山東南麻井水位和水溫對(duì)大震的同震響應(yīng)特征及機(jī)理淺析

陳 童，周慧芳

(山東省淄博市應(yīng)急救援指揮保障服務(wù)中心，山東 淄博 255000)

一次大地震發(fā)生后，其產(chǎn)生的地震作用力可以在瞬間改變地殼介質(zhì)的狀態(tài)，地下水作為地殼中最活躍的介質(zhì)，可以響應(yīng)由于地震波傳播而造成觀測(cè)井的水位、水溫同震效應(yīng)。井水位和水溫同震效應(yīng)是揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程響應(yīng)的有效觀測(cè)手段，能夠有效反映出地殼動(dòng)力作用下地下介質(zhì)應(yīng)變和孔隙壓的變化特征(張彬等，2015)。因此，研究地震引起的井水位水震波響應(yīng)特征對(duì)了解研究區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力釋放情況和研究區(qū)域未來(lái)地震危險(xiǎn)性具有十分重要的意義(向陽(yáng)等，2017)。

1 南麻觀測(cè)井概況

山東沂源南麻井是山東省地震局“十一五”防震減災(zāi)規(guī)劃項(xiàng)目中首個(gè)專門用于地震前兆異常觀測(cè)而鉆探的地下流體觀測(cè)井。該井位于山東淄博市沂源縣澇坡河村北，構(gòu)造上處于南麻悅莊斷陷盆地中南部，上五井?dāng)嗔选试磾嗔焉媳P斷裂帶東5500 m(見(jiàn)圖1)。于2009年12月20日完成鉆探，井口標(biāo)高290 m，完鉆深度為201 m，其中：0～30 m深安裝直徑219 mm螺旋套管，31～201 m深安裝直徑140 mm的PVC套管。其主要含水層為139～151 m的紅色灰?guī)r質(zhì)礫巖，該部位巖溶裂隙發(fā)育，最大溶洞的口徑大于0.5 m，屬于巖溶裂隙水。

圖1 南麻井位置示意圖

南麻井于2010年9月2日建成投入觀測(cè)，觀測(cè)項(xiàng)目有氣壓、水位和水溫測(cè)項(xiàng)，觀測(cè)儀器為ZKGD2000數(shù)字水位/水溫觀測(cè)儀，“十二五”期間又將觀測(cè)設(shè)備升級(jí)改造為ZKGD3000數(shù)字水位/水溫觀測(cè)儀。儀器升級(jí)改造后，水位觀測(cè)分辨率達(dá)到0.1 mm，水溫觀測(cè)精度達(dá)到0.0001 ℃。觀測(cè)井周圍500 m內(nèi)無(wú)其他深井或河流干擾；井水位受季節(jié)性降雨影響，總體水位呈現(xiàn)出夏高冬低的變化趨勢(shì)，大量的降雨過(guò)后，水位會(huì)表現(xiàn)出一定程度的上升，且存在1～2天的延時(shí)現(xiàn)象；水溫總體變化較為平穩(wěn)。自投入觀測(cè)以來(lái)，該井資料完整，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，為進(jìn)一步分析區(qū)域地下流體變化提供了良好的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 南麻井水位和水溫同震響應(yīng)特征分析

2.1 總體概況

2011年以前，由于南麻井水位、水溫?cái)?shù)據(jù)采樣率較低，為simple/10 min，2011年進(jìn)行了設(shè)備升級(jí)改造，之后采樣率大大提升，達(dá)到simple/1 min，故本研究選取了2011年1月至2019年12月作為研究時(shí)間段。根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心地震速報(bào)目錄資料，對(duì)2011年1月至2019年12月期間全球8.0級(jí)以上、全國(guó)6.5級(jí)以上地震的同震響應(yīng)特征進(jìn)行了分析研究。本研究的地震同震響應(yīng)記錄情況見(jiàn)表1。

表1 全球6.5級(jí)以上地震同震響應(yīng)記錄情況(2011-2019年)

由表1可以看出，2011年1月至2019年12月期間共發(fā)生6.5級(jí)以上地震32次，除2013年10月31日吉林松原6.7級(jí)地震和2014年2月12日新疆于田7.3級(jí)地震期間南麻觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)缺失外，其余地震期間南麻井同震響應(yīng)程度都比較高，其中水位響應(yīng)25次，響應(yīng)形態(tài)均為振蕩，響應(yīng)率約為86.2%；水溫響應(yīng)14次，響應(yīng)形態(tài)以階變上升為主(簡(jiǎn)稱：階升)，響應(yīng)率約為48.2%。可看出，南麻井水位的同震響應(yīng)能力要明顯優(yōu)于水溫。

