重慶榮昌井水溫同震-震后響應(yīng)特征及機理研究

鞏浩波 來貴娟 李翠平 李光科

1)重慶市地震局，重慶 401147 2)河北省地震動力學(xué)重點實驗室，河北三河 065201 3)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

地震可以引起井水溫的變化，井水溫的同震-震后響應(yīng)能夠揭示地殼介質(zhì)對應(yīng)力應(yīng)變過程的響應(yīng)。Shimamura等(1981)較早報道了對井水溫度震前異常和同震響應(yīng)的研究。在國內(nèi)，付子忠(1988)首次用儀器觀測到水溫同震變化現(xiàn)象。前人對1999年中國臺灣集集7.6級(Wang et al，2012)、2004年蘇門答臘8.5級(孫小龍等，2008a)、2008年汶川8.0級(楊竹轉(zhuǎn)等，2008；He et al，2020)、2011年日本9.0級(魚金子等，2012；馬玉川等，2014)、2013年蘆山7.0級(張彬等，2013；鞏浩波等，2015)、2015年尼泊爾8.1級(張彬等，2015)等地震的井水溫同震-震后響應(yīng)特征做了系統(tǒng)研究。陳大慶等(2007)對遠(yuǎn)場大震水溫同震響應(yīng)和機理進(jìn)行研究，提出同震水溫下降的氣體脫逸模式。

在單井多震的研究方面，如石耀霖等(2007)研究唐山井水溫的同震變化，使用有限單元法模型計算分析，認(rèn)為井水垂直振蕩時攪動井水引起的彌散效應(yīng)是造成同震水溫變化的主要原因。楊竹轉(zhuǎn)等(2007)、孫小龍等(2008b)研究北京塔院井水溫同震效應(yīng)，認(rèn)為井孔中的水體受振蕩激發(fā)而加速對流與摻混是導(dǎo)致水溫先下降的主要原因，水溫同震幅度與震級、井震距等有關(guān)。楊竹轉(zhuǎn)等(2018)研究麗江黨校井水溫同震變化特征，認(rèn)為該井水溫同震主要受水位泄流狀態(tài)和水位變化的影響。在單井多層水溫同震-震后響應(yīng)的研究方面，如張慧等(2013)研究了海口ZK26井三層水溫的同震和震后效應(yīng)，認(rèn)為觀測層位的水文地質(zhì)條件、背景噪聲等的不同有可能造成不同層位井水溫對遠(yuǎn)場大震的響應(yīng)不同，遠(yuǎn)場大震井水溫震后效應(yīng)是由地震波導(dǎo)致的井-含水層系統(tǒng)參數(shù)的改變引起的。董蕾等(2017)研究發(fā)現(xiàn)隨觀測深度的增加，榮昌華江井三層水溫同震響應(yīng)能力增強。He等(2017)研究了川03井三層水溫對2008年汶川8.0級和2011年日本9.0級地震的同震響應(yīng)，認(rèn)為水溫同震變化與區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化、含水層分布及特征密切相關(guān)，井孔中觀測到的不同層的水溫變化很可能受水平方向水流的控制。關(guān)于井水溫微動態(tài)的形成機制，前人提出由水流動產(chǎn)生的熱對流引起井水溫變化的水熱動力學(xué)機制和井區(qū)巖土中大地?zé)崃髯饔没驘醾鲗?dǎo)引起井水溫變化的地?zé)釀恿W(xué)機制，并指出多數(shù)井水溫同震響應(yīng)是水熱動力學(xué)機制引起的，震后效應(yīng)多是地?zé)釀恿W(xué)機制引起的(車用太等，2008、2014)，同時也開展了一些井水溫動態(tài)數(shù)值模擬方面的研究(楊竹轉(zhuǎn)，2011；顧申宜等，2013)。

