引言

赵各庄井位于首都圈地区,该井自2001年起进行数字化水位和水温观测。武安绪等(2010)发现赵各庄井流体对汶川大地震有很好的同震响应。赵各庄井是位于夏垫断裂带北端的地震观测井(图 1),由于第四纪的活动性和曾发生的三河—平谷8级地震(烈度Ⅺ),其所处的断裂带成为首都圈地区重要的地震断层之一,引起人们广泛重视。前人在该断裂带上开展了一系列研究工作,诸如沉积环境(杨晓平等,2012张超等,2014)、年代地层(李梁等,2011李梁,2012)、地貌(江娃利,1999毛昌伟等,2010丁锐等,2014)、地球物理(邓前辉等, 2000, 2001何付兵等,2013田优平等,2014段美芳等,2018)、浅层探测(张先康等,2002贾辉等,2008冉志杰等,2013)、人工探槽(江娃利等,2000)、钻探(徐锡伟等,2000)、遥感(王雷等,2014)和地球化学(陆丽娜等, 2016, 2018)等,并积累了大量资料。目前,该项工作中仍缺乏详细的数字化水位、水温的地震流体研究。大地震产生的应力能够瞬间改变地壳介质状态,引起含水层中地下流体的流动(Wang等,2014)。近年来,越来越多的证据表明水文地质学与地震动力学存在着密切的关系(Telesca等,2015),尤其是井水位和井水温方面(兰双双等,2011孙小龙等, 2011, 2013陈亮等,2012Sun等,2012Gu等,2013车用太等,2014廖欣等,2014Shi等,2015宋洋等,2016向阳等, 2017a, 2017bKim等,2018Petitta等,2018Liu等,2018)。井水位和井水温的同震效应是揭示地壳介质对应力—应变过程响应的有效手段,能够反映地壳动力作用下地下介质应变和孔隙压的变化特征,从而便于深入了解地下介质的动力学过程(Roeloffs,1998Montgomery等,2003)。


图 1 观测井构造背景示意图(据高战武,2001 Fig. 1 Tectonic background diagram of the observation well

为了更好地监测和研究夏垫断裂带的地震活动性以及赵各庄井的同震变化情况,本文以地震地下流体两大测项——水温和水位为研究对象,针对赵各庄井水位和水温的同震响应进行分析,同时探讨赵各庄井孔水位变化对夏垫断裂带的影响。

1 研究背景
1.1 观测井基本信息及地质概况

赵各庄井位于北京市平谷区城关镇赵各庄村内,地理坐标为117.01°E、40.13°N,海拔26.2m,属于平谷区地震办公室管理的地方台观测井。该井位处夏垫断裂带北端西侧。夏垫断裂带位于华北平原区北部,为一东南盘下降、西北盘上升的正断兼具右旋走滑分量的断裂带,其总体走向NE45°,倾向SE,倾角50°—70°,全长45km,新生代断距大(可达3—4km)。该断裂被认为是1679年三河—平谷MS 8.0地震的重要发震断裂(图 1)(韩晓昆等,2013万永魁等,2014)。断裂带上盘为黄褐色黏土、黄色粉砂、灰黄色亚黏土以及灰黑色黏土,可见零星钙核;下盘则为灰黑色黏土、灰褐色亚黏土、灰色粉砂、灰褐色亚黏土、黄褐色黏土以及黄色亚砂土(江娃利等,2000)。

赵各庄井井孔柱状图如图 2所示,井区周围地表多被第四系松散层覆盖,观测含水层属第四系孔隙承压水,主要含水层有:①第四系卵石、砾石混黏砂含水层,位于井下171.00—254.00m;②第四系石英砂岩层,位于井下556.81—557.26m。其成井后下设无缝钢管至182.10m,其下安装同径滤水管至234.60m,井的观测含水性为182.10—25400m上层冷水和556.81m以下层热水的混合水。该观测井257.59—479.00m为卵石、砾石混黏岩,479.00—556.81m为卵石、漂石混黏岩,透水性较好。


