地下水井水位及化學組分的同震差異響應特征分析
——以青白江地震為例

顧鴻宇，王東輝，李勝偉，鄭萬模，劉 港，向元英，李 丹，陳能德

（1.中國地質調查局成都地質調查中心，四川 成都 610081；2.中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054；3.四川省工程咨詢研究院，四川 成都 610016；4.四川省開元集團有限公司，四川 成都 610081）

近年來，地下水系統對地震的響應機理引發了眾多學者的廣泛關注。地下水系統對地震的響應，從地震時間歷程劃分，包括震前響應、同震響應和震后響應3 個階段。其響應方式多種多樣，包括地下水水位、水溫、水化學組分及地下水流量的改變等[1?2]。

由于地下水水位監測簡便，前人研究普遍關注地下水水位對地震的響應規律[3]。研究形式可歸結為2 類：（1）單一監測井對多次地震的監測，此方法有利于消除非地震引發的水位變動以及不同水文地質條件的干擾，常用于分析地震引起的應力擾動[4?5]；（2）多監測井對同一地震響應規律的監測，監測井的空間分布有利于研究地下水位在不同水文地質條件及構造條件中對地震的差異響應[6]。由于地震能改變地球的地殼結構，從而導致巖體內孔隙壓力變化以及含水層介質特性（如滲透率），進而產生不同形式的同震水位響應。地下水水位的響應通常有階躍式、漸變式和振蕩式3 種典型形式以及不同的組合形式，其空間分布與地震震級及震中距有關[6]。

此外，由于地下熱流分布廣泛，巖體的熱導率在空間和時間上變異性較小等特點，地下水溫度也可用于追蹤地震對地下水系統的影響[7]。溫度剖面和溫度時間序列數據常被用于解釋地下水系統的地震響應。地層淺部的溫度通常反映氣候周期的變化規律（日變化、季節變化和年變化）。不同深度之間的溫度差異及不同的時間變化規律可以造成熱流擴散。由于地震改變了巖體滲透性，地下水在流動過程中會對溫度場進行重構，改變溫度數據的時間序列特征。因此，對比地震前后的溫度時間序列規律常用于判斷地下水系統特征變化。

地下水水化學組分的地震響應規律更為復雜，地震引發的物理作用（如滲透性改變）和水-巖反應均會造成水化學組分的改變[8?10]。由于地震可能導致巖體的塑性變形，不同含水層間的隔水層被破壞，不同化學特征的水源混合，甚至發生化學反應。同時，地震對流體壓力的改變可能導致某些礦物發生溶解或結晶。因此，離子本身在場地環境中的化學穩定性以及濃度是其地震敏感性的重要影響因素。

目前，水位、水溫的聯合監測較為普遍，而地下水水化學組分的時間序列數據還較為缺乏。一方面，水化學數據大多是定期采樣檢測，其采樣周期較長，難以捕捉到地震期間的短時響應特征。另一方面，由于地下水系統的各個指標對地震響應的敏感性不同，單一指標可能會忽略重要的信息，從而導致對機理認識出現偏差。本文采用了水位、水溫、溶解性總固體（TDS）、pH 及氧化還原電位（Eh）多參數聯合實時監測，獲得了用較高頻率采樣的時間序列數據，并探討了龍泉山地區地下水系統對近場地震的差異響應機理。

1 研究區概況

1.1 地質概況

研究區位于成都市龍泉山（圖1），地貌屬構造剝蝕淺切脊狀低山地貌，地勢呈西北高東南低，高差約100 m。龍泉山斷裂總體走向NE20°～30°，斷裂帶北端位于德陽以北，向南經過中江縣西側、金堂鎮、龍泉驛鎮、久隆場鎮和仁壽鎮西側，直達樂山新橋鎮附近，全長大于230 km。研究區內密切相關的構造有金龍寺背斜和四方山斷裂，位于龍泉山背斜北西翼，西距龍泉山斷層約2.5 km[11]。

圖1 研究區構造地質概況Fig.1 Tectonic geology in the study area

金龍寺背斜呈北東走向，全長約16 km，兩翼受四方山斷層的影響呈不對稱形態，西翼傾角8°～11°，東翼傾角4°。研究區內出露的地層均為蓬萊鎮組地層，局部出現巖層倒轉。

