趙各莊井地下流體的映震響應1

陸麗娜 李 靜 薛紅盼 汪 嘯 張 雷 王 建

1）防災科技學院，北京 101601

2）中國科學院青海鹽湖研究所，西寧 810008

引言

趙各莊井位于首都圈地區，該井自2001年起進行數字化水位和水溫觀測。武安緒等（2010）發現趙各莊井流體對汶川大地震有很好的同震響應。趙各莊井是位于夏墊斷裂帶北端的地震觀測井（圖1），由于第四紀的活動性和曾發生的三河—平谷8級地震（烈度Ⅺ），其所處的斷裂帶成為首都圈地區重要的地震斷層之一，引起人們廣泛重視。前人在該斷裂帶上開展了一系列研究工作，諸如沉積環境（楊曉平等，2012；張超等，2014）、年代地層（李梁等，2011；李梁，2012）、地貌（江娃利，1999；毛昌偉等，2010；丁銳等，2014）、地球物理（鄧前輝等，2000，2001；何付兵等，2013；田優平等，2014；段美芳等，2018）、淺層探測（張先康等，2002；賈輝等，2008；冉志杰等，2013）、人工探槽（江娃利等，2000）、鉆探（徐錫偉等，2000）、遙感（王雷等，2014）和地球化學（陸麗娜等，2016，2018）等，并積累了大量資料。目前，該項工作中仍缺乏詳細的數字化水位、水溫的地震流體研究。大地震產生的應力能夠瞬間改變地殼介質狀態，引起含水層中地下流體的流動（Wang等，2014）。近年來，越來越多的證據表明水文地質學與地震動力學存在著密切的關系（Telesca等，2015），尤其是井水位和井水溫方面（蘭雙雙等，2011；孫小龍等，2011，2013；陳亮等，2012；Sun等，2012；Gu等，2013；車用太等，2014；廖欣等，2014；Shi等，2015；宋洋等，2016；向陽等，2017a，2017b；Kim等，2018；Petitta等，2018；Liu等，2018）。井水位和井水溫的同震效應是揭示地殼介質對應力—應變過程響應的有效手段，能夠反映地殼動力作用下地下介質應變和孔隙壓的變化特征，從而便于深入了解地下介質的動力學過程（Roeloffs，1998；Montgomery等，2003）。

為了更好地監測和研究夏墊斷裂帶的地震活動性以及趙各莊井的同震變化情況，本文以地震地下流體兩大測項——水溫和水位為研究對象，針對趙各莊井水位和水溫的同震響應進行分析，同時探討趙各莊井孔水位變化對夏墊斷裂帶的影響。

1 研究背景

1.1 觀測井基本信息及地質概況

趙各莊井位于北京市平谷區城關鎮趙各莊村內，地理坐標為117.01°E、40.13°N，海拔26.2m，屬于平谷區地震辦公室管理的地方臺觀測井。該井位處夏墊斷裂帶北端西側。夏墊斷裂帶位于華北平原區北部，為一東南盤下降、西北盤上升的正斷兼具右旋走滑分量的斷裂帶，其總體走向NE45°，傾向SE，傾角50°—70°，全長45km，新生代斷距大（可達3—4km）。該斷裂被認為是1679年三河—平谷MS8.0地震的重要發震斷裂（圖1）（韓曉昆等，2013； 萬永魁等，2014）。斷裂帶上盤為黃褐色黏土、黃色粉砂、灰黃色亞黏土以及灰黑色黏土，可見零星鈣核；下盤則為灰黑色黏土、灰褐色亞黏土、灰色粉砂、灰褐色亞黏土、黃褐色黏土以及黃色亞砂土（江娃利等，2000）。

圖1 觀測井構造背景示意圖（據高戰武，2001） Fig.1 Tectonic background diagram of the observation well

趙各莊井井孔柱狀圖如圖2所示，井區周圍地表多被第四系松散層覆蓋，觀測含水層屬第四系孔隙承壓水，主要含水層有：①第四系卵石、礫石混黏砂含水層，位于井下171.00—254.00m；②第四系石英砂巖層，位于井下556.81—557.26m。其成井后下設無縫鋼管至182.10m，其下安裝同徑濾水管至234.60m，井的觀測含水性為182.10—25400m上層冷水和556.81m以下層熱水的混合水。該觀測井257.59—479.00m為卵石、礫石混黏巖，479.00—556.81m為卵石、漂石混黏巖，透水性較好。

