河北省地下流體水位對遠場大震的響應特征研究

尹宏偉，梁麗環(huán)，韓文英，李 鳳，劉 靜

(1.河北省地震局深州地震臺，河北深州 053800;2.河北省地震局石家莊中心臺，河北石家莊 050021)

0 引言

1899年，意大利一口深井最早記錄到遠震地震波引起的水位震蕩［1］;在我國，20 世紀 70年代首先在北京洼里井觀測到水震波。此后越來越多的觀測井記錄到這種水位動態(tài)現(xiàn)象，人們對水震波的研究也更加廣泛。同震效應研究是揭示地殼介質對應力－應變過程響應最直接的手段，而地下流體具有很強的信息傳遞能力。由于地下水具有流動性、普遍性以及難壓縮性等特點，當其封閉條件足夠好，埋藏深度足夠深時，形成了承壓含水層，就能客觀、靈敏地反映地殼的應力應變狀態(tài)，巖石中微小的應變能反映在孔隙壓力的變化上，并通過靜水壓力的傳遞或通過水的滲流在井孔水位動態(tài)中表現(xiàn)出來［2］。在一次大震發(fā)生后，由于地震波的傳播，震中及較遠范圍的觀測井孔可能會出現(xiàn)異常變化現(xiàn)象。研究水位的同震異常響應特征對于促進地殼的應力狀態(tài)研究以及促進地震預測方面的研究具有十分重要的意義，在這方面前人已經(jīng)做了很多工作［3－5］，筆者在前人研究的基礎上，收集、整理了2008年中國汶川Ms8.0 地震、2011年3月11日日本Ms9.0 地震、2012年4月11日印尼Ms8.6地震和2013年9月24日巴基斯坦Ms7.8 地震時河北省地下流體數(shù)字化觀測井網(wǎng)記錄到的同震效應，分析各個井孔水位的同震響應特征，探討水位同震變化的機理，從中發(fā)現(xiàn)一些水位同震響應的規(guī)律，為地震預測預報的研究提供參考。

1 井孔同震響應特征

目前，河北省地下流體數(shù)字化觀測井網(wǎng)有18個井點，分別是張家口、赤城、唐山、玉田、永清、滄縣、黃驊、深州、無極、辛集、寧晉、邯鄲峰4、永年北杜、后郝窯、昌黎、河間、衡水、小馬村。在4次遠大地震中，有4 口井水位都出現(xiàn)了同震異常變化，8 口井水位在部分地震中出現(xiàn)了同震異常變化，包括水震波、水位階變、水震波伴隨階變(表1)，井孔的承壓性和震中距見表2，圖1是幾個典型的同震響應曲線圖，同震響應井孔的地理分布情況見圖2。從圖1看出，日本Ms9.0 級地震后，玉田井水位出現(xiàn)了大幅度的振蕩，其水震波的最大雙振幅達到2.48m，是4 次地震同震響應井孔中水位變化幅度最大的。

表1 觀測井的同震異常變化時段和變化幅度表Tab.1 The time and magnitude of co-seismic response abnormal changes of observation wells

表2 同震響應觀測井含水層承壓性和對應各個地震的震中距Tab.2 Aquifer pressure of co-seismic response observation wells and epicentral distance of the corresponding earthquakes

2 “一震多井”的水位同震響應特征分析

2008年5月12日 14時 28分，在中國四川省汶川縣(31.0°N，103.4°E)發(fā)生了Ms8.0 地震。震中位于青藏高原東緣的松潘—甘孜地塊與楊子地塊交界的龍門山主中央斷裂帶上，震源深度14km，屬于逆沖、右旋、擠壓型斷層地震，此次地震引起了大范圍的觀測井水位異常。河北省地下流體數(shù)字化觀測井網(wǎng)18個井點中有8個觀測井水位對汶川地震產(chǎn)生了同震響應，占全部井點的44%(圖3、表 3)。

