蘆山Ms7.0地震引起的水位同震響應(yīng)特征分析

周志華，黎明曉，馬玉川

(中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045)

井水位變化是井水位觀測系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生體應(yīng)變的地殼靜水壓力的一種響應(yīng)［1］。地下流體同震效應(yīng)是地震波在傳播路途中，沿途井孔含水層發(fā)生應(yīng)變而引起的變化，一般以彈性形變?yōu)橹鳎?］。同震響應(yīng)的研究有助于對(duì)地下流體前兆現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解［3］，對(duì)于減輕次生災(zāi)害、追溯地震前兆、跟蹤后續(xù)地震以及研究地殼活動(dòng)規(guī)律等都具有重要的理論和實(shí)際意義［4］。目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展很多的科研工作，研究遠(yuǎn)震、近震引起的地下水同震現(xiàn)象，分析地下水同震與震源機(jī)制、地震波等因素的關(guān)系［5］，從而進(jìn)一步探討研究區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力釋放情況，對(duì)研究區(qū)域未來地震危險(xiǎn)性的分析具有十分重要的意義［3，6，7］。

2013年4月20日08時(shí)02分46秒在四川省蘆山縣(30.30°N，102.99°E)發(fā)生Ms7.0級(jí)地震，震中位于龍門山地震帶南段［8］。主震破裂過程呈北北東向擠壓逆沖變形特征，與龍門山斷裂帶總體走向和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)一致(龍門山斷裂帶走向主要為近北東向)，是巴顏喀拉地塊向東運(yùn)動(dòng)遇到華南地塊阻擋時(shí)應(yīng)力積累和釋放的結(jié)果［8，9］。地震引起我國大范圍的水位同震響應(yīng)，本文基于全國地下流體觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計(jì)分析中國大陸地下流體臺(tái)站的水位觀測數(shù)據(jù)，研究蘆山Ms7.0級(jí)地震引起的水位同震響應(yīng)特征與意義。

1 蘆山Ms7.0地震引起的水位同震變化特征

地下水同震效應(yīng)即井孔含水層系統(tǒng)對(duì)地震波的響應(yīng)是地震波引起水位變化即含水層內(nèi)孔隙介質(zhì)體膨脹的結(jié)果。地震引起的水位同震變化有震蕩和階變2種類型。

(1)震蕩型:一般為遠(yuǎn)大地震引起，表現(xiàn)為水位快速高頻振蕩、快速高頻衰減、水位振蕩持續(xù)時(shí)間、振幅與震級(jí)呈正比關(guān)系。持續(xù)時(shí)間為數(shù)分鐘至幾小時(shí)，振蕩幅度為幾厘米至米［2］。蘆山Ms7.0級(jí)地震引起的水位震蕩型變化特征如圖1所示。

(2)階變型:一般為地方震及近地震引起，表現(xiàn)為地震波引起水位變化出現(xiàn)階升、階降，階升、階降持續(xù)時(shí)間及階變幅度亦與震級(jí)有關(guān)，階變幅度為幾毫米至幾十厘米，持續(xù)時(shí)間為數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘，有時(shí)甚至產(chǎn)生永久性的水位改變［10］。蘆山Ms7.0級(jí)地震引起的水位階升變化特征如圖2(a)和圖2(b)所示，地震引起的水位階降特征變化如圖2(c)和圖2(d)所示。

圖1 蘆山Ms7.0級(jí)地震水位同震震蕩型變化特征

圖2 蘆山Ms7.0級(jí)地震水位同震階變型變化特征

根據(jù)全國地下流體前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)，此次地震具有水位同震響應(yīng)的共70個(gè)測點(diǎn)，其中具有水位階升的是16項(xiàng)，水位階降的是6項(xiàng)，水位震蕩的為48項(xiàng)(見表1)。在全部的研究對(duì)象中，震中距最近的是邛崍，約為40 km，振幅約0.518 m。震中距最遠(yuǎn)的是富裕，約2 710 km，振幅約0.01 m。按照振幅變化來看，振幅最大的是0.518 m，是震中距最近的邛崍測點(diǎn)，振幅最小的是震中距約1 650 km的左家莊，其振幅僅0.1 cm。

表1 蘆山Ms7.0地震引起的水位同震變化類型、震中距與最大振幅統(tǒng)計(jì)

續(xù)表1

水位同震變化的空間分布具有一定的規(guī)律性(圖3)，震中距在500 km范圍內(nèi)多呈現(xiàn)水位同震階升變化，且主要分布在震中的東南側(cè);水位同震階降較為集中的區(qū)域在河北，震中距在1 400～1 700 km范圍內(nèi);水位同震震蕩的測點(diǎn)分布范圍廣，震中距也從40 km到2 710 km不等。