2.2 典型震例分析

本文從研究時(shí)間段的32次地震中選取了6個(gè)具有代表性的典型震例進(jìn)行分析研究(表2)。

表2 6個(gè)典型震例中南麻井水位、水溫同震響應(yīng)情況

2.2.1 日本本州海域9.0級(jí)地震同震響應(yīng)特征

2011年3月11日在日本本州東海岸附近海域發(fā)生9.0級(jí)特大地震，該地震震中距離南麻井 2 159 km。地震發(fā)生后南麻井水位出現(xiàn)劇烈振蕩，記錄到水震波，水位最大雙振幅達(dá)到 2 080 mm，水震波振蕩的持續(xù)時(shí)間約為215 min(見(jiàn)圖2)。南麻井水溫也出現(xiàn)了明顯的階升，上升幅度達(dá)0.15 ℃，此次地震對(duì)南麻井水溫的影響一直持續(xù)到2011年8月，這是南麻井自投測(cè)以來(lái)同震響應(yīng)幅度最大的一次(見(jiàn)圖2)。

圖2 日本9.0級(jí)地震后南麻井水位、水溫同震響應(yīng)曲線

2.2.2 蘇門答臘海域8.6級(jí)和8.2級(jí)地震同震響應(yīng)特征

2012年4月11日在蘇門答臘海域先后發(fā)生8.6級(jí)、8.2級(jí)地震，這兩次地震震中距離南麻井分別為 4 566 km、4 749 km。震前南麻井水位、水溫均波動(dòng)正常，蘇門答臘海域8.6級(jí)地震發(fā)生后井水位于4分鐘后出現(xiàn)水震波，最大雙振幅達(dá)到664 mm，振蕩持續(xù)一段時(shí)間后開始逐漸減弱。隨后該地區(qū)再次發(fā)生8.2級(jí)地震，井水位再次大幅度振蕩，直至68 min后恢復(fù)至震前水平(見(jiàn)圖3)。井水溫則在蘇門答臘海域8.6級(jí)地震發(fā)生后先出現(xiàn)了小幅度的階降，隨后又出現(xiàn)明顯階升，在井水溫上升過(guò)程中，該海域再次發(fā)生8.2級(jí)地震，水溫隨即繼續(xù)上升，整個(gè)上升幅度達(dá)到0.104 ℃，直至397 min后才逐漸恢復(fù)至震前水平(見(jiàn)圖3)。這兩次地震到南麻井的震中距雖然相差不大，但由于前后兩次地震震級(jí)不同，井水位振蕩的幅度差別也較大，最大振幅相差達(dá)到3倍，水體振蕩的持續(xù)時(shí)間也隨振幅的減小而縮短。

圖3 蘇門答臘海域8.6級(jí)、8.2級(jí)地震后南麻井水位、水溫同震響應(yīng)曲線

2.2.3 尼泊爾8.1級(jí)地震、墨西哥8.2級(jí)地震同震響應(yīng)特征

2015年4月25日、2017年9月8日分別在尼泊爾和墨西哥發(fā)生8.1級(jí)、8.2級(jí)地震，震中距離南麻井分別為 3 256 km、13 394 km。這兩次地震發(fā)生后，南麻井水位、水溫均記錄到清晰的地震同震響應(yīng)。雖然這兩次地震震級(jí)相差不大，但由于震中距相差較大，水震波振蕩幅度以及水溫的變化幅度也有較大差別。南麻井水位在兩次地震發(fā)生后均出現(xiàn)振蕩，水震波最大振幅分別為306 mm和268 mm；水溫則均出現(xiàn)了階升響應(yīng)，最大升幅分別為0.07 ℃和0.046 ℃(見(jiàn)圖4和圖5)。呈現(xiàn)出震中距越小，水位、水溫的響應(yīng)幅度越大的特征。

圖4 尼泊爾8.1級(jí)地震后南麻井水位、水溫同震響應(yīng)曲線

圖5 墨西哥8.2級(jí)地震后南麻井水位、水溫同震響應(yīng)曲線

2.2.4 四川蘆山7.0級(jí)、東海海域7.2級(jí)同震響應(yīng)特征

2013年4月20日四川蘆山7.0級(jí)地震和2015年11月14日東海海域7.2級(jí)地震發(fā)生后，南麻井水位均出現(xiàn)不同程度的振蕩(見(jiàn)圖6和圖7)，水溫均出現(xiàn)階升同震響應(yīng)。東海海域7.2級(jí)地震震中距離淄博井網(wǎng)約 1 200 km，是近年來(lái)距離淄博地區(qū)最近的7.0級(jí)以上地震，井水位、水溫同震響應(yīng)幅度相對(duì)較大，振蕩時(shí)間持續(xù)也較長(zhǎng)。

