河北省地下流体水位对远场大震的响应特征研究

2015-05-29尹宏伟梁丽环韩文英

防灾科技学院学报 2015年3期

尹宏伟，梁丽环，韩文英，李凤，刘静

(1.河北省地震局深州地震台，河北深州 053800;2.河北省地震局石家庄中心台，河北石家庄 050021)

0 引言

1899年，意大利一口深井最早记录到远震地震波引起的水位震荡［1］;在我国，20 世纪 70年代首先在北京洼里井观测到水震波。此后越来越多的观测井记录到这种水位动态现象，人们对水震波的研究也更加广泛。同震效应研究是揭示地壳介质对应力－应变过程响应最直接的手段，而地下流体具有很强的信息传递能力。由于地下水具有流动性、普遍性以及难压缩性等特点，当其封闭条件足够好，埋藏深度足够深时，形成了承压含水层，就能客观、灵敏地反映地壳的应力应变状态，岩石中微小的应变能反映在孔隙压力的变化上，并通过静水压力的传递或通过水的渗流在井孔水位动态中表现出来［2］。在一次大震发生后，由于地震波的传播，震中及较远范围的观测井孔可能会出现异常变化现象。研究水位的同震异常响应特征对于促进地壳的应力状态研究以及促进地震预测方面的研究具有十分重要的意义，在这方面前人已经做了很多工作［3－5］，笔者在前人研究的基础上，收集、整理了2008年中国汶川Ms8.0 地震、2011年3月11日日本Ms9.0 地震、2012年4月11日印尼Ms8.6地震和2013年9月24日巴基斯坦Ms7.8 地震时河北省地下流体数字化观测井网记录到的同震效应，分析各个井孔水位的同震响应特征，探讨水位同震变化的机理，从中发现一些水位同震响应的规律，为地震预测预报的研究提供参考。

1 井孔同震响应特征

目前，河北省地下流体数字化观测井网有18个井点，分别是张家口、赤城、唐山、玉田、永清、沧县、黄骅、深州、无极、辛集、宁晋、邯郸峰4、永年北杜、后郝窑、昌黎、河间、衡水、小马村。在4次远大地震中，有4 口井水位都出现了同震异常变化，8 口井水位在部分地震中出现了同震异常变化，包括水震波、水位阶变、水震波伴随阶变(表1)，井孔的承压性和震中距见表2，图1是几个典型的同震响应曲线图，同震响应井孔的地理分布情况见图2。从图1看出，日本Ms9.0 级地震后，玉田井水位出现了大幅度的振荡，其水震波的最大双振幅达到2.48m，是4 次地震同震响应井孔中水位变化幅度最大的。

表1 观测井的同震异常变化时段和变化幅度表Tab.1 The time and magnitude of co-seismic response abnormal changes of observation wells

表2 同震响应观测井含水层承压性和对应各个地震的震中距Tab.2 Aquifer pressure of co-seismic response observation wells and epicentral distance of the corresponding earthquakes

2 “一震多井”的水位同震响应特征分析

2008年5月12日 14时 28分，在中国四川省汶川县(31.0°N，103.4°E)发生了Ms8.0 地震。震中位于青藏高原东缘的松潘—甘孜地块与杨子地块交界的龙门山主中央断裂带上，震源深度14km，属于逆冲、右旋、挤压型断层地震，此次地震引起了大范围的观测井水位异常。河北省地下流体数字化观测井网18个井点中有8个观测井水位对汶川地震产生了同震响应，占全部井点的44%(图3、表 3)。

