基于含水層體應(yīng)變反演的天津地區(qū)井水位同震響應(yīng)特征分析

楊 柳， 馬 婷， 馬建英， 邵永新

(天津市地震局，天津 300201)

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基于含水層體應(yīng)變反演的天津地區(qū)井水位同震響應(yīng)特征分析

楊 柳， 馬 婷， 馬建英， 邵永新

(天津市地震局，天津 300201)

以汶川MS8.0地震、日本MW9.0地震和尼泊爾MS8.1地震為例，統(tǒng)計(jì)了天津地區(qū)7口井水位的同震響應(yīng)特征。在此基礎(chǔ)上，利用水位反演含水層體應(yīng)變的方法，反演出天津地區(qū)井含水層的同震響應(yīng)體應(yīng)變變化量。結(jié)果表明，利用水位同震變化量反演出的含水層體應(yīng)變，能夠較為真實(shí)地反映出井孔所在位置的應(yīng)變變化情況。

天津地區(qū)；地下水位；同震響應(yīng)；體應(yīng)變

0 引言

觀測(cè)記錄井孔內(nèi)水位的變化，是測(cè)量地下介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變變化的有效途徑[1]。在一個(gè)封閉性良好的含水層當(dāng)中，地下水可以客觀靈敏地描繪地殼中的應(yīng)力變化狀態(tài)[2]。關(guān)于井水位同震響應(yīng)機(jī)理，目前國際上尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，總體而言，可歸納為靜態(tài)應(yīng)變和動(dòng)態(tài)應(yīng)變2個(gè)方面。靜態(tài)應(yīng)變一般是永久性變形，通常產(chǎn)生水位階變，但隨震中距衰減較快，主要在近場(chǎng)較為顯著；動(dòng)態(tài)應(yīng)變不直接引起永久變形，主要是通過改變含水層參數(shù)、井孔特性及水文地質(zhì)等特征而引起同震水位階變[3-4]。Tsu-tomu等[5]和Yuichi等[6]也發(fā)現(xiàn)地下水同震變化的幅度和方向與地震時(shí)地殼應(yīng)變相對(duì)應(yīng)。因此，我們可以認(rèn)為水位的同震響應(yīng)變化，主要是由地震時(shí)含水層所受到的應(yīng)力應(yīng)變變化引起的。

1899年，在意大利的一口深井最早記錄到了地震引起的水位振蕩[7]。70年代，我國首先在北京洼里井觀測(cè)到同震水震波現(xiàn)象。近年來，國內(nèi)學(xué)者在井孔水位同震響應(yīng)方面做了許多的研究。針對(duì)天津地區(qū)的水位井，馬建英等[8]和馬君釗等[9]曾對(duì)部分井孔的同震效應(yīng)進(jìn)行不同程度的分析研究；尹宏偉等[10]研究了河北省地下流體水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的響應(yīng)特征；鞏浩波等[11]分析了重慶井網(wǎng)水位水溫同震響應(yīng)特征。在利用承壓井水位反演含水層體應(yīng)變方面，國內(nèi)外許多科技工作者做了大量工作。Narasimhan等[12]給出了固體潮引起的水位變化與體應(yīng)變之間的定量關(guān)系式；史浙明等[13]利用同震水位階變資料和水位固體潮效應(yīng)，反演了含水層對(duì)汶川8級(jí)地震產(chǎn)生的體應(yīng)變響應(yīng)；楊柳等[14]利用華北地區(qū)承壓井水位動(dòng)態(tài)，反演出華北地區(qū)含水層體應(yīng)變場(chǎng)的等值線變化圖；秦雙龍等[15]反演了汶川8級(jí)地震和日本9級(jí)地震對(duì)福建地塊的井一含水層系統(tǒng)產(chǎn)生的體應(yīng)變變化。

