地震波引起的井水位水溫同震變化及其機理研究

楊竹轉(zhuǎn)

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

地下水是地球系統(tǒng)的重要組成部分，地下水的運動變化與人類的生存環(huán)境息息相關(guān)。地震是地球活動的突發(fā)常發(fā)事件。地震與地下水動態(tài)的關(guān)系是近幾十年來人們努力研究的內(nèi)容，地震引起的井水位水溫同震效應是當前大家非常關(guān)注的熱點問題。本論文以這一命題為科學問題開展研究工作，試圖揭示地下水位水溫同震變化的時空分布規(guī)律、影響因素、相互關(guān)系和產(chǎn)生機理，這對于厘清地震與地下水動態(tài)的關(guān)系、研究地殼活動規(guī)律、減輕次生災害、跟蹤后續(xù)地震、追溯地震前兆等都具有重要的理論和實際意義。中國的地下水位水溫觀測臺網(wǎng)，經(jīng)過20世紀七、八十年代的起步建設(shè)，“九五”、“十五”期間的發(fā)展，觀測井點數(shù)量分別達到了約420個和277個，尤其是數(shù)字化的觀測儀器，采樣率達到了分鐘值，快速、連續(xù)和方便，為深入研究井水位水溫同震效應奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本論文在對地下水位水溫同震變化研究現(xiàn)狀系統(tǒng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了目前研究中存在的問題，主要表現(xiàn)在：多為定性分析，缺乏進一步的定量研究；水位水溫同震變化相互關(guān)系未見有系統(tǒng)研究；對水溫影響因素的研究較為缺乏；對水位水溫同震變化機理的認識尚不深入和統(tǒng)一等。針對以上幾個方面的問題，本論文首先選擇代表性井點，對其多年連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進行細致分析，研究一井多震的水位水溫同震變化規(guī)律；然后依照一定的原則對全國前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的觀測井點進行篩選，系統(tǒng)收集被選井點水位水溫對2008年汶川MS8.0地震的響應，研究一震多井的水位水溫同震變化特征和同井水位水溫變化的組合類型；并挑選出以汶川震中為中心1 000 km范圍內(nèi)的井點，收集其在2007年印尼蘇門答臘MS8.5地震前后的觀測資料，對比分析了汶川近震和蘇門答臘遠震引起的水位水溫同震變化的異同及其影響因素；最后以北京塔院井為實驗場地，對水位和不同深度的水溫動態(tài)變化進行對比觀測，探討了水溫動態(tài)的影響因素，并建立模型進行數(shù)值模擬，分析探討水位水溫同震變化的機理。

論文的主要工作可歸納為如下幾個方面。

1 水位同震變化的研究

水位同震變化可分為振蕩和階變（包括上升和下降）。水位振蕩是含水層對地震波的彈性響應，前人已有較多的研究，這里主要關(guān)注階變型同震變化。本論文首先選擇云南思茅大寨井和新疆烏魯木齊新04井兩口代表性井孔對水位同震階變上升和下降變化特征進行研究；然后系統(tǒng)收集了井水位在2008年汶川MS8.0和2007年印尼蘇門答臘MS8.5地震前后的同震變化觀測資料，分析對比了近震和遠震引起的水位同震變化的異同。

對一井多震的研究結(jié)果顯示，同一口井的水位同震變化的方向不因地震的不同而改變，無論地震的方位、距離、大小和震源機制如何，上升的總是上升，下降的總是下降。水位同震變化幅度主要受震級和井震距控制，3者之間有良好的相關(guān)性。

思茅井水位的同震變化總是上升，上升幅度隨震級的增大而增大，隨井震距的增大而減小，同時也受季節(jié)性降雨或者區(qū)域構(gòu)造環(huán)境和局部應力狀態(tài)變化的影響，地震波跨過紅河斷裂時會使井水位同震變化幅度偏離總體統(tǒng)計關(guān)系。分析認為，滲透系數(shù)減小可能是水位同震上升的主要原因。