四方山斷裂走向為北北西向（圖2），地表出露約6 km。斷層兩盤均為蓬萊鎮組地層，兩側巖層產狀陡峭，局部倒轉。斷層帶巖體破碎，裂隙和劈理發育，此斷層為傾向北西的高角度逆斷層。斷層附近有2 組節理：25°∠38°，節理密度7 條/m；2°∠53°，節理密度0.4 條/m。井位附近地表測得2 組節理：15°～30°∠80°～89°和45°～50°∠70°～89°。

圖2 研究區水文地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

研究區內地下水補給主要為大氣降水，地表無自然水體下滲。含水基巖主要為蓬萊鎮組的互層砂泥巖，地下水總體沿順層裂隙自南向北流動。

1.2 監測井概況

ZK1 位于垃圾填埋場大壩北滲濾池下游溝谷600 m左側斜坡上，鉆孔孔口標高為576.2 m，深度90.7 m。表層0～8 m 用直徑110 mm 鋼管護壁，并進行水泥永久止水，8 m 以下采用花管。ZK6 位于長安垃圾場北西20°方位1.2 km 處，鉆孔孔口標高為555.5 m，深度61.2 m。表層0～5.6 m 用直徑110 mm 鋼管護壁，并進行水泥永久止水，5.6 m 以下采用花管。ZK6 位于ZK1西北方向下游位置，直線距離約700 m（圖3）。

圖3 監測井位置Fig.3 Location of two monitoring wells

根據抽水試驗結果，ZK1 在井深7.2～63.7 m 的滲透系數為9.491×10?5～1.227×10?4cm/s，井深63.7～90.7 m 的滲透系數為1.632×10?4～1.910×10?4cm/s。ZK6井深7.0～61.2 m 的滲透系數為4.815×10?4～6.644×10?4cm/s。ZK1 水溫為18.87～20.36 ℃，ZK6 水溫為18.82～19.30 ℃。

根據鉆孔巖芯、物探電阻率、聲波測井并結合水位觀測等資料，綜合確定了水文地質結構，揭露2 層含水層（圖4）：第一含水層，在斜坡區埋深32.5～46.2 m，在山谷地區頂板埋深為12.0～21.0 m，底板埋深為31.0～32.2 m，厚度為11.0～16.0 m，巖性以粉砂質泥巖為主，中風化，表面可見灰綠色粉砂質斑點及條帶，發育5 條斜傾角節理，傾角為30°～68°，裂面起伏粗糙；發育一組陡傾角節理，傾角為85°，裂面起伏粗糙。第二含水層，頂板41.6～48.9 m，底板深度51.6 m 以下（未揭穿），含水巖組（段）厚度3.0～5.5 m，巖性以中-強風化粉砂質泥巖為主，節理裂隙較為發育，巖體破碎，為風化帶裂隙孔隙水。

圖4 鉆孔ZK1、ZK7 巖性柱狀圖及含水層位置Fig.4 Lithologic log of wells ZK1 and ZK6 and the depth of two identified aquifers

ZK1 取樣深度為50.0 m，位于第二含水層，其主要化學指標及TDS 值分別為15，16.88，<0.04，431.2 mg/L，水化學類型為HCO3—Na·Ca·Mg型。ZK6 取樣深度為19.0 m，位于第一含水層，其主要化學指標及TDS 值分別為1 274，68.72，<0.04，1 791.0 mg/L，水化學類型為HCO3·Cl—Na·Ca·Mg型。結果表明垃圾滲濾液主要影響第一含水層，對第二含水層影響較小。

1.3 監測設備及方法

為了獲得地下水系統的變化規律，2019年10月25日—2020年7月16日對2 口井中地下水進行自動監測，儀器型號為In-Situ 公司Aqua TROLL@500 型水位水質自動監測儀，見圖5。監測參數包括：地下水水位，溫度，溶解性總固體（TDS）、pH、氧化還原電位（Eh）。數據采集間隔為12 h，即0 點和12 點整采集數據，數據發射頻率為1 次/d。各傳感器在布設前采用標準液進行標定。

圖5 監測井及儀器設備Fig.5 Photo of the monitoring well and equipment

2 結果

2.1 同震差異響應特征

2020年2月3日0 時5 分，成都市青白江發生5.1 級地震，引發了龍泉山地下水監測井ZK1 和ZK6的水位、水化學組分及其他參數的同震異常。兩口監測井距離震中約13 km（圖1）。兩口監測井雖相距僅約700 m，但其響應特征明顯不同。差異性響應為研究地下水系統的地震響應機理提供了更詳實的依據。

