河北冀24井流體觀測(cè)同震響應(yīng)特征分析

付 聰，姜紀(jì)沂，王喜龍，王海燕，李彤霞

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；3.河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201）

0 引言

地下水在地殼中普遍存在，其動(dòng)態(tài)變化對(duì)地震和構(gòu)造活動(dòng)具有良好的反應(yīng)。當(dāng)?shù)叵滤谝欢ǖ姆忾]條件和埋深條件時(shí)，便會(huì)形成承壓含水層，而承壓水能有效、靈敏的反應(yīng)出地殼的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并通過(guò)水的壓力或者滲流在井孔水位水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)中呈現(xiàn)出來(lái)[1]。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地震波在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生水位共振，即水位同震響應(yīng)。已有研究表明，井孔水位變化主要與巖體中空隙壓力的改變以及含水層特性的變化有關(guān)，在地震孕育過(guò)程中，應(yīng)力的改變、斷層位錯(cuò)會(huì)造成靜態(tài)引力發(fā)生改變，地震波會(huì)引起動(dòng)態(tài)引力發(fā)生改變，從而會(huì)導(dǎo)致井水位發(fā)生變化[2]。此外，井-含水層觀測(cè)系統(tǒng)還可以將地震波進(jìn)行放大[3]，當(dāng)有地震發(fā)生時(shí)，地震波的傳播會(huì)引起觀測(cè)井孔水位出現(xiàn)同震變化[4，5]，因此地下流體觀測(cè)中水位對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)是地震波作用于井-含水層系統(tǒng)最直接的體現(xiàn)。當(dāng)水位出現(xiàn)同震變化時(shí)，會(huì)影響地下水體的移動(dòng)速度和方式，同時(shí)也會(huì)影響到地下水體與周圍介質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換，從而影響地下水溫的變化。已有研究表明，水溫的同震變化與水位的同震變化有著密切的關(guān)系。石耀霖[6]根據(jù)唐山礦井水位的同震響應(yīng)，利用有限單元法模型分析出井水在振蕩過(guò)程中會(huì)引發(fā)彌散效應(yīng)，是導(dǎo)致水溫變化的主要原因之一。因此，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)大震引起地下水同震響應(yīng)研究越來(lái)越受到廣大學(xué)者們的關(guān)注。

本文筆者基于2010—2018年國(guó)內(nèi)外發(fā)生的10次Ms＞8.0地震，通過(guò)前人提出水位水溫同震響應(yīng)機(jī)理，對(duì)河北冀24井進(jìn)行同震響應(yīng)分析討論。

1 冀24井的井孔特征

河北冀24井始建于1974年，位于邯鄲市峰峰礦區(qū)境內(nèi)。構(gòu)造上位于鼓山斷裂東側(cè)，南臺(tái)斷裂西側(cè)，南臺(tái)斷裂以NNE向?yàn)橹?。該井成井深度約800m，主含水層巖性為奧陶系灰?guī)r，地下水類型為巖溶裂隙承壓水。2000年河北省地震局、礦區(qū)政府和市地震局三家單位聯(lián)合出資對(duì)冀24井環(huán)境進(jìn)行改造，建成數(shù)字化觀測(cè)臺(tái)站。該井水位、水溫觀測(cè)儀器2000年使用SW-5型水位儀和水溫儀，2011年更換為SZW-1型數(shù)字式水位儀和溫度計(jì)，2017年更換為ZKGD3000型地下水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（水位、水溫）。