本文利用水位反演含水層體應(yīng)變的方法，在統(tǒng)計(jì)天津地區(qū)井水位同震響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，分振蕩和階變2種情況反演天津地區(qū)井-含水層的同震響應(yīng)體應(yīng)變變化量，從而對(duì)天津地區(qū)水位井的同震響應(yīng)特征做出定量的分析。

1 天津地區(qū)流體水位井基本資料

目前，天津前兆臺(tái)網(wǎng)設(shè)有流體觀測(cè)項(xiàng)目的站點(diǎn)共12個(gè)，其中水位觀測(cè)井11個(gè)，包括桑梓井、高村井、王3井、張道口井、塘沽井、寧河井、靜海井、徐莊子井、辛莊井、寶坻新井、漢1井，均為靜水位觀測(cè)，采樣率為分鐘值采樣。對(duì)水位原始曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各個(gè)井孔對(duì)地震的同震響應(yīng)程度差異較大，有的井孔可以記錄全球7級(jí)以上、國內(nèi)6級(jí)以上地震的同震響應(yīng)，如張道口井[8]，而有的井孔則記錄不到任何同震響應(yīng)。因此，本文去除了觀測(cè)時(shí)間較短的寶坻新井，以及記錄不到任何地震同震響應(yīng)的寧河井、徐莊子井、塘沽井和漢1井，最終選取7口水位井進(jìn)行同震響應(yīng)分析(包括已停測(cè)的寶坻井)。圖1是這7口井的分布情況，基本參數(shù)見表1。需要說明的是，寶坻井2015年5月底因老臺(tái)拆遷停測(cè)，但由于其觀測(cè)時(shí)間長、數(shù)據(jù)質(zhì)量好，本文仍將其列為研究對(duì)象。

2 井水位同震響應(yīng)特征的提取

對(duì)2001年以來的7口井水位數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，天津地區(qū)井水位同震效應(yīng)表現(xiàn)出振蕩和階變2種情況。全球8級(jí)以上遠(yuǎn)大震的同震響應(yīng)主要表現(xiàn)為振蕩，少數(shù)伴隨階變變化，而水位同震階變所對(duì)應(yīng)的地震主要集中在中國大陸及周邊地區(qū)。因此，本文選取2008年5月12日汶川MS8.0地震、2011年3月11日日本本州東海岸附近海域MW9.0地震和2015年4月25日尼泊爾MS8.1地震3個(gè)比較顯著的地震事件，對(duì)天津地區(qū)水位井的同震響應(yīng)特征進(jìn)行分析。

圖1 天津地區(qū)7口水位井分布圖

井孔名稱經(jīng)度/°E緯度/°N構(gòu)造部位井深/m含水層巖性張道口井117.2139.01白塘口西斷裂帶下盤1406矽質(zhì)灰?guī)r寶坻井117.2839.72唐山隆起上的寶坻凸起,距寶坻斷裂3km427白云巖高村井116.8739.62冀中坳陷北端、寶坻斷裂南側(cè)3403灰?guī)r靜海井116.8638.94滄東隆起、靜海斜坡帶上,天津南斷裂西側(cè)505第三紀(jì)砂巖辛莊井117.3139.02滄東隆起,白塘口凹陷648第四系中砂桑梓井117.4540.03薊縣山前斷裂附近300花崗巖王3井117.3539.55冀中坳陷王草莊凸起1077奧陶紀(jì)灰?guī)r

表2統(tǒng)計(jì)了天津各井水位同震響應(yīng)特征。從震中距上來看，這3個(gè)地震都屬于遠(yuǎn)震且震中距相差較大，但大的構(gòu)造上它們同屬歐亞板塊。從方位上來看，日本地震位于天津東側(cè)的日本海溝地區(qū)，而汶川地震和尼泊爾地震位于天津西南方向的青藏塊體周邊地區(qū)。從同震響應(yīng)形態(tài)來看，7口水位井的數(shù)據(jù)曲線有的僅呈現(xiàn)出階變變化(圖2b)，有的僅有振蕩變化(圖2a)，有的同時(shí)出現(xiàn)階變和振蕩變化(圖2c)，還有個(gè)別情況下井水位沒有出現(xiàn)同震響應(yīng)變化(圖2d)。

