2024, Vol. 45
2) 中国南昌 330039 江西省地震局
2) Jiangxi Earthquake Agency, Nanchang 330039, China
水位、倾斜、洞体应变都是我国地震地球物理台网观测测项（陆明勇等, 2004, 2020; 陆明勇，2006；孙小龙等，2018）。已有研究表明，地震发生前震区部分观测井会出现明显的地下水异常变化，这主要是由于区域应力的作用（王强等，2012；王晓涛等，2022）。区域地壳介质受到力的作用发生形变，区域介质中的流体在动力、热力、化学等作用下发生动态变化，倾斜、洞体应变测项会出现同震响应（孙小龙等，2008）。2020年5月23日九江地震监测中心站（以下简称“九江中心站”）水位出现大幅突降，同时段形变观测数据出现异常。本文利用异常核实方法，结合该区域水文地质情况，综合分析地下水位对定点形变观测的影响，以期为中心站技术人员开展异常核实提供借鉴。
1 概况 1.1 构造背景及5级以上历史地震九江中心站位于赣北部庐山西北侧，地理位置为29.65°N、116.01°E，海拔110 m。台址在大地构造上属于扬子陆块下扬子地块中部，区域构造位于庐山西北缘边缘剪切带上的夏家—威家岭左行走滑断裂带。该断裂带呈NE走向，延伸约8 km，宽约1.0—1.5 km，总体倾向320°—330°，倾角60°—70°，中—新生代以来长期多次活动，继承了早第四纪时发生的断块抬升运动，并控制第四纪的分布。1911年2月6日，在该断裂带上发生九江5.0级地震，地震震中距台址1.5 km（赵爱平等，2012；肖健等，2017）。2005年九江5.7级地震发生在附近区域（图 1），中心站距1911年九江5.0级地震震中约6 km，距2005年九江5.7级地震震中约29 km（地震震中经纬度来源于中国地震台网地震目录）。
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图 1 九江中心站与九江1911年5.0级地震震中、2005年5.7级地震震中之间的相对位置 Fig.1 Location of Jiujiang Central Station and epicenters of Jiujiang M 5.0 earthquake in 1911 and M 5.7 earthquake in 2005 |
九江中心站是综合观测台站，有测震、流体、形变观测仪器11套，其中，测震观测仪器、强震仪各1套，形变观测仪器3套，流体观测仪器4套。另外，还有气象三要素（气温、气压、降雨量）的辅助观测手段。九江中心站形变观测山洞进深45 m，覆盖层厚约35 m，山洞年温差＜1.0 ℃，日温差＜0.02 ℃，洞体基岩为硅质灰岩。山体相对高度约70 m，近EW走向，呈EW缓、NS陡形状，表层植被丰富，山体岩层多见裂隙。流体井和水化井均为构造承压自流井孔，总出水量约100 m3/d，主要观测含水层埋深约58—63 m。观测证明，两井系连通管结构，主要含水层相通；抽水井为天然井泉，属地表潜水（赵爱平等, 2012, 2015a, 2015b；周红艳等，2017）。
2 异常概述及分析 2.1 异常概述2020年5月23日14时40分，九江1井静水位开始下降，截至24日0时下降约29 cm，中心站3套定点形变观测仪器测值同步出现异常。其中，洞体应变伸缩仪NS向测值变化约-3 670×10-10、EW向约-1 700×10-10；水管倾斜仪NS向测值N倾约40×10-3″；垂直摆倾斜仪NS向测值N倾约12×10-3″。而水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪的EW向测值仅有极小变化（图 2），水位变化与洞体应变变化趋势基本一致，垂直摆、水管仪NS向均有1个突变转折，水管仪EW向变化趋势总体向西。异常出现后，对观测系统进行检查发现，所有仪器的供电和运行均较稳定，除水位仪、水管仪、垂直摆、伸缩仪观测数据出现同步异常外，其他观测仪器水氡、水温、气氡、气汞及气象三要素观测数据均未发现明显异常变化。
