江蘇流體井網(wǎng)水位對青?，敹?.4級地震同震響應(yīng)特征差異及原因分析

胡米東，毛華鋒，陳啟林，王 皓，張 杰，霍雨佳，黃 群

（江蘇省溧陽地震臺(tái)，江蘇 溧陽 213332）

大量地下流體以多種形態(tài)存在各種地殼介質(zhì)中，地下流體較活躍，在一定條件下地下流體能形成位置和形態(tài)變化。地下流體觀測能間接獲得來自地球深部信息，地下流體同震響應(yīng)能夠有效揭示地殼介質(zhì)對應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，近十多年來一直是研究熱點(diǎn)。井水位同震響應(yīng)研究有助于對地下流體前兆現(xiàn)象的認(rèn)識與理解，是揭示地殼介質(zhì)對應(yīng)力-應(yīng)變過程響應(yīng)最直接和最有效的手段之一（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2005）。向陽等（2020）從地震波能量密度、含水層滲透性參數(shù)變化及斷裂帶控制作用等方面探討同震響應(yīng)機(jī)理，結(jié)果顯示井水位同震響應(yīng)幅度與地震波能量密度有一定關(guān)系。張明哲（2019）利用河北冀21井水位部分強(qiáng)震同震觀測資料，研究認(rèn)為：水位對遠(yuǎn)場大震記錄較靈敏，水位同震響應(yīng)最大振幅與地震強(qiáng)度成正比，與震中距關(guān)系不強(qiáng)。楊斐等（2013）對比發(fā)現(xiàn)汶川8.0級和日本9.0級地震時(shí)青海觀測井水位和水溫同震響應(yīng)特征有差異。針對水位同震響應(yīng)機(jī)理，學(xué)者們認(rèn)為地震引起的地殼運(yùn)動(dòng)造成井水位同震下降（Matsumoto et al，2003），地震波穿過井孔斷層導(dǎo)致張合或蠕動(dòng)，從而引起觀測井內(nèi)水外泄最終引起井水位同震下降變化等（楊竹轉(zhuǎn)等，2010）。

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測定，2021年5月22日02時(shí)04分（北京時(shí)間）青海省果洛州瑪多縣發(fā)生7.4級地震，震源深度17 km，發(fā)震斷裂可能為東昆侖斷裂帶南部的瑪多—甘德斷裂帶（詹艷等，2021），該地震為汶川8.0級地震后我國發(fā)生的最強(qiáng)地震，給青海基礎(chǔ)設(shè)施造成較大損失。地震震中距江蘇一千多千米，仍然造成江蘇大量地下流體井水位出現(xiàn)同震響應(yīng)現(xiàn)象。本文收集江蘇流體井對青?，敹?.4級地震同震響應(yīng)水位資料、各流體井基本參數(shù)資料和井周邊構(gòu)造資料，對水位響應(yīng)特征進(jìn)行分析，找出響應(yīng)特征差異，并結(jié)合前人研究成果，對各響應(yīng)特征差異原因進(jìn)行分析，以期對江蘇地下流體井各水位同震響應(yīng)特征取得一些新看法。

1 江蘇流體井網(wǎng)概況

江蘇區(qū)域跨華北地塊、秦嶺—大別山造山帶東段和下?lián)P子地塊三大主要地質(zhì)構(gòu)造單元。區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，其中北東向斷裂數(shù)量較多。區(qū)域內(nèi)較大活動(dòng)斷裂主要有郯廬斷裂帶、淮陰—響水?dāng)嗔褞Ш兔┥綌嗔训?。江蘇地下流體井網(wǎng)構(gòu)建已五十多年，受經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)條件制約，最初江蘇地下流體井大多利用石油等外系統(tǒng)探測井改造后進(jìn)行觀測。隨著近年來數(shù)字化改造項(xiàng)目、監(jiān)測環(huán)境改造和抗干擾項(xiàng)目的建設(shè)，江蘇地下流體井觀測環(huán)境、觀測設(shè)備質(zhì)量、觀測設(shè)備數(shù)量及分布密度等已初步滿足地震監(jiān)測預(yù)報(bào)需求。江蘇地下流體井孔大多位于活動(dòng)斷裂帶附近，地下水類型以孔隙承壓水為主、巖溶裂隙水為輔。區(qū)域內(nèi)主要活動(dòng)斷裂分布和27口觀測井孔的基本參數(shù)分別見圖1和表1。觀測井除水位和水溫測項(xiàng)外，還配備氣溫、氣壓、降雨量輔助觀測。水位觀測大多使用SWY-Ⅱ型數(shù)字水位儀，傳感器采樣率為1次/min。

圖1 江蘇地下流體井觀測點(diǎn)分布

表1 江蘇流體井基本參數(shù)