图1 不同类型变化特征典型曲线图Fig.1 Typical pictures of different types of variation

从图3看出，在记震井孔中有7 口井记录到水震波，其中有5个伴有阶变，有1 口井震后只发生了阶变，一共有6 口井在震后出现了水位阶变，阶跃上升的是昌黎井、后郝窑井、永清井、黄骅井，阶跃下降的是衡水井、峰4 井，以上阶变井孔昌黎井、后郝窑井和衡水井是动水位井，其它是静水位井。一般认为井孔水位的同震水震波是由地震波的传播作用引起的，能造成水位振荡的地震波主要有三种，一种是纵波即P 波，另一种是垂直方向的偏振横波SV 波，还有一种是面波即瑞雷面波［6］，当这些波通过含水层时，含水层孔隙介质会发生体积变化，引起水位振荡，形成水震波。如果井孔周围含水层介质体在强烈地震波的作用下发生塑性形变，就会导致观测井孔水位发生阶变。汶川地震产生的强烈地震波使河北省多个井孔的含水层介质体发生了塑性形变，形成水位阶变，结合其它地震统计井孔水位发生同震阶变的情况(表3)。

图2 河北省同震响应井孔分布图Fig.2 Borehole distribution of co-seismic response in Hebei Province

表3 观测井水位同震阶变情况统计Tab.3 Step changes statistics of Co-seismic Response of observation wells

杨竹转等［7］通过研究云南思茅大寨井水位的同震变化特征发现，地震波对观测井含水层系统的变化仅起到触发作用，其水位变化方式是由井孔局部的地质构造和水文地质条件决定的，同一口井总是以固有的方式对地震波的作用做出响应，因此水位同震阶变总是同向的。

图3 2008年5月12日汶川8.0级地震水位同震响应图Fig.3 Water level co-seismic response of Wenchuan 8.0 earthquake on May 12，2008

进一步分析发现，水位同震阶升的井孔多集中在河北省的中部和北部，水位同震阶降的井孔多集中在河北省的南部。廖丽霞等［8］通过研究福建省流体台网井水位的同震效应，认为震后阶跃上升的水井水位可能包含有区域应力场的信息，水位阶跃上升集中区可能也是区域压应力相对集中区，对未来该区域发生较显著的地震具有空间上的指示意义，一般这些集中区就是未来地震危险区。

由于各个井孔所处的构造环境和水文地质条件的差异，它们对汶川地震的响应幅度有很大的不同。例如玉田井的井深456.4m，含水层岩性为奥陶系灰岩，地下水类型为承压水，该井水位同震水震波最大双震幅为872mm，是正常日变幅度的10 倍，之后迅速衰减，振荡持续了34min;黄骅井的井深1250m，含水层岩性为奥陶系灰岩，该井水位同震阶变的幅度为937mm;是正常日变幅度的20 倍;在所有同震响应的井孔中是变化幅度最大的，衡水井水位的振荡幅度最小，但是也达到了55mm。水位变化幅度从大到小排列的井孔依次为黄骅井、玉田井、永清井、峰4 井、后郝窑井、赤城井、昌黎井、衡水井。从表2各个井孔的含水层岩性可见，记震能力强的井孔其含水层岩性大多为灰岩和花岗岩。张清秀等［9］通过研究福建省地下流体观测井的映震特征，也得到了同样的认识。一个井孔的记震能力除了与含水层的岩性有关外，还与含水层的渗透性能有关系，张昭栋等［10］利用弹性理论和渗流理论，对水井进行重锤实验，得到井水位振荡曲线，从而推导出水井—含水层系统对地震波的响应与其导水系数有关，导水系数越大，其渗透性能越好，对井水位振荡时产生的阻力越小，对地震波的响应幅度越大，响应次数越多。

河北省地下流体各个同震响应观测井孔距离汶川地震震中的距离相差不大(表2)，但是其水位同震响应时间却有很大差异，按照响应时间的先后顺序对观测井进行排列依次为峰4 井、永清井、赤城井、玉田井、衡水井、后郝窑井、昌黎井、黄骅井。峰4 井水位的响应时间最快，地震发生后仅3min 就产生了响应;最慢的是黄骅井，震后14min 才有响应。二者相差了11min。峰4 井和黄骅井井孔结构信息及震中距的比较见表4。