圖1 不同類型變化特征典型曲線圖Fig.1 Typical pictures of different types of variation

從圖3看出，在記震井孔中有7 口井記錄到水震波，其中有5個伴有階變，有1 口井震后只發(fā)生了階變，一共有6 口井在震后出現(xiàn)了水位階變，階躍上升的是昌黎井、后郝窯井、永清井、黃驊井，階躍下降的是衡水井、峰4 井，以上階變井孔昌黎井、后郝窯井和衡水井是動水位井，其它是靜水位井。一般認為井孔水位的同震水震波是由地震波的傳播作用引起的，能造成水位振蕩的地震波主要有三種，一種是縱波即P 波，另一種是垂直方向的偏振橫波SV 波，還有一種是面波即瑞雷面波［6］，當這些波通過含水層時，含水層孔隙介質會發(fā)生體積變化，引起水位振蕩，形成水震波。如果井孔周圍含水層介質體在強烈地震波的作用下發(fā)生塑性形變，就會導致觀測井孔水位發(fā)生階變。汶川地震產(chǎn)生的強烈地震波使河北省多個井孔的含水層介質體發(fā)生了塑性形變，形成水位階變，結合其它地震統(tǒng)計井孔水位發(fā)生同震階變的情況(表3)。

圖2 河北省同震響應井孔分布圖Fig.2 Borehole distribution of co-seismic response in Hebei Province

表3 觀測井水位同震階變情況統(tǒng)計Tab.3 Step changes statistics of Co-seismic Response of observation wells

楊竹轉等［7］通過研究云南思茅大寨井水位的同震變化特征發(fā)現(xiàn)，地震波對觀測井含水層系統(tǒng)的變化僅起到觸發(fā)作用，其水位變化方式是由井孔局部的地質構造和水文地質條件決定的，同一口井總是以固有的方式對地震波的作用做出響應，因此水位同震階變總是同向的。

圖3 2008年5月12日汶川8.0級地震水位同震響應圖Fig.3 Water level co-seismic response of Wenchuan 8.0 earthquake on May 12，2008

進一步分析發(fā)現(xiàn)，水位同震階升的井孔多集中在河北省的中部和北部，水位同震階降的井孔多集中在河北省的南部。廖麗霞等［8］通過研究福建省流體臺網(wǎng)井水位的同震效應，認為震后階躍上升的水井水位可能包含有區(qū)域應力場的信息，水位階躍上升集中區(qū)可能也是區(qū)域壓應力相對集中區(qū)，對未來該區(qū)域發(fā)生較顯著的地震具有空間上的指示意義，一般這些集中區(qū)就是未來地震危險區(qū)。

由于各個井孔所處的構造環(huán)境和水文地質條件的差異，它們對汶川地震的響應幅度有很大的不同。例如玉田井的井深456.4m，含水層巖性為奧陶系灰?guī)r，地下水類型為承壓水，該井水位同震水震波最大雙震幅為872mm，是正常日變幅度的10 倍，之后迅速衰減，振蕩持續(xù)了34min;黃驊井的井深1250m，含水層巖性為奧陶系灰?guī)r，該井水位同震階變的幅度為937mm;是正常日變幅度的20 倍;在所有同震響應的井孔中是變化幅度最大的，衡水井水位的振蕩幅度最小，但是也達到了55mm。水位變化幅度從大到小排列的井孔依次為黃驊井、玉田井、永清井、峰4 井、后郝窯井、赤城井、昌黎井、衡水井。從表2各個井孔的含水層巖性可見，記震能力強的井孔其含水層巖性大多為灰?guī)r和花崗巖。張清秀等［9］通過研究福建省地下流體觀測井的映震特征，也得到了同樣的認識。一個井孔的記震能力除了與含水層的巖性有關外，還與含水層的滲透性能有關系，張昭棟等［10］利用彈性理論和滲流理論，對水井進行重錘實驗，得到井水位振蕩曲線，從而推導出水井—含水層系統(tǒng)對地震波的響應與其導水系數(shù)有關，導水系數(shù)越大，其滲透性能越好，對井水位振蕩時產(chǎn)生的阻力越小，對地震波的響應幅度越大，響應次數(shù)越多。

