丹江口井網(wǎng)流體動(dòng)態(tài)與尼泊爾M8.1地震同震響應(yīng)分析

李俊超 康 波 陳星星 王秋良

1 中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2 湖北省地震局，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

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丹江口井網(wǎng)流體動(dòng)態(tài)與尼泊爾M8.1地震同震響應(yīng)分析

李俊超1,2康 波1,2陳星星1,2王秋良1

1 中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2 湖北省地震局，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

分析丹江口井網(wǎng)3口井水位、水溫2013～2015年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立各個(gè)測(cè)項(xiàng)的正常動(dòng)態(tài)，總結(jié)井網(wǎng)對(duì)2015-04-25尼泊爾M8.1地震的響應(yīng)特征，探討同震響應(yīng)差異的可能原因，初步得到水位同震響應(yīng)幅度與震級(jí)、井震距的關(guān)系。結(jié)果表明，井網(wǎng)水位年動(dòng)態(tài)受降雨影響有一定規(guī)律，月正常動(dòng)態(tài)普遍顯示出固體潮效應(yīng)與氣壓效應(yīng)；水溫年動(dòng)態(tài)平穩(wěn)，年變幅度在0.1 ℃左右。對(duì)于尼泊爾地震同震效應(yīng)，唐扒井水位階升-階降式脈沖變化和水溫陡降-緩升式脈沖變化是由水位和水溫的變化機(jī)理不同導(dǎo)致的；雷莊井與唐扒井水位表現(xiàn)出不同的同震響應(yīng)特征，判斷與它們所處斷裂的不同走向有關(guān)；盛灣井水溫階降型同震響應(yīng)幅度較唐扒井小得多，可能是觀測(cè)層巖性及地下水類型等差異導(dǎo)致的。

井水位;尼泊爾地震;同震效應(yīng);后效特征

為了更好地監(jiān)測(cè)和研究丹江口水庫(kù)續(xù)建工程誘發(fā)地震，南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司于2012年建設(shè)了專用的丹江口水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括11個(gè)測(cè)震臺(tái)和3個(gè)地下流體觀測(cè)井(丹江口井網(wǎng))。本文對(duì)2013年以來(lái)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，建立了3口井水位水溫測(cè)項(xiàng)的正常動(dòng)態(tài)，選取2015-04-25尼泊爾M8.1地震引起的井網(wǎng)同震變化特征進(jìn)行分析探討，為續(xù)建工程高水位運(yùn)行期庫(kù)區(qū)誘發(fā)地震的機(jī)理研究提供基礎(chǔ)。

1 地震地質(zhì)及井網(wǎng)概況

丹江口庫(kù)區(qū)地處秦嶺褶皺系東南緣，北跨大巴山褶皺帶，南跨秦嶺冒地槽褶皺帶，東部緊鄰南陽(yáng)-襄樊坳陷。丹江口水庫(kù)由漢庫(kù)和丹庫(kù)組成，沿漢庫(kù)展布的斷裂主要有北北西向的白河-谷城斷裂和兩鄖斷裂。漢庫(kù)的基底主要是元古界石英片巖等變質(zhì)巖系和白堊-第三紀(jì)的紅層，僅艾家河一帶有少量下古生代地層分布，透水性弱，庫(kù)水不易滲透到深部。初期工程建設(shè)以來(lái)，極少發(fā)生水庫(kù)地震。丹庫(kù)庫(kù)段主要分布下古生代灰?guī)r、夾砂頁(yè)巖、上古生代砂頁(yè)巖、上白堊紀(jì)-第三紀(jì)紅層和第四紀(jì)沉積。丹庫(kù)及鄰區(qū)的區(qū)域性斷裂有北西西向的金家棚斷裂、陶岔斷裂、瓦屋廠-周山斷裂和厚坡斷裂，以及近南北向的丹江深斷裂。這種構(gòu)造環(huán)境利于庫(kù)水向庫(kù)岸深部滲透，并打破庫(kù)區(qū)應(yīng)力平衡[1-2]而誘發(fā)地震。