圖6 四川蘆山7.0級(jí)地震后南麻井水位、水溫同震響應(yīng)曲線

圖7 東海海域7.2級(jí)地震后南麻井水位、水溫同震響應(yīng)曲線

3 響應(yīng)機(jī)理分析

本文在對(duì)南麻井水位、水溫的同震響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，南麻井水位的同震響應(yīng)形態(tài)均為振蕩型，水溫則以階升為主，個(gè)別地震的水溫的同震響應(yīng)在階升前伴隨有小幅度的階變下降。目前，水溫同震響應(yīng)機(jī)理研究有多種不同的觀點(diǎn)，但這些觀點(diǎn)大都是針對(duì)水位振蕩—水溫階變下降現(xiàn)象提出的，而對(duì)震后水位振蕩—水溫階升響應(yīng)機(jī)理的研究則較少。在前人觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，筆者綜合分析認(rèn)為引起南麻井水位振蕩—水溫階變上升的響應(yīng)機(jī)理為：地震發(fā)生后，一方面地震波的張、壓應(yīng)力反復(fù)作用于含水層系統(tǒng)，造成含水層中的地下水與井筒內(nèi)的地下水發(fā)生流動(dòng)，從而造成井筒內(nèi)的地下水呈現(xiàn)出周期性上下波動(dòng)的現(xiàn)象，在地下水上、下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中水體與井壁及水溫的傳感器發(fā)生摩擦，從而引起水溫的上升；另一方面，地震波使得含水層內(nèi)的介質(zhì)發(fā)生形變，進(jìn)而造成含水層局部裂隙的串通，地下水通過(guò)裂隙發(fā)生垂直滲流，使承壓含水層下部熱水上升，從而引起溫度的上升(馬玉川等，2010；車用太等，2008；孫小龍等，2008)。

4 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和探討

從上述典型震例分析可以看出，南麻井水位和水溫觀測(cè)對(duì)大震的同震響應(yīng)特征：

1)在震中距基本相同的情況下，震級(jí)越大，井水位、水溫的同震響應(yīng)幅度越大；而在震級(jí)基本相同的情況下，震中距越小，井水位、水溫的同震響應(yīng)幅度則越大。

2)對(duì)南麻井水位的同震響應(yīng)幅度和振蕩持續(xù)時(shí)間進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，兩者存在以下統(tǒng)計(jì)關(guān)系為y=0.0809x+48.256，即水位響應(yīng)幅度x與振蕩持續(xù)時(shí)間y呈線性關(guān)系，且振蕩持續(xù)時(shí)間隨響應(yīng)幅度的增加而增加(見(jiàn)圖8)。

圖8 水位響應(yīng)幅度、振蕩持續(xù)時(shí)間關(guān)系擬合直線

3)以往的研究結(jié)果表明，灰?guī)r的同震響應(yīng)能力較強(qiáng)，砂巖、礫巖的同震響應(yīng)能力較弱。而南麻井卻多次記錄到國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)場(chǎng)大震，其同震響應(yīng)程度較高。分析原因主要為：南麻井的含水層雖為礫巖，但由于其礫石的組成成分主要為灰?guī)r，少部分泥巖，且該區(qū)域最大溶洞的口徑大于0.5 m，裂隙發(fā)育，連通性好，富水性強(qiáng)，導(dǎo)水好，像一個(gè)巨大的連通管，含水層受到擠壓和拉張容易引起其容積的較大變化，通過(guò)截面積較小的井孔反映出來(lái)，即水位的大幅度升降(耿杰等，2008)。

4)在有同震響應(yīng)的測(cè)項(xiàng)中，南麻井水位的同震響應(yīng)能力要明顯優(yōu)于水溫。具體表現(xiàn)為：水溫出現(xiàn)同震響應(yīng)的震例包含有清晰的水位同震響應(yīng)，而出現(xiàn)水位同震響應(yīng)的震例則并未全部包含有到水溫的同震響應(yīng)，也就是說(shuō)水位出現(xiàn)同震響應(yīng)是水溫同震響應(yīng)的必要條件，且水溫同震響應(yīng)均出現(xiàn)在水位響應(yīng)之后，一般滯后幾分鐘(楊竹轉(zhuǎn)，2012；王學(xué)聚等，2017)，這也從側(cè)面反映了水溫的變化應(yīng)該與水位的變化有關(guān)。

5)南麻井水位對(duì)于不同地震的響應(yīng)形態(tài)相同，均為振蕩型；而水溫對(duì)于不同地震的響應(yīng)形態(tài)則不完全相同，除蘇門答臘海域8.6級(jí)地震后出現(xiàn)小幅度的階變下降—大幅度階變上升外，其余的響應(yīng)形態(tài)均為階升。

6)南麻井出現(xiàn)水位振蕩—水溫階降的原因主要有兩個(gè)：一是井筒內(nèi)的地下水上、下波動(dòng)過(guò)程中與井壁及水溫的傳感器發(fā)生摩擦產(chǎn)生熱量；二是地震波造成含水層局部裂隙的串通，地下水通過(guò)裂隙發(fā)生垂直滲流，使承壓含水層下部熱水上升。