2020, Vol. 40
自2004年苏门答腊M9.0特大地震以来，井水位的同震响应引起我国地震界的广泛关注[1-2]，也成为地震地下流体学科研究的热点。地下水广泛存在于地壳，通常被封闭于一定条件的承压系统中。当井孔-含水层系统处于封闭性良好的承压体系中，井水位系统可视为一个天然的体应变计[3]。即使外力作用引起含水层介质体应变的微小变化，井水位也可以灵敏客观地反映地壳应力和应变状态的变化[4]。
前人针对三峡地下流体观测井网开展了大量工作，张卫华等[5]研究三峡井网对汶川8.0级地震和苏门答腊9.0级地震的水位同震变化，初步得到三峡井网对这两次远场大震的同震响应特征。刘成龙等[6]系统分析了三峡井网8口井水位对汶川8.0级地震的同震响应及其后效特征差异。但这些研究主要考虑的是远距离较大地震的响应特征，未开展远场和近场地震同震响应的差异分析。此外，对于不同井点的映震能力分析也仅在井网建设之初进行过[7]，且并未对每口井的映震能力进行分析。
基于此，本文利用三峡地下流体井网水位数据，选取2008年汶川8.0级地震、2011年日本9.0级地震以及2008~2017年三峡库区发生的4次4.0级以上地震，对比分析观测井水位对这6次地震的同震响应特征，并从地震能量密度、同震响应幅度与震级、井震距的关系方面，定量分析观测井的映震和记震能力。由于篇幅限制，本研究只选取沿仙女山断裂带的大河口井、周坪井和郭家坝井开展分析。
1 水文地质概况与井孔条件大河口井(W5)坐标为110.81°E、30.780°N，海拔241 m，位于近南北向九畹溪正断层和北北西向高角度逆冲兼走滑断层——仙女山断裂的交汇部位。大河口井为自流井，涌水量为1.36 m3/h，井深128.4 m，其表层0.4~7.8 m为第四系粘土层，7.8~8.3 m为奥陶系灰岩，8.3~128.4 m为奥陶系灰岩夹粉质砂岩，其中含水观测层位于100.0~128.4 m处。
周坪井(W7)位于仙女山断裂下盘，坐标为110.80°E、30.842°N，海拔475 m。周坪井是自流井，涌水量为0.023 m3/h，井深60 m，观测井岩性以砂岩为主，井内部分层位夹杂泥岩与砾岩。观测层位于井底破碎带，厚度约0.5 m，仙女山断裂由此经过。
郭家坝井(W8)位于仙女山断裂上盘，坐标为110.74°E、30.92°N，海拔195 m。井深200.3 m，其表层0~25.7 m为第四系粘土层，25.7~60 m为侏罗系砂岩，60~200.3 m为侏罗系砂岩与页岩互层，其中含水观测层位于100.0~200.3 m。抽水实验的单位涌水量为0.796 m3/h，属中等富水井。
大河口井、周坪井是动水位观测，而郭家坝井是静水位观测。采用中国地震局地震研究所自行研发的DSW-01地下流体综合观测仪，分辨率为1 mm，采样率为1 min。3口井的井孔位置分属不同的地质单元，井水的观测和出水的层位深浅不一。周坪井为浅层承压水，而大河口井和郭家坝井为中层承压水，周坪井的涌水量远小于大河口井和郭家坝井的涌水量。
2 井水位同震响应特征为了解3口井的井水位同震响应差异，选取两次远场大地震和4次近场中等强度地震，分别进行井水位的同震响应特征分析。3口井动态类型多为平稳-起伏型, 即大的背景是平稳的, 但在平稳背景上叠加有随季节的起伏变化[8]。
2.1 远场地震同震响应2008年汶川M8.0地震位于3口井的西部，井震距约800 km。由图 1(a)~(c)可见，汶川地震发生前，大河口井水位呈平稳变化；地震发生时，该井呈现出显著的同震响应，表现为阶降-阶升动态特征，阶降幅度约0.79 m；地震发生后20 min，水位变化趋于平稳。郭家坝井(震时仪器故障、数据记录不全)和周坪井均呈现出较强的同震响应，分别表现为阶降-阶升和阶降的动态响应特征，变化幅度分别约为0.45 m和1.7 m。
|
图 1 W5、W7、W8井水位对汶川8.0级和日本9.0级地震的同震响应 Fig. 1 Water level co-seismic response to Wenchuan M8.0 and Japan M9.0 earthquakes in W5, W7 and W8 wells |
2011年日本M9.0地震位于3口井的东部，井震距约为3 000 km。此次大地震呈现出非常清晰的同震响应以及震后恢复特征。由图 1(d)~(f)可见，大河口井震前水位平稳变化；地震发生时，出现约0.48 m的阶升特征；震后又呈现大幅度阶降特征，阶降幅度约0.8 m。周坪井表现为阶降-阶升特征，阶降幅度和阶升幅度约为0.06 m和0.16 m，震后呈现持续振荡后趋于平稳。郭家坝井的同震响应则对该地震呈现阶升-阶降特征，阶降幅度约0.07 m，震后呈现振荡恢复。
2.2 近场地震同震响应自2003年水库蓄水以来，三峡库区发生大量地震活动，其中M4.0以上地震8次。本研究仅选取2008-11-22秭归M4.1地震、2013-12-16巴东M5.1地震、2014-03-27秭归M4.5地震和2014-03-30秭归M4.7地震进行分析(表 1)。
|
表 1 W5、W7、W8井对6次地震的同震响应参数 Tab. 1 Co-seismic response parameters of the W5, W7 and W8 wells to the 6 earthquakes |