丹江口井網(wǎng)由雷莊井(W1)、唐扒井(W2)和盛灣井(W3)3口井組成, 分設(shè)在重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)和水庫(kù)誘發(fā)地震潛在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)(見(jiàn)圖1，圖中地震為初期工程發(fā)生的水庫(kù)地震)，井間距為5～20 km。主要測(cè)項(xiàng)包括水位、水溫與氣象三要素等輔助觀測(cè)，觀測(cè)技術(shù)全部為數(shù)字化連續(xù)觀測(cè)。使用的儀器是中國(guó)地震局地震研究所研制的DSW-01 型地下流體綜合觀測(cè)儀, 水位分辨力為1 mm, 水溫分辨力為0.001 ℃, 采樣周期為1 min。3口觀測(cè)井的基本特征如表1 所示。觀測(cè)井的井孔結(jié)構(gòu)除了井深略有差異外, 觀測(cè)層以上部分為全封閉不銹鋼套管，觀測(cè)層及以下部分為鏤空不銹鋼套管，上部封閉套管的底部鋼管與孔壁間用橡膠止水材料封井，長(zhǎng)度約50 cm，以保證觀測(cè)層不受地表降雨等因素的干擾。

2 地下流體動(dòng)態(tài)分析

以2013～2015年丹江口井網(wǎng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 丹江口水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)臺(tái)站分布示意圖Fig.1 Distribution of Danjiangkou reservoir induced earthquake monitoring stations

為基礎(chǔ)，建立水位、水溫測(cè)項(xiàng)的正常動(dòng)態(tài)。年動(dòng)態(tài)以日均值繪制，月動(dòng)態(tài)以整點(diǎn)值繪制。在此基礎(chǔ)上，對(duì)2015-04-25尼泊爾M8.1地震同震效應(yīng)進(jìn)行分析。

2.1 井水位動(dòng)態(tài)分析

丹江口井網(wǎng)3口井的水位年動(dòng)態(tài)曲線如圖2所示。W1井整體趨勢(shì)平穩(wěn)，年變幅度為2.5 m；2013-04因雷擊更換儀器，曲線出現(xiàn)臺(tái)階；受降雨影響，每年7～9月水位曲線出現(xiàn)上升波動(dòng)。W2井年變幅度達(dá)5.3 m； 2013-04、2014-04兩次因水位下降，探頭漏出水面，曲線出現(xiàn)臺(tái)階；因降雨影響，2013-07～2014-03水位曲線出現(xiàn)起伏，2014-09、10曲線出現(xiàn)波動(dòng)；2014-04以后曲線整體趨勢(shì)平穩(wěn)。W3井整體為趨勢(shì)下降型，年變幅度達(dá)9.2 m。各井水位動(dòng)態(tài)類型及年變幅度等動(dòng)態(tài)特征見(jiàn)表2。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，3口井水位均有地球固體潮汐效應(yīng), 潮差為13～50 mm；均有氣壓效應(yīng), 氣壓系數(shù)為0.02～1.20 mm/hPa；W2井顯示典型潮汐效應(yīng)、氣壓效應(yīng)、降雨干擾效應(yīng)(圖3)，反映了井水位對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)能力。

表1 丹江口井網(wǎng)的基本特征

表2 丹江口井網(wǎng)井水位動(dòng)態(tài)特征

圖2 丹江口井網(wǎng)3口井水位年動(dòng)態(tài)曲線Fig.2 Curves of annual behaviors of groundwater levels in 3 wells of Danjiangkou well network

圖3 丹江口井網(wǎng)水位典型月動(dòng)態(tài)曲線(2013-06)Fig.3 Typical monthly behaviors of groundwater levels in Danjiangkou well network(June 2013)

