尹宏偉，梁麗環(huán)，韓文英，李 鳳，劉 靜

(1.河北省地震局深州地震臺(tái)，河北深州 053800;2.河北省地震局石家莊中心臺(tái)，河北石家莊 050021)

0 引言

1899年，意大利一口深井最早記錄到遠(yuǎn)震地震波引起的水位震蕩［1］;在我國(guó)，20 世紀(jì) 70年代首先在北京洼里井觀測(cè)到水震波。此后越來(lái)越多的觀測(cè)井記錄到這種水位動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，人們對(duì)水震波的研究也更加廣泛。同震效應(yīng)研究是揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力－應(yīng)變過程響應(yīng)最直接的手段，而地下流體具有很強(qiáng)的信息傳遞能力。由于地下水具有流動(dòng)性、普遍性以及難壓縮性等特點(diǎn)，當(dāng)其封閉條件足夠好，埋藏深度足夠深時(shí)，形成了承壓含水層，就能客觀、靈敏地反映地殼的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，巖石中微小的應(yīng)變能反映在孔隙壓力的變化上，并通過靜水壓力的傳遞或通過水的滲流在井孔水位動(dòng)態(tài)中表現(xiàn)出來(lái)［2］。在一次大震發(fā)生后，由于地震波的傳播，震中及較遠(yuǎn)范圍的觀測(cè)井孔可能會(huì)出現(xiàn)異常變化現(xiàn)象。研究水位的同震異常響應(yīng)特征對(duì)于促進(jìn)地殼的應(yīng)力狀態(tài)研究以及促進(jìn)地震預(yù)測(cè)方面的研究具有十分重要的意義，在這方面前人已經(jīng)做了很多工作［3－5］，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，收集、整理了2008年中國(guó)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 地震時(shí)河北省地下流體數(shù)字化觀測(cè)井網(wǎng)記錄到的同震效應(yīng)，分析各個(gè)井孔水位的同震響應(yīng)特征，探討水位同震變化的機(jī)理，從中發(fā)現(xiàn)一些水位同震響應(yīng)的規(guī)律，為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的研究提供參考。

1 井孔同震響應(yīng)特征

目前，河北省地下流體數(shù)字化觀測(cè)井網(wǎng)有18個(gè)井點(diǎn)，分別是張家口、赤城、唐山、玉田、永清、滄縣、黃驊、深州、無(wú)極、辛集、寧晉、邯鄲峰4、永年北杜、后郝窯、昌黎、河間、衡水、小馬村。在4次遠(yuǎn)大地震中，有4 口井水位都出現(xiàn)了同震異常變化，8 口井水位在部分地震中出現(xiàn)了同震異常變化，包括水震波、水位階變、水震波伴隨階變(表1)，井孔的承壓性和震中距見表2，圖1是幾個(gè)典型的同震響應(yīng)曲線圖，同震響應(yīng)井孔的地理分布情況見圖2。從圖1看出，日本Ms9.0 級(jí)地震后，玉田井水位出現(xiàn)了大幅度的振蕩，其水震波的最大雙振幅達(dá)到2.48m，是4 次地震同震響應(yīng)井孔中水位變化幅度最大的。

表1 觀測(cè)井的同震異常變化時(shí)段和變化幅度表Tab.1 The time and magnitude of co-seismic response abnormal changes of observation wells

表2 同震響應(yīng)觀測(cè)井含水層承壓性和對(duì)應(yīng)各個(gè)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”的水位同震響應(yīng)特征分析

2008年5月12日 14時(shí) 28分，在中國(guó)四川省汶川縣(31.0°N，103.4°E)發(fā)生了Ms8.0 地震。震中位于青藏高原東緣的松潘—甘孜地塊與楊子地塊交界的龍門山主中央斷裂帶上，震源深度14km，屬于逆沖、右旋、擠壓型斷層地震，此次地震引起了大范圍的觀測(cè)井水位異常。河北省地下流體數(shù)字化觀測(cè)井網(wǎng)18個(gè)井點(diǎn)中有8個(gè)觀測(cè)井水位對(duì)汶川地震產(chǎn)生了同震響應(yīng)，占全部井點(diǎn)的44%(圖3、表 3)。