表2 7口水位井同震響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)表

注：“振蕩↑”表示振蕩伴隨階升，“振蕩↓”表示振蕩伴隨階降。 階變幅度：正值代表水位上升，負(fù)值代表水位下降。

注：a 張道口井；b 桑梓井；c 高村井；d 桑梓井圖2 天津地區(qū)4口水位進(jìn)同震響應(yīng)曲線圖

3 利用同震響應(yīng)幅度反演含水層體應(yīng)變

3.1 含水層體應(yīng)變反演的理論基礎(chǔ)

承壓井水位變化一般是由井-含水層內(nèi)水量變化或含水層所受體應(yīng)變的變化而引起的[16]。對(duì)于封閉性較好的承壓含水層，我們可以理想化的假設(shè)水位的變化僅由含水層所受體應(yīng)變的變化所引起。因此，根據(jù)孔隙彈性介質(zhì)理論，可以得到井水位的變化量與體應(yīng)變之間的關(guān)系式[17]：

(1)

等式中間部分均為描述井孔含水層物理性質(zhì)的參數(shù)，包括：含水層內(nèi)水的密度ρ；地球表面重力加速度g；含水層孔隙度n；巖石固體顆粒和孔隙流體的體積模量Em和Ew。等式最左側(cè)的δ代表井水位的潮汐因子，最右側(cè)的dh表示井水位的變化量、ΔΘ表示含水層的體應(yīng)變量。

由公式(1)可以看出，通過代入含水層參數(shù)和計(jì)算潮汐因子這2種方法，都可以反演含水層體應(yīng)變。但是由于利用含水層參數(shù)反演的方法，是建立在水平層狀承壓含水層假設(shè)的基礎(chǔ)上，且在選取參數(shù)時(shí)只能取其可能值或平均值，容易使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差[16]。因此，對(duì)于有著較好封閉性的承壓井，可以通過計(jì)算井水位潮汐因子的方法來反演井孔含水層體應(yīng)變的變化情況。

3.2 井水位潮汐因子的計(jì)算

本文選取的天津地區(qū)的7口井均為承壓井，且其觀測(cè)曲線均能表現(xiàn)出比較清晰的潮汐變化。因此，我們利用公式(1)，通過計(jì)算這幾口井的潮汐因子，反演其同震變化所反映出的含水層應(yīng)變變化情況。由于本文要反演的是3次地震水位同震響應(yīng)的含水層體應(yīng)變，因此，選取地震前6個(gè)月的水位數(shù)據(jù)來進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算井水位的潮汐因子，首先要提取井水位的固體潮變化，由于氣壓的變化周期與水位固體潮變化周期接近，因此本文只考慮去除氣壓對(duì)水位固體潮的影響。這里我們利用BETCO程序[18]，應(yīng)用卷積回歸法來去除水位的氣壓影響，該方法可以估計(jì)出氣壓與井水位變化之間的時(shí)間滯后，并可以去除氣壓對(duì)觀測(cè)水位數(shù)據(jù)的影響，去除氣壓后的數(shù)據(jù)更加清晰地表現(xiàn)出水位的潮汐變化(圖3)。

注：a 井水位；b 靜海氣壓；c 靜海井水位去氣壓圖3 靜海井水位數(shù)據(jù)曲線圖

采用Venedikov調(diào)和分析方法，選取每次地震發(fā)生前6個(gè)月的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，并計(jì)算M2波潮汐因子的均值(表3)。

表3 天津地區(qū)井水位潮汐因子計(jì)算結(jié)果 mm/10-9

3.3 根據(jù)井水位同震響應(yīng)幅度反演體應(yīng)變

根據(jù)孔隙彈性介質(zhì)理論，利用井水位的變化量與體應(yīng)變之間的關(guān)系式，即公式(1)，計(jì)算得到3次地震同震響應(yīng)所反映出的含水層體應(yīng)變變化量(表4～5)。

