聊古一井水位同震效應(yīng)研究

馮恩國，連凱旋，陳其鋒，溫麗媛，李月強，趙杰鋒，劉保華

(山東省地震局聊城地震水化試驗站，山東 聊城　252000)

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聊古一井水位同震效應(yīng)研究

馮恩國，連凱旋，陳其鋒，溫麗媛，李月強，趙杰鋒，劉保華

(山東省地震局聊城地震水化試驗站，山東 聊城252000)

摘要：整理了聊古一井水位2000～2012年所記錄到的同震效應(yīng)，并對3個不同階段內(nèi)的同震效應(yīng)進(jìn)行了特征分析。結(jié)果表明：聊古一井的同震效應(yīng)為振蕩型和振蕩階升型；該井對來自環(huán)太平洋地震帶的地震記錄能力較強；該井水震波記錄隨震級增大而增加、隨井震距的增大而縮小的特征并不明顯。該井對全球8級以上地震有很好的記錄能力。激發(fā)自流以及變頻穩(wěn)流狀態(tài)下，聊古一井水位記震能力有所下降。

關(guān)鍵詞：聊古一井；水位；水震波；同震效應(yīng)

0引言

地下水是地球系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)它形成具有一定封閉條件的承壓系統(tǒng)時，就能夠客觀、靈敏地反映地殼的應(yīng)力應(yīng)變信息。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，地震引起的井水位同震效應(yīng)是當(dāng)前大家非常關(guān)注的熱點問題。

近年來許多學(xué)者對地震引起地下流體同震響應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究：張昭棟等利用井水位階變反演含水層應(yīng)力變化[1]，王道、付虹等研究井水位同震階變與未來地震活動之間的關(guān)系[2-3]，陳大慶等對遠(yuǎn)場大震的水位、水溫同震響應(yīng)及其機理進(jìn)行了研究[4]，張素欣等對2004年印尼大地震河北省數(shù)字水位、水溫記震能力進(jìn)行了分析[5]，廖麗霞等研究了福建省流體臺網(wǎng)井水位的同震效應(yīng)[6]，楊竹轉(zhuǎn)等研究了云南思茅大寨井水位的同震階變特征[7]。

本文在對地下水位同震變化研究現(xiàn)狀系統(tǒng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對聊古一井2000～2012年間連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析，統(tǒng)計近年聊古一井所記錄到的地震引起的水震波，研究井水位同震變化特征。

1聊古一井概況

聊古一井位于聊城地震水化試驗站院內(nèi)，統(tǒng)一編號為魯05井，該井構(gòu)造位置在分割遼冀臺向斜和魯西臺向斜的聊考活動斷裂東側(cè)，魯中隆起的西部邊緣，陽谷古潛山許營高點部位(圖1)。1977年3月由勝利油田3219鉆井隊鉆成，海拔34 m，井深2 337.72 m，井年平均水溫52.0℃，套管下至788.59 m，水泥封固，其上部785 m為第四系和第三系粘土砂土層和砂泥巖層。785 m～1 667 m為奧陶系灰?guī)r和白云巖，1 667 m～2 307 m為寒武系灰?guī)r、白云巖夾有砂泥巖，底部30.72 m為太古界黑云母角閃花崗巖、片麻巖。在距地表785 m～828 m處為填充帶，是良好的隔水頂板，其下100 m為古溶蝕帶，是主要含水層，裂隙發(fā)育，孔隙度達(dá)20%～50%，連通性好，水動力作用強，為地下水發(fā)育活躍帶。該井深層承壓水的主要補給形式為深層水平徑流，其運動相當(dāng)遲緩，與上部層間水無任何垂直水力聯(lián)系。

聊古一井于1981年1月正式開始水化學(xué)綜合觀測。1998年進(jìn)行數(shù)字化改造后，開展了水位、水溫、氣氡、氣汞等數(shù)字化觀測。聊古一井水位觀測始于1998年，該井井水位自投入觀測以來，先后經(jīng)歷了自流觀測、激發(fā)自流觀測和潛水泵變頻穩(wěn)流抽水觀測3個時期，其中前2個時期為動水位觀測，后一個時期是靜水位觀測。激發(fā)自流觀測是聊古1井時斷時流階段引進(jìn)與開發(fā)的地下流體觀測新技術(shù)，該技術(shù)的核心是利用自吸泵造成井口段的真空(負(fù)壓)狀態(tài)，由此誘發(fā)井水依靠含水層中的殘余孔隙壓力沿井筒上涌并自流[8]。潛水泵變頻穩(wěn)流抽水觀測是在聊古一井?dāng)嗔骱螅瑢撍孟路诺骄嬉韵?，通過電源變頻控制器調(diào)節(jié)供電頻率來控制潛水泵抽水量的穩(wěn)定，以實現(xiàn)聊古一井的正常觀測。

