前言

地下水具有普遍性、流动性和难以压缩性,当它成为一个封闭的受压系统时,可以客观灵敏地描绘地壳中的应力变化状态(Bodvarsson,1970)。对地下水位、水温同震效应的研究是揭示地壳介质对应力-应变过程响应最直接和最有效的手段之一(Roeloffs,1998)。一次大震所产生的能量足以引起数千公里地壳介质的动态变化,地下流体对远大地震的响应,则可以反映出地下介质孔隙压力、贮层应变的变化特征(Montgomery等,2003)。

国内外众多学者对水位和水温的同震响应做了大量的研究工作。关于水位同震响应的机理,如:Eaton等(1959)在研究中发现,当高频瑞利波通过含水层时,使得含水层中压力水头产生快速变化,进而使地下水快速流出或流入井筒中,造成井中水位快速震荡;Hsieh等(1987)指出,受压含水层的水井对不同周期范围的波动会有不同程度振幅的效应,因而井中同震水位的振幅并不一定等于波动的振幅;杨竹转等(2008)指出,水位同震升降性质受控于当地的地质构造环境和水文地质条件,而水温同震变化还与地震波引起的井孔中水的运动方式、水温探头放置的位置等因素有关,其机理更为复杂;杨竹转等(2014)分析了8个井水位对汶川、芦山地震的同震变化,重点分析了3口同震变化反向的井点,指出汶川地震时这3口井水位同震变化与井点位置处的同震体应变一致,而芦山地震时则不一致,因此提出了有同震体应变以外的影响因素在起作用。对水温同震响应机理的研究也有很多,如:陈大庆等(2007)提出了同震水温下降的气体脱逸模式;孙小龙等(2008)指出,水温突降-缓升型的响应机理主要有气体逸出说、井内水体热弥散说和冷水下渗说三种;鱼金子等(2012a)指出,井水位对地震波响应的时间、振荡的幅度、振荡的持续时间等的差异主要取决于井-含水层系统的导水系数,各井水温升降的幅度、持续时间等不同,主要是井水温度梯度与水岩热传导系数不同引起的。

本文以2008—2015年期间发生的5次重大地震为例,研究了重庆井网观测井水位和水温同震响应的特征,并结合井孔水文地质条件和井孔自身观测条件,探讨了不同井水位和水温同震响应现象的可能成因。

1 重庆井网概况及水位水温变化基本特征

重庆地下流体前兆监测台网目前有6口水位和水温同井运行观测,各台均有气象三要素辅助观测,均为“十五”架设无人值守数字化观测台点(图1)。观测井主要集中在渝西,沿华蓥山基底断裂带分布。观测井孔的基本参数见表1(因万州溪口台井水位受长江三峡的影响,无同震记录,此文不做研究)。水位观测使用LN-3A或SWY-1型数字水位仪,传感器分辨率为1mm,水温观测使用SZW-1A型数字水温仪,传感器分辨率为0.0001℃。

图 1 重庆地下流体观测台站分布图 Fig. 1Distribution of the subsurface fluid stations in Chongqing
表1 重庆地下流体观测台站基本情况 Table 1 General information of the subsurface fluid stations in Chongqing
2 水位水温同震响应特征分析

重庆数字化水位、水温自观测以来记录到了多次同震响应变化,有地方震、近震和远震,为研究同震响应特征提供了有利的资料。基于此,本文选取2008年以来5次有影响的大地震,所选地震基本信息见表2。对比研究这几次地震对重庆井网5口观测井水位水温造成的同震响应变化,见表3。

表2 所选地震基本信息 Table 2 Basic information of selected earthquakes
表3 重庆井网水位水温同震响应参数统计表 Table 3 Parameters coseismic response of water level and water temperature

在做对比分析前,首先根据地震的断层破裂长度和井震距的大小划分出近震和远震。一般以1—2个断层破裂长度为标准(Roeloffs,1998;Wang等,2008),断层破裂长度是根据经验公式通过地震矩求得的(Wells等,1994),划分原则是2个断层破裂长度范围内为近震或近场地震,大于2个断层破裂长度的为远震或远场地震(杨竹转等,2014)。地震破裂长度参数见表2。重庆井网中记录到汶川地震的井位井震距最大为361km,在2个断层破裂长度范围内,汶川地震为近震,其他井震距均超过了相应地震的2个断层破裂长度,因此,日本、苏门答腊、芦山、尼泊尔地震称为远震。