2 江蘇各流體井同震響應(yīng)典型特征

青?，敹?.4級地震后，江蘇流體井網(wǎng)27口井中有17口井水位出現(xiàn)同震響應(yīng)，測項(xiàng)響應(yīng)比為63%。17口井水位同震響應(yīng)形態(tài)不盡相同（見表2和圖2），根據(jù)形態(tài)差異可簡單分兩類：振蕩型（筆者把脈沖型歸于此類）和階躍型（階躍上升型和階躍下降型）。為更清楚顯示水位形態(tài)變化，對同震響應(yīng)相關(guān)時(shí)段水位數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行放大處理。由于17口井?dāng)?shù)量較多，所有圖像展示篇幅將過大，因此根據(jù)空間分布和形態(tài)特征等因素選取蘇02井、蘇03井、蘇20井、蘇22井和灌云臺(tái)井對其同震響應(yīng)形態(tài)特征詳細(xì)描述。

表2 江蘇流體井同震響應(yīng)基本參數(shù)

圖2 江蘇地下流體井對青?，敹?.4級地震同震響應(yīng)空間分布

2.1 蘇22井

蘇22井位于宜溧山區(qū)的東西向背斜軸布附近，周邊有茅山斷裂，地下水類型為裂隙承壓水。該井由原石油系統(tǒng)探測井改造而來，井深243 m，套管深度26 m。水位同震響應(yīng)形態(tài)為階躍上升型（見圖3），震前水位變化平穩(wěn)，5月22日02：12（瑪多7.4級震后8 min）水位出現(xiàn)振蕩變化，記錄水位初動(dòng)上升，最大振幅143 mm，是所有收集27口觀測井中振蕩幅度最大的一口井。經(jīng)歷8 min振蕩之后，水位出現(xiàn)階躍，階躍幅度50 mm，水位振蕩持續(xù)至03：26左右水位振蕩逐漸結(jié)束，5月30日階躍完全恢復(fù)。

圖3 蘇22井水位同震響應(yīng)曲線

2.2 灌云臺(tái)井

灌云臺(tái)井位于郯廬斷裂帶東側(cè)45 km處，地下水類型為空隙承壓水，井深280 m，套管深度260 m。該井水位響應(yīng)類型為階躍下降型（見圖4），震前水位變化平穩(wěn)，02：15出現(xiàn)小幅振蕩，振蕩時(shí)間較短，02：17快速階躍下降，階躍過程持續(xù)9 min，階躍下降12 mm，5月23日階躍完全恢復(fù)。

圖4 灌云臺(tái)井水位同震響應(yīng)曲線

2.3 蘇02井

蘇02井位于郯廬斷裂帶東側(cè)15 km處，地下水類型為巖溶裂隙承壓水，井深934 m，套管141 m。該井水位響應(yīng)類型為振蕩型（見圖5），震前蘇02井水位變化平穩(wěn)，02：09（瑪多7.4級震后5 min）水位出現(xiàn)振蕩變化，記錄水位振蕩初動(dòng)上升，最大振幅為102 mm，水位振蕩49 min，02：58水位振蕩逐漸結(jié)束，該井水位振蕩幅度是蘇北地區(qū)變化幅度最大一口井。

圖5 蘇02井水位同震響應(yīng)曲線

2.4 蘇03井

蘇03井位于近南北向郯廬斷裂帶西側(cè)約15 km處，北西向廢黃河斷裂南側(cè)交匯處附近，地理位置位于廢黃河沖擊平原。該井水位響應(yīng)類型為振蕩型（見圖6），地下水類型為巖溶裂隙承壓水，井深449 m，套管深度95 m。震前蘇03井水位變化平穩(wěn)，02：11（瑪多7.4級震后7 min）水位出現(xiàn)振蕩變化，記錄水位初動(dòng)下降，最大振幅46 mm，該井水位振蕩時(shí)間持續(xù)103 min，是27口觀測井中水位振蕩持續(xù)時(shí)間最長的一口井，同時(shí)也是唯一出現(xiàn)兩次較大振幅的一口井，03：54水位振蕩逐漸結(jié)束。

圖6 蘇03井水位同震響應(yīng)曲線

2.5 蘇20井

蘇20井位于EW向蘇州—湖州斷裂附近，該斷裂屬于正斷層性質(zhì)，與EW向蘇州—無錫斷裂聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，中新生代斷陷盆地內(nèi)沉積厚度大于2000 m，地下水類型為斷層裂隙水，井深368 m，套管深度202 m。該井水位觀測曲線正常（見圖7），未出現(xiàn)同震響應(yīng)。