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图 2 2020年5月九江中心站水位、定点形变异常 Fig.2 Water level and fixed point deformation anomaly curvesof Jiujiang Central Station in May, 2020 |
2020年5月23日，九江中心站辅助测项—气象三要素（温度、气压、降雨）未出现明显异常。利用数据跟踪分析方法并结合观测日志，分析九江中心站静水位与定点形变观测数据同步异常形态，得出此次异常与地震同震现象、气象条件变化等因素无关。历史上，静水位及定点形变观测资料多次出现同步异常情况，这一般与中心站降雨、气压突变等因素有关，与地震前兆和区域构造活动无关（孙小龙等，2008）。通过中国地震台网地震目录查询震中距九江站30 km以内的地震，没有发现明显的地震活动。此次九江站静水位与定点形变观测数据的同步异常基本可排除地震前兆和区域构造活动的影响。
3 异常核实及分析 3.1 观测仪器运行情况检查与环境调查 3.1.1 观测仪器运行情况检查此次异常涉及九江站观测仪器共4套，即九江站形变观测仪器3套（VS型垂直摆倾斜仪、DSQ型水管倾斜仪和SS-Y型洞体应变伸缩仪）和流体观测仪器1套（SWY-Ⅱ型水位仪）。分析4套仪器近期的观测资料发现，数据质量较好且无明显异常情况。通过检查水位仪校测资料和形变仪器标定资料，发现水管仪NS分量标定不合格，其他仪器运行情况良好，观测数据均正常。
3.1.2 中心站观测环境调查检查氡检测平台下沉式采样室，发现给氡检测平台供水的水管处于无水状态，给其他测项（气氡、气汞等）供水的水管为正常供水；检查发现，九江2井主井管及其井口装置无损坏，测量主井管水面相比以前下降近1 m；位于主井管最下部的支管（给观测仪器供水）仍正常供水，2020年5月23日下午井房及池塘向外排水的水沟明显出现新水。调查中心站的九江1井及井房、抽水泵房、白龙荡水坑及山洞，均未发现其他异常现象。
3.2 中心站周边环境调查2020年5月24日对中心站周边1.5 km、2.5 km、3.5 km范围内的主要施工工地、有关单位进行现场核查。由于九江中心站地处两边山岭的山脚下，台站两边及南部均为山区，无施工项目或少有居民点，故此次核实主要以中心站北部、西北部为主，实地勘排查地点20余处（表 1），均未发现有打井、抽水等明显的干扰源。
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表 1 现场调查场地与台站间的距离 Table 1 Distance between on-site investigation unit and station |
2020年5月24日利用井下电视对九江2井进行地下结构探查，获取井孔全段具体结构细节的视频资料。视频资料显示，井孔处套管完好，井壁与套管固结较好，井内裂缝发育，在距井孔30 m至井孔处裂隙、孔洞、渣块较多；在30—52 m段井孔截面较完整；53 m至井底又分布有较多裂缝、孔洞等（图 3），基本可以排除井孔坍塌等造成井孔水位外泄现象。由于地下地层为灰岩发育，裂隙较多，施工过程中钻杆水平方向左右甩杆，造成井孔有一段呈现“8”字型结构，井径不再呈标准的圆形，套管难以密实地与井壁贴合。在套管与围岩层也接触不密实的情况下，套管底部未能全部密封、隔断上部第四系，套管底部与第四系下伏基岩间存在较大间隙，这造成孔底承压水未能全部从套管内涌出，也是管内水头高度下降的主要原因。
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图 3 九江2井套管与岩层接触位置和基岩裂隙 Fig.3 Contact location between casing and rock formation and bedrock fracture in Well 2 |