圖3 蘆山Ms7.0級(jí)地震水位同震響應(yīng)測點(diǎn)的空間分布

2 觀測井震中距與水位同震響應(yīng)量關(guān)系

有研究表明，水位同震階變幅度與震級(jí)和震中距有關(guān)，例如汪成民等［11］分析了唐山7.8級(jí)地震及其后寧河6.9級(jí)、6.2級(jí)地震時(shí)天津俵口、咸水沽、上古林三口井的

水位同震階變中，震中距影響強(qiáng)于震級(jí)的影響，盧龍井對(duì)唐山40多次余震同震階變的下降幅度特點(diǎn)也與之相符。除近震引發(fā)水位同震外，也有研究表明，遠(yuǎn)震也能引發(fā)同震階變現(xiàn)象，如黃輔瓊等［6］分析了中國大陸52口井地下水對(duì)1999年臺(tái)灣集集地震的響應(yīng)，在震中距小于550 km的閩粵井孔主要為震前變化，在震中距為800～2 120 km時(shí)均出現(xiàn)多種震蕩和階升的水位同震變化。

在蘆山地震水位同震響應(yīng)的測點(diǎn)中，500 km范圍內(nèi)的測點(diǎn)變化以水位同震階升為主，共計(jì)6個(gè)測點(diǎn);水位同震階降的測點(diǎn)為2個(gè)，水位同震震蕩的測點(diǎn)3個(gè)。因此在分析水位同震最大振幅與震中距的關(guān)系中，僅水位同震階升可以分為500 km范圍內(nèi)和全國范圍內(nèi)測點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。

如圖4(a)所示，在震中距500 km范圍內(nèi)，震中距和水位同震階升最大振幅具有一定的相關(guān)性，水位同震階升最大振幅隨震中距的增加而減小，相關(guān)系數(shù)R為0.88，說明在500 km范圍內(nèi)，水位同震變化的各項(xiàng)影響因素中，震中距的影響占優(yōu)。如圖4(b)所示，在全國大陸范圍內(nèi)，震中距和水位同震階升的最大振幅的相關(guān)系數(shù)差沒有明顯的規(guī)律存在。主要原因是存在個(gè)別測點(diǎn)的最大振幅出現(xiàn)異常高值，不符合震中距較遠(yuǎn)和水位同震階升最大振幅較小的規(guī)律，其影響因素除與測點(diǎn)所在構(gòu)造部位有關(guān)外，還與其所在層位和巖性具有一定的關(guān)系。震中距的影響范圍有限。

在全國范圍內(nèi)，震中距與水位同震階降的最大振幅的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R為0.85，如圖5(a)所示，可能的主要原因是水位同震階降的測點(diǎn)較少，除河北境內(nèi)分布較為集中和各個(gè)測點(diǎn)的測量層位和巖性類似以外，其余測點(diǎn)分布較為分散，震中距對(duì)同震振幅的影響占據(jù)主體。

圖4 水位同震階升振幅與震中距的相關(guān)性

震中距與水位同震震蕩的最大振幅相關(guān)性最差，如圖5(b)所示，主要因素是水位同震震蕩的測點(diǎn)較多，測點(diǎn)分布不規(guī)律，在測點(diǎn)較密集的區(qū)域，震中距相差無幾，觀測臺(tái)站所處巖性和構(gòu)造決定水位同震振幅，多種影響因素綜合在一起，導(dǎo)致單純的水位同震最大振幅與震中距的關(guān)系沒有相關(guān)性。

圖5 水位同震最大振幅與震中距的相關(guān)性

從上述震中距與水位同震響應(yīng)量的分析可以看出，水位階變或者震蕩形式的同震現(xiàn)象不僅受斷層破裂產(chǎn)生的應(yīng)變影響，還受水文構(gòu)造環(huán)境的共同影響，井水位對(duì)地震波作用的響應(yīng)能力與響應(yīng)特征，與井點(diǎn)所在的構(gòu)造部位、觀測含水層的類型和含水層的導(dǎo)水系數(shù)有關(guān)。車用太等［12］研究了井孔所在含水層的巖性與同震響應(yīng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)喀斯特發(fā)育且透水性強(qiáng)的碳酸鹽巖含水層中井孔記震能力最強(qiáng)，其次為砂巖孔隙含水層中的井孔，再次為巖漿巖裂隙含水層中的井孔。因此水位的同震效應(yīng)是因井而異的，不能簡單地把一口井水位的同震響應(yīng)特征視為井孔所在區(qū)域井水位對(duì)地震波作用響應(yīng)的特征，其關(guān)鍵因素起主導(dǎo)作用。

