唐山地區(qū)數(shù)字化井水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震同震響應(yīng)特征分析

王 妍，符澤宇，趙建明，李 金，劉燕翔，董祎瑋，榮偉健

(河北省地震局唐山中心臺(tái)，河北 唐山 063000)

0 引言

地殼中的流體在地震孕育過(guò)程中，作為傳遞、轉(zhuǎn)換、接收異常信息的載體起著非常重要的作用。因此，地下流體異常能反映井—泉含水層系統(tǒng)受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的影響而產(chǎn)生的變化，還具有一定的前兆指示意義。我國(guó)許多地震專家學(xué)者對(duì)水位的同震響應(yīng)進(jìn)行了大量研究，并對(duì)同震響應(yīng)的特征進(jìn)行了分析[1-6]。 但對(duì)水位同震變化的研究多停留在定性階段，缺乏進(jìn)一步的定量分析。

通過(guò)選取2005—2015年全球發(fā)生的33次7級(jí)以上大震，對(duì)比分析唐山地區(qū)較具代表的玉田井、唐山礦井、馬家溝礦井、灤縣井水位記錄的遠(yuǎn)場(chǎng)大震水震波形態(tài)，得到一震多井和一井多震的水位同震變化特征。分析其特征、影響因素及其機(jī)理，通過(guò)反演研究唐山地區(qū)地殼活動(dòng)規(guī)律，以解決在分析預(yù)報(bào)工作中遇到的實(shí)際問(wèn)題，為唐山地區(qū)分析預(yù)報(bào)工作提供新的分析方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)字化觀測(cè)井概況

選取唐山地區(qū)數(shù)字化井?dāng)?shù)據(jù)較好的玉田井做一井多震同震分析,唐山礦井、玉田井、灤縣井、馬家溝礦井做一震多井同震分析(表1)。

2 一井多震同震響應(yīng)分析

2.1 玉田井記震能力

根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心大震目錄統(tǒng)計(jì)，自2005年4月至2015年12月全球共發(fā)生7.0級(jí)以上地震237 次，其中玉田井記錄到了169次，記震能力71.3%，這樣的比例與全國(guó)地震地下流體臺(tái)網(wǎng)中水位動(dòng)態(tài)對(duì)以往的世界Ms≥8.0地震的同震響應(yīng)比例大體相當(dāng)[7-9]。說(shuō)明玉田井記震能力較好。選取2005—2015年全球發(fā)生的18次7級(jí)以上地震對(duì)玉田井的同震效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 一井多震同震響應(yīng)形態(tài)

根據(jù)玉田井與震中位置分布情況，將典型大震分為6個(gè)地區(qū)進(jìn)行分析，分別為印尼蘇門答臘島、日本本州東、智利、俄羅斯西伯利亞?wèn)|、巴基斯坦和國(guó)內(nèi)大震(圖1)。

2.3 一井多震同震響應(yīng)特征

(1)由表2、圖1可見(jiàn)，玉田井記錄到的水震波振蕩的形態(tài)除蘆山7.0地震外大多表現(xiàn)為震蕩型，震相單一，初動(dòng)之后呈現(xiàn)最大振幅，之后隨震波逐漸衰減，震后水位能恢復(fù)到震前水平，只有四川蘆山7.0級(jí)同震表現(xiàn)形態(tài)為水位大幅度下降[10]；(2)震級(jí)越大水位振蕩幅度越大，振蕩時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)于同等震級(jí)大震，井震距越近，水位振蕩幅度越大；(3)根據(jù)計(jì)震數(shù)目、同震響應(yīng)幅度玉田井對(duì)東南部日本、智利地震和印尼蘇門答臘的地震記震能力要強(qiáng)于西北部巴基斯坦、俄羅斯等地。

表1 數(shù)字化觀測(cè)井特性表

表2 玉田井水位同震響應(yīng)特征表

(a)印尼蘇門答臘島北部地震; (b)日本本州東地震; (c)智利地震; (d)俄羅斯西伯利亞?wèn)|部地震; (e)巴基斯坦地震; (f)國(guó)內(nèi)大震圖1 玉田井水位同震響應(yīng)曲線Fig.1 Co-seismic Response Curve of Water Level in Yutian Well

圖2 2015年全球典型大震Fig.2 Global typical earthquakes in 2015

3 一震多井同震響應(yīng)分析

選取2015年4月至12月全球發(fā)生的Ms7.0級(jí)以上18次大震，進(jìn)行一震多井同震響應(yīng)分析。其中玉田井、唐山礦井記錄到地震15次，灤縣井記錄到地震12次，馬家溝礦井記錄到地震9次。根據(jù)震中分布位置，選取記錄較好的11次地震進(jìn)行同震響應(yīng)分析(見(jiàn)表3)。