截至2020年5月28日，九江1井水位下降0.47 m。因九江2井为水化井（无水位观测），对2井水位校测分析发现，水位降幅达1.05 m，这致使2井氡检测平台恒流箱断流。2口井水平距离约10 m。以九江2井井房地面为准，在-55.0 —63.5 m主含水层2口井是相通的，1井是静水位井，2井是含多个泄流口的动水位井（图 4）。泄流口1为套管与裸孔接缝处，起始深度约11 m。由于在成井过程中，井孔套管与地层围岩多处未固结好，致使成井后井水从井管内部和井壁外围冒出，井房外有大量涌水；泄流口2为氡、汞正常观测自流口，距离地面高约1.2 m；泄流口3为进入氡检测平台恒流箱的管道。异常发生前，水面距井口顶部约0.15 m，距2井地面2.55 m。由于1井井房与2井井房地面高差约4 m，而水位仪测值显示1井水面高度为距1井地面-1.36 m，则1井水面比2井水面（2口井的红线位置）高0.09 m；异常发生后，1井水面下降0.47 m，2井水面下降1.05 m（2口井蓝线位置），则1井水面比2井水面高约0.67 m，远大于异常出现前的0.09 m。
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图 4 九江双井系统示意图 Fig.4 Schematic diagram of Jiujiang Well 1 and Well 2 system |
从2口井的结构、其间距离、对同一事件的响应可知，1井和2井构成静水位和动水位的双井系统，通过地下主含水层进行水力联系和沟通，静水位井水面高于动水位井水面是由于动水位井泄流时对水头有分压作用。异常前水面相差约0.09 m，之后则相差约0.67 m，表明2口井用于沟通的含水层特性发生了变化，或随着补给水头压力的降低，2井用于泄流的井口分压作用权重产生变化，从而使2井水位（水头高度）变低。
3.4 水位与定点形变间同步异常机制分析九江1井水位与洞体应变、垂直摆倾斜、水管倾斜同步异常变化，即静水位总体下降约0.45 m，为水位因固体潮而变化的15倍。洞体应变NS向测值变化为-7 900×10-10，为日变的30倍；洞体应变EW向测值变化为-2 300×10-10，为日变的12倍。水管倾斜NS向测值N倾约40×10-3″，为日变的1.3倍。垂直摆倾斜NS向测值N倾约12×10-3″，为日变的1倍。此次同步异常呈现特点：①水位与洞体应变两分量测值均大幅变化，相关性均高达95%，具可比性；②NS向为变化优势方位。
水位与洞体应变、地倾斜测值同步异常变化的定性解释（赵爱平等, 2015a, 2015b）：九江中心站观测山洞上部山体由灰岩和覆盖其上的粘土层或砂砾层组成，含较多裂隙，下部依次为较薄的潜水层及由上、下底板夹持的承压含水层构造，承压含水层厚达数米，储水量丰富。将九江中心站洞体应变观测场地抽象为一个简单静力学模型，分析线应变或面应变的异常变化，从静力学角度解释观测结果的成因（图 5）。在静力平衡条件下，上层山体和地层总重力由承压含水层的浮力和界面上向上的托力合力抵消。水化井自流使承压含水层发生应力卸载而静水压力减小，水位下降，山体上层产生新的附加垂向应力而使承压界面受压，线应变NS、EW向测值同步大幅下降，这导致界面增大托力使承压层受挤压变形而发生沉降，从而抵消附加垂向应力，直至达到新的平衡。该应变量达到10-7量级时也产生地面倾斜。同时，由于井孔位于山洞的N方向，则洞体应变、地倾斜均在N方向上具有更大的形变分量，亦可推测，导致含水层应力卸载的干扰源应在中心站的NS方向上。
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图 5 九江中心站定点形变观测静力学模型示意图 Fig.5 Schematic diagram of static model of fixed point deformation observation at Jiujiang Central Station |