图 2 赵各庄测井井孔柱状图(据韩孔艳等,2016 Fig. 2 The stratigraphy of Zhaogezhuang wellhole

赵各庄井建于1989年,井深557.26m,第四系厚度达556m,下伏蓟县系砂岩。该自2001年9月开始进行数字化水位、水温观测,使用LN—3型水位仪和SZW—1A型水温仪(表 1)。温度探头放置在180m处,且自安装以来位置基本不变。2011年5月水温仪增加协议转换器,并将LN—3型水位仪更换为SWY—1A型水位仪进行观测,2015年更换为SWY—2型水位仪。多年的观测资料显示该井对于北京地区4级以上地震有较好的映震能力(韩孔艳等,2016)。

表 1 观测仪器设备参数 Table 1 Parameters of observation instrument
1.2 观测资料概况

赵各庄井自1990年投入使用以来,具有多年的水位、水温观测资料,观测精度和观测方式均为分钟值。本次研究水温观测资料数据时段为2006.01.01—2015.07.10,日均值资料缺数51天,连续性较好;水位观测资料选取数据时段为2003.01.01—2015.07.10,日均值资料缺数77天,资料连续性较好,水位数据较水温数据突变少,稳定性也强于水温数据。

2 井水位、水温动态协调变化特征

选取的静水位和水温数据起止时间为2006.01.01—2015.07.10。刘耀炜等(2010)研究认为井孔水位、水温的协调变化特征主要有同步同向协调变化、同步反向协调变化及无规律变化3种类型。2012年之前,赵各庄井水位和水温在形态上总体呈同步反向协调变化,即水位下降,而水温上升(图 3(a));2012年之后,两者呈同步缓升的趋势(图 3(c))。井水位日值年动态曲线反映出每年冬季及次年春季静水位呈现出下降的趋势,而在夏季及秋季则出现逐渐上升。水温的变化规律则表现出2种情况:2012年之前,每年冬季及次年春季呈上升趋势;2012年之后,每年冬季及次年春季呈下降趋势。


图 3 地下静水位与水温日值年动态曲线(a)、(c)及井孔水位与水温旬均值关系(b)、(d) Fig. 3 Curves of annual dynamic for daily value data of water levels and temperature (a), (c) and correlation curve for 10-day value data of water level and temperature (b), (d)

从统计期内水位、水温旬均值关系(图 3(b)(d))不难看出,水位和水温之间的相关系数在2012年之前为0.54494,2012年之后为0.54872,两者相关性较明显,这表明地震孕育过程对两者的作用程度是有差别的。

3 井水位、水温同震响应特征

Cooper等(1965)对开口井孔中水位波动对地震波的响应研究和Mogi等(1989)对日本伊豆半岛某温泉水温突变对于强震的响应研究以来,国内外开展了对水温和水位同震响应的大量研究。研究充分表明,地震流体观测中水位和水温对远场大震的同震响应是地震波作用于井—含水层系统最直接的体现(孙小龙等,2008a)。井水位、水温的同震响应特征是指井水位和水温在地震波的作用下所表现出来的异常升降(宋洋等,2016)。为提高研究的准确性,选取可能引起井水位和水温同震响应的所有地震目录(表 2),其中井水位为静水位,地震目录来源于国家地震科学数据共享中心1刘瑞丰等,2007;),具体选取标准为:70°E以东,10°S—60°N地区的MS 4.0以上地震(震级统一用MS 标度,无MS 标度时利用经验公式Mb=0.63MS +2.5(Gutenberg等,1956陈运泰等,2004)和MS =1.13ML-1.08(郭履灿,1971)进行换算)。以发震时刻为基点,甄别井水位和水温动态数据及同震响应的地震,分析井水位响应类型,计算震中距,筛选及计算结果见表 3

1 http://data.earthquake.cn

表 2 赵各庄井地震及响应次数统计 Table 2 Numbers of earthquakes and response times of observation well
表 3 赵各庄井水位及水温同震响应特征 Table 3 The co-seismic responsive characteristic of groundwater level and temperature of Zhaogezhuang well
3.1 同震响应地震次数及分布