重慶榮昌井水溫對中、遠(yuǎn)場大震和近場地震均響應(yīng)靈敏，積累了豐富的同震和震后觀測資料。本研究統(tǒng)計分析了榮昌井水溫對2008年1月—2021年9月全球MS≥7.0、川滇地區(qū)MS≥6.0、重慶及周邊地區(qū)20km范圍內(nèi)MS≥4.0共273次地震的同震-震后響應(yīng)動態(tài)特征，給出引起榮昌井水溫同震變化的地震波能量密度閾值，對井水溫同震優(yōu)勢方向成因及機理進(jìn)行深入研究，為井水溫動態(tài)的定量分析和機理解釋提供研究思路。

1 構(gòu)造背景與觀測井概況

榮昌井位于重慶市榮昌區(qū)安富鎮(zhèn)(29.373°N，105.459°E)，高程326m(圖1)。該井井深251m，其中0～5m深度段為套管，6～69m深度段設(shè)花管，70m深度以下為裸孔。井徑 240～110mm，井口套管直徑240mm。井孔位于三疊系上統(tǒng)須家河組下亞組(T3xjⅠ)，巖性主要為中粒長石英砂巖、泥頁巖及煤層。井孔地質(zhì)概況為：0～5.2m為第四系松散巖土層；5.2～37.2m為須家河組灰黑色頁巖、煤層，該層裂隙發(fā)育；37.2～61.1m為須家河組灰白色細(xì)砂巖，該層裂隙不發(fā)育；61.1～251.0m為須家河組中粒長石英砂巖，局部裂隙發(fā)育，巖層傾角45°，該層為主要觀測含水層(圖2)。

圖1 榮昌井區(qū)構(gòu)造地質(zhì)簡圖

圖2 榮昌井水溫梯度測試曲線和井孔柱狀圖

該井構(gòu)造上位于華鎣山基底斷裂帶西南側(cè)，距斷裂帶最近距離約1km。華鎣山斷裂位于中國西南地區(qū)，是一條右旋逆走滑型斷裂，該斷裂帶北起萬源，向南西經(jīng)達(dá)川、榮昌至宜賓西南，全長約600km，為川中臺拱與川東陷褶束2個三級構(gòu)造單元的邊界斷裂。斷裂走向 N45°E，斷面總體傾向SE，傾角30°～70°，在地表由規(guī)模不等的若干條斷層組成。斷裂帶上的地表斷裂有過多期活動，最新活動時代為距今(223.6±31.6)ka，歷史中強震活動集中于斷裂帶的西南段(楊蓉等，2010)。

榮昌井水溫自2008年1月正式觀測以來，呈升溫漂移型，2008年以來平均水溫為23.70℃，年均升溫約0.01℃，該井水溫在2008年汶川8.0級地震時有明顯的同震和震后效應(yīng)(圖3)。榮昌井觀測情況見表1。

圖3 榮昌井水溫日均值曲線(2008年1月—2021年9月)

表1 榮昌井地下流體觀測情況

2 水溫同震響應(yīng)特征分析

本文統(tǒng)計了2008年1月—2021年9月期間榮昌井水溫對全球MS≥7.0、川滇地區(qū)MS≥6.0、重慶及周邊地區(qū)MS≥4.0共273次地震的同震響應(yīng)，統(tǒng)計結(jié)果見表2。該井水溫的同震變化往往伴隨著水位的變化，水溫的同震響應(yīng)比(同震個數(shù)/地震個數(shù))要遠(yuǎn)低于同井水位，榮昌井水溫與水位同震響應(yīng)比為1︰5.7，且榮昌井水溫同震震級響應(yīng)范圍、震中距響應(yīng)范圍均小于同井水位，說明水溫的同震響應(yīng)能力弱于水位。