圖2 趙各莊測井井孔柱狀圖（據韓孔艷等，2016） Fig.2 The stratigraphy of Zhaogezhuang wellhole

趙各莊井建于1989年，井深557.26m，第四系厚度達556m，下伏薊縣系砂巖。該自2001年9月開始進行數字化水位、水溫觀測，使用LN—3型水位儀和SZW—1A型水溫儀（表1）。溫度探頭放置在180m處，且自安裝以來位置基本不變。2011年5月水溫儀增加協議轉換器，并將LN—3型水位儀更換為SWY—1A型水位儀進行觀測，2015年更換為SWY—2型水位儀。多年的觀測資料顯示該井對于北京地區4級以上地震有較好的映震能力（韓孔艷等，2016）。

表1 觀測儀器設備參數 Table1 Parameters of observation instrument

1.2 觀測資料概況

趙各莊井自1990年投入使用以來，具有多年的水位、水溫觀測資料，觀測精度和觀測方式均為分鐘值。本次研究水溫觀測資料數據時段為2006.01.01—2015.07.10，日均值資料缺數51天，連續性較好；水位觀測資料選取數據時段為2003.01.01—2015.07.10，日均值資料缺數77天，資料連續性較好，水位數據較水溫數據突變少，穩定性也強于水溫數據。

2 井水位、水溫動態協調變化特征

選取的靜水位和水溫數據起止時間為2006.01.01—2015.07.10。劉耀煒等（2010）研究認為井孔水位、水溫的協調變化特征主要有同步同向協調變化、同步反向協調變化及無規律變化3種類型。2012年之前，趙各莊井水位和水溫在形態上總體呈同步反向協調變化，即水位下降，而水溫上升（圖3（a））；2012年之后，兩者呈同步緩升的趨勢（圖3（c））。井水位日值年動態曲線反映出每年冬季及次年春季靜水位呈現出下降的趨勢，而在夏季及秋季則出 現逐漸上升。水溫的變化規律則表現出2種情況：2012年之前，每年冬季及次年春季呈上升趨勢；2012年之后，每年冬季及次年春季呈下降趨勢。

圖3 地下靜水位與水溫日值年動態曲線（a）、（c）及井孔水位與水溫旬均值關系（b）、（d） Fig.3 Curves of annual dynamic for daily value data of water levels and temperature (a),(c) and correlation curve for 10-day value data of water level and temperature (b),(d)

從統計期內水位、水溫旬均值關系（圖3（b）、（d））不難看出，水位和水溫之間的相關系數在2012年之前為0.54494，2012年之后為0.54872，兩者相關性較明顯，這表明地震孕育過程對兩者的作用程度是有差別的。

3 井水位、水溫同震響應特征

自Cooper等（1965）對開口井孔中水位波動對地震波的響應研究和Mogi等（1989）對日本伊豆半島某溫泉水溫突變對于強震的響應研究以來，國內外開展了對水溫和水位同震響應的大量研究。研究充分表明，地震流體觀測中水位和水溫對遠場大震的同震響應是地震波作用于井—含水層系統最直接的體現（孫小龍等，2008a）。井水位、水溫的同震響應特征是指井水位和水溫在地震波的作用下所表現出來的異常升降（宋洋等，2016）。為提高研究的準確性，選取可能引起井水位和水溫同震響應的所有地震目錄（表2），其中井水位為靜水位，地震目錄來源于國家地震科學數據共享中心1http://data.earthquake.cn（劉瑞豐等，2007；），具體選取標準為：70°E以東，10°S—60°N地區的MS4.0以上地震（震級統一用MS標度，無MS標度時利用經驗公式Mb=0.63MS+2.5（Gutenberg等，1956；陳運泰等，2004）和MS=1.13ML-1.08（郭履燦，1971）進行換算）。以發震時刻為基點，甄別井水位和水溫動態數據及同震響應的地震，分析井水位響應類型，計算震中距，篩選及計算結果見表3。