对于赵各庄井静水位,选取地震829次,其中具有同震响应的地震次数为23次,占全部地震的2.77%;对于水温,选取地震593次,呈现同震响应的地震为1次,占全部地震的0.16%。静水位与水温对汶川MS 8.0地震均有显著且一致的同震响应,如图 4所示,由图可见当汶川地震发震时,水位呈现突降,同时水温也呈现突降,二者表现一致。而对于其它地震,二者较少表现出明显的一致性。对于6级以上的远场地震,水位较水温有更显著的响应,对于5级及以下的地震,二者响应能力相当。不同地震发震地点不同,震级不同,释放能量不同,从而造成同一观测井对于不同地震的响应差异(巩浩波等,2015)。对于5级及以下地震,由于震级较小,地震释放的能量较弱,当地震波传播到测井时,能量削弱,不足以引起水位的变化,即未响应;而5级以上地震,震级较大,释放的能量较强,综合考虑震中距的大小,以及地震波传播过程中所经过的地质构造和岩性的不同,会引起测井水位显著变化或无明显变化,即不全有响应。


图 4 赵各庄井水位及水温对比 Fig. 4 Comparison of water level and temperature of Zhaogezhuang well
3.2 响应时间

从响应特征筛选和计算结果(表 3)可知,赵各庄井静水位同震响应时间最短的是2008年汶川MS 8.0地震和2004年10月23日日本MS 6.7地震,震后9分钟井水位即响应;而响应时间最长的2007年4月2日所罗门群岛MS 7.7地震,震后33分钟后才响应。2004年9月5日,日本本州发生了MS 7.0和MS 7.3地震,两者相隔时间为290分钟,分别在震后10分钟和11分钟出现了响应。而2006年12月26日,中国南海发生了2次地震,震级分别是MS 7.3和MS 6.8,水位的响应时间分别为20分钟和12分钟。整体来看,对于7—8级地震水位具有显著的响应能力,一般响应时间为10—20分钟。根据震中距与响应时间关系拟合图(图 5),获得拟合曲线斜率为3.28,推测在水位同震响应过程中地震面波起到了主要作用(牛安福等,2005)。此外,由图 5可以看出,震中距越大响应时间越长,震中距越小响应时间越短,当震中距小于3000km时,曲线的拟合性最好,数据最集中,说明在此震中距内,水位的同震响应更规律,效果也更好。当震中距相同或相近时,如2004年12月26日苏门答腊MS 8.8地震和2005年3月29日苏门答腊MS 8.4地震,2次地震的井水位响应时间也基本一致。


图 5 震中距与响应时间关系拟合图 Fig. 5 Fitted curve of the relationship between epicentral distance and response time
3.3 响应幅度

赵各庄井水位对各地震的同震响应幅度不同,持续时间也不等。其中,2004年12月26日印尼苏门答腊MS 8.7地震响应幅度最大,震后水位振荡幅度达770.0mm,2008年1月9日西藏改则县MS 6.9地震响应幅度最小,振荡幅度为3.0mm。此外,具有同震响应特征的地震震级多集中在MS 6.0—8.0之间(图 6(a))。


图 6 井水位(a)及井水温(b)同震响应地震分布 Fig. 6 Plot of earthquakes corresponding with water change level (a) and earthquakes corresponding with water temperature change (b)

(1)2003年以来,日本附近发生的具有同震响应的地震共有5次,发震地点与赵各庄井的距离比较相近,震级分别为MS 6.9、MS 6.7、MS 7.0、MS 7.3和MS 8.2,其井水位响应幅度也不一致。震级最大的地震为2003年9月26日MS 8.2地震,其井水位响应幅度为545.5mm;震级较小的2次地震为2004年10月23日MS 6.7地震和2004年12月29日MS 6.9地震,其井水位响应幅度分别为5.0mm和22.0mm(表 3)。由此可见,当震中距相近时,震级越大,相应的井水位响应幅度也越大。

(2)2003年以来,统计范围内共发生12次MS 8.0级以上地震,赵各庄井对其中的4次地震有明显的响应(表 3):①2008年汶川MS 8.0地震距赵各庄井1590km,震源深度14km,在这12次地震中距赵各庄井震中距最小,井水位响应幅度为207.5mm;②2004年12月26日印尼苏门答腊MS 8.8地震距赵各庄井4633km,震源深度为40km,其井水位响应幅度最大,为770.0mm。

