張 彬 劉耀煒 高小其楊選輝 任宏微 李旖雯

1） 中國北京100085中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室）2） 中國北京100081中國地震局地球物理研究所 3） 中國烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局 4） 中國南京210095南京農業(yè)大學生命科學學院

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2015年尼泊爾MS8.1地震引起的井水位與井水溫同震效應及其相關性分析

1） 中國北京100085中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室）2） 中國北京100081中國地震局地球物理研究所 3） 中國烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局 4） 中國南京210095南京農業(yè)大學生命科學學院

尼泊爾MS8.1地震引起中國大陸大量地震觀測井水位和水溫的同震響應． 從宏觀結果看， 在54個同時存在水位和水溫同震效應的觀測井中， 有51口觀測井的變化類型為水位上升-水溫上升、 水位下降-水溫下降、 水位振蕩-水溫上升或下降（以下降為主）， 井水位與井水溫同震效應表現(xiàn)出良好的相關性， 這可能與地下水動力學作用有關； 有3口觀測井的水位變化與水溫變化方向相反， 且水溫變化均為震后效應. 另外， 有1口觀測井水位無變化而水溫同震效應明顯. 這些不同類型的同震變化與井孔條件、 水溫梯度、 傳感器位置及水位埋深等多種因素有關． 從微觀結果看， 井水位同震效應出現(xiàn)的時間及變化幅度與井水溫同震效應出現(xiàn)的時間及變化幅度之間的關聯(lián)性比較復雜， 這與井孔條件和溫度梯度等因素有關．

尼泊爾MS8.1地震 同震效應 地下水動力學 機理

引言

大地震產生的應力能夠瞬間改變地殼介質狀態(tài)， 引起含水層中地下水的流動（Wang， Manga， 2014）． 井水位和井水溫同震效應是揭示地殼介質對應力-應變過程響應的有效手段， 能夠反映地殼動力作用下地下介質應變和孔隙壓的變化特征， 從而便于深入了解地下介質的動力學過程（Roeloffs， 1998； Montgomery， Manga， 2003）. 早在20世紀60年代， Cooper 等（1965）研究認為， 開口井孔中水位波動對地震波響應的程度取決于井孔的尺寸、 含水層的導水系數(shù)、 儲水系數(shù)、 孔隙度以及波的類型等. 關于水溫同震變化的研究相對水位研究較晚． Mogi等（1989）描述了日本伊豆半島東北部一口溫泉在地震發(fā)生時， 井孔水溫出現(xiàn)階梯狀上升， 并將其解釋為當強震發(fā)生時， 由于地震波的能量疏通了井孔， 使得地下熱水涌入導致水溫突然升高． 國內外對水位和水溫的同震效應均開展了大量研究， 在其變化機理方面取得了較大進展， 認為地下水同震階變是在地震靜態(tài)應變作用下含水層壓縮與膨脹的結果， 水溫同震變化與水位變化有關（Brodskyetal, 2003； 尹寶軍， 2010； 魚金子等， 2012； 張彬等， 2013）． 車用太等（2014）以井-含水層熱系統(tǒng)分析為基礎， 結合井水溫度（水溫）動態(tài)觀測到的實際結果， 提出了水溫微動態(tài)形成的兩類基本機制， 即水熱動力學機制和地熱動力學機制， 并對此進行了定性研究．

2015年4月25日尼泊爾MS8.1地震后， 中國大陸很多地震流體觀測井均記錄到了水位和水溫同震效應． 該地震是中國地震背景場項目正式運行以來經歷的第一次大地震， 記錄到的該地震引起的同震資料， 為研究地下流體同震響應特征提供了良好機會．

本文以地下流體兩大測項水位和水溫為研究對象， 分析尼泊爾MS8.1地震的井水位和井水溫的同震效應特征以及二者之間的相關性， 并在此基礎上進一步探討其變化機理．

1 井水位和井水溫同震響應特征

根據(jù)水位曲線變化形態(tài)， 將水位同震變化的類型分為振蕩型和階變型進行統(tǒng)計分析． 水位振蕩型是指在地震振動作用下， 井水位在一個相對穩(wěn)定的“基線”上出現(xiàn)類似地震波的高頻振蕩； 水位階變型是指在地震波作用下， 井水位出現(xiàn)階變式上升或下降， 分為階升（上升）型和階降（下降）型．

