江蘇地下流體對(duì)青海瑪多M7.4地震的同震響應(yīng)分析＊

倪昊琦 張 朋 陳 浩 王 凱

（江蘇省地震局， 江蘇南京 210014）

0 引言

地下流體是一種非?；钴S的地下介質(zhì)，其分布十分廣泛，具有很好的流動(dòng)性且穩(wěn)定不易被壓縮[1]。當(dāng)井下的地下流體層處于一個(gè)穩(wěn)定承壓的狀態(tài)時(shí)，一旦地下構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生變化，它能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地作出反映[2]。受地震波的影響，地下應(yīng)力作用，地下流體中水位和水溫變化的影響最為直接。因此，地下流體觀測(cè)被認(rèn)為是最有效的中短臨預(yù)測(cè)手段之一[3]。前人通過(guò)對(duì)大震后的地下流體同震響應(yīng)變化做了大量分析，如對(duì)尼泊爾8.1級(jí)地震同震響應(yīng)的研究[4-6]，日本9.0級(jí)地震同震響應(yīng)及其機(jī)理的研究[7-9]，對(duì)水溫水位同震變化的相關(guān)性以及水溫水位同震響應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了探討，解釋了水位變化與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系，對(duì)影響水溫水位同震響應(yīng)的因素，也進(jìn)行了細(xì)致的討論。這些對(duì)區(qū)域內(nèi)的地下流體同震變化的特征研究和機(jī)理分析，有助于了解區(qū)域應(yīng)力變化情況以及地下含水層的結(jié)構(gòu)情況，對(duì)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造研究和地震短臨預(yù)測(cè)有重要意義。

2021年5月22日02時(shí)04分，青海省果洛州瑪多縣境內(nèi)（34.59°N，98.34°E）發(fā)生7.4級(jí)大地震。通過(guò)對(duì)江蘇地下流體井的數(shù)據(jù)查看分析，發(fā)現(xiàn)多地的水溫、水位測(cè)項(xiàng)在此次特大地震后，記錄到了較為明顯的同震變化現(xiàn)象，且變化情況存在差異。通過(guò)對(duì)江蘇地下流體水溫和水位的觀測(cè)資料進(jìn)行分析，初步分析差異原因以及機(jī)理探討，以便后續(xù)對(duì)江蘇省地下流體同震響應(yīng)有更進(jìn)一步的研究，對(duì)地下流體井優(yōu)劣的判斷和合理選址提供參考。

1 江蘇地下流體井網(wǎng)概況

江蘇地下流體觀測(cè)井共有27個(gè)（圖1），省內(nèi)各主要斷裂帶附近均有分布，觀測(cè)層巖性以砂巖為主，地下水類型主要為巖溶裂隙水和孔隙承壓水。經(jīng)過(guò)數(shù)字化改造以及各項(xiàng)抗干擾設(shè)施設(shè)備建設(shè)，監(jiān)測(cè)環(huán)境維護(hù)改造建設(shè)，目前江蘇地下流體井網(wǎng)的觀測(cè)條件、儀器設(shè)備運(yùn)行、數(shù)據(jù)產(chǎn)出質(zhì)量，均已滿足常態(tài)化地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的要求。流體井具體分布情況圖1中部分地圖數(shù)據(jù)來(lái)自何奕成等[10]。

圖1 江蘇主要地下流體井分布圖Fig.1 Distribution map of major underground fluid wells in Jiangsu Province

表1為江蘇地下流體井的基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)表（部分參數(shù)引自胡米東等[11]）。

表1 江蘇各流體井具體情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of specific information for each fluid well in Jiangsu

2 同震響應(yīng)變化情況

圖2為江蘇地下流體水溫同震響應(yīng)變化情況。圖3為水位同震響應(yīng)變化情況。表2為同震響應(yīng)變化情況統(tǒng)計(jì)。圖4、圖5分別為水溫、水位同震響應(yīng)形態(tài)分布圖。

表2 流體井同震響應(yīng)變化情況Table 2 Changes in co-seismic response of fluid wells

圖2 2021年5月19—25日江蘇地下流體水溫同震響應(yīng)曲線Fig.2 Co-seismic response curve of underground fluid water temperature in Jiangsu from May 19 to 25，2021

圖3 2021年5月21—23日江蘇地下流體水位同震響應(yīng)曲線Fig.3 Co-seismic response curve of underground fluid water level in Jiangsu from May 21 to 23，2021

圖4 水溫同震響應(yīng)形態(tài)分布圖Fig.4 Distribution map of water temperature co-seismic response