表4 峰4井和黄骅井井孔结构及震中距的比较Tab.4 The comparison of structural information and epicentral distance between Feng－4 well and Huanghua well

一般认为井孔水位对地震的响应时间跟地震波的传播和距离震中的距离有关，从地理位置看，汶川至河北峰4 井之间的路径和汶川至河北黄骅井之间的路径大体上是一样的，那么汶川地震产生的地震波传播至峰4 井和传播至黄骅井的速度应该是一样的，按照二者的震中距比较，峰4 井水位是震后3min 产生响应，黄骅井水位就应该是震后4min 产生响应(3 ×1542.8 ÷1169.2≈4)，然而实际上黄骅井水位震后14min 才产生响应。车用太等［11］研究认为，地下水异常变化取决于两方面因素，一是含水层岩石受力发生变形的程度;二是孔隙水压变化的信息在井孔—含水层系统中的传播过程。在本例中，两口井水位对汶川地震响应时间的差异，主要原因在于孔隙水压变化的信息在井孔—含水层系统中传播所需要的时间不同，从表 4 看，黄骅井比峰 4 井深 450m，2008年5月12日汶川地震时，黄骅井水位埋深约6.2m，峰4井水位埋深约7.8m，那么黄骅井井筒水柱高度就比峰4 井的水柱高度长451.6m，这样孔隙水压变化的信息在井筒中传播的距离远，用时自然要长，这是黄骅井水位响应地震速度慢的一个因素，但是笔者认为这不是主要因素。鱼金子等［12］研究了金沙江水网观测井水位对2011年日本Mw9.0级地震的同震响应特征和同震响应机理，认为井孔水位对地震波响应时间的差异主要取决于井—含水层系统的导水系数。黄骅井与峰4 井的含水层岩性相近，又同为裂隙承压水，但是二者对汶川地震的响应特征却有很大不同，黄骅井水位的响应形态是向上的阶变，幅度达到937mm;峰4 井水位的响应形态是大幅度振荡中伴随向下的阶变，水震波最大双振幅为200mm，阶变幅度为35mm。从水位响应特征分析，黄骅井含水层岩体应力状态以压应力为主，因此岩体结构致密，孔隙率小，导水系数小，导水能力差，当地震波到达井孔后，作用于含水层岩体，引起岩体变形，导致孔隙水压的变化，再通过静水压力的传递或通过水的渗流传播至井筒，在整个过程中，由于含水层岩体致密，孔隙率小，导水系数小，所以传播速度慢;而峰4 井含水层岩体的应力状态以张应力为主，岩体结构疏松，孔隙率大，导水系数大，导水能力强，所以孔隙水压变化的信息在含水层岩体中传播的速度快。综上所述，应力状态的不同导致含水层岩体结构的不同是黄骅井和峰4 井水位对地震响应时间差异的主要原因(不排除在汶川地震之前，黄骅井含水层岩体结构比峰4 井含水层岩体结构致密)。

3 “一井多震”的水位同震响应特征分析

以峰4 井为例，进行同震响应特征分析，峰4井位于河北省的南端，井孔坐标(东经114.2°，北纬36.4°)，井深800m，含水层岩性为灰岩，地下水类型为承压水。在四次地震中峰4 井记录到了全部同震水震波，其中有3 次伴随阶变(图4)。

峰4 井记录的3 次水位同震阶变都是阶跃下降的变化，阶变幅度最大的是汶川地震，震后水位下降了35mm。说明在强烈的地震波作用下，峰4井含水层岩体受到了破坏，可能发生了塑性变形，并且含水层岩体的应力状态以张应力为主，在引张力作用下，峰4 井含水层岩体变得疏松，孔隙率变大，孔隙水压变小，导致水由井筒流向含水层，使井孔水位下降。