秭归M4.1地震发生在三峡水库175 m高水位运行期。地震位于井点的北部，距离大河口井和周坪井分别为23.5 km和15.4 km。这两口井很好地记录到此次地震的同震响应(图 2)，均呈现阶升-振荡下降的动态特征，阶升幅度约为0.02 m。而郭家坝井距离震中约8 km, 没有观测到显著的同震阶变响应。
|
图 2 W5、W7井水位对秭归M4.1地震的同震响应 Fig. 2 Water level co-seismic response to Zigui M4.1 earthquake in W5 and W7 wells |
巴东M5.1地震发生在三峡水库高水位运行期，为库区蓄水以来的最大地震。地震位于大河口和周坪观测井点的西北侧，井震距分别为54.9 km和53.7 km。由图 3可见，两口井的井水位均有显著的同震响应，大河口井水位存在同震滞后，其井水位为阶升型，阶升幅度约0.09 m；周坪井水位曲线为阶降型，阶降幅度约0.05 m。
|
图 3 W5、W7井水位对巴东M5.1地震的同震响应 Fig. 3 Water level co-seismic response to Badong M5.1 earthquake in W5 and W7 wells |
秭归M4.5地震发生在仙女山断裂北端。地震发生时，正值三峡水库的枯水期。地震位于观测井的西北侧，距离郭家坝井3.8 km，距离周坪井和大河口井分别约8.7 km和16.7 km。其中郭家坝井水位呈现阶降同震变化特征，降幅约0.037 m；大河口井同震动态变化则为阶升型，升幅约为0.2 m；周坪井没有明显的同震响应(图 4(a)~(b))。
|
图 4 W5、W7、W8井水位对秭归M4.5和秭归M4.7地震的同震响应 Fig. 4 Water level co-seismic response to Zigui M4.5 and Zigui M4.7 earthquakes in W5, W7 and W8 wells |
秭归M4.7地震发生时，井震距为3.0 km和8.7 km的郭家坝井和周坪井水位呈现显著的同震响应。郭家坝井水位曲线为阶降型，降幅约0.2 m；周坪井水位曲线为阶升型，升幅约0.04 m(图 4(c)~(d))。
3 映震能力分析根据前述大河口井、周坪井和郭家坝井的同震响应特征不难发现，它们的映震能力存在一定差异。研究表明，同震水位响应存在一个与震级和井震距相关的阈值[9]，只有达到该值，才能引起水位的同震响应。同时，水位响应幅度与震级以及井震距具有一定的关系[9]。本文利用地震能量密度和井水位同震关系分析3口井的映震能力。
3.1 地震能量密度与映震能力分析地震能量密度(e)表示地震波在传播过程中作用在单位体积地层介质上的最大能量值，它与地震震级(M)与井震距(r)密切相关。Wang等[10]推导出地震能量密度计算公式：
| $ \lg (r) = 0.48M - 0.33\lg (e) - 1.4 $ | (1) |
从式(1)发现，井震距一定时，地震能量密度随着震级的增大而增大；震级一定时，则随着井震距的增加而减少。触发同震响应的地震能量密度越小，观测井映震能力越强。Wang等[10]根据全球同震井水位数据以及Devils hole的同震响应，得到触发持续性地下水位响应的地震能量密度为10-3 J/m3。在台湾地区，触发同震水位阶变的能量为0.1~10 J/m3。史浙明[11]研究得出，触发我国大多数观测井网的地下水位响应的能量密度阈值为10-3 J/m3，触发水位阶变的能量密度远小于0.1~10 J/m3。本文利用2006年以来大河口井、周坪井和郭家坝井记录到的井水位同震响应资料，定量计算各井的同震响应能量密度，结果如图 5所示。郭家坝井触发水位同震响应的能量密度为10-2 J/m3，大河口井、周坪井触发同震响应的能量密度小于10-3 J/m3，说明大河口井、周坪井比郭家坝井更容易触发水位同震变化。
|
图 5 W5、W7、W8井水位同震响应能量密度 Fig. 5 Water level coseismic response energy density of W5, W7 and W8 wells |
根据Roeloffs[9]的研究，井水位与震级、井震距的关系为：
| $ \lg \Delta {h_i} = {b_1}M + {b_2}\lg D + a $ |
式中，Δhi为水位同震响应的变化幅度，M为面波震级，D为井震距，b1、b2、a为常数。
前人利用三峡井网进行过井水位同震变化的类似研究[5-6, 8]，在此基础上，本研究增加了2008~2018年大河口井、周坪井和郭家坝井记录到的近场和中远场范围内M2.4~9.0地震的同震响应震例。运用回归分析法，分别对3口井井水位的变化幅度(ΔH)与震级(M)、井震距(D)之间的关系进行分析，得到的拟合方程分别为：
| $ \lg \Delta {h_{{\rm{w}}5}} = 0.359\;1M - 0.726\;5\lg D + 1.471 $ | (2) |