表2 榮昌井水溫、水位同震響應(yīng)特征參數(shù)統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，榮昌井水溫26次同震響應(yīng)方向始終為上升，井水溫同震響應(yīng)的地震分布見圖4，井水溫典型同震形態(tài)見圖5。榮昌井3層不同深度水溫(水溫探頭分別置于井下225m、215m、133m)在2014年3月6日—2016年3月13日同步觀測，3層水溫探頭均位于砂巖主要觀測含水層中(61.1～251.0m)，且均處于溫度正梯度范圍內(nèi)(圖2)。3層水溫同步觀測期間，探頭225m處的同震響應(yīng)次數(shù)最多(8次)，其次為215m處(5次)，最少為133m處(1次)，說明榮昌井水溫隨觀測深度增加，水溫記錄地震能力增強，在225m處的同震響應(yīng)能力最強。其中，有2層以上水溫同時響應(yīng)的地震共有5次，分別為2015年4月25日尼泊爾8.1級(井震距2040km)、2015年5月30日日本小笠原8.0級(井震距3411km)、2015年11月14日中國東海海域7.2級(井震距2237km)、2015年12月7日塔吉克斯坦7.4級(井震距3146km)和2016年3月2日印尼蘇門答臘島海域7.8級地震(井震距2967km)，且2層水溫5次同震方向均為上升；3層水溫同時響應(yīng)的只有1次，即2015年尼泊爾8.1級地震。由圖6、表3可見，榮昌井水位同震先于水溫，水溫同震是由深及淺的順序發(fā)生，同震響應(yīng)幅度隨深度的增加而減小，水溫的同震響應(yīng)持續(xù)時間較水位長，且不同層位的水溫同震方向均為上升。由此說明，單個井水溫對不同地震的同震響應(yīng)存在優(yōu)勢響應(yīng)方向，其水溫同震升降的性質(zhì)均不因地震的遠(yuǎn)近、大小、震源機制或方位的變化而發(fā)生改變。

圖4 引起榮昌井水溫同震響應(yīng)的地震分布

圖5 榮昌井水溫同震響應(yīng)分鐘值

圖6 2015年4月25日榮昌井水位和不同層位水溫分鐘值

表3 榮昌井水位和多層水溫對2015年4月25日尼泊爾8.1級地震的同震響應(yīng)參數(shù)

統(tǒng)計榮昌井水位和水溫同時響應(yīng)的9次地震同震響應(yīng)參數(shù)(表4)，與同井水位同震變化方向進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)榮昌井水位-水溫對中、遠(yuǎn)場震的同震多為同向上升正相關(guān)關(guān)系或振蕩—上升，但在2008年汶川8.0級、2010年榮昌4.5級、2021年瀘縣6.0級地震時，為同震水位下降—水溫上升的反相關(guān)關(guān)系，其可能原因為這3次地震為近場地震，其他地震均為中、遠(yuǎn)場地震，近場地震和中、遠(yuǎn)場地震引起的水位同震響應(yīng)變化機制不一致所致(Lai et al，2021)。由此可見，井水溫同震變化雖與水動力作用有關(guān)，但并非簡單地由水位同震變化引起。

表4 榮昌井水位和水溫同震響應(yīng)方向?qū)Ρ?/p>

在此引入地震波能量密度e(r)，表示地震波在傳播過程中作用在單位體積地層介質(zhì)上的最大地震能量值，其與地震震級M和震中距R存在一定的關(guān)系。榮昌井地震波能量密度分布與震級和震中距的關(guān)系如圖7所示，圖中的直線為滿足公式lgR=0.48M-0.33lge(r)-1.4(Wang，2007)的能量密度等值線，坐標(biāo)軸內(nèi)的每個點代表一次地震。引起榮昌井水溫同震變化的地震波能量密度e(r)>10-5J/m3，而引起榮昌井水溫和水位反向同震變化的地震波能量密度e(r)>1J/m3。