新04井水位的同震變化總是下降，下降幅度隨震級的增大而增大，隨井震距的增大而減小，同時也受本地應力狀態(tài)的影響。在新04井周圍發(fā)生的3個5級左右的地震前后，井水位同震響應能力顯著降低，可能是孔隙縮小、斷層閉鎖，水流受阻所致。新04井井孔穿過了斷層破碎帶，當受強震S波或面波能量的激發(fā)時，斷層發(fā)生張合作用或蠕動，井水外泄可能是井水位同震下降變化的原因。

2008年汶川地震是地下水位水溫觀測網(wǎng)在“九五”、“十五”項目建設(shè)完成后國內(nèi)發(fā)生的最為顯著的地震，因此在一震多井分析時，選擇以汶川地震為例。首先對前兆臺網(wǎng)庫中的井點進行了篩選。為兼顧下文對水溫同震響應和同井水位水溫同震變化組合類型的分析，選擇觀測井點時遵循以下原則：① 井點要同時具有水位水溫兩個觀測項，且在2008年5月12日地震前后儀器都正常工作；② 汶川地震至少引起了水位水溫中一個測項的同震變化；③ 水位水溫具有相對穩(wěn)定的動態(tài)背景。依照以上原則對前兆數(shù)據(jù)庫有記錄的井點進行了篩選，選出了96口井，并對其水位同震變化進行了分類統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果顯示，2008年汶川MS8.0地震引起的水位同震變化以上升為主。

同時，在以上的96口井中，挑選出以汶川震中為中心1 000 km范圍內(nèi)的32個井點，收集其對2007年印尼蘇門答臘MS8.5的響應，對比分析汶川近震和蘇門答臘遠震引起的水位水溫同震變化的異同。對比結(jié)果顯示，印尼遠震引起水位同震上升或下降階變的6口井，在汶川近震時其階變方向仍然不變；在印尼遠震引起水位振蕩的18口井中，在汶川近震時除4口井仍然振蕩外，其余14口都產(chǎn)生了或上升或下降的同震階變；在印尼遠震無變化的8口井點中，在汶川地震時除1口無變化外，其余7口都產(chǎn)生了或上升或下降的同震階變。

對比分析結(jié)果表明：無論對于遠震還是近震來說，水位同震上升的比例都遠大于同震下降變化的比例；相對于遠震，近震引起的水位同震階變井點數(shù)量大大增加，振蕩和無變化井點數(shù)量減少；水位同震升降的方向不因地震的遠近、大小、震源機制或地震方位的變化而改變，更多地受控于本地的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和水文地質(zhì)條件；地震波能量的變化不能改變水位同震變化的方向，當?shù)卣鸩芰孔銐虼髸r，會使一些原來僅產(chǎn)生振蕩或無同震響應的井孔的水位發(fā)生階變。

2 水溫同震變化的研究

水溫同震效應有上升和下降變化，但沒有觀測到振蕩現(xiàn)象。水溫同震變化與水位變化關(guān)系密切，對一井多震的研究結(jié)果表明，水位同震變化是水溫同震變化的必要條件。有水溫同震變化的震例都存在水位同震變化；而發(fā)生水位同震變化的震例則不一定有水溫同震變化。研究結(jié)果顯示，水位水溫同震變化主要存在4種組合，它們分別是：水位上升水溫上升型、水位下降水溫上升型、水位下降水溫下降型、水位振蕩水溫下降型。本論文首先選擇云南思茅井、新疆新04井、北京左家莊井和塔院井作為上述4種組合的代表進行分析討論；然后系統(tǒng)收集了從全國地下流體觀測網(wǎng)中篩選出的96口井對2008年汶川MS8.0地震的水溫響應資料進行分析；最后在以汶川震中為中心1000 km范圍內(nèi)挑選出32個井點，收集其在2007年印尼蘇門答臘MS8.5地震前后的同震變化觀測資料，分析對比了近震和遠震引起的水溫同震變化的異同及其影響因素。

