李圣,張立,卿元華,楊玲英,張光順,羅嘉錚
(1.云南省地震局,云南 昆明 650224;2.成都理工大學能源學院,四川 成都 610059;3.成都師范學院史地與旅游學院,四川 成都 611130)
所謂的水位同震響應是指地震波作用引起的井水位振蕩或階變現(xiàn)象[1]。從上世紀七十年代北京洼里井水位記錄到地震同震響應以來,水位同震響應就一直備受關(guān)注,國內(nèi)外不同學者開展了一系列的相關(guān)研究[2-3]。水位觀測的井—含水系統(tǒng)對地震波有天然的放大效能,具有靈敏的記震能力[4],尤其一些好的水井能夠毫無遺漏的記錄到全球發(fā)生7級以上的大地震[5]。本文對前人研究進行整理、歸納,總結(jié)出水位同震響應研究主要在以下幾個方面:
第一,同震響應機制方面。學者普遍認為井—含水系統(tǒng)的導水能力是解釋同震響應能力的主要因素[6-7]。其中導水能力和巖石滲透性有關(guān),滲透率和含水層巖性、地震波有關(guān)。已有研究發(fā)現(xiàn)喀斯特地貌發(fā)育的碳酸鹽巖滲透率大于砂巖,而砂巖滲透性大于巖漿巖[2];除此之外地震波的動態(tài)應力也能打破井—含水系統(tǒng)原有的水位動態(tài)平衡,導致含水層孔隙壓力與層間連通性和滲透性的改變,引起水位的變化[8]。第二,同震響應方式方面。有學者認為單井的同震響應模式是固定不變的,其模式和震源機制、震中方位等因素不大[8]。但有學者研究發(fā)現(xiàn)單井的響應方式具有多樣性,且認為這樣的多樣性和水井所在地區(qū)的局部應力狀態(tài)有關(guān)[9]。第三,同震響應形態(tài)方面。有研究發(fā)現(xiàn)同震響應形態(tài)主要為震蕩型和階變型,其中震蕩型主要為遠距離大地震或特大地震,震蕩—階變復合型為遠震或近震,階變型為地方震及近地震[10]。除以上三點之外,還發(fā)現(xiàn)水位記錄地震波的響應能力和方位有一定程度上的關(guān)聯(lián),主要表現(xiàn)為對東部、南部的洋殼地震記錄較好,而對西部、北部的陸殼地震較差[5]。目前關(guān)于昆明臺黑龍?zhí)毒?以下簡稱昆明井)的同震響應研究很少,本文采用一井對多震的方式,以昆明井同震響應為研究對象,探討昆明井水位的記震能力,分析昆明井的同震響應特征。
昆明基準地震臺地處昆明市北部13 km,所在地區(qū)構(gòu)造發(fā)育,尤以斷層為主。臺站的東西兩端有近南北向斷層不連續(xù)分布,臺站后山有近東西向斷層分布,連續(xù)出露約62 m。臺站后山斷層為右旋走滑斷層,兩側(cè)巖石破裂寬度約15 m,北盤為灰?guī)r,走向北250東,傾向南東,傾角350°;南盤為玄武巖,斷層走向近東西,傾向北。昆明井位于昆明基準地震臺西側(cè)100 m,黑龍?zhí)侗眰?cè)沖溝東部,高程1 975 m,滇東斷裂系南北向黑龍?zhí)丁俣蓴嗔褞?。該井?80.02 m,其中0~199 m孔段進行永久性井壁保護,井內(nèi)59 m處作永久性止水,199~249 m為濾水管,249~280.2 m以下為裸孔。該井2006年后用于流體觀測,地下水為巖溶裂隙承壓水,隔水層為二疊系玄武巖,觀測含水層為二疊系茅口組、棲覆組白云質(zhì)灰?guī)r。
通過對昆明井水位自2014~2020年的水位觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整理及曲線形態(tài)歸類,發(fā)現(xiàn)昆明井水位對7年中的16次地震有同震響應,同震響應地震的震級、井震距、響應幅度及其同震響應形態(tài)見表1。
表1 2008~2020年昆明黑龍?zhí)毒煌痦憫?/p>
按昆明臺周邊3 000 km范圍內(nèi)6級以上地震,全球 7 級以上大震進行梳理,統(tǒng)計出6.0~6.9級地震83次,7.0~7.9級地震123次,8.0~8.9級地震3次,共209次地震。根據(jù)此數(shù)據(jù)進行同震響應比統(tǒng)計,結(jié)果顯示昆明井水位整體同震響應比為7.65 %。其中6.0~6.9級地震同震響應比為2.4 %,最大井震距2 438 km;7.0~7.9級地震同震響應比為10 %,最大井震距19 510 km;8.0~8.9級地震同震響應比為67 %,最大井震距10 404 km。