表3 一震多井同震響應(yīng)特征表

續(xù)表3

序號(hào)日期地點(diǎn)緯度/(°)經(jīng)度/(°)震級(jí)Ms 觀測(cè)井井震距/km 形態(tài)初動(dòng)方向最大雙震幅/m 10 2015-11-14 中國(guó)東海海域31 128.7 7.2 玉田井1386 震蕩型向下0.022 唐山礦井1321 震蕩型向上0.084 灤縣井1331 無(wú)記錄 無(wú)無(wú)馬家溝礦井1353 震階型向上0.079 11 2015-12-07 塔吉克斯坦38.2 72.9 7.7 玉田井3846 震蕩型向下0.022 唐山礦井3924 震蕩型向上0.032 灤縣井3922 震蕩型向上0.054馬家溝礦井3888 無(wú)記錄 無(wú)無(wú)

3.1 一震多井同震響應(yīng)特征

(1)玉田井、唐山礦井、灤縣井?dāng)?shù)字化水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)在形態(tài)上存在著明顯的一致性，主要表現(xiàn)形態(tài)為震蕩型水震波。

(2)馬家溝礦井有兩種表現(xiàn)形態(tài)：一種為震蕩型水震波；一種為震階型。

(3)對(duì)同一遠(yuǎn)場(chǎng)大震灤縣井的水位振幅要大于唐山礦井，唐山礦井的水位振幅大于玉田井。

(4)對(duì)同一大震，從初動(dòng)方向上看，玉田井水位同震響應(yīng)水震波的初動(dòng)方向，大多與其他三口井相反。

4 井孔構(gòu)造背景與同震響應(yīng)特征關(guān)系淺析

從玉田井、唐山礦井、灤縣井、馬家溝礦井同震響應(yīng)水震波特征來(lái)看，玉田井水震波初動(dòng)方向總是與唐山礦井、灤縣井、馬家溝礦井水震波初動(dòng)方向相反，且對(duì)于同一大震，灤縣井的同震響應(yīng)幅度最大。從構(gòu)造位置來(lái)看(見(jiàn)圖3)，玉田井位于林南倉(cāng)向斜南翼，唐山礦、馬家溝礦井處于開(kāi)平向斜西北翼奧陶系地層，灤縣井位于灤樂(lè)斷裂帶北段附近。因此試推斷對(duì)于唐山地區(qū)數(shù)字化井水位來(lái)說(shuō)，當(dāng)井孔處于不同的構(gòu)造位置時(shí)，其同震響應(yīng)的水震波的初動(dòng)方向受構(gòu)造位置影響，在向斜的南翼和北翼的水井同震反應(yīng)的水震波初動(dòng)方向總是相反，位于唐山東部的水井同震響應(yīng)幅度高于唐山西部水井，所以說(shuō)其同震響應(yīng)機(jī)理很可能與地質(zhì)構(gòu)造位置關(guān)系最為密切，其次也與斷層性質(zhì)有關(guān)。

5 結(jié)論與討論

(1)從玉田井、唐山礦井、灤縣井、馬家溝礦同震響應(yīng)特征和井點(diǎn)位置、含水層特性對(duì)比分析，看出唐山地區(qū)這四口較具代表性的數(shù)字化井水位，除馬家溝礦井外都具有很高的同震響應(yīng)能力。玉田井、唐山礦井、灤縣井地層巖性均為奧陶系石灰?guī)r，地下水類型均為承壓水，數(shù)字化水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)在形態(tài)上存在著明顯的一致性。通過(guò)進(jìn)一步分析四口井水位的同震響應(yīng)影響因素，得出與震級(jí)相關(guān)性最高，其次為井震距。

(2)有專家分析認(rèn)為，井水位同震變化的地震波對(duì)東部南部的地震比西部、北部的地震記錄更清晰，振幅更大，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。這是由于瑞利面波的彌散性質(zhì)，往往從東南洋殼傳播比從西北陸殼傳播更強(qiáng)烈[11-14]。而唐山地區(qū)4口典型數(shù)字化井對(duì)東南部日本、智利地震和印尼蘇門答臘的地震記震能力要強(qiáng)于西北部巴基斯坦、俄羅斯等地也印證了此結(jié)論。

(3)對(duì)于水震波同震變化機(jī)理，一些學(xué)者認(rèn)為是地震波作用下含水層的壓縮與張拉變形及由此引起的井-含水層間水交替運(yùn)動(dòng)[9-11]。劉耀煒等認(rèn)為同震響應(yīng)變化形態(tài)主要是受區(qū)域構(gòu)造環(huán)境和井孔本身的水文地質(zhì)條件控制，外力作用只是對(duì)其響應(yīng)幅度產(chǎn)生一些影響[4-5]。本文討論認(rèn)為唐山地區(qū)數(shù)字化井同震特征機(jī)理，與井孔所處地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境關(guān)系最為密切，與斷層性質(zhì)以及所處地質(zhì)環(huán)境位置有關(guān)，也與地震波到達(dá)井孔的特性有關(guān)，是多種因素共同作用的結(jié)果。