地震靜應(yīng)力作用與井水位孔壓響應(yīng)分析
——以唐山古冶5.1級地震為例

董 博 紀(jì)春玲 楊東輝

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號，050021 2 承德地震監(jiān)測中心站，河北省承德市殊像寺地震臺，067000

井水位的持續(xù)變化是地震最好的水文響應(yīng)。近幾十年來，地震活動對井水位變化影響的理論分析取得了一些進(jìn)展，地震近場和某些情況下中場的水位持續(xù)變化可用地震產(chǎn)生的同震靜應(yīng)變解釋[1]。根據(jù)Biot線性孔彈性理論，一般井孔壓為負(fù)的拉張區(qū)水位下降，井孔壓為正的壓縮區(qū)水位升高，這與很多震例分析結(jié)果一致[2-8]。

2020-07-12河北唐山市古冶區(qū)發(fā)生5.1級地震，震中位于39.78°N、118.44°E，震源深度為10 km。本文利用唐山地區(qū)9口流體井資料，根據(jù)線性孔彈性理論和同震體應(yīng)變理論計算井孔壓分布，結(jié)合唐山古冶5.1級地震震前、震時、震后井水位的變化情況，進(jìn)一步佐證線性孔彈性理論所描述的井水位與體應(yīng)變之間的關(guān)系，進(jìn)而證實地震近場的水位持續(xù)變化可用地震產(chǎn)生的同震靜應(yīng)變解釋。

1 資料選取及預(yù)處理

本文選取唐山地區(qū)觀測質(zhì)量較好的9口井作為研究對象(表1、圖1)。選取2017-01-01～2020-07-31 井水位原始數(shù)據(jù)及同時間段氣壓數(shù)據(jù)，并人工剔除各井水位、氣壓原始數(shù)據(jù)中的一些尖峰、脈沖、因校測和儀器故障等產(chǎn)生的階變數(shù)據(jù)。

表1 井信息

圖1 震中及流體井分布Fig.1 The distribution of the epicenters and fluid wells

2 地震過程中天體引潮力附加構(gòu)造應(yīng)力變化

利用surfer軟件中的克里金插值法對已進(jìn)行預(yù)處理的井水位、氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全[9]，最后對各井水位去趨勢后進(jìn)行傅里葉變換(FFT)，以確定潮汐對井水位的影響程度。以盧龍崔莊井為例，其2020-01的計算結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 盧龍崔莊井2020-01水位整點值曲線Fig.2 The curve of the epicenters and fluid wells in Lulong Cuizhuang well in January, 2020

圖3 盧龍崔莊井2020-01水位頻譜Fig.3 Water level spectrum of Lulong Cuizhuang well in January, 2020

由圖2、圖3可知，觀測數(shù)據(jù)中明顯含有日潮、半日潮、1/3日潮信息，且半日潮振幅最大，日潮次之，1/3日潮的振幅最小，這與固體潮理論一致，說明該井日變曲線主要受潮汐影響。筆者嘗試了不同的數(shù)據(jù)，但頻譜圖中頻率振幅將近0.065 kPa的信號一直存在，推斷這可能與井本身結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境有關(guān)。

研究表明，引潮力是持續(xù)周期性變化的，其在最大振幅相位時刻有可能誘發(fā)地應(yīng)力處于臨界狀態(tài)的構(gòu)造區(qū)發(fā)生地震[10]。利用文獻(xiàn)[11]的方法計算2020-06-16～07-31唐山古冶5.1級地震震中位置的引潮力連續(xù)變化值，如圖4所示。

圖4 唐山古冶地區(qū)引潮力變化曲線Fig.4 The variation curve of tidal force in Guye area, Tangshan