由此推測昆明井水位對7級以下地震的同震響應范圍小于2 500 km,對7級以上地震的同震響應不大于20 000 km,但由于7.0 級以下地震同震響應事件較少,推測結(jié)果可能存在偏差。從表1中可看出,昆明井對7級以上地震的同震響應較多,并呈現(xiàn)典型的振蕩形態(tài)。如2016年馬里亞納群島7.6級地震,井震距19 510 km;2018年斐濟群島8.1級地震,井震距9 819 km;2019年新不列顛島7.6級地震,井震距6 279 km。由此可見,隨著震級的增大,發(fā)生同震響應地震的井震距便不呈現(xiàn)單一的遞增。據(jù)此對具有同震響應的地震作震級與井震距之間的相關(guān)性研究,最終發(fā)現(xiàn)震級與井震距之間存在一種耦合關(guān)系(圖1),即在井震距小于10 000 km時,震級與井震距存在良好的正相關(guān)性;而在井震距大于10 000 km時,震級與井震距存在負相關(guān)性。表明昆明井水位同震響應能力與震級、井震距有關(guān),地震波起到了主控作用。
通過繪制水位原始形態(tài)來確定其形態(tài)類型,結(jié)果顯示昆明井水位同震響應形態(tài)都為震蕩型(圖2)。如上所述震蕩型形態(tài)主要為遠地震的同震響應[11]。本次在水位原始形態(tài)的基礎(chǔ)上結(jié)合井震距來分析,發(fā)現(xiàn)昆明井對多數(shù)地震的水位同震響應符合前人研究。比如2015年12月7日塔吉克斯坦發(fā)生的7.4級地震,井震距為3 194 km,為遠震;2020年7月22美國阿拉斯加州以南海域發(fā)生的7.8級地震,井震距為8 270 km,為遠震,曲線形態(tài)都為震蕩型。
圖1 昆明井水位震級與井震距相關(guān)性 圖2 昆明井水位同震響應
已有研究表明同震響應幅度與震級、井震距有關(guān)[12]。對昆明井響應幅度進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)幅度變化介于0.6~2.7 cm之間,范圍多處于0.6~1.5 cm之間。響應幅度大于1.5 cm的分別為1.8 cm、2.0 cm、2.1 cm、2.2 cm、2.7 cm,所對應的震級分別Ms7.6、Ms7.6、Ms7.4、Ms6.6、Ms8.1,所對應的井震距分別為6 279 km、19 510 km、5 974 km、946 km、9 819 km。其中震級同為Ms7.6的地震有兩次,井震距大的地震反而響應幅度較高,由此表明昆明井同震響應幅度便不完全受控于震級、井震距。該種現(xiàn)象的發(fā)生與前人研究觀點所不同,推測其與井—含水系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件、區(qū)域應力變化有關(guān)。
昆明井對各地震響應持續(xù)時間不同,持續(xù)時間介于9~89 min之間,小于60 min的地震有13次,大于60 min的地震有3次。從擬合關(guān)系圖3和圖4可知,持續(xù)時間與井震距相關(guān)系數(shù)R為0.37,斜率為28.129,在井震距10 000 km之內(nèi)相關(guān)性更好。與震級相關(guān)系數(shù)R為0.38,斜率小于1,只在震級大于7.4級時表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。同樣表明昆明井水位同震響應受井震距與震級的雙重控制。
圖3 昆明井水位持續(xù)時間與井震距相關(guān)性 圖4 昆明井水位持續(xù)時間與震級相關(guān)性
對各地震的響應時間進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)其響應時間對于地震時間都較晚,即都有滯后性。數(shù)據(jù)表明同震響應滯后時間介于1~50 min之間,1~10 min之間共有3次地震,10~20 min共有7次地震,20~30 min共有5次地震,大于30 min只有1次地震。其中響應最快的為2015年12月7日的塔吉克斯坦Ms7.6地震和2016年8月24日的緬甸Ms7.6地震,滯后時間為1 min。滯后時間最長的為2019年5月26日秘魯北部Ms7.8地震,滯后時間為50 min。之所以時間不同的緣故是因為前者的井震距較近,而后者較遠。根據(jù)震級、井震距與滯后時間關(guān)系擬合圖(圖5、6),獲得與震級的擬合曲線,相關(guān)系數(shù)R約為0.64,斜率約為0.02,與井震距的擬合曲線相關(guān)系數(shù)R約為0.71,斜率為296,可以推測在水位同震響應過程中地震波起到了主要作用。并且當井震距小于10 000 km,震級大于Ms7.4時,昆明井擬合性曲線的相關(guān)性最好,說明此范圍昆明井的同震響應更規(guī)律,效果也更好。
圖5 昆明井水位滯后時間與震級相關(guān)性 圖6 昆明井水位滯后時間與井震距相關(guān)性
昆明井水位同震響應過程地震波起了主要作用。同震響應形態(tài)為震蕩型,響應能力受震級和井震距的雙重控制,具體表現(xiàn)為對井震距小于10 000 km,震級大于7.4的地震具有較強的記震能力。但同震響應振幅便不完全受井震距、震級的控制,推測和井—含水系統(tǒng)以及區(qū)域應力變化有關(guān)。