(3)2008年汶川MS 8.0地震和日本附近的多次地震,其发震地点与赵各庄井的距离在1500—2500km之间。然而响应幅度差异较大,汶川MS 8.0地震引起的水位响应幅度为207.5mm,日本附近的地震按表 3中的顺序响应幅度依次为22.0mm、5.0mm、14.0mm、23.0mm、545.5mm,对应的震级依次为MS 6.9、MS 6.7、MS 7.0、MS 7.3、MS 8.2。可以看出,在震中距相近的情况下,震级越大,同震响应幅度越大。

(4)具有响应的中国大陆型地震共计5次(表 3),震级分别为MS 7.3、MS 8.0、MS 7.3、MS 6.6、MS 7.7,其响应幅度依次为15.0mm、207.5mm、24.0mm、3.0mm、55.0mm;国外非大陆型地震共计7次,震级分别为MS 7.7、MS 7.9、MS 7.4、MS 8.4、MS 8.8、MS 7.3、MS 7.5,其响应幅度依次为53.5mm、59.0mm、28.0mm、233.5mm、770.0mm、12.5mm、60.5mm。国外非大陆型远场大震引起赵各庄井水位响应幅度明显高于中国大陆型地震,特别是2004年12月26日印尼苏门答腊MS 8.8地震其引起的水位响应幅度高达770.0mm。

(5)2008年7月5日鄂霍次克海MS 7.8地震和2015年5月30日日本志摩市MS 8.3地震,其震中距较小,赵各庄井水位无同震响应,可能是震源较深的原因,鄂霍次克海地震和日本志摩市地震震源深度分别为636km和680km。此外,通过统计也发现,当震级相同时,水位响应幅度并未随震中距场大呈减小趋势,而是不一而同,对于日本北海道MS 8.0地震与汶川MS 8.0地震,前者震中距大于后者,两者震源深度都为33km,但井水位响应幅度前者却比后者大。

对井水温同震响应统计(图 6(b))可以看出,赵各庄井仅有1次同震响应的记录,其响应幅度明显弱于井水位。有响应记录的地震为2008年5月12日的汶川地震,水温响应幅度为0.0129℃。而对于其它地震,部分没有数据记录,部分没有响应记录。整体而言,赵各庄井水位响应能力强于水温。

3.4 响应形态

响应特征统计结果(表 3)和典型水位同震响应曲线(图 7)显示,赵各庄井水位同震响应形态为振荡型、振荡—脉冲型和脉冲型3种。其中,图 7(a)7(b)7(c)7(h)中的水位变化为振荡型,图 7(e)7(f)为典型的脉冲型,图 7(d)7(g)则是兼有振荡和脉冲变化的振荡—脉冲型。图 7(e)7(f)中的水位响应形态虽同为脉冲型,但图 7(e)为向上脉冲型,图 7(f)则为向下脉冲型,二者皆有显著的脉冲峰。振荡型也分为等振幅和不等振幅2种类型,其中图 7(b)是典型的等幅振荡型。振荡型为水位响应形态的主要类型。图 7(a)7(b)7(c)7(f)的水位变化幅度分别为770.0mm、233.5mm、545.5mm和207.5mm,变化幅度最显著,而其响应时间分别是27min、22min、10min和9min,结合这些台站到地震震中的震中距,分析认为该井水位变化对于这几次地震的响应最快。


图 7 典型水位同震响应曲线(一) Fig. 7 Typical curves of water level with co-seismic response

图 7 典型水位同震响应曲线(二) Fig. 7 Typical curves of water level with co-seismic response
4 异常成因探讨
4.1 水位变化与震中距、震级之间的关系

由震中距、震级和井水位实测变化值,得出三者之间的空间分布情况(图 8)。据前人研究(Roeloffs,1998杨竹转等,2005陈大庆等, 2007a, 2007b),水位的变化幅度与地震震级、震中距之间存在一定的数量关系:

${\rm{lg}}\Delta {h_i} = {\omega _1}M + {\omega _2}{\rm{lg}}D + {\omega _3} $ (1)

图 8 井水位的变化幅度与震中距、震级之间的关系 Fig. 8 The correlation of water level variation to epicentral distance and earthquake magnitude

式中:ω1ω2ω3为常数;Δhi为水位变化幅度(cm);D为震中距(km);MMS ,表示面波震级。

Roeloffs(1998)通过对美国加利福尼亚洲BV井的研究得出以下关系:

$ {\rm{lg}}\Delta h = 0.89M - 1.63{\rm{lg}}D - 0.69 $ (2)

当Δh≥5cm时,有;

$ M \ge 1.55 + 1.82{\rm{lg}}D $ (3)

即当震级与震中距满足(3)式时,会产生超过5cm的水位上升。

针对赵各庄井,根据式(1),不考虑水位上升或下降的问题,对所记录到的水位变化幅度与震级、震中距(表 3)之间做二元回归计算分析,得到以下关系式:

$ {\rm{lg}}\Delta {h_i} = 1.923M + 1.084{\rm{lg}}D - 19.350 $ (4)

当Δh≥0.7cm时,有:

$ M \ge 9.98 - 0.563{\rm{lg}}D $ (5)

即当震级与震中距满足式(5)时,井水位会产生超过0.7cm的水位变化。

经过计算,在所选震例中共有4次地震(MS 7.7、MS 8.2、MS 8.4、MS 8.8)符合式(5),4次地震的实测震级大于预测震级。其它地震的实测震级均小于预测震级,且在这些地震中,某些地震震中距很大,反而引起了大于0.7cm的水位变幅,因此,赵各庄井的井水位变化显然不受震级与震中距的严格约束。根据式(4),绘制出震级、震中距与水位变化幅度关系的三维拟合图(图 8),从中可以看出引起井水位变化的地震分布情况,同时反映出震级在7级以上的地震其水位变化幅度最为显著,震中距对水位变化的影响无明显规律。

4.2 井水位变幅与含水层岩性的关系

赵各庄井周围被大量第四纪堆积物所覆盖(图 2),且堆积厚度大,多为卵石、砾石混黏岩,其最深处为第四系石英砂岩层。根据史浙明(2015)对岩性与同震水位响应之间关系的研究可知,岩性为火成岩、砂岩以及灰岩并不是引起井水位变幅的主要因素。而赵各庄井并非这种情况,其第四纪堆积物并未成岩,孔隙较大,导水性较好,当远场中强震的地震波通过这种介质时,产生的动态应力会使得含水层渗透性进一步增大或减小,渗透性产生的变化导致水位发生振荡,这与响应地震的相应形态类型基本相符。

5 讨论
5.1 井孔水位、水温映震效应特征

井孔水位、水温对于地震的映震响应是客观存在的,其形态类型复杂多样,但并非无规律可循。根据前人研究,对于同震响应的水位变化,近场地震以同震阶变为主(付虹等,2002王芳等,2012),中场地震多出现缓变,而水位振荡则主要出现于远场大震(陈大庆等,2007a尹宏伟等,2016);而水温对于远场地震,其特征表现为震时水温突降—缓慢恢复(陈大庆等,2007a孙小龙等,2008b)。通常震前以阶变类异常为主(车用太等,1996),两者之间常出现同震水位振荡且水温下降的特征(石耀霖等,2007)。这些同震响应的方式除与地震特征有关外,还主要取决于观测井局部的地质构造、水文地质条件以及观测井周边的环境等。如在含水层埋深大致相同时,水位同震响应的幅度取决于观测井含水层的岩性,一般灰岩 > 变质岩 > 砂岩 > 第四系砂砾石,含水层顶板埋深亦对其有影响。

赵各庄井水位对一些远场大震同震响应形态以振荡为主,同时也出现脉冲、振荡—脉冲的形态。对于2008年汶川MS 8.0地震,其震后9分钟出现阶降,而后水位并未恢复到原来的水位高度,但有所上升,达207.5mm。