由圖4可知，07-12唐山古冶地震發(fā)生時，引潮力處于較高的相位值，表明引潮力對該次地震有一定的誘發(fā)作用。但是該地震沒有發(fā)生在引潮力極大值的某個轉(zhuǎn)折點，而是在引潮力持續(xù)增大的過程中，表明古冶地震的發(fā)生與天體間引潮力瞬時變化關(guān)系不大，且震前應(yīng)力應(yīng)該是逐漸累積、增強(qiáng)的過程。

3 地震靜應(yīng)力作用與井水位孔壓響應(yīng)

唐山古冶5.1級地震震源機(jī)制解呈右旋走滑的運動性質(zhì)，此次地震的主壓應(yīng)力方向為SEE向，與現(xiàn)代區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向(近EW向)一致，整體上呈現(xiàn)近東西向壓縮、近南北向拉張的受力狀態(tài)。

本文根據(jù)線性孔彈性理論和同震體應(yīng)變理論，運用井水位升降變化確定地震引起的地殼形變分布。井孔壓計算方法見文獻(xiàn)[12]，震前孔壓分布見圖5。

圖5 震前實測井水位升降與計算孔壓變化Fig.5 The changes of water level and calculated pore pressure in wells before earthquake

由圖5可知，壓縮區(qū)為近東西向，昌黎何家莊井、玉田井、唐山井、豐潤井、林西礦井和馬家溝井水位處于上升狀態(tài)，盧龍崔莊井和灤縣井水位升降變化不明顯；拉張區(qū)為近南北向，灤南井水位處于下降狀態(tài)，符合線性孔彈性理論。

震前15 d馬家溝井水位上升最大為0.556 6 m，計算孔壓為1.487 8 Pa，林西礦井、灤縣井水位上升幅度次之。唐山古冶5.1級地震前，震中附近的流體井孔壓較大，距離震中較遠(yuǎn)的井孔壓較小，說明震前唐山古冶地區(qū)處于應(yīng)力累積的狀態(tài)。歷史震例也表明，在大震前震源附近會有應(yīng)力累積過程。

收集2017-01-01～2020-07-31華北地區(qū)MS≥3.0地震信息，繪制震中分布圖(圖6)和M-T圖(圖7)。從圖6可以看出，2020年唐山古冶5.1級地震為近幾年華北地區(qū)發(fā)生的最大地震，MS≥4.0地震主要分布在唐山地區(qū)近東西方向。結(jié)合圖7可知，2017年至唐山古冶地震前，華北地區(qū)MS≥3.0的地震發(fā)震間隔較長(除2019-05有小部分應(yīng)力的釋放)，表現(xiàn)為應(yīng)力的累積過程。

圖6 2017-01-01～2020-07-31華北地區(qū)MS≥3.0地震震中分布Fig.6 The epicenters distribution of MS≥3.0 earthquakes in north China from January 1, 2017 to July 31, 2020

圖7 2017-01-01～2020-07-31華北地區(qū)MS≥3.0地震M-T圖Fig.7 M-T map of MS≥3.0 earthquakes in north China from January 1, 2017 to July 31, 2020

根據(jù)9口井同震效應(yīng)計算地震當(dāng)天井孔壓力分布(圖8)。由圖可見，地震當(dāng)天距離震中最近的林西礦井計算孔壓為1.293 4 Pa，而距離震中較遠(yuǎn)的馬家溝井孔壓為1.294 4 Pa，說明震后瞬時，震中附近的井孔壓力不一定是最大的，這可能跟所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。

圖8 震時實測井水位升降與計算孔壓變化Fig.8 The changes of water level and calculated pore pressure in wells during earthquake