2.2 井水溫動(dòng)態(tài)分析

丹江口井網(wǎng)3口井水溫年動(dòng)態(tài)見(jiàn)圖4。除2013-04因儀器故障出現(xiàn)臺(tái)階外，W1井整體趨勢(shì)平穩(wěn)，變化范圍為17.996～18.393 ℃，年變幅度在0.01 ℃左右。W2井為趨勢(shì)下降型，變化范圍為17.424～17.632 ℃，年變幅度達(dá)0.104 ℃。W3井呈趨勢(shì)上升型，變化范圍為17.301 7～17.327 5 ℃，年變幅度達(dá)0.003 ℃。各井水溫日變幅與月變幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表3)表明，井水溫度日變幅一般為千分之幾℃，月變幅一般小于0.01 ℃。

圖4 丹江口井網(wǎng)3口井水溫年動(dòng)態(tài)曲線Fig.4 Curves of annual behaviors of groundwater temperature in 3 wells of Danjiangkou well network

井號(hào)日變幅度/℃月變幅度/℃月變形態(tài)W10.0001～0.00200.0011～0.0076下降、平穩(wěn)W20.0001～0.00220.0044～0.0186下降、平穩(wěn)W30.0001～0.00190.0012～0.0073起伏、平穩(wěn)

3 尼泊爾M8.1地震同震響應(yīng)分析

3.1 同震效應(yīng)特征

2015-04-25尼泊爾M8.1地震發(fā)生，丹江口井網(wǎng)井水位出現(xiàn)震后同震效應(yīng)(見(jiàn)圖2)。W1井水位表現(xiàn)為振蕩型變化，水位降幅達(dá)3.8 cm，后未恢復(fù)到原水位，表現(xiàn)為階升后效；W2井水位表現(xiàn)為階升-階降的脈沖變化，水位降幅達(dá)6.4 cm，恢復(fù)后水位較原水位有所上升；W3井水位同震變化不明顯，震前一直處于快速下降變化，對(duì)其作線性去傾處理后，震后井水位有下降趨勢(shì)(見(jiàn)表2)。

W1井水溫測(cè)項(xiàng)同震效應(yīng)不明顯。W2井水溫測(cè)項(xiàng)表現(xiàn)為陡降-緩升的脈沖變化，變化幅度達(dá)0.028 ℃，恢復(fù)后水溫較震前水溫下降0.002 ℃。W3井水溫測(cè)項(xiàng)震后呈振蕩型階降變化，變化幅度達(dá)0.000 5 ℃，后恢復(fù)至震前水溫(圖2、表3)。

3.2 同井位不同測(cè)項(xiàng)對(duì)比分析

W1井水位表現(xiàn)為振蕩型同震變化，水溫測(cè)項(xiàng)同震效應(yīng)不明顯；W2井水位表現(xiàn)為向上的脈沖響應(yīng)，水溫為向下的脈沖效應(yīng)；W3井水位表現(xiàn)為不明顯的階降響應(yīng)，水溫為階降型同震變化。水位變化受含水層系統(tǒng)內(nèi)孔隙水壓力及水流速度影響較大，如果含水層有較好的承壓性及封閉性，則微小的應(yīng)力應(yīng)變變化就能對(duì)井水位產(chǎn)生影響。水溫變化是地下水與其周圍介質(zhì)能量交換的結(jié)果，除受水流速度的影響外，還受水流路徑、圍巖介質(zhì)的傳熱性能及觀測(cè)井內(nèi)水溫探頭所處深度等多種因素控制。