对于远场大震,其震后响应时间为几分钟到十几分钟,有时达到20分钟以上,当地震波传到观测井后,会导致观测井—含水层系统介质发生一定形变,从而促使其孔隙压力发生改变,进而引起水流速度发生变化,当孔隙压力增大时,含水层中水会向井孔流动,井孔水位因此上升;当孔隙压力减小时,井孔中水会向含水层流动,导致井孔水位下降。地震波的这种持续影响,导致观测井孔水位持续上升或持续下降,震后缓慢恢复或者难以恢复;井孔水位上升与下降交替转变,持续一段时间后停止。

5.2 井孔水位变化与断裂

地下流体观测井井孔均尽可能地布设在断层及其邻近地区,这些观测井的水位、水温及一些化学量的异常变化都有可能与观测井含水层相关断层的活动性有直接的关系(王博等,2008)。地下水位的异常变化除了受地壳形变的影响外,还主要受降雨的影响,并且降雨也可以导致地壳的形变(陆明勇等,2005)。降雨可以在地表形成地表积水,使得地面的荷载作用加强,其下岩土中的很大范围内产生较大的附加应力。此外,降雨也能增加地下含水层中的含水量,使得孔隙压力增大,导致含水层中的水向井孔流动,水位上升;反之,可导致水位下降,水位的这种变化将产生动水压力。在地震孕育过程中的中短、短临阶段,水位上升或下降,都会对断层活动性产生一定的影响。此外,黄辅琼等(2005)通过研究断层的变形行为与降雨及地下水的关系,分析认为断层的年变形量与年降雨量相关,较少或者较多的不规则降雨都会导致断层的变形行为发生畸变,降雨通过改变断层带上的地下水位(或断层的孔隙压力)影响着其断层的变形行为,浅部断层的流体可以通过影响断层的变形行为而参与或者影响区域构造应力应变的调整。因此,为监测夏垫断裂带的活动性,应对赵各庄井水位进行长期监测,尤其是降雨量发生突变的季节,更应重点监测其前后变化。

对于布设在夏垫断裂带上的观测井——赵各庄井,其井水位下降,可反应该地区地下水位整体呈下降趋势。在下降初期,虽然含水层孔隙压力降低,但是水位变化引起的动水压力却增强,依然会增强断层面上的总压力及摩擦力,故在下降的初期会导致断层的滑动。但是随着水位下降的速度变缓慢,孔隙压力继续降低,水位变化幅度变小,反而阻止断层活动。

6 结论

地震次数和水温、水位同震响应次数的统计数据显示,对于6级以上的远场地震,赵各庄井水位较水温具有更显著的响应,对于5级及以下的地震二者响应能力相当。而在响应时间上,对于7—8级地震水位具有显著的响应能力,响应时间一般为10—20min。在响应幅度上,具有水位同震响应的地震多集中在6—8级,幅度变化范围为3.0—770.0mm;而水温的典型响应地震为2008年的汶川地震,其响应幅度为0.0129 ℃,其它地震几乎无明显响应。水位响应形态可分为振荡型、脉冲型和振荡—脉冲型,且以振荡型为主,其中变化幅度最大的4次地震,其响应时间也是最快速的。赵各庄井周围的第四纪堆积物未成岩,空隙较大,导水性较好,有利于地震波的传播,进而对水位的振荡产生影响。

除上述因素外,观测井的地质构造、水文地质条件等也决定了同震响应的特征。由于赵各庄井位于夏垫断裂带的北端,其水温、水位的异常变化和夏垫断裂带的活动性相关,且水温、水位的异常又会影响夏垫断裂带的活动性。今后对赵各庄井水温、水位两大测项进行观测时,应以水位为主,同时,还需关注夏垫断裂带的活动性。同时为了监测夏垫断裂带的活动性,应对赵各庄井水位和水温进行长期监测,尤其是降雨量发生突变的季节,更应重点监测其前后变化,以保证首都圈地区的人民生产安全。

致谢: 防灾科技学院宋洋老师、姜纪沂教授协助收集论文资料,贾建鹏老师对于数据的获取给予指导,在此表示感谢!
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