湖南省地下流體井水位對遠場大震的同震響應(yīng)特征分析

沈 平，敬少群，姚海東

（湖南省地震局，湖南 長沙 410004）

0 引言

在地震地下流體觀測中，當(dāng)井孔含水層受地震波作用，其受力發(fā)生改變時，井孔含水層系統(tǒng)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)也會一同發(fā)生改變[1]。地震波作用于井孔含水層系統(tǒng)的最直接體現(xiàn)就是同震響應(yīng)。水位同震響應(yīng)現(xiàn)象包含著一定的前兆信息，能夠在一定程度上反映出地震發(fā)生及震后調(diào)整過程[2-4]。有研究認(rèn)為，遠場大震引起的同震響應(yīng)在空間上的叢集區(qū)，對未來可能發(fā)生地震的地點具有一定的指示性意義[5]。因此，加強地下流體井水位對遠場大震的同震響應(yīng)特征研究對于促進地殼的應(yīng)力狀態(tài)研究與地震預(yù)測研究具有重大意義。

本文收集了湖南省數(shù)字化井水位對幾次大震的同震響應(yīng)資料，從“一震多井”和“一井多震”兩個方面分析了井水位對遠場大震的同震響應(yīng)特征，總結(jié)湖南井水位的同震響應(yīng)規(guī)律，為少震弱震地區(qū)的地震預(yù)測研究提供一些參考，同時對井水位的同震響應(yīng)機理進行了分析。

1 湖南省地下流體觀測網(wǎng)簡介

湖南省數(shù)字化地下流體觀測井最早建于2002年，目前共有數(shù)字化流體觀測井13口（圖1），其中11口井為靜水位觀測，2口井為動水位觀測。觀測含水層巖性以砂巖、灰?guī)r居多。觀測井深度最淺為韶山井——59.42m，最深為安鄉(xiāng)井——767.32m。觀測儀器主要為北京中科光大自動化有限公司生產(chǎn)的ZKGD3000水位儀與中國地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的SWY-II水位儀，儀器采樣率均為每分鐘1次。

圖1 湖南省井水位觀測點分布Fig.1 The distribution of digital well in Hunan Province

2 “一震多井”同震響應(yīng)

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2015年4月25日14時11分26秒在尼泊爾境內(nèi)（28.2°N，84.7°E）發(fā)生M8.1地震，造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，并波及到我國的西藏地區(qū)。此次地震雖然與湖南省相距兩千多公里，但仍然引起了我省大量的井水位同震響應(yīng)，具體情況如表1和圖2所示。

表1 尼泊爾M8.1地震的同震響應(yīng)情況

圖2 尼泊爾M8.1地震的同震響應(yīng)形態(tài)Fig.2 The co-seismic response type caused by the Nepal M8.1 earthquake

從“一震多井”來看，湖南省井水位的同震響應(yīng)主要具有以下特點:

（1）湖南省井水位對尼泊爾M8.1地震的同震響應(yīng)類型有多種，具體可以分為兩大類，一類是單一類型，包括振蕩型（清江井、桃源井、張家界井和韶山井）、脈沖型（津市井）、持續(xù)緩變型（安鄉(xiāng)井），一類是復(fù)合類型，即振蕩伴隨階變型（臨湘井和長沙井）。另外，在記錄到尼泊爾M8.1地震同震響應(yīng)的8口井孔中，有6口井均記錄到了水震波。

（2）從觀測井孔的深度來看，深井與淺井的記震能力差別不大；從井孔的含水層巖性來看，含水層巖性為砂巖、灰?guī)r的觀測井記錄到的同震響應(yīng)幅度較大；從井孔的導(dǎo)水性能來看，井孔的導(dǎo)水能力與記震能力成正比。

3 “一井多震”同震響應(yīng)

“一井多震”的同震響應(yīng)特征以長沙井為例來分析。長沙井是動水位觀測，井深273m，最早從1985年開始模擬觀測，2002年開始數(shù)字化觀測，觀測層為石英砂巖裂隙承壓含水層。

3.1 振蕩型同震響應(yīng)

自數(shù)字化以來，長沙井水位對全球80%以上的M≥7.0地震均記錄到了水震波，水震波雙振幅變化范圍為5~1513mm。如2012年4月11日印尼蘇門答臘MS8.6、MS8.2地震發(fā)生后，先后引起長沙井水位的2次振蕩型同震響應(yīng)，其中主震引起的水震波幅度要明顯大于余震的水震波幅度（圖3a）。2015年9月17日智利MS8.3地震及其余震也引起了長沙井水位的多次振蕩。通過查詢中國地震臺網(wǎng)目錄（CSN）及長沙測震臺記錄到的地震波形資料，并根據(jù)地震波走時規(guī)律和震相識別，認(rèn)為第一次小幅振蕩是由MS8.3主震引起的，雙振幅約40mm，第二次大幅振蕩是由時隔24min之后的MS6.8余震引起的，雙振幅約71mm（圖3b）。