表4 井水位同震振蕩的含水層體應(yīng)變反演結(jié)果 (×10-8)

表5 井水位同震階變的含水層體應(yīng)變反演結(jié)果 (×10-8)

從表4的計(jì)算結(jié)果可以看到，各井水位同震振蕩幅度所反演出的體應(yīng)變量級(jí)基本在10-8到10-7，個(gè)別井孔可達(dá)到10-6量級(jí)。其中，寶坻水位的同震振蕩幅度較大，在10-7到10-6量級(jí)。其余各井在汶川地震和尼泊爾地震中為10-8量級(jí)，在日本地震中為10-7量級(jí)左右。而從井水位同震階變反演出的體應(yīng)變結(jié)果(表5)顯示，3次地震中的體應(yīng)變量級(jí)較為一致，基本在10-8左右。

由于不同水井的同震振蕩反演結(jié)果在量級(jí)上存在明顯的差異。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，本文搜集了首都圈地區(qū)內(nèi)包括易縣、懷來、張家口、寶坻和唐山趙各莊礦的體應(yīng)變資料。由于易縣、懷來、張家口體應(yīng)變均分布在首都圈西區(qū)，構(gòu)造環(huán)境與天津地區(qū)差別較大，且距天津地區(qū)水位井較遠(yuǎn)(最近相距130km)，因此我們選取本區(qū)的寶坻體應(yīng)變和距天津較近、構(gòu)造環(huán)境也比較相近的唐山趙各莊礦體應(yīng)變分鐘值數(shù)據(jù)來進(jìn)行對(duì)比。寶坻體應(yīng)變的數(shù)據(jù)僅到2012年底，因此我們僅統(tǒng)計(jì)了前2次地震的同震響應(yīng)變化量。

表6是寶坻體應(yīng)變和趙各莊礦體應(yīng)變的同震響應(yīng)幅度統(tǒng)計(jì)情況。由于寶坻水位井與寶坻體應(yīng)變井相距不到1km，故先將這2個(gè)測(cè)項(xiàng)的同震數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。汶川地震時(shí)，水位反演的振蕩體應(yīng)變?yōu)?1.411×10-8，體應(yīng)變的同震振蕩幅度為71.195×10-8；水位階變反演結(jié)果為3.1×10-8，體應(yīng)變階變?yōu)?.715×10-8。可以看到，這2組數(shù)據(jù)不僅量級(jí)一致，而且具體數(shù)值也非常接近，其同震階變也比較一致地反映出相對(duì)拉張的變化。從圖4中也可以看到，寶坻井水位(圖4a)和寶坻體應(yīng)變(圖4b)的同震響應(yīng)形態(tài)非常一致。日本地震時(shí)，水位反演結(jié)果為245.297×10-8，是表4中數(shù)量級(jí)唯一達(dá)到10-6的數(shù)據(jù)，而寶坻體應(yīng)變振蕩幅度為122.576×10-8，數(shù)值相差1倍，而數(shù)量級(jí)一致。在日本地震時(shí)，寶坻水位和體應(yīng)變都沒有產(chǎn)生階變變化。通過上述數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以看出寶坻井水位的同震變化比較真實(shí)地反映了當(dāng)?shù)鼐植矿w應(yīng)變的變化情況。

注：a 寶坻水位井；b 寶坻體應(yīng)變井圖4 汶川8.0級(jí)地震寶坻同震響應(yīng)曲線圖

表6 寶坻體應(yīng)變和趙各莊礦體應(yīng)變3次地震的同震響應(yīng)幅度統(tǒng)計(jì) (×10-8)