| $ \lg \Delta {h_{{\rm{w}}7}} = 0.477\;6M - 0.559\;8\lg D + 0.193\;2 $ | (3) |
| $ \lg \Delta {h_{{\rm{w}}8}} = 0.362\;2M - 0.498\;7\lg D + 0.952\;4 $ | (4) |
式(2)~(4)的相关系数分别为0.26、0.66和0.35，说明周坪井水位的变化幅度与震级、井震距呈现较好的相关性，而大河口井、郭家坝井的水位变化幅度与震级、井震距线性关系不明显。但各井水位同震响应幅度与震级、井震距的关系呈现不同的特征(图 6)。从3口井水位同震响应幅度变化范围看，大河口井和郭家坝井的井水位同震变幅较大，周坪井的同震响应水位变幅集中在0~50 mm，这可能与周坪井含水层的渗透性较差以及断层的屏蔽作用[12]有关。从各井水位同震响应记录的震级和井震距分布看，大河口井和周坪井记录的震级和井震距分布比较广泛，郭家坝井只对一些近场小震和远场大震有响应。造成这种差异的原因，一方面与参与统计同震响应的样本少、统计特征不明显有关；另一方面很大程度上是由于井孔所在的水文地质条件、构造条件存在差异，不同含水层中的介质对振荡以及地震应力随距离变化的响应各不相同。
|
图 6 各观测井水位响应幅度与震级、井震距的关系 Fig. 6 Well water level coseismic response amplitude with magnitude, as well as well spaceing of each observed well |
3口井同震水位响应形态类型复杂，均有不同程度的响应延迟，延迟时间在5~18 min。2008年汶川8.0级中场大地震发生时，3口井均呈现阶降的同震响应特征；2011年日本9.0级远场地震发生时，周坪井表现为同震阶降，大河口井和郭家坝井则表现为同震阶升，3口井在日本9.0级地震后均有不同程度的水位振荡。水位振荡是含水层对地震波的弹性响应。日本9.0级地震后3口井的水位出现了持续振荡后效，可能与地震波的传播有关。面波的振幅与震中距的平方根成反比, 震源深度在一定范围时，当震中距较大时面波更加显著[13]。日本9.0级地震同汶川地震相比，井震距和震级较大，导致其面波振幅较大，从而引发3口井的振荡后效。
研究[14]表明，地震产生的地震波与含水层发生相互作用，从而引起含水层渗透性增加，进而导致井水位阶变。井-含水层渗透性增加是解释中远场地震同震水位变化的一个可能机制，并且渗透性的变化可能出现在井的上水力梯度或者下水力梯度方向，从而出现井水位上升或者下降变化[11]。汶川地震时，中国大陆发生同震响应的280口地下观测井的阶变并未发现空间上的相干信号[14]。因此，渗透性的改变导致地下水位的随机变化可能是使大河口井在两次远场地震中呈现出相反的水位同震变化的原因。
近场范围内的4次中等强度地震在大河口井的同震响应为阶升形态，但周坪井和郭家坝井的响应形态比较复杂。区域应力可能是造成近场地震同震水位响应的主要机制，同时受到观测井局部的地质构造和水文地质条件的影响。
从3口井的响应能力看，大河口井映震能力比较好，一方面由于大河口井触发同震响应的地震能量密度阈值较小；另一方面井水位同震响应记录的震级与井震距范围分布广泛，同震水位变幅大。这可能是因为大河口井所在含水层的岩性为灰岩，渗透性较好，并且在构造位置上处于仙女山断裂与九畹溪断裂的交汇部位。
在研究地震能量密度的同时，震源深度是一个不可忽略的重要参数。崔瑾等[15]统计宁夏的6口井对2013~2017年中国5.0级以上、全球7.0级以上地震的同震水位响应特征发现，存在震级及震中所在方位大致相同、井震距更近但深度较深的地震，相较于井震距更远但深度较浅的地震反而无法引起观测井水位同震响应的现象；孟庆筱等[16]对河北唐山地应力连续观测的同震响应研究亦支持类似认识。此外付虹等[2]发现，地震波在垂直方向上具有能量加速递减的特性。上述研究表明，当观测井某次地震的能量密度达到触发同震水位响应的阈值，而震源深度超过某一范围时，可能也无法引起同震水位响应。本文只选取了20 km深度范围内的地震，没有中源和深源地震，后续将进行补充。
5 结语通过对比分析仙女山断裂3口水位观测井在几次地震中引发的同震水位响应的特征差异，初步得到以下几点认识：
1) 郭家坝井触发水位同震响应的能量密度为10-2 J/m3，大河口井、周坪井触发同震响应的能量密度小于10-3 J/m3。3口井拟合出的同震水位变幅与震级、井震距的关系方程的相关系数分别为0.26、0.66、0.35，从目前来看，该模型不适用于这3口井，仍需更多的水位同震响应震例来进行完善和补充。就目前的研究而言，大河口井触发同震响应的能量密度的阈值较小，且井水位同震响应记录的震级与井震距范围分布广泛，同震水位变幅大。因此，大河口井的映震能力较强。
2) 在远场地震中，水位同震响应可能是由远场面波所引起；在近场地震中，3口井主要受到区域应力的挤压作用，同时受到岩性和井孔所在断裂构造部位的影响。针对具体变化特征的分析，还需要结合震源机制、水文地质条件和构造条件对其产生机理进行进一步探究。
| [1] |