3.1 同震響應地震次數及分布

對于趙各莊井靜水位，選取地震829次，其中具有同震響應的地震次數為23次，占全部地震的2.77%；對于水溫，選取地震593次，呈現同震響應的地震為1次，占全部地震的0.16%。靜水位與水溫對汶川MS8.0地震均有顯著且一致的同震響應，如圖4所示，由圖可見當汶川地震發震時，水位呈現突降，同時水溫也呈現突降，二者表現一致。而對于其它地震，二者較少表現出明顯的一致性。對于6級以上的遠場地震，水位較水溫有更顯著的響應，對于5級及以下的地震，二者響應能力相當。不同地震發震地點不同，震級不同，釋放能量不同，從而造成同一觀測井對于不同地震的響應差異（鞏浩波等，2015）。對于5級及以下地震，由于震級較小，地震釋放的能量較弱，當地震波傳播到測井時，能量削弱，不足以引起水位的變化，即未響應；而5級以上地震，震級較大，釋放的能量較強，綜合考慮震中距的大小，以及地震波傳播過程中所經過的地質構造和巖性的不同，會引起測井水位顯著變化或無明顯變化，即不全有響應。

表2 趙各莊井地震及響應次數統計 Table2 Numbers of earthquakes and response times of observation well

3.2 響應時間

從響應特征篩選和計算結果（表3）可知，趙各莊井靜水位同震響應時間最短的是2008年汶川MS8.0地震和2004年10月23日日本MS6.7地震，震后9分鐘井水位即響應；而響應時間最長的2007年4月2日所羅門群島MS7.7地震，震后33分鐘后才響應。2004年9月5日，日本本州發生了MS7.0和MS7.3地震，兩者相隔時間為290分鐘，分別在震后10分鐘和11分鐘出現了響應。而2006年12月26日，中國南海發生了2次地震，震級分別是MS7.3和MS6.8，水位的響應時間分別為20分鐘和12分鐘。整體來看，對于7—8級地震水位具有顯著的響應能力，一般響應時間為10—20分鐘。根據震中距與響應時間關系擬合圖（圖5），獲得擬合曲線斜率為3.28，推測在水位同震響應過程中地震面波起到了主要作用（牛安福等，2005）。此外，由圖5可以看出，震中距越大響應時間越長，震中距越小響應時間越短，當震中距小于3000km時，曲線的擬合性最好，數據最集中，說明在此震中距內，水位的同震響應更規律，效果也更好。當震中距相同或相近時，如2004年12月26日蘇門答臘MS8.8地震和2005年3月29日蘇門答臘MS8.4地震，2次地震的井水位響應時間也基本一致。

表3 趙各莊井水位及水溫同震響應特征 Table3 The co-seismic responsive characteristic of groundwater level and temperature of Zhaogezhuang well

續表

圖4 趙各莊井水位及水溫對比 Fig.4 Comparison of water level and temperature of Zhaogezhuang well

圖5 震中距與響應時間關系擬合圖 Fig.5 Fitted curve of the relationship between epicentral distance and response time

3.3 響應幅度

趙各莊井水位對各地震的同震響應幅度不同，持續時間也不等。其中，2004年12月26日印尼蘇門答臘MS8.7地震響應幅度最大，震后水位振蕩幅度達770.0mm，2008年1月9日西藏改則縣MS6.9地震響應幅度最小，振蕩幅度為3.0mm。此外，具有同震響應特征的地震震級多集中在MS6.0—8.0之間（圖6（a））。

（1）2003年以來，日本附近發生的具有同震響應的地震共有5次，發震地點與趙各莊井的距離比較相近，震級分別為MS6.9、MS6.7、MS7.0、MS7.3和MS8.2，其井水位響應幅度也不一致。震級最大的地震為2003年9月26日MS8.2地震，其井水位響應幅度為545.5mm；震級較小的2次地震為2004年10月23日MS6.7地震和2004年12月29日MS6.9地震，其井水位響應幅度分別為5.0mm和22.0mm（表3）。由此可見，當震中距相近時，震級越大，相應的井水位響應幅度也越大。