圖7 地震引起的榮昌井水溫同震與震級、震中距的關(guān)系

3 水溫震后響應(yīng)特征分析

榮昌井水溫自觀測以來表現(xiàn)出豐富的震后響應(yīng)變化，一種為上升—下降型正脈沖變化，如2008年汶川8.0級和2010年榮昌4.5級地震；另一種為震后上升，持續(xù)數(shù)天后恢復(fù)到之前的變化水平，如2016年榮昌4.9級和2017年九寨溝7.0級地震。

榮昌井水溫在2008年汶川8.0級地震后第5天開始出現(xiàn)上升—下降型正脈沖變化，2010年榮昌4.5級地震后亦如此，震后第11天開始出現(xiàn)上升—下降型正脈沖變化(圖8、表5)。這2次地震后的榮昌井水溫響應(yīng)最為顯著，且形態(tài)變化相似，汶川地震后的震后響應(yīng)持續(xù)時間約為榮昌地震后的1倍，且僅有這2次地震及2021年瀘縣6.0級地震對應(yīng)的榮昌水位同震響應(yīng)方向為下降，其他地震對應(yīng)的榮昌井水位同震均為上升或振蕩。將榮昌井水溫上升—下降脈沖型震后變化與榮昌4.5級地震震區(qū)ML≥1.0余震序列活動進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)隨著榮昌井水溫上升—下降脈沖型震后變化逐漸減小直至消失后，余震活動也由起伏逐漸趨于平靜，表明榮昌井水溫上升—下降脈沖型震后變化與震區(qū)的余震有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖8 榮昌井水溫脈沖型震后響應(yīng)(a)與地震 M-t圖(b)對比

表5 榮昌井水溫同震-震后響應(yīng)參數(shù)對比

榮昌井水溫在2010年玉樹7.1級、2011年日本9.0級、2016年蘇門答臘海域7.8級、2016年榮昌4.9級、2017年九寨溝7.0級地震后出現(xiàn)加速上升變化，持續(xù)數(shù)天后恢復(fù)到之前的變化水平。其中，2層水溫(探頭位置分別為井下225m和215m)在2016—2017年并行觀測期間共記錄到3次同步的上升—持續(xù)高值—下降型同震-震后響應(yīng)變化，如2016年蘇門答臘海域7.8級、2016年榮昌4.9級、2017年九寨溝7.0級等地震震后均有記錄(表6、圖9)。震級越大、震中距越小，榮昌井水溫震后上升幅度越大，持續(xù)時間1～3個月。215m處水溫的震后響應(yīng)幅度和持續(xù)時間均大于225m處。

表6 榮昌井2層水溫同震-震后響應(yīng)參數(shù)對比

圖9 榮昌井2層水溫同震-震后響應(yīng)對比

4 水溫同震-震后響應(yīng)機理探討

對于引發(fā)水溫變化的動力源，地震釋放的能量主要由摩擦能、破裂能和地震波能三部分組成。摩擦熱主要集中在發(fā)震斷裂附近，破裂能主要集中在震中區(qū)附近，地震波能占地震釋放能量的比重不大，但可在大范圍內(nèi)釋放(馬玉川等，2014)。從動力源的角度看，榮昌井水溫同震變化多數(shù)與地震波的影響有關(guān)。而地震波引起的滲透性變化的機制主要有：①堵塞或沖刷裂隙通道，造成顆粒移動(Brodsky et al，2003；Elkhoury et al，2011；Candela et al，2014)；②新的微裂隙生成，含水層系統(tǒng)被破壞(Manga et al，2012)；③水滴、氣泡等的遷移(Manga et al，2012)。地震發(fā)生后，由于裂隙里的沉積物被沖刷而新形成的通道會被重新堵塞，使得滲透性能夠逐漸恢復(fù)到震前水平。滲透率恢復(fù)到預(yù)估值的時間取決于重新堵塞孔隙的時間和封閉孔隙的地球化學(xué)過程所需的時間。井水溫的震后響應(yīng)是由于地震波周期性振蕩作用于含水層系統(tǒng)后，一方面激活了孔隙、裂隙中的充填物(如氣體、滯水等)，另一方面促使局部裂隙的串通，使得各水體間及水體與圍巖的熱量交換加強或減弱，從而導(dǎo)致井水溫變化。