圖5 水位同震響應(yīng)形態(tài)分布圖Fig.5 Distribution map of water level co-seismic response

綜上可知，江蘇27個(gè)流體井能記錄到水位同震變化的有16個(gè)，占總體的59%，其中變化幅度最大的井為溧陽(yáng)蘇22井，達(dá)到0.248 m；水溫發(fā)生變化的流體井有5個(gè)，約占總體的19%，其中變化幅度最大的井為灌云臺(tái)井水溫3測(cè)項(xiàng)，達(dá)到0.043℃，主要變化類型為階變。從變化時(shí)間上來(lái)看，所有變化均為同震變化，未發(fā)現(xiàn)震前異常，變化類型主要有振蕩、階變和趨勢(shì)變化。從空間分布上來(lái)看，水溫、水位發(fā)生變化的井主要分布在郯廬斷裂帶和茅山斷裂帶附近。

一般認(rèn)為，地下流體井的水溫水位變化幅度與震級(jí)和震中距有關(guān)，同震變化效果主要看觀測(cè)層的含水層情況、傳感器所在位置以及井孔承壓性、密閉性等情況綜合分析[12]。

震中距的影響在此次青海地震中并不明顯。從水溫測(cè)項(xiàng)看，豐縣蘇23井無(wú)變化，丹徒蘇18井發(fā)生了階降，而豐縣蘇23井的震中距遠(yuǎn)小于丹徒蘇18井。從水位測(cè)項(xiàng)看，溧陽(yáng)蘇22井變化幅度達(dá)到0.248 m，豐縣蘇23井變化幅度為0.045 m，溧陽(yáng)蘇22井震中距遠(yuǎn)大于豐縣蘇23井。

3 分析與討論

3.1 水位同震響應(yīng)分析討論

水位的同震響應(yīng)變化是由地震和地殼形變導(dǎo)致的地下含水層的形變、裂隙或孔隙增大等，從而引起的水位變化。主要形態(tài)為振蕩和階變。發(fā)生振蕩形態(tài)變化的流體井，在劇烈波動(dòng)之后水位能夠快速恢復(fù)平靜，并且恢復(fù)到原來(lái)的波動(dòng)狀態(tài)。這說(shuō)明這類井下的含水層有著良好的彈性，巖層的透水性也非常好。而發(fā)生階變形態(tài)變化的流體井，在地震波作用下，含水層發(fā)生了變化，裂隙產(chǎn)生、孔隙增大等，從而導(dǎo)致水位在發(fā)生階變后會(huì)持續(xù)一段時(shí)間才能恢復(fù)到原來(lái)的形態(tài)，有的變化甚至是不可逆的[6]。

井水位的階變，可能是大震之后區(qū)域應(yīng)力的調(diào)整，井水位的階變上升，說(shuō)明區(qū)域的應(yīng)力增強(qiáng)，反之則說(shuō)明區(qū)域應(yīng)力減弱。單個(gè)井孔發(fā)生階變并不能說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)發(fā)生了應(yīng)力調(diào)整，但如果該區(qū)域在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)生大震后，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力調(diào)整變化，且表現(xiàn)出一定的群集性和集中性[13]，那么該區(qū)域可能應(yīng)力相對(duì)集中，這對(duì)判斷未來(lái)該區(qū)域地震發(fā)生位置具有一定的指示意義。青?，敹嗟卣鸷?，茅山斷裂帶附近的5口井水位都發(fā)生了階升，同年12月22日21時(shí)46分常州天寧發(fā)生4.2級(jí)地震，之后5口井水位又發(fā)生了階降。這5口流體井的具體參數(shù)和變化情況如表3。天寧4.2級(jí)地震前后的井水位變化如圖6所示。

表3 流體井參數(shù)及地震前后變化情況Table 3 Fluid well parameters and changes before and after earthquakes

圖6 2021年12月20—30日常州天寧4.2級(jí)地震前后井水位變化Fig.6 Changes in well water levels before and after M4.2 Changzhou Tianning earthquake from December 20 to 30，2021

由流體井分布圖可知，這5口流體井都處于茅山斷裂帶附近，它們的觀測(cè)含水層的巖性、井孔情況和所處位置的構(gòu)造決定了它們對(duì)于含水層的變化是比較敏感的。尤其是當(dāng)出現(xiàn)區(qū)域性、集中性的異常，能夠一定程度上說(shuō)明該區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。據(jù)此我們可以認(rèn)為，青?，敹嗟卣鹨鹆嗣┥綌嗔褞Ц浇膮^(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)，使附近5口井水位發(fā)生同震響應(yīng)變化，井水位發(fā)生階升，而在常州天寧4.2級(jí)地震發(fā)生后，茅山斷裂帶附近的區(qū)域應(yīng)力得到了釋放，含水層壓力減小，所以井水位都發(fā)生了階降。