圖3 振蕩型同震響應(yīng)Fig.3 Co-seismic response with fluctuation type

3.2 振蕩伴隨階變型同震響應(yīng)

長沙井水位記錄到的振蕩伴隨階變型的同震響應(yīng)在振蕩結(jié)束后水位曲線均在階變產(chǎn)生的新水位背景上變化，而且振蕩的初動響應(yīng)時間要早于階變產(chǎn)生的時間。從圖4中可以看出，水震波雙振幅及水位階變幅度與地震震級成正比。

圖4 振蕩伴隨階變型同震響應(yīng)Fig.4 Co-seismic response with fluctuation accompanied by stepped change type

3.3 脈沖型同震響應(yīng)

長沙井水位記錄到的脈沖型同震響應(yīng)較少，包括突升脈沖和突降脈沖兩種類型，脈沖幅度范圍為5~185mm。在圖5所示的2次脈沖型同震響應(yīng)中，水位在地震發(fā)生后突然上升或突然下降，然后快速恢復(fù)至震前的背景水位曲線。在圖5a中，井水位在突升至最高點后迅速回落，經(jīng)過約一個多小時后，才慢慢回落到震前背景曲線上。

圖5 脈沖型同震響應(yīng)Fig.5 Co-seismic response with impulsion type

從“一井多震”的角度來看，長沙井水位記錄到的遠場大震的同震響應(yīng)形態(tài)以同震水震波為主，有時候為脈沖型和階變型。汪成民等[6]根據(jù)中國大量記錄資料研究了同震水位變化特征與震中距的關(guān)系，認(rèn)為震中距在500km以內(nèi)時，水位同震變化以階變型為主，震中距在2000km以上時，水位同震變化以振蕩型為主。長沙井水位的同震響應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果顯示，長沙井水位對震中距大于2000km的地震的同震響應(yīng)形態(tài)是以振蕩型為主，但是從長沙井水位記錄到的階變型同震響應(yīng)來看，也均由震中距大于2000km的遠震引起。

一般來說，地下流體觀測井孔含水層對遠大地震的響應(yīng)以彈性變形為主，因此長沙井水位對國內(nèi)外大部分遠場大震都記錄到了同震水震波。對于階變型同震響應(yīng)，在某些地震發(fā)生后，由于區(qū)域應(yīng)力場和地震波傳播的附加應(yīng)力場的共同作用，引起地下流體觀測井孔含水層的應(yīng)力調(diào)整，所以導(dǎo)致了水位的階升或者階降[7]。至于脈沖型同震響應(yīng)產(chǎn)生的原因，分析認(rèn)為也是由于地震波在傳播過程中引起井水位產(chǎn)生彈性變形所致。但是受到傳播路徑介質(zhì)或井震距等因素的影響，地震波能量不夠大，引起的水位彈性變形時間不夠長，另外由于數(shù)字化水位儀的采樣間隔不夠短，導(dǎo)致同震響應(yīng)的完整過程沒有被全部記錄下來，因此在水位分鐘值曲線圖中表現(xiàn)為脈沖型。

4 分析與討論

（1）在湖南省記錄到尼泊爾M8.1地震同震響應(yīng)的所有地下流體觀測井中，韶山井的初動時間滯后于地震發(fā)震時間最短（5min），清江井的滯后時間最長（16min），即對尼泊爾M8.1地震的初動響應(yīng)時間最快與最慢的井孔之間相差約有660s。經(jīng)向省局地球物理觀測臺網(wǎng)負責(zé)人核實，清江臺和韶山臺均為縣級無人值守臺站，其儀器日常運維與數(shù)據(jù)分析處理等均由省局地球物理觀測臺網(wǎng)負責(zé)。而他們一直嚴(yán)格按照全國地下流體監(jiān)測技術(shù)學(xué)科組要求，每周對儀器進行時鐘檢查。因此基本可以確認(rèn)清江井與韶山井對尼泊爾M8.1地震的初動響應(yīng)時間相差11min是客觀存在的事實。而在湖南省測震臺中，最早和最晚記錄到該地震初至波的時間相差只有幾十秒，而且相對于震中距來說，湖南省流體臺的井孔間距要小得多，因此認(rèn)為同震初動響應(yīng)時間差的原因并不是受地震波傳播距離時間差的影響，其受震中距的影響不大，可能與水柱高度、井孔大小、井孔的水文地質(zhì)條件和構(gòu)造環(huán)境等因素有關(guān)。