根據(jù)井孔水溫曲線的變化形態(tài)， 水溫同震變化可分為上升型和下降型， 指在地震振動作用下， 井孔水溫總體出現(xiàn)階變式上升和下降．

經過“九五”、 “十五”和中國地震背景場項目的建設， 目前國家地震前兆臺網(wǎng)中心數(shù)據(jù)庫中， 同口井既有水位也有水溫觀測的有251口, 其空間分布如圖1所示． 尼泊爾MS8.1地震發(fā)生時， 其中94口觀測井均未記錄到明顯的水位和水溫同震效應， 102口觀測井只記錄到水位同震變化， 1口觀測井只記錄到水溫同震變化， 54口觀測井同時記錄到水位和水溫同震變化．

圖1 尼泊爾MS8.1地震引起的中國大陸井水位和井水溫同震響應井的空間分布圖

表1給出了尼泊爾MS8.1地震時中國大陸井水位和井水溫同時出現(xiàn)階變的33口觀測井. 可以看出： 18口觀測井的水位和水溫變化均表現(xiàn)為上升； 12口觀測井的水位下降， 水溫下降； 1口觀測井的水位表現(xiàn)為上升， 水溫卻出現(xiàn)下降； 2口井的水位表現(xiàn)為下降， 水溫則出現(xiàn)上升． 另外， 還有21口觀測井的水位變化表現(xiàn)為震蕩型， 水溫變化表現(xiàn)為上升或下降； 1口觀測井的水位沒有明顯變化， 水溫卻出現(xiàn)明顯的同震效應．

2 井水位與井水溫同震變化相關性及其機制分析

在同時出現(xiàn)水位和水溫同震效應的54口觀測井中， 有30口井表現(xiàn)為水位上升、 水溫上升（圖2a）， 水位下降、 水溫下降（圖2b）， 水位振蕩、 水溫下降或上升， 表明水位與水溫同震變化方向具有較好的一致性， 這與地下水熱動力學作用有關．

表1 尼泊爾MS8.1地震引起的中國大陸井水位和井水溫同震效應統(tǒng)計表Table 1 Statistics of simultaneous co-seismic step change of well water level and temperature in Chinese mainland caused by the Nepal MS8.1 earthquake

地下水熱動力學作用是指井水溫度的變化是由井-含水層中水流運動所引起， 表現(xiàn)為含水層受壓時， 含水層中地下水流入井筒中， 使井水由下向上運動， 水位上升； 相反， 則水位下降． 當井水溫度為正梯度時， 井中水溫傳感器溫度上升； 水溫為負梯度時， 井中水溫傳感器溫度下降． 用地下水熱動力學可解釋井水位與井水溫同向階變的現(xiàn)象， 即水位上升、 水溫上升， 水位下降、 水溫下降．

當井水位變化為振蕩型時， 井水上下混合， 使得井筒內上下溫度發(fā)生變化． 當井水溫度為正梯度時， 上層水溫會有所上升， 中點水溫變化很小， 接近于零， 下層水溫表現(xiàn)為下降． 此時若水溫傳感器位于水溫上升段， 則水位振蕩后水溫上升； 若水溫傳感器位于水溫下降段， 則水溫下降． 由于大多數(shù)井水溫梯度為正， 且水溫傳感器放置深度大， 結果多表現(xiàn)為水位振蕩后水溫下降（楊竹轉， 2011）． 這可以解釋水位同震變化為振蕩型時， 水溫變化既有上升也有下降， 但以下降為主的現(xiàn)象．

圖2 尼泊爾MS8.1地震引起的延慶五里營井（a）和沙河臺（b）水位和水溫同震效應

圖3 昌平地震臺西1井井孔地層柱狀圖及水溫儀探頭位置

3 井水位與井水溫不一致性分析

尼泊爾MS8.1地震前后， 少數(shù)觀測井的水位與水溫變化不一致， 表現(xiàn)為： 井水溫同震效應明顯， 而井水位無同震變化； 井水位同震下降， 而井水溫同震上升； 井水位同震上升， 而井水溫同震下降． 下面分別對這3種情況進行分析.