2008年9月8日前，九江中心站只有1井，在主井距地面约1.2 m处留有可调流量的泄流口，水位埋深为距1井井口2.2 m，距泄流口深约1.3 m。9月8日起，在距流体井10 m处新钻九江2井，其地面比1井井房地面低约4.5 m，原为安装钻孔体应变仪所打的应变井孔，孔径为130 mm；9月23日在17—22 m打穿第1个含水层，有少量水从2井井口溢出，水位、线应变测值无明显变化；10月13日13时40分钻入第2个含水层，以九江2井地面为起算-58 m，出现井喷，大量水涌出，流量可达5 t/h，该含水层为主要的承压含水层，1井水位开始出现大幅下降，线应变NS、EW向测值同步大幅下降，地倾斜NS向测值有一定变化（图 6）。至10月14日0时，水位持续下降约0.41 m，洞体应变NS向测值变化约-3 800×10-10，EW向约-2 030×10-10；垂直摆倾斜NS向测值N倾7×10-3″；水管倾斜NS向测值N倾67×10-3″；垂直摆倾斜EW向、水管倾斜EW向测值微弱变化（曾新福等，2013；赵爱平等, 2015a, 2015b）。
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图 6 2008年九江中心站水位及定点形变异常 Fig.6 Anomalous curves of water level and fixed point deformation at Jiujiang Central Station in 2008 |
选取2008年10月13—17日和2020年5月23—26日2个时间段资料，进行水位与定点形变异常间相关性计算分析（表 2, 图 7）。由表 2和图 7可见，2020年5月23—26日异常变化与2008年10月钻九江2井时异常变化情况基本相近。通过异常图像对比，也可看出二者间较相似。九江中心站形变仪器2007年安装，水位与形变间相关性较好。经过15年运行，仪器出现不同程度的老化。对比2个时间段的异常可见，2020年异常相关系数出现不同程度减小，这是因为九江山洞水管N端常年受潮，传感器生锈、卡住，所以相关系数几乎为0。
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表 2 水位与形变相关性分析 Table 2 Verification results of the AlphaGUARD P2000F radon meter |
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图 7 水位、定点形变异常间相关性分析 Fig.7 Correlation analysis of water level and fixed point deformation anomaly |
九江中心站所处地在地质上属灰岩地区，溶洞构造发育，含水层补给通道多且复杂。在潮湿环境下灰岩因化学作用容易产生变化，对含水层地下水的补给、排泄通道易产生影响。此次水位快速下降，定点形变测值同步异常变化，可能源于在地下水化学作用下含水层补给通道的变化。导致水位急剧下降有2个方面原因：①中心站区域性承压含水层的某些补给通道突然堵塞，含水层来水受限；②承压含水层的排泄通道突然贯通，导致含水层快速失水。由水位的快速下降和定点形变测值出现同步异常响应可以推断，导致含水层突然堵塞或贯通的作用区域距离较近。
4 讨论与结论经过对九江中心站观测环境的调查，观测仪器的检查、对比分析，中心站外围3 km范围内的走访调查，并利用井下电视对九江2井地下结构进行探查，与2008年9月九江2井钻孔过程中出现的九江1井水位、定点形变观测同步异常的数据进行对比分析，以及通过区域水文地质情况分析，得到以下结论。
（1）多套仪器测值的同步异常是客观存在的，仪器运行状态均正常。
（2）井水位测值异常是主因，垂直摆、水管倾斜、洞体应变异常测值为水位变化的同步响应异常。
（3）此次异常是构造活动异常的可能性不大。基本排除九江2井井孔坍塌造成水压外泄；由于未找到新钻井孔干扰源，不排除此次异常可能与未知的与九江1井、2井同层的主要含水层突然泄流（新钻孔）而导致含水层泄压的可能。
（4）由于九江中心站地处灰岩地区，存在井孔主要含水层补给通道局部被突然堵塞而导致补给不畅或井孔主要含水层排泄通道突然贯通而造成突然失压的可能，这最终导致水位快速下降、定点形变测项同步响应的异常变化。
（5）九江中心站定点地壳变形与水位之间存在相互影响，基本排除可地震区域构造运动引起了异常。