2.1 水位同震特征分析

从表3水位同震响应参数统计可知,重庆井网水位对地震的同震响应形态主要包括上升、下降和振荡三种类型,而同一口井水位对不同地震的变化形态也不一致。其中,符合近震同震变化与远震同震变化方向相反或不同的有北碚柳荫和荣昌华江井。北碚柳荫井水位在汶川地震时表现为下降,而在日本地震等4次远震时均表现为上升;荣昌华江井水位在汶川地震时表现为下降,而在日本和苏门答腊地震时表现为振荡,芦山和尼泊尔地震时表现为上升,同震变化形态呈多样化。汶川地震时,荣昌华江和北碚柳荫井位于体应变膨胀区,水位同震表现为下降,符合应变-水位的变化规律(杨竹转等,2014)。大足拾万和巴南安澜井水位对5次地震的同震变化则不符合近震与远震同震变化方向不同的现象,大足拾万井同震变化方向多为下降型变化,只在芦山地震时表现为上升;巴南安澜井同震变化方向则多为上升型变化,只在苏门答腊地震时表现为下降。石柱鱼池因在2008年7月开始观测,未记录到汶川地震,因此没有较大的近震记录,对日本地震等远震的同震响应变化形态均表现为振荡型。

从以上的分析可知,水位的同震响应变化复杂,并没有特定的规律可循,与以往同一口井对不同地震的同震响应变化形态基本相同的研究结果(杨竹转等,2008;2010;缪阿丽等,2014)是不一致的。

2.2 水温同震特征分析

相比水位的同震响应变化,水温同震响应变化的形态则相对单一。从表3水温同震响应参数统计可知,重庆井网水温对地震的同震响应形态主要包括上升和下降两种类型。水温记录同震的能力要小于水位,其中只有荣昌华江井和北碚柳荫井水温对5次地震均有同震响应,且2口井对5次不同地震的同震方向始终保持一致,即荣昌华江井水温同震变化均为上升,北碚柳荫井水温同震变化均为下降。而大足拾万和巴南安澜2口井只对汶川地震有同震响应,对其他4次远震均无响应。其中,石柱鱼池井水温自观测以来未记录到同震变化。

3 荣昌和北碚的井水位同震响应对比研究

地震波传播的过程即是能量释放的过程,所以对于同一口观测井,震中距越小、释放能量越大的地震所能引起的井水位变化越明显。由此,可引入地震能量密度e(r),即指地震能量释放后,单位体积内的地震能量。地震能量密度e(r)、震中距r、地震震级M之间有如下关系式(Wang等,2008):

e(r)=101.45M-3.03logr-4.24
(1)

利用式(1)计算表2中所选地震对荣昌华江井和北碚柳荫井的地震能量密度,并作出各井的地震震级-震中距对数图,可确定不同地震的能量阀值。

3.1 单井同震响应研究

不同地震发震地点不同,震级不同,释放能量不同,从而造成同一口观测井对于不同地震的响应有所差异。下面分别研究荣昌华江井和北碚柳荫井水位对于不同地震的响应差异,从震级、震中距、能量密度等方面分析产生差异的原因。

(1)荣昌华江井

荣昌华江井深251.0m,顶板埋深8.76m,过水断面为钢管圆孔,安装深度4.66—73.46m。荣昌井位于螺观山东南麓,水井点北面是螺观山背斜形成的走向北东-南西低山山地,南面是向斜形成的平缓丘陵。荣昌井所处地势利于汇水集水,且裂隙发育,有很好的导水通道。对多次地震都记录到同震,汶川地震时,荣昌水位震时阶降0.922m,之后水位回升至略高于震前,日本地震等远震时水位出现振荡或小幅上升(图2)。

图 2 重庆荣昌华江井水位同震变化 Fig. 2Coseismic groundwater level changes at Huajiang well of Rongchang county, Chongqing city

图3表示荣昌华江井能量密度分布与震级和震中距的关系,横轴表示震中距,纵轴表示震级,图中的直线是满足公式(2)的能量密度阀值线。坐标轴内的每个红色实心方块代表1次地震,图中a、b、c、d、e所代表的地震见表2所选地震,分别是汶川Mw7.9、日本Mw9.0、苏门答腊Mw8.6、芦山Mw6.6、尼泊尔Mw7.9。由图3可知,震级相同,地震能量密度与震中距呈反相关关系,如汶川地震a和尼泊尔地震e;震中距相同,地震能量密度与地震震级呈正相关关系,如汶川地震a和芦山地震d。随着震中距的增大(d→a→e→c→b),荣昌华江井对地震的响应能力明显降低,水位形态由阶变→振荡,水位阶变的幅度与震级有关,水位阶变的方向从目前已有的震例总结为近震时水位下降,远震时水位上升。

图 3 荣昌华江井能量密度分布与震级和震中距之间的关系 Fig. 3Relationship among energy density distribution, magnitude and epicenter distance at Huajiang well of Rongchang county, Chongqing city