3.1 井水溫同震效應明顯而井水位無同震變化

尼泊爾地震時， 中國地震局地殼應力研究所昌平地震臺觀測井兩個水溫傳感器記錄到明顯的同震效應， 而水位無同震變化． 昌平地震臺具有專門進行水位和水溫觀測的井孔（西1井）， 該井中不同深度安裝兩套水位儀和3套水溫儀， 其中1套水溫儀和水位儀為中科光大生產的ZKGD3000地下水數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)， 其余水溫儀和水位儀均為中國地震局地殼應力研究所生產的SZW-1數(shù)字化溫度計和SWY-Ⅱ數(shù)字化水位儀． 西1井的井孔地層柱狀圖及水溫儀探頭位置如圖3所示．

圖4給出了2015年4月25日昌平地震臺西1井井水溫和井水位的變化曲線． 可以看出， 放置在井水中不同層位的兩套水溫儀（不同廠家）同時記錄到了同震效應， 且二者在變化形態(tài)上非常相近， 但是井水中兩套水位儀均未記錄到明顯的同震變化， 深埋泥土中的水溫儀也未記錄到同震效應．

圖4 2015年4月25日昌平地震臺西1井井水溫和井水位記錄曲線圖

昌平地震臺西1井沒有記錄到水位的同震變化， 可能與套管下設深度和井水位埋深很大（64.955 m）有關． 當?shù)卣鸩ㄗ饔迷诤畬訒r， 同樣受到力的作用， 孔隙壓力也會發(fā)生變化， 但觀測含水層地下水因套管下設深度淺而井水位埋深又很大時， 井孔觀測含水層出現(xiàn)自由水面（類似于潛水面）， 孔隙壓力變化信息通過大面積自由水面表現(xiàn)而水位變化量極小， 最終表現(xiàn)為同震響應不明顯． 當含水層出現(xiàn)了自由水面， 地震波作用時含水層中的上層低溫水下滲引起水溫下降（劉耀煒， 2009）． 埋在淤泥中的水溫傳感器無響應， 是由于傳感器外圍沒有水流動， 因而未產生水熱動力學作用所致．

3.2 井水位與井水溫同震反向變化

尼泊爾MS8.1地震時， 山東蒙陰臺的觀測井出現(xiàn)了水位下降和水溫上升的異常現(xiàn)象（圖5）， 而重慶北碚柳蔭臺觀測井則出現(xiàn)了水位上升和水溫下降的異?，F(xiàn)象（圖6）． 經調查這兩口井水溫傳感器處水溫均為正梯度． 車用太等（2014）研究汶川MS8.0地震時， 發(fā)現(xiàn)山東蒙陰臺水溫同震變化時水溫同震效應為下降， 但震后水溫很快轉為上升， 這是由固體（巖土）介質的熱傳導引起的， 其與井筒或井-含水層系統(tǒng)中水熱運動無關． 這種機制可以合理地解釋井水溫度同震響應“長久”不消失， 或井水溫度背景值發(fā)生變化的震后效應． 同理， 該機制也能很好地解釋尼泊爾MS8.1地震后山東蒙陰臺觀測井水溫出現(xiàn)趨勢上升， 而重慶北碚柳蔭臺觀測井出現(xiàn)水溫趨勢下降的現(xiàn)象．

圖5 山東蒙陰臺井水位和井水溫同震響應

圖6 重慶北碚柳蔭臺井水位和井水溫同震響應

4 討論與結論

尼泊爾MS8.1地震時大部分觀測井記錄到的水位和水溫同震響應方向具有較好的相關性， 具體表現(xiàn)為水位上升-水溫上升、 水位下降-水溫下降、 水位振蕩-水溫變化. 這說明水熱動力學作用在水溫變化中起到了主要作用．

井水位同震變化幅度與震中距的關系不明顯． 西藏拉薩地磁臺距尼泊爾MS8.1地震震中最近， 其水位變化幅度卻沒有震中距更遠的祁縣地震臺水位變化幅度大． 同樣， 井水溫同震變化幅度與震中距的關系也不明顯， 拉薩地磁臺水溫變化幅度卻小于河北邯鄲峰峰冀24井水溫變化幅度． 井水位變化幅度與井水溫變化幅度之間的相關性也較差， 井水位變化最大的云南彌勒井， 其水溫變化幅度較小， 而水位為振蕩型的澄江井， 其水溫變化幅度達1℃．