圖1　聊城地震水化站井區(qū)地質(zhì)簡圖

2聊古一井同震效應(yīng)特征分析

2.1地震事件的選擇

不是所有的地震都能產(chǎn)生水震波，只有能量達(dá)到一定程度，能在一定范圍內(nèi)對水井產(chǎn)生影響的地震才具有研究價值。聊古一井自開始水位觀測以來，記錄到了大量的水震波，需要從發(fā)生的地震事件中逐一查找，為了快捷、系統(tǒng)地從區(qū)域、全國乃至全球發(fā)生的地震事件中查找記錄到的水震波，震級的選擇非常重要。震級越小，意味著所確定的需要查找的地震事件就越多，工作量越大；震級越大，工作量可能會減少，但是有可能出現(xiàn)漏選。經(jīng)過試驗確定山東及鄰區(qū)4級以上、全國5級以上、全球7級以上的選擇閾值較為合理，根據(jù)此震級共確定899個地震事件。

2.2聊古一井同震效應(yīng)分析

通過對這899個地震事件，在1998年以來的動水位數(shù)據(jù)中查找，共有28個較明顯的水震波的記錄(圖2、表1)。其中自流狀態(tài)下的水震波記錄為24個(1998～2007年)，激發(fā)自流狀態(tài)為1個(2008～2009年)，變頻穩(wěn)流狀態(tài)為3個(2010～2012年)。

2.2.1自流觀測時同震效應(yīng)分析

2.2.2激發(fā)自流觀測時同震效應(yīng)分析

激發(fā)自流狀態(tài)下僅記錄到一次同震效應(yīng)，為四川汶川8.0級地震所引起的同震效應(yīng)。從水位變化可以看出，此次同震效應(yīng)較為明顯，所記錄的波形屬于振蕩—階變型，引起的水位最大振幅為0.13 m，振蕩持續(xù)時間近40分鐘，地震前后引起的水位階變變幅達(dá)5.2 cm，井震距為1 316 km。此次地震為聊古一井同震效應(yīng)所有地震記錄中距離最近的8級以上地震，但與2003年9月26日發(fā)生在日本北海道地區(qū)同為8級地震引起的水震波相比，日本北海道地震的井震距為2 491 km，引起的水震波最大振幅為0.45 m，同震階變變幅為9.4 cm。在震級相同的前提下，井震距大的日本地震引起的最大振幅和同震階變均大于汶川地震。

2.2.3變頻穩(wěn)流觀測時同震效應(yīng)分析

變頻穩(wěn)流狀態(tài)下共有3次水震波記錄，其中2次為振蕩—階變型，1次為振蕩—恢復(fù)型，2次振蕩—階變型記錄中，地震震級都比較大，1次8.6級，1次9.0級。2011年3月11日的日本9.0級地震井震距為2 355 km，最大振幅為0.88 m，持續(xù)時長為15分鐘，引起的同震階變變幅為29.2 cm，為所有水震波記錄中變幅最大者。2012年4月11日印尼發(fā)生2次較大地震，第一次為16時38分的8.6級地震，此次地震引起水位上升較大，第二次為18時43分的8.2級地震，此次地震為振蕩型，水位振蕩后基本上沿原上升曲線繼續(xù)上升。8.6級地震井震距為4 454 km，水位最大振幅為0.09 m，持續(xù)時長為16分鐘，同震階變變幅達(dá)11.5 cm。8.2級地震井震距為4 637 km，水位最大振幅為0.05 m，持續(xù)時長約40分鐘。

2.2.4同震形態(tài)類型

地震引起水位同震變化有振蕩和階變以及振蕩階變3種，振蕩型變化指在地震波作用下，水位快速來回波動，地震波經(jīng)過后，水位很快平靜下來，仍沿原來的形態(tài)變化；階變則改變了水位背景，使得水位出現(xiàn)階梯式的抬升或者下降，這種變化通常需要十幾分鐘多至幾個月的時間才能恢復(fù)，有時甚至產(chǎn)生永久性的改變。

通過圖2可以看到，聊古一井所記錄到的同震效應(yīng)分為2種，一種為振蕩型，一種為階變型，振蕩階變的方向有一定的規(guī)律性，均為階升。

2.2.5與地震方向的關(guān)系

聊古一井水震波記錄具有一定的方向性，根據(jù)聊古一井水位分鐘值曲線圖和震例統(tǒng)計資料分析可以得出，聊古一井對來自東部日本、我國臺灣地區(qū)以及西南印度尼西亞地區(qū)等環(huán)太平洋地震帶的地震記錄能力較強，均能記錄到較清晰的水震波以及同震階變現(xiàn)象。這些地震在地圖上顯示基本上呈東北—西南走向條帶狀分布，有一定的規(guī)律性。