（2）大部分情況下，長沙井水位對國內(nèi)外遠場大震的同震響應(yīng)幅度與震級的大小成正比，與震中距的大小成反比。對于2015年9月17日智利中部MS8.3地震及其MS6.8余震引起的同震響應(yīng)反?，F(xiàn)象產(chǎn)生的原因，分析認(rèn)為可能是由于主震和余震之間間隔時間太短，MS8.3主震的尾波和MS6.8余震的面波疊加在一起而導(dǎo)致的。從完整的地震波形圖像上看，由于主余震的兩個地震波相疊加在一起，主震的最大面波振幅明顯要小于余震的最大面波振幅，而且這兩次地震最大面波振幅出現(xiàn)的時間間隔接近于它們的發(fā)震時間間隔。同時，從長沙井記錄到的這兩次地震的水震波曲線圖像來看，最大振幅出現(xiàn)時間均要晚于地震波的最大面波振幅出現(xiàn)時間。同時主余震的水震波最大振幅之間的時間間隔要大于這兩者的地震波最大面波振幅之間的時間間隔，認(rèn)為此現(xiàn)象可能與井孔含水層水流運動的時間過程以及觀測儀器對地震波的跟蹤速度有關(guān)[8]。

（3）不同地球物理學(xué)家近年來提出了多種機理來解釋井水位的同震變化原因[9-10]，趨于一致的看法是:井孔含水層固體骨架發(fā)生周期性彈性形變，引起水體擠壓從而形成同震水震波，各井孔同震響應(yīng)能力的大小與其所處的水文地質(zhì)條件、構(gòu)造環(huán)境以及自身固有頻率和儀器等因素有關(guān)；P波、SV波以及它們組成的瑞利面波均能使傳播介質(zhì)的體積發(fā)生改變，井水位產(chǎn)生振蕩變化的原因是受地震發(fā)生時產(chǎn)生的周期作用的應(yīng)力波的影響。

長沙井是湖南地區(qū)記震能力最好的水位觀測井，其原因可能與長沙井為承壓自流井且觀測含水層巖性為石英砂巖有關(guān)。一般來說，越堅硬和難以變形的巖體地區(qū)的井水位潮差越大，越松軟和易于變形的巖體潮差越小。在火山巖、變質(zhì)巖與碎屑巖中，潮差最大的巖石分別為玄武巖、矽卡巖與石英砂巖[11]。因此石英砂巖能夠通過井水位較好地將巖層因地震瑞利波所激勵出來的體應(yīng)變加以放大并反映出來。此外，水位觀測井的記震能力還與井-含水層系統(tǒng)的固有振動周期有關(guān)。由于井-含水層系統(tǒng)主要是對地震瑞利波產(chǎn)生響應(yīng)，而地震波瑞利波的振動周期在20s左右，所以井-含水層系統(tǒng)的固有振動周期越接近20s，它對地震波的響應(yīng)越好[12]。因此可以推測，長沙井含水層系統(tǒng)的固有振動周期應(yīng)該比較接近地震瑞利波的振動周期。另一方面，井-含水層振動的阻尼系數(shù)越小，系統(tǒng)對井水位振動的阻力越小，它對地震波的響應(yīng)越好。

5 結(jié)論

本文從“一震多井”和“一井多震”兩個方面分析了湖南省數(shù)字化井水位的同震響應(yīng)特征，同時與其他學(xué)者的一些研究結(jié)果進行了對比分析，結(jié)論如下:

（1）湖南各井水位對尼泊爾M8.1地震的同震響應(yīng)各不相同，有振蕩型和脈沖型的單一類型，也有振蕩伴隨階變的復(fù)合類型，另外還有緩慢型和快速響應(yīng)型。認(rèn)為多個觀測井在同一次地震中記錄到的同震響應(yīng)不同可能是受井況、儀器、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和介質(zhì)性質(zhì)等的影響。

（2）湖南長沙井水位對不同地震的同震響應(yīng)形式有振蕩型、脈沖型和振蕩伴隨階變型，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果并不完全相同[13-14]，即多個地震在單一觀測井中引起的同震響應(yīng)有多種形態(tài)，并不是一成不變的。其原因有可能是本區(qū)域的局部應(yīng)力狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了改變[15]，也可能是含水層有關(guān)參數(shù)和水動力條件發(fā)生了改變所致。

（3）湖南省地下流體水位觀測網(wǎng)對國內(nèi)外遠場大震的同震響應(yīng)類型主要表現(xiàn)為振蕩型，井水位的映震效能受井孔含水層系統(tǒng)的導(dǎo)水能力和含水層巖性的影響。另外，對于振蕩伴隨階變的復(fù)合類型，水位階產(chǎn)生的時間總是要晚于水震波。