圖1 不同類型變化特征典型曲線圖Fig.1 Typical pictures of different types of variation

從圖3看出，在記震井孔中有7 口井記錄到水震波，其中有5個(gè)伴有階變，有1 口井震后只發(fā)生了階變，一共有6 口井在震后出現(xiàn)了水位階變，階躍上升的是昌黎井、后郝窯井、永清井、黃驊井，階躍下降的是衡水井、峰4 井，以上階變井孔昌黎井、后郝窯井和衡水井是動(dòng)水位井，其它是靜水位井。一般認(rèn)為井孔水位的同震水震波是由地震波的傳播作用引起的，能造成水位振蕩的地震波主要有三種，一種是縱波即P 波，另一種是垂直方向的偏振橫波SV 波，還有一種是面波即瑞雷面波［6］，當(dāng)這些波通過含水層時(shí)，含水層孔隙介質(zhì)會(huì)發(fā)生體積變化，引起水位振蕩，形成水震波。如果井孔周圍含水層介質(zhì)體在強(qiáng)烈地震波的作用下發(fā)生塑性形變，就會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)井孔水位發(fā)生階變。汶川地震產(chǎn)生的強(qiáng)烈地震波使河北省多個(gè)井孔的含水層介質(zhì)體發(fā)生了塑性形變，形成水位階變，結(jié)合其它地震統(tǒng)計(jì)井孔水位發(fā)生同震階變的情況(表3)。

圖2 河北省同震響應(yīng)井孔分布圖Fig.2 Borehole distribution of co-seismic response in Hebei Province

表3 觀測(cè)井水位同震階變情況統(tǒng)計(jì)Tab.3 Step changes statistics of Co-seismic Response of observation wells

楊竹轉(zhuǎn)等［7］通過研究云南思茅大寨井水位的同震變化特征發(fā)現(xiàn)，地震波對(duì)觀測(cè)井含水層系統(tǒng)的變化僅起到觸發(fā)作用，其水位變化方式是由井孔局部的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件決定的，同一口井總是以固有的方式對(duì)地震波的作用做出響應(yīng)，因此水位同震階變總是同向的。

圖3 2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震水位同震響應(yīng)圖Fig.3 Water level co-seismic response of Wenchuan 8.0 earthquake on May 12，2008

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，水位同震階升的井孔多集中在河北省的中部和北部，水位同震階降的井孔多集中在河北省的南部。廖麗霞等［8］通過研究福建省流體臺(tái)網(wǎng)井水位的同震效應(yīng)，認(rèn)為震后階躍上升的水井水位可能包含有區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的信息，水位階躍上升集中區(qū)可能也是區(qū)域壓應(yīng)力相對(duì)集中區(qū)，對(duì)未來(lái)該區(qū)域發(fā)生較顯著的地震具有空間上的指示意義，一般這些集中區(qū)就是未來(lái)地震危險(xiǎn)區(qū)。

由于各個(gè)井孔所處的構(gòu)造環(huán)境和水文地質(zhì)條件的差異，它們對(duì)汶川地震的響應(yīng)幅度有很大的不同。例如玉田井的井深456.4m，含水層巖性為奧陶系灰?guī)r，地下水類型為承壓水，該井水位同震水震波最大雙震幅為872mm，是正常日變幅度的10 倍，之后迅速衰減，振蕩持續(xù)了34min;黃驊井的井深1250m，含水層巖性為奧陶系灰?guī)r，該井水位同震階變的幅度為937mm;是正常日變幅度的20 倍;在所有同震響應(yīng)的井孔中是變化幅度最大的，衡水井水位的振蕩幅度最小，但是也達(dá)到了55mm。水位變化幅度從大到小排列的井孔依次為黃驊井、玉田井、永清井、峰4 井、后郝窯井、赤城井、昌黎井、衡水井。從表2各個(gè)井孔的含水層巖性可見，記震能力強(qiáng)的井孔其含水層巖性大多為灰?guī)r和花崗巖。張清秀等［9］通過研究福建省地下流體觀測(cè)井的映震特征，也得到了同樣的認(rèn)識(shí)。一個(gè)井孔的記震能力除了與含水層的巖性有關(guān)外，還與含水層的滲透性能有關(guān)系，張昭棟等［10］利用彈性理論和滲流理論，對(duì)水井進(jìn)行重錘實(shí)驗(yàn)，得到井水位振蕩曲線，從而推導(dǎo)出水井—含水層系統(tǒng)對(duì)地震波的響應(yīng)與其導(dǎo)水系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)水系數(shù)越大，其滲透性能越好，對(duì)井水位振蕩時(shí)產(chǎn)生的阻力越小，對(duì)地震波的響應(yīng)幅度越大，響應(yīng)次數(shù)越多。

