水位、水溫對汶川8.0和日本9.0級地震的同震響應特征分析*

羅俊秋 孫伶俐 李 明 郭熙枝 趙凌云 蔣玲霞 戴 苗

(湖北省地震局，武漢 430071)

水位、水溫對汶川8.0和日本9.0級地震的同震響應特征分析*

羅俊秋 孫伶俐 李 明 郭熙枝 趙凌云 蔣玲霞 戴 苗

(湖北省地震局，武漢 430071)

對湖北地區5口觀測井水位和水溫在汶川8.0級、日本9.0級地震前后的變化的分析結果表明，不同地震對井水位、水溫的影響并沒有固定的變化模式。

汶川8.0級;日本9.0級地震;水位;水溫;同震響應

1 引言

地下流體觀測能獲得來自地球深部的信息，對地殼中應力-應變的響應頻率較寬，當它形成具有一定封閉條件的承壓系統時，就能夠客觀地、靈敏地反映地殼應力應變信息［1］。有關含水層對固體潮、大氣壓、地震波等的響應研究，國內外學者作了大量工作，取得了許多成果［2-6］。

本文將依據湖北地區地下流體觀測井的資料，著重對2008年5月12日汶川8.0級地震和2011年3月11日日本9.0級地震的同震和震后效應表現形態及特征進行分析研究。

2 湖北地下流體觀測井概況

湖北地區地下流體臺網1987年開始建設，現有6口地下流體觀測井(圖1，表1)，2007年7月正式開始觀測。地下流體觀測儀器共15套，其中水位觀測儀4套、水溫觀測儀4套、水位水溫綜合觀測儀2套，水化觀測儀5套，主要進行水位、水溫、氣氡、氣汞、水氡等測項的觀測。水位和水溫均采用數字化觀測儀器，采樣周期為1分鐘，水位分辨力為1 mm，水溫分辨力為0.000 1℃。由于鐘祥客店井只進行水位觀測，本文不做討論。

圖1 湖北地區地下流體觀測井分布Fig.1 Distribution of observation wells in Hubei area

表1 湖北地區地下流體觀測井基本特征Tab.1 Basic features of five observation wells in Hubei area

從湖北地區地下流體觀測井近幾年的連續資料來看，觀測資料長趨勢可分為緩變形、年變型和趨勢變化型，如荊州井水溫屬于緩慢上升型，黃梅獨山井水位和水溫屬于夏高冬低的年變型，秭歸井水位和水溫屬于波動緩慢下降型，襄樊萬山井水溫屬于趨勢上升型變化，黃梅獨山井、荊州井和襄樊萬山井水位具有起伏型的年變特征。這5口觀測井水位動態主要受降雨滲入補給的干擾，黃梅獨山井、襄樊井和荊州井水位具有清晰的地球固體潮汐日變化，有明顯的氣壓效應。

3 汶川8.0級地震同震響應特征

汶川地震時，湖北震感強烈，境內各觀測井水位、水溫具有明顯的同震響應和震后效應(表2)。

秭歸水位儀、襄樊萬山水溫儀和房縣水溫儀因儀器故障沒有記錄到同震響應，其他井水位和水溫記錄到的汶川8.0級地震同震響應如圖2所示。由圖2可知：

1)黃梅獨山井水位在震后約4分鐘出現震蕩型變化，振蕩持續3分鐘后，水位出現階降型變化，向下階躍幅度為116 mm。13～15日水位出現上升，且上升速率較快，16日每日變化量基本恢復到震前水平，震后變化形態為階升-加速上升-恢復正常年變，水位測值一直未恢復到震前高度。

2)黃梅獨山井水溫在震后約8分鐘出現快速上升型變化，3小時內水溫上升了0.124 1℃，之后水溫上升速率有所放緩，13～15日上升速率較正常年變上升速率有所加快，16日上升速率恢復正常，震后變化形態為階升-加速上升-恢復正常年變，水溫測值一直保持在震后高位運行。

表2 井水位和水溫對汶川8.0級地震的同震響應Tab.2 Coseismic changes of water level and water temperature in HuBei observation wells to Wenchuan Ms8.0 earthquake

圖2 汶川8.0級地震前后水位和水溫分鐘值變化曲線Fig.2 Curves of variations of water level and water temperature records before and after the Wenchuan Ms8.0 earthquake

3)荊州井水位在震后3分鐘左右出現了小幅突跳，持續時間僅4分鐘，突跳最大幅度為3 mm。而荊州井水溫則出現了明顯的同震響應，在震后4分鐘左右出現了快速上升現象，震后1小時內水溫快速上升了0.027 2℃，之后上升速率減緩，震后3小時水溫就開始逐漸回落，19日已基本恢復到震前水平，震后變化形態屬于典型的上升-緩慢下降-恢復型。