3.3 不同井位同測(cè)項(xiàng)對(duì)比分析

W1井與W2井處于南秦嶺褶皺帶次級(jí)單元不同的斷裂帶，W1井處于NWW走向的兩鄖斷裂，W2井處于NNW走向的金家棚斷裂，2口井的觀測(cè)層都為灰?guī)r。W1井水位響應(yīng)變化時(shí)間滯后于W2井15 min左右，W1井水位響應(yīng)形態(tài)為向下的脈沖響應(yīng)，而W2井水位響應(yīng)形態(tài)為向上的脈沖響應(yīng)，判斷與它們所處的斷裂走向不同有關(guān)。W3井處于NWW向的瓦屋廠-周山斷裂，觀測(cè)層為砂巖層，水位測(cè)項(xiàng)未記錄到明顯的同震效應(yīng)，可能與其所處斷裂類型及觀測(cè)層巖性等有關(guān)。W1井水溫同震變化記錄不明顯；W2井與W3井處于不同的構(gòu)造帶，2口井水溫測(cè)項(xiàng)均表現(xiàn)為階降型同震效應(yīng)，W2井下降幅度較W3井大得多，可能與2口井不同的觀測(cè)層巖性及地下水類型等有關(guān)(見(jiàn)圖5、表4、表5)。

表4 丹江口井網(wǎng)井水位對(duì)尼泊爾M8.1地震

表5 丹江口井網(wǎng)井水溫對(duì)尼泊爾M8.1地震

3.4 井水位同震變化關(guān)系

井水位變化量級(jí)與震級(jí)大小、井震距的關(guān)系可以表示為[3-7]：

(1)

式中，Δhi為水位上升的幅值，cm；M為面波震級(jí)；b1、b2、a為常數(shù)；D為井震距。

圖5 丹江口井網(wǎng)對(duì)尼泊爾M8.1地震的同震效應(yīng)Fig.5 Coseismic changes of Danjiangkou well network caused by the Nepal M8.1 earthquake

表3列出了2013-05-24鄂霍次克海M8.2地震、2014-06-24拉特群島M7.9地震、2015-04-25尼泊爾M8.1三次地震時(shí)W1井、W2井水位同震響應(yīng)特征。經(jīng)回歸計(jì)算，得出上述2口井的近似關(guān)系式為：

lgΔhi=-0.84M-2.87lgD+17.22

(2)

式(2)表明，2口井水位同震變化幅度受井震距影響較大，并隨井震距的增大而減小。進(jìn)一步推導(dǎo)，當(dāng)Δhi≥5 cm時(shí)，震級(jí)及井震距滿足下式：

M≥-3.42lgD+19.67

(3)

即當(dāng)震級(jí)和井震距滿足式(3)時(shí)，井水位的上升會(huì)超過(guò)5 cm。

3.5 引起同震效應(yīng)的地震波類型

顧申宜等[8]對(duì)海南瓊海加積井引起水位同震響應(yīng)的地震波類型進(jìn)行了分析,得出引起同震響應(yīng)的地震波大多為面波的結(jié)論。將W1井、W2井水位同震響應(yīng)記錄與丹江地震臺(tái)(32.576 0°N，111.551 0°E)04-25 14:00記錄的尼泊爾M8.1地震波進(jìn)行對(duì)比分析。水位觀測(cè)中使用的時(shí)間校準(zhǔn)方法是網(wǎng)絡(luò)IP 地址授時(shí)，誤差在 0.1 s 級(jí)，滿足精度要求。將地震波重新采樣處理后與2口井的水位水溫響應(yīng)曲線對(duì)比分析(見(jiàn)圖6)可以看出,同震響應(yīng)主要發(fā)生在面波到達(dá)30 min之后，判斷為面波引起。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了丹江口井網(wǎng)3口井2013年運(yùn)行以來(lái)的水位水溫年正常動(dòng)態(tài)。水位年動(dòng)態(tài)曲線有一定規(guī)律，受降雨影響會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)；水溫年動(dòng)態(tài)曲線基本平穩(wěn)，年變化幅度在0.1 ℃左右，月變化幅度在0.01 ℃以下。水位的月正常動(dòng)態(tài)普遍顯示出固體潮效應(yīng)與氣壓效應(yīng)。3口井對(duì)地震波作用有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，由此可推測(cè)該井網(wǎng)具有一定的地震前兆監(jiān)測(cè)能力。對(duì)2015-04-25尼泊爾M8.1地震引起丹江口井網(wǎng)的同震效應(yīng)特征進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：