（2）2003年以來，統計范圍內共發生12次MS8.0級以上地震，趙各莊井對其中的4次地震有明顯的響應（表3）：①2008年汶川MS8.0地震距趙各莊井1590km，震源深度14km，在這12次地震中距趙各莊井震中距最小，井水位響應幅度為207.5mm；②2004年12月26日印尼蘇門答臘MS8.8地震距趙各莊井4633km，震源深度為40km，其井水位響應幅度最大，為770.0mm。

（3）2008年汶川MS8.0地震和日本附近的多次地震，其發震地點與趙各莊井的距離在1500—2500km之間。然而響應幅度差異較大，汶川MS8.0地震引起的水位響應幅度為207.5mm，日本附近的地震按表3中的順序響應幅度依次為22.0mm、5.0mm、14.0mm、23.0mm、545.5mm，對應的震級依次為MS6.9、MS6.7、MS7.0、MS7.3、MS8.2。可以看出，在震中距相近的情況下，震級越大，同震響應幅度越大。

（4）具有響應的中國大陸型地震共計5次（表3），震級分別為MS7.3、MS8.0、MS7.3、MS6.6、MS7.7，其響應幅度依次為15.0mm、207.5mm、24.0mm、3.0mm、55.0mm；國外非大陸型地震共計7次，震級分別為MS7.7、MS7.9、MS7.4、MS8.4、MS8.8、MS7.3、MS7.5，其響應幅度依次為53.5mm、59.0mm、28.0mm、233.5mm、770.0mm、12.5mm、60.5mm。國外非大陸型遠場大震引起趙各莊井水位響應幅度明顯高于中國大陸型地震，特別是2004年12月26日印尼蘇門答臘MS8.8地震其引起的水位響應幅度高達770.0mm。

圖6 井水位（a）及井水溫（b）同震響應地震分布 Fig.6 Plot of earthquakes corresponding with water change level (a) and earthquakes corresponding with water temperature change (b)

（5）2008年7月5日鄂霍次克海MS7.8地震和2015年5月30日日本志摩市MS8.3地震，其震中距較小，趙各莊井水位無同震響應，可能是震源較深的原因，鄂霍次克海地震和日本志摩市地震震源深度分別為636km和680km。此外，通過統計也發現，當震級相同時，水位響應幅度并未隨震中距場大呈減小趨勢，而是不一而同，對于日本北海道MS8.0地震與汶川MS8.0地震，前者震中距大于后者，兩者震源深度都為33km，但井水位響應幅度前者卻比后者大。

對井水溫同震響應統計（圖6（b））可以看出，趙各莊井僅有1次同震響應的記錄，其響應幅度明顯弱于井水位。有響應記錄的地震為2008年5月12日的汶川地震，水溫響應幅度為0.0129℃。而對于其它地震，部分沒有數據記錄，部分沒有響應記錄。整體而言，趙各莊井水位響應能力強于水溫。

3.4 響應形態

響應特征統計結果（表3）和典型水位同震響應曲線（圖7）顯示，趙各莊井水位同震響應形態為振蕩型、振蕩—脈沖型和脈沖型3種。其中，圖7（a）、7（b）、7（c）和7（h）中的水位變化為振蕩型，圖7（e）和7（f）為典型的脈沖型，圖7（d）和7（g）則是兼有振蕩和脈沖變化的振蕩—脈沖型。圖7（e）和7（f）中的水位響應形態雖同為脈沖型，但圖7（e）為向上脈沖型，圖7（f）則為向下脈沖型，二者皆有顯著的脈沖峰。振蕩型 也分為等振幅和不等振幅2種類型，其中圖7（b）是典型的等幅振蕩型。振蕩型為水位響應形態的主要類型。圖7（a）、7（b）、7（c）和7（f）的水位變化幅度分別為770.0mm、233.5mm、545.5mm和207.5mm，變化幅度最顯著，而其響應時間分別是27min、22min、10min和9min，結合這些臺站到地震震中的震中距，分析認為該井水位變化對于這幾次地震的響應最快。