4)房縣井水位在震后2分鐘左右開始記錄到清晰的水震波，波動最大雙振幅為110 mm，伴隨波動水位出現了下降，下降幅度為36 mm，水位波動持續時間約2小時，之后水位在一個新的基值附近變化。

5)秭歸井水溫在地震20分鐘后出現上升變化，與正常年變的下降型變化相反，呈上升變化，變化持續到24日，之后水溫開始下降，震后水溫上升總幅度為0.039 2℃，25日后水溫逐漸恢復為震前正常下降趨勢，震后變化形態為上升-恢復型。

6)襄樊萬山井水位在震后3分鐘左右出現階變，快速下降持續約20小時，變化幅度達512 mm，同震響應造成的異常持續了71天，之后受水位年變的影響而上升，震后變化形態為下降-緩慢回升-恢復型。

對于汶川8.0級地震，湖北境內各觀測井水位同震響應整體表現為下降，水溫同震響應均為上升型變化。其中，黃梅獨山井水位和水溫、襄樊萬山井水位、房縣井水位同震響應迅速，并具有明顯的震后效應，這些井孔大都位于斷裂帶附近，可能與井孔所處的構造部位、水文地質條件及含水層巖石的力學性質等有關;秭歸井水溫的同震響應變化較為滯后，且震后基本恢復到正常觀測狀態，反映了該區震后應力調整過程引起的井-含水層系統的變化;荊州井水位同震響應僅表現為不明顯的微幅向下突跳，但該井水溫同震響應形態卻表現為典型的上升-緩慢下降-恢復型，其水溫變化機理較為特殊。

3 日本9.0級地震的同震響應

日本9.0級地震是日本觀測史上最高級別地震。對于日本9.0級地震，湖北境內位于斷裂帶附近的井孔水位和水溫具有明顯的同震響應(表3、圖3)。

表3 湖北井水位和水溫對日本9.0級地震的同震響應Tab.3 Coseismic response of water level and water temperature in HuBei observation wells to Japan Ms9.0 earthquake

湖北地下流體觀測井水位和水溫對日本9.0級地震的同震響應主要表現為：

1)黃梅獨山井水位在震后9分鐘左右開始記錄到清晰的水震波，波動最大雙振幅為41 mm，伴隨波動水位出現了下降，下降幅度為30 mm，之后水位逐漸緩慢回升，震后變化形態為波動下降-緩慢回升-恢復型。

2)黃梅獨山井水溫在震后10分鐘左右出現階躍下降，階躍幅度為0.012 4℃，震后2小時內水溫緩慢下降，之后逐漸回升，12日10時水溫基本恢復到震前正常趨勢，震后變化形態為階躍下降-緩慢回升-恢復型。

3)房縣井水位在震后16分鐘左右開始記錄到清晰的水震波，波動最大雙振幅為182 mm，波動持續時間約21分鐘，無上升或下降型變化。

4)襄樊萬山井水位在震后11分鐘左右記錄到小幅水震波，波動最大雙振幅為9 mm，波動持續時間約13分鐘，之后水位恢復到正常的地球固體潮汐日變形態。襄樊萬山井水溫在震后8小時20分鐘后發生了階躍變化，向上階躍幅度為0.001 1℃，之后水溫在個新基值附近恢復為正常的下降變化趨勢，震后變化形態為階躍上升型。

對于日本9.0級地震，湖北境內觀測井水位同震響應以波動類形態為主，其中黃梅獨山井水位伴隨波動出現了下降，隨后逐漸回升。井水溫變化則表現多樣，黃梅獨山井水溫同震響應變化形態為階躍下降-緩慢回升-恢復型，為該區井-含水層系統受地震影響的結果;襄樊萬山井水溫無明顯的震時同震響應，但震后效應為階躍上升，之后在正常下降年變動態中逐漸恢復，反映了該區井-含水層系統受地震影響，下含水層高溫水通過斷層或裂隙回流到上含水層引起水溫的滯后變化現象。

圖3 日本9.0級地震前后水位和水溫分鐘值變化曲線Fig.3 Minutely veriance curves of water level and water temperature records before and after the Japan Ms9.0 earthquake

4 結論

1)通過湖北境內地下流體觀測井水位、水溫對于兩次大地震同震響應特征的分析表明，各觀測井均能反映區域應力場變化引起的承壓含水層應力應變的變化，特別是黃梅獨山井和襄樊萬山井對承壓含水層應力應變的變化更為敏感。驗證了省內“十五”后新上的流體數字化儀器的可靠性、靈敏性。