3.2 水溫同震響應(yīng)分析討論

水溫同震響應(yīng)的機(jī)理成因較為復(fù)雜，目前比較主流的3種觀點(diǎn)是：氣體逸出說(shuō)[14]、井內(nèi)水體熱彌散說(shuō)[15]和冷水下滲說(shuō)[16]。

（1） 氣體逸出說(shuō)：研究者發(fā)現(xiàn)，井水溫發(fā)生同震變化時(shí)，井水面伴有氣泡逸出，認(rèn)為是氣泡的逸出，帶走了井水的熱量，導(dǎo)致井水水溫下降。

（2） 熱彌散說(shuō)：石耀霖等[15]在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后提出了水溫的熱彌散模型，認(rèn)為水溫同震響應(yīng)是由于水分子的熱彌散效應(yīng)引起的。流體井在發(fā)生水位同震響應(yīng)后，水分子熱彌散系數(shù)增大，溫度較高的一些高分子動(dòng)能水分子彌散到冷的低分子動(dòng)能水中，同時(shí)溫度較低處一些低分子動(dòng)能水分子也會(huì)彌散到溫度較高處，從而造成水溫的變化。

（3） 冷水下滲說(shuō)：研究者認(rèn)為水位振蕩—水溫下降是由于井孔含水層周邊上部的地下水，由于振蕩加快了垂直向下運(yùn)動(dòng)的速率，低溫水快速混合到觀測(cè)井水中，引起了水溫的下降。

由此可見(jiàn)，對(duì)于水溫同震響應(yīng)的機(jī)理尚在討論階段，前人的各種機(jī)理解釋也都有一定的依據(jù)。對(duì)于江蘇地下流體水溫同震響應(yīng)的機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。水溫的同震響應(yīng)變化也不一定完全是水位變化造成的，也可能與地下水流速、井孔孔隙度、套管深度、探頭位置等有關(guān)，影響因素較為復(fù)雜[17]。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)青海瑪多地震后江蘇地下流體的同震響應(yīng)情況分析，總結(jié)如下：

（1）江蘇省地下流體井在青?，敹嗟卣鸷蟠蠖喑霈F(xiàn)了同震響應(yīng)，同震響應(yīng)井占比達(dá)到59%，說(shuō)明江蘇省大多數(shù)地下流體井的水位在此次地震中都有良好的響應(yīng)能力。其中，地下流體水位測(cè)項(xiàng)受影響最為明顯，有16個(gè)井的水位發(fā)生變化，水溫受影響則較弱，僅有5口井的水溫發(fā)生變化，說(shuō)明江蘇地區(qū)各測(cè)點(diǎn)對(duì)于此次地震，水位監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)于水溫監(jiān)測(cè)能力。

（2）青?，敹嗟卣鹨鸬慕K地下流體同震響應(yīng)中，震中距影響不明顯，水位和水溫變化幅度并沒(méi)有隨震中距的減小而增大。

（3）青?，敹嗟卣鹨鸬耐痦憫?yīng)分布，在空間上呈現(xiàn)出一定的特征，瑪多地震同震變化的井主要集中分布在郯廬斷裂帶和茅山斷裂帶附近。

（4）水位同震響應(yīng)和區(qū)域構(gòu)造、水文環(huán)境有著直接的聯(lián)系，含水層受擠壓則應(yīng)力增強(qiáng)，受拉伸則應(yīng)力減弱。因此，當(dāng)水位的變化呈現(xiàn)出區(qū)域性或者集中性時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，這對(duì)地震的短臨預(yù)測(cè)有一定的指示意義。青海瑪多7.4級(jí)地震中，5口井水位階升的井位于茅山斷裂帶附近，之后2021年12月22日發(fā)生了常州天寧4.2級(jí)地震。

（5）水溫的同震響應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，水體運(yùn)動(dòng)方式、水流速度、水溫探頭的位置及井孔溫度梯度等都有一定影響。青海瑪多地震后，江蘇部分地下流體井在水位變化的同時(shí)，水溫并未變化。因此，江蘇地下流體井水溫的機(jī)理研究還需要多方面和更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)才能夠確認(rèn)。