（1）水位上升水溫上升型。以云南思茅井為例，水位、水溫同震變化類型都為上升，變化起始時間上幾乎同步。水位同震上升幅度為幾十個cm的量級，最小12 cm，最大60.6 cm；水溫同震上升幅度則為幾十至上百10－4℃，兩者之間的比例關(guān)系為幾個℃/100 m，量級與正常地溫梯度3℃/100 m基本相同。觀測系統(tǒng)安裝時的測量結(jié)果顯示，水溫探頭附近為隨深度增加的正梯度區(qū)，思茅井長時間水位水溫動態(tài)對比也顯示兩者同向變化，結(jié)合水位水溫變化幅度的比值與地溫梯度量級相當?shù)奶攸c，分析認為水位同震上升是水溫同震上升的直接原因。

（2）水位下降水溫上升型。以新疆新04井為例，水位同震變化為下降—恢復型，而水溫同震變化主要表現(xiàn)為穩(wěn)定—上升—恢復。地震引起的水位同震下降幅度最大為58 mm，當水位同震階變大于10 mm時，水溫記錄到同震變化，對應的水溫上升幅度為幾十個10－4℃，兩者之間的比例關(guān)系可以達到約10℃/100 m，遠大于測量到的井孔地溫梯度約3℃/100 m。而且水溫同震上升的起始時間不是與水位開始下降的時間同步，而是與水位下降后開始恢復的時間基本相當。

分析認為，新04井孔水溫探頭下方可能存在熱的含水層，它與斷層的共同作用，控制著井水位、水溫的變化。當?shù)卣鸩ぐl(fā)井水沿斷層外泄時，水位下降引起的水溫降低與含水層補給熱水產(chǎn)生的水溫升高中和平衡，溫度不發(fā)生明顯變化（穩(wěn)定）；地震波過后井水沿斷層外泄減少，而含水層中的熱水繼續(xù)流向井內(nèi)，井水位上升，溫度上升；井水位上升停止后，含水層中的熱水也停止流向井內(nèi)，受地溫梯度的控制，井水溫下降恢復到正常狀態(tài)。

（3）水位下降水溫下降型。以左家莊井為例，溫度探頭位于井孔內(nèi)有套管封閉的正梯度段內(nèi)，水位水溫同震變化為同步下降。記錄到的水位同震變化幅度1～2 m，水溫同震變化為約0.03～0.04℃，兩者比例關(guān)系約2～3℃/100m。水溫同震變化機理類似于思茅井水位水溫同步變化，體現(xiàn)了正梯度狀態(tài)下水位同震下降對水溫同震變化的影響。

（4）水位振蕩水溫下降型。以塔院井為例，井水位同震變化總是振蕩，水溫同震變化形態(tài)總是具有下降—上升—恢復的過程，不受地震方位和震源機制影響；水溫同震變化總是發(fā)生在地震波到達和水震波開始之后。已記錄到的最大水溫同震變化達0.097℃。

分析認為，井孔中的水體受振蕩激發(fā)而加速對流與摻混，是導致塔院井水溫同震下降的主要原因。水溫探頭一般放置在較深的部位，在正常情況下溫度較高。當受到地震波的作用時，井孔中水體對流加速，深部熱水體上涌，而淺部較冷水體下沉，水溫探頭將先觀測到溫度下降現(xiàn)象。隨水震波的逐漸平息，探頭附近井水溫逐步恢復上升。

塔院井水溫同震下降幅度隨震級的增大而增大，隨井震距的增大而減小。個別發(fā)生在井孔東側(cè)的地震引起的溫度同震變化小于理論計算值，可能是黃莊—高麗營斷裂影響所致。