(2)北碚柳荫井

北碚柳荫观测井井深105.36m,套管深41.9m,观测含水层岩性为泥岩夹砂岩。由于砂岩含水层受透水性极弱的泥岩所分隔,砂、泥层间相互越流作用微弱,含水砂岩体呈独立的含水单元。汶川地震时,北碚水位震时阶降约0.936m,之后水位稍有回升,但未达到震前;日本地震等远震时水位均出现阶升或振荡上升变化,日本地震振荡上升约0.068m,苏门答腊地震振荡上升约0.034m,芦山地震阶升约0.063m,尼泊尔地震阶升约0.042m(图4)。

图 4 重庆北碚柳荫井水位同震变化 Fig. 4Coseismic groundwater level changes at Liuyin well in Beibei district, Chongqing city

图5为北碚柳荫井地震能量密度分布与震级和震中距的关系,由图可知,苏门答腊地震c、芦山地震d、尼泊尔地震e的能量密度e(r)在10-3—10-2J/m3间,而芦山地震的同震阶变幅度均大于其他两个地震,约为苏门答腊地震的1倍,这是因为芦山地震的震中距较小的原因,约为苏门答腊地震的1/10;当震中距相近时,如日本地震b和苏门答腊地震c,日本地震的能量密度为苏门答腊地震的3.7倍,而同震阶变幅度为苏门答腊地震的1倍。

图 5 北碚柳荫井地震能量密度分布与震级和震中距之间的关系 Fig. 5Relationship among seismic energy density distribution, magnitude and epicenter distance at Liuyin well in Beibei district, Chongqing city

图6为北碚柳荫井地震能量密度与井水位同震幅度关系,由图可知,地震能密度越大,北碚柳荫井水位的同震振幅也越大,其井水位同震幅度Δh与地震能量密度e(r)的关系见式(2)。据此可推算,该井水位变化与地震能量密度的对应关系为:能量密度e(r)<0.01时,引起北碚柳荫井水位同震振幅小于0.063m;能量密度e(r)为0.01—0.1时,该井水位同震变化振幅范围为0.063—0.28m;能量密度e(r)>0.1时,该井水位同震变化振幅范围为大于0.28m。

e(r)=-0.11Δh2+2.41Δh+0.0387
(2)
图 6 北碚柳荫井地震能量密度与井水位同震幅度关系 Fig. 6Relationship between seismic energy density and the amplitude of the water level at Liuyin well in Beibei District, Chongqing City

总体而言,北碚柳荫井对于近震、远震的响应都较为明显,根据已有的震例总结,该井对远震的响应形态通常为阶升或振荡上升,可能是地震波引起的渗透系数减小导致的。其对近震的响应明显,水位同震振幅更大。

3.2 两井对同一地震的响应对比研究

对于近震,荣昌和北碚两口井水位均记录到汶川地震的同震响应变化,且同震方向均为下降,但在同震幅度和震后形态上表现为有所不同。荣昌井的震中距(Δ=269km)虽小于北碚井的震中距(Δ=326km),但同震幅度却略小于北碚井;荣昌井水位震后2小时即恢复到震前水平,而北碚井水位震后3小时恢复到一个稳定的水平,但仍低于震前约0.65m,说明汶川地震静态应力造成北碚柳荫井含水层介质发生了非弹性形变,含水层参数改变而产生了变化。对于远震,两口井水位的同震形态也较为相似。对芦山地震和尼泊尔地震均表现出阶升,荣昌井水位同震幅度小于北碚井;而对较远的日本地震和苏门答腊地震,北碚井水位表现出振荡-阶变的形态,荣昌井则无阶变,呈振荡型同震响应变化。

总体而言,这两口井水位对近震和远震的同震响应都较好,北碚柳荫井水位的响应能力优于荣昌华江井。

4 讨论

水位和水温的同震响应能力和形态的差异与其变化机制有关。井水位瞬时上升、下降或振荡的主要影响因素是地震所产生的地震动现象。近场地震中,水位的同震响应可能是因为地震时因应力传递造成含水层的变化,或是因为地壳在地震发生瞬间使含水层破裂或地下水流的阻塞造成的。在远场地震中,地应力的传递及造成区域地壳发生应变的现象,对地下水位变动的直接影响较小,但地震所产生的能量释放却能将地震波传递到很远的距离,地震波引起的动态应力本身不能引起井水位的持续变化,但是能够清除裂隙中的障碍体,从而改变含水层的渗透系数并导致孔隙压力的重新分布(Roeloffs,1998;Brodsky等,2003;Elkhoury等,2006)。井水位同震幅度变化大小取决于井孔尺寸,含水层的传导性、储存系数和孔隙度,也取决于地震波的类型、周期和振幅等多种因素(Cooper,1965)。地震波引起含水层渗透系数变化的能量密度下限约为10-4J•m-3。其中当能量密度大于10-3J•m-3时,地震波能量能更有效地清除裂隙中的障碍体,从而引起含水层渗透系数的变化更为显著(Wang等,2010)。荣昌华江井和北碚柳荫井水位对几次大震的同震响应变化也符合这一规律。而水温的同震变化是探头周围的地下水与其周围介质进行能量交换的结果,与水位变化幅度及运动方式、水流速度、井孔周围孔隙度、井孔温度梯度、水位探头放置位置等有关(杨竹转等,2008),荣昌华江井和北碚柳荫井水温对几次大震的同震响应变化方向总是上升或下降,与地震的大小和距离等均无关,说明水温的同震更依赖于井孔自身观测条件的影响。每口井不同层位的响应能力可能不同,应根据井区的水温地质条件和井孔柱状图等基础资料对水温观测的层位进行评价观测,从而找到更适合的层位。水温的同震响应机理相比水位的更为复杂。