由圖8可知，07-12震后瞬時玉田井水位處于上升狀態(tài)；灤南井、豐潤井、灤縣井和盧龍崔莊井水位升降變化不明顯；唐山井、馬家溝井、林西礦井和何家莊井水位處于下降狀態(tài)。由此可知，震后瞬時流體井井孔壓力分布不符合震源機(jī)制解。震前井孔受拉張力的灤南井，震時水位未發(fā)生明顯變化，震后瞬時井孔仍受拉張力控制；震前井孔受壓應(yīng)力的豐潤井、灤縣井和盧龍崔莊井，震時水位未發(fā)生明顯變化，震后瞬時井孔仍受壓應(yīng)力控制；震前井孔受壓應(yīng)力的昌黎何家莊井，震時水位出現(xiàn)下降，震后瞬時井孔受拉張力控制。震后瞬時不符合震源機(jī)制解的現(xiàn)象可能與井孔結(jié)構(gòu)、含水層深度、井孔所在斷層位置等有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

計算地震后15 d井孔壓力分布(圖9)。由圖可知，震后灤南井水位由下降轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙?，表現(xiàn)為應(yīng)力的累積，而近東西向大部分流體井水位由上升轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆担憩F(xiàn)為應(yīng)力的釋放，較圖8可知，應(yīng)力釋放量有所增大。近東西向的震前、震時應(yīng)力壓縮區(qū)演變?yōu)槔瓘垍^(qū)，而近南北向的應(yīng)力拉張區(qū)演變?yōu)閴嚎s區(qū)，說明地震靜應(yīng)力作用得到了調(diào)整，逐漸恢復(fù)到正常的應(yīng)力水平。

圖9 震后實測井水位升降與計算孔壓變化Fig.9 The changes of water level and calculated pore pressure in wells after earthquake

為進(jìn)一步驗證所得結(jié)論，繪制2017-01-01～2020-07-31所有井水位原始曲線圖(圖10)。由圖可知，玉田井、灤南井、灤縣井和豐潤井水位存在一個相似的年變規(guī)律。從2019年下半年開始，灤南井呈現(xiàn)下降趨勢，說明井孔受拉張力；玉田井、唐山井、灤縣井、盧龍崔莊井、昌黎何家莊井、豐潤井、林西礦井水位變化較平穩(wěn)，基本呈現(xiàn)上升趨勢，表現(xiàn)為應(yīng)力累積；馬家溝井水位呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，受力狀態(tài)不清晰。所得結(jié)論基本符合上述研究結(jié)果。

圖10 2017-01-01～2020-07-31井水位原始曲線變化情況Fig.10 The variation of original curve of well water level from January 1,2017 to July 31,2020

通過計算震前、震時、震后的井孔壓分布得知，井孔壓在走滑斷層破裂帶周邊呈四象限分布，這種變化特征可用震前閉鎖剪力模型解釋[13]。根據(jù)線性孔彈性理論，可以運用井水位升降變化確定地震引起的地殼形變分布變化。

4 結(jié) 語

以2020年古冶5.1級地震為例，通過計算唐山地區(qū)9口井流體潮汐參數(shù)及井孔壓，結(jié)合實測水位的升、降情況，得出以下結(jié)論：

1) 唐山地區(qū)流體井日變幅曲線主要受潮汐作用影響，古冶地震發(fā)生時引潮力處于較高相位值，說明引潮力對該地震有一定的誘發(fā)作用。

2)震前壓縮區(qū)為近東西向，表現(xiàn)為應(yīng)力累積，井水位基本為上升狀態(tài)；拉張區(qū)為近南北向，表現(xiàn)為應(yīng)力的釋放，井水位基本為下降狀態(tài)，符合線性孔彈性理論。震時壓縮區(qū)與拉張區(qū)沒有改變，但壓縮區(qū)應(yīng)力有所釋放，拉張區(qū)應(yīng)力有所累積，井水位變化情況基本符合震源機(jī)制解，但流體井井孔壓力分布不符合震源機(jī)制解，該現(xiàn)象可能跟井孔結(jié)構(gòu)、含水層深度、井孔所在斷層位置等有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。震后近東西向的壓縮區(qū)演變?yōu)槔瓘垍^(qū)，近南北向的拉張區(qū)演變?yōu)閴嚎s區(qū)，實測的井水位升、降情況也基本與壓縮、拉張情況一致。