表6 井水位響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)表

圖6 井網(wǎng)同震響應(yīng)曲線與對(duì)應(yīng)地震波形Fig.6 Earthquake response of well network with seismic waveform

1)丹江口井網(wǎng)3口井水溫水位階變類型不一致，表現(xiàn)為振蕩型、脈沖型等。水位水溫不同的變化機(jī)理導(dǎo)致雷莊井水位測(cè)項(xiàng)記錄到振蕩型同震變化，水溫測(cè)項(xiàng)同震效應(yīng)不明顯；唐扒井水位測(cè)項(xiàng)記錄到階升-階降的脈沖型同震效應(yīng)，水溫測(cè)項(xiàng)記錄為陡降-緩升的脈沖變化；盛灣井水位測(cè)項(xiàng)記錄到不明顯的階降響應(yīng)，水溫測(cè)項(xiàng)記錄到階降型同震變化。

2)雷莊井水位響應(yīng)形態(tài)為向下的脈沖響應(yīng)，而唐扒井水位響應(yīng)形態(tài)為向上的脈沖響應(yīng)，判斷與該井所處構(gòu)造帶走向有關(guān)；唐扒井與盛灣井水溫測(cè)項(xiàng)均表現(xiàn)為階降型同震效應(yīng)，唐扒井下降幅度較大，可能與2口井不同的觀測(cè)層巖性及地下水類型等有關(guān)。

3)引起唐扒井、雷莊井水位水溫同震響應(yīng)的地震波主要是面波(R波)，同震變化主要發(fā)生在面波到達(dá)30 min之后。

致謝：本研究得到中國(guó)地震局地震研究所高級(jí)工程師張衛(wèi)華在數(shù)據(jù)處理方面的協(xié)助,在此致以謝意。

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Fluid Dynamic and Seismic Response Analysis of Nepal M8.1 Earthquake with the Danjiangkou Well Network

LIJunchao1,2KANGBo1,2CHENXingxing1,2WANGQiuliang1

1 Key Laboratory of Earthquake Geodesy,Institute of Seismology,CEA,40 Hongshance Road,Wuhan 430071,China 2 Earthquake Administration of Hubei Province, 40 Hongshance Road,Wuhan 430071,China

We analyzes the Danjiangkou well network 3 wells water level and water temperature observation data from 2013 to 2015. The normal dynamic individual test items are established. We study the different coseismic changes of water level caused by the Nepal M8.1 earthquake on April 25 in 2015 through the Danjiangkou fluid underground well network. The mechanism is explained. Corresponding relationships between magnitude earthquake response and surface wave magnitude and distance are deduced. We analyze the cause of the earthquake coseismic response waveform. The result indicate that well dynamic affect by rainfall water level has certain rules: monthly normal dynamics generally exhibit tidal and pressure effects; furthermore temperature dynamics are smooth, varying in the range of about 0.1 ℃.; different pulse changes of the Tangpa well are caused by different mechanisms of change between water temperature and well water. Different earthquake response characteristics on water level between Tangpa and Leizhuang wells may be associated with their different fault strikes. The water temperature of Shengwan well decreases much less than Tangpa well, caused by different lithology and groundwater type.

well water; Nepal earthquake; coseismic effect;aftereffect features

Monitoring, Prediction,Research,Three-Pronged Research Topics of CEA,No.151704.

WANG Qiuliang, PhD, associate researcher,majors in reservoir-reduced earthquake,E-mail: wql0703@163.com.

2015-10-30

項(xiàng)目來(lái)源：中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、科研三結(jié)合課題(151704)。

李俊超,工程師,主要從事地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究，E-mail:cde159m@163.com。

王秋良,博士,副研究員,從事水庫(kù)地震研究，E-mail:wql0703@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.017

1671-5942(2016)011-1025-06

P315

A

About the first author:LI Junchao, engineer, majors in earthquake monitoring and prediction,E-mail:cde159m@163.com.