圖7 蘇20井水位同震響應(yīng)曲線

3 江蘇各流體井響應(yīng)特征差異原因分析

3.1 同震響應(yīng)區(qū)域差異

據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在本次瑪多7.4級地震中，江蘇27口觀測井中有10口觀測井水位未出現(xiàn)同震響應(yīng)（見圖2），占總數(shù)的37%。根據(jù)圖1和表1可知，該10口觀測井并非震中距最遠(yuǎn)的觀測井。研究表明對于同一口觀測井，一定時(shí)期之內(nèi)震級與震中距是影響水位同震響應(yīng)是否出現(xiàn)以及同震響應(yīng)幅度大小的主要原因，但對于不同觀測井，震級與震中距往往不是主要影響因素，井孔所在位置的構(gòu)造環(huán)境、水文地質(zhì)條件和成井工藝水平均有影響，同時(shí)斷裂帶上或附近的井含水層系統(tǒng)對地震波或同震破裂應(yīng)力加載更為敏感。分析本次10口觀測井分布可以發(fā)現(xiàn)，與其它17口觀測井出現(xiàn)水位同震響應(yīng)的觀測井相比，該10口井周邊大部分沒有豐富斷裂帶分布。例如蘇南東部地區(qū)斷裂帶較少，該地區(qū)6口井均未出現(xiàn)同震響應(yīng)，而出現(xiàn)同震響應(yīng)的17口觀測井或處于斷裂帶上或周邊有著豐富斷裂帶分布。這說明處于斷裂帶上或者附近有豐富斷裂帶分布的井含水層系統(tǒng)相較遠(yuǎn)離斷裂帶的井含水層系統(tǒng)對應(yīng)力變化更敏感，斷裂帶對觀測井水位同震響應(yīng)有較大影響作用。分析認(rèn)為在受到應(yīng)力應(yīng)變作用時(shí)，位于斷裂帶上或附近的井含水層系統(tǒng)，其水位更易發(fā)生變化、斷裂帶內(nèi)的流體更活躍，更易出現(xiàn)同震響應(yīng)現(xiàn)象。

3.2 同震響應(yīng)形態(tài)差異

本次瑪多7.4級地震，江蘇井網(wǎng)出現(xiàn)同震響應(yīng)的17口觀測井，水位形態(tài)主要包括振蕩型和階躍型。例如蘇02井和蘇03井出現(xiàn)振蕩型同震響應(yīng)，蘇22井出現(xiàn)階躍上升型同震響應(yīng)，灌云臺(tái)井出現(xiàn)階躍下降型同震響應(yīng)。筆者未發(fā)現(xiàn)觀測井地下水類型、觀測井深度、觀測層巖性和震中距與同震響應(yīng)形態(tài)之間存在必然聯(lián)系。地震發(fā)生后，地震波傳播至井孔含水層和周邊巖體，在一定能量范圍內(nèi)，含水層巖體發(fā)生彈性壓縮與膨脹交替變形，使含水層內(nèi)孔隙壓力出現(xiàn)增大與減小交替變化，表現(xiàn)為井內(nèi)水位的交替升降變化，其中以可同時(shí)引起膨脹和垂直運(yùn)動(dòng)的瑞雷波造成的井水位波動(dòng)最大（Brodsky et al，2003）。當(dāng)?shù)卣鸩芰砍^一定標(biāo)準(zhǔn)或者一些井的構(gòu)造環(huán)境和周邊巖體較為敏感，能量積累程度超過巖體彈性變化臨界點(diǎn)，含水層巖體不再出現(xiàn)彈性壓縮與膨脹，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生塑性變化，含水層滲透率發(fā)生改變，井水流量發(fā)生階躍改變，因此出現(xiàn)階躍型同震響應(yīng)形態(tài)（孫小龍等，2007）。

3.3 同震響應(yīng)時(shí)間差異

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)可知，江蘇各流體井水位對青?，敹?.4級同震響應(yīng)時(shí)間有很大差異。同震響應(yīng)較快的井集中出現(xiàn)在蘇北地區(qū)，其中徐州蘇02井在震后5 min出現(xiàn)響應(yīng)，是所有井中最快出現(xiàn)響應(yīng)的。在出現(xiàn)同震響應(yīng)的17口井中，最慢出現(xiàn)響應(yīng)的是丹徒蘇18井和灌云臺(tái)井，地震發(fā)生11 min后水位才出現(xiàn)振蕩變化。同震響應(yīng)時(shí)間快與慢相差6 min左右。目前水位觀測普遍使用采樣率1次/min的數(shù)字化記錄儀，因此兩口井響應(yīng)時(shí)間可能因?yàn)椴蓸勇室鹱畲? min誤差。即使如此，仍無法解釋部分相鄰井出現(xiàn)的響應(yīng)時(shí)間差異。例如蘇23井是所有觀測井中震中距最近的井，但響應(yīng)時(shí)間比震中距更遠(yuǎn)的蘇02井慢3 min，這是采樣率記錄誤差無法解釋的。分析后可知目前水位觀測儀不像地震計(jì)采用GPS衛(wèi)星對時(shí)，而是每周進(jìn)行一次人工授時(shí)，人工授時(shí)精度較低，同時(shí)每周一次的授時(shí)頻率會(huì)造成各個(gè)觀測井水位儀器的時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生較大誤差。因此部分井地震響應(yīng)時(shí)間異常是人工授時(shí)引起的時(shí)間誤差以及儀器較低采樣率造成的誤差共同影響的結(jié)果。