从峰4 井水位的同震响应特征看出，其水位的同震阶变都是下降的变化，说明其含水层的应力状态以张应力为主，含水层岩体变得越来越疏松，孔隙率越来越大，其透水性越来越好，导水能力越来越强，从而可以判断近几年来峰4 井的记震能力在逐渐增强。可以从两个典型震例中得到证实:(1)2007年9月12日，印尼苏门答腊发生Ms8.5 地震，峰4 井记录到水震波最大幅度为255mm，5年后，2012年4月11日，印尼苏门答腊再次发生地震，震级为Ms8.6 级，峰4 井记录到的水震波最大幅度却高达1351mm，是2007年地震的5 倍多。(2)峰4 井对2008年5月12日汶川地震的最大响应幅度为200mm，2013年9月24日发生的巴基斯坦地震相比汶川地震，震级小、井震距远，但是峰4 井对该地震的最大响应幅度却达到310mm。

图4 峰4井对远场大震的同震响应图Fig.4 Co-seismic response graph of Feng－4 well on the far-field earthquake

4 认识与讨论

本文收集了河北省地下流体数字化观测井网远场大震的同震响应资料，从“一震多井”和“一井多震”的角度分析其同震响应特征，并针对不同的响应特征探讨其变化机理。得到以下认识:

(1)水位的同震响应形态以水震波为主，部分水震波伴随阶变，个别井孔只有阶变。

(2)同一口井的水位同震阶变方向是固定不变的，也就是不管地震发生的时间、震级、远近如何，上升的总是上升，下降的总是下降。阶跃上升的井孔主要集中在河北省的中部和北部，阶跃下降的井孔主要集中在河北省的南部，很多震例表明水位同震阶跃上升的井孔集中区很可能就是未来地震发生的地区。

(3)含水层岩性为灰岩或花岗岩，导水系数大、渗透性能好的井孔同震响应幅度大。

(4)对于井震距相近的地震，不同井孔水位同震响应时间有很大差异，这主要取决于孔隙水压变化的信息在井孔—含水层系统中传播所需要的时间，传播速度的快慢与含水层岩体结构、井筒内水柱高度等因素有关。含水层岩体结构的不同是主导因素，如果含水层岩体结构疏松，井孔水位响应地震的速度就快;如果结构致密，响应地震的速度就慢。

(5)峰4 井的含水层应力状态以张应力为主，其映震能力近几年在逐渐增强。

致谢:在本文的完成过程中，河北省地震局张子广老师给予了指导与帮助，在此致以诚挚的谢意!

［1］陈大庆，刘耀炜.我国在井—含水层系统对地震波同震响应方面的研究进展［J］.国际地震动态，2006(7):27－31.

［2］陈大庆.我国大陆水位水温观测对印尼8.7 级地震的同震响应特征及机理研究［D］.北京:中国地震局地壳应力研究所，2006.

［3］曹玲玲，高安泰.汶川Ms8.0 地震引起的甘肃数字化水位、水温同震响应特征研究［J］.地震学报，2010，32(3):290－299.

［4］王学聚，殷海涛，王鹏.山东地下流体数字化井网对汶川8.0 级地震的响应分析［J］.地震地磁观测与研究，2013，34(1/2):225－231.

［5］兰双双，迟宝明，姜纪沂.地下水位对近震和远震异常响应的比较－以汶川地震和苏门答腊地震为例［J］.吉林大学学报，2011，41(1):145－152.

［6］张子广，万迪坤，董守玉.水震波与地震面波的对比研究及其应用［J］.地震，1998，18(4):399－404.

［7］杨竹转，邓志辉，赵云旭.云南思茅大寨井水位同震阶变的初步研究［J］.地震学报，2005，27(5):569－574.

［8］廖丽霞，王玫玲，吴绍祖.福建省流体台网井水位的同震效应及其地震预测意义［J］.地震学报，2009，31(4):432－441.

［9］张清秀，陈小云，陈莹，等.福建省数字化水位水温资料的远场效应研究［J］.华北地震科学，2007，25(4):49－54.

［10］张昭栋，迟镇乐，陈会民，等.井水位的振荡与地震波［J］.地震研究，2000，23(4):418－425.