2 同震響應(yīng)概況

通過(guò)對(duì)2010—2018年國(guó)內(nèi)外發(fā)生的Ms＞8.0地震進(jìn)行收集整理，并對(duì)比同期冀24井水位、水溫變化特征，統(tǒng)計(jì)出在此期間共有10次地震發(fā)生后，冀24井水位、水溫出現(xiàn)同震響應(yīng)變化。對(duì)這10次地震發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、震源深度與震級(jí)等進(jìn)行整理，同時(shí)對(duì)地震發(fā)生后冀24井水位、水溫出現(xiàn)同震變化時(shí)間、幅度、震中距等進(jìn)行分析（表1，圖1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)2012年4月11日蘇門答臘Ms8.6地震發(fā)生時(shí)，冀24井水位出現(xiàn)同震幅度最大，達(dá)1331mm；2015年4月25日尼泊爾Ms8.2地震發(fā)生時(shí)，水溫出現(xiàn)同震幅度最大，達(dá)0.1177℃；2013年5月24日鄂霍次克海Ms8.0地震發(fā)生時(shí)，水位最早出現(xiàn)同震變化；2015年4月25日尼泊爾Ms8.2地震發(fā)生時(shí)，水溫最早出現(xiàn)同震變化。

表1 冀24井對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震響應(yīng)情況

圖1 冀24井對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震同震響應(yīng)曲線圖Fig.1 The coseismic response of Ji NO.24 well to the large earthquake in the far field

3 水位同震響應(yīng)特征分析

汪成民等[7]根據(jù)眾多數(shù)據(jù)資料對(duì)水位同震響應(yīng)變化特征和震中距之間的關(guān)系進(jìn)行研究得出，當(dāng)震中距＜500km時(shí)，水位變化類型主要以階變型為主，當(dāng)震中距在500～2000km內(nèi)時(shí)，水位變化類型為階變型和振蕩型混合，當(dāng)震中距＞2000km時(shí)，水位變化類型主要以振蕩型為主[7]?；诒?可以看出，這10次地震的震中距最小也有2252km，最大則達(dá)到近22000km，均大于2000km，冀24井在這10次地震中水位同震響應(yīng)類型全部表現(xiàn)為振蕩型，符合上述研究。這10次的同震響應(yīng)中水位變化幅度在54～1331mm之間。研究表明，一般震級(jí)越大，造成水位同震的振蕩幅度越大，震中距越大，水位同震的振蕩幅度就越小，基于前人研究，得出如下關(guān)系：

lg（ΔH）=-0.7611lgD+0.9631M-6.2967[8]（1）

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)地震的水位響應(yīng)程度基本符合上述描述。雖然水位幅度與震級(jí)和震中距有關(guān)，符合上述公式，但我們發(fā)現(xiàn)在這10次地震中2013年5月24日鄂霍次克海Ms8.0地震和2016年12月9日所羅門群島Ms8.1地震震級(jí)大小相近，震中距上所羅門群島要比鄂霍次克海遠(yuǎn)1倍左右的距離，但冀24井對(duì)鄂霍次克海Ms8.0地震的水位響應(yīng)幅度為78mm，而對(duì)所羅門群島Ms8.1地震的響應(yīng)幅度卻為353mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鄂霍次克海Ms8.0地震，鄂霍次克海Ms8.0地震的震源深度有600km，可見(jiàn)震源深度對(duì)水位振蕩幅度大小也有一定關(guān)系。

通過(guò)對(duì)比公式（1），我們也發(fā)現(xiàn)各別地震并不符合上述公式，如2011年3月11日日本Ms8.7地震。在這10次地震當(dāng)中，日本地震震級(jí)最大，震中距最小，震源深度同其它地震也相近，差別不大，但其水位同震響應(yīng)幅度只有151mm，可見(jiàn)，水位同震響應(yīng)的振蕩幅度大小取決于多方面的因素，除震級(jí)、震中距、震源深度等因素外可能還存在著其他因素，還需要我們繼續(xù)探索。

對(duì)于冀24井同震響應(yīng)水位振蕩幅度不對(duì)稱這一現(xiàn)象，王學(xué)聚等人[9]對(duì)水位同震響應(yīng)特征研究時(shí)，提出當(dāng)觀測(cè)水位儀的采樣間隔為1min時(shí)，其采樣率較小，對(duì)水震波的完整性會(huì)造成影響，從而引起水震波上下波動(dòng)幅度不對(duì)稱[9]。由此推斷冀24井觀測(cè)水位對(duì)各個(gè)地震同震響應(yīng)的不對(duì)稱波動(dòng)也是這個(gè)原因造成的。