2)各觀測井水位對汶川8.0級地震的同震響應以波動下降為主、日本9.0級地震的同震響應以波動為主，但是波動幅度大不相同。如房縣井距離汶川地震震中約為703 km、距離日本地震震中約為2 980 km，該井水位同震波動最大雙振幅分別為110 mm和182 mm，波動持續時間分別為2小時和21分鐘，汶川地震時伴隨水震波動水位出現了幅度為36 mm的下降。這些現象表明，井水位對地震的波動變化響應主要是由于地震波傳播經過含水層時，含水層內交替地產生彈性壓縮與拉張變形，致使空隙壓力發生增大與減小的交替變化造成的，但同震波動變化幅度除了與震中距、震級密切相關外，還可能與井-含水層系統自身特性、震源方位、震源機制以及地震波的傳播途徑有關。

3)各觀測井水溫對汶川8.0級地震的同震響應以上升為主、日本9.0級地震的同震響應卻各不相同，說明了水溫同震響應變化的復雜性。如汶川地震時，黃梅獨山井水位出現震蕩階降型變化，水溫表現為快速上升型變化;日本地震時，該井水位出現震蕩緩降型變化，水溫表現為階躍下降型變化;而該井水位和水溫日變固體潮表現為一致性的變化，即水位上升時水溫上升，水位下降時水溫也下降。觀測資料表明，一口井水位同震響應表現為下降變化時，水溫同震可能出現上升變化，也可能出現下降變化，與正常日變動態相關性不大。水溫同震響應主要是由于井孔中的水體受震蕩激發而加速對流與摻混造成的地下水動力學作用引起的，除了與震中距、震級密切相關外，與當地區域應力作用下的井孔-含水層系統介質受力狀況、井孔水位固有周期、阻尼等頻響特性、水溫探頭觀測含水層封閉性等有關。

4)各觀測井水位和水溫同震響應出現畸變的起始時間與地震波到達的時間基本一致，屬于同震變化;出現階躍變化井孔的起始時間卻各有不同，這反映了不同測井的水文地質背景參數、井徑、井孔水柱高度、井孔密封狀況等的綜合影響。

5)地下水震后效應變化與地震破裂、構造牽動、塊體調整有關，當地震波激發含水層受力發生應變時，必將引起含水層應力-應變狀態的改變，導致含水層導水能力和孔隙水壓的變化，應力-應變反映在水位震后效應上。因此，震后效應現象包含著一定的前兆信息。黃梅獨山井、襄樊萬山井水位和房縣井水位在汶川地震后具有明顯的震后效應，要以這些井孔為主要研究對象，視其空間展布、單井、多井等類型，動態跟蹤汶川地震和日本地震對湖北地震活動趨勢的影響。

1 汪成民，等.地下水微動態研究［M］.北京：地震出版社，1988.

2 劉耀煒，施錦.強震地下流體前兆信息特征［J］.地震學報，2000，22(1)：59-64.

3 萬登堡.井孔水位記震能力變化與近大地震關系研究［J］.地震研究，1992，15(4)：381-391.

4 付虹，等.地方震及近震地下水同震震后效應應用研究［J］.地震，2002，22(4)：55-66.

5 高小其，等.新疆地區地下流體中強震源兆、場兆、強震遠兆的統計與分析［J］.地震，2006，26(2)：83-94.

6 陳大慶，等.遠場大震的水位、水溫同震響應及機理研究［J］.地震地質，2007，29(1)：122-132.

ANALYSIS OF COSEISMIC CHANGES OF WATER LEVEL AND WATER TEMPERATURE IN OBSERVATION WELLS RESPONDING OF HUBEI TO WENCHAUN Ms8.0 EARTHQUAKE AND JAPAN Ms9.0 EARTHQUAKE

Luo Junqiu，Sun Linli，Li Ming，Guo Xizhi，Zhao Lingyun，Jiang Lingxia and Dai Miao
(Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071)

Through the analysis of the characteristics of coseisemic changes of water level and water temperature in five observation wells in Hubei to Wenchuan Ms8.0 earthquake and Japan Ms9.0 earthquake，it can be seen that there are not particular pattern of water level and water temperature in Hubei’s wells responding to earthquake.

Wenchuan Ms8.0 earthquake;Japan Ms9.0 earthquake;water level;water temperature;co-seismic change

1671-5942(2011)Supp.-0001-06

2011-03-25

中國地震局震情跟蹤合同制項目(2011020205)

羅俊秋，工程師，主要從事地震監測預報工作.E-mail：luojq04@163.com

P315.72+3

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