（1）水位

震前，兩口井水位未見異常波動。地震發生時，兩口井的地下水位都發生了同震階躍形式的上升，但上升幅度不同。ZK1 水位上升了0.80 m，見圖6（a），ZK6 水位上升了0.25 m，見圖7（a）。兩口井的含水層厚度差異可能是導致補給量差異的原因之一。

圖6 ZK1 地下水各類參數對青白江地震的響應特征Fig.6 Coseismic characteristics of groundwater parameters in ZK1 to the Qingbaijiang earthquake

圖7 ZK6 地下水各類參數對青白江地震的響應特征Fig.7 Coseismic characteristics of groundwater parameters in ZK6 to the Qingbaijiang earthquake

（2）水化學組分

Cl?在地下水中化學性質較穩定，因此可作為示蹤離子。震前兩口井的Cl?未見異常波動，以一定的速率不斷增大。地震發生時，ZK1 中Cl?濃度出現了同震階躍形式的下降，濃度下降幅度達196 mg/L，見圖6（b）。ZK6 中Cl?濃度則出現了相反的變化趨勢，Cl?濃度同震階躍上升了752 mg/L，見圖7（b）。兩者的差異變化反映了地震時地下水補給來源發生改變。

震前，兩口井中的pH 都未發生異常波動。地震發生時，ZK1 中的pH 有小幅度升高，但并未偏離其長期變化趨勢，見圖6（e）。ZK6 中的pH 出現了較大幅度的增加，從7.27 增加到7.35，見圖7（e）。

ZK1 的Eh為負值，而ZK6 的Eh為正值，這表明兩口井所處的氧化還原環境差異明顯，地下水的補給來源不同。地震發生時，ZK1 中的Eh變化規律和變化規律相似，出現了周期的短暫改變，見圖6（f）。ZK6中的Eh出現了階躍式的下降，從481 mV 下降到404 mV，見圖7（f）。

震前，兩口井的TDS 均保持原有的趨勢性變化。地震發生時，ZK1 中TDS 出現了明顯的下降，從1 435.5 mg/L下降到1 384.9 mg/L，見圖6（g）。ZK6 中TDS 則出現了大幅增長現象，從1 888.7 mg/L 增加到2 247.3 mg/L，見圖7（g）。地下水補給來源的不同以及不同含水層在地震時的補給比例差異是導致兩口井TDS 差異變化的因素之一。

地震對兩口井的溫度并無影響，兩口井溫度都保持在18.7 ℃，見圖6（h）、圖7（h），說明向井補給的含水層無明顯溫度差異，且地震并未導致深部高溫地下水的補給。

2.2 震后差異響應特征

兩口觀測井的震后差異主要表現在各參數的恢復特征不同（表1）。ZK1 中的水位和Cl?震后呈現出平移現象，即震后并未出現明顯的恢復過程，地震后各參數的變化速率（曲線的斜率）與震前基本一致。TDS 震后也未出現明顯的恢復過程，但其變化趨勢相反，TDS 值由逐漸增加變為緩慢下降。ZK6 中Cl?、、pH 及TDS 均出現了明顯的恢復過程，恢復周期約40 d。水位的恢復過程較快，周期約15 d，且恢復曲線特征呈突變的形狀。ZK6 中在震后無恢復過程，可能是部分不連通裂隙中高濃度地下水在地震作用下短暫開啟并排入井內，從而掩蓋了的恢復過程。

表1 ZK1 和ZK6 水位及水化學參數同震變化表Table 1 Coseismic response of water levels and chemical components in ZK1and ZK6

3 地下水系統地震響應機理探討

3.1 地震敏感性分析

地震能量密度代表著地震施加在單位體積介質上的最大能量，關鍵參數包括震中距以及震級。Wang 等[12]根據全球地震數據統計了同震響應大小和震中距以及震級的相關性，研究表明10?4J/m3是激發同震響應所需的最小能量密度閾值。本文中監測井與震中的距離約13 km，小于單位斷裂長度。因此，以震源與監測井距離判斷，青白江地震屬于近場地震。根據Wang 等[13]提出的能量密度計算公式：

logr=0.48?M?0.33?loge?1.4

式中：r—震中到監測井距離/km；

e—能量密度/（J·m?3）；

M—地震震級。

本次地震在監測井附近產生的能量密度為4.77×10?1J/m3（圖8），遠高于同震地下水位響應的閾值10?4J/m3。兩口井的位置雖相距較近，但水位變幅卻相差達到0.55 m。這說明能量密度只能判斷ZK1 對近場地震的敏感性高于ZK6，可能是由于兩口井結構、含水層厚度、巖體結構以及地形差異等造成的。