4 水溫同震響應(yīng)特征分析

基于表1與圖1發(fā)現(xiàn)，無(wú)論地震的方位如何，冀24井的水溫響應(yīng)特征基本是相同的，均表現(xiàn)為下降—上升—恢復(fù)動(dòng)態(tài)變化。冀24井水溫變化曲線在這10次地震的同震響應(yīng)變化中，其中5次表現(xiàn)為同震上升，5次為同震下降，變化幅度在0.0004～0.1177℃之間。其中在2011年3月11日日本Ms8.7地震、2012年4月11日蘇門答臘Ms8.6地震、2013年5月24日鄂霍次克海Ms8.0地震和2016年12月9日所羅門群島Ms8.1地震4次地震中，冀24井水溫同震響應(yīng)類型呈現(xiàn)明顯的階梯型變化，短時(shí)間內(nèi)便達(dá)到了變化最大值，但這種類型的變化需要長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)到原形態(tài)附近；而另外6次地震的同震響應(yīng)類型表現(xiàn)為脈沖式，達(dá)到變化最大值的時(shí)間則相對(duì)較長(zhǎng)，但這種類型短時(shí)間內(nèi)就能恢復(fù)到原形態(tài)附近。

在脈沖式變化類型的6次地震中，2017年9月8日墨西哥Ms8.6地震和2018年1月23日阿拉斯加灣Ms8.2地震水溫在變化的過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)與原始走向太大的偏差，而另外4次脈沖式變化卻不同，如將2014年4月2日智利Ms8.2地震和2013年11月17日斯科舍海Ms8.2地震，根據(jù)水溫變化可將其同震變化及恢復(fù)過(guò)程分為4個(gè)階段。第1階段表現(xiàn)為地震發(fā)生后水溫出現(xiàn)快速下降；第2階段是水溫開(kāi)始出現(xiàn)小幅上升。這兩次地震在前期整體下降的過(guò)程中在第2階段出現(xiàn)了短時(shí)間的緩沖，之后便是第3階段的下降和第4階段的上升恢復(fù)，第4階段后水溫基本恢復(fù)到了階段1前的水平。另外可將2015年9月17日智利Ms8.3地震和2015年4月25日尼泊爾Ms8.2地震的水溫同震變化過(guò)程分為2個(gè)階段，第1階段是當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后出現(xiàn)的水溫下降，速度很快，第2階段是水溫降低到一定程度后開(kāi)始回升的過(guò)程，雖然2015年9月17日智利Ms8.3地震在第1階段的下降過(guò)程中出現(xiàn)1次水溫上升，但時(shí)間和回升幅度很短、很小，可忽略不計(jì)，在第2階段之后我們可以發(fā)現(xiàn)水溫并沒(méi)有恢復(fù)到第1階段前的水平，還有一定的差距。

這一現(xiàn)象推測(cè)可能是因?yàn)檎鸷笏疁鼗謴?fù)的過(guò)程與水溫的動(dòng)態(tài)變化相關(guān)，當(dāng)水溫下降的速度較快時(shí)，深層部位的地下水的交換過(guò)程和特征與穩(wěn)定狀態(tài)下的不同，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，兩者的熱量交換過(guò)快，導(dǎo)致含水層與井孔內(nèi)的水體熱量交換不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)這種震后水溫短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)到原始量值附近，也可能存在著一些其他影響因素導(dǎo)致水溫?zé)o法恢復(fù)，這需要進(jìn)一步的探索研究。

次外，有時(shí)候在一些大的地震的作用下可能會(huì)導(dǎo)致井孔的水溫動(dòng)態(tài)發(fā)生巨大的變化，比如2004年12月26日蘇門答臘9.0級(jí)地震，地震的發(fā)生導(dǎo)致水溫上升到了一個(gè)新的水平，并保持了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間[10]。