河北省地下流體各個同震響應觀測井孔距離汶川地震震中的距離相差不大(表2)，但是其水位同震響應時間卻有很大差異，按照響應時間的先后順序對觀測井進行排列依次為峰4 井、永清井、赤城井、玉田井、衡水井、后郝窯井、昌黎井、黃驊井。峰4 井水位的響應時間最快，地震發(fā)生后僅3min 就產(chǎn)生了響應;最慢的是黃驊井，震后14min 才有響應。二者相差了11min。峰4 井和黃驊井井孔結構信息及震中距的比較見表4。

表4 峰4井和黃驊井井孔結構及震中距的比較Tab.4 The comparison of structural information and epicentral distance between Feng－4 well and Huanghua well

一般認為井孔水位對地震的響應時間跟地震波的傳播和距離震中的距離有關，從地理位置看，汶川至河北峰4 井之間的路徑和汶川至河北黃驊井之間的路徑大體上是一樣的，那么汶川地震產(chǎn)生的地震波傳播至峰4 井和傳播至黃驊井的速度應該是一樣的，按照二者的震中距比較，峰4 井水位是震后3min 產(chǎn)生響應，黃驊井水位就應該是震后4min 產(chǎn)生響應(3 ×1542.8 ÷1169.2≈4)，然而實際上黃驊井水位震后14min 才產(chǎn)生響應。車用太等［11］研究認為，地下水異常變化取決于兩方面因素，一是含水層巖石受力發(fā)生變形的程度;二是孔隙水壓變化的信息在井孔—含水層系統(tǒng)中的傳播過程。在本例中，兩口井水位對汶川地震響應時間的差異，主要原因在于孔隙水壓變化的信息在井孔—含水層系統(tǒng)中傳播所需要的時間不同，從表 4 看，黃驊井比峰 4 井深 450m，2008年5月12日汶川地震時，黃驊井水位埋深約6.2m，峰4井水位埋深約7.8m，那么黃驊井井筒水柱高度就比峰4 井的水柱高度長451.6m，這樣孔隙水壓變化的信息在井筒中傳播的距離遠，用時自然要長，這是黃驊井水位響應地震速度慢的一個因素，但是筆者認為這不是主要因素。魚金子等［12］研究了金沙江水網(wǎng)觀測井水位對2011年日本Mw9.0級地震的同震響應特征和同震響應機理，認為井孔水位對地震波響應時間的差異主要取決于井—含水層系統(tǒng)的導水系數(shù)。黃驊井與峰4 井的含水層巖性相近，又同為裂隙承壓水，但是二者對汶川地震的響應特征卻有很大不同，黃驊井水位的響應形態(tài)是向上的階變，幅度達到937mm;峰4 井水位的響應形態(tài)是大幅度振蕩中伴隨向下的階變，水震波最大雙振幅為200mm，階變幅度為35mm。從水位響應特征分析，黃驊井含水層巖體應力狀態(tài)以壓應力為主，因此巖體結構致密，孔隙率小，導水系數(shù)小，導水能力差，當?shù)卣鸩ǖ竭_井孔后，作用于含水層巖體，引起巖體變形，導致孔隙水壓的變化，再通過靜水壓力的傳遞或通過水的滲流傳播至井筒，在整個過程中，由于含水層巖體致密，孔隙率小，導水系數(shù)小，所以傳播速度慢;而峰4 井含水層巖體的應力狀態(tài)以張應力為主，巖體結構疏松，孔隙率大，導水系數(shù)大，導水能力強，所以孔隙水壓變化的信息在含水層巖體中傳播的速度快。綜上所述，應力狀態(tài)的不同導致含水層巖體結構的不同是黃驊井和峰4 井水位對地震響應時間差異的主要原因(不排除在汶川地震之前，黃驊井含水層巖體結構比峰4 井含水層巖體結構致密)。

