能力最強。水位的同震響應變化形態(tài)以振蕩型和階變型為主，個別井記錄到脈沖變化形態(tài)，同一口井水位對不同地震的變化形態(tài)不一致，有待進一步研究。

(2) 通過觀測井水位對應印尼、汶川、日本、蘇門答臘4次大地震的響應特征分析，發(fā)現各觀測井不同程度反映了區(qū)域應力場變化引起的承壓含水層應力-應變的變化。

(3) 利用含水層的水文地質參數以及井水位變化反演含水層的應力時,因含水層的有些參數不易獲取,只能參考相近的數值(如含水層的孔隙度和固體骨架的楊氏模量,可根據含水層巖石性質和生成地質時代, 取其一般的可能值或平均值)，結果可能產生一定的誤差。因此，在今后的研究中，利用承壓井水位的固體潮效應來反演含水層的應力變化，并與現有的計算結果進行對比分析，會提高分析結果的可信度。

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