2008年汶川MS8.0地震引起的水溫同震變化統(tǒng)計結(jié)果顯示，在有水位或水溫同震效應的96口觀測井中，66口井記錄到水溫同震變化，上升和下降井孔各為31和35，以同震下降井孔所占比例略高；在66口井中，其中65口井都有相應的水位同震變化，只有1口井因特殊原因未觀測到相應水位同震變化。同井的水位水溫同震變化關(guān)系的分類統(tǒng)計結(jié)果顯示，在水位有同震升降階變的77口井中，水位水溫同方向變化（水位上升溫度上升或者水位下降溫度下降）的有31口井，反方向變化（水位上升溫度下降或者水位下降溫度上升）的有23口井，水溫無變化的有23口井，以水位水溫同方向變化占優(yōu)勢。對于水位振蕩變化的18口井，水溫無變化的井孔有7口，上升和下降的分別為2口和9口，水溫以下降為主。

以汶川MS8.0地震為中心1 000 km范圍內(nèi)的32個井點中，2007年印尼蘇門答臘MS8.5遠震與汶川MS8.0近震引起的水溫同震變化的比較顯示，相對于遠震，近震引起的水溫同震階變井點數(shù)量增加，無變化井點數(shù)量減少。當?shù)卣鸩芰孔銐虼髸r，會使一些原來無同震響應的井孔發(fā)生水溫階變，但大多數(shù)井水溫同震升降的性質(zhì)都不因地震的遠近、大小、震源機制或方位的變化而改變。兩個發(fā)生水溫同震升降性質(zhì)變化的井點是由于水的自流狀態(tài)改變或水位同震變化由振蕩轉(zhuǎn)為階變而引起。

對一震多井和遠近震例對比研究結(jié)果表明，水溫同震變化以水位的同震變化為前提條件，水溫同震升降的性質(zhì)不因地震的不同而改變，同震變化的幅度與震級、井震距、季節(jié)、地溫梯度、探頭放置位置等因素有關(guān)。

3 不同深度井水溫對比觀測及水位水溫動態(tài)關(guān)系的數(shù)值模擬研究

為探討井水溫動態(tài)變化的影響因素，以北京塔院井為實驗場地，使用新增的一臺高精度溫度儀，進行詳細的水溫梯度測量和不同深度水溫動態(tài)連續(xù)測量，把新探頭獲取的不同深度的水溫動態(tài)數(shù)據(jù)與原有的水位水溫儀（2001年7月安裝）觀測數(shù)據(jù)進行對比研究。同時參考唐山礦井和西昌太和井的觀測資料，對比分析了井孔水溫動態(tài)的影響因素。

詳細的水溫梯度測量顯示，塔院井在距井口約105～180 m處存在一負梯度段，分析認為負梯度帶的出現(xiàn)可能是局部段落有冷流體的存在和滲入所致。不同深度的實驗測試結(jié)果表明，在井孔淺部，水溫梯度變化大，其潮汐效應不明顯；在深部水溫正梯度段，水溫水位同向變化；在負梯度段，水溫水位反向變化；水溫梯度越大，潮汐效應幅度越大。水溫探頭放置處的水溫梯度的差異及其與含水層的相對位置是水溫動態(tài)復雜性的重要原因。

引入了流體運動的控制方程和熱傳導方程。COMSOL Multiphysics是專為描述和模擬各種物理現(xiàn)象而開發(fā)的一個專業(yè)有限元數(shù)值分析軟件，可模擬所有可用偏微分方程（PEDS）描述的物理過程。本論文選用最新版本COMSOL 4.1對塔院井水位水溫同震變化進行數(shù)值模擬研究。分析中，對于井水面的升降或波動變化使用COMSOL軟件中的移動網(wǎng)格法（ALE）來實現(xiàn)。