3.4 同震響應(yīng)幅度差異

青?，敹?.4級地震后，江蘇各觀測井水位同震響應(yīng)振蕩幅度差別也較大，蘇22井水位振蕩幅度最大，達(dá)143 mm；鹽城臺(tái)井最小，只有5 mm。分析發(fā)現(xiàn)井孔水位振蕩幅度亦不隨震中距增大而單純衰減。茅山斷裂帶周邊蘇22井與溧陽臺(tái)井震中距并非最小，但兩口井水位振蕩幅度是27口井中較大的。據(jù)表1可知，溧陽臺(tái)井和上興井含水層巖性均為砂巖，且兩口井均位于茅山斷裂帶附近，兩口井距離6.5 km，但兩口井水位最大振蕩幅度卻相差較大，溧陽臺(tái)井水位最大振蕩幅度比上興井大110 mm?？梢娺€有其他因素影響水位同震響應(yīng)幅度。張昭棟等（2000）專家利用彈性理論和滲流理論，對水井進(jìn)行SLUG實(shí)驗(yàn)，得到井水位振蕩曲線，認(rèn)為觀測井含水層對地震波的響應(yīng)主要與其固有振動(dòng)周期和觀測井含水層振動(dòng)阻尼系數(shù)有關(guān)。井含水層主要對周期20 s瑞利波產(chǎn)生較好的響應(yīng)，因此井含水層系統(tǒng)的固有振動(dòng)周期越接近20 s，對地震波響應(yīng)越好，水位振蕩幅度越大。另外井含水層系統(tǒng)的振動(dòng)阻尼系數(shù)越小，振動(dòng)響應(yīng)越好，水位振蕩幅度越好。井孔基本參數(shù)包括井深、井徑、套管深度等和井孔周邊構(gòu)造環(huán)境，水文地質(zhì)條件均對井含水層系統(tǒng)的固有振動(dòng)周期和阻尼系數(shù)產(chǎn)生影響。因此水位同震響應(yīng)振蕩幅度不是單一因素的線性變化，而是多因素共同影響的復(fù)雜變化結(jié)果。同時(shí)發(fā)現(xiàn)同一口觀測井同震響應(yīng)時(shí)上下振幅大部分情況下也不是大小對應(yīng)，分析原因仍然與儀器較低采樣率有一定關(guān)系，1 min一個(gè)數(shù)值的采集頻率無法詳細(xì)反映水位振動(dòng)。

4 結(jié)論

（1）江蘇流體井網(wǎng)27口井中，17口觀測井水位對青海瑪多7.4級地震出現(xiàn)同震響應(yīng)，測項(xiàng)響應(yīng)比達(dá)63%，表明江蘇地下流體觀測網(wǎng)大多數(shù)井孔水位對遠(yuǎn)強(qiáng)震高頻成分有較好響應(yīng)能力。（2）江蘇流體井對青?，敹?.4級地震同震響應(yīng)形態(tài)主要分為兩類：振蕩型（把脈沖型歸于此類）和階躍型（階躍上升型和階躍下降型）。而造成響應(yīng)形態(tài)差異的原因是井孔含水層系統(tǒng)和周邊巖體性質(zhì)所影響的。在一定能量范圍內(nèi)，含水層巖體發(fā)生彈性壓縮與膨脹交替變形，出現(xiàn)振蕩型形態(tài)；超出一定能量范圍，巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)將發(fā)生塑性變化，出現(xiàn)階躍型形態(tài)。（3）江蘇各觀測井水位對青?，敹?.4級地震響應(yīng)幅度并不是單純地隨震中距的增大而減小，首先與井孔位置是否位于斷裂帶上或者斷裂帶附近有關(guān)，其次與井含水層系統(tǒng)的固有振動(dòng)周期和振動(dòng)阻尼系數(shù)有關(guān)。（4）江蘇各流體井同震響應(yīng)時(shí)間差異的原因是由人工授時(shí)引起的儀器記錄時(shí)間誤差以及儀器較低采樣率造成的誤差共同影響的結(jié)果。（5）10口觀測井未出現(xiàn)同震響應(yīng)的井并非震中距最遠(yuǎn)的井，主要原因是這10口井大部分井孔位置不位于斷裂帶上或者斷裂帶附近。（6）同一口觀測井同震響應(yīng)時(shí)上下振幅大部分情況下也不是大小對應(yīng)，分析原因與儀器較低采樣率有一定關(guān)系。