圖8 青白江地震在監測井位置的能量密度（修改自文獻[14]）Fig.8 Seismic energy at the monitoring wells triggered by the Qingbaijiang earthquake（modified from Ref.[14]）

3.2 地下水化學組分及物理參數分析

離子濃度的變化受多種因素影響，尚無統一的機理能對所有現象進行解釋。研究表明，地震引起的深部高溫地下水與淺部低溫地下水混合將引起化學再平衡，最終改變離子濃度及物理參數。青白江地震前后兩口井的溫度均未發生變化，這表明此次地震并未連通深部和淺部的含水層。因此，化學反應導致的離子濃度變化不能解釋觀測數據的異常。此外，從觀測數據可以看出，ZK1 和ZK6 的離子濃度耦合變化規律截然不同，即ZK1 中各離子濃度及參數變化規律較為獨立，而ZK6 中的離子濃度及參數變化協同性較好，這表明不同井中離子濃度變化的控制因素存在差異。

地震導致不同水源混合是地下水化學組分異常的另一可能的原因。從圖9 可知，大氣壓力周期約為128 h，而變化周期依然約為36 h，說明其周期變化并不受大氣壓力控制。推測可知，影響硝酸根濃度波動的因素可能為固體潮，周期性的固體潮使得裂隙反復地張開和閉合，從而導致不連通裂隙中高濃度間歇性地與井內地下水混合，造成濃度周期性波動。此外，ZK1 水位及Cl?濃度出現同震階躍變化，其震后未出現緩慢的恢復過程。這種現象表明地震改變了滲透性。由于同震時向井排泄的流體壓力遠高于震后井水流入含水層的壓力，加之裂隙開度在震后減小，使得井水回流到裂隙的體積減少，回流速率急劇降低，最終導致水位及Cl?濃度在震后恢復過程不顯著。由于鉆孔揭露了兩層含水層，必定存在著其中一層含水層地下水發生向井內的大量補給（圖10）。伴隨著水位上升，Cl?濃度和TDS 顯著下降，說明向井補給的地下水中并未受到垃圾填埋場的污染。同時，Eh值未發生同震的顯著異常波動，進一步說明該主要補給層控制著井內Eh，Eh為負值說明該含水層較為封閉且與地表連通性差。兩層含水層以泥巖作為中間隔水層，隔水性較好，第二含水層理論上應具有更低的Eh值。因此，可以推斷地震引發的深部第二含水層大量向井補給和混合是導致ZK1 中化學組分同震異常的主要原因。同時，混合作用并未導致濃度和濃度異常，表明和主要來源于第二含水層，其補給來源主要是大氣降水。

圖9 大氣壓力時頻譜圖Fig.9 Magnitude Scalogram of the atmospheric pressure

ZK6 中化學組分的異常較為一致，呈現階躍式變化。除Eh出現階躍下降外，其余組分均出現階躍上升。隨著水位的上升，pH、Cl?濃度和TDS 急劇增加，表明淺部第一含水層（受到垃圾滲濾液的污染）發生了向井的強烈補給。同時，和的階躍上升表明深部第二含水層也發生了向井的補給，但補給比例比第一含水層小（圖10）。從Cl?濃度和TDS 震后恢復曲線可以看出，震前和震后恢復以后其濃度增長速率未出現顯著變化，表明地震并未改變兩層含水層的滲透性，只是在同震及震后恢復期間出現了滲透性的短暫變化。井中化學組分的同震變化是由于地震溝通了含水層中原本不連通的裂隙，使含高濃度離子的地下水補給到井中并與低濃度地下水（賦存于連通裂隙中）混合。此外，ZK6 中并未出現類似于ZK1 中濃度周期性波動的現象，這可能與ZK6 附近含水層巖體結構變化有關。這也反映了巖體結構的差異影響地下水系統的同震響應特征。

圖10 ZK1 和ZK6 同震地下水響應概念模型Fig.10 Schematic diagrams showing the coseismic differential response of groundwater in wells ZK1 and ZK6