從唐山趙各莊礦體應(yīng)變的數(shù)據(jù)來看，汶川地震和尼泊爾地震時(shí)，同震振蕩體應(yīng)變量為10-8量級(jí)，日本地震時(shí)為10-7量級(jí)。這與除寶坻井之外的其他井孔反演結(jié)果數(shù)量級(jí)較為一致，其同震階變體應(yīng)變變化量也與井水位所反演出的量級(jí)相一致。

4 結(jié)論與討論

從井水位同震響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)可以看出，3次地震中，日本地震的同震振蕩幅度要普遍大于汶川地震，尼泊爾地震最小，這可能是震中距與震級(jí)共同作用的結(jié)果。每口井的階升與階降并不因地震的不同而發(fā)生變化，而只與井孔本身相關(guān)。也就是說，同一口井在同震響應(yīng)時(shí)，階升的會(huì)一直呈現(xiàn)階升變化，階降的也會(huì)一直保持階降變化。具體來看，桑梓井和寶坻井表現(xiàn)為階降，張道口、高村、辛莊、王3井表現(xiàn)為階升。從井孔分布圖中可以看到(圖1)，寶坻和桑梓井分布在天津北部寶坻斷裂以北；其他4口井分布在寶坻斷裂以南。而我們統(tǒng)計(jì)的沒有任何同震響應(yīng)的寧河、塘沽、徐莊子這3口井在滄東斷裂東側(cè)，延渤海海岸分布。這說明井水位對(duì)于遠(yuǎn)震的同震響應(yīng)，其階變性質(zhì)可能與井孔所處的構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)。

本文根據(jù)孔隙彈性介質(zhì)理論，利用井水位的潮汐因子以及同震水位的變化量，反演了汶川MS8.0、日本MW9.0、尼泊爾MS8.1地震對(duì)天津地區(qū)井孔含水層體應(yīng)變量。結(jié)果顯示，3次地震對(duì)各井所處的含水層造成的同震振蕩體應(yīng)變基本在10-8到10-7量級(jí)，僅寶坻井可達(dá)到10-6量級(jí)(表4)。而所有井孔對(duì)同震階變的體應(yīng)變反演結(jié)果(表5)以及2個(gè)體應(yīng)變測(cè)項(xiàng)的實(shí)測(cè)值(表6)都在10-8數(shù)量級(jí)上。說明同震振蕩反映的是測(cè)項(xiàng)所在地區(qū)瞬時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，而同震階變則可能反映了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化水平。

上述統(tǒng)計(jì)和反演計(jì)算結(jié)果表明，遠(yuǎn)大震的水位同震響應(yīng)的幅度和階變性質(zhì)主要是與井孔的自身特性密切相關(guān)的。其階變性質(zhì)與井孔所在的構(gòu)造位置有較大關(guān)系，而其振蕩和階變幅度可能是井孔的構(gòu)造環(huán)境、深度、觀測(cè)系統(tǒng)、含水層性質(zhì)等綜合作用的結(jié)果。因此，井-含水層系統(tǒng)的水位同震響應(yīng)變化機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的。在這一方面，未來可以進(jìn)行更加深入的研究。

[1] 黃輔瓊,晏銳,陳颙,等.利用深井地下水位動(dòng)態(tài)研究大華北地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)[J].地震,2004,24(1): 112-118.

[2]BodvarssonG.Confinedfluidsasstrainmeters[J].JournalofGeophysicalResearch,1970,75(14): 27l1-2718.

[3]ShiZM,WangGC,MangaM,etal.Mechanismofco-seismicwaterlevelchangefollowingfourgreatearthquakes-insightsfromco-seismicresponsesthroughouttheChinesemainland[J].EarthandPlanetaryScienceLetters,2015,430: 66-74.

[4]YanR,WoithH,WangRJ.Groundwaterlevelchangesinducedbythe2011TohokuearthquakeinChinamainland[J].GeophysicalJournalInternational,2014,199(1): 533-548.

[5]SatoT,MatsumotoN,KitagawaY,etal.Changesingroundwaterlevelassociatedwiththe2003Tokachi-okiearthquake[J].Earth,PlanetsandSpace,2004,56(3): 395-400.