2.2.6同一時期7級以上地震響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

從聊古一井水位測項開始觀測以來，全球共發(fā)生16次8級以上強烈地震，這些地震中，除發(fā)生在中美洲北部薩爾瓦多的8.0級地震、南美洲西南部的智利8.1級地震、中太平洋南部薩摩亞群島地區(qū)8.0級地震、智利8.8級地震，由于井震距太遠(yuǎn)未引起聊古一井同震效應(yīng)外，對其余12次地震，聊古一井均記錄到了清晰的水震波。

聊古一井水震波與7級以上地震的對應(yīng)關(guān)系則不是如此明顯。1998～2007年間，全球發(fā)生168次7級以上地震，聊古一井僅記錄到了17次水震波；2008～2012年間，全球發(fā)生321次7級以上地震，但未能記錄到水震波。聊古一井水位記震能力有所下降。

圖2　聊古一井水位同震響應(yīng)變化曲線

表1

聊古一井同震效應(yīng)相關(guān)參數(shù)

續(xù)表1

序號發(fā)震日期震級/M深度/km井震距/km最大振幅/m持續(xù)時長/分鐘同震階變升/降變幅/cm震中位置方位82001-11-148.11522510.34652階升5.2新疆若羌西92002-03-317.5014540.09721階升4.2臺灣海域東南102002-06-297.254014680.0338階升0.7吉林汪清東北112002-10-107.5046200.0348不明顯印尼東南122003-09-268.03324910.44816階升9.4日本東北132003-09-277.91527090.09026不明顯俄、蒙、中交界西北142003-11-177.63351150.06657不明顯拉特群島東北152003-12-107.01015650.03714不明顯臺灣近海東南162004-09-057.21519500.0658不明顯日本近海東172004-09-057.41519320.08330不明顯日本近海東182004-12-268.73341511.89736階升23.7印尼近海西南192005-03-207.01513130.0607不明顯日本東202005-03-298.53342660.21448階升2.8印尼西南212005-10-087.81538300.03127不明顯巴基斯坦西222006-04-218.03344760.04710不明顯堪察加半島東北232006-11-158.03332730.08112不明顯千島群島東北242007-01-137.93333470.29032不明顯千島群島東北252007-09-128.51547670.41537階升8.3印尼海域西南262008-05-128.01413160.13240階升5.2四川汶川西南272011-03-119.02023550.88015階升29.2日本海域東北282012-04-118.62044540.09316階升11.5印尼海域西南292012-04-118.22046370.04840不明顯印尼海域西南

3結(jié)論與分析

(1)聊古一井所記錄到的同震效應(yīng)分為振蕩型和振蕩階變型，且振蕩階變的方向有一定的規(guī)律性，均為階升。

(2)聊古一井對來自東部日本、我國臺灣地區(qū)以及西南印度尼西亞地區(qū)等環(huán)太平洋地震帶的地震記錄能力較強，這些地震在地圖上顯示基本上呈東北—西南走向條帶狀分布，有一定的規(guī)律性。

(3)聊古一井水震波記錄幅度隨震級增大而增加、隨井震距的增大而縮小的特征并不明顯，同樣震級地震引起的水震波振幅也差別很大，疑與聊古一井水位逐年下降、井區(qū)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化有關(guān)。

(4)聊古一井對全球8級以上地震有很好的記錄能力，對7級以上地震記錄能力不明顯。激發(fā)自流以及變頻穩(wěn)流狀態(tài)下，聊古一井水位記震能力有所下降。

參考文獻(xiàn)：

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STUDY ON THE COSEISMIC EFFECT OF THE LIAOGU-1 WELL FENG Enguo, LIAN Kaixuan, CHEN Qifeng, WEN Liyuan, LI Yueqiang,

ZHAO Jiefeng, LIU Baohua

(LiaochengSeismicWaterChemistryStation,EarthquakeAdministrationOfShandongProvince,Liaocheng252000,China)

Abstract：The characteristics of coseismic effects in three stages of Liaogu-1 well in 2000～2012 are analyzed, and the results show that the coseismic effect of Liaogu-1 well can be divided to oscillation type and oscillation step-up type. The seismic recording capability of liaogu-1 well is very strong to earthquakes in the circum Pacific seismic belt. The ascending of descending amplitude of groundwater level in a single well usually increases with growing magnitudes of earthquakes and decreases with increasing well-earthquake distances, but this characteristic in Liaogu-1 well is not obvious. The well has a good ability to record for M≥8.0 earthquakes in the global. Liaogu-1 well water level recording capacity declined in the artifical self-flow observation and frequency conversion of submersible pump obversation.

Key words：Liaogu-1 well; Water level; Water shock wave; Coseismic effect

中圖分類號：P315.72+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-586X(2016)01-0019-06

作者簡介：馮恩國(1983 —)，男，山東陽谷人，理學(xué)碩士，工程師，主要從事地震地下流體觀測及GIS在地震研究中的應(yīng)用。 E-mail：sdlcfeg@qq.com。

基金項目：山東省地震局合同制項目(項目編號：13Y57)資助。

收稿日期：2015-06-29