3.3 地下水水位響應機理

根據前人研究[13?14]，引起地下水位變化的機理大致可分為4 類：（1）地殼彈性應變引起孔隙壓力振蕩；（2）巖土體不排水體積改變，包括不排水剪脹和不排水固結；（3）地震波引起滲透性增強，包括裂隙張開、新裂隙的形成以及驅替填充物，通常引起地下水位緩慢且持續地改變；（4）地震造成井筒-含水層結構共振。

巖土體不排水體積改變被認為是引起近場地下水水位階躍變化的主要因素[13]。水位波動正比于含水層的體應變，但兩者反相，即體應變膨脹時水位下降，壓縮時水位上升[15]。研究的兩口井均位于砂泥巖互層的巖體中，巖體體積改變首先是結構面的閉合或張開及巖塊本身的變形，其次是巖塊間的滑移。兩者都可能發生彈性變形或者塑性變形。若地震僅引起彈性變形，則在震前加載過程中，震前一段時間水位增速應隨結構面開度的增加而增加，反之隨開度減小而減小。與此同時，由于地下水的穩定補給，滲流通道的變化會造成地下水壓力緩慢變大。地震發生時，巖體卸荷造成結構面的彈性回跳，地下水在較高的壓力下向井排泄，將造成地下水位的階躍變化。由于彈性變形不改變巖體震前的滲透性，震后地下水位應逐漸恢復到震前水平，或震前水位變化的趨勢線上。在這個過程中，恢復曲線呈指數型，這是由于在巖體恢復到震前應力狀態過程中，滲透性也在逐漸恢復。若地震引起的應變超過10?4，將導致巖體的塑性變形，巖體沿裂隙錯動或產生新的裂隙，將導致滲透性的永久改變[16]。

ZK1 水位出現了階躍上升，震后并未恢復，而是持續上升。這說明巖體在不排水條件下發生的塑性變形導致了裂隙滲透的連通性或者開度的減小，從而降低了滲透性[17?18]。此外，從水位-水化學組分耦合變化規律可以看出，第一含水層的滲透性未出現顯著變化，因為震前和震后Cl?濃度增長速率基本一致。第二含水層的滲透性出現了顯著降低，井水在震后無法快速回流到巖體裂隙中，導致了水位無法回落并恢復到震前水平。由于第二含水層中的濃度波動周期并未受到地震影響，可以推斷第二含水層的滲透性降低并不是裂隙連通性減小引起，而是由于裂隙開度的減小引起（圖10）。

ZK6 水位出現了階躍上升，但在約15 d 后恢復到了震前水平，這種指數型的恢復曲線反映了震后滲透性的緩慢恢復。巖體在地震時發生了彈性變形，增加了裂隙的連通程度以及開度，導致了兩層含水層中地下水向井的排泄。地震后巖體內應力水平遠低于同震時巖體內的應力水平。因此，震后較慢的卸載速率導致了裂隙的回彈速度減慢，進而使得地下水位的恢復出現了滯后的現象（圖10）。

4 結論

本文利用水化學組分和水位聯合監測數據分析了龍泉山地區兩口相鄰地下水監測井的同震差異響應特征：

（1）青白江地震在監測井附近產生了4.77×10?1J/m3的能量密度，遠高于地震觸發水文響應的能量密度閾值10?4J/m3，但相鄰監測井的水位響應差異巨大（ZK1 的水位變幅大于ZK6），表明ZK1 的地震敏感性高于ZK6。

（2）不同含水層地下水的混合引起了水化學組分異常。深部第二含水層大量向井的補給，并與井水混合是導致ZK1 中化學組分同震異常的主要原因。ZK6水化學組分異常主要是淺部第一含水層向井補給，并與井水混合造成，第二含水層向井補給的比例較小。

（3）巖體不排水體積改變引起了地下水水位階躍變化。ZK1 水位出現了永久性階躍上升，震后并未恢復，原因是圍巖在地震作用下發生了塑性變形，造成第二含水層的裂隙開度減小，從而顯著降低了含水層滲透性，而第一含水層滲透性未生顯著改變。ZK6 水位出現了階躍上升，但震后恢復到震前水平。這表明地震造成ZK6 圍巖的彈性變形，巖體滲透性雖暫時改變，但應力緩慢恢復后，滲透性也恢復到震前水平。