河北省地下流體各個(gè)同震響應(yīng)觀測(cè)井孔距離汶川地震震中的距離相差不大(表2)，但是其水位同震響應(yīng)時(shí)間卻有很大差異，按照響應(yīng)時(shí)間的先后順序?qū)τ^測(cè)井進(jìn)行排列依次為峰4 井、永清井、赤城井、玉田井、衡水井、后郝窯井、昌黎井、黃驊井。峰4 井水位的響應(yīng)時(shí)間最快，地震發(fā)生后僅3min 就產(chǎn)生了響應(yīng);最慢的是黃驊井，震后14min 才有響應(yīng)。二者相差了11min。峰4 井和黃驊井井孔結(jié)構(gòu)信息及震中距的比較見表4。

表4 峰4井和黃驊井井孔結(jié)構(gòu)及震中距的比較Tab.4 The comparison of structural information and epicentral distance between Feng－4 well and Huanghua well

一般認(rèn)為井孔水位對(duì)地震的響應(yīng)時(shí)間跟地震波的傳播和距離震中的距離有關(guān)，從地理位置看，汶川至河北峰4 井之間的路徑和汶川至河北黃驊井之間的路徑大體上是一樣的，那么汶川地震產(chǎn)生的地震波傳播至峰4 井和傳播至黃驊井的速度應(yīng)該是一樣的，按照二者的震中距比較，峰4 井水位是震后3min 產(chǎn)生響應(yīng)，黃驊井水位就應(yīng)該是震后4min 產(chǎn)生響應(yīng)(3 ×1542.8 ÷1169.2≈4)，然而實(shí)際上黃驊井水位震后14min 才產(chǎn)生響應(yīng)。車用太等［11］研究認(rèn)為，地下水異常變化取決于兩方面因素，一是含水層巖石受力發(fā)生變形的程度;二是孔隙水壓變化的信息在井孔—含水層系統(tǒng)中的傳播過程。在本例中，兩口井水位對(duì)汶川地震響應(yīng)時(shí)間的差異，主要原因在于孔隙水壓變化的信息在井孔—含水層系統(tǒng)中傳播所需要的時(shí)間不同，從表 4 看，黃驊井比峰 4 井深 450m，2008年5月12日汶川地震時(shí)，黃驊井水位埋深約6.2m，峰4井水位埋深約7.8m，那么黃驊井井筒水柱高度就比峰4 井的水柱高度長(zhǎng)451.6m，這樣孔隙水壓變化的信息在井筒中傳播的距離遠(yuǎn)，用時(shí)自然要長(zhǎng)，這是黃驊井水位響應(yīng)地震速度慢的一個(gè)因素，但是筆者認(rèn)為這不是主要因素。魚金子等［12］研究了金沙江水網(wǎng)觀測(cè)井水位對(duì)2011年日本Mw9.0級(jí)地震的同震響應(yīng)特征和同震響應(yīng)機(jī)理，認(rèn)為井孔水位對(duì)地震波響應(yīng)時(shí)間的差異主要取決于井—含水層系統(tǒng)的導(dǎo)水系數(shù)。黃驊井與峰4 井的含水層巖性相近，又同為裂隙承壓水，但是二者對(duì)汶川地震的響應(yīng)特征卻有很大不同，黃驊井水位的響應(yīng)形態(tài)是向上的階變，幅度達(dá)到937mm;峰4 井水位的響應(yīng)形態(tài)是大幅度振蕩中伴隨向下的階變，水震波最大雙振幅為200mm，階變幅度為35mm。從水位響應(yīng)特征分析，黃驊井含水層巖體應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主，因此巖體結(jié)構(gòu)致密，孔隙率小，導(dǎo)水系數(shù)小，導(dǎo)水能力差，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)井孔后，作用于含水層巖體，引起巖體變形，導(dǎo)致孔隙水壓的變化，再通過靜水壓力的傳遞或通過水的滲流傳播至井筒，在整個(gè)過程中，由于含水層巖體致密，孔隙率小，導(dǎo)水系數(shù)小，所以傳播速度慢;而峰4 井含水層巖體的應(yīng)力狀態(tài)以張應(yīng)力為主，巖體結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率大，導(dǎo)水系數(shù)大，導(dǎo)水能力強(qiáng)，所以孔隙水壓變化的信息在含水層巖體中傳播的速度快。綜上所述，應(yīng)力狀態(tài)的不同導(dǎo)致含水層巖體結(jié)構(gòu)的不同是黃驊井和峰4 井水位對(duì)地震響應(yīng)時(shí)間差異的主要原因(不排除在汶川地震之前，黃驊井含水層巖體結(jié)構(gòu)比峰4 井含水層巖體結(jié)構(gòu)致密)。