[6]KitagawaY,KoizumiN,TakahashiM,etal.Changesingroundwaterlevelsorpressuresassociatedwiththe2004earthquakeoffthewestcoastofnorthernSumatra(M9.0)[J].Earth,PlanetsandSpace,2006,58(2): 173-179.

[7] 汪成民,車用太,萬迪堃,等.地下水微動(dòng)態(tài)研究[M].北京: 地震出版社,1988.

[8] 馬建英,邵永新,汪翠枝,等.天津兩井水位同震效應(yīng)分析[J].華北地震科學(xué),2009,27(1): 20-24,33.

[9] 馬君釗,宋軍,薛娜,等.天津井水位同震效應(yīng)分析[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào),2012,28(4): 40-46.

[10] 尹宏偉,梁麗環(huán),韓文英,等.河北省地下流體水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的響應(yīng)特征研究[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào),2015,17(3): 37-44.

[11] 鞏浩波,郭衛(wèi)英,李光科,等.重慶井網(wǎng)水位水溫同震響應(yīng)特征分析[J].震災(zāi)防御技術(shù),2015,10(S): 794-804.

[12]NarasimhanTN,KanehiroBY,WitherspoonPA.Interpretationofearthtideresponseofthreedeepconfinedaquifers[J].JournalofGeophysicalResearch,1984,89(B3): 1913-1924.

[13] 史浙明,王廣才,劉春國.基于汶川地震同震地下水位變化反演含水層體應(yīng)變[J].地震學(xué)報(bào),2012,34(2): 215-223.

[14] 楊柳,馬建英,曹井泉,等.利用華北地區(qū)承壓井水位資料反演含水層體應(yīng)變[J].中國地震,2014,30(2): 249-259.

[15] 秦雙龍,廖麗霞,陳瑩,等.利用福建井水位同震變化反演井-含水層體應(yīng)變及其意義探討[J].內(nèi)陸地震,2014,28(4): 353-359.

[16] 張昭棟,劉慶國,耿杰.由承壓井水位動(dòng)態(tài)反演水井含水層的應(yīng)力變化[J].華南地震,1999,19(1): 37-42.

[17]RhoadsJrGH,RobinsonES.Determinationofaquiferparametersfromwelltides[J].JournalofGeophysicalResearch,1979,84(B11): 6071-6082.

[18]TollNJ,RasmussenTC.RemovalofbarometricpressureeffectsandEarthtidesfromobservedwaterlevels[J].GroundWater,2007,45(1): 101-105.

Co-seismic Response Characteristics of Groundwater Level in Tianjin Based on Volumetric Strain Inversing of Aquifer

YANG Liu,MA Ting,MA Jian-ying,SHAO Yong-xin

(Earthquake Administration of Tianjin Municipality,Tianjin 300201,China)

Taking WenchuanMS8.0,JapanMW9.0,NepalMS8.1 as instances,this paper analyzed the co-seismic response characteristics of 7 wells’ groundwater level in Tianjin.On this basis,we inversed the volumetric strain of this 7 wells’ aquifer.The results show that,the variations of the volumetric strain of aquifer inversing by groundwater level with earthquake can realistically reflected the strain variation of the location borehole.

Tianjin; groundwater level; co-seismic response; volumetric strain

楊柳，馬婷，馬建英，等．基于含水層體應(yīng)變反演的天津地區(qū)井水位同震響應(yīng)特征分析[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(4):60-66.

2016-03-11

2016年度震情跟蹤定向工作任務(wù)(2016010130)和2014年度天津市地震局局內(nèi)課題(20141011)聯(lián)合資助

楊柳(1980—)，女，高級(jí)工程師，主要從事地震綜合預(yù)報(bào)工作.E-mail: yangliu_m@163.com

P315.723

A

1003-1375(2016)04-0060-07

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.04.010