石柱鱼池井井深250.58m,套管深120.05m,该井所处地层为侏罗系中统沙溪庙组,钻井揭露岩性为砂岩与泥岩不等厚互层。该井揭露的含水岩层延伸远,分布稳定,石柱鱼池井水位是重庆井网中记录固体潮效应最好的。石柱鱼池井水温探头置于井下240m处,该井205.85—250.58m为含砂质泥岩厚层状构造。观测仪器为SZW-1A型水温仪,传感器分辨率为0.0001℃。石柱鱼池水温自观测以来呈现上升趋势变化,长期动态属于漂移上升型,年变幅度约0.0035℃,日变幅小于0.0001℃,对多次地震均无响应,这一现象引起我们的思考,究竟哪个层位的观测才能更多的捕捉到震兆信息?研究表明,同一口井的不同深度段上观测的水温同震响应与潮汐响应的特征差异明显,井孔水文地质条件是影响井水温度各类有效信息特征的重要因素,观测井中观测含水层的深度、厚度、导水性及其地下水的温度,水温传感器相对于观测含水层的放置位置及其上、下的水温梯度特征等直接决定井水温度的同震响应与潮汐响应的特征(鱼金子等,2012b)。如何提升水温观测在地震预测中的效能,目前最重要的是研究水温动态成因的复杂性及动态形成的机制问题,从而规范和指导水温观测。

荣昌华江井和北碚柳荫井均沿华蓥山断裂带展布,两井相距118km,荣昌井较深,两口井含水层岩性均为砂岩或泥岩夹砂岩,地下水类型均为裂隙承压水。荣昌为背斜储水构造,北碚为单斜储水构造。荣昌华江井渗透系数为0.25m/d,北碚柳荫井渗透系数为0.0149m/d。这两口井水位对近震和远震的响应既有相似处,也有不同处,造成两口井对于地震的响应能力存在差异的原因可能是多方面的,如含水层埋藏条件(承压性和封闭性),岩石力学性质、水动力学性质等。

5 结论

本文通过对重庆井网水位水温对5次典型大震的同震响应特征的分析,特别是单井对多个地震的响应特征及两口井对于同一地震的响应差异性对比,分析了荣昌华江井、北碚柳荫井对地震的响应幅度、形态的差异性。得到以下结论和初步认识:

(1)分析重庆井网的同震响应变化表明,该区井网水位和水温对近震和远震的响应能力都较好,水位的同震响应好于水温。水位的同震响应形态包括上升、下降和振荡三种类型,同一口井水位对不同地震的变化形态也不一致。水温同震响应形态包括上升和下降两种类型,荣昌华江井和北碚柳荫井水温对不同地震的变化方向总是一致,与震级和震中距等均无关。

(2)随着震中距的增大,荣昌华江井对地震的响应能力明显降低,水位形态由阶变→振荡,水位阶变的幅度与震级有关,水位阶变的方向从目前已有的震例总结为近震时水位下降,远震时水位上升。

(3)北碚柳荫井水位同震变化与地震能量密度的对应关系为:能量密度e(r)<0.01时,引起水位同震振幅小于0.063m;能量密度e(r)为0.01—0.1时,该井水位同震变化振幅范围为0.063—0.28m;能量密度e(r)>0.1时,该井水位同震变化振幅范围为大于0.28m。

(4)北碚柳荫井水位的响应能力优于荣昌华江井。造成两口井对于地震的响应能力存在差异的原因可能是多方面的,如含水层埋藏条件(承压性和封闭性),岩石力学性质、水动力学性质等,具体原因有待进一步研究。

致谢:由于重庆地区井位观测年限短,震例数量有限,文中存在着一些欠妥之处,谨望专家批评指正。感谢审稿专家对本文提出的宝贵修改意见。

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