圖7 典型水位同震響應曲線（一） Fig.7 Typical curves of water level with co-seismic response

圖7 典型水位同震響應曲線（二） Fig.7 Typical curves of water level with co-seismic response

4 異常成因探討

4.1 水位變化與震中距、震級之間的關系

由震中距、震級和井水位實測變化值，得出三者之間的空間分布情況（圖8）。據前人研究（Roeloffs，1998；楊竹轉等，2005；陳大慶等，2007a，2007b），水位的變化幅度與地震震級、震中距之間存在一定的數量關系：

式中：ω1、ω2、ω3為常數；Δhi為水位變化幅度（cm）；D為震中距（km）；M為MS，表示面波震級。

Roeloffs（1998）通過對美國加利福尼亞洲BV井的研究得出以下關系：

當Δh≥5cm時，有；

即當震級與震中距滿足（3）式時，會產生超過5cm的水位上升。

針對趙各莊井，根據式（1），不考慮水位上升或下降的問題，對所記錄到的水位變化幅度與震級、震中距（表3）之間做二元回歸計算分析，得到以下關系式：

當Δh≥0.7cm時，有：

即當震級與震中距滿足式（5）時，井水位會產生超過0.7cm的水位變化。

經過計算，在所選震例中共有4次地震（MS7.7、MS8.2、MS8.4、MS8.8）符合式（5），4次地震的實測震級大于預測震級。其它地震的實測震級均小于預測震級，且在這些地震中，某些地震震中距很大，反而引起了大于0.7cm的水位變幅，因此，趙各莊井的井水位變化顯然不受震級與震中距的嚴格約束。根據式（4），繪制出震級、震中距與水位變化幅度關系的三維擬合圖（圖8），從中可以看出引起井水位變化的地震分布情況，同時反映出震級在7級以上的地震其水位變化幅度最為顯著，震中距對水位變化的影響無明顯規律。

圖8 井水位的變化幅度與震中距、震級之間的關系 Fig.8 The correlation of water level variation to epicentral distance and earthquake magnitude

4.2 井水位變幅與含水層巖性的關系

趙各莊井周圍被大量第四紀堆積物所覆蓋（圖2），且堆積厚度大，多為卵石、礫石混黏巖，其最深處為第四系石英砂巖層。根據史浙明（2015）對巖性與同震水位響應之間關系的研究可知，巖性為火成巖、砂巖以及灰巖并不是引起井水位變幅的主要因素。而趙各莊井并非這種情況，其第四紀堆積物并未成巖，孔隙較大，導水性較好，當遠場中強震的地震波通過這種介質時，產生的動態應力會使得含水層滲透性進一步增大或減小，滲透性產生的變化導致水位發生振蕩，這與響應地震的相應形態類型基本相符。

5 討論

5.1 井孔水位、水溫映震效應特征

井孔水位、水溫對于地震的映震響應是客觀存在的，其形態類型復雜多樣，但并非無規律可循。根據前人研究，對于同震響應的水位變化，近場地震以同震階變為主（付虹等，2002；王芳等，2012），中場地震多出現緩變，而水位振蕩則主要出現于遠場大震（陳大慶等，2007a；尹宏偉等，2016）；而水溫對于遠場地震，其特征表現為震時水溫突降—緩慢恢復（陳大慶等，2007a；孫小龍等，2008b）。通常震前以階變類異常為主（車用太等，1996），兩者之間常出現同震水位振蕩且水溫下降的特征（石耀霖等，2007）。這些同震響應的方式除與地震特征有關外，還主要取決于觀測井局部的地質構造、水文地質條件以及觀測井周邊的環境等。如在含水層埋深大致相同時，水位同震響應的幅度取決于觀測井含水層的巖性，一般灰巖>變質巖>砂巖>第四系砂礫石，含水層頂板埋深亦對其有影響。

趙各莊井水位對一些遠場大震同震響應形態以振蕩為主，同時也出現脈沖、振蕩—脈沖的形態。對于2008年汶川MS8.0地震，其震后9分鐘出現階降，而后水位并未恢復到原來的水位高度，但有所上升，達207.5mm。