為了解釋水位震蕩水溫下降的現(xiàn)象，建立了一個三維模型進行模擬分析。幾何模型取井半徑r＝0.25 m，井深H＝100 m，上下溫差為3℃。由于井孔及其所包含的水體構(gòu)成了一個軸對稱結(jié)構(gòu)，研究中將三維模型簡化為二維軸對稱模型。在井孔下部側(cè)壁施加周期為5 s和20 s正弦波組成的壓力波動，模擬地震波對井水的作用。結(jié)果表明，在井水上表面出現(xiàn)了明顯的水位振蕩變化；在井孔中部施加壓力波的上方出現(xiàn)水溫振蕩下降現(xiàn)象，與許多井水位振蕩水溫同震下降的實際觀測結(jié)果一致。在實際觀測中，可能由于水溫探頭的延遲效應和分鐘值的采樣率，難于觀測到水溫的振蕩效應。

通過對井水位水溫同震變化的系統(tǒng)實驗觀測和分析研究，本研究取得的主要新認識如下：

（1）同一口井水位同震升降的性質(zhì)主要受井孔局部水文地質(zhì)條件控制，不因地震方位、大小、距離和震源機制的不同而改變，上升的井總是上升，下降的井總是下降。

（2）單井水位升降幅度隨震級的增大而增大，隨井震距的增大而減小，3者之間有良好的相關(guān)性；地震波跨越斷層或者說來自于某個方向的地震波、季節(jié)性的降水會使同震變化的幅度偏離總體統(tǒng)計關(guān)系；井孔附近孕震可能使同震響應能力發(fā)生改變。

（3）同一口井的水位同震變化是水溫同震變化的必要條件，水溫同震響應總是出現(xiàn)在地震波到達和水位同震變化開始之后；水溫同震變化的幅度受到震級、井震距、季節(jié)、地溫梯度、探頭放置位置等因素的影響。

（4）無論對于遠震還是近震來說，同一地震引起的水位同震變化以上升為主，可能是滲透率的降低所致；同震水位下降的井多穿過了斷層破碎帶，地震波激發(fā)使斷層發(fā)生張合作用或蠕動，井水外泄可能是井水位同震下降的原因。

（5）相對于遠震，近震引起的水位水溫同震階變井點數(shù)量大大增加，振蕩和無變化井點數(shù)量減少；當?shù)卣鸩芰孔銐虼髸r，會使一些原來僅產(chǎn)生振蕩或無同震響應的井孔的水位水溫發(fā)生階變，但不能使水位水溫階變的性質(zhì)發(fā)生變化。個別發(fā)生水溫同震升降性質(zhì)變化的井點，是由于水的自流狀態(tài)改變或水位同震變化由振蕩轉(zhuǎn)為階變而引起的。

（6）水溫探頭放置處的水溫梯度差異及其與含水層的相對位置是水溫動態(tài)復雜性的重要原因。在深部正梯度段，水溫水位同向變化；在負梯度段，水溫水位反向變化。水溫梯度越大，潮汐效應和同震變化幅度越大。塔院井負梯度帶的出現(xiàn)可能是局部段落有冷流體的存在和滲入所致。

（7）同井中水位水溫同震階變的關(guān)系，以兩者同方向變化（水位上升溫度上升或者水位下降溫度下降）比反向變化（水位上升溫度下降或者水位下降溫度上升）占優(yōu)勢；同震水位振蕩型井孔，其深部水溫同震變化以下降—恢復為主，其原因是井孔中的水體受振蕩激發(fā)而加速對流與摻混所致。

由于時間緊、工作量大、數(shù)值模擬軟件晚到、實驗井（塔院井）改造等原因，論文仍然存在許多問題，例如每個井孔有自己的獨特的特征，要想對一些觀測現(xiàn)象進行深入分析研究，需要有井孔的水文地質(zhì)、井孔結(jié)構(gòu)、溫度梯度等有詳細的資料，而很多井孔的資料都很不完整；一井多震和一震多井的研究實例有限；在數(shù)值模擬分析中，由于流體運動的復雜性，有些現(xiàn)象很難模擬等。這些問題，都有待于將來進一步深入研究。

井水位；水溫；同震變化；汶川地震；振蕩；塔院井；新04井