3 水位同震空間分布特征與分析

Wakita［13］認(rèn)為，震中周圍一定范圍內(nèi)，承壓含水層的水位階梯狀變化是源于多孔彈性介質(zhì)對(duì)靜態(tài)應(yīng)力場的響應(yīng)，根據(jù)Yan Zhang和Fuqiong Huang［14］研究結(jié)論，震中距小于1.5倍烈度長軸的范圍內(nèi)主要由靜態(tài)應(yīng)變引起水位同震階變，超過這個(gè)范圍的水位同震階變響應(yīng)無法用靜態(tài)應(yīng)力場的變化解釋。Manga和Wang［15］認(rèn)為，地下水的各種應(yīng)力響應(yīng)可分為斷層錯(cuò)位產(chǎn)生的靜應(yīng)力和來自地震波的動(dòng)應(yīng)力，它們都來自地震矩，但隨距離的衰減差別很大，靜應(yīng)力按1/r3(r為震中距)遞減，而與地震波振幅成正比的動(dòng)應(yīng)力遞減速度較為緩慢，衰減的經(jīng)驗(yàn)公式為1/r1.66(r為震中距)。蘆山Ms7.0級(jí)地震的Ⅵ度區(qū)長軸為95 km，在其1.5倍范圍內(nèi)，由靜態(tài)應(yīng)變引起的水位變化僅有一個(gè)邛崍測點(diǎn)，此次地震由靜態(tài)應(yīng)變觸發(fā)地震的可能性不大。根據(jù)第二部分震中距與水位同震響應(yīng)量的分析討論，可以看出地震波的動(dòng)應(yīng)力對(duì)于水位同震的影響有限，水位同震變化是由多種因素影響的綜合結(jié)果，因此區(qū)域應(yīng)力場的機(jī)理更為復(fù)雜。

由于水位動(dòng)態(tài)的物理意義明顯，含水層受壓時(shí)上升，受拉張時(shí)下降，因此震后階躍上升的水井水位可能包含有區(qū)域應(yīng)力場的信息，水位階躍上升集中區(qū)可能也是區(qū)域壓應(yīng)力相對(duì)集中區(qū)。在以往的地震水位同震分析研究中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)在水位階升集中的區(qū)域，在響應(yīng)異常出現(xiàn)后的幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生較為顯著的地震，例如1999年9月21日臺(tái)灣集集Ms7.6地震，在遼寧有12口水位觀測井出現(xiàn)了同震及震后效應(yīng)，其中有11口井出現(xiàn)水位階升，隨后在1999年11月至2000年1月發(fā)生了最大震級(jí)為Ms5.4的海城—岫巖震群［16］。這樣的震例雖多，但是也有響應(yīng)異常出現(xiàn)后沒有發(fā)生顯著地震的情況，仍然以1999年9月21日臺(tái)灣集集Ms7.6地震為例，江蘇地區(qū)，句容16井，鎮(zhèn)江17井和蘇州20井也出現(xiàn)水位同震階升的變化，然而沒有相應(yīng)地震的發(fā)生［6］。根據(jù)全國地下流體前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖3所示，在蘆山Ms7.0級(jí)地震震中距500 km范圍內(nèi)，水位同震階升占據(jù)主體，區(qū)域壓應(yīng)力相對(duì)集中。根據(jù)GPS觀測顯示，巴東塊體東南側(cè)呈現(xiàn)擠壓的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢［17］。但是在地震發(fā)生的10個(gè)月內(nèi)，水位同震階變集中區(qū)域，未發(fā)生4級(jí)以上顯著地震，此區(qū)域因?yàn)閴簯?yīng)力相對(duì)集中而引發(fā)地震的可能性不大。

4 結(jié)論

(1)在震中距500 km范圍內(nèi)，震中距是水位階升最大振幅的主要影響因素，但是在全國范圍內(nèi)，影響水位階升最大振幅的因素并不單一。

(2)因?yàn)樗浑A降測點(diǎn)的數(shù)量少，分布分散的特點(diǎn)，震中距是影響水位階降的主要因素。

(3)水位震蕩的測點(diǎn)多而分布雜亂，大陸范圍的臺(tái)站對(duì)于蘆山Ms7.0級(jí)地震的地下水同震響應(yīng)能力除了震級(jí)、震中距外，還取決于井區(qū)水文地質(zhì)條件、構(gòu)造部位和井孔的特性。

(4)在蘆山Ms7.0級(jí)地震震中距500 km范圍附近，水位同震階升占據(jù)主體，區(qū)域壓應(yīng)力相對(duì)集中，但是在地震發(fā)生的10個(gè)月內(nèi)，水位同震階變集中區(qū)域未發(fā)生顯著地震，此區(qū)域因?yàn)閴簯?yīng)力相對(duì)集中而引發(fā)較強(qiáng)地震的可能性不大。

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