一般情況下， 震中距越小， 井水位和井水溫出現(xiàn)同震響應的時間越早． 但井水位與井水溫同震變化出現(xiàn)的時間間隔存在很大差異性， 并非井水位同震效應出現(xiàn)得越早， 井水溫同震變化就出現(xiàn)得越早， 這可能與井孔本身條件有關． 井-含水層條件如何影響同震響應幅度和時間問題， 尚待進一步研究．

從井水位和井水溫同震效應空間分布看， 尼泊爾MS8.1地震對川滇地區(qū)、 張渤地震帶和郯廬地震帶南端影響較大， 對南北地震帶北端和新疆地區(qū)影響較?。?由于西藏地區(qū)地下流體觀測井較少（僅拉薩地磁臺有一個水位和水溫觀測點）， 很難從井水位和井水溫同震響應方面探討尼泊爾這次地震對西藏地區(qū)的影響．

本文雖然對一些井水位和井水溫的同震效應能夠給出相對合理的解釋， 但地下流體的復雜性表明， 很多現(xiàn)象并不是在單純某一種機制下形成， 而是多種機制共同作用的結果． 對一些特殊的井孔， 需要在獲取其水文地質條件的基礎上， 開展必要的實驗和數(shù)值模擬研究， 以定量分析其水溫變化機理．

井水溫度觀測已發(fā)展成為我國地震地下流體前兆觀測的第二大主測項， 不僅在多次強震前記錄到成組的水溫前兆異常， 而且還記錄到潮汐效應、 同震響應及震后效應等重要的地球動力學作用信息（車用太等， 2014）． 但仍有很多觀測井既沒有水溫前兆異常、 潮汐效應， 也沒有同震響應或震后效應， 這可能與井-含水層條件和水溫儀器探頭安裝位置有很大關系， 尚需通過大量相關事件總結和科學實驗來考察其原因．

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Correlation analysis on co-seismic response between well water level and temperature caused by the NepalMS8.1 earthquake

1）KeyLaboratoryofCrustalDynamics，InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085,China2）InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China3）EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion, ürümqi830011,China4）CollegeofLifeScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China

It were recorded that a large number of co-seismic responses of well water level and temperature in Chinese mainland caused by the NepalMS8.1 earthquake. There is good correlation between well water level and water temperature for 51 observation wells, which appears as water level rise to water temperature rise, water level drop to water temperature drop or water level oscillation to water temperature rise/drop （most of the co-seismic water tempe-ratures drop）. The good correlation is resulted from the groundwater dynamics. As for three observation wells, the change in water level is in the opposite direction to the change in water temperature, which is the post-seismic effect. Meanwhile, one observation well has only water temperature co-seismic change but no water level change, which may have great relation to the borehole condition, water temperature gradient, sensor position and water level depth. The results also show that there is complex relationship between the initial time and amplitude of groundwater level change and those of groundwater temperature change, which is affected by borehole condition and temperature gradient.

NepalMS8.1 earthquake; co-seismic response; groundwater dyna-mics; mechanism

10.11939/jass.2015.04.001.

國家自然科學基金項目（41404036）和中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項（ZDJ2012-23， ZDJ2012-08）共同資助．

2015-05-08收到初稿， 2015-06-08決定采用修改稿.

e-mail: zhangbin150006@163.com

4.001

P315.72+3

A

張彬， 劉耀煒， 高小其， 楊選輝， 任宏微， 李旖雯. 2015. 2015年尼泊爾MS8.1地震引起的井水位與井水溫同震效應及其相關性分析. 地震學報, 37（4）: 533--540.

Zhang B, Liu Y W, Gao X Q, Yang X H, Ren H W, Li Y W. 2015. Correlation analysis on co-seismic response between well water level and temperature caused by the NepalMS8.1 earthquake.ActaSeismologicaSinica, 37（4）: 533--540.

doi:10.11939/jass.2015.04.001.