目前，井水溫同震上升機理主要有：①在地震波震動作用下，承壓含水層下部熱水上升引起溫度上升；②地震波引起的水體波動與井壁及水溫傳感器摩擦引起溫度上升；③井孔水溫梯度為負(fù)時，上部熱水在震動作用下下滲引起溫度上升(毛慧玲等，2012)。井水溫同震下降機理主要有：①氣體逸出說，即當(dāng)井水氣體釋放時，同時釋放出井水中的熱量，從而降低了井水溫度；②熱彌散說，井水垂直振蕩時攪動井水，引起的彌散效應(yīng)造成同震水溫變化，在一定的條件下形成同震水溫降低現(xiàn)象；③冷水下滲說，即井孔含水層周邊上層地下水隨著振動效應(yīng)的作用，向下垂直運動的速率有所加大，低溫水快速混入觀測含水層中，引起溫度的快速下降(孫小龍，2008c)。淺循環(huán)含水層表明水溫將會下降，而深循環(huán)含水層水溫將會升高。通過淺循環(huán)含水層向井孔注入冷水，通過深循環(huán)含水層向井孔注入熱水。

由地貌、地質(zhì)特征可以看出，榮昌井區(qū)附近的地下水系主要由大氣降水補給，在含水裂隙帶被切割處或侵蝕基準(zhǔn)面附近進(jìn)行排泄(圖10(a))。該井含水層地層出露在背斜區(qū)，地層由平緩向兩翼變陡，造成自流斜坡，地下水富集具有一定承壓性。砂巖厚度大，受力后產(chǎn)生的張裂隙較多，是主要含水層，下部頁巖相對隔水(圖10(b))。同位素測試結(jié)果表明，榮昌井水為大氣降水成因，piper三線圖顯示該井水水化學(xué)類型為Na-Cl型，Na-K-Mg三角圖可以較好地用于解釋水的起源(Giggenbach，1988)，結(jié)果顯示榮昌井水為部分平衡水，說明水的循環(huán)深度較深，攜帶一定的深部物質(zhì)(圖11)。榮昌井區(qū)從20世紀(jì)50年代后集中開采50多年，采煤層延伸至觀測井底部。2016年以來，榮昌井區(qū)周邊陸續(xù)開始進(jìn)行頁巖氣開采。頁巖氣是賦存于有機質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主。截至2021年10月，榮昌井井面時有氣泡上涌，佐證了該井含水層含氣的事實。2021年4月在井口架設(shè)了實時攝像頭，記錄到5月22日青?，敹?.4級地震震時氣泡量明顯增多(圖12)，而震時榮昌井水溫也出現(xiàn)了上升變化(圖5)。

注：T3xjⅠ：三疊系上統(tǒng)須家河組下亞組，主要為泥頁巖、砂巖及煤層；T3xjⅡ：三疊系上統(tǒng)須家河上亞組，主要為砂巖、泥頁巖；J1z：侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組，主要為泥頁巖夾砂巖；Q4：第四系全新統(tǒng)，主要為礫石、砂、黏土。

注：δD-δ18O分布圖中GMLW為全球大氣降水線(據(jù)Craig(1961))；LMLW為重慶地區(qū)大氣降水線(據(jù)胡菡等(2015))。

圖12 榮昌井面平時影像(a)和瑪多7.4級地震時影像(b)