3 “一井多震”的水位同震響應特征分析

以峰4 井為例，進行同震響應特征分析，峰4井位于河北省的南端，井孔坐標(東經(jīng)114.2°，北緯36.4°)，井深800m，含水層巖性為灰?guī)r，地下水類型為承壓水。在四次地震中峰4 井記錄到了全部同震水震波，其中有3 次伴隨階變(圖4)。

峰4 井記錄的3 次水位同震階變都是階躍下降的變化，階變幅度最大的是汶川地震，震后水位下降了35mm。說明在強烈的地震波作用下，峰4井含水層巖體受到了破壞，可能發(fā)生了塑性變形，并且含水層巖體的應力狀態(tài)以張應力為主，在引張力作用下，峰4 井含水層巖體變得疏松，孔隙率變大，孔隙水壓變小，導致水由井筒流向含水層，使井孔水位下降。

從峰4 井水位的同震響應特征看出，其水位的同震階變都是下降的變化，說明其含水層的應力狀態(tài)以張應力為主，含水層巖體變得越來越疏松，孔隙率越來越大，其透水性越來越好，導水能力越來越強，從而可以判斷近幾年來峰4 井的記震能力在逐漸增強?？梢詮膬蓚€典型震例中得到證實:(1)2007年9月12日，印尼蘇門答臘發(fā)生Ms8.5 地震，峰4 井記錄到水震波最大幅度為255mm，5年后，2012年4月11日，印尼蘇門答臘再次發(fā)生地震，震級為Ms8.6 級，峰4 井記錄到的水震波最大幅度卻高達1351mm，是2007年地震的5 倍多。(2)峰4 井對2008年5月12日汶川地震的最大響應幅度為200mm，2013年9月24日發(fā)生的巴基斯坦地震相比汶川地震，震級小、井震距遠，但是峰4 井對該地震的最大響應幅度卻達到310mm。

圖4 峰4井對遠場大震的同震響應圖Fig.4 Co-seismic response graph of Feng－4 well on the far-field earthquake

4 認識與討論

本文收集了河北省地下流體數(shù)字化觀測井網(wǎng)遠場大震的同震響應資料，從“一震多井”和“一井多震”的角度分析其同震響應特征，并針對不同的響應特征探討其變化機理。得到以下認識:

(1)水位的同震響應形態(tài)以水震波為主，部分水震波伴隨階變，個別井孔只有階變。

(2)同一口井的水位同震階變方向是固定不變的，也就是不管地震發(fā)生的時間、震級、遠近如何，上升的總是上升，下降的總是下降。階躍上升的井孔主要集中在河北省的中部和北部，階躍下降的井孔主要集中在河北省的南部，很多震例表明水位同震階躍上升的井孔集中區(qū)很可能就是未來地震發(fā)生的地區(qū)。

(3)含水層巖性為灰?guī)r或花崗巖，導水系數(shù)大、滲透性能好的井孔同震響應幅度大。

(4)對于井震距相近的地震，不同井孔水位同震響應時間有很大差異，這主要取決于孔隙水壓變化的信息在井孔—含水層系統(tǒng)中傳播所需要的時間，傳播速度的快慢與含水層巖體結構、井筒內水柱高度等因素有關。含水層巖體結構的不同是主導因素，如果含水層巖體結構疏松，井孔水位響應地震的速度就快;如果結構致密，響應地震的速度就慢。

(5)峰4 井的含水層應力狀態(tài)以張應力為主，其映震能力近幾年在逐漸增強。

致謝:在本文的完成過程中，河北省地震局張子廣老師給予了指導與幫助，在此致以誠摯的謝意!

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