黄辅琼, 迟恭财, 徐桂明, 等. 大陆地下流体对台湾南投7.6级地震的响应研究[J]. 地震, 2000, 20(增1): 119-125 (Huang Fuqiong, Chi Gongcai, Xu Guiming, et al. Research on the Response Anomalies of Subsurface Fluid in Mainland Monitoring Network to the Nantou Earthquake with MS7.6[J]. Earthquake, 2000, 20(S1): 119-125)
(  0) |
| [2] |
付虹, 刘丽芳, 王世芹, 等. 地方震及近震地下水同震震后效应研究[J]. 地震, 2002, 22(4): 55-66 (Fu Hong, Liu Lifang, Wang Shiqin, et al. Research on Coseismic and Post Seismic Effect of Ground Water for the Local and Near Earthquake[J]. Earthquake, 2002, 22(4): 55-66)
( 0) |
| [3] |
Hsieh P A, Bredehoeft J D, Farr J M. Determination of Aquifer Transmissivity from Earth Tide Analysis[J]. Water Resources Research, 1987, 23(10): 1 824-1 832 DOI:10.1029/WR023i010p01824
( 0) |
| [4] |
刘成龙.汶川地震地下水前兆异常及同震响应研究[D].北京: 中国地质大学, 2012 (Liu Chenglong.Research on Precursory Anomalies and Co-Seismic Response of Groundwater Associated with Wenchuan Earthquake[D].Beijing: China University of Geosciences, 2012) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-11415-1012364425.htm
( 0) |
| [5] |
张卫华, 王秋良, 李井冈, 等. 三峡井网地下水同震效应特征研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2013, 33(4): 31-35 (Zhang Weihua, Wang Qiuliang, Li Jinggang, et al. Analysis on Coseismic Effect of Groundwater from Three Gorges Well Network[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2013, 33(4): 31-35)
( 0) |
| [6] |
刘成龙, 王广才, 张卫华, 等. 三峡井网井水位对汶川8.0级地震的同震响应特征研究[J]. 地震学报, 2009, 31(2): 188-194 (Liu Chenglong, Wang Guangcai, Zhang Weihua, et al. Coseismic Response of Well Water Level in Three Gorges Well-Network to MS8.0 Earthquake in Wenchuan[J]. Acta Seismologica Sinica, 2009, 31(2): 188-194 DOI:10.3321/j.issn:0253-3782.2009.02.008)
( 0) |
| [7] |
刘五洲, 鱼金子, 车用太, 等. 三峡井网地下流体动态与映震能力的初步分析[J]. 地震地质, 2003, 25(4): 632-639 (Liu Wuzhou, Yu Jinzi, Che Yongtai, et al. Behaviors of Subsurface Fluid and Their Responsibility to Seismic Event in Three-Gorge Observation Well Network[J]. Seismology and Geology, 2003, 25(4): 632-639 DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2003.04.012)
( 0) |
| [8] |
车用太, 刘五洲, 颜萍, 等. 三峡井网地下流体动态在水库蓄水前后的变化[J]. 大地测量与地球动力学, 2004, 24(2): 14-22 (Che Yongtai, Liu Wuzhou, Yan Ping, et al. Subsurface Fluid Behaviors and Its Changes in Three Gorges Well Network before and after Reservoir Impounding[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2004, 24(2): 14-22)