氣體具有很大的活動性，在地殼內(nèi)分布廣且分散，一般分布在巖石的孔隙、裂隙及溶洞中，有的溶解于水中，有的封存在合適的構(gòu)造中形成氣芷。地震、構(gòu)造活動、應(yīng)力的變化、局部氣體的形成、承壓水的變化和流動均可形成壓力梯度，造成氣體從壓力高的地方向壓力低的地方流動或遷移(方震等，2012)。當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)過井區(qū)含水層時，會造成裂隙串通、井內(nèi)水體連續(xù)振蕩，深部含水層孔隙中的氣體及溶解于井水中氣體就會隨地下水一起運移至表面。榮昌井水溫同震上升變化可能是地震波的擾動造成井下深部氣體大于本底的釋放量，大量氣泡沿裂隙上升進(jìn)入井含水層系統(tǒng)而引起的。震后一段時間，氣體釋放量逐漸減小，水溫也逐漸恢復(fù)至震前水平。

榮昌井水溫的同震-震后響應(yīng)變化較為特殊，其變化機理也不同于前人所提出的井水溫同震上升機理。而根據(jù)對西南地區(qū)井水溫同震響應(yīng)特征的分析(鞏浩波等，2021)可知，并非所有井水溫同震優(yōu)勢下降的井位都是淺循環(huán)井，如西昌川32井，井深410.2m，觀測層128.17～410.20m。水溫同震優(yōu)勢方向上升型和下降型井位并無明顯共性。水溫的同震變化是探頭周圍的地下水與其周圍介質(zhì)進(jìn)行能量交換的結(jié)果，與水位變化幅度及運動方式、水流速度、井孔周圍孔隙度、井孔溫度梯度、水溫探頭放置位置等有關(guān)。由此說明井水溫同震-震后響應(yīng)機理的復(fù)雜性，今后仍需對更多的井孔進(jìn)行更加深入的研究。

5 結(jié)論

重慶榮昌井水溫對遠(yuǎn)大震和近震均響應(yīng)靈敏，積累了豐富的同震和震后觀測資料，且榮昌井(多層)水溫同震響應(yīng)方向均為上升，是研究井水溫同震-震后響應(yīng)動態(tài)特征的優(yōu)質(zhì)井位。本文統(tǒng)計分析了榮昌井水溫對2008年1月—2021年9月期間共273次地震的同震-震后響應(yīng)動態(tài)特征，給出引起該井水溫同震變化的地震波能量密度閾值，對井水溫同震優(yōu)勢方向成因和機理進(jìn)行了深入研究，得到以下結(jié)論：

(1)榮昌井水溫同震-震后響應(yīng)能力較好，對近震和遠(yuǎn)震均可記錄到。該井水溫同震響應(yīng)由深及淺順序發(fā)生，同震-震后響應(yīng)持續(xù)時間隨觀測深度的增加而增加，同震響應(yīng)幅度隨觀測深度的增加而減小，且該井水溫同震-震后響應(yīng)持續(xù)的時間較水位更長。

(2)榮昌井多層水溫同震響應(yīng)方向始終為上升，說明單個井水溫對不同地震的同震響應(yīng)存在優(yōu)勢響應(yīng)方向，其水溫同震升降的性質(zhì)均不因地震的遠(yuǎn)近、大小、震源機制或方位的變化而改變。榮昌井水溫同震響應(yīng)優(yōu)勢方向上升變化可能是地震波的擾動造成井下深部氣體釋放，沿裂隙上升進(jìn)入井含水層觀測層而引起的。

(3)榮昌井水位-水溫對中、遠(yuǎn)場地震的同震多為同向上升正相關(guān)關(guān)系或振蕩—上升，但在汶川8.0級、榮昌4.5級、瀘縣6.0級地震時為同震水位下降—水溫上升的反相關(guān)關(guān)系，其原因可能為這3次地震為近場地震，其他地震均為中、遠(yuǎn)場地震，近場地震和中、遠(yuǎn)場地震引起的水位同震響應(yīng)變化機制不一致。引起榮昌井水溫同震變化的地震波能量密度e(r)>10-5J/m3，而引起榮昌井水溫和水位同震反向變化的地震波能量密度e(r)>1J/m3。