山西水位觀測井對遠(yuǎn)場大震記震能力及震時應(yīng)力變化量分析

穆慧敏，劉國俊，胡玉良，程冬焱，李惠玲

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400；3.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

井水位是我國地震地下流體觀測的主要測項(xiàng)，在地震監(jiān)測預(yù)報中發(fā)揮著重要的作用。我國流體監(jiān)測井網(wǎng)“十五”“十一五”數(shù)字化升級改造之后，高精度數(shù)字化觀測儀的研制并投入使用，為水位動態(tài)研究提供了豐富的數(shù)據(jù)，分析研究同震水文響應(yīng)的特征及機(jī)制，對于深入理解構(gòu)造運(yùn)動與地殼流體之間的相互作用，理解地震的孕育過程及地震觸發(fā)有著重要意義[1]。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，收集、整理了山西地震水位觀測資料，對各觀測井遠(yuǎn)場大震響應(yīng)能力進(jìn)行分析，計(jì)算遠(yuǎn)場地震震時應(yīng)力場的變化，總結(jié)井水位同震響應(yīng)變化特征，探討水位同震變化的機(jī)理，從中發(fā)現(xiàn)一些水位同震響應(yīng)變化規(guī)律，為地震預(yù)測研究提供參考。

1 山西觀測井概況

山西地區(qū)流體井水位目前由12口觀測井組成，除紅崖頭、鴉兒坑為背景場項(xiàng)目新增測點(diǎn)(2014年2月1日正式入網(wǎng))外，其余為“十五”數(shù)字化期間新增改造的測點(diǎn)。流體觀測井沿北東向山西斷裂帶自南向北分布，分別布設(shè)在各構(gòu)造邊界帶或主要斷裂帶上，除鎮(zhèn)川井、紅崖頭井、漫水井為動水位觀測外，其余9口井均為靜水位觀測。水位觀測儀器為LN-3A和SWY-II型水位儀，兩套儀器運(yùn)行穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)一致性較好，精度均優(yōu)于0.001 m[2]。觀測井概況如第37頁表1所示。

分析2007年以來的觀測資料可知，東郭井、孝義井、臨汾井、紅崖頭井屬趨勢下降型變化；太原井屬趨勢上升型變化；介休、朔州、漫水、祁縣、靜樂井屬起伏型變化；鎮(zhèn)川井、鴉兒坑井屬平穩(wěn)型變化。12口井水位均不同程度地受降雨滲入補(bǔ)給的干擾，具有明顯的地球固體潮汐日變化、氣壓效應(yīng)。

2 山西省水位觀測井記震能力分析

2.1 記震能力統(tǒng)計(jì)

2007-2016年，全球發(fā)生7級以上地震221次，山西有9個水位觀測井記錄到不同程度的同震效應(yīng)，分別為朔州井、靜樂井、漫水井、孝義井、祁縣井、介休井、太原井、東郭井、鎮(zhèn)川井(見第37頁表2)；臨汾井未記錄到同震效應(yīng)；紅崖頭井、鴉兒坑井為新增測點(diǎn)，自2014年2月1日正式觀測以來未記錄到同震效應(yīng)。

由表2可見，朔州井、靜樂井、漫水井記震能力最強(qiáng)，結(jié)合水文地質(zhì)資料，朔州井、靜樂井均為巖溶承壓水，所屬觀測層均為奧陶系灰?guī)r；漫水井為承壓自流水，所屬觀測層為T1砂巖。記錄到水位同震響應(yīng)的9口觀測井，其含水層巖性大多為灰?guī)r，其次是砂巖。表明含水層為灰?guī)r和砂巖的井孔記震能力強(qiáng)，這與張淑亮等人的相關(guān)研究成果有相似的特征[3]。

2.2 同震響應(yīng)特征

收集山西地震水位觀測井2007年以來記錄到的全球7級以上地震的同震響應(yīng)資料，根據(jù)各自的特征進(jìn)行歸類分析。結(jié)果顯示，山西水位記錄到的同震響應(yīng)形態(tài)主要以振蕩型和階變型為主，靜水位的上升、振蕩兩種形態(tài)較多,動水位則以下降形態(tài)為主,響應(yīng)幅度在2～1 480 mm之間變化,響應(yīng)時間與地震波到達(dá)時間基本一致,震后恢復(fù)時間不等，且同一口井水位對不同地震的響應(yīng)形態(tài)不同(見表3)。

表1 山西水位觀測井概況Table 1 General survey of water level observation wells in Shanxi

表2 2007-2016年山西水位對全球7.0級以上地震的同震響應(yīng)能力Table 2 Coseismic response ability of water level observation in Shanxi to M>7earthquakes in the world from 2007 to 2016

表3 山西水井記錄到全球7.0級以上地震的同震響應(yīng)特征Table 3 coseismic response characteristics of water level observation in Shanxi to record M>7 earthquakes in the world

從表3可見，朔州井、靜樂井、漫水井與孝義井同震響應(yīng)以振蕩型為主，祁縣井、介休井、東郭井、太原井與鎮(zhèn)川井以階變型為主。水位振蕩型是指在地震振動作用下，井水位在一個相對穩(wěn)定的“基線”上出現(xiàn)類似地震波的高頻振蕩；水位階變型是指在地震波作用下，井水位出現(xiàn)階變式上升或下降[4]。在應(yīng)力作用下含水層瞬時變形引起孔隙壓力的瞬時變化，使孔隙水來不及與外界交換。若此時巖石受到張力作用，則巖石的孔隙率變大而孔隙水壓變小，水流由井孔返回含水層，致使水位下降；反之，受到壓力作用時，水位則表現(xiàn)為上升[5-6]。