( 0) |
| [9] |
Roeloffs E A. Persistent Water Level Changes in a Well near Parkfield, California, Due to Local and Distant Earthquakes[J]. Journal of Geophysical Research, 1998, 103(B1): 869-889 DOI:10.1029/97JB02335
( 0) |
| [10] |
Wang C Y, Manga M. Hydrologic Responses to Earthquakes and a General Metric[J]. Geofluids, 2010, 10(1-2): 206-216
( 0) |
| [11] |
史浙明.地下水位同震响应特征及机理研究[D].北京: 中国地质大学, 2015 (Shi Zheming. Characteristic and Mechanism of Co-Seismic Hydrological Response Induced by Earthquakes[D].Beijing: China University of Geosciences, 2015) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-11415-1015391754.htm
( 0) |
| [12] |
宋洋, 谷洪彪, 李海君, 等. 断裂两盘井水位同震响应特征对比分析——以北京八宝山断裂带中段大灰厂两观测井为例[J]. 吉林大学学报:地球科学版, 2016, 46(6): 1 815-1 822 (Song Yang, Gu Hongbiao, Li Haijun, et al. Comparison Analysis of Co-Seismic Response Characteristics of Groundwater Level at Two Sides of Fault:A Case Study of Dahuichang Observation Wells in the Middle of Babaoshan Fault in Beijing[J]. Journal of Jilin University:Earth Science Edition, 2016, 46(6): 1 815-1 822)
( 0) |
| [13] |
中国大百科全书编委会. 中国大百科全书[M]. 北京: 科学出版社, 1985 (Editorial Committee of Encyclopedia of China. Encyclopedia of China[M]. Beijing: Science Press, 1985)
( 0) |
| [14] |
He A H, Singh R P. Groundwater Level Response to the Wenchuan Earthquake of May 2008[J]. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 2019, 10(1): 336-352 DOI:10.1080/19475705.2018.1523236
( 0) |
| [15] |
崔瑾, 丁风和, 曾宪伟, 等. 宁夏井水位观测同震响应特征研究及机理探讨[J]. 地球物理学进展, 2019, 34(4): 1 281-1 287 (Cui Jin, Ding Fenghe, Zeng Xianwei, et al. Study on Coseismic Response Characteristics and Mechanism of Well Water Level Observation in Ningxia[J]. Progress in Geophysics, 2019, 34(4): 1 281-1 287)
( 0) |
| [16] |
孟庆筱, 吕健, 李进武, 等. 基于S变换的唐山四分量钻孔应力时频特征分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2018, 38(11): 1 202-1 206 (Meng Qingxiao, Lü Jian, Li Jinwu, et al. Analysis of Time-Frequency Characteristics of Four-Components Borehole Stress at Tangshan Station Based on S-Transform[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2018, 38(11): 1 202-1 206)
( 0) |