基于以上研究，無(wú)論地震的方位、等級(jí)、震源深度以及震中距如何，冀24井水溫同震響應(yīng)變化形態(tài)絕大部分以先下降，后上升恢復(fù)為主。分析認(rèn)為導(dǎo)致冀24井水溫先出現(xiàn)同震響應(yīng)下降的原因有很多，當(dāng)井中的水受到震蕩作用而產(chǎn)生加速對(duì)流與混合應(yīng)該是水溫下降的主要原因。一般情況下，水溫探頭都放在較深的位置，溫度偏高，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，導(dǎo)致水體產(chǎn)生對(duì)流，下面溫度較高的水向上運(yùn)動(dòng)，上面溫度較低的水向下運(yùn)動(dòng)，探頭則優(yōu)先探測(cè)到水溫下降，然后逐步上升恢復(fù)至原始狀態(tài)。冀24井的水溫響應(yīng)的開(kāi)始時(shí)間總是小于或者等于水位響應(yīng)的開(kāi)始時(shí)間，兩者時(shí)間差距最大的是2011年3月11日日本Ms8.7地震，水位出現(xiàn)響應(yīng)16分鐘后水溫才出現(xiàn)響應(yīng)。這表明，地震波誘發(fā)井水出現(xiàn)震蕩，導(dǎo)致上下不同溫度的水產(chǎn)生混合，便出現(xiàn)了深層水溫探頭附近水溫降低的現(xiàn)象。在水位同震響應(yīng)過(guò)程中，探頭上下水體快速的大幅度地交換，導(dǎo)致了水溫探頭附近水溫出現(xiàn)了快速的下降。

通過(guò)表1和圖1還可發(fā)現(xiàn)，在這10次地震發(fā)生過(guò)程中，2012年4月11日蘇門答臘Ms8.2地震、2013年11月17日斯科舍海Ms8.2地震、2015年4月25日尼泊爾Ms8.2地震、2015年9月17日智利Ms8.3地震和2016年12月9日所羅門群島Ms8.1地震這5次地震中，水溫同震下降速度很快，可能是由于這幾次地震水位同震響應(yīng)振蕩幅度大且時(shí)間略長(zhǎng)造成的。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)河北冀24井水位水溫2010年以來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同震響應(yīng)的研究，得出以下結(jié)論：

（1）冀24井的同震響應(yīng)水位均以振蕩的形態(tài)出現(xiàn)，水位的振蕩幅度除了與震中距、震級(jí)密切相關(guān)外，還可能與井-含水層系統(tǒng)自身特性、震源方位、震源機(jī)制、震中距以及地震波的傳播途徑有關(guān)。

（2） 水位振蕩水溫下降，響應(yīng)形態(tài)總是先下降，再上升，直至恢復(fù)的過(guò)程，不受地震方位、等級(jí)、震源深度以及震中距的影響。

（3） 同一口觀測(cè)井水位同震響應(yīng)是水溫同震響應(yīng)的必要條件，水溫的同震響應(yīng)總是水溫同震響應(yīng)開(kāi)始或之后發(fā)生。

（4） 水溫同震下降的速率取決于水位振蕩的幅度、頻次。

（5）冀24井雖然對(duì)各個(gè)地震水位水溫同震響應(yīng)明顯，波動(dòng)幅度大，恢復(fù)時(shí)間不等，但并未改變冀24井的原始動(dòng)態(tài)走向，表明這10次地震對(duì)觀測(cè)井應(yīng)力狀態(tài)影響并不大。

（6） 觀測(cè)技術(shù)方面，水位水溫觀測(cè)時(shí)間采樣率為1分鐘，如果提高儀器的采樣率，將會(huì)捕捉到更完整的水震波，這對(duì)探討井孔的同震響應(yīng)機(jī)理大有幫助。

致謝：中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心為本項(xiàng)研究提供了河北平原區(qū)地下流體觀測(cè)數(shù)據(jù)，這對(duì)本文研究及取得的認(rèn)識(shí)至關(guān)重要，在此表示衷心的感謝。