在強(qiáng)地震發(fā)生過程中，水位的同震響應(yīng)可能是因?yàn)榈卣饡r應(yīng)力傳遞造成含水層的變化，或是因?yàn)榈貧ぴ诘卣鸢l(fā)生瞬間使含水層破裂或地下水流的阻塞造成。在遠(yuǎn)場地震中，地應(yīng)力的傳遞及造成區(qū)域地殼發(fā)生應(yīng)變的現(xiàn)象，對地下水位變動的直接影響較小，但地震釋放的能量卻能將地震波傳遞到很遠(yuǎn)的距離，地震波引起的動態(tài)應(yīng)力本身不能引起井水位的持續(xù)變化，但是能夠清除裂隙中的障礙體，從而改變含水層的滲透系數(shù)并導(dǎo)致孔隙壓力的重新分布[7-8]。井水位同震幅度變化大小取決于井孔尺寸，含水層的傳導(dǎo)性、儲存系數(shù)和孔隙度，也取決于地震波的類型、周期和振幅等多種因素。水位同震升降性質(zhì)受控于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造環(huán)境和水文地質(zhì)條件等因素，其機(jī)理更為復(fù)雜[9]。

3 由震時水位階變反演含水層應(yīng)力值

通過分析井水位與含水層應(yīng)力應(yīng)變變化之間的關(guān)系，研究井水位與區(qū)域應(yīng)力場的關(guān)系，探求地下流體中的前兆信息[10]，利用井水位階變反演含水層應(yīng)力變化的理論模式如下[11]。

考慮在各向同性承壓含水層中的完整井，該含水層呈水平無限延伸。假設(shè)各層的力學(xué)性質(zhì)是各向同性的完全彈性體，在這種理想情況下，當(dāng)含水層受到一個垂向的應(yīng)力作用時，含水層發(fā)生應(yīng)變使水井水位發(fā)生相應(yīng)的變化，水井水位深降同含水層垂直向應(yīng)力有以下定量關(guān)系：

其中，對于含水層的空隙度和固體骨架的楊氏模量，根據(jù)含水層巖石性質(zhì)和生成的地質(zhì)年代，取其一般值或平均值(常見巖石的楊氏模量表略，詳見Coast,1978)[12]。

含水層內(nèi)水的密度取1 020 kg/m3，重力加速度常數(shù)g取9.81 m/s2，含水層水的體積壓縮系數(shù)取4.69×10-9m2/N，含水層的孔隙度采用J.塔羅勃(1965)給出的結(jié)果(表略)[13]。

根據(jù)上述理論模式，收集12口井的觀測資料，選取同震響應(yīng)形態(tài)為階變型，且具有含水層巖性特征的7口井，進(jìn)行印尼、汶川、日本、蘇門答臘4次地震的震時應(yīng)力變化數(shù)值計(jì)算。如表4所示，得出部分井孔資料和計(jì)算結(jié)果。

一般大地震引起的水位同震階變與井含水層特征、水文地質(zhì)條件有很大關(guān)系。劉耀煒[14]等統(tǒng)計(jì)分析表明，不同的觀測層巖性差別較大，如碳酸鹽巖、碎屑巖類含水層的水位響應(yīng)幅度較變質(zhì)巖 (侵入巖、噴出巖)、第四紀(jì)松散層的大。文章根據(jù)給定的巖石力學(xué)參數(shù)和孔隙度，得到接近實(shí)際的應(yīng)力值。4次地震的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，漫水井與孝義井在震時的應(yīng)變響應(yīng)較為顯著，漫水井4次大震均呈壓應(yīng)力變化，孝義井壓應(yīng)力和張應(yīng)力各2次；同一地震，孝義井響應(yīng)幅度最大，震時應(yīng)力變化值最大，而漫水井變化值最小，其他觀測井規(guī)律不明顯；各井水位震時應(yīng)力變化值與震中距呈負(fù)相關(guān)，與震級關(guān)系不明顯。

表4 4次典型遠(yuǎn)場大震時部分井孔應(yīng)力變化量Table 4 The stress variation of part wells when the 4 typical far field large earthquakes happened

4 結(jié)論

(1) 分析山西水位井網(wǎng)的同震響應(yīng)變化表明，該區(qū)水位觀測井對遠(yuǎn)震的響應(yīng)能力差異較大,其中朔州井、靜樂井、漫水井記震能力最強(qiáng)。水位的同震響應(yīng)變化形態(tài)以振蕩型和階變型為主，個別井記錄到脈沖變化形態(tài)，同一口井水位對不同地震的變化形態(tài)不一致，有待進(jìn)一步研究。

(2) 通過觀測井水位對應(yīng)印尼、汶川、日本、蘇門答臘4次大地震的響應(yīng)特征分析，發(fā)現(xiàn)各觀測井不同程度反映了區(qū)域應(yīng)力場變化引起的承壓含水層應(yīng)力-應(yīng)變的變化。

(3) 利用含水層的水文地質(zhì)參數(shù)以及井水位變化反演含水層的應(yīng)力時,因含水層的有些參數(shù)不易獲取,只能參考相近的數(shù)值(如含水層的孔隙度和固體骨架的楊氏模量,可根據(jù)含水層巖石性質(zhì)和生成地質(zhì)時代, 取其一般的可能值或平均值)，結(jié)果可能產(chǎn)生一定的誤差。因此，在今后的研究中，利用承壓井水位的固體潮效應(yīng)來反演含水層的應(yīng)力變化，并與現(xiàn)有的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，會提高分析結(jié)果的可信度。

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