對于遠場大震，其震后響應時間為幾分鐘到十幾分鐘，有時達到20分鐘以上，當地震波傳到觀測井后，會導致觀測井—含水層系統介質發生一定形變，從而促使其孔隙壓力發生改變，進而引起水流速度發生變化，當孔隙壓力增大時，含水層中水會向井孔流動，井孔水位因此上升；當孔隙壓力減小時，井孔中水會向含水層流動，導致井孔水位下降。地震波的這種持續影響，導致觀測井孔水位持續上升或持續下降，震后緩慢恢復或者難以恢復；井孔水位上升與下降交替轉變，持續一段時間后停止。

5.2 井孔水位變化與斷裂

地下流體觀測井井孔均盡可能地布設在斷層及其鄰近地區，這些觀測井的水位、水溫及一些化學量的異常變化都有可能與觀測井含水層相關斷層的活動性有直接的關系（王博等，2008）。地下水位的異常變化除了受地殼形變的影響外，還主要受降雨的影響，并且降雨也可以導致地殼的形變（陸明勇等，2005）。降雨可以在地表形成地表積水，使得地面的荷載作用加強，其下巖土中的很大范圍內產生較大的附加應力。此外，降雨也能增加地下含水層中的含水量，使得孔隙壓力增大，導致含水層中的水向井孔流動，水位上升；反之，可導致水位下降，水位的這種變化將產生動水壓力。在地震孕育過程中的中短、短臨階段，水位上升或下降，都會對斷層活動性產生一定的影響。此外，黃輔瓊等（2005）通過研究斷層的變形行為與降雨及地下水的關系，分析認為斷層的年變形量與年降雨量相關，較少或者較多的不規則降雨都會導致斷層的變形行為發生畸變，降雨通過改變斷層帶上的地下水位（或斷層的孔隙壓力）影響著其斷層的變形行為，淺部斷層的流體可以通過影響斷層的變形行為而參與或者影響區域構造應力應變的調整。因此，為監測夏墊斷裂帶的活動性，應對趙各莊井水位進行長期監測，尤其是降雨量發生突變的季節，更應重點監測其前后變化。

對于布設在夏墊斷裂帶上的觀測井——趙各莊井，其井水位下降，可反應該地區地下水位整體呈下降趨勢。在下降初期，雖然含水層孔隙壓力降低，但是水位變化引起的動水壓力卻增強，依然會增強斷層面上的總壓力及摩擦力，故在下降的初期會導致斷層的滑動。但是隨著水位下降的速度變緩慢，孔隙壓力繼續降低，水位變化幅度變小，反而阻止斷層活動。

6 結論

地震次數和水溫、水位同震響應次數的統計數據顯示，對于6級以上的遠場地震，趙各莊井水位較水溫具有更顯著的響應，對于5級及以下的地震二者響應能力相當。而在響應時間上，對于7—8級地震水位具有顯著的響應能力，響應時間一般為10—20min。在響應幅度上，具有水位同震響應的地震多集中在6—8級，幅度變化范圍為3.0—770.0mm；而水溫的典型響應地震為2008年的汶川地震，其響應幅度為0.0129 ℃，其它地震幾乎無明顯響應。水位響應形態可分為振蕩型、脈沖型和振蕩—脈沖型，且以振蕩型為主，其中變化幅度最大的4次地震，其響應時間也是最快速的。趙各莊井周圍的第四紀堆積物未成巖，空隙較大，導水性較好，有利于地震波的傳播，進而對水位的振蕩產生影響。

除上述因素外，觀測井的地質構造、水文地質條件等也決定了同震響應的特征。由于趙各莊井位于夏墊斷裂帶的北端，其水溫、水位的異常變化和夏墊斷裂帶的活動性相關，且水溫、水位的異常又會影響夏墊斷裂帶的活動性。今后對趙各莊井水溫、水位兩大測項進行觀測時，應以水位為主，同時，還需關注夏墊斷裂帶的活動性。同時為了監測夏墊斷裂帶的活動性，應對趙各莊井水位和水溫進行長期監測，尤其是降雨量發生突變的季節，更應重點監測其前后變化，以保證首都圈地區的人民生產安全。

致謝：防災科技學院宋洋老師、姜紀沂教授協助收集論文資料，賈建鵬老師對于數據的獲取給予指導，在此表示感謝！