3 “一井多震”的水位同震響應(yīng)特征分析

以峰4 井為例，進(jìn)行同震響應(yīng)特征分析，峰4井位于河北省的南端，井孔坐標(biāo)(東經(jīng)114.2°，北緯36.4°)，井深800m，含水層巖性為灰?guī)r，地下水類型為承壓水。在四次地震中峰4 井記錄到了全部同震水震波，其中有3 次伴隨階變(圖4)。

峰4 井記錄的3 次水位同震階變都是階躍下降的變化，階變幅度最大的是汶川地震，震后水位下降了35mm。說(shuō)明在強(qiáng)烈的地震波作用下，峰4井含水層巖體受到了破壞，可能發(fā)生了塑性變形，并且含水層巖體的應(yīng)力狀態(tài)以張應(yīng)力為主，在引張力作用下，峰4 井含水層巖體變得疏松，孔隙率變大，孔隙水壓變小，導(dǎo)致水由井筒流向含水層，使井孔水位下降。

從峰4 井水位的同震響應(yīng)特征看出，其水位的同震階變都是下降的變化，說(shuō)明其含水層的應(yīng)力狀態(tài)以張應(yīng)力為主，含水層巖體變得越來(lái)越疏松，孔隙率越來(lái)越大，其透水性越來(lái)越好，導(dǎo)水能力越來(lái)越強(qiáng)，從而可以判斷近幾年來(lái)峰4 井的記震能力在逐漸增強(qiáng)?？梢詮膬蓚€(gè)典型震例中得到證實(shí):(1)2007年9月12日，印尼蘇門答臘發(fā)生Ms8.5 地震，峰4 井記錄到水震波最大幅度為255mm，5年后，2012年4月11日，印尼蘇門答臘再次發(fā)生地震，震級(jí)為Ms8.6 級(jí)，峰4 井記錄到的水震波最大幅度卻高達(dá)1351mm，是2007年地震的5 倍多。(2)峰4 井對(duì)2008年5月12日汶川地震的最大響應(yīng)幅度為200mm，2013年9月24日發(fā)生的巴基斯坦地震相比汶川地震，震級(jí)小、井震距遠(yuǎn)，但是峰4 井對(duì)該地震的最大響應(yīng)幅度卻達(dá)到310mm。

圖4 峰4井對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)圖Fig.4 Co-seismic response graph of Feng－4 well on the far-field earthquake

4 認(rèn)識(shí)與討論

本文收集了河北省地下流體數(shù)字化觀測(cè)井網(wǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)大震的同震響應(yīng)資料，從“一震多井”和“一井多震”的角度分析其同震響應(yīng)特征，并針對(duì)不同的響應(yīng)特征探討其變化機(jī)理。得到以下認(rèn)識(shí):

(1)水位的同震響應(yīng)形態(tài)以水震波為主，部分水震波伴隨階變，個(gè)別井孔只有階變。

(2)同一口井的水位同震階變方向是固定不變的，也就是不管地震發(fā)生的時(shí)間、震級(jí)、遠(yuǎn)近如何，上升的總是上升，下降的總是下降。階躍上升的井孔主要集中在河北省的中部和北部，階躍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階躍上升的井孔集中區(qū)很可能就是未來(lái)地震發(fā)生的地區(qū)。

(3)含水層巖性為灰?guī)r或花崗巖，導(dǎo)水系數(shù)大、滲透性能好的井孔同震響應(yīng)幅度大。

(4)對(duì)于井震距相近的地震，不同井孔水位同震響應(yīng)時(shí)間有很大差異，這主要取決于孔隙水壓變化的信息在井孔—含水層系統(tǒng)中傳播所需要的時(shí)間，傳播速度的快慢與含水層巖體結(jié)構(gòu)、井筒內(nèi)水柱高度等因素有關(guān)。含水層巖體結(jié)構(gòu)的不同是主導(dǎo)因素，如果含水層巖體結(jié)構(gòu)疏松，井孔水位響應(yīng)地震的速度就快;如果結(jié)構(gòu)致密，響應(yīng)地震的速度就慢。

(5)峰4 井的含水層應(yīng)力狀態(tài)以張應(yīng)力為主，其映震能力近幾年在逐漸增強(qiáng)。

致謝:在本文的完成過程中，河北省地震局張子廣老師給予了指導(dǎo)與幫